Mecânica dos Solos - DEFINIÇÃO E OBJETIVOS DA MECÂNICA DOS SOLOS

AULA 1

1. INTRODUÇÃO AO CURSO

1.1 DEFINIÇÃO E OBJETIVOS DA MECÂNICA DOS SOLOS

DEFINIÇÃO
A mecânica dos solos estuda as características físicas dos solos e as suas propriedades mecânicas (equilíbrio e deformação) quando submetido a acréscimos ou alívio de tensões.

OBJETIVOS
Substituir por métodos científicos os métodos empíricos aplicados no passado.

1.2 PROBLEMA DA MECÂNICA DOS SOLOS

A própria natureza do solo.

1.3 SOLO SOB O PONTO DE VISTA DA ENGENHARIA

Solo é a denominação que se dá a todo material de construção ou mineração da crosta terrestre escavável por meio de pá, picareta, escavadeira, etc, sem necessidade de explosivos.

1.3.1 EMPREGO DO SOLO NA ENGENHARIA CIVIL

• Solo como material de construção: Aterros, Barragens de Terra, Base e Sub-base de Pavimentos, etc.

• Solo como suporte de fundação: Valas, Sapatas, Blocos, Estacas, Tubulões, Subleito, etc.

1.4 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA MECÂNICA DOS SOLOS

Os primeiros trabalhos sobre o comportamento dos solos datam do século XVII. COULOMB, 1773, RANKINE, 1856 e DARCY 1856 publicaram importantes trabalho sobre o comportamento dos solos. O acúmulo de insucessos em obras de Engenharia observados no início do século XX como:

- O escorregamento de solo durante a construção do canal do Panamá, 1913;
- Rompimento de grandes Barragens de Terra e Recalque em Grandes edifícios, 1913;
- Escorregamento de Muro de Cais na Suécia, 1914. O Levou em 1922 a publicação pelos suecos de uma nova teoria para o cálculo e Estabilidade de taludes;
- Deslocamento do Muro de cais e escorregamento de solo na construção do canal de Kiev na Alemanha,1915.

Em 1925 o professor Karl Terzaghi publicou seu primeiro livro de Mecânica dos solos, baseado em estudos realizados em vários países, depois do início dos grandes acidentes.

A mecânica dos solos nasceu em 1925 e foi batizada em 1936 durante a realização do primeiro Congresso Internacional de Mecânica dos Solos.

Em meados de 1938 foi instalado o primeiro Laboratório de Mecânica dos solos em São Paulo. Em novembro de 1938 foi instalado o Laboratório de Solos e Concreto da Inspetoria Nacional de Obras Contra a Seca em Curemas Paraíba.


2. ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS


Os solos são formados pela deterioração das rochas através do intemperismo.

2.1 ROCHA
Agregado de um ou mais minerais, que é impossível de escavar manualmente, que necessite de explosivo para o seu desmonte.

2.2 INTEMPERISMO
É o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos que ocasionam a desintegração e decomposição das rochas e dos minerais, formando os solos.

2.2.1 INTEMPERISMO FÍSICO
Ou mecânico é o processo de decomposição da rocha sem alteração química dos seus componentes. Os principais agentes são:
- Variação de temperatura;
- Repuxo coloidal;
- Congelamento da água;
- Alívio de pressões;

2.2.2 INTEMPERISMO QUÍMICO
É o processo de decomposição da rocha onde os vários processos químicos alteram solubilizam e depositam os minerais das rochas transformando-a em solo, ou seja, ocorre a alteração química dos seus componentes. Neste caso há modificação na constituição mineralógica da rocha, originando solos com características próprias. Este tipo é mais freqüente em climas quentes e úmidos e, portanto muito comum no Brasil.
Os tipos mais comuns são: Hidrólise; Hidratação; Oxidação e Carbonatação.

HIDRÓLISE
É o mais importante, pois leva a destruição dos silicatos.

HIDRATAÇÃO
Penetração da água nos minerais, através de fissuras. A hidratação ocasiona nos Granitos e Gnaisses a transformação de feldspato em argila.

CARBONATAÇÃO
O carbonato de cálcio em contato com a água carregada de ácido carbônico se transforma em bicarbonato de cálcio.

OXIDAÇÃO
Mudança que sofre um mineral em decorrência da penetração de oxigênio na rocha.

2.2.3 INTEMPERISMO BIOLÓGICO
Ë processo no qual a decomposição da rocha se dá graças a esforços mecânicos produzidos por vegetais através de raízes, escavação de roedores, etc.

2.2.4 INFLUÊNCIA DO INTEMPERISMO NO TIPO DE SOLO
Os vários tipos de intemperismo e a intensidade com que atuam no processo de formação dos solos, dão origem a diferentes tipos de solo.

