Geotecnia E Mecanica De Rochas - Material Completo

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM LAVRA E TECNOLOGIA MINERAL

BLOCO I: FUNDAMENTOS

DISCIPLINA: GEOTECNIA E MECÂNICAS DAS ROCHAS

AGOSTO/2010

Apresentação da Disciplina Para o atendimento de suas necessidades (energia, transporte, alimentação, moradia, segurança física, comunicação, etc) o Homem é inexoravelmente levado a aproveitar uma série de recursos naturais (água, petróleo, minérios, energia hidráulica, solos, etc) e a ocupar o meio físico, que conseqüentemente modifica os espaços naturais das mais diversas formas (cidades, agricultura, indústrias, usinas elétricas, vias de transporte, portos, canais, disposição de rejeitos ou resíduos, etc), o que já o transformou no mais poderoso agente geológico atuante na superfície do Planeta Terra. Assim, para que esse comando da natureza por parte do Homem seja bem sucedido deve haver a incorporação (obediência) das leis que regem as características dos materiais e dos processos geológicos naturais afetados. As ações humanas dessa ordem devem ser inteligentes, eficientes e provedoras de qualidade de vida no planeta, para essa geração e para as futuras. Isto só será possível através da sustentabilidade, da obediência e entendimento das leis da Natureza nas atitudes comportamentais e nas soluções de engenharia apontadas. A experiência mostra que os projetos de Engenharia são bem sucedidos, em relação aos condicionamentos geológicos, quando há uma adequada interação entre o geólogo e o engenheiro. Isto é, o geólogo define o quadro físico, o engenheiro concebe a obra e ambos ajustam a concepção e o projeto às condições do meio físico. A geologia aplicada à engenharia tem uma estreita associação com dois outros campos das ciências técnicas, quais sejam a mecânica dos solos e a mecânica das rochas, junto às quais comumente reunida sob a denominação Geotecnia e com as quais divide o acervo tecnológico básico, em nítido contexto de intercâmbio e colaboração mútua. A disciplina “Geotecnia e Mecânica das Rochas” tem com objetivo principal mostrar a interface dos conhecimentos que existem entre a geologia aplicada à engenharia, no caso específico desta disciplina, com ênfase nos empreendimentos de mineração e de transformação mineral, nas suas etapas de projeto, implantação, operação e desativação. Os tópicos 1, 2 e 3 apresentam uma abordagem simples e concisa dos principais fundamentos da geotecnia, da geologia de engenharia, da mecânica dos solos e das mecânica das rochas. O tópico 4 aborda as principais técnicas de investigação geológica- geotécnica para melhor caracterização do meio físico. O tópico 5 apresenta as principais aplicações da geotecnia para diferentes problemas do meio físico relacionados com as atividades mineiras.

SUMÁRIO Parte 1 - Introdução 1.1 Introdução à geotecnia 1.2 A importância da geotecnia nas atividades mineiras Parte 2 – Mecânica dos Solos 2.1 Caracterização dos solos 2.2 Índices Físicos 2.3 Classificação dos solos 2.3.1 Classificação textural ou granulometrica 2.3.2 Classificações genéticas 2.3.3 Classificação geotécnica 2.4 Pressões atuantes no solo 2.4.1 Pressão vertical devido ao peso da terra – Nível de terreno horizontal 2.4.2 Pressão vertical devido ao peso da terra – Nível de terreno inclinado 2.4.3 Pressão de água no solo 2.5 Resistência ao cisalhamento (resistência e deformabilidade) 2.5.1 Ensaios geotécnicos para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos 2.6 Questões de fixação Parte 3 – Métodos de Investigação Geotécnica 3.1 Tipos de prospecção geotécnica 3.2 Amostragem 3.2.1 Amostra deformada 3.2.2 Amostra Indeformada 3.3 Questões de fixação Parte 4 – Mecânica das Rochas 4.1 Caracterização de maciços rochosos 4.2 Classificação geomecânica 4.3 Questões de fixação Parte 5 – Aplicação 5.1 Estudos geológicos e geotécnicos para fundações 5.1.1 Introdução 5.1.2 Fundações Superficiais 5.1.3 Fundações Profundas 5.1.4 Investigações geotécnicas, geológicas e observações locais 5.2 Estabilidade de Taludes 5.2.1 Fatores que geram escorregamentos de solos/rochas 5.2.2 Mecanismos de ruptura 5.2.3 Métodos de análise de estabilidade 5.2.4 Métodos de Estabilização 5.2.5 Estabilidade de taludes em mineração a céu aberto 5.3 Escavações Subterrâneas 5.3.1 Estabilidade de escavações subterrâneas mineiras 5.3.2 Tipos de Instabilidade 5.3.3 Tensões devido a escavação

5.3.4 Distribuição de tensões 5.3.5 Mecanismos de ruptura 5.3.6 Métodos de análises teóricas do comportamento de escavações 5.3.7 Uso das classificações geomecânicas 5.3.8 Análise sobre estabilidade de escavações subterrâneas 5.4 Barragens 5.4.1 Barragem de concreto-gravidade 5.4.2 Barragem de gravidade aliviada e de contraforte 5.4.3 Barragem em arco 5.4.4 Barragem de Terra 5.4.5 Estudos necessários para elaboração e apresentação de projeto de barragem de rejeitos 5.4.6 Projeto de barragem 5.5 Legislação 5.6 Questões de fixação Parte 6 - Bibliografia

PARTE 1 - INTRODUÇÃO 1.1.

Introdução à geotecnia A geotecnia é formada por três áreas de estudo: a geologia de engenharia, a mecânica dos

solos e a mecânica das rochas, que têm como objetivo a caracterização e o entendimento do comportamento dos materiais e terrenos da crosta terrestre para fins de engenharia.

Figura 1- Posicionamento disciplinar na engenharia (Santos, 2002).

A conceituação epistemológica oficial que consta nos estatutos da ABGE – Associação Brasileira de Geologia de Engenharia e Ambiental, a Geologia de Engenharia é a ciência dedicada à investigação, estudo e solução dos problemas de engenharia e meio ambiente decorrentes da interação entre as obras, atividades do Homem e o meio físico geológico, assim como ao prognóstico e ao desenvolvimento de medidas preventivas ou reparadoras de acidentes geológicos. Assim, a geologia de engenharia é um ramo das geociências aplicada, responsável pelo domínio tecnológico de interface entre a atividade humana e o meio físico geológico. A conceituação de mecânica dos solos foi dada por Terzaghi (1944) e Vargas (1977), sendo a Mecânica dos Solos a área de estudo responsável pelos estudos teóricos e práticos sobre o comportamento dos solos – materiais terrosos – tanto pelas suas características físicas, quanto pelas suas propriedades mecânicas (equilíbrio e deformação), sob o enfoque de sua solicitação pela engenharia, isto é, quando são submetidos ao acréscimo ou alívio de tensões. No Brasil existe a ABMS – Associação Brasileira de Mecânica de Solos, que é responsável pelo progresso da técnica e da pesquisa científica, além de manter o intercâmbio com associações geotécnicas e com especialistas de outros países.

A ISRM – International Society for Rock Mechanics sugere a conceituação de Mecânica das Rochas em seus estatutos como sendo todos os estudos relativos ao comportamento físico e mecânico das rochas e maciços rochosos e a aplicação desse conhecimento para o melhor entendimento de processos geológico e para o campo da engenharia. A ABMS junto com o CBTComitê Brasileiro de Túneis dedicam suas atividades à mecânica das rochas e suas aplicações. De acordo com Santos (2002), no contexto epistemológico que os fenômenos geotécnicos do âmbito da geologia de engenharia serão qualitativamente e dinamicamente explicados por esta área de estudo, mas quantitativamente e mecanicamente somente equacionados pelas leis da mecânica dos solos e das rochas. Ou seja, os fenômenos de geologia de engenharia desenvolvem-se segundo as leis da mecânica dos solos e da mecânica das rochas. A seguir as áreas de aplicação da geotecnia no país e no mundo, sendo determinadas tanto por tipo de solicitação aos terrenos, como por tipos de fenômenos geotécnicos, técnicas de apoio, outras áreas de conhecimento e campos de atividades. • • • • • • • • • • • • • •

1.2.

Barragens Obras viárias Obras subterrâneas Fundações Taludamento, desmonte, escavações Cidades Exploração mineral Agricultura Portos, vias navegáveis, lagos e canais Impactos ambientais – Disposição de resíduos Riscos geológicos Materiais naturais de construção Estabilidade de taludes e encostas Estabilidade de maciços

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Erosão e assoreamento Colapso e subsidência Hidrogeologia Métodos de investigação de terrenos e materiais Instrumentação geológica- geotécnica Cartografia geotécnica Informática Aplicada Geofísica aplicada Geologia histórica/ dinâmica externa/ interna Ensino Arqueologia/ Paleontologia Espeleologia Exploração Espacial Outros

Importância da Geotecnia nas Atividades Mineiras A Geotecnia tem atuação efetiva em todas as etapas dos empreendimentos de mineração e de

transformação mineral, isto é, desde a concepção do projeto até a sua desativação. Seu destaque na área de mineração se dá pela crescente demanda mundial dos bens minerais, o porte cada vez maior dos empreendimentos e a importância, necessária, com as questões de segurança e meio ambiente. Enquanto a Geologia de Minas se ocupa da distribuição e da qualidade do minério na mina, a Geologia de Prospecção Mineral busca a continuidade do corpo mineralizado ou outras ocorrências ou jazidas minerais, o conhecimento de Geologia de Engenharia é aplicado desde os serviços da atividade mineira, propriamente dita, tais como: estabilidade dos taludes, mina à céu aberto, escavações das

minas subterrâneas, disposição de estéril, barragens de rejeitos e drenagem de água, até os serviços típicos de obras civis indispensáveis nesses empreendimentos, tais como: fundações, terraplenagem, drenagem e pavimentação, sendo sua relevância determinada pelo porte desses empreendimentos mineiros, por aspectos de custos, segurança ou ambientais. O conhecimento e entendimento das feições geológicas são de suma importância nas atividades mineiras, cujo detalhamento dependerá do porte e da complexidade envolvida nas obras, como por exemplo: nas minas a céu aberto, ângulos de talude mais suavizados por condicionamentos geológicos, podem significar acréscimos de dezenas de milhões de m3 de estéril. A ruptura de minas subterrâneas pode levar à morte centenas de pessoas e o deslizamento de barragens de rejeitos pode causar danos ambientais e econômicos de grande magnitude. Desta forma, o conhecimento e consideração dos fatores geológicos são imprescindíveis ao projeto, operação e desativação de empreendimentos mineiros.

PARTE 2 – MECÂNICA DOS SOLOS O solo pode ser considerado sob o aspecto de ente natural e, como tal, é tratado pelas ciências que estudam a natureza, como a geologia, a agronomia, a pedologia e a geomorfologia. Por outro lado, pode ser considerado como um material de construção utilizável nas obras de engenharia. Como conseqüência desse tratamento desigual, os conceitos também são diferentes e com abrangências diferentes. Área Pedologia Agronomia Geologia Edafologia Engenharia Civil Geotecnia

Conceito Material natural constituído de camadas ou horizontes compostos por minerais e/ou orgânicos Camada superficial de terra arável, possuidora de vida microbiana Produto do intemperismo físico e químico das rochas Material terroso capaz de fornecer nutrientes para s plantas Material terroso de fácil desagregação pelo manuseio ou pela ação da água Material terroso resultante dos processos de intemperismo e transporte, escavável com lâmina

Na geotecnia a caracterização e a classificação dos solos objetiva prever o comportamento mecânico e hidráulico dos solos, em obras de engenharia, de mineração e de meio ambiente, com o conhecimento, ao mesmo tempo, das suas formas de ocorrência e da geometria das camadas nos locais de estudo.

2.1.

Caracterização dos solos A caracterização dos solos corresponde à determinação das características dos solos de maneira

a se poder distinguir uns dos outros, e assim realizar amostragens adequadas para a execução dos ensaios que permitam classificá-los. A base da caracterização é a descrição dos aspectos, ou características que explicam o caráter do solo, visando à classificação mais adequada, com será apresentada as diversas classificações no item 2.3. Assim, a sequência lógica do procedimento completo é a descrição – caracterização – classificação. A descrição dos solos é feita destacando: - Textura, isto é, o tamanho dos grãos constituintes do solo; - Cor;

- As estruturas presentes no solo, como estruturas reliquiares da rocha fonte, ou de alterações químicas e/ou físico-química dos minerais, ou herdadas do processo de sedimentação, no caso de solos transportados ou dos processos edáficos; - Plasticidade do solo, para solos com presença de argila; - Etc. Este conjunto de aspectos que configuram o procedimento como análise tátil- visual.

2.2.

Índices Físicos Uma massa de solo pode ser considerada como um conjunto de partículas sólidas, encerrando

vazios de tamanhos e formas variadas que, por sua vez, podem estar preenchidos com água, ar ou ambos, desta forma o comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma dessas três fases (sólidos, água e ar), como apresentada na figura abaixo.

Assim o comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma das três fases. Diversas relações são empregadas para expressar as proporções entre elas como apresentada na figura abaixo.

Os índices físicos são os seguintes: - Teor de Umidade ou Teor de Umidade Natural: é expresso pela letra h, que representa a relação entre o peso da água (Pa) e o peso dos sólidos (Ps), definido como a razão entre o peso da água e o peso total, sendo expresso em percentagem.

Para a sua determinação, pesa-se o solo no seu estado natural, seca-se em estufa a 105°C até a constância de peso e pesa-se novamente. Tendo-se o peso das duas fases, a umidade é calculada. - Índices de vazios: é expresso pela letra e, corresponde à razão entre o volume de vazios e o volume das partículas sólidas, sendo expresso como decimal.

O índice de vazios é uma medida de densidade e, portanto, representa uma das características mais importantes para a definição de um solo. Dessa propriedade dependem, por exemplo, a determinação da permeabilidade, da compressibilidade e à resistência à ruptura. - Porosidade: é expressa pela letra n, consiste na razão do volume de vazios pelo volume total da massa de solo amostrada, sendo expressa em percentagem.

Da mesma forma que o índice de vazios, a porosidade é uma medida de densidade do solo e que considera a relação entre os volumes. De acordo com a IAEG (1979), a porosidade e o índice de vazios podem ser classificados segundo a tabela a seguir: Classe 1

Índice de vazios (e) Maior que 1

Porosidade (n) Maior que 50

Termo Muito alta

2 3 4 5

1,0 - 0,80 0,80 - 0,55 0,55 - 0,43 Menor que 0,43

50 - 45 45 - 35 35 - 30 Menor que 30

Alta Média Baixa Muito baixa

- Grau de Saturação: é expresso pela letra G, corresponde à razão do volume de água pelo volume de vazios, sendo expresso em porcentagem.

