segunda-feira, 15 de junho de 2009

Mecânica dos Solos - Métodos de investigação

1. Procedimentos.

1.1. Roteiros usuais.
O passo inicial de qualquer programa de investigação, tanto para a engenharia como para estudos do meio ambiente, geralmente compreende o levantamento bibliográfico, a coleta de mapas e as atividades de campo e de laboratório.
Após a pesquisa da bibliografia, realiza – se o estudo de fotografias aéreas e de imagens orbitais que, em geral, é seguido de mapeamento geológico – geotécnico preliminar de campo, para melhor direcionar as investigações geofísicas e as sondagens mecânicas.

À medida que o estudo avança, são realizadas investigações detalhadas com amostragem dos materiais obtidos por meio de poços, trincheiras e testemunhos de sondagens para testes preliminares. Em alguns casos são, ainda, realizados ensaios in situ.
As investigações podem prosseguir com a execução de sondagens e ensaios geofísicos sobre alvos determinados, como as bases das estruturas previstas, áreas de empréstimo ou para disposição de rejeitos, taludes instáveis, etc.

Ocasionalmente, realizam – se sondagens mecânicas e ensaios geofísicos nas fases iniciais de investigação, com a finalidade de oferecer subsídios para a escolha de alternativas com concepções de obras diferentes, como por exemplo, estrada em corte ou túnel, desvio de rio por meio de canal ou túnel.

1.2. Métodos e Etapas de Projeto.
1.2.1. Métodos Utilizados.
Os principais métodos utilizados são:
• Sensoriamento remoto.
• Mapeamento geológico.
• Ensaios geofísicos.
• Sondagens mecânicas (métodos diretos).

O sensoriamento remoto é um recurso técnico indispensável nos trabalhos de mapeamento geológico – geotécnico, pela possibilidade de obtenção de informações da superfície do terreno, por meio de imagens aéreas e orbitais. O baixo custo por unidade de área e a redução do tempo, nos trabalhos de levantamento de campo, são as principais vantagens desta técnica.

O mapeamento possibilita o acesso direto aos materiais que estão expostos na superfície. Permite identificar os litotipos e delimitar os diferentes corpos presentes na área, caracterizar qualitativa ou quantitativamente as feições estruturais e coletar amostras para ensaios de laboratório.

Em geral, os ensaios geofísicos e o sensoriamento remoto são chamados de métodos indiretos de investigação. Estes métodos utiliza as feições topográficas, as morfológicas e as propriedades físicas do terreno para determinar, indiretamente, a distribuição e o posicionamento dos corpos geológicos e suas características físicas e tecnológicas. Os métodos geofísicos constituem um conjunto de ensaios de campo que não alteram as propriedades físicas do material ensaiado.


Estes métodos também apresentam excelente relação custo/benefício, pois possibilitam levantamentos de grandes áreas em curto período de tempo. Os principais métodos geofísicos utilizados na Geologia de Engenharia são: sísmicos, geoelétricos e potenciais. A maioria desses métodos desenvolveu – se a partir da indústria do petróleo e da prospecção mineral, principalmente para garantir maior portabilidade dos equipamentos e aumento de resolução.

Os métodos diretos compreendem as escavações realizadas com o intuito de prospectar os maciços, as sondagens mecânicas e os ensaios. Com as sondagens dos materiais ao longo da linha de perfuração: descrevem – se testemunhos, variações litológicas, estruturas geológicas e as características geotécnicas dos materiais.Quando as condições geológicas indicam possibilidade de variações importantes, na seqüência vertical das camadas geológicas, são feitas sondagens estratigráficas para definição do quadro geológico da área.

Os ensaios in situ são realizados em furos de sondagens ou em porções do maciço, em geral, em blocos com tamanho superior a um metro cúbico. Esses ensaios são realizados para a caracterização de permeabilidade e da resistência do maciço ou das estruturas geológicas. Nos laboratórios, realizam – se ensaios em amostras para a caracterização geológica – geotécnica dos diferentes materiais. Para tanto empregam – se equipamentos eletromecânicos comumente aclopados a microcomputadores.

Cada um desses métodos tem capacidade limitada para caracterizar o meio físico. As informações obtidas por qualquer dos métodos requerem, comumente, extrapolações para individualizar diferentes corpos com comportamento geotécnico homogêneo. Nestes casos, a utilização combinada de dois ou mais métodos de investigação mostra resultados de melhor qualidade.

Como conseqüência do desenvolvimento da aquisição digital de dados e de programas computacionais para tratamento das informações coletadas, ocorreu um natural avanço na aplicação dos métodos de investigação na solução de problemas geológico – geotécnicos.

