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ENSAIOS IN SITU 7.
7. ENSAIOS IN SITU
7.1 INTRODUÇÃO
É frequente acompanhar os trabalhos de prospecção mecânica com a execução de ensaios realizados “in situ” para caracterização dos maciços, uns efectuados praticamente em simultâneo com aqueles e outros posteriormente à sua realização.
Alguns ensaios realizam-se quase de forma sistemática, como é o caso dos ensaios de penetração dinâmica ou estática, associados em regra a sondagens realizadas em maciços terrosos; outros, como os ensaios de permeabilidade, de deformabilidade ou de determinação de estado de tensão, realizam-se apenas quando os trabalhos de prospecção visam esclarecer especificamente estas características, como nos casos, por exemplo, de fundações de barragens, de cavidades subterrâneas, etc.
Faz-se neste texto referência aos ensaios ‘in situ’ associados aos trabalhos de prospecção que vulgarmente se realizam com a finalidade de completar o zonamento geotécnico do maciço interessado por determinada obra. Conforme já referido em capítulos anteriores, o zonamento dum maciço deverá ter em atenção o funcionamento da obra em análise e o tipo de terreno onde aquela se insere. Os parâmetros geotécnicos mais correntemente objecto de estudo através dos ensaios “in situ” são os relativos à caracterização da permeabilidade, da deformabilidade, de resistências e do estado de tensão “in situ”.
7.2 ENSAIOS DE PERMEABILIDADE
7.2.1 Ensaios de Permeabilidade em Solos
O ensaio que está mais vulgarizado na determinação da permeabilidade “in situ” de formações terrosas é o ensaio designado por Lefranc, realizado em furos de sondagem e no decorrer da realização destas, embora em certas situações o ensaio de bombeamento em poços dê informações com muito interesse.
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O ensaio Lefranc é feito normalmente a diversas profundidades. Consiste em introduzir ou bombear água numa cavidade de forma fixa, esta situada a uma determinada profundidade do terreno em relação ao qual se pretende conhecer a permeabilidade. Este ensaio pode ser feito com carga hidráulica constante ou variável.
Figura 7.1 - Ensaio de permeabilidade do tipo Lefranc com carga constante.
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Uma das dificuldades na interpretação dos resultados dos ensaios Lefranc resulta de que, em regra, não se determina separadamente o coeficiente de permeabilidade vertical e horizontal, já que, quer no caso de cavidade cilíndrica, quer no caso de cavidade esférica, o coeficiente de permeabilidade que se determina é um coeficiente misto, afectado pela permeabilidade vertical e horizontal. Esta circunstância tem tanto mais importância quanto menos isotrópico e homogéneo for o terreno onde se pretende determinar a permeabilidade.
Figura 7.2 - Ensaio de permeabilidade do tipo Lefranc (dispositivo de Brillant) com carga variável.
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7.2.2 Ensaios de Permeabilidade em Maciços Rochosos
Do ponto de vista hidráulico, o escoamento num maciço rochoso difere em geral bastante do que é observado num meio poroso. Tal deve-se essencialmente à forma e dimensões dos vazios por onde circula a água, poros num caso, descontinuidades (fissuras) no outro. O grau de abertura destas descontinuidades e a carga geram escoamentos por vezes com velocidades elevadas. O escoamento pode tornar-se turbulento, o que invalida a aplicação da lei de Darcy. Por outro lado as hipóteses, correntes no caso de meios porosos, da homogeneidade e da isotropia da permeabilidade não são admissíveis em maciços rochosos.
Na prática, estas condições particulares dos maciços rochosos deveriam obrigar a que os ensaios fossem realizados de forma a caracterizar a permeabilidade nas várias direcções do espaço (ensaios tridimensionais). Infelizmente não é fácil a execução deste tipo de ensaios, pelo que se aceita não mais do que estimar os valores médios e aproximados da permeabilidade através de métodos empíricos baseados em ensaios tais como o ensaio Lugeon^1. A validade dos resultados obtidos deve ser considerada relativa e depende grandemente da seriedade e dos cuidados colocados durante a execução dos trabalhos.