O grau de saturação representa a percentagem do volume de vazios do solo que contém água. Se o solo é seco, então G = 0 e, se o solo se com todos os poros preenchidos por água, então G = 100%, uma vez que Va = Vv. A determinação do grau de saturação é de grande importância no estudo das propriedades físicas do solo pela sua influência na permeabilidade, na compressibilidade e na resistência a ruptura do solo. O grau de saturação, de acordo com a IAEG (1974), pode ser classificado em: Grau de saturação (%) 0 -25 25 - 50 50 - 80 80 - 95 95 - 100

Denominação Naturalmente seco Úmido Muito úmido Altamente saturado Saturado

- Peso Específico do Solo: é expresso pela letra γ, distinguem-se vários pesos específicos para os solos in situ. O peso específico de um solo é definido como sendo a razão entre o peso de um determinado componente das três fases do solo, pelo seu volume, sendo expressa por kN/m³. Assim, pode ser ter: 1. Peso específico natural (γnat): é a razão entre o peso da amostra de solo pelo volume da mesma, como coletada no campo. Implica em certo conteúdo de água, armazenada entre as partículas sólidas:

Na equação acima o peso do ar é considerado igual a zero para efeito do cálculo, por isso não é levado em consideração na equação. Para a sua determinação, molda-se um cilindro do solo, podendo ser in situ ou de uma amostra indeformada, cujas dimensões são conhecidas, para permitir o cálculo do volume.

2. Peso específico dos grãos ou dos sólidos (γs): é a razão entre o peso dos grãos constituintes do solo pelo volume ocupado pelos mesmos. O peso, aqui levado em conta, é aquele que subsiste após a perda de toda a água intersticial, por processo de secagem na estufa. O volume ocupado pelos sólidos pode ser obtido por comparação com o volume da água deslocada pelos mesmos:

Para a sua determinação em laboratório, coloca-se um peso seco conhecido do solo um picnômetro e, completando-se com água, determina-se o peso total. O peso do picnômetro só com a água, mais o peso do solo, menos o peso do picnômetro com solo+água, é o peso da água que foi substituída solo. Deste peso, calcula-se o volume de água que foi substituído pelo solo e que é o volume do solo. Com o peso e o volume, tem-se o peso específico dos sólidos. Abaixo um esquema ilustrativo da determinação do volume do peso específico dos grãos.

3. Peso específico da água (γa): é a razão entre o peso de uma quantidade de água e o volume da mesma:

Embora varie um pouco com a temperatura e com os sais dissolvidos, adota-se sempre como igual a 10 kN/m³. 4. Peso específico aparente seco (γd): é a razão entre o peso dos grãos constituintes do solo pelo volume total. Corresponde ao peso específico que o solo teria se viesse a ficar seco, se isto pudesse ocorrer sem que houvesse variação de volume:

O peso específico aparente seco pode também ser denominado como densidade relativa das partículas ou dos grãos (δ). A densidade relativa das partículas/ peso específico dos grãos é em função dos seus constituintes mineralógicos. 5. Peso específico saturado (γsat): é o peso total da amostra de solo depois de saturada com água. É dado pela seguinte relação:

6. Peso específico submerso (γsub): é o peso específico do solo in situ quando este está submerso na água e submetido ao empuxo de Arquimedes. Equivale, por definição, à seguinte expressão: O peso específico submerso serve para cálculos de tensões efetivas. - Massas específicas: é a relação entre a quantidade de matérias (massa) e volume. A massas específicas são expressas geralmente por ton/m³, kg/m³ ou mais comumente g/cm³. É importante lembrar que a relação entre os valores numéricos dos pesos específicos e as massas específicas é constante. Como podemos observar os índices físicos do solo expressam relações matemáticas, abaixo diversos esquemas que mostram diversas correlações entre os índices físicos, que facilitam os cálculos e resultam em fácies deduções, para a determinação dos índices por diversas expressões.

Limites de Consistência de Atterberg O comportamento de um solo argiloso varia enormemente em função do teor de umidade (h), podendo passar de um estado quase líquido, como a lama, até um estado sólido, como por exemplo, as cerâmicas. Nessa passagem, podem ser definidos vários estados intermediários de consistência, e os teores de umidade que os definem são conhecidos como limites de consistência de Atterberg, em homenagem ao engenheiro agrônomo sueco Atterberg (1911), que propôs a subdivisão.

Os limites de consistência dos solos são conhecidos como Limite de Contração (LC), de Plasticidade (LP) e de Liquidez (LL). Onde o LC corresponde à transição entre os estados sólido e semi-sólido, o LP corresponde à transição entre os estados semi-sólido e líquido, enquanto que o LL define o teor de umidade acima do qual o solo passa do estado plástico ao estado líquido, como apresentado no esquema abaixo.

- Limite de Liquidez (LL): tomando-se inicialmente um solo em estado líquido, pode-se fazêlo passar para o estado plástico pela gradual perda d’água. No estado líquido, a mistura solo-água é tal que sua resistência ao cisalhamento é nula. - Limite de Plasticidade (LP): diminuindo-se ainda mais a umidade, o solo deixará de ser plástico no LP. Passando a partir daí, a ter um comportamento quebradiço. Define-se como a plasticidade de um solo a sua propriedade de se deformar sem sofre rupturas ou fissuramentos, sendo esta propriedade tanto mais importante, quanto mais argiloso for o solo. O solo tem um comportamento plástico no intervalo de umidade entre LL e LP. - Limite de Contração (LC): mesmo continuando a perder água, chega-se a um ponto onde o volume total da amostra não sofrerá mais diminuição. Este ponto corresponde ao LC, após o que o solo passa para o estado sólido. Os limites de consistência são obtidos através de ensaios rotineiros nos laboratórios de mecânica dos solos. A partir da determinação desses limites, calculam-se índices de estado importantes de um solo argiloso, como o Índice de Plasticidade, Índice de Contração, Índice de Consistência e Índice de Liquidez.

- Índice de Plasticidade (IP): é dado pela diferença entre os limites de liquidez e de plasticidade, fornecendo uma gama de variação de umidade dentro do domínio plástico, assim quanto maior for o IP, maior a plasticidade do solo. Existe uma classificação da IAEG (1979) dos solos baseada no IP, apresentada na tabela abaixo. Denominação Não plásticos Levemente plásticos Moderadamente plásticos Altamente plásticos Extremamente plásticos

Índice de Plasticidade IP<1 135

De um modo geral, quanto maior for o índice de plasticidade, maiores serão os problemas de engenharia relacionados ao uso do solo como material de engenharia, como por exemplo, para o suporte de edificações, estradas, pilha de estéril, etc. - Índice de Contração (ICo): é definido como sendo a diferença entre os limites de plasticidade e o de contração. Este índice fornece uma indicação acerca da contração do solo, devido a perda gradual de água. ICo = LP - LC - Índice de Consistência (IC): mede a consistência de um solo em função da umidade, sendo expresso numericamente pela seguinte relação: IC = (LL – h)/IP - Índice de Liquidez (IL): mede a liquidez de um solo em função da umidade, sendo expresso numericamente pela seguinte relação: IL = (h – LP)/IP

2.3.

Classificação dos solos A diversidade e a enorme diferença de comportamentos apresentadas pelos diversos solos

perante as solicitações de interesse da geotecnia levou ao seu natural agrupamento em conjuntos distintos, aos quais podem ser atribuídas algumas propriedades, aliados a organização das experiências acumuladas, surgiram os sistemas de classificação dos solos. O objetivo de classificação dos solos, sob o ponto de vista da geotecnia, é o poder de estimar o provável comportamento do solo, ou de pelo menos, o de orientar o programa de investigação geotécnica necessária para permitir a adequada análise de um problema.

2.3.1. Classificação textural ou granulometrica Esta classificação tem como base a textura do solo, ou seja, com o tamanho de suas partículas, que é dimensionado através do ensaio de granulometria. É uma classificação limitada, uma vez que, o comportamento dos solos não depende apenas do tamanho dos grãos. Entretanto, é uma informação essencial para a descrição dos solos. As escalas granuloméricas mais utilizadas para a classificação textural dos solos são as elaboradas pelo MIT, USBS, e pela ABNT. A escala granulométrica da ABNT (NBR 6502) divide o solo como apresentada na tabela abaixo. Fração Matacão Pedra Pedregulho Areia grossa Areia média Areia fina Silte Argila

Limites definidos pela norma técnica da ABNT De 25cm a 1m De 7,6cm a 25cm De 4,8mm a 7,6cm De 2,0mm a 4,8mm De 0,42mm a 2,0mm De 0,05mm a 0,42mm De 0,005mm a 0,05mm Inferior a 0,005mm

2.3.2. Classificações genéticas As classificações genéticas mais utilizadas na geotecnia são a geológica e a pedológica. Estas classificações servem de ferramentas para a interpretar a distribuição e o comportamento das diferentes camadas de solo de uma determinada área. Entretanto, estas classificações não permitem prever diretamente as propriedades mecânicas e hidráulicas dos solos de interesse.
Classificação geológica O processo geológico formador do solo consiste, basicamente, no intemperismo, por desagregação e decomposição in situ da rocha subjacente, dando origem aos solos denominados de residuais. Caso haja a erosão, o transporte e a deposição dos materiais existentes na superfície, formase os chamados solos transportados.

Solos Residuais ou In situ são formados a partir da decomposição das rochas pelo intemperismo, seja químico, físico ou a combinação de ambos, e que permanecem no local onde foram formados, sem sofrer qualquer tipo de transporte. A natureza destes solos, ou seja, sua composição mineralógica e granulométrica, estrutura e espessura, dependem do clima, relevo, tempo e tipo de rocha de origem. Os solos residuais podem ser eluvionar e solo de alteração. O solo eluvionar ocorre na superfície, apresentando-se macroscopicamente homogêneo e isotrópico. Também chamado de solo superficial e solo residual maduro. Enquanto que, o solo de alteração ocorre abaixo do solo eluvial e se apresenta heterogêneo e anisotrópico devido à presença das estruturas das rochas originais. Também chamado de saprolito e solo residual jovem. Solos Transportados são os solos que sofreram transporte por agentes geológicos do local de origem até o local onde foram depositados, não tento ainda sofrido consolidação. Os solos transportados podem ser aluviões, terraços aluvionares, coluviões, tálus, sedimentos marinhos e solos eólicos. Os Aluviões são constituídos por materiais erodidos, retrabalhados e transportados pelos cursos d’água e depositados nos seus leitos e margens, ou ainda depositados nos fundos e nas margens de lagoas e lagos, sempre associados a ambientes fluviais.

Os Terraços Aluvionares são aluviões antigos, depositados quando o nível do curso d’água, encontrava-se em posição superior à atual. Consequentemente, os terraços sempre são encontrados em cotas mais altas do que as dos aluviões. Os Coluviões são depósitos de material solto, encontrados no sopé de encostas e que foram transportados pela ação da gravidade ou, simplesmente, material decomposto, transportado por gravidade. Estes solos têm como característica importante sua baixa resistência ao cisalhamento, podendo apresentar movimentos lentos, como o rastejo e sendo, frequentemente, envolvidos pela maioria dos escorregamentos de encostas. Os Tálus são depósitos formados pelo mesmo processo de transporte por gravidade, em encostas, que produz os coluviões, diferenciando-se pela presença ou predominância de blocos de rocha, resultando em solos pouco espessos na fonte, o que restringe a ocorrência de tálus ao sopé de encostas de forte declividade ou, então, ao pé de escarpas rochosas. Os Sedimentos Marinhos são formados em ambientes de praia e de manguezal. Em praias a deposição é essencialmente de areias limpas, finas a médias, quartzosas. Enquanto que nos manguezais, a deposição é de sedimentos finos e argilosos, que se depositam incorporando matéria orgânica, dando origem as argilas orgânica marinhas. Os Solos Eólicos são transportados e depositados pela ação do vento, ocorrem junto à costa litorânea. São constituídos por areias finas, quartzosas, bem arredondadas, ocorrendo na forma de dunas. Perfil Geológico
Classificação pedológica A classificação pedológica visa o seu interesse na parte mais superficial do perfil do subsolo, onde é mais evidente a atuação de fatores pedogenéticos, diferenciando este perfil em horizontes denominados de O, H, A, E, B, C, F e R. Destes, os horizontes A, B e C são os mais considerados para a geotecnia. O Horizonte A é o horizonte mineral superficial ou subjacente a camada orgânica (horizontes O e H), com a incorporação de matéria orgânica mineralizada. É o horizonte de maior atividade biológica, apresentando coloração escurecida pela presença de matéria orgânica. O Horizonte B é o horizonte mineral subsuperficial situado sob o horizonte A. É o horizonte diagnóstico mais importante na diferenciação das classes de solo, resultado de transformações relativamente acentuadas do material originário e/ou ganho de constituintes minerais e/ou orgânicos migrados de outros horizontes.

O Horizonte C é o horizonte ou camada mineral, relativamente pouco afetado pelos processos pedogenéticos, formado a partir da decomposição das rochas. Em Pedologia constitui o que se denomina material de origem dos solos, ou substrato pedogenético. A utilização da classificação pedológica em geotecnia tem grande importância pela riqueza de conteúdo e de informações, que podem ser obtidas através de sua interpretação. Um das aplicações de mapas pedológicos seria, por exemplo, auxiliar na compreensão de processos de dinâmica superficial, como a erosão. Entretanto, há algumas limitações na utilização desta classificação, em função de vários aspectos, entre os quais podem ser citados: - A disponibilidade pequena de mapas pedológicos; - informações tradicionalmente limitadas aos horizontes A e B. sendo que em muitas obras civis, tais horizontes são removidos, parcial ou totalmente; O fato de grupos pedológicos distintos poderem apresentar o mesmo comportamento geotécnico e o fato de um mesmo grupo apresentar diferentes propriedades geotécnicas. Perfil Pedológico 2.3.3. Classificação geotécnica
Classificações geotécnicas convencionais São consideradas classificações geotécnicas convencionais aquelas que se baseiam nos ensaios de granulometria e limites de Atterberg (limite de liquidez e de plasticidade) para classificar e determinar o estado dos solos. Entre as mais utilizadas no mundo encontra-se o SUCS, derivada da classificação de Casagrande (1948), inicialmente denominada Sistema de Classificação de Aeroportos, e a Classificação do HRB, também conhecida como classificação da AASHTO. Estas classificações possuem limitações, uma vez que, foram desenvolvidas para solos de países de clima temperado, assim apresentam limitações e incompatibilidades quando aplicadas em solos tropicais, como o nosso. As principais limitações são as relativas à dispersão dos resultados e as relativas à correlação entre as propriedades-índices, como granulometria, limite de plasticidade e limite de liquidez.
Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS): Os solos são agrupados em 14 grupos, representados por duas letras, da seguinte forma: Solos grossos: GW, GP, GM, GC, SW, SP, SM, SC; Solos finos: CL, ML, OL, CH, MH, OH, PT.

O significado da primeira letra é o seguinte: G – gravel (pedregulho); S – sand (areia); C – clay (argila); M – mö (silte em sueco); O – organic (orgânico); PT – peat (turfa). O significado da segunda letra para solos grossos: W- well (bem graduada); P- poor (mal graduada); M – mö (silte em sueco); C – clayey (argiloso). E para solos finos: L – low (baixa plasticidade); H – high (alta plasticidade). A tabela abaixo apresenta os critérios para a classificação dos solos nos grupos do SUCS, através de ensaios de laboratórios. Para a classificação dos solos finos, há a necessidade de se utilizar a carta de plasticidade apresentada na figura a seguir.


Classificação de Highway Research Board (HRB): Esta classificação é aplicada em estradas, subdividida em oito grupos (A-1 a A-8), de acordo com sua granulometria, sendo o grupo A-1, o grupo de melhores propriedades e o A-8, ode pior qualidade. Este sistema sofreu revisão pelo Highway Research Board, por isto a denominação de classificação HRB. Nesta revisão, alguns grupos foram subdivididos e foi introduzido o índice de grupo (IG), que é em função da porcentagem em peso do material com menor que a peneira 0,074mm, do limite de liquidez (LL) e do índice de plasticidade (IP). Abaixo a tabela com os procedimentos para a classificação dos solos pela HRB.