2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS QUANTO A ORIGEM E FORMAÇÃO
Os solos classificam-se quanto a origem em solos residuais e sedimentares.

2.3.1 SOLOS RESIDUAIS
Solos residuais são os solos que permanecem no local de decomposição rocha que lhes deu origem. Para a sua ocorrência é necessário que a velocidade de remoção do solo seja menor que a velocidade de decomposição da rocha.

A rocha que mantém as características originais, ou seja, a rocha sã é a que ocorre em profundidade. Quanto mais próximo da superfície do terreno, maior é o efeito do intemperismo. Sobre a rocha sã encontra-se a rocha alterada, em geral muito fraturada e permitindo grande fluxo de água através das descontinuidades. A rocha alterada é sobreposta pelo solo residual jovem, ou saprólito, que é um material arenoso. O material mais intemperizado ocorre acima do saprólito e é denominado solo residual maduro, que contém maior percentagem de argila.

2.3.2 SOLOS SEDIMENTARES
Os solos sedimentares ou transportados são aqueles que foram levados de seu local de origem por algum agente de transporte e lá depositados. As características dos solos sedimentares do agente de transporte.
Os agentes de transporte são:
- Vento (solos eólicos);
- Água (solos aluvionares);
- Água dos Oceanos e Mares (Solos Marinhos)
- Água dos Rios (Solos Fluviais)
- Água das Chuvas (Solos Pluviais)
- Geleiras (Solos Graciais);
- Gravidade (Solos Coluvionares)

2.3.2.1 SOLOS EÓLICOS
Transporte pelo vento. Devido ao atrito os grãos dos solos transportados possuem forma arredondada. A ação do vento se restringe ao caso das areias e dos siltes. São exemplos de solos eólicos as DUNAS e os solos LOÉSSICOS.
Dunas – Barreira.
Loéssicos – Vegetais.

2.3.2.2 SOLOS ALUVIONARES
O agente de transporte é a água, os solos sedimentares. A sus textura depende da velocidade de transporte da água. podem ser classificados como de origem PLUVIAL, FLUVIAL ou DELTAICO.

CARACTERÍSTICAS:
- Grãos de diversos tamanhos;
- Mais grossos que os eólicos;
- Sem coesão.

2.3.2.3 SOLOS GLACIAIS
Formados pelas geleiras. São formados de maneira análoga aos fluviais.

2.3.2.4 SOLOS COLUVIONARES
Formados pela ação da gravidade. Grande variedade de tamanhos. Dentre os solos podemos destacar o TALUS, que é solo formado pelo deslizamento de solo do topo das encostas.

2.3.2.5 SOLOS ORGÂNICOS
Impregnação do solo por sedimentos orgânicos preexistentes, em geral misturados de restos de animais e vegetais. Cor escura e cheiro forte.
As TURFAS são solos que encorporam florestas soterradas em estado avençado de decomposição. Não se aplicam as teorias da mecânica dos solos.

2.3.2.6 SOLOS TROPICAIS VERMELHOS
Ou LATERÍTICOS são os solos de evolução pedogênica (sofrem no seu local de formação ou deposição uma série de transformações físico-químicas. Formados por uma alternância de saturação e secagem do solo original, aumentando a concentração de óxido de ferro e alumina na parte superior.

3. TEXTURA E ESTRUTURA DOS SOLOS

3.1 TAMANHO E FORMA DAS PARTÍCULAS

A TEXTURA de um solo, é o tamanho relativo e a distribuição das partículas sólidas que formam. O estudo da textura dos solos é realizado por intermédio do ensaio de granulometria. Pela sua textura os solos podem ser classificados em solos grossos e solos finos.

3.1.1 SOLOS GROSSOS
Solos com   0,074mm e suas partículas tem forma arredondada poliédrica, e angulosa.
Os solos grossos são os PEDREGULHOS e as AREIAS.

3.1.2 SOLOS FINOS
Os solos finos são os SILTES e as ARGILAS. Solo com   0,074mm. Os solos finos são os siltes e as argilas.

A fração granulométrica classificada como ARGILA possui diâmetro inferior a 0,002mm e se caracteriza pela sua plasticidade marcante elevada resistência quando seca.

Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) os limites das frações de solo pelo tamanho são os da tabela 1:

TABELA 1
FRAÇÃO LIMITES (ABNT)

Tabela 01- Classificação dos solos segundo a ABNT.

3.2 COMPORTAMENTO DOS SOLOS
O comportamento dos solos finos é definido pelas forças de atração moleculares e elétricas e pela presença de água.
O comportamento dos solos grossos são governados pelas forças gravitacionais. Os SILTES apesar de serem classificados como finos, o seu comportamento é governado pelas forças gravitacionais (mesmas dos solos grossos).

