UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL FUNDAÇÕES

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL FUNDAÇÕES Aula 03 Rebaixamento do Nível de água Eng. Civil Augusto Romanini (FACET Sinop) Sinop - MT 2018/1

2 AULAS Aula 00 Apresentação / Introdução Parte I Introdução Aula 02 Investigação do subsolo Parte II Fundações superficiais Aula 04 Capacidade de carga do solo Parte III Fundações profundas Aula 08 Fundações Profundas Tipos Parte IV Tópicos complementares Aula 11 Tópicos complementares I Aula 01 Introdução ao estudo de fundações Aula 03 Rebaixamento do Lençol Freático Aula 05 Dimensionamento de blocos e sapatas Aula 06 Dimensionamento de tubulões Aula 07 Fundações Profundas - Introdução Aula 09 Fundações Profundas - Dimensionamento Aula 10 Escolha do tipo de fundações Aula 12 Tópicos complementares II 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 2

3 INTRODUÇÃO SISTEMAS PARA REBAIXAMENTO DO NÍVEL DE ÁGUA Bombeamento direto Ponteiras filtrantes Injetores e Ejetores Bombas submersas Recalques Caso Histórico EXEMPLO 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 3

4 Introdução 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 4

5 Introdução 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 5

6 Introdução 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 6

7 Introdução 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 7

8 Introdução A adoção de um controle da água subterrânea facilita a construção de estruturas enterradas sob o nível d'água, na medida em que: 1. Intercepta a percolação de água que emerge nos taludes ou fundo de escavações. A água prejudica grandemente os processos construtivos e pode ser fator impeditivo ou de considerável aumente de custos de uma construção enterrada. 2. Aumenta a estabilidade de taludes e evita o carreamento hidráulico do solo deste talude e do fundo de escavação. 3. Reduz a carga lateral em estruturas de escoramento e contenção. 4. Melhora as condições de escavação e reaterro. Escavações submersas são sempre mais lentas e dispendiosas. 5. Elimina ou reduz a necessidade do emprego de ar comprimido em túneis. 6. Permite manter basicamente inalteradas as condições de suporte do terreno localizado subjacentemente ao apoio da estrutura a ser construída. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 8

9 Introdução Existem duas maneiras de realizar o controle da água subterrânea no solo. Um, denominados de métodos de exclusão serão tratados futuramente, nas estruturas de contenção. Este métodos consistem basicamente em realizar a separação do fluxo de água e o procedimento de escavação, excluindo assim a água da barreira física imposta. A outra metodologia consiste da interceptação e remoção da água de subsuperficie, através de um bombeamento apropriado. Este bombeamento pode ser realizado através de ponteiras filtrantes ou poços filtrantes. Esta segunda opção tem o objetivo de alterar a posição do nível de água, que será o foco desta aula. Ou seja trataremos do controle do nível de água, ou simplificadamente rebaixamento. É importante lembrar que a utilização de uma técnica não exclui a utilização da outra. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 9

10 Introdução Conceitos Fatores que influenciam na Escolha do Sistema de Rebaixamento do Lençol D'água I - Tipo de obra: Para escavações rasas e rebaixamento de até 5-6 m do lençol d'água, deve-se adotar um sistema convencional de ponteiras filtrantes. Para rebaixamentos maiores, em locais exíguos, deve-se prever um sistema de poços profundos através de bombas submersas (para grandes volumes d'água) ou de injetores (para volumes menores). II - Condições de subsuperficie: A formação geológica e a natureza do subsolo são determinantes na escolha do sistema de rebaixamento. A permeabilidade e a drenabilidade de um solo ou uma rocha podem definir o sistema de rebaixamento a ser utilizado. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 10