Classificações geotécnicas não- convencionais Existem classificações geotécnicas consideradas não convencionais por não utilizarem, como índices classificatórios, a granulometria e os limites de Atterberg.

2.4.

Pressões atuantes no solo Existem diferentes formas de pressão que atuam nos solos. Primeiramente será analisada a

pressão atuante em um ponto qualquer do solo devido ao peso do material sobrejacente e, em seguida, as pressões devidas à presença da água, como a pressão neutra, a pressão efetiva e a pressão de percolação. Além disso, outros fenômenos associados à presença de água no solo serão examinados, como a areia movediça, o piping e a capilaridade. 2.4.1. Pressão vertical devido ao peso da terra – Nível de terreno horizontal Consideremos inicialmente um perfil geotécnico, no qual o nível do terreno é horizontal e o solo é homogêneo, com o peso específico natural (γnat). Nestas condições, o peso de um prisma desse solo, com uma base de área A e altura Z é dado por: P = γnat ZA

A pressão vertical (σv) que atua sobre um plano (A), situado a uma profundidade (Z), pode ser obtida considerando-se o peso da coluna do solo acima de A, dividindo pela área. Partindo-se da definição de pressão ou stress, tem-se: σv = P/A Substituindo-se nesta equação o valor de P fornecido pela equação anterior, tem-se que: σv = γnat Z Onde (σv) é a pressão vertical exercida pelo solo e (A) é a área de atuação da força peso P. Se o solo acima de (A) for estratificado, constituindo-se por uma sucessão de diversas camadas uniformes, de espessura Z1, Z2, etc. e, com pesos específicos naturais (γnat1, γnat2), etc, o valor de (σv) será dado por: σv = ∑ni=1 γnat i Zi 2.4.2. Pressão vertical devido ao peso da terra – Nível de terreno inclinado Consideremos agora um prisma de um solo com peso (P), altura (Z), peso específico natural (γnat) e com uma superfície inclinada de (i) graus em relação à horizontal. O prisma de solo está em equilíbrio, sendo iguais e opostas as pressões que atuam nas fases laterais do mesmo (E1, E2). O peso do prisma de solo, considerando-se que sua dimensão perpendicular é unitária, é dado por: P = γnat boZ = γnat bZcos i A resultante das pressões verticais atuantes na base do prisma é igual ao peso (P), dividido pela área em que atua, ou seja: σv = P/A= P/b Onde substituindo o (P) pela equação anterior, teremos: σv = γnat Zcos i Se i = 0 (superfície do solo horizontal), então σv = γnat Z, como obtido em terreno horizontal. No caso de uma porção do perfil do solo se apresentar saturada com água, então no cálculo de pressão vertical que atua em um plano (A), deverá ser levado em conta as camadas acima e abaixo no nível da água (NA) e substituir (γnat) por (γsat) na segunda camada de solo, ou seja: σv = γnat Z1 + γsat Z1

2.4.3. Pressão de água no solo
Pressão neutra e pressão efetiva O conceito de pressão neutra pode ser demonstrado através da experiência descrita abaixo: Em uma proveta coloca-se uma certa quantidade de areia, submersa a uma altura de água (h1) (NA1). Se aumentarmos a altura do nível d’água (NA2) a uma altura h2, tomando-se o cuidado de não perturbar a areia no processo de acréscimo de água, verifica-se que a areia permanece inalterada, ou seja, com a mesma espessura, mesmo índice de vazios, etc., apesar do acréscimo de pressão vertical, equivalente a (h2-h1)γa. Se carregarmos agora a superfície da areia com um peso equivalente da água da experiência anterior, com grãos de chumbo, por exemplo, notaremos que a areia diminui de volume, implicando então em acréscimo de pressão sobre o arcabouço da areia. No primeiro caso, o acréscimo de pressão foi sentido apenas na água intersticial, conforme verificado no piezômetro ligado à esquerda da proveta, como demonstrado no esquema da figura acima. Enquanto que no segundo caso exposto, a pressão atuou diretamente nos grãos de areia. Conclui-se dessa experiência pela existência de dois tipos de pressão: uma que é igual à pressão da água intersticial (ou dos poros), não causa modificações no arcabouço dos sólidos e é denominada de pressão neutra (µ) e outra, que se transmite de grão a grão, causa modificações no arcabouço sólido e é denominada de pressão efetiva (σe). A pressão neutra num ponto do solo corresponde à carga piezométrica, sendo igual a: µ = γa h Na equação acima, h representa a altura que a água alcança em um piezômetro instalado no ponto considerado no solo. A pressão total (σt) atuante sobre um determinado horizonte do solo é determinada, considerando-se o peso total de todos os materiais (solo e água) sobrejacente ao referido plano. Assim: σt = γnatZ O valor de (γnat) deverá ser substituído por (γsat) no caso de solo saturado. A pressão neutra, ou de poros, por ser exercida por um líquido, tem como característica principal a de atuar com igual intensidade em todas as direções, como demonstrado na figura abaixo. Dessa forma, a pressão que efetivamente atua sobre um ponto qualquer de um solo saturado não é igual total, e sim à chamada pressão efetiva (σ´). Assim, a pressão efetiva é obtida pela diferença entre pressão total e pressão neutra, ou seja: σ´ = σt - µ

No caso de um terreno com superfície livre horizontal, constituído por (n) camadas, com pesos específicos (γi) e espessuras (hi), a pressão vertical total (σv), devido ao peso próprio peso do solo, temos: σv = ∑n1 γiZi Ou, em termos de pressão efetiva: σ´v = σv - µ
Pressão de percolação Quando ocorrer a migração de água no solo, há o surgimento de uma outra força, chamada de pressão de percolação ou força de percolação. Em virtude do atrito viscoso que aparece no escoamento da água através de um meio poroso, haverá transferência de energia da água para esse meio, sendo igual à perda de carga entre os pontos de entrada e de saída da água. Essa perda de carga é denominada de força de percolação e se desenvolve nos solos onde existe fluxo d’água. A força de percolação tem o sentido do fluxo da água e deve ser somada vetorialmente à pressão efetiva. O estudo da força de percolação é de vital importância na estabilidade de obras de terra pois, fenômenos como a areia movediça, levantamento hidráulico e o entubamento (piping) decorrem do desbalanceamento entre forças de percolação e as forças de peso atuantes em determinados pontos. Considerando-se a figura abaixo, onde (∆H) é a perda de carga de água ao percolar a amostra de solo de comprimento (L), colocada dentro de um tubo de vidro de seção (A). A força de percolação é igual à perda de carga ou de pressão entre os pontos de entrada e saída da água na amostra, ou seja:

Fp = P1 – P2 = γw A (h1 – h2), onde o gradiente hidráulico é i = ∆H /L Portanto a força de percolação aplicada uniformemente num volume (V) igual a A x L, será: Fp = γw i.A.L / A.L ou Fp = i. γw


Areia movediça Sabe-se da teoria que a resistência ao cisalhamento de uma areia é diretamente dependente da pressão efetiva. Se a pressão efetiva se anular, a areia perde totalmente sua resistência ao cisalhamento, dando origem à formação de areia movediça (quicksand). O fenômeno da areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um fluxo ascendente de água, de forma que a força de percolação gerada venha a igualar ou superar a força efetiva graças ao solo.


Piping ou erosão tubular regressiva

Trata-se de uma ruptura hidráulica, provocada pela passagem de água pelo interior do maciço com carga hidráulica, saindo à superfície e carreando partículas do solo produzindo:  Abertura e aumento progressivo de dutos  Concentram fluxo, incrementando o gradiente hidráulico.  Aumento da velocidade e do diâmetro do tubo em direção à origem da água.  Colapso e instabilização de taludes e encostas de maciços de solo.
Capilaridade É a propriedade que os líquidos apresentam de atingirem pontos acima do níveo freático. Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial, sendo a que atua em toda a superfície de um líquido, como decorrência da ação da energia superficial livre. A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a superfície livre de um líquido em 1 cm2. Quando em contato com um sólido, uma gota de líquido tende a molhar o sólido, dependendo da atração molecular entre o líquido e o sólido. No caso da água, por força da tensão superficial, a pressão no lado côncavo de um menisco é maior que a do lado convexo, e que a diferença dessas pressões está relacionada com a tensão superficial. Como decorrência dessa diferença de pressões, tem-se a ascensão de água, num tubo capilar. No caso dos solos, os seus poros interligados e formando canalículos, funcionam como tubos capilares. Assim, explica-se dentro da massa, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que estão situadas acima do lençol freático.

A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. Nos pontos de contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a comprimir os grãos, conforme figura abaixo.

A capilaridade produz pressões de contato Essas pressões de contato (pressões neutras negativas) somam-se às tensões totais fazendo com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total. Esse acréscimo de tensão proporciona um acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável, por exemplo, pela estabilidade de taludes em areia úmida e pela construção de castelos com areia úmida nas praias. Uma vez eliminada a ação das forças capilares desaparece a vantagem de coesão aparente.

2.5.

Resistência ao cisalhamento (resistência e deformabilidade) Vários materiais sólidos empregados em construção normalmente resistem bem a tensões de

compressão, porém têm uma capacidade bastante limitada de suportar tensões de tração e de cisalhamento. Assim ocorre com o concreto e também com os solos. No caso dos solos, são geralmente considerados apenas os casos de solicitação por cisalhamento, pois as deformações em um maciço de terra são devidas a deslocamentos relativos entre as partículas constituintes do maciço. Dessa forma, a resistência dos solos está implícita a sua resistência ao cisalhamento. A resistência do solo conjuntamente a permeabilidade e a compressibilidade formam o suporte básico para a resolução dos problemas práticos da engenharia de solos. Dentre os problemas usuais em que é necessário conhecer a resistência do solo, destacam-se a estabilidade de taludes, a capacidade de carga de fundações e os empuxos de terra. Tais problemas são usualmente analisados através dos conceitos do equilíbrio limite, o que implica considerar o instante de ruptura, quando as tensões atuantes igualam a resistência do solo, sem atentar para as deformações em jogo. Esse tipo de análise é própria da Teoria da Plasticidade, já que os

conceitos da Teoria da Elasticidade nem sempre podem ser convenientemente utilizados na representação do comportamento dos solos. Várias são as formas de representar a resistência de um solo. A utilização de envoltórias, como a de Mohr, é uma das mais comuns e que melhor retratam o comportamento dos solos. Em linhas gerais, a resistência dos solos é proporcionada por forças de atrito resultantes de enlaces moleculares nas superfícies em contato. Segundo a lei de Coulomb, a resistência por atrito é função da força normal no plano de deslizamento relativo. Das ponderações de Terzaghi, Teoria adesiva do atrito, pode-se concluir que a resistência por atrito depende da força normal, pois aumentando esta, aumenta a área real de contato e conseqüentemente a resistência. A rugosidade e a adsorção da superfície da partícula controlam as áreas de contato, assim sendo, os contatos podem ser de natureza plástica e/ou elástica. 2.5.1. Ensaios geotécnicos para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos A resistência de um solo pode ser determinada em laboratório através de amostras naturais ou compactadas e através de ensaios in situ, como por exemplo, o Vane test, muito utilizado para estudar a resistência de argilas moles. Os dois tipos principais de ensaios em laboratório são o de cisalhamento direto e o de compressão triaxial.

2.6.

Questões de fixação

QUESTÃO 1: Considerando que existem classificações de solos não convencionais, discorra sobre o assunto, citando exemplos. QUESTÃO 2: Mencione exemplos práticos do efeito da capilaridade, que afetam ou podem afetar, obras de engenharia. QUESTÃO 3: Discorra sobre o critério de resistência de Mohr-Coulomb e sua importância na mecânica dos solos. QUESTÃO 4: Descreva de forma sucinta os ensaios de cisalhamento direto e de compressão triaxial, juntamente com seus resultados.

PARTE 3 – MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA O objetivo da investigação geotécnica é delimitar espacialmente as unidades geológica – geotécnicas e determinar suas características e propriedades geomecânicas através de um plano de investigações. Um programa de investigação deve levar em consideração a importância e o tipo da obra, bem como, a natureza do subsolo. Assim, a construção de um metrô, de uma barragem, necessitam de um conhecimento mais minucioso do subsolo, do que, aquele necessário à construção de uma residência térrea. Solos que apresentam características peculiares de comportamento, tais como, colapso, alta compressibilidade, elevada sensibilidade, exigem cuidados e técnicas diferentes das utilizadas em solos com comportamento típico. A história da Engenharia Civil registra casos em que a inobservância de certos princípios de investigação ou mesmo a negligência diante da obtenção de informações, acerca do subsolo tem conduzido a ruínas totais ou parciais e, neste caso, a prejuízos incalculáveis, não só de tempo como de recursos para a recuperação das obras, chegando até a haver perdas fatais. As principais ferramentas utilizadas com estes objetivos são o sensoriamento remoto, o mapeamento geológico, ensaios geofísicos e sondagens mecânicas (métodos diretos). De maneira geral os ensaios geofísicos e o sensoriamento remoto são chamados de métodos indiretos de investigação, utilizando 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. Um programa de investigação deve fornecer informações do subsolo quanto: Espessura e dimensões em planta de cada camada, dentro da profundidade de interesse do projeto, bem como, a caracterização de cada camada, através de observações locais ou de resultados de laboratório. Profundidade do topo da camada rochosa ou do material impenetrável ao amostrador. Existência de água, indicando a posição do nível d’água no período da investigação e, se possível, sua variação durante o ano. Existência de pressões artesianas. As propriedades do solo ou da rocha, tais como, permeabilidade, compressibilidade e resistência ao cisalhamento. Nem sempre os projetos precisarão de todas essas informações, enquanto que, para alguns projetos dados específicos e não relacionados poderão ser necessários e deverão ser obtidos.

Um programa de investigação deverá ser executado em etapas, de tal forma que, de posse dos dados obtidos em uma fase e sua interpretação e utilização no projeto, possam ser detectadas novas necessidades e assim se elaborar o programa da fase seguinte. Desta forma, um programa de investigação poderá conter as fases de reconhecimento, prospecção e acompanhamento. Embora, nem sempre as obras necessitem de todas estas fases de investigação.

3.1.

Tipos de prospecção geotécnica Os tipos de prospecção utilizados corretamente na Engenharia Civil são:


Processos Indiretos (exemplo: Resistividade elétrica e Sísmica de refração) Dentre os vários métodos geofísicos de prospecção existentes, o da resistividade elétrica e do da sísmica de refração são os de uso mais freqüente. Estes métodos apresentam a vantagem de serem rápidos e econômicos. Além disso, fornecem informações numa zona mais ampla e não apenas no entorno de um furo, como nos processos diretos, porém a interpretação destas informações exige, quase sempre, que se levem em consideração as prospecções diretas. As cartas geofísicas obtidas por um trabalho de prospecção facilitam o planejamento e localização de furos de sondagens, pois evidenciam, com boa aproximação, a zona prospectada.
Processos Semidiretos (exemplo: Vane Test, Cone de penetração estática e Ensaios pressiométricos) Fornecem apenas características mecânicas dos solos prospectados. Os valores obtidos, por meio de correlações indiretas, possibilitam informações sobre a natureza dos solos. Os métodos semidiretos de prospecção foram desenvolvidos por causa da dificuldade de amostrar certos tipos de solos, como areias puras e argilas moles. Não fornecem o tipo de solo, apenas certas características de comportamento mecânico das camadas, obtidas mediante correlações, com medidas em suas execuções. Esses métodos são ensaios in situ, que têm tido sua utilização crescente devido as dificuldades de se dispor de amostras realmente indeformadas e a complexidade estrutural dos maciços terrosos.