1.2.2. Fases de Projeto.
As atividades sugeridas por etapas ou fases de projeto são apresentadas a seguir, de forma genérica, tendo em vista que a programação de trabalhos de investigação depende das condições geológicas de cada local e das necessidades de cada tipo de obra.

A fase de inventário, algumas vezes denominado plano diretor, os estudos são realizados no âmbito regional, com o objetivo de estabelecer alternativas para a construção de obras ou para a intervenção no meio físico. Nesta fase são realizados levantamentos bibliográficos e consultas a mapas geológicos e estruturais, de escala regional ou local. Se forem disponíveis, recorre – se também a cartas geotécnicas, pedológicas, geomorfológicas, etc. É freqüente, ainda, utilizar – se fotografias aéreas ou imagens orbitais para reconhecimento de feições geológicas ou geotécnicas de âmbito regional, para então executar a interpretação preliminar. As informações de subsuperfície, na fase de inventário podem ser obtidas por meio de ensaios geofísicos, sondagens a trado e poços de inspeção, devido ao baixo custo.

Na fase seguinte, denominada viabilidade, corresponde ao anteprojeto, o objetivo é verificar a possibilidade de desenvolver uma alternativa para a execução do empreendimento que seja viável técnica e economicamente.

2. Investigação de Superfície
2.1. Interpretação de Imagens
A utilização de imagens da superfície da Terra, com o objetivo de conseguir dados do meio físico,é uma prática que vem sendo aplicada há mais de 60 anos. A interpretação de imagens obtidas por sensoriamento remoto, fotos aéreas e imagens orbitais, é um recurso técnico indispensável para os trabalhos de mapeamento geológico – geotécnico, por ser um método relativamente barato e rápido.

A técnica de interpretação de fotografias aéreas pretas e branco, ou fotointerpretação envolve o reconhecimento de vários elementos: tonalidade e textura da imagens, morfologias ou forma de relevo, características da rede de drenagem, forma dos vales, vegetação etc.

2.2. Mapeamento
A construção de grandes obras civis e o uso adequado do solo exigem o conhecimento prévio das condições geológico – geotécnicas dos terrenos. O mapeamento é um método de investigação que procura identificar tais condições, caracterizando as diferentes unidades presentes na área e o seu comportamento, quando submetidas a diferentes solicitações. É necessária a associação entre as características dos elementos geológicos e os problemas das causas de acidentes ocorridos ou passíveis de ocorrer.

3. Investigações Geofísicas
Os métodos geofísicos permitem determinar a distribuição, em profundidade, de parâmetros físicos dos maciços, tais como velocidade de propagação de ondas acústicas, resistividade elétrica, contrastes de densidade e campo magnético da Terra. Estas propriedades guardam estreitas relações com algumas características geológico – geotécnicas do maciço, como o grau de alteração e de fraturamento e tipo litológico, aspectos fundamentais na investigação de uma determinada área.
Os principais métodos geofísicos utilizados na Geologia de Engenharia são:
• Métodos Geoelétricos: eletrorrestividade (sondagem elétrica vertical e caminhamento elétrico).
• Métodos Sísmicos: refração, reflexão, ensaios entre furos (tomografia), utilizados na superfície terrestre, e perfilagem sísmica contínua, sonografia e ecobatimetria, utilizados na investigação de áreas submersas (rio, lago e mar).
• Métodos Potenciais: magnetometria e gravimetria.

A utilização de métodos geofísicos na Geologia de Engenharia dá – se principalmente na fase de reconhecimento da área de interesse, visando a construção de uma obra civil. Neste caso, o objetivo é a definição de grandes feições, como contatos litológicos, zonas de fraturas e profundidade do topo rochoso. Assim, na análise dos dados geofísicos, juntamente com informações obtidas pelos de mapeamentos geológicos convencionais e de sondagens mecânicas, permite a tomada de decisões, principalmente na definição dos melhores locais para implantação de obras.
4.1 Planejamento
A inclusão de ensaios geofísicos, como complementação de outras atividades de investigação ou ensaios de caracterização geológico – geotécnica de uma determinada área, deve necessariamente ser precedida de análise quanto a:
• Natureza do problema geotécnico a ser avaliado.
• Relação custo/benefício.
• Topografia.
• Dados preexistente.