3.3 COMPOSIÇÃO QUIMICA E MINERALÓGICA DOS SOLOS
Os solos são formados por agregados de um ou mais minerais.

3.3.1 MINERAL
Substância inorgânica e natural, com composição química e estrutura definida. Os minerais encontrados nos solos podem ser primários ou secundários. Os PRIMÁRIOS, são os mesmos da rocha de origem, e os SECUNDÁRIOS são formados quando ocorre a decomposição química.
3.3.2 MINERAIS CONSTITUINTES DOS SOLOS GROSSOS E SILTES
Os solos grossos são constituídos basicamente de SILICATOS apresentam também na sua composição ÓXIDOS, CARBONATOS E SULFATOS.

3.3.2.1 SILICATO
Silicato é um composto salino resultante do óxido silício, são abundantes na natureza e formam os FELDSPATOS, MICAS e QUARTZO e SERPENTINA.

FELDSPATO: São silicatos duplos de AL e de metal alcalino ou alcalino terroso “k”, “Na” ou Ca, sofrem decomposição acentuada pela ação da água carregada de CO2 , produzindo argila branca (CAULIM).

MICA: Ortossilicatos de Al, Mg, K, Na ou Li e raramente Mn e Cr apresenta-se em forma de lâminas flexíveis, e de fácil clivagem. tem-se a muscovita (mica branca e a biotita (mica preta)

QUARTZO: é o mais importante do grupo dos silicatos. Sua composição é SIO2. São identificados macroscopicamente e é o mineral mais abundante na crosta terrestre.(SiO2) sílica cristalina pura, clorita e o talco.

3.3.2.2 ÓXIDOS
Composto de metalóide e oxigênio, não se une com a água. Hematita (Fe2O3), Magnetita (Fe2O4) e Limonita (Fe2O3. H2O).

3.3.2.3 CARBONATOS
Calcita (CaCO3), Dolomita [(CO3)2CaMg]. A calcita é o segundo mineral mais abundante na crosta terrestre ().

3.3.2.4 SULFATOS
(CaSO4.2H2O) e Anidrita (CaSO4)

3.3.3 MINERAIS CONSTITUINTES DOS SOLOS ARGILOSOS
As argilas são constituídas basicamente por silicatos de alumínio hidratados, podendo apresentar silicatos de magnésio, ferro ou outros metais. Os minerais que formam as frações finas pertencem a três grupos: CAULINITA, ILITA e MONTMORILONITA.
3.3.3.1 CAULINITA

São formadas por unidades estruturais de silício e alumínio, que se unem alternadamente, conferindo-lhes uma estrutura rígida. São relativamente estáveis em presença de água.

3.3.3.2 ILITAS
São estruturalmente semelhantes as Montmorilonitas. As substituições isomórficas (não alteram o arranjo dos átomos) que ocorrem tornam ela menos expansiva.

3.3.3.3 MONTMORILONITAS
Unidades estruturais de alumínio entre duas unidades de silício, e entre as unidades existem n moléculas de água. São instáveis em presença de água. Ex: BENTONITA.

A presença de um determinado mineral de argila pode ser determinado por análise TERMODIFERENCIAL, RAIO X, MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA e ETC.

3.3.4 SUPERFÍCIE ESPECIFICA
É a superfície total de um conjunto de partículas dividida pelo seu peso. Quanto mais fino for o solo maior será a sua superfície especifica, o que constituí uma das razões das diferenças entre as propriedades físicas solos finos e dos solos grossos.

A superfície especifica dos argilominerais é:
CAULINITA S = 10m2/s de solo
ILITA S = 80m2/g de solo
MONTMORILONITA S = 800m2/g de solo

4. FASE SÓLIDO ÁGUA E AR
O solo é constituído de uma fase fluida (água e ou ar) e de uma fase sólida. A fase sólida ocupa os vazios deixados pelas partículas sólidas.


4.1 FASE SÓLIDA
Caracterizada pelo seu tamanho, forma, distribuição e composição mineralógica dos grãos.

4.2 FASE GASOSA
Ar, vapor d’água e carbono combinado. É bem mais compressível que as fases liquida e sólida.

4.3 FASE LIQUIDA
Preenche os vazios dos solos. Pode estar em equilíbrio hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou de outra forma.

4.3.1 ÁGUA CAPILAR
Se eleva pelos interstícios capilares formados pelas partículas sólidas, devido a
ação das tensões superficiais oriundas a partir da superfície líquida da água.

4.3.2 ÁGUA ADSORVIDA (ADESIDA)
É uma película de água que adere às partícula de solos muito finos devido a ação de forças elétricas desbalanceadas na superfície dos argilo-minerais.

4.4 ÁGUA DE CONSTITUIÇÃO
Faz parte da estrutura molecular da parte sólida.

4.5 ÁGUA HIGROSCÓPICA
A água que ainda se encontra no solo seco ao ar livre.