Processos Diretos (exemplo: Poços, Trincheiras, Sondagens e trado, Sondagens de simples reconhecimento, Sondagens rotativas e Sondagens mistas) São perfurações executadas no subsolo. Nestas, pode-se fazer uma observação direta das camadas, em furos de grandes diâmetros, ou uma análise por meio de amostras colhidas de furos de pequenas dimensões. Os métodos diretos de investigação permitem o reconhecimento do solo prospectado, mediante análise de amostras provenientes de furos executados no terreno, por processos de perfuração expeditos. As amostras deformadas fornecem subsídios para um exame visual-táctil das camadas, e sobre elas podem-se executar ensaios de caracterização (teor de umidade, limites de consistência e granulometria). Há casos em que é necessária a coleta de amostras indeformadas, para obter-se informações seguras sobre o teor de umidade, resistência ao cisalhamento e compressibilidade dos solos. Pode-se obter, com os métodos diretos, a delimitação entre as camadas do subsolo, a posição do nível do lençol freático e indeformações, sobre a consistência das argilas e compacidade das areias.

3.2.

Amostragem

A premissa básica para a obtenção de dados, a partir de amostragem é: “De que adianta possuir métodos de cálculo e técnicas laboratoriais de alto requinte, se não é possível contar com boas amostras?”. Todas as potencialidades dos métodos e das técnicas perdem-se diante de amostras pouco representativas. A retirada de amostras de um solo proverá o laboratório de material necessário para, através de ensaios, fazer a sua caracterização. Têm-se dois tipos de amostras: deformadas e indeformadas. 3.2.1. Amostra deformada Esse tipo de amostra deverá ser representativa do solo, quanto a composição granulométrica e mineral, não devendo conter vegetação ou qualquer outro elemento estranho ao solo. Essa amostragem é utilizada nos ensaios de caracterização do solo (granulometria, limites de consistência, massa específica dos sólidos e testes de identificação), para determinar os parâmetros de compactação e para moldar corpos de prova, sob determinadas condições de grau de compactação e teor de umidade.

A retirada de uma amostra deformada não exige ferramenta especial, podendo ser realizada desde o recolhimento manual, com o auxílio de pás, enxadas até um recolhimento mais profundo com auxílio de trados ou amostradores cravados dinamicamente no solo. 3.2.2. Amostra Indeformada Quando os dados fornecidos pelos processos de investigação estudados mostrarem-se insuficientes na análise do problema em foco, faz-se necessária a coleta de amostras indeformadas. Esse tipo de amostra deverá ser representativo do solo quanto à composição granulométrica e mineral, teor de umidade e estrutura. A coleta desse tipo de amostra pode ocorrer manualmente ou através de amostradores de paredes finas. A amostragem manual, geralmente, realizada à superfície do terreno ou no interior de um poço e acima do nível d´água, ocorre em forma de blocos e anéis. As superfícies expostas das amostras são parafinadas e transferidas para laboratórios, aonde devem ser armazenadas em câmaras úmidas, até serem ensaiadas. As sondagens de simples reconhecimento, quando executadas em diâmetro de 4” e 6”, possibilitam também a coleta de amostras indeformadas. Nesse caso, deve ser usado amostradores especiais e um processo de cravação em que o amostrador é forçado contra o terreno, num movimento contínuo e rápido. Para amostragem em solos coesivos e de consistência de mole a média o amostrador de paredes finas, tipo SHELBY, é o mais comumente utilizado. Dentre os tipos mais usuais de amostradores de parede finas, podemos citar os amostradores de pistão, amostrador sueco e amostrador Deninson. Como a qualidade das amostras é imprescindível em uma investigação geotécnica, é possível observar essa característica das amostras, a partir das categorias descritas abaixo: CLASSE 1: Amostras que não passaram por distorção nem alteração de volume e que, apresentam compressibilidade e características de cisalhamento inalteradas. CLASSE 2: Amostras em que o teor de umidade e a compacidade não experimentaram alterações, porém foram distorcidas e, as características de resistência ficaram alteradas. CLASSE 3: Amostras em que a composição granulométrica, e o teor de umidade não experimentaram alterações, porém foram distorcidas e, as características de resistência ficaram alteradas.

CLASSE 4: Amostras em que a composição granulométrica foi respeitada, mas o teor de umidade e a massa específica experimentaram alteração. CLASSE 5: Amostras em que até na composição granulométrica houve alteração, por causa da perda de partículas finas ou por esmagamento das partículas maiores.

3.3.

Questões de fixação

QUESTÃO 5: Descreva um tipo de amostrador de paredes finas, enfatizando a sua aplicabilidade, metodologia de uso e vantagens/desvantagens. QUESTÃO 6: Escolha um tipo de cada método (indireto, semidireto e direto), descreva cada um deles, destacando a aplicabilidade e os resultados de cada um, em seguida relacione-os entre si, considerando a importância deles numa investigação geotécnica.

PARTE 4 – MECÂNICA DAS ROCHAS Para as obras de grande porte, dentre elas as de mineração, é muito importante o conhecimento da capacidade de resistência dos materiais que serão solicitados. Essa capacidade é uma das principais diferenças entre solos e rocha. No estudo geotécnico todos os materiais sólidos consolidados ou os agregados de matéria mineral formados naturalmente e que se apresentam em grandes massas ou em fragmentos são chamados de rochas. As principais propriedades que distinguem uma rocha de um solo são: coesão interna e a resistência à tração. A coesão interna é a força que liga as partículas umas às outras, devido às ligações químicas entre os átomos. Um solo apresenta coesão interna nula, enquanto uma rocha apresenta geralmente valores elevados de coesão interna. Quanto a resistência à tração, um solo apresenta resistência nula ou desprezível (caso das argilas), enquanto que um quartzito, por exemplo, apresenta resistência à tração entre 100 – 300 kg/cm2. Agora é importante destacar a diferença entre rocha e maciço rochoso. A rocha é o material componente do maciço rochoso, constituído por minerais e que se apresenta em grande massa ou em fragmentos. Apresenta descontinuidades em todas as escalas de observação. Maciço Rochoso é um meio descontínuo formado pelas rochas e fraturas que o compartimentam. Apresenta descontinuidades à escala megascópica (afloramento) e regional. As descontinuidades em rochas podem ser desde deslocamentos da rede cristalina (10-4 mm) até microdobras na ordem milimétrica a centimétrica, enquanto que em um maciço rochoso essas descontinuidades podem ser estratificações centi- a métrica até falhas e dobras kilométricas. A mecânica das rochas estuda o comportamento mecânico dos maciços rochosos in situ, em relação às obras de engenharia. Esta ciência permite também: 1) Executar experiências laboratoriais para simular condições em que certos materiais serão solicitados, para então aplicar em grandes obras; 2) Realizar ensaios dinâmicos em maciços rochosos, para determinar as suas propriedades elásticas dinâmicas; 3) Efetuar experiências com diferentes explosivos, para determinar o explosivo mais adequado nas operações de desmonte, considerando cada tipo litológico com relação a certos parâmetros préestabelecidos em laboratório;

4) Estudar a rotura e fragmentação de rochas, sob a ação de cargas explosivas; 5) O estudo da estabilização de maciços rochosos através metodologia de ensaios e análises especiais, de forma a realizar o zoneamento mecânico dos maciços. Uma vez definida a caracterização geomecânica dos maciços, a metodologia e os processos de estabilização são facilmente dimensionáveis; A mecânica das rochas, na geotecnia é evidenciada pela alta porcentagem de problemas que se propõe a resolver, pois embora o clima tropical contribua para espessos mantos de intemperismo, obras como barragens, túneis, exploração de minas subterrâneas e a céu aberto, etc., têm nas suas fundações, problemas em rochas. Assim sendo, o conhecimento do comportamento mecânico dos maciços rochosos às solicitações impostas pelas obras, é de suma importância para a sua própria segurança.

4.1.

Caracterização de Maciços Rochosos

Um maciço rochoso consiste de um agregado de blocos de um material rochoso separados entre si, por planos de acamamento, planos de clivagem, planos de foliação, etc. Localmente planos estruturais fracos poderão estar abertos, sem preenchimento, poderão estar cheios de água, ou ainda cheios de material alterado, isto é, repletos de material decomposto. Para se projetar e construir uma obra de engenharia civil é fundamental definir as condicionantes geológico-geotécnicas que interessam ao tipo de obra e, como elas influem no maciço rochoso em termos de comportamento. A escala da porção estudada do maciço rochoso define a validade de se considerar o meio homogêneo/ não homogêneo, isotrópico / anisotrópico, continuo / descontínuo no âmbito de um estudo qualquer. Assim sendo, as condições de heterogeneidade, anisotropia e descontinuidade são determinadas pelas seguintes características dos materiais rochosos, descritas abaixo: litologia, alteração, descontinuidades, água subterrânea, estado de tensões, deformabilidade e resistência. 4.1.1. Litologia A litologia refere-se aos tipos de rochas, cuja classificação é baseada em critérios geológicos. A caracterização litológica, dentre outras, tem grande utilidade na avaliação da representatividade de propriedades físico-mecânicas do meio rochoso e extrapolação de resultados de ensaios pontuais para o maciço como um todo.

Em função da variedade de associações do maciço rochoso em relação às suas características geológicas, é prudente sempre associar a classificação geotécnica à geológica, por exemplo: uma rocha ígnea possuirá anisotropia pouco marcante, apenas existente em pequenas direções e resultante da orientação dos cristais, enquanto que numa rocha metamórfica a anisotropia será muito mais desenvolvida, da mesma forma, rochas como calcários, gesso e sal gema geralmente estão associadas à existência de cavidades no interior do maciço. 4.1.2. Alteração A alteração de uma rocha é o resultado da ação do intemperismo químico sofrido por elas, que nem sempre se limita à sua superfície. O resultado desta alteração é o decréscimo de resistência do ponto de vista de engenharia e por isso é importante determinar a profundidade de alteração numa obra, em que as solicitações sejam grandes nas fundações. A zona alterada pode existir mesmo em rochas sãs, particularmente abaixo das descontinuidades e, a sua determinação requer estudo sobre a história geológica da área. Inquestionavelmente o fator mais importante para a alteração é a existência de umidade. A alteração reduz a resistência mecânica, aumenta a deformabilidade, porosidade e permeabilidade. Para finalidade de engenharia o perfil de alteração é tratado como uma entidade única desde o solo evoluído, até o material inconsolidado residual de alteração incipiente da rocha. Sob o ponto de vista da engenharia, perfis de intemperismo tropical podem ser representados por uma série gradacional de zonas de intemperismo, passando da rocha fresca em profundidade para material intensamente intemperizado na superfície (solo residual). Há várias classificações propostas para caracterizar um perfil de alteração, não havendo inclusive uma uniformidade de termos para o mesmo grau de alteração. Entretanto, vale destacar algumas considerações sobre a classificação de perfis de alteração. Diferentes litologias se alteram de diferentes maneiras nos mesmos regimes climáticos; Heterogeneidade litológica ou juntas e falhas penetrativas podem dar lugar a um complexo perfil de intemperismo; Rochas intemperizadas são difíceis de classificar, a menos que uma parte fresca seja vista, particularmente em rochas frágeis;

4.1.3. Descontinuidade Como a fratura em maciços rochosos condiciona o seu comportamento mecânico, faz-se necessário localizar e descrever as descontinuidades desses maciços à escala das obras projetadas ou apenas do local da obra.

A

B

A) Afloramento mostrando em grande escala, maciço rochoso juntamente com as complexas estruturas geológicas (falhas e fraturas), que constituem descontinuidades. B) Amostra de mão de um maciço rochoso mostrando sua descontinuidade, através de fratura preenchida (seta). Fonte: Hudson & Harison (2000). Das descontinuidades dos maciços podemos citar as juntas de estratificação, pseudo-estratificação ou laminação, xistosidade, diaclases (fraturas sem movimento aparente) e falhas (fraturas com movimento). A caracterização destas descontinuidades é feita pelos seguintes elementos: a) Atitude (direção e inclinação);

b) Espaçamento (distância normal entre fraturas da mesma família) ou, no caso de camadas, a sua espessura; c) Abertura (distância entre os planos da fratura); d) Continuidade ou extensão (relação entre o comprimento da fratura observada e o seu comprimento total); e) Rugosidade dos planos da fratura (forma e dimensões das asperezas); f) Material de preenchimento (caso exista); g) Permeabilidade in situ (medida numa determinada direção) Essas informações são obtidas no estudo geológico-estrutural, que deve ser associado ao conhecimento da natureza da rocha (petrografia, geoquímica, etc) e a geomorfologia do local da obra e dos afloramentos rochosos. Contudo, vale destacar algumas dificuldades para esta caracterização:  As superfícies de afloramentos são raras e os solos de cobertura, vegetação e às vezes construções, impedem a observação;  As principais descontinuidades podem ser mascaradas pela erosão, alteração superficial, etc;  As descontinuidades em profundidade são diferentes das de superfície;  A terceira dimensão é difícil de extrapolar a partir dos traços das fraturas levantadas num plano;  A continuidade das zonas afetadas tectonicamente não é certa entre pontos observados;  O espaçamento entre diaclases pode aparecer muito variável, de acordo com o ângulo de observação. Desta forma, não sendo possível extrair as informações necessárias com o estudo de superfície, pelas dificuldades supracitadas, deve-se complementar as informações com estudos de sub-superfície. Os mais comuns são: fotogrametria e foto interpretação, sondagens comuns e especiais (amostragem integral), geofísica e poços em galerias, para ensaios in situ e coleta de materiais para ensaios em laboratório. 4.1.4. Água subterrânea A água subterrânea constitui de modo geral um fator deletério, principalmente em relação à estabilidade de taludes, infiltrações sob os maciços de barragens e mais especificamente, nos casos que envolvem escorregamentos de taludes e sub-pressões elevadas nas bases dos maciços de terra. As condições de água subterrânea pode exercer forte influência nas condições do maciço, visto que reduz a tensão efetiva normal nas juntas e pode ainda lixiviar o material de preenchimento.