4.2. Aplicabilidade
As medidas geofísicas propriamente ditas são bastante precisas. A ambigüidade surge na interpretação dos dados geofísicos, já que não é único o modelo geológico que se ajusta aos dados obtidos. O sucesso na interpretação dos dados vai depender, fundamentalmente, de informações geológicas preexistentes e da experiência do profissional que irá interpretar os dados adquiridos.

4.3. Métodos Geoelétricos
A investigação geofísica através de métodos geoelétricos (inclui – se nestes métodos, os elétricos e eletromagnéticos), envolve a detecção, na superfície de terrenos, dos efeitos produzidos pelo fluxo de corrente elétrica em subsuperfície.
Os métodos geoelétricos são amplamente empregados para:
• Determinação da posição e geometria do topo rochoso;
• Caracterização de estratos sedimentares;
• Identificação de zonas de falhas, zonas alteradas e/ou fraturadas, contatos litológicos, cavidades e diques;
• Caracterização de materiais impermeáveis e permeáveis, o que permite delimitar zonas potenciais de contaminação;
• Localização de corpos condutores (sulfetos maciços, grafita, águas termais, etc) e corpos resistentes (carvão, domos salinos, etc);
• Identificação do N.A;
• Identificação da direção e sentido do fluxo dos fluidos subsuperficiais.

4.3.1. Eletrorresistividade
Dentre as principais propriedades elétricas utilizadas na investigação geoelétrica destaca – se a eletrorresistividade ou resistividade elétrica, que diz respeito à dificuldade encontrada pela corrente elétrica para se propagar num meio qualquer. Nas rochas, os mecanismos de propagação de corrente elétrica podem ser eletrônicos ou iônicos. O primeiro é devido ao transporte de elétrons na matriz da rocha, governado pelo modo de agregação dos minerais e do grau de impurezas; o segundo refere – se ao deslocamento de íons existentes na água contida nos poros e fissuras das rochas.
• Sondagem elétrica vertical: O método de sondagem elétrica vertical (SEV), consiste em medir, na superfície terrestre, o parâmetro resistividade elétrica, com o emprego de um arranjo (simétrico ou assimétrico) de eletrodos de emissão e de recepção.
• Caminhamento elétrico: O principal objetivo do caminhamento elétrico é o estudo da distribuição horizontal do parâmetro resistividade elétrica a uma ou várias profundidades, aproximadamente constantes, abaixo do ponto de interesse na superfície. As investigações através do caminhamento elétrico ocorrem normalmente ao longo de perfis e os resultados obtidos são analisados conjuntamente em planta (uma para cada profundidade de interesse) ou em seções com várias profundidades de investigação.

4.3.2. Potencial Espontâneo e Polarização Induzida.
Outro fenômeno de importância na investigação geoelétrica é o da polarização, que pode ser natural (espontânea) ou induzida. Esta última dá origem ao método geoelétrico de prospecção de cobre, chumbo e zinco.

4.3.3. Condutividade
A condutividade elétrica dos terrenos, base dos métodos eletromagnéticos, é a medida da facilidade com que a corrente elétrica flui através dos materiais (solo ou rocha). Com poucas exceções – minerais metálicos, grafita e algumas argilas – os solos são, de uma maneira geral, pouco condutores e qualquer fluxo de corrente elétrica através destes materiais é devido principalmente à presença de água e seu conteúdo iônico.

4.3.4. Radar de Penetração no Solo.
A utilização do radar de penetração no solo (GPR – Ground Penetrating Radar) como método de investigação geofísica de subsuperfície no Brasil é bastante recente. Os sinais são emitidos e recebidos através de antenas dispostas na superfície do terreno. As medidas de tempo de percurso das ondas eletromagnéticas são efetuadas ao longo de uma linha e, quando justapostas lado a lado, fornecem uma imagem detalhada (de alta resolução) da subsuperfície ao longo do perfil estudado.

4.4. Métodos Sísmico
Os métodos sísmicos têm por objetivo estudar a distribuição em profundidade do parâmetro velocidade de propagação das ondas acústicas,que está intimamente relacionado com características físicas do meio geológico, tais com densidade, constantes elásticas, porosidade, composição mineralógica e química , conteúdo de água e tensão de confinamento. A importância destas características, nos estudos geológicos – geotécnicos de maciços, garantem aos métodos sísmicos grande aplicabilidade na Geologia de Engenharia. Além disso, no ensaio sísmico, amostram – se volumes representativos e não – perturbados do maciço, o que não ocorre com os ensaios de laboratório realizados em pequenas amostras.
Os principais métodos sísmicos utilizados na Geologia de Engenharia são:
• Na investigação terrestre: refração, reflexão e ensaios entre furos (tomografia).
• Na investigação de áreas submersas: perfilagem sísmica contínua, sonografia e ecobatimetria.