“As água livre, Higroscópica e Capilar podem ser totalmente eliminadas a temperatura práticas de 1000C”.

EXERCÍCIO

1. Calcule a superfície da partícula de areia fina, expressando-se em m2/g. Admita que a massa específica da partícula seja 2,65g/cm3.
Areia Fina: Cubos com 0,1 mm de aresta.

Por
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA DA CONSTRUÇÃO CIVIL DISCIPLINA: MECÂNICA DOS SOLOS I PROFESSORA : AGDA C.T.GUIMARÃES

Mecânica dos Solos - Tensões no solo

TENSÕES NO SOLO

1 INTRODUÇÃO
O solo ao sofrer solicitações se deforma, modificando o seu volume e forma iniciais. A magnitude das deformações apresentadas pelo solo irá depender de suas propriedades elásticas e plásticas e do carregamento a ele imposto. O conhecimento das tensões atuantes em um maciço de terra, sejam elas devido ao peso próprio ou provenientes de um carregamento em superfície (alívio de cargas provocado por escavações) é de vital importância no entendimento do comportamento de praticamente todas as obras de Engenharia geotécnica. Nos solos ocorrem tensões devidas ao seu peso próprio e a carregamentos externos. As tensões induzidas por carregamentos externos serão tratados na disciplina MECÂNICA DOS SOLOS II.

2. CONCEITO DE TENSÕES NUM MEIO PARTICULADO
Para o estudo das tensões no solo aplica-se os conceitos da Mecânica dos SÓLIDOS DEFORMÁVEIS aos SOLOS, para tal deve-se partir do CONCEITO DE TENSÕES. Considera-se que o solo é constituído de um sistema de partículas e que FORCAS APLICADAS a eles são transmitas de partícula a partícula, como também são suportadas pela água dos vazios.
As FORÇAS APLICADAS são transmitidas de partícula a partícula de forma complexa e dependendo do tipo de mineral. No caso de PARTÍCULAS MAIORES, em que as três dimensões ortogonais são aproximadamente iguais, como são os grãos de silte e de areia a transmissão de forças se faz através do contado direto mineral a mineral. No caso de PARTÍCULAS DE MINERAL ARGILA sendo elas em numero muito grande, as forças em cada contato são muito pequenas e a transmissão pode ocorrer através da água quimicamente adsorvida. Em qualquer caso, entretanto, a transmissão se faz nos contatos e, portanto, em áreas muito reduzidas em relação a área total envolvida.

Um corte plano numa massa de solo interceptaria grãos e vazios e, só eventualmente alguns contatos. Considere-se, porém, que tenha sido possível colocar uma placa plana no interior do solo como se mostra esquematicamente na Figura 1.

Diversos grãos transmitirão forças à placa, forças estas que podem ser decompostas em forças normais e tangenciais à superfície da placa. Como é impossível desenvolver modelos matemáticos com base nestas inúmeras forças, a sua ação é substituída pelo conceito de Tensão em um ponto (desenvolvido pela mecânica do contínuo). “De acordo com a mecânica do contínuo o estado de tensão em qualquer plano passando por um ponto em um meio contínuo é totalmente especificado pelas tensões atuantes em três planos mutuamente ortogonais, passando no mesmo ponto. O estado de tensões é completamente representado pelo tensor de tensões naquele ponto. O tensor de tensões é composto de nove componentes, formando uma matriz simétrica.”

A TENSÃO NORMAL é a somatória das forças normais ao plano, dividida pela área total que abrange as partículas em que estes contatos ocorrem:

E a TENSÃO CISALHANTE é a somatória das forças tangenciais, dividida pela área.


O que se considerou para o contato entre o solo e a placa pode ser também assumido como válido para qualquer outro plano, como o plano P na figura 1.

3. TENSÖES DEVIDAS AO PESO PRÓPRIO DO SOLO

Nos solos, ocorrem tensões devidas ao peso próprio e às cargas aplicadas. Na análise do comportamento dos solos, as tensões devidas ao peso tem valores consideráveis, e não podem ser desconsideradas. Quando a superfície do terreno é horizontal, aceita-se intuitivamente, que a tensão atuante num plano horizontal a uma certa profundidade seja normal ao plano. De fato, estatisticamente, as componentes das forças tangenciais ocorrentes em cada contato tendem a se contrapor, anulando a resultante.
Num plano horizontal, acima do nível de água, como o plano A mostrado na figura 2, atua o peso de um prisma de terra definido por este plano. O peso do prisma dividido pela área, indica a tensão vertical:


Quando o solo é constituído de camadas aproximadamente horizontais, a tensão vertical resulta da somatória do efeito das diversas camadas. A figura 3 mostra um diagrama de tensões com a profundidade de uma seção de solo, por hipótese seco.