A determinação da permeabilidade do maciço rochoso é fundamental para previsão de: vazões de percolação em fundações (barragem) e velocidade de água surgente em escavações (subterrânea, céu aberto), por exemplo. A presença de água nas descontinuidades afeta seu comportamento inclusive causando diminuição do ângulo de atrito das mesmas e provocando instabilizações. 4.1.5. Estado de tensões O conhecimento do estado de tensões dos maciços rochosos é particularmente importante na: avaliação da estabilidade de escavações subterrâneas (túneis e mineração), previsão de tratamento ou revestimento e previsão de algumas instabilidades como o “rock burst” (descompressão rochosa). Tensão natural é o estado de tensão existente no interior do maciço rochoso antes da execução de qualquer obra, subterrânea ou em superfície, que venha alterar esse estado. O conhecimento do estado de tensão preexistente no interior de um maciço rochoso é de fundamental importância e constitui dado imprescindível para a previsão do comportamento do mesmo maciço nas rochas circundantes do vazio a ser aberto pela escavação. As tensões no maciço rochoso podem ser divididas em tensões virgens (originais) e tensões induzidas (devido a escavação). As tensões virgens podem ser gravitacionais, tectônicas ou residuais. O estado de tensão pós-escavação na estrutura é resultante do estado inicial de tensões e da tensão induzida pela escavação. 4.1.6. Deformabilidade e Resistência Apesar das rochas apresentarem uma resistência à deformação relativamente alta, ao contrário dos solos, para o entendimento do maciço é também muito importante o conhecimento da deformabilidade, isto é, das relações entre as solicitações aplicadas e as deformações que delas resultam. A deformabilidade de maciços rochosos é uma das propriedades mais difíceis de se determinar, pois depende de muitos parâmetros de complexo equacionamento (rochas, descontinuidades, alteração, presença de água, etc). A deformabilidade é geralmente determinada em laboratório, no entanto, a transferência de dados de laboratório para o maciço deve ser feita com cuidado, pois os resultados laboratoriais nem sempre são confiáveis, em função: Grau de confinamento no interior do maciço é difícil de ser produzido em laboratório; Presença de descontinuidades (tipos e dimensões);

Geometria topográfica Fator escala – dimensões reduzidas dos corpos de prova

4.2.

Classificação Geomecânica

O sucesso de empreendimentos que envolvem escavações subterrâneas depende basicamente do conhecimento das propriedades dos maciços a ser escavado além da escolha do método construtivo mais adequado. Solicitações ou perturbações provocadas por uma mesma obra em maciços diferentes, e mesmos maciços similares sob ação de solicitações diversas responderão de maneira diferenciada. Essa complexidade leva a tentativa e necessidade de estabelecer agrupamento de maciços de acordo com comportamento geomecânicos similares que permitam o estabelecimento de princípios comuns e propiciam a predição das condições geológicas em obras subterrâneas. Uma das limitações das classificações é a pouca exposição do maciço para estudo, uma vez que ele só se torna realmente conhecido durante a escavação, além da importância variável que os parâmetros tem para uma determinada obra. O conhecimento dos aspectos condicionantes no comportamento do maciço passa pela análise de: a) Zonas falhadas e/ou fraturadas; b) Percolação d’água para o interior das minas; c) Estabilidade de tetos e paredes; d) Capacidade de suporte de pilares; e) Eficiência de atirantamentos; f) Instrumentação de áreas instáveis; g) Determinação de caracaterísticas mecânicas do maciço; h) Movimentos subsidentes; i) Definição de uma classificação geomecânica Numerosos sistemas tem sido desenvolvidos para quantificar as características do maciço rochoso para o projeto de suportes. Todos os métodos de classificação geomecânica baseiam-se em critérios empíricos que atribuem pesos relativos a um dado fator, como por exemplo, rugosidade de juntas, ação da água e outros. Apresentamos abaixo alguns dos sistemas considerados de maior aplicabilidade e mais conhecidos:

4.2.1. Classificação de TERZAGHI Trata-se de um sistema de classificação considerado qualitativo, desenvolvido com a experiência adquirida com a construção de túneis ferroviários nos Alpes e que visa caracterizar o sistema de suporte utilizando cambotas metálicas através da identificação das feições geológicas mais relevantes e das cargas atuantes. É uma classificação muito específica e limitada, mas teve grande sucesso no estabelecimento de bases para o cálculo de estabilidade de obras subterrâneas, até hoje ainda utilizadas. 4.2.2. Classificação de DEERE Esta classificação propõe um índice capaz de quantificar o padrão geomecânico do maciço, isto é, um índice de qualidade do maciço, chamado de RQD (Rock Quality Designation). O RQD é obtido pela somatória das porções de testemunhos maiores que 10 cm divididos pelo comprimento total do testemunho. Os valores de RQD incorporam certas classes de maciços que requerem sistemas de contenção adequados. Apesar do parâmetro RQD ser um dos melhores parâmetros simples, quando combinado com medidas e freqüências de juntas e grau de alteração e preenchimento de descontinuidades, ele é relativamente insensível a propriedades importantes do maciço em particular o ângulo de atrito de fraturas preenchidas. O RQD foi incorporado como parâmetro por outros sistemas de classificação. 4.2.3. Sistema RMR (Rock Mass Rating) Esse sistema consiste na atribuição de valores aos seis parâmetros e no posterior somatório dos mesmos a fim de se obter a nota global do maciço (RMR) que variando de 0 a 100, enquadra o maciço em uma classe que define sua condição geral. Os parâmetros considerados na classificação do maciço rochoso são: a) Resistência a compressão uniaxial do material rochoso; b) RQD c) Espaçamento das continuidades d) Ação da água subterrânea e) Orientação das descontinuidades Para aplicar a classificação geomecânica o maciço é dividido em regiões estruturais onde as propriedades e feições são relativamente uniformes em cada região.

Os cinco primeiros parâmetros são agrupados em cinco intervalos de valores que, quanto mais altos forem, indicam melhores condições do maciço. A “orientação das descontinuidades” deve refletir s influência das várias famílias de descontinuidades do maciço. Quando houver uma família principal condicionante da estabilidade da escavação, o RMR global resultante será relativo ao somatório das notas de parâmetros relativos àquela família. Quando não houver predominância de uma família, as notas atribuídas a cada família devem ser somadas e feito uma média para cada parâmetro de classificação. A tabela abaixo mostra a escala de valores de cada parâmetro. TABELA DE CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA RMR PARÂMETROS Índice de compressão puntiforme Resistência (Mpa) da rocha Resistência intacta a compressão simples PESOS RQD (%) PESOS Espaçamento das descontinuidades PESOS

Padrão das descontinuidades

PESOS Ação da água subterrânea: Vazão de infiltração por 10m de túnel

FAIXA DE VALORES >10

4 - 10

2-4

1-2

Não recomendável p/ 1Mpa

>250

100-200

50-100

25-50

5-25

1,5

<1

15 90-100 20

12 75-90 17

7 50-75 13

4 25-50 8

2

1 < 25 5

0

>2m

0,6-2,0m

70-60cm

6-20cm

< 6m

20

15

10

5

Superf. muito rugosas e sem alteração: fechadas e sem resistência

Superf. pouco rugosas e levemente alteradas: abertura <1mm

Superf. pouco rugosas e levemente alteradas: abertura >1mm

30

25

20

8 Superf. persist., estriadas ou espes. do preenchim <5mm ou abertura de 1-5mm 10

nula

<10 l/min

10-25 l/min

25-125 l/min

Persist. com preenchimento de material argiloso >5mm ou abertura > 5mm 0 >125 l/min

Relação µ/σ σ1 Condição geral do maciço Pesos Orientação da descontinuidade Túneis Fundações Taludes

nula Comp. seco 15

Muito favorável 0 0 0

Somatório dos pesos (RMR) Classe do maciço Condição geral Classe do Maciço Coesão (KPa) Ângulo de atrito

0-0,1 umidecido 10

0,1-0,2 úmido 7

0,2-0,5 Gotejam. 4

Favorável

Regular

Desfavorável

-2 -2 -2

-5 -7 -25

- 10 -15 -50

>0,5 Fluxo abundant. 0 Muito desfavorável -12 -25 -60

81 -100 I Muito Bom

61 - 80 II Bom

41 - 60 III Regular

21 - 40 IV Ruim

< 20 V Muito Ruim

I

II 300-400 35º - 45º

III 200-300 25º - 35º

IV 100-200 15º - 25º

V < 100 < 15º

>400 >45º

Estabelecidos os valores dos parâmetros procede-se à classificação do maciço rochoso pelo somatório de pontos obtidos, denominado “Rock Mass Rating” (RMR) que permite inferir valores para os parâmetros de resistência e tempo de autosustentação do maciço, por exemplo. 4.2.4. Sistema Q (ou NGI) Trata-se de uma classificação de engenharia de maciços rochosos, tendo em vista o suporte de túneis. Utiliza-se do parâmetro RQD e introduz 5 parâmetros adicionais: a) Fator referente ao número de família de juntas (Jn); b) Fator que traduz a influência da rugosidade das juntas (Jr); c) Fator relativo ao grau de alteração das juntas e material de preenchimento (Ja); d) Fator referente à influência da água subterrânea (Jw) e e) Fator do estado de tensão no maciço (SFR ou Stress Redution Factor) O índice de qualidade do maciço Q é dado por: Q = (RQD/Jn) . (Jr/Ja) . (Jw/SRF) Fisicamente os termos de expressão entre parênteses podem ser interpretados como parâmetros qualitativos dos efeitos isolados: das dimensões dos blocos (RQD/Jn), da resistência do cisalhamento ao longo das superfícies das juntas (Jr/Ja) e das tensões atuantes in situ (Jw/SRF), respectivamente.

4.2.5. Sistema MBR ou Modified Basic RMR Esse sistema baseia-se parcialmente no sistema RMR e, foi desenvolvido a fim de se obter uma classificação para suporte de minerações com lavra tipo “block caving”. A classificação é feita em três etapas subseqüentes. Na primeira o MBR é aplicado a galerias isoladas, que seriam áreas de serviço, no segundo estágio o índice MBR recebe ajustes para adaptações ao processo de desenvolvimento do bloco. O objetivo é inicialmente estabilizar a abertura durante o desenvolvimento, de maneira que, o suporte permanente possa ter capacidade de resistir a incrementos de cargas, dados pela escavação do bloco de minério. No último estágio da classificação analisam-se as deformações adicionais devido às cargas. Um dos fatores importantes influentes no carregamento experimentado pelas galerias de produção, é a locação e orientação da galeria com relação ao bloco extraído, a capacidade do maciço de absorver o incremento de cargas, além da influência de feições estruturais geológicas importantes na transferência de deformações para as galerias próximas. O primeiro passo para o uso do sistema MBR é coletar dados representativos da geologia e alternativas na mineração. Coletados os dados, a análise realiza-se de acordo com o fluxograma abaixo, aonde valores são atribuídos à resistência da rocha intacta, a densidade de fraturas, a condição das descontinuidades e condições da água subterrânea.

FLUXOGRAMA DO SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO MBR

4.2.6. Sistema MRMR Esta classificação também se baseia na classificação RMR, sendo que é modificada para algumas situações de mineração em maciços fraturados. É essencial que dados, tais como: alteração da rocha, tensões induzidas ou naturais, mudanças na tensão devido à mineração, a orientação e o tipo de escavação com relação a estruturas geológicas e efeito de desmonte, estejam disponíveis nos primeiros estágios da obra, para que decisões corretas sobre o método de lavra, layout e suporte possam ser tomadas. Os intervalos de classes de 0 a 100 cobrem todas as variações no maciço rochoso fraturado de muito pobre a muito bom. A classificação é dividida em 5 classes, cada uma subdividida em subclasses A e B. Os parâmetros avaliados são: 1. RQD: fornece também o espaçamento das fraturas, tomando-se o cuidado de não analisar fraturas geradas na manobra; 2. Resistência da rocha intacta (IRS): correspondente à resistência a compressão uniaxial entre fraturas, excluindo zonas de alteração; 3. Espaçamento de juntas: o espaçamento de juntas deve ser bem mapeado na superfície do maciço, que pode apresentar uma ou mais famílias;

4. Condição das juntas: baseia-se na expressão das juntas, propriedades da superfície, a presença de zona de alteração e o material de preenchimento da junta; 5. Ação da água subterrânea: a pressão da água é um parâmetro importante em projetos de estabilidade de escavações.

4.3.

Questões de fixação

QUESTÃO 1: Discorra sobre cada elemento usado para caracterização de descontinuidades. QUESTÃO 2: Pesquise e exemplifique a obtenção do parâmetro RQD, referente à classificação de DEERE. QUESTÃO 3: Discorra sobre os sistemas de classificação RMR, Q, MBR e MRMR e relacione-os, apresentando semelhanças e diferenças, vantagens e desvantagens.

PARTE 5 – APLICAÇÃO 5.1.

Estudos geológicos e geotécnicos para fundações

5.1.1. Introdução Desde a época mais antiga o homem percebeu que suas obras mostravam comportamentos diferentes ao longo do tempo, especialmente pelo procedimento utilizado: tentativa e erro. Os construtores recebiam severas penalidades quando a estrutura não apresentava o desempenho desejado na sua concepção. Ainda era cedo para perceber que o comportamento de uma obra dependia da combinação de eventos simples, complexos, dependentes e interdependentes. O homem fundamentado na observação das estruturas, desde a antiguidade, já demonstrava preocupação com questões como segurança e regulamentos para a construção de suas obras. Fundação é um sistema formado por elementos estruturais de fundação (EEF) e as diversas camadas de solos que os envolvem. Um EFF com o solo em volta denomina-se elemento isolado de fundação (EIF), logo pode-se definir fundação como um conjunto de EIF. A partir desta definição temos que a engenharia de fundações é uma área de caráter multidisciplinar, na qual os parâmetros resistência e solicitação são avaliados, a partir da engenharia de estruturas e geotecnia. Nas análises geotécnicas da capacidade de carga e recalque dos materiais da fundação é imprescindível que sejam considerados o modelo geotécnico do terreno, o modelo de cálculo e o efeito de carregamento, conforme figura abaixo.

Componentes do projeto da fundação e os códigos de prática. Fonte: Becker (1996)

As fundações são classificadas em dois grandes grupos: Fundações superficiais e Fundações profundas. A seguir apresentaremos alguns aspectos da norma NBR 6122/1996, que fixa as condições básicas a serem observadas no projeto de fundações de edifícios, pontes e demais estruturas. 5.1.2. Fundações Superficiais Elementos de fundação em que a carga é transmitida ao terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Incluem-se neste tipo de fundação as sapatas, os blocos, os radier, as sapatas associadas, as vigas de fundação e as sapatas corridas. O dimensionamento das fundações superficiais pode ser feito ou a partir do conceito de pressão admissível, ou a partir do conceito de coeficientes de segurança parciais. Pressão admissível é a tensão aplicada por uma fundação superficial ao terreno, provocando apenas recalques que a construção pode suportar, sem inconvenientes e. oferecendo a segurança satisfatória contra a ruptura ou o escoamento do solo ou do elemento estrutural de fundação. Na determinação da pressão admissível devem ser considerados: a) Profundidade da fundação; b) dimensões e forma dos elementos de fundação;

c) características das camadas de terreno abaixo do nível da fundação; d) lençol d’água; e) modificação das características do terreno por efeito de alívio de pressões, alteração do teor de umidade ou ambos; f) características da obra, em especial a rigidez da estrutura; g) recalques admissíveis, definidos pelo projetista da estrutura. A pressão admissível pode ser determinada por um dos seguintes critérios:  por métodos teóricos  por meio de prova de carga sobre placa (NBR 6489)  por métodos semi-empíricos  por métodos empíricos
Fundação sobre rocha Para a fixação da pressão admissível de qualquer fundação sobre rocha, deve-se levar em conta a continuidade desta, sua inclinação e a influência da atitude da rocha sobre a estabilidade. Pode-se assentar fundação sobre rocha de superfície inclinada desde que se prepare, se necessário, esta superfície (por exemplo: chumbamentos, escalonamento em superfícies horizontais), de modo a evitar deslizamento da fundação.
Solos compressíveis A implantação de fundações em solos constituídos por areias fofas, argilas moles, siltes fofos ou moles, aterros e outros materiais, só pode ser feita após cuidadoso estudo baseado em ensaios de laboratório e campo, compreendendo o cálculo de capacidade de carga (ruptura), e a análise da repercussão dos recalques sobre o comportamento da estrutura.
Solos expansíveis Solos expansivos são aqueles que, por sua composição mineralógica, aumentam de volume quando há um aumento do teor de umidade. Nestes solos não se pode deixar de levar em conta o fato de que, quando a pressão de expansão ultrapassa a pressão atuante, podem ocorrer deslocamentos para cima. Por isto, em cada caso, é indispensável determinar experimentalmente a pressão de expansão, considerando que a expansão depende das condições de confinamento.