11 Introdução Conceitos III - Altura de rebaixamento x quantidade de água a ser bombeada: À medida que se aumenta a altura de rebaixamento, caminha-se, em geral e sucessivamente, da captação superficial à necessidade de ponteiras e daí para poços profundos. Para tanto, é essencial a avaliação, com folga, da quantidade de água que fluirá para o interior da escavação IV - Efeito do rebaixamento em estruturas adjacentes: pelo fato de o rebaixamento induzir uma diminuição das pressões neutras, sobrevém um correspondente aumento de pressões efetivas e podem ocorrer recalques indesejáveis em estruturas localizadas nas vizinhanças, ou mesmo a grandes distâncias (digamos, 50 a 100 m). Os recalques são mais frequentes quando existem construções leves apoiadas em argila mole ou turfa, superficiais, sobrejacentes a aquíferos muito permeáveis, lista possibilidade deve ser analisada pelo projetista, a quem caberá a recomendação da colocação de pinos de recalque nos vizinhos, selamento de trincas e fissuras existentes e eventuais medidas jurídicas cabíveis. Mais recentemente, há a crescente preocupação de natureza ambiental; V - Natureza do aquífero e fontes de percolação ( natureza da água) 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 11

12 Introdução Conceitos Na esmagadora maioria dos casos há a necessidade do rebaixamento temporário do lençol d'água, sendo o sistema de rebaixamento ligado imediatamente antes da execução da escavação e desativado logo após, no entanto isto cabe ao projetista e ao tipo de estrutura a qual está condicionado o rebaixamento. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 12

13 Introdução Conceitos Há, todavia, uma condição intermediária, em geral relacionada com alívio das subpressões neutras ou do controle do seu efeito na construção. Neste caso, o rebaixamento é ativado muito antes e desativado muito após o término da estrutura enterrada, por exemplo quando a garagem de um edifício foi terminada e o rebaixamento deva ser mantido até que a estrutura fique progressivamente mais pesada para se evitar a flutuação. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 13

14 Introdução Conceitos Um outro exemplo é o da possibilidade de ruptura hidráulica ou levantamento do fundo da escavação (blow-up), em que o lençol deve ser mantido rebaixado por um período muito mais longo do que o cronograma estrito de construção. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 14

15 Introdução Conceitos Nos casos em que o nível d'água deva ser mantido permanentemente rebaixado, os requisitos não são diversos e apenas há que se aumentar a durabilidade do sistema e de seus controles, de forma a permitir a perenidade de operação. Os circuitos hidráulicos, controles elétricas, alarmes de interrupção etc. devem ser projetados em duplicidade ou multiplicidade. Analogamente, os sistemas de filtros granulares mais canalizações devem prever a possibilidade de corrosão ou de incrustações de águas ou efluentes, respectivamente quando o PH destas águas é ácido ou básico. Deve também ser contemplada a possível ocorrência de algas ou bactérias que possam alterar as condições iniciais previstas. Sempre deve haver redundância. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 15

16 Bombeamento direto O bombeamento direto, também denominado de esgotamento de vala é a técnica mais simples. O sistema consiste em coletar água em valas executados no fundo da escavação, ligadas a um ou mais poços onde a água é acumulada e posteriormente retirada através de bombeamento. A escolha das bombas é feita com base na experiência ou cálculos de hidráulica. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 16

17 Bombeamento direto Urbano ( 2007) afirma que este tipo de bombeamento pode se tornar inadequada quando a escavação for realizada utilizando cortinas impermeáveis e ocorrem gradiente hidráulicos alto. A ocorrência de gradientes hidráulicos altos podem ocasionar ruptura de fundo da escavação e como consequência um acidente de trabalho ou atraso na execução. Quanto ao bombeamento recomenda se observar se está ocorrendo carreamento de partículas. Este carregamento de partículas pode gerar recalques em estruturas vizinhas ou sistemas de infraestrutura urbana. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 17

18 Bombeamento direto 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 18

19 Bombeamento direto 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 19

20 Bombeamento direto São elementos que captam as águas distantes da face do talude antes que nela aflorem. Ao captálas, eles as conduzem ao paramento e as despejam nas canaletas. Os drenos subhorizontais profundos, DHPs, resultam da instalação de tubos plásticos drenantes de 1¼" a 2", em perfurações no solo, de 2½ a 4". Os tubos são perfurados e recobertos por manta geotêxtil ou por tela de nylon. São drenos lineares embutidos no maciço, cujos comprimentos se situam, normalmente, entre 6 e 18 m. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 20