4. PRESSÃO NEUTRA
Tomamos, agora, o plano B, abaixo do lençol freático, situado na profundidade zw. A tensão total no plano B será a soma do efeito das camadas superiores. A água no interior dos vazios, abaixo do nível d’água, estará sob uma pressão que independe da porosidade do solo, depende apenas de sua profundidade em relação ao nível freático. No plano considerado, a pressão da água será dada por:
u = (zB – zw) w
ou
u = w z Coluna De Água

5. PRINCÍPIO DAS TENSÕES EFETIVAS
O princípio da tensões efetivas foi postulado por TERZAGHI, para o caso dos solos saturados, a tensão em um plano qualquer deve ser considerada como a soma de duas parcelas:
a) a tensão transmitida pelo contato entre as partículas, chamada de TENSÃO EFETIVA ( ) ou (’);
b) pela pressão da água, denominada PRESSÃO NEUTRA ou PORO -PRESSÃO.


PRINCÍPIO DAS TENSÕES EFETIVAS DIZ QUE:
“ A tensão efetiva, para solos saturados, pode ser expressa por:

sendo  a tensão total e,
Todos os efeitos mensuráveis resultantes de variações de tensões nos solos, como compressão, distorção e resistência ao cisalhamento são devidas a VARIAÇÕES DE TENSÕES EFETIVAS.

5.1 COROLÁRIOS DO PRINCÍPIO DAS TENSÕES EFETIVAS
1. O comportamento de dois solos com a mesma estrutura e mineralogia será o mesmo desde que submetido ao mesmo estado de tensões efetivas.

2. Se um solo for submetido a um carregamento ou descarregamento sem qualquer mudança de volume ou distorção, não haverá variação de tensões efetivas.

3. Um solo expandirá (e perderá resistência) ou comprimirá (ganhará resistência) se a poro pressão isoladamente aumentar ou diminuir.

6. USO DO PESO ESPECÍFICO SUBMERSO
Nos locais do solo abaixo do nível de água (NA) o cálculo das tensões efetivas poderia ser simplificado pelo uso do conceito de PESO ESPECÍFICO SUBMERSO. Neste caso a tensão total abaixo do NA será dada por V = sat .z.

IDENTIFICAÇÃO TÁTIL-VISUAL DOS SOLOS
Os solos são classificados em função das partículas que os constituem. Com muita freqüência, seja porque o projeto não justifica economicamente a realização de ensaios de laboratório, seja porque se está em fase preliminar de estudo, em que os ensaios de laboratório não são disponíveis, é necessário descrever um solo sem dispor de resultados de ensaios. O tipo de solo e o seu estado devem ser estimados. Isso é feito meio a uma identificação tátil-visual manuseando-se o solo e sentido sua reação ao manuseio.

Como nos sistemas de classificação, o primeiro aspecto a considerar é a provável quantidade de grossos (areia e pedregulho) existente no solo. Grãos de pedregulho são bem distintos, mas grãos de areia, podem encontrar-se envoltos por partículas mais finas. Neste caso, podem se encontrar envoltos por partículas mais finas.

Para que se possa sentir nos dedos a existência de grãos de areia, é necessário que o solo seja umedecido, de forma que os torrões de argila se desmanchem. Os grãos de areia podem ser sentidos pelo tato ou manuseio.

Se a amostra de solo estiver seco, a proporção de finos e grossos pode ser estimada esfregando-se uma pequena porção de solo sobre uma folha de papel. As partículas finas (siltes e argilas) se impregnam no papel ficando isoladas as partículas arenosas.

Definido se o solo é uma areia ou um solo fino, resta estimar se os finos apresentam características de siltes ou de argilas. Alguns procedimentos para esta estimativa são descritos a seguir:

RESISTÊNCIA A SECO – Umedecendo-se uma argila, moldando-se uma pequena pelota irregular ( dimensões da ordem se 2cmm) e deixando-a secar ao ar, esta pelota ficará muito dura e, quando quebrada, dividirá-se em pedaços bem distintos. Ao contrário, pelotas semelhantes de siltes são menos resistentes e se pulverizam quando quebradas.

SHAKING TEST – formando-se uma pasta úmida (saturada) de silte na palma da mão, quando se bate esta mão contra a outra, nota-se o surgimento de água na superfície. Apertando-se o torrão com os dedos polegar e o dedo indicador na outra mão, a água reflue para o interior da pasta (é semelhante à aparente secagem da areia da praia, no entrono do pé, quando nela se pisa no trecho bem saturado bem junto ao mar). No caso de argilas, o impacto das mãos não provoca o aparecimento de água.

DUCTILIDADE – Tentando moldar um solo com umidade em torno do limite de plasticidade nas próprias mãos, nota-se que as argilas apresentam-se mais resistentes quando nesta umidade que os siltes.