Solos compressíveis Para o caso de fundações apoiadas em solos de elevada porosidade, não saturados, deve ser analisada a possibilidade de colapso por encharcamento, pois estes solos são potencialmente colapsíveis. Em princípio devem ser evitadas fundações superficiais apoiadas neste tipo de solo, a não ser que sejam feitos estudos considerando-se as tensões a serem aplicadas pelas fundações e a possibilidade de encharcamento do solo. 5.1.3. Fundações Profundas Elemento de fundação que transmite a carga ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, e que está assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3 m, salvo justificativa. Existem vários tipos de fundações profundas, as quais podemos destacar as estacas, os tubulões e os caixões. Carga admissível sobre uma estaca ou tubulão isolado é a força aplicada sobre a estaca ou o tubulão isolado, provocando apenas recalques que a construção pode suportar sem inconvenientes e oferecendo a segurança satisfatória contra a ruptura ou o escoamento do solo ou do elemento de fundação. A determinação da carga admissível deve ser feita para as condições finais de trabalho da estaca, tubulão ou caixão. Esta observação é particularmente importante no caso de fundações em terrenos passíveis de erosão, em fundações em que parte fica fora do terreno e no caso de fundações próximas a escavações.

5.1.4. Investigações geotécnicas, geológicas e observações locais Para fins de projeto e execução de fundações, as investigações do terreno de fundação constituído por solo, rocha, mistura de ambos ou rejeitos compreendem: a) Investigações de campo: - sondagens a trado, conforme a NBR 9603, poços e trincheiras, conforme a NBR 9604, de inspeção ou de amostragem, sondagens de simples reconhecimento à percussão, sondagens rotativas e sondagens especiais para retirada de amostras indeformadas conforme a NBR 9820;

- ensaios de penetração quase estática ou dinâmica, ensaios in situ de resistência e deformabilidade, conforme a NBR 12069; - ensaios in situ de permeabilidade ou determinação da perda d’água; - medições de níveis d’água e de pressões neutras; - medições dos movimentos das águas subterrâneas; - processos geofísicos de reconhecimento; - realização de provas de carga no terreno ou nos elementos de fundação; b) Investigações em laboratório sobre amostras deformadas ou indeformadas, representativas das condições locais, ou seja, caracterização, resistência, deformabilidade, permeabilidade, colapsibilidade, e expansibilidade. A realização de análises físico-químicas sobre amostras de água do subsolo ou livremente ocorrente está compreendida nesta fase de estudos geotécnicos, sempre que houver suspeita de sua agressividade aos materiais constitutivos das fundações a executar. A natureza e a quantidade das investigações a realizar dependem das peculiaridades da obra, dos valores e tipos de carregamentos atuantes, bem como das características geológicas básicas da área em estudo. c) Reconhecimento geológico: sempre que julgado necessário deve ser realizado vistoria geológica de campo por profissional especializado, complementada ou não por estudos geológicos adicionais, com consultas a mapas geológicos, bibliografia especializada, fotografias aéreas comuns ou multiespectrais, etc. d) Reconhecimento geotécnico: estão compreendidas as sondagens de simples reconhecimento à percussão, os métodos geofísicos e qualquer outro tipo de prospecção do solo para fins de fundação. As sondagens de reconhecimento à percussão são indispensáveis e devem ser executadas de acordo com a NBR 6484, levando-se em conta as peculiaridades da obra em projeto. Tais sondagens devem fornecer no mínimo a descrição das camadas atravessadas, os valores dos índices de resistência à penetração (S.P.T.) e as posições dos níveis de água. A utilização dos processos geofísicos de reconhecimento só deve ser aceita se acompanhada por sondagens de reconhecimento à percussão ou rotativas de confirmação.

No caso de obras fluviais, lacustres e marítimas, a profundidade da investigação deve considerar as camadas erodíveis e ultrapassá-las. A profundidade da camada erodível deve ser avaliada por profissional especializado. e) Sondagens, poços e trincheiras de inspeção e retirada de amostras indeformadas: Sempre que o vulto da obra ou a natureza do subsolo exigir, devem ser realizadas sondagens especiais de reconhecimento, poços ou trincheiras de inspeção, para permitir a retirada de amostras indeformadas a serem submetidas aos ensaios de laboratório julgados necessários. Em se tratando de maciço rochoso, as amostras coletadas devem representar suas características principais que, quase sempre, são governadas pelas descontinuidades existentes. f) Ensaios in situ complementares: Estes ensaios visam reconhecer o terreno de fundação, avaliar suas características de resistência, deformabilidade e permeabilidade e devem ser realizados diretamente sobre o maciço de solo ou de rocha, destacando-se, entre outros, os seguintes: 

ensaios de penetração de cone (C.P.T.): realizados com o penetrômetro estático

(mecânico ou elétrico), que consistem na cravação no terreno, por prensagem, de um cone padronizado, permitindo medir separadamente a resistência de ponta e total (ponta mais atrito lateral) e ainda o atrito lateral local (com a luva de atrito) das camadas de interesse; 

ensaios de palheta (vane-test) que consistem em medir, nas argilas, em

profundidades desejadas, o momento de torção necessário para girar, no interior do terreno, um conjunto composto por duas palhetas verticais e perpendiculares entre si, permitindo determinar as características da resistência das argilas; 

ensaios pressiométricos que consistem no carregamento lateral do solo por meio

de uma sonda radialmente dilatável que, pela aplicação de uma pressão interna crescente, permite a determinação da relação pressão-deformação lateral a diversas profundidades; 

ensaios de permeabilidade que consistem em se produzir um regime de

percolação no maciço do solo, obtendo-se o coeficiente de permeabilidade a partir da vazão, ou da variação da carga hidráulica registrada ao longo do tempo. No caso de maciços rochosos, as condições de percolação são determinadas pelo ensaio de perda d’água.



provas de carga cujo objetivo é determinar as características de deformabilidade

e resistência do terreno por meio do carregamento dos elementos estruturais da fundação ou modelos. Para isso, as provas de carga podem ser realizadas com cargas verticais ou inclinadas, de compressão ou tração, com cargas transversais ou qualquer outro tipo de solicitação destinada a reproduzir as condições da fundação a que se destinam. Sempre que justificável, as características de resistência, deformabilidade ou permeabilidade do terreno podem ser determinadas in situ através de outros ensaios de campo. Da mesma forma, outras características, cujo conhecimento seja desejável, podem ser determinadas por ensaios específicos. Os ensaios in situ complementares em nenhum caso substituem as sondagens de reconhecimento, as quais não podem ser dispensadas.

5.2.

Estabilidade de Taludes O estudo da estabilidade de taludes está relacionado com o estudo dos processos de

transporte de matéria sólida. Os processos de transporte de matéria sólida podem ser: movimentos gravitacionais de massa, os quais são introduzidos pela ação da gravidade e movimentos de transporte de massa, onde o material é transportado por um meio qualquer como água, gelo e ar. Os movimentos que podem dar origem ao deslocamento de rochas e solos, podem ser dos seguintes tipos:  Quedas (falls)  Tombamentos  Escorregamentos (slides) – que pode ser: rotacional ou translacional  Rastejo (creep)  Corridas (flows) O estudo da estabilidade de taludes em maciços rochosos interessa tanto à engenharia civil quanto à engenharia de minas. A minimização de volumes de escavação e a previsão da segurança e comportamento dos taludes são objetivos normalmente buscados em projetos, sejam de rodovias, ferrovias, vertedouros e ombreiras de barragens, pedreiras ou cavas de mina a céu aberto. Ao contrário dos maciços de solo, que de modo geral, constituem meios relativamente homogêneos e contínuos, compostos de partículas não solidarizadas, os maciços rochosos, em sua maioria, são meios homogêneos e descontínuos, cuja resistência ao cisalhamento e modos de

ruptura são extensamente determinados pela ocorrência de descontinuidades, as quais lhes conferem anistropia física e mecânica (observe a figura abaixo). Exemplo de estrutura de maciço rochoso. Fonte: Zea Huallanca, 2004

5.2.1. Fatores que geram escorregamentos de solos/rochas 1. Topografia

Declividade Relevo Aumento de declividade

Causas naturais Antropicas: escavações, erosão, etc

Presença de água 2.Aumento de Tensão

Poro pressão nas fissuras, forças de percolação Concentração local de tensões das fissuras Carregamento imposto por obras Cargas dinâmicas; terremotos e dinamites Minas subterrâneas

3.Planos geológicos de fraqueza ou de descontinuidades

Inchamento por adsorção de água Pressão de água ou gás nos poros Colapso de estruturas soltas, liquefação Fissuras de ressecamento ou tensão local Deformação e ruptura progressiva 4.Decréscimo de resistência

Aumento de volume do solo devido a ação do gelo ou neve (thawing) Aumento de volume do solo devido a ação do gelo ou neve (thawing) Enfraquecimento das ligações entre partículas Intemperismo do solo ou da massa Perda da tensão capilar na secagem Apodrecimento de raízes

Dentre os fatores geológico-geoténicos, destaca-se os relativos às descontinuidades, sobretudo à orientação, persistência, espaçamento, rugosidade, preenchimento, resistência das paredes e abertura, que influem, principalmente, no mecanismo de ruptura do talude e na resistência ao cisalhamento da superfície de escorregamento. Todos eles têm suas características marcadamente determinadas pela gênese da descontinuidade, mas são influenciáveis por fatores do tipo intemperismo, percolação d’água, vibrações, etc. As ações estáticas e dinâmicas da água têm sido causadoras de rupturas em taludes rochosos. A influência danosa da água em taludes rochosos pode ser devida:  Ao aumento da pressão neutra nos materiais de preenchimento de descontinuidades e/ou alteração química desses materiais, ocasionando redução na resistência ao cisalhamento dos mesmos;  À pressão hidrostática nas paredes de descontinuidades (subpressão), com redução da tensão efetiva sobre elas e conseqüente perda de resistência ao cisalhamento ao longo das superfícies potenciais de ruptura;  À saturação do material intacto, com redução à compressão. Taludes de forma côncava, em planta, são mais estáveis do que aqueles de feição convexa, pois o confinamento lateral dos primeiros é maior. A explicação está em que tensões horizontais tangenciais ao talude (induzidas pela escavação) favorecerão a estabilidade de uma feição côncava porque irão gerar o efeito arco (compressão), o qual tenderá a inibir a movimentação dos blocos que compõem o maciço. Contrariamente, no talude convexo, as tensões horizontais tangenciais serão de tração. Levando em conta a baixa resistência à tração dos maciços rochosos (condicionadas por suas descontinuidades), a concentração de tensões trativas induzem à instabilidade, tornando propensas ao escorregamento massas rochosas anteriormente confinadas.

5.2.2. Mecanismos de ruptura Os principais tipos de rupturas são: planar, em cunha, circular e por tombamento, caracterizados pela relação geométrica entre descontinuidades e plano do talude, com exceções da ruptura circular ou de forma genérica, que é condicionada pelo elevado grau de fraturamento ou a baixa resistência do material rochoso. No caso de ruptura planar, o escorregamento ocorre quando a descontinuidade geológica tem direção aproximadamente paralela à da face do talude e mergulha para fora do talude com ângulo maior do que o ângulo de atrito. A figura abaixo exemplifica quando a inclinação das descontinuidades é desfavorável e a direção é paralela à face do talude, de tal modo que a face fica completamente livre para o escorregamento, de forma que o mergulho da descontinuidade é menor do que a inclinação da face do talude e maior do que o ângulo de atrito desse plano. Ruptura Planar (fonte: Hoek e Bray, 1981)

A ruptura em cunha ocorre quando a intersecção de duas descontinuidades aflora na face do talude com inclinação maior do que o ângulo de atrito. Neste caso o escorregamento pode se dar por um único plano ou ao longo da linha de intersecção dos dois planos (vide figura abaixo).

Ruptura em cunha (fonte: Hoek e Bray, 1981)

A ruptura circular ou de forma genérica ocorre em material muito fraco, solo ou rocha muito fraturada e/ou decomposta, tendendo a seguir uma superfície circular. Em casos de heterogeneidades ou anisotropia intrínsecas ao material ou resultantes de fraturamento intenso em direções preferenciais, a superfície crítica pode desviar-se substancialmente da forma circular. Para o caso de tombamento há vários tipos de rupturas observadas no campo: tombamento flexural, em bloco, blo-flexural e tombamento secundário. O mecanismo básico deste tipo de ruptura é caracterizado por um bloco apoiado em plano inclinado, cuja estabilidade está relacionada com a razão comprimento da base do bloco (b), altura do bloco (h) e ângulos de inclinação e de atrito do plano inclinado. Para efeito de exemplificação, considere um grupo de descontinuidades sub-paralelas à face do talude, pouco espaçadas e quase verticais. Neste caso não se observa um escorregamento, mas uma ruptura por tombamento (figura abaixo).