4.4.1. Sísmica de Refração
A sísmica de refração tem sido aplicada largamente na Geologia de Engenharia, principalmente na determinação da profundidade do topo do embasamento rochoso e da espessura das camadas sotopostas ao embasamento, além de fornecer subsídios que possibilitam a avaliação do grau de escarificabilidade de maciços rochosos.
Este método consiste de medições de tempo de propagação das ondas acústicas que viajam através dos meios subjacentes e refratam ao longo das interfaces com os meios de maior velocidade de propagação, retornando à superfície onde são captadas pelos geofones.

5. Tipos de Métodos de Investigação

5.1. Sondagem a Prcussão
SPT - STANDART PENETRATION TEST
É o mais importante teste a ser executado em qualquer obra de engenharia, e o mais utilizado no Brasil pela sua eficiência e pela sua simplicidade a obtenção dos resultados.
Consiste na coleta de amostra semideformada a retirada de metro em metro e na cravação de um barrilete amostrador padrão nos seus últimos 30cm por um peso de 65kilos solto em queda livre a uma altura de 75cm estabelecendo uma relação que transforma em SPT e serve como referencia para o calculo dos projetos de fundação. Em seu relatório deve constar um gráfico com os valores de penetração obtidos e a classificação das camadas geológicas além do nível de água e a cota deste furo com a data inicial e final de execução.
Número de furos de sondagem SPT:
• Um furo de sondagem para cada 200 m2 de projeção de área construída, até projeção de 1200 m2.
• Um furo de sondagem adicional para cada 400 m2 de área de projeção para área entre 1200 e 2400 m2 .
• Para projeção acima de 2400 m2 o número de furos de sondagem será fixado para cada caso em particular, observando o bom senso do profissional.
• Para pequenas áreas o número mínimo de furos de sondagem será:
2 furos para projeção entre 200 e 400 m2
3 furos para projeção entre 200 e 400 m2


Tabela 1.
Área projeção em m2 Número de furos SPT
<200>
200 a 600 3

600 a 800 4

800 a 1000 5

1000 a 1200 6

1200 a 1600 7

1600 a 2000 8

2000 a 2400 9

> 2400 à critério


5.2. Sondagem a percussão com medição de torque

Basicamente é o mesmo ensaio acrescido com a medição do torque a cada metro de penetração fazendo uma nova relação e estabelecendo alem dos itens da sondagem a percussão simples um gráfico com as medidas obtidas no torquimetro que pode ser manual ou digital.

5.3. Sondagem Rotativa
Muito importante para mineração e análise onde se obtém dificuldade na penetração por motivo de rocha ou mate.

5.4. Sondagem com Amostragem em Circulação Reversa

Por esse método não se obtém testemunhos íntegros das rochas atravessadas mas sim amostras trituradas ou pulverizadas pela ferramenta cortante e recolhidas na boca do furo em ciclones.
Essa sondagem pode ser rotativa ou rotopercussiva.
Em ambos os casos, utilizam-se hastes de paredes duplas, cilíndricas e concêntricas em que o fluido de perfuração é injetado no espaço anelar entre os dois tubos e retorna pelo interior do tubo central sendo recolhido na superfície sem entrar em contato com as paredes do furo.

5.5. Sistema Rotopercussivo

A sondagem rotopercussiva é comumente utilizada na indústria mineral devido à representatividade das amostras recolhidas. Um bit com botões de metal duro acoplado a martelo especial é impactado por ação do ar comprimido e gira acionado pela sonda através das hastes de perfuração, pulverizando as rochas atravessadas. Esse pó, direcionado pela reversão de fluxo do ar na face do bit (sem utilização de cross-over) é conduzido pelo interior do tubo interno e recolhido na superfície em ciclones. Uma amostra é coletada a cada metro de avanço.

5.6 Sistema Rotativo Rotary

Na perfuração Rotary são utilizadas hastes duplas, concêntricas e circulação invertida ou reversa. Como fluido pode ser usado ar comprimido ou lama de perfuração. A amostra é desagregada, contínua e é coletada na superfície através de ciclones ou peneiras concentradoras.
O método é aplicado em rochas com baixo grau de coesão, como aluviões ou lateritas brandas, obtendo bons resultados em aluviões com cassiterita, ouro, diamante, etc.