21 Bombeamento direto 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 21

22 Bombeamento direto I. Executa se valetas de crista para coleta das águas de chuva. II. Excuta se, no contorno da escavação, uma vala profunda até a camada impermeável e instalam se bombas de recalque. III. As bombas começam a funcionar extraindo a água do maciço a ser escavado. IV. Escava se o maciço e mantem se a proteção dos taludes. V. Continua se a escavação até se atingir a cota necessária ou região impermeável. As bombas continuam funcionando para evitar a surgência de água. Situação comum em obras de pequeno e médio porte. Ou área pequenas para escavação. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 22

23 Bombeamento direto 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 23

24 Ponteiras filtrantes O sistema de ponteiras filtrantes é caracterizado pela instalação, ao longo da periferia da área a rebaixar. Estas tomadas de água são denominadas ponteiras filtrantes ( Well points). A ligação das ponteiras com o tubo principal é realizada através de mangueiras com um sistema de registro que impede o fluxo ou permite realizar trocas e manutenções sem a necessidade de interromper todo o sistema. O sistema ainda conta com um sistema composto por conjunto de recalque 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 24

25 Ponteiras filtrantes O espaçamento entre os tubos não deve ser inferior a 15 vezes o diâmetro do tubo, de maneira a reduzir suficientemente a influência recíproca de uns sobre os outros. As ponteiras descem a uma profundidade um pouco maior do que a do ponto mais baixo a ser escavado 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 25

26 Ponteiras filtrantes 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 26

27 Ponteiras filtrantes O princípio geral do processo consiste em envolver a área que se pretende secar com linha coletora (em geral, de 6 ) ligada à bomba aspirante característica do sistema. Ao longo do coletor e espaçadas de 90 cm, são soldadas tomadas de 1 ½. No prumo destas tomadas (todas, ou apenas algumas, o cálculo determinará) são descidos por cravação ou lançamento tubos de 1 ½, terminados por ponteiras especiais, constituídas de um elemento de cano de cobre perfurado, envolto por uma rede de telas de cobre de malhas adequadas. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 27

28 Ponteiras filtrantes 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 28

29 Ponteiras filtrantes Na prática as ponteiras, medem de 3 a 4 metros de comprimento efetivo. No total são 6 metros mas os 2 metros que sobram são utilizados no sistema de registro e drenante. Dessa forme se o rebaixamento do lenço for superior a 4 metros, deve se realizar o rebaixamento em etapas ( estágios) para que se realize o rebaixamento de maneira efetiva e segura. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 29

30 Ponteiras filtrantes A implantação das estruturas de concreto em Curua-una exigiram escavações profundas no terreno permeável. Foi realizado rebaixamento do lençol freático em até 21m, executados em 5 estágios. O sistema de rebaixamento utilizou mais de 1250 ponteiras filtrantes ( wellpoint ) de 6m de comprimento, 5 bombas KSB de 4 polegadas e 18 bombas a vácuo. Durante a instalação das ponteiras filtrantes houve dificuldade da cravação do terreno, devido a camadas de concreções limoníticas de alta resistência encontradas no solo. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 30

31 Ponteiras filtrantes 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 31

32 Injetores e Ejetores O sistema de rebaixamento utilizando injetores e ejetores é apresentado nas imagens abaixo: 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 32

33 Injetores e Ejetores 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 33

34 Injetores e Ejetores Neste sistema de rebaixamento, são executados poços com 25 a 30 cm de diâmetro e profundidades de até 40 m, no interior dos quais se instalam os injetores. O espaçamento entre esses poços varia de 4 a 8 m. Solos Argilosos 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 34