Ruptura em cunha (fonte: Hoek e Bray, 1981)

5.2.3. Métodos de análise de estabilidade Vários são os métodos para análise da estabilidade de taludes em maciços rochosos, alguns mais expeditos, outros mais elaborados, sendo o uso de um ou de outro, em função principalmente do número de informações obtidas, tempo e disponibilidade de recursos. A análise cinemática, por meio de projeções esterográficas, é o meio mais rápido de se obter informações da possibilidade de ocorrências de rupturas, e tem sido adotada para auxiliar nos estágios preliminares, quando o levantamento detalhado ainda não foi executado. Uma vez identificada a junta ou as famílias de juntas mais desfavoráveis através do uso das projeções estereográficas, executa-se a análise de estabilidade do plano de ruptura potencial, geralmente, pelo método do equilíbrio-limite. O método de equilíbrio-limite é comumente o mais usado, tanto em maciços rochosos, como em solo e, baseia-se no estabelecimento do balanço entre os esforços que tendem a estabilizar e os que tendem a induzir a ruptura. A razão entre os dois conjuntos de esforços foi denominada Fator de Segurança (F.S) e, quando este é igual a um (1) fica estabelecida a condição de equilíbrio-limite. Desta forma, a ruptura do talude ocorrerá no momento em que as forças solicitantes numa determinada superfície potencial de ruptura, superarem as forças resistentes do maciço ao longo dessa superfície. O método de equilíbrio-limite tem a vantagem de ser simples e de fácil entendimento e de requerer dados como: conhecimento da superfície potencial de ruptura, resistência ao cisalhamento ao longo desta superfície e peso específico da rocha. Porém, a sua precisão e confiabilidade são limitadas, primeiro, pela dificuldade em prever a persistência das descontinuidades, a qual tem

grande influência na resistência ao cisalhamento; segundo pelo efeito escala, em extrapolar os valores de resistência de laboratório para o campo e; terceiro, pela possibilidade de modificações da resistência e da pressão da água com o deslocamento ao longo da superfície. Incertezas inerentes a projetos podem ser quantificados matematicamente em termos de risco e probabilidades de ruptura. Para taludes de mineração à céu aberto podes ser adotados métodos probabilísticos. 5.2.4. Métodos de Estabilização Existem várias medidas de estabilização, das quais destacamos algumas abaixo. Sendo que escolha do método é baseada no custo final das obras que se fizerem necessárias. Aumento da resistência mecânica é obtido através de atirantamento e injeção de cimento; Abrandamento de taludes: A remoção de rocha acima de um plano de escorregamento poderá abrandar o talude e torná-lo mais estável, inclusive o material removido poderá em certos casos, ser colocado na base do talude, servindo de apoio para o mesmo. Drenagem: é um dos meios mais adequados para aumentar a estabilidade. Entretanto, isto será possível, se as massas rochosas tiverem água nas suas fissuras. Vale ressaltar que o pequeno volume de água que escoa por uma fina abertura na base de um talude, nada indica sobre as sub-pressões no interior do maciço, que poderão ser elevadíssimas. A drenagem do maciço tem por finalidade reduzir tais sub-pressões 5.2.5. Estabilidade de taludes em mineração a céu aberto Atualmente, minerações a céu aberto de grande porte vêm alcançando alturas de escavação superiores a 600 metros. Justificado pela necessidade de obter o maior ganho econômico possível através da extração de minério, os taludes finais tornam-se íngremes, de tal forma que a extração do material estéril diminui. Em mineração a céu aberto, a configuração geométrica da cava vai depender basicamente da distribuição espacial do corpo mineral, em conjunto com as características geomecânicas do maciço rochoso. Na figura abaixo, pode-se observar a configuração dos taludes de uma mina na qual se observa: o talude de bancada, o talude inter-rampa e o talude global, os quais obedecem a aspectos geométricos. Neste caso, quanto mais íngreme se mostra o talude, menor é a remoção do material estéril, com custo de extração baixo. No entanto, com o acréscimo dos ângulos de taludes, tem-se o

acréscimo do risco de instabilidade. Além disso, com o ganho da altura destes taludes devido ao processo de escavação, resulta igualmente o acréscimo do risco de instabilidade. Configuração dos taludes numa mina a céu aberto. Fonte: Zea Huallanca, 2004

Conforme mencionado acima, na avaliação da estabilidade de taludes, algumas metodologias são empregadas, tais como: método empírico, análise por equilíbrio limite, análise probabilítica e modelagem numérica.  MODOS DE RUPTURA Conforme a geometria da ruptura e a altura dos taludes de mineração a céu aberto, e adicionalmente, incluindo o grau de fraturamento do maciço rochoso, as rupturas podem abranger uma determinada escala. Estas rupturas foram divididas em três tipos, conforme figura a seguir: a) Rupturas locais (Tipo I) são aquelas rupturas que ocorrem em nível de bancada, controladas por juntas e falhas dessas mesmas magnitudes;

b) Rupturas de maior escala (Tipo II) são aquelas controladas por descontinuidades persistentes, tais como sistemas de juntas combinadas com falhas. Este tipo de ruptura envolve um grande volume de massa rochosa. Estas podem ocorrer de acordo com a configuração geométrica das descontinuidades pré-existentes em relação ao talude, gerando desta forma rupturas do tipo planar ou cunha. c) Rupturas em rochas fraturadas (Tipo III) são aquelas associadas ao alto fraturamento, típico de rochas brandas e alteradas que infuenciam a estabilidade devido a sua baixa resistência. Este tipo de ruptura pode envolver várias bancadas ou até o talude global. Tipos de rupturas em taludes em taludes de mineração a céu aberto. Fonte: Zea Huallanca, 2004

5.3.

Escavações Subterrâneas A relação entre geotecnia/geomecânica e mineração pode ser observada no fluxograma

abaixo, onde parâmetros como o estudo o comportamento do maciço e das rochas, a permeabilidade, a resistência da rocha, tensões do maciço são aplicados no planejamento da mina, como por exemplo, para seleção do método de lavra, do equipamento e outros. Fluxograma mostrando a interelação Geotecnia/Geomecânica e mineração. Fonte: GAMA, 1986

As escavações subterrâneas e a lavra de corpos minerais provocam a formação de espaços vazios, conseqüentemente, o estado de equilíbrio do maciço rochoso altera-se e, como resultado desta alteração os setores da vizinhança dos vazios formados, deformam-se e deslocam-se, o que pode afetar a superfície da mina. A ocorrência de movimento nos maciços rochosos, submetidos à escavação subterrânea, pode ocorrer em conseqüência de processos tectônicos no maciço e, pelo processo de mudanças nos fluxos e nos níveis da água subterrânea, assim como também pela variação das características de resistência da rocha, todos esses fatores de alteração contribuem para o estado de equilíbrio das forças internas ao maciço. 5.3.1. Estabilidade de escavações subterrâneas mineiras A avaliação da estabilidade é o passo fundamental no projeto de uma escavação subterrânea. Dependendo do objetivo da escavação, a instabilidade pode ser uma necessidade (mineração com métodos de abatimento), ser de curta duração (escavações mineiras ou civis temporárias) ou como a maioria das obras civis e importantes escavações de serviço de mina, devem ser estáveis por um longo tempo. Em mineração subterrânea as dimensões das escavações são variáveis, muitas vezes não interessando que os vazios se mantenham abertos, além do tempo necessário à extração do minério (serviços mineiros temporários). O fator de segurança em mineração não significa trabalhar sempre de maneira a evitar a ruptura do terreno, mas sim organizar e controlar a exploração de maneira a prever quando e onde há forte probabilidade de ocorrer instabilidade no terreno, a fim de evitar acidentes e aproveitar as cedências de maneira econômica. 5.3.2. Tipos de Instabilidade A avaliação de estabilidade natural ou inerente e o mecanismo de ruptura são pré-requisitos para o projeto de sistemas de suporte. A instabilidade pode resultar de fatores como:  ruptura do maciço ou material rochoso no entorno da abertura como um resultado de altas tensões e condições de resistência;  movimento ou colapso de blocos de rocha como resultado de estruturas geológicas (instabilidade estrutural);  uma combinação de ruptura induzida pela tensão e a instabilidade estrutural;

 instabilidade de um ou tipo induzidos ou agravados por fatores como sismicidade. 5.3.3. Tensões devido a escavação As tensões existentes em um maciço não perturbado relacionam-se ao peso dos estratos sobrejacentes assumindo-se a tensão vertical como máxima e da histórica do maciço rochoso. Esse campo de tensão é perturbado pela escavação subterrânea e, em alguns casos, estas tensões induzidas são suficientes para exceder a resistência do maciço. Nesse caso a ruptura da rocha adjacente à escavação pode levar a instabilidades que podem ter lugar na forma de uma gradual diminuição do diâmetro da abertura, queda do teto e desplacamento das paredes e, em casos extremos, a rockbursts. A resposta da rocha tem importantes implicações no projeto de estruturas, tanto em construções como em minas subterrâneas. As cargas e tensões acima referidas, podem ser impostas como as cargas adicionais dadas pelo peso e pressão da água, no caso de barragens, ou cargas induzidas como a redistribuição de tensões ao redor da escavação subterrânea. Uma vez determinadas as tensões e as propriedades da rocha através de ensaios em laboratório, a resposta da rocha à estrutura a ser instalada pode ser calculada. Quando as tensões são menores que a resistência do maciço, a deformação é estimada mais facilmente. Se as tensões induzidas aproximam-se da resistência da rocha torna-se necessário então alterar o projeto da estrutura de modo a reduzir as ou melhorar a resistência do maciço com técnicas de reforço como tirantes ou concreto projetado. A redistribuição de tensão na rocha com aumento significativo das cargas na periferia da escavação é a essência do problema de suporte de escavações subterrâneas. 5.3.4. Distribuição de tensões A distribuição de tensões pode se dar ao redor de aberturas individuais ou múltiplas. A abertura é considerada individual quando a distribuição de tensões não é afetada pela presença de outras aberturas ou superfícies e, considerada múltipla quando a distribuição de tensões de uma abertura é influenciada pela presença de outras aberturas ou superfícies próximas. Quando uma abertura subterrânea se instala no maciço, um novo campo de tensão é induzido na rocha na imediação da abertura. Um método para representar esse novo campo de tensão é o da trajetória das tensões principais, que são linhas imaginárias em um corpo tensionado com orientação das tensões principais como apresentado na figura abaixo.

Trajetórias das tensões principais máxima e mínima em material circundante de abertura subterrânea em furo circular.

A construção de aberturas subterrâneas em altas tensões e grandes profundidades conduzem a uma mudança no balanço de energia, aumento do valor absoluto das tensões, intensificação dos processos de perda, destruição e fluxo plástico, além do creep reológico, aumentando também a possibilidade de ocorrências de rockbursts. 5.3.5. Mecanismos de Ruptura Problemas de estabilidade em maciços fraturados associam-se geralmente à queda de blocos de tetos e paredes devido à ação da gravidade. Em profundidades menores, as tensões não tem efeito significativo no processo de ruptura, que é controlado pela geometria tridimensional da escavação e da estrutura da rocha. Escavações em maciços não alterados, com poucas juntas não apresentam sérios problemas de estabilidade quando as tensões na rocha, adjacente à escavação, são menores que aproximadamente 1/5 da resistência à compressão uniaxial da rocha. Essa é uma condição que viabiliza a criação de grandes escavações não suportadas em rocha. Com o aumento da profundidade e a proximidade de um dado número de escavações umas das outras, as tensões no maciço aumentam a um nível no qual a ruptura é induzida na rocha adjacente da mesma.

O material classifica-se em dúctil quando a deformação se dá sem a perda de resistência do material e em material rúptil quando sua capacidade de resistir ao carregamento decresce com o aumento da deformação. A rocha pode apresentar também um comportamento de transição dúctilrúptil sob condições de carregamento triaxial com tensão confinante, conforme figura abaixo. Comportamento dúctil e rúptil-dúctil na deformação em rocha

O processo de ruptura é de difícil caracaterização, para sua análise são usados critérios empíricos de ruptura como de Mohr-Coulomb, Hoek-Brown e de Griffith. 5.3.6. Métodos de Análises Teóricas do Comportamento de Escavações A análise do comportamento de escavações limitam-se a casos relativamente simples tendo em vista que esse comportamento é determinado por fatores como: conhecimento do estado de tensão do maciço, conhecimento das características mecânicas da rocha e das descontinuidades bem como a influência da forma geométrica da escavação, essa geralmente se afastando das formas simples que permitem tratamento matemático. Essa análise é importante, pois orienta o estudo de problemas reais, geralmente de resolução mais complexa e permite obter qualitativamente algumas soluções dos mesmos. Essa análise teórica pode ser feita por pelo menos três métodos que consideram os comportamentos do maciço. O primeiro considera os maciços rochosos como sólidos infinitos ou semi-infinitos, contínuos e puramente elásticos ou elásto-plásticos e isotrópico com relação às suas propriedades mecânicas. É um método utilizado para estudo de concentrações de tensão na vizinhança de furos abertos em estado de tensões planos. Utiliza-se principalmente da Teoria da Elasticidade. O segundo método aplica-se principalmente a maciços rochosos estratificados e estuda o comportamento das escavações como se os tetos fossem constituídos por vigas (“beam”) ou placas, utilizando-se dos processos da resistência dos materiais e admitindo para essas vigas propriedades elásticas.

O terceiro método aplica-se a maciços intensamente fraturados e pouco comprimidos ou constituídos por rochas granulares de baixa coesão, utilizando-se para isso os princípios de mecânica dos solos. O tamanho máximo de uma escavação simples deve ser estabelecido pela mineração experimental. A resistência a compressão deve ser estimada a partir de ensaios triaxiais mais do que de ensaios uniaxiais. Todos os projetos preliminares de aberturas em maciços fraturados deveriam antecipar a necessidade de suporte local para o teto e paredes das aberturas. 5.3.7. Uso das classificações geomecânicas O uso dos sistemas de classificação geomecânica é extenso para obras subterrâneas e os resultados obtidos tem sido satisfatórios. Uma vez que as obras subterrâneas só são realmente conhecidas quando da sua execução, uma previsão do comportamento do maciço e de sua qualidade fornecidas por sistemas como o RMR e o Q é de grande importância, uma vez que esses dados são possíveis de ser obtidos, em uma fase preliminar do projeto através dos furos de sondagem, mapeamento básico e dados empíricos. Os fatores considerados como as descontinuidades e características e o estado de tensão inicial (no caso do Sistema Q) são de fundamental importância quando se fala em estabilidade de escavações subterrâneas. 5.3.8. Análise sobre estabilidade de escavações subterrâneas A análise da estabilidade de escavações subterrâneas é complexa pois fatores que a afetam são muitas vezes de difícil determinação, como por exemplo, o estado de tensões do maciço. Nesse contexto a atuação, embora relativamente recente, da Geotecnia com suas áreas afins – Mecânica de Rochas e Geologia de Engenharia – tem fornecido subsídios para a racionalização da exploração mineira onde antes se predominava o empirismo. Uma avaliação preliminar dessa estabilidade é dada pelo uso das classificações geomecânicas de maciços rochosos ou mesmo dos parâmetros por eles considerados, tais como a qualidade do maciço principalmente em termos das descontinuidades que são as estruturas que geralmente provocam instabilidades. O número de parâmetros relativos às descontinuidades considerados nos sistemas de classificação é superior aos da rocha intacta, dada a importância que essas assumem. A caracterização geológica-geotécnica das descontinuidades, a utilização das classificações geomecânicas, critérios de resistência e outros, da Mecânica das Rochas e da Geologia de Engenharia, possibilitam uma previsão preliminar do comportamento geomecânico do maciço e

uma estimativa mais racional dos custos e dificuldades a serem encontradas durante os trabalhos de mina.

5.4.

BARRAGENS De acordo com a NBR 13028 barragem é qualquer estrutura que forme uma parede de

contenção para rejeitos, para sedimentos e/ou para formação do reservatório de água. Complementarmente pode-se definir barragem como um elemento estrutural construído tranversalmente à direção de escoamento de um curso d’água. Pode-se destacar como principais finalidades: energia, irrigação, lazer, controle de inundações, água para abastecimento, psicultura, contenção de rejeitos de mineração. Os problemas ambientais geralmente envolvidos são: inundações, escorregamentos, elevação do nível da água, movimentos de materiais, alterações no volume de água a jusante, alteração do nível energético dos canais de drenagem a montante e degradação ambiental. As barragens podem ser construídas com concreto convencional ou concreto compactado com rolo (CCR), ou com aterro, isto é, materiais pouco resistentes, quando comparados com o concreto. Os principais tipos de barragem de concreto são: de gravidade aliviada e de gravidade aliviada e de contrafortes. As barragens de aterro mais comuns são as de terra e de enrocamento. 5.4.1. Barragem de Concreto-gravidade Esse tipo de barragem tem sua estabilidade assegurada pelo seu peso e pela largura da sua base, devidamente adequados à resistência da fundação. Os principais esforços atuantes são: Pc = peso do concreto

Hm = pressões de água no parâmetro de montante

Hj = pressões de água no parâmetro de jusante

U = subpressão, pressão de baixo para cima, exercida pela água que se infiltra por fissuras e

Paj = peso da água sobre o parâmetro de jusante

poros da rocha no contato da base da barragem com a fundação ou nas descotinuidades

Outros esforços considerados são o empuxo de sedimentos acumulados a montante e os esforços transitórios causados por sismos.