VELOCIDADE DE SECAGEM – A umidade que se sente de um solo é uma indicação relativa ao LL e LP do solo. Secar um solo na mão do LL ao LP, por exemplo, é tanto mais rápido quanto menor for o intervalo entre os dois limites, ou seja, o IP do solo.

Mecânica dos Solos - Permeabilidade dos Solos

A ÁGUA NO SOLO

1. INTRODUÇÃO
A água ocupa a maior parte dos vazios do solo. E quando é submetida a diferenças de potenciais, ela se desloca no seu interior. As leis que regem os fenômenos de fluxo de água em solos são aplicadas nas mais diversas situações da engenharia como:
a) No cálculo das vazões, na estimativa da quantidade de água que se infiltra numa escavação ou a perda de água do reservatório da barragem.
b) Na análise de recalques, porque, freqüentemente, recalque está relacionado com diminuição do índice de vazios, que ocorre pela expulsão de água destes vazios e;
c) Nos estudos de estabilidade geral da massa de solo, porque a tensão efetiva (que comanda a resistência do solo) depende da pressão neutra, que por sua vez, depende das tensões provocadas pela percolação da água.
d) Possibilidades da água de infiltração produzir erosão, e conseqüentemente, o araste de material sólido no interior do maciço “ piping”.
O estudo dos fenômenos de fluxo de água em solos é realizado apoiando-se em três conceitos básicos: Conservação da energia (Bernoulli), Permeabilidade dos solos (Lei de Darcy) e Conservação de massa.

2. CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
O conceito de energia total de um fluido, formulado por Bernoulli é expresso em relação ao peso de um fluido de acordo com a equação abaixo:


Onde:
htotal - é a energia total do fluido;
z - é a cota do ponto considerado com relação a um dado referencial padrão;
u - é o valor da pressão neutra;
v - é a velocidade de fluxo da partícula de água;
g - é o valor da aceleração da gravidade terrestre.

Para a grande maioria do problemas envolvendo fluxo de água nos solos, a parcela da energia total da água no solo referente a energia cinética, termo , pode ser desprezada, desta forma:

2. LEI DE DARCY
Experimentalmente, Darcy, em 1850, verificou como os diversos fatores geométricos, indicados na Figura 1, influenciavam a vazão da água, expressando a equação de Darcy:

onde:
Q – vazão;
A - área do permeâmetro;
k - o coeficiente de permeabilidade;
h – carga dissipada na percolação;
L – distância na qual a carga é dissipada.

A relação L é chamada de gradiente hidráulico, expresso pela letra i.

Então:
Figura 1: Água percolando num permeâmetro

A vazão dividida pela área indica a velocidade com que a água sai da areia. Esta velocidade, v, é chamada de velocidade de percolação. A lei de Darcy é válida somente para os casos de fluxo laminar.


Então: v = ki


3. PERMEABILIDADE
Permeabilidade é a propriedade que os solos tem de permitir o escoamento de água através dos seus vazios. A sua avaliação é feita através do coeficiente de permeabilidade.


3.1. MÉTODOS PARA A DETERMINAÇÃO DA PERMEABILIDADE DOS SOLOS
O coeficiente de permeabilidade e pode ser determinado diretamente através de ensaios de campo e laboratório ou indiretamente, utilizando-se correlações empíricas. O mesmo pode ser obtido utilizando-se amostras deformadas ou indeformadas.

3.1.1 INDIRETAMENTE

a) Através da Curva Granulométrica
Utilizando a equação de Hazen para o caso de areias e pedregulho, com pouca ou nenhuma quantidade de finos.


Onde:
k é a permeabilidade expressa em cm/s
d10 é o diâmetro efetivo em cm
90  C  120, sendo C= 100, muito usado.
Para uso da equação recomenda-se que Cu seja menor que 5.

b) Através do Ensaio de Adensamento
Será apresentado posteriormente.

c) Através do uso de Permeâmetros
São os ensaios de laboratório mais utilizados.

D) Através de ensaios de campo
Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E pode ser feita pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.

3.1.2 DIRETAMENTE

a) Permeâmetro de Carga Constante
O permeâmetro de carga constante é utilizado toda vez que temos que medir a permeabilidade dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados. O permeâmetro pode ser visto na Figura 2.
Este ensaio consta de dois reservatórios onde os níveis de água são mantidos constantes, como mostra a Figura 2. Mantida a carga h, durante um certo tempo, a água percolada é colhida e o seu volume é medido. Conhecidas a vazão e as dimensões do corpo de prova (comprimento L e a área da seção transversal A), calcula-se o valor da permeabilidade, k, através da equação:

Figura 2: Permeâmetro de Carga Constante

Onde:
q - é a quantidade de água medida na proveta (cm3);
L - é o comprimento da amostra medido no sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da amostra (cm2);
h - diferença do nível entre o reservatório superior e o inferior (cm);
t - é o tempo medido entre o inicio e o fim do ensaio (s);


b) Permeâmetro de Carga Variável
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação pelo permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o de carga variável, como esquematizado na Figura 3.
No ensaio de permeabilidade a carga variável, medem-se os valores h obtidos para diversos valores de tempo decorrido desde o início do ensaio. São anotados os valores da temperatura quando da efetuação de cada medida. O coeficiente de permeabilidade do solos é então calculado fazendo-se uso da lei da Darcy: e levando-se em conta que a vazão de água passando pelo solo é igual a vazão da água que passa pela bureta, que pode ser expressa como: (conservação da energia).
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se: que integrada da condição inicial (h = hi, t = 0) à condição final (h = hf, t = tf): conduz a: , explicitando-se o valor de k: ou



Figura 3: Permeâmetro de Carga Variável

Onde:
a - área interna do tubo de carga (cm2)
A - seção transversal da amostra (cm2)
L - altura do corpo de prova (cm)
h0 - distância inicial do nível d`água para o reservatório inferior (cm)
h1 - distância para o tempo 1, do nível d`água para o reservatório inferior (cm)
t - intervalo de tempo para o nível d`água passar de h0 para h1 (cm)

c) Ensaio de Bombeamento
Por meio deste ensaio determina-se no campo, a permeabilidade de camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água. O esquema do ensaio pode ser visto na Figura 4.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas proximidades.

Figura 4: Ensaio de Bombeamento
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de observação do nível d’ água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de 4 (quatro) poços de observação e um mínimo de dois e levados até profundidades abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Ao se manter constante o nível d’água no poço efetua-se as medidas das alturas de água em cada um dos piezômetros instalados. A permeabilidade é medida pela fórmula abaixo:


c) Bombeamento diretamente das Fundações
Por este processo, o esgotamento se faz recalcando, para fora da zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada dentro de um poço executado abaixo da escavação.

POSSÍVEIS INCOVENIENTES
a) O carregamento das partículas mais finas do solo pela água, provocando recalque das fundações vizinhas;
b) O bombeamento em terreno permeável, á medida que a água vai sendo bombeada, o nível de dentro da escavação baixa mais rápido que o nível de fora, originando uma diferença de pressão de fora para dentro, provocando desmoronamento;
c) Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio do solo acontece o fenômeno da areia movediça.

4. FATORES QUE INFLUEM NO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE DO SOLO
Além de ser uma das propriedades do solo com maior faixa de variação de valores, o coeficiente de permeabilidade de um solo é função de diversos fatores, dentre os quais podemos citar a estrutura do solo, estratificação do terreno, o grau de saturação e o índice de vazios. E quando da realização de ensaios da temperatura do ensaio.

4.1 Temperatura do Ensaio
Quanto maior for a temperatura, menor a viscosidade da água e, portanto, mais facilmente ela escoa pelos vazios do solo com correspondente aumento do coeficiente de permeabilidade; k é inversamente proporcional à viscosidade da água. Por isso, os valores de k são referidos à temperatura de 200C, o que se faz pela seguinte relação:



Onde:

kT – o valor de k para a temperatura do ensaio;
20 - é a viscosidade da água a temperatura de 200C;
T - é a viscosidade a temperatura do ensaio;
CV – relação entre as viscosidades.

Segundo Helmholtz, a viscosidade da água em função da temperatura é dada pela fórmula empírica:



T é a temperatura do ensaio em graus centígrados.

4.2 Estado do solo
A equação de Taylor correlaciona o coeficiente de permeabilidade com o índice de vazios do solo. Quanto mais fofo o solo, mais permeável ele é. Conhecido o k para um certo e de um solo, pode-se calcular o k para outro e pela proporcionalidade: Esta equação é boa para as areias.



A influência do índice de vazios sobre a permeabilidade, em se tratando de areias puras e graduadas, pode ser expressa pela equação de A. Casagrande:



k0,85 é o coeficiente de permeabilidade do solo quando e = 0,85

4.3 Estratificação do Terreno
Em virtude da estratificação do terreno, os valores do coeficiente de permeabilidade são diferentes nas diferentes direções nas direções horizontal e vertical. Sendo continuo o escoamento na vertical, a velocidade V é constante. No sentido horizontal todos os estratos têm o mesmo gradiente hidráulico.
Na Figura 5, chamando-se k1, k2, k3...kn, os coeficientes de permeabilidade das diferentes camadas e1, e2, e3,... en, respectivamente as suas espessuras, deduzimos as fórmulas dos valores médios de k nas direções paralela e perpendicular aos planos de estratificação.




e1 k1 FLUXO 
e2 k2
e3 k3
en kn
(a)

e1 k1 FLUXO 
e2 k2
e3 k3
en kn (b)

Figura 5: Fluxo nas Direções Horizontal (a) e Vertical (b)