35 Injetores e Ejetores O sistema funciona como um circuito semi fechado em que a água é injetada por uma bomba centrífuga através de uma tubulação horizontal (tubo distribuidor geral) que possui saídas onde se ligam os tubos de injeção que conduzem a água sob alta pressão ( 7 a 10 atm), até o injetor, instalado no fundo do poço. A água injetada atravessa o bico Venturi do injetor e é acrescida pela água que é aspirada do solo subindo por outro tubo (de retorno) com diâmetro ligeiramente superior ao de injeção, até a superfície. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 35

36 Injetores e Ejetores Os tubos de retorno estão acoplados a outra tubulação (coletor geral), instalada paralelamente ao distribuidor geral, e que conduz a água até uma caixa de água. As pressões de retorno da água são da ordem de grandeza de 10% das pressões de injeção e o nível de água na caixa é mantido constante, sendo o excesso (aquela que foi aspirada do solo e a que se perde no sistema) conduzida para fora da obra. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 36

37 Injetores e Ejetores 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 37

38 Injetores e Ejetores 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 38

39 Bombas submersas Este processo, denominado processo Siemens, que consiste em recalcar a água por meio de bombas submersas colocadas no fundo de um tubo filtrante, é indicado quando se deve executar um rebaixamento do nível d água a uma grande profundidade. Existem bombas deste tipo que recalcam a água até mais de 100 m de altura e com uma descarga de 60 m 3 /hora ou mais. Este sistema de rebaixamento é empregado nos mesmos casos de injetores, porém quando se necessita maiores vazões por poço ou maiores profundidades. Neste caso utilizam-se bombas submersíveis instaladas dentro de um tubo-filtro. O acionamento e desligamento da bomba em cada poço é feito automaticamente por eletrodos ligados ao motor da mesma que são acionados pelo contato com a água. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 39

40 Bombas submersas Todas as bombas utilizadas no rebaixamento são ligadas a um painel de controle elétrico que deve conter, além dos dispositivos normais de operação (sistema de controle dos eletrodos, de fornecimento de energia e de proteção do motor elétrico), dispositivos especiais de controle e desempenho das bombas (voltímetro, amperímetro, etc), que permitam detectar, de maneira rápida, problemas em qualquer bomba, visto que as mesmas são equipamentos de custo relativamente elevado. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 40

41 Bombas submersas As bombas disponíveis no nosso mercado são do tipo turbina, de 10cm de diâmetro mínimo, dotadas de vários rotores (bombas de múltiplos estágios), que necessitam de tubo-filtro com diâmetro interno da ordem de 20cm, recomendandose, portando, poços com cerca de 40 a 60cm de diâmetro. Este valor está condicionado pelo diâmetro do tubo-filtro (não inferior a 20cm para bombas com 10cm de diâmetro) e pelo espaço anelar cuja espessura não deve ser menor que 7,5 a 10cm. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 41

42 Recalques O rebaixamento do nível d água provoca, no solo, em consequência do aumento do seu peso específico aparente não mais sujeito ao empuxo hidrostático um acréscimo de pressão entre as partículas constituintes do terreno. Do acréscimo da pressão resulta um aumento de carga e, em consequência, o aparecimento de recalques. O mesmo já não acontece quando se encontra camada de argila compressível no terreno. A sobrecarga decorrente do rebaixamento provocará o adensamento desta camada, podendo assim dar lugar a recalques nas fundações das obras vizinhas. Observe-se, ainda, que a sobrecarga decorrente do rebaixamento do NA, provocando o adensamento da camada compressível, poderá gerar atrito negativo nas estacas ou tubulões das fundações vizinhas 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 42

43 Caso Histórico É sabido que os mais sérios problemas de fundação, talvez de todo o mundo, ocorrem na Cidade do México, dadas as condições geológicas do seu subsolo. Ele é constituído, na sua camada superior, com mais de 30 m de espessura, por diversos horizontes de argila de consistência mole e elevado teor de umidade, entremeados por horizontes de areias vulcânicas. Subjacente a esta camada, e à medida que aumenta a profundidade, encontram-se horizontes de argilas, areias e pedregulhos, estes aglutinados por cimento vulcânico. Somente a 65 m de profundidade aparecem solos concrecionados de alta resistência. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 43