As forças resistentes Pc, Hj e Paj e as desestabilizadoras Hm e U podem originar dois mecanismos principais de ruptura: tombamento e deslizamento. Antes de ocorrer o tombamento são desenvolvidos esforços de tração e aumento de subpressão a montante, aumento de compressão à jusante e, finalmente ruptura por deslizamento. O mecanismo de ruptura mais comum é o deslizamento, que é o deslocamento para jusante, ao longo de uma superfície de baixa resistência ao cisalhamento. Em barragens de gravidade, os defeitos geológicos mais prejudiciais são as descontinuidades ou as camadas de baixa resistência ao cisalhamento, sub-horizontais próximas ao contato concreto-rocha. Defeitos sub-verticais podem gerar zonas de permeabilidade mais elevada ou problemas de recalques diferenciais. A subpressão costuma ser reduzida nas barragens de concreto-gravidade por meio de furos de drenagem ou pela injeção a fundação com calda de cimento, para reduzir as vazões de infiltração a valores controláveis pela drenagem e garantir a eficiência do sistema na redução das subpressões. Somente quando o módulo de deformabilidade do maciço é muito baixo, bem inferior ao do concreto, os recalques começam a originar concentrações de tensões na própria estrutura da barragem. 5.4.2. Barragens de gravidade aliviada e de contraforte A barragem de gravidade aliviada mais comum é a de Itaiupu. Nestas barragens a subpressão fica reduzida devido à menor área da base, enquanto o peso da água sobre o parâmetro inclinado de montante praticamente elimina o tombamento. Porém são barragens mais sensíveis à deslizamentos, devido ao seu menor peso. Nesse tipo de obra é comum reforços de fundação por atirantamento. Em comparação às barragens de concreto-gravidade, essas alternativas podem economizar 25 a 40% de concreto, porém é necessário fundações melhores e têm sua economia fortemente controlada pela geologia. 5.4.3. Barragens em arco A estabilidade é garantida pela forma curva, que faz as pressões da água serem transferidas, em grande parte, para as ombreiras. Para que essa transferência seja eficiente é necessário que o vale seja estreito e regular.

Essas barragens requerem escavações consideráveis nas ombreiras e no leito do rio, para atingir a rocha sã e para garantir uma geometria adequada. Os esforços de compressão tendem a ser mais elevados do que nos outros tipos de barragens. Essas barragens são sensíveis a fundações com baixos módulos de deformabilidade e a variações bruscas de resistência ao longo da base, embora problemas deste tipo possam ser atenuados pela construção de pulvinos (blocos mais largos de fundação). A estabilidade da obra depende das características geológicas, onde tanto defeitos subhorizontais como subverticais e inclinados, podem associar-se para compor cunhas pouco estáveis. O acidente mais conhecido com barragens deste tipo foi de Malpasset, situada no rio Reyran, a 15 km a montante de Fréjus, na Riviera Francesa. 5.4.4. Barragens de Terra Esse tipo de barragem é construída com solos de granulometria fina e grossa, permeabilidade baixa, cujo comportamento é acondicionado pelas poropressões. As mais comuns são as homogêneas e as zoneadas, ambas construídas compactando-se o solo em camadas delgadas por meio de rolos compactadores. As homogêneas são feitas com um mesmo tipo de solo (argiloso e pouco pemeável), taludes mais abatidos. As zoneadas têm uma zona central impermeável e duas zonas externas denominadas espaldares (materiais granulares, mais permeáveis e mais resistentes ao deslizamento). 5.4.5. Estudos necessários para elaboração e apresentação de projeto de barragem de Rejeitos Com o crescimento da produção da indústria mineira e, conseqüentemente, dos volumes de rejeitos gerados a serem armazenados, houve necessidade de estruturas de barramento de maior porte que viabilizassem a implantação do projeto de mineração, visto que este é um fator determinante na vida útil do empreendimento e no seu estudo de viabilidade econômica. Também existe a necessidade de manutenção das barragens em processo de envelhecimento até o encerramento das atividades da mina. Barragens de contenção de rejeitos da mineração são estruturas de grande responsabilidade e necessitam de monitoramento constante do seu desempenho operacional ao longo da vida útil do empreendimento. Desta forma, de acordo com a NBR 13028, segue os estudos relacionados a um projeto de barragem de rejeitos.

a) Estudos locacionais Descrever as opções locacionais estudadas, de forma comparativa, justificando a escolha feita para o projeto. b) Estudos hidrológicos e hidráulicos Descrever as características climáticas e hidrológicas da bacia de contribuição para a barragem. Definir os parâmetros necessários ao dimensionamento do sistema extravasor da barragem e do sistema de desvio do curso d’água. c) Estudos geológico-geotécnicos c.1) Geologia regional e local Apresentar o mapeamento geológico-geotécnico de superfície das fundações do maciço da barragem e das áreas situadas no entorno do reservatório, para orientar a programação das investigações de campo e de laboratório, necessárias ao estudo das fundações da barragem e/ou dos taludes nas ombreiras ou no reservatório. c.2) Fundações Apresentar os principais resultados das investigações e dos ensaios de campo e de laboratório realizados para se conhecerem as características geotécnicas dos materiais constituintes e das condições hidrogeológicas das fundações da barragem e para elaborar o projeto de tratamento das fundações e as análises estruturais da barragem. c.3) Materiais de construção Apresentar os materiais de construção do maciço da barragem, disponíveis nas áreas de empréstimo, considerando suas características geotécnicas, tais como: densidade in-situ, densidade dos grãos, teor de umidade natural, granulometria, limites de consistência, parâmetros de resistência ao cisalhamento, coeficiente de permeabilidade, parâmetros de compactação, grau de alteração e parâmetros de adensamento e deformação, para avaliação dos parâmetros de resistência para utilização nas análises estruturais da barragem. Apresentar também as características dos materiais granulares a serem utilizados para construção dos dispositivos de drenagem interna da barragem. c.4) Estudos sedimentológicos Determinar as características físicas dos rejeitos, assim como as suas propriedades de sedimentação, tais como densidades dos sólidos, densidade seca média do rejeito sedimentado, ângulos de praias esperados, taxas de geração de sedimentos provenientes de erosão na bacia de

contribuição para o reservatório da barragem, para definir os dados necessários para a fixação da vida útil operacional e para o planejamento e operação do reservatório. 5.4.6. Projeto de barragem De acordo com a NBR 13028 a seguir são apresentados aspectos relevantes para o projeto de uma barragem de rejeito d) Premissas e hipóteses admitidas Apresentar as premissas e hipóteses admitidas para o projeto, tais como: descrição das características dos rejeitos a serem dispostos, vida útil operacional, metodologia de construção da barragem, tipos de materiais de construção, critérios de segurança adotados como fatores de segurança à ruptura e premissas hidrológico-hidráulicas, premissas operacionais etc. e) Estudo de alternativas e.1) Maciço da barragem Apresentar o resultado dos estudos de localização e o arranjo final do maciço da barragem, com seus acessos provisórios e definitivos, o posicionamento relativo do sistema extravasor, a curva elevação x volume do maciço da barragem, os sistemas de drenagem superficial e a metodologia de alteamentos do maciço. e.2) Ocupação do reservatório Apresentar o plano de ocupação do reservatório, elaborado com base nos estudos sedimentológicos. e.3) Estruturas auxiliares Apresentar o resultado dos estudos elaborados para as definições de posicionamento dos elementos acessórios do sistema de disposição de rejeitos, tais como: sistema extravasor, sistema de adução e de lançamento dos rejeitos no reservatório, sistema de bombeamento e de adução de água industrial etc. f) Desvio de curso de água Descrever a metodologia e o dimensionamento de eventuais estruturas hidráulicas de desvio de curso d’água para operação durante as obras de construção da barragem. Devem ser apresentados os critérios adotados para o dimensionamento do sistema de desvio. g) Tratamento das fundações Apresentar, com base nos estudos geológico-geotécnicos, os procedimentos requeridos para execução das fundações, tais como desmatamento, remoção ou tratamento de materiais inadequados e controle de água superficial e subterrânea.

h) Drenagem interna do maciço Apresentar os critérios de dimensionamento da drenagem interna, assim como suas locações e geometria dos drenos e transições, bem como as especificações dos materiais a serem utilizados, em função das vazões máximas obtidas nos estudos de percolação pelo maciço e fundação, aplicando-se o fator de segurança mínimo de 1,50 aos valores das vazões calculadas. i) Maciço da barragem Apresentar os dados relativos ao maciço, tais como: elementos geométricos, materiais a serem utilizados na sua construção, dados de locação, seqüência executiva, acessos provisórios para construção e definitivos para manutenção e acabamentos. Recomenda-se que sejam empregados revestimentos de proteção dos taludes e plataformas que possam se integrar ao meio ambiente, tendo em vista a futura desativação. O projeto do maciço deve considerar os seguintes critérios: os taludes entre bermas devem ser construídos para inclinações que garantam os fatores de segurança recomendados a seguir; as bermas devem ter largura suficiente para atender às considerações de drenagem e instalação de instrumentos e garantir o acesso dos equipamentos de manutenção com segurança; para a seção considerada crítica, o ângulo geral da barragem deve ser tal que atenda aos fatores de segurança recomendados a seguir. Os seguintes fatores de segurança devem ser considerados para análises de estabilidade, em termos de tensões efetivas: • ruptura do talude geral de jusante:  superfície freática normal: fator de segurança mínimo de 1,50;  superfície freática crítica: fator de segurança mínimo de 1,30; • ruptura do talude geral de montante:  nível normal de operação da lâmina d’água normal: fator de segurança mínimo de 1,50;  rebaixamento rápido da lâmina d’água, quando houver: fator de segurança mínimo de 1,10; • ruptura do talude entre bermas: fator de segurança mínimo de 1,50. Para análises de estabilidade em termos de tensões totais, os fatores de segurança devem ser estabelecidos no projeto.

j) Sistema extravasor Apresentar os dados relativos às estruturas do sistema extravasor, tais como: os elementos geométricos, os materiais a serem utilizados na sua construção, os dados de locação, a seqüência executiva e os acabamentos necessários. Recomenda-se observar os seguintes critérios gerais quando do projeto do sistema extravasor: • durante a operação das barragens ou sua construção por etapas, considerar vazão efluente calculada para tempo mínimo de recorrência de 500 anos, verificado para 1 000 anos, sem borda livre; • para desativação, considerar a vazão efluente calculada com base na precipitação máxima provável (PMP), sem borda livre. k) Drenagem superficial Apresentar os dados relativos aos dispositivos de drenagem superficial, tais como: os elementos geométricos, os materiais a serem utilizados na sua construção, os dados de locação e os acabamentos necessários. Recomenda-se que sejam empregados materiais de construção que possam se integrar ao meio ambiente quando da desativação. Recomenda-se observar os seguintes critérios gerais, quando do projeto do sistema de drenagem superficial: • dispositivos de pequenas vazões, tais como canaletas de berma e descidas d’água: considerar as vazões calculadas para tempos mínimos de recorrência de 100 anos; • dispositivos de grandes vazões, tais como canais de coleta e condução d’água: considerar as vazões calculadas para tempos mínimos de recorrência de 500 anos. l) Instrumentação de controle Apresentar as plantas de localização, as especificações técnicas e os detalhes construtivos dos instrumentos de monitoramento da barragem. Prever a instalação de instrumentos para, no mínimo, controle das vazões da drenagem interna, dos níveis de água no interior do maciço da barragem e das suas fundações. Definir, para todos os instrumentos, as faixas de tolerância admitida, tendo em vista as análises de estabilidade.

m) Plano de desativação Apresentar o plano de desativação sempre que o uso futuro da área da barragem estiver definido e/ou houver legislação específica.

5.5.

LEGISLAÇÃO A dependência do homem com relação às substâncias minerais adquire, na atualidade, uma

relevante importância, na medida em que os minerais fornecem os principais elementos para a sustentação básica e comodidades da vida humana, a tal ponto que o consumo de minério por habitante é considerado como um dos índices de avaliação do nível de desenvolvimento dos países. Constituticionalmente, os recursos minerais são bens da União e somente podem ser lavrados com sua autorização ou concessão. O concessionário tem a garantia da propriedade do produto da lavra e a obrigação de recuperar o meio ambiente degradado. De acordo com a legislação mineraria, a extração de substâncias minerais sem a competente permissão, licença ou concessão constitui crime de usurpação e também crime ambiental, sujeitando o infrator a penas de reclusão, multa e confisco da produção e dos equipamentos. A legislação dispõe, ainda, que o aproveitamento dos recursos minerais depende de licenciamento ambiental pelo órgão específico competente e que o titular de direitos minerários responda pelos danos causados ao meio ambiente, ficando as correspondentes atividades, na ocorrência destes danos, passíveis de suspensão temporária ou definitiva, de acordo com parecer do órgão ambiental. A Constituição Federal e as constituições estaduais estabelecem, nos seus respectivos âmbitos, as competências da União, dos Estados e dos Municípios para o envolvimento nas questões referentes ou associadas ao processo de administração e aproveitamento de recursos minerais. Particularmente para os municípios, observa-se que não existe, com raras exceções, a prática de exercitar, em sua plenitude, suas competências para, entre outros, elaborar legislações próprias, complementando ou suplementando legislações superiores, o que tem dificultado a tomada de iniciativas para a salvaguarda ou promoção de legítimos interesses locais. Os principais dispositivos constitucionais, em termos de competências, são relacionados abaixo: a) Competências da União:  Legislar privativamente sobre jazidas, minas e outros recursos minerais;

 Legislar privativamente sobre sistema estatístico, sistema cartográfico e de geologia nacionais; e  Organizar e manter os serviços oficiais de estatística, geografia, geologia e cartografia, de âmbito nacional A competência de legislar, nos casos acima, é privativa, mas poderá ser transposta aos Estados desde que devidamente autorizada por lei complementar. b) Competências da União e dos Estados, de legislar de forma concorrente sobre:  Conservação da natureza, defesa do solo e recursos naturais, proteção do meio ambiente e controle da poluição;  Responsabilidade por dano ao meio ambiente; e  Produção e consumo. Nessas competências, cabe à União o estabelecimento de normas gerais, não excluindo a competência suplementar dos Estados, enquanto que, na ausência de lei federal sobre normas gerais, é facultado aos Estados o exercício da competência legislativa plena, para o atendimento de suas peculiaridades. c) Competências comuns da União, dos Estados e dos Municípios  Registro, acompanhamento e fiscalização das concessões minerárias; e  Proteção do meio ambiente, combate à poluição e proteção das paisagens naturais notáveis e dos sítios arqueológicos. Para harmonizar o exercício destas competências, é prevista a fixação de normas de cooperação entre os poderes, por meio de lei complementar. d) Competências dos Municípios  Suplementar as legislações federais e estaduais, no que couber, e promover o adequado ordenamento territorial por meio de planejamento e controle do uso, do parcelamento e da ocupação do solo urbano;  Legislar sobre assuntos de interesse local; e  Implantar o Plano Diretor, aprovado pela Câmara Municipal, para cidades com mais de 20 mil habitantes, como instrumento básico da política de desenvolvimento e expansão urbana.

Para maiores informações e entendimento deste tema, sugerimos a consulta aos sites: www.dnpm.gov.br www.ibama.gov.br www.cprm.gov.br

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