5.7. Sondagem Rotativa a Diamante

A sondagem rotativa a diamante é o método mais utilizado na exploração mineral e definição de jazidas e desenvolvimento de lavra. Com equipamentos relativamente leves, de fácil transporte e manuseio, são obtidas amostras (testemunhos) desde a superfície até grandes profundidades, que retratam fielmente as características físicas, químicas e geológicas das rochas atravessadas.
A sondagem rotativa a diamante é executada por dois métodos diferentes:
Método Convencional:
Neste método, concluído o corte de um segmento de rocha, o conjunto cortante – barrilete e hastes de perfuração – é alçado até a superfície para coleta do testemunho. A medida que aumenta a profundidade do furo essas manobras tornam-se mais demoradas e, por isso, o método é mais adequado às sondagens rasas.

5.8. Roto Pneumático em Circulação Reversa

A perfuração de poços por esse método consiste na utilização de um conjunto de hastes de perfuração dotados de camisas internas e martelos de fundo com button bit's especiais que permitem a passagem do ar pelo espaço anelar entre a camisa e a haste. O material é retirado do poço pelo espaço interno da camisa. Tal operação reduz a possibilidade de perda do ferramental.

5.9. Percussiva a Cabo

Método aplicado em perfuração de rochas carbonáticas, que são solúveis e apresentam fendas e cavernas tornando impossível o avanço da perfuração com injeção de lama ou rotopercussivo usual. Nesta situação as perfuratrizes percussoras a cabo operam com maior eficácia usando trépanos. Atualmente mesmo a perfuração com dureza elevada é factível com a utilização de trépanos
nos quais são inseridos botões de vídea.

OVERBURDER

6. Rotopercussivo com Revestimento Simultâneo – “overburden”:

Moderna tecnologia na qual o avanço da perfuração é acompanhado pelo revestimento simultâneo do poço. Para isso utilizam-se martelos pneumáticos com bit’s que se expandem ao perfurar e que podem ser retraídos, possibilitando sua extração pelo interior do revestimento.

EQUIPAMENTO DA SONDA DE PERCURSÃO

6.1. Rotativo com Circulação Direta – Rotary
Método empregado na perfuração de rochas decompostas e rochas sedimentares, com injeção direta do fluido de perfuração. A GEOSOL está equipada com sondas capazes de perfurar em diâmetro de até 26" e atingir profundidades em torno de 800 metros. Atualmente nossos técnicos de campo possuem profundo conhecimento a respeito dos modernos fluidos de perfuração. As sondas operam utilizando equipamentos e acessórios que possibilitam uma melhor performance durante a perfuração, tais como desarenadores, peneiras de lama, Martin Decker, laboratórios portáteis de análises de fluido, etc.

6.2. Roto Pneumático

A GEOSOL opera modernos martelos pneumáticos, que perfuram poços rapidamente em rochas cristalinas. O furo tem trajetória vertical e retilínea e o diâmetro é uniforme.

COMPRESSOR PORTÁTIL

Compressor portátil de altas vazão e pressão de trabalho.Empregado na perfuração de poços em rochas cristalinas e desenvolvimento de poços em rochas sedimentares.

Roto Pneumático

6.3. Roto Pneumático em Circulação Reversa
A perfuração de poços por esse método consiste na utilização de um conjunto de hastes de perfuração dotados de camisas internas e martelos de fundo com button bit's especiais que permitem a passagem do ar pelo espaço anelar entre a camisa e a haste. O material é retirado do poço pelo espaço interno da camisa. Tal operação reduz a possibilidade de perda do ferramental.

6.4. Percussiva a Cabo
Método aplicado em perfuração de rochas carbonáticas, que são solúveis e apresentam fendas e cavernas tornando impossível o avanço da perfuração com injeção de lama ou rotopercussivo usual. Nesta situação as perfuratrizes percussoras a cabo operam com maior eficácia usando trépanos. Atualmente mesmo a perfuração com dureza elevada é factível com a utilização de trépanos nos quais são inseridos botões de vídea.

6.5. Conclusão
Este trabalho contém diversas descrições de etapas de estudo desenvolvido para investigações, métodos, técnicas e critérios empregados, na análise das informações, para a perfuração de um solo.
Portanto, antes de efetuar a construção de uma edificação, túnel, barragem ou uma estrada, devemos fazer o estudo prévio do solo onde será executado a construção da obra pelo engenheiro.

6.6. Bibliografia
www.engeo.com
Geologia de Engenharia, ABGE – 1998 – páginas 163 a 174
CNPq
Fapesp
Editores: OLIVEIRA, Antônio dos Santos
BRITO, Sérgio Nertan Alves de


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