44 Caso Histórico Em face, portanto, das precárias condições de resistência desse singular subsolo, explicamse os elevados recalques apresentados pelas construções e justificam-se os engenhosos sistemas de fundação utilizados, como é o caso das fundações do Edifício Latino- Americano (um dos mais altos da América Latina, com cerca de 200 m de altura), cujo autor do projeto é o Dr. Zeevaert, professor de Mecânica dos Solos da Universidade do México. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 44

45 Caso Histórico Este edifício, com 43 andares, é apoiado em 361 estacas de 35 cm de diâmetro que atingem uma camada resistente a 33 m de profundidade. A amarração das cabeças das estacas, a 13,5 m de profundidade, é constituída por um caixão oco e estanque. Devido à subpressão hidrostática que nele se exerce, o alívio da carga sobre as estacas é de aproximadamente 40% da carga total de 240 MN, como indicado na Figura ; Acresce ao fato geológico apontado, a questão do rebaixamento do lençol d água provocado pela retirada da água do subsolo, por meio de poços, para atender às necessidades urbanas, em crescimento considerável nos últimos anos. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 45

46 Dimensionamento 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 46

47 Dimensionamento r p = A π ( raio do poço equivalente) R = 3000 (H h D ) k ( raio de influência do rebaixamento) Q = kπ(h2 h D 2 ) ln R r p Q w = 2π r w h f 15 h d = ( Vazão do sistema) k ( Regra de Sichardt) Q w = Q fs ( Vazão de Projeto) v = Q w kπ ln a (Abatimento da freática) 2π r w h w = h d h d h f ( Altura após o rebaixamento) h poço = H h W ( Altura do poço) Q w 2π r w h f ( Velocidade do fluxo) 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 47

48 Exemplos Exemplo 01 - Uma estação de recalque para bombeamento de água será executada em uma escavação, que em planta mede 8,00 x 23,00 m. A profundidade da escavação será 14,50 m e inicialmente o nível de água está em 1,20 m. Para permitir a execução do serviço a seco, necessita-se promover o rebaixamento do nível de água, que, em função da profundidade da escavação, será realizado por poços profundos de 40,00 cm de diâmetro, nos quais se instalarão tubos tipo nold de 20,00 cm de diâmetro, nos quais podem ser utilizados bombas submersas quanto injetores, cuja a opção será feita em função da disponibilidade, no momento da execução da escavação. Pede-se para determinar a profundidade dos poços e a respectiva vazão a ser retirada. O Coeficiente de permeabilidade é de 2x5E-5 m/s. A ilustração a seguir retrata a situação. 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 48

49 Exemplos 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 49

50 Exemplos Exemplo 02 Calcule o número de ponteiras e o comprimento de cada uma, necessários para a execução do rebaixamento do nível freático de uma área retangular, conforme os seguintes dados: Coeficiente de permeabilidade 1,0x10-4 m/s Diâmetro das ponteiras : 1 ¼ Altura filtrante : 1,00 m Diâmetro do poço de instalação das ponteiras dw= 4 Uma polegada é 0,0254 m 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 50

51 Exemplos 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 51

52 REFERÊNCIAS HACHICH, W. ET AL (ED.). FUNDAÇÕES, TEORIA E PRÁTICA. SÃO PAULO: PINI, 751P, MASSAD, F. Obras de terra Curso básico de geotecnia. São Paulo, SP. Oficina de textos, 215p,2010 GERSCOVICH, D.M.S. Fluxo em solos saturados. Rio de Janeiro, RJ. Departamento de Estrutura e fundações.faculdade de Engenharia. Notas de Aula.169p, /04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 52

53 Obrigado pela atenção. Perguntas? 17/04/2018 Rebaixamento de Lençol Freático 53