Permeabilidade paralela à estratificação - Na direção horizontal, todos os estratos têm o mesmo gradiente hidráulico i.
Assim:



Como: i1 = i2 = ...in





Permeabilidade perpendicular à estratificação – Na direção vertical, sendo contínuo o escoamento, a velocidade v é constante. Portanto:



Daí obtém-se sucessivamente:


Donde, finalmente:




Para camadas de mesma permeabilidade, k1 = k2 =... = kn, obtém-se pela aplicação dessas fórmulas:

kn = kv

Demonstra-se, ainda que em todo depósito estratificado, teoricamente:

kh  kv

4.4 Influência do grau de saturação
A percolação de água não remove todo o ar existente num solo não saturado. Permanecem bolhas de ar, contidas pela tensão superficial da água. Estas bolhas de ar constituem obstáculos ao fluxo de água. Desta forma, o coeficiente de permeabilidade de um solo não saturado é menor do que o que ele apresentaria se estivesse totalmente saturado. A diferença, entretanto não é muito grande.

5. INTERVALOS DE VARIAÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE
O valor de k é comumente expresso com um produto de um número por uma potência negativa de 10. Exemplo: k = 1,3 x 10-8 cm/s, valor este, aliás, característico de solos considerados como impermeáveis para todos os problemas práticos.

VALORES TÍPICOS: ARGILAS - k  10-9 cm/s
SILTES - 10-9  k  10-6 m/s
AREIAS ARGILOSAS – k  10-7 m/s
AREIAS FINAS – k  10-5 m/s
AREIAS MÉDIAS – k  10-4 m/s
AREIAS GROSSAS – k  10-3 m/s

6. A VELOCIDADE DE DESCARGA E A VELOCIDADE REAL DA ÁGUA
A velocidade considerada pela Lei de Darcy é a vazão dividida pela área total. Mas a água não passa por toda a área, passa só pelos vazios.
A relação entre a área de vazios e volumes correspondentes, que é por definição, a porosidade da areia, n. Considerando-se a viscosidade a velocidade do fluxo pode ser expressa como:



7. FORÇA DE PERCOLAÇÃO
A Figura 1 representa uma situação em que há fluxo. A diferença entre as cargas totais na face de entrada e de saída é h, e a ela corresponde a pressão hw.
Esta carga se dissipa em atrito viscoso na percolação através do solo. Como é uma energia que se dissipa por atrito, ela provoca um esforço ou arraste na direção do movimento. Esta força atua nas partículas, tendendo a carrega-las. Só não o faz porque o peso das partículas a ela se contrapõe, ou porque a areia é contida por outras forças externas.
A força dissipada é:

F = hwA

Onde: A é a área do corpo de prova.

Num fluxo uniforme, esta força se dissipa uniformemente em todo o volume de solo, A.L, de forma que a força por unidade de volume é:



Sendo j denominado força de percolação. Observa-se que ela é igual ao produto do gradiente hidráulico, i, pelo peso específico da água.
A força de percolação é uma unidade semelhante ao peso específico. De fato, a força de percolação atua da mesma forma que a força gravitacional. As duas se somam quando atuam no mesmo sentido (fluxo d’água de cima para baixo) e se subtraem quando em sentido contrário (fluxo d’água de baixo para cima).

8. TENSÕES NO SOLO SUBMETIDO À PERCOLAÇÃO
Considere-se um solo submetido a um fluxo ascendente como mostrado na Figura 6, na qual estão indicadas as tensões totais e neutras ao longo da profundidade.






Figura 6: Tensões no solo num permeâmetro com fluxo ascendente

A tensão efetiva varia linearmente com a profundidade e, na face inferior, vale:





Para o fluxo descendente, os cálculos são semelhantes, mas a tensão efetiva aumenta com a percolação:


9. GRADIENTE CRÍTICO
Na Figura 6, considere que a carga hidráulica h aumente progressivamente. A tensão efetiva ao longo de toda a espessura irá diminuindo até o instante em que se torne nula. Nesta situação, as forças transmitidas de grão para grão vão se anulando até chegar em zero. Os grãos permanecem, teoricamente, nas mesmas posições, mas não transmitem forças através dos pontos de contato. A ação do peso dos grãos se contrapõe à ação de arraste por atrito da água que percola para cima.
Como a resistência das areias é proporcional à tensão efetiva, quando esta se anula, a areia perde completamente sua resistência. A areia fica num estado definido com areia movediça.
Para se conhecer o gradiente que provoca o estado da areia movediça, pode-se determinar o valor que conduz o gradiente que conduz a tensão efetiva a zero, na expressão abaixo determinada:

Este gradiente é chamado gradiente crítico. Seu valor é da ordem de um, pois o peso específico submerso dos solos é da ordem do peso específico da água.


“Tudo vale a pena se a alma não é pequena”
Fernando Pessoa

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