O ensaio Lugeon consiste na injecção (radial) de água sob pressão num certo trecho de um furo de sondagem e na medição da quantidade de água que entra no maciço rochoso durante um certo tempo, a uma dada pressão de injecção, depois de estabelecido um regime de escoamento permanente. A realização do ensaio em vários degraus de pressão, crescentes e decrescentes (vulgarmente com sequência do tipo P 1 , P 2 = 2 P 1 , P 3 = 2 P 2 , P 2 , P 1 ), permite traçar curvas caudal versus pressão ( Q-P ) que dão informação quanto ao regime de percolação do maciço e quanto ao estado e tipo de fracturação nas vizinhanças do trecho ensaiado.
A tendência para normalização levou a que, em regra, o ensaio Lugeon seja realizado nas mesmas condições, independentemente do tipo e dimensão das obras que vão ser fundadas no maciço respectivo. Apareceu assim a unidade Lugeon que corresponde ao valor médio da absorção de 1 litro por minuto e por metro de furo, para um patamar de injecção com a duração de 10 minutos em que a pressão de injecção da água se mantém estabilizada no valor de 1 MPa. A 1 unidade Lugeon corresponde um valor de k entre 1x10-5^ e 2x10-5^ cm/s para sondagens de diâmetros entre 5 e 10 cm.
A experiência mostrou que para valores de coeficiente de absorção inferiores a uma unidade Lugeon é impossível injectar qualquer calda de cimento, pelo que foi considerado que um maciço rochoso é “impermeável” sempre que a permeabilidade é inferior a 1 Lugeon.
(^1) O ensaio referido é vulgarmente realizado em furos de sondagem em maciços rochosos e tem a designação de ensaio
Lugeon em homenagem ao geólogo suíço Maurice Lugeon que o desenvolveu, no início do século XX, para responder aos problemas postos pela construção das primeiras barragens de certa importância.
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de “pressão” versus “absorção” ( Q-P ) que permitem avaliar o regime de escoamento que se instalou no maciço como consequência das características físicas e dimensões das descontinuidades interessadas.
Figura 7.3 - Ensaio Lugeon: a) - obturador simples; b) – obturador duplo, c) – obturador quádruplo.
Desde que os ensaios tenham sido correctamente realizados, a informação obtida é de grande utilidade na definição do regime hidrogeológico do maciço e da sua fracturação, e no projecto dos trabalhos de impermeabilização dos maciços, quando considerados necessários. Feitas as correcções, os valores que se obtêm permitem, por um lado, ajuizar das características de permeabilidade do maciço e, consequentemente, necessidade de tratamento de impermeabilização e, por outro, como se referiu, dar informações no que respeita ao regime de escoamento instalado.
Quando se verifica proporcionalmente entre os caudais e as pressões está-se na presença de um escoamento laminar (regido pela lei de Darcy ( v = k. i ) que, no caso de maciços rochosos, é característico de descontinuidades pouco abertas ou preenchidas por materiais granulares. É o caso da Figura 7.4a onde se representa esquematicamente o resultado de um ensaio em que as desconti- nuidades ou não tinham enchimento ou o enchimento não foi sensível à percolação durante o ensaio.
nível freático e a outra, subtractiva, corresponde às perdas de carga através da canalização utilizada (diâmetro, rugosidade, caudal, etc.)
7.8 ENSAIOS IN SITU
Casos há, no entanto, em que a injecção da água sob pressão conduz quer a colmatação progressiva das descontinuidades por arrastamento de material (Figura 7.4b) e outros em que o aumento de pressão provoca arrastamento dos materiais de enchimento e, consequentemente, lavagem das descontinuidades (Figura 7.4c).
Figura 7.4 - Curvas típicas obtidas através de ensaios Lugeon.
Quando não há proporcionalidade na curva Q-P está-se, em princípio, em presença de um escoamento turbulento, que é regido pela lei de Chezy quando os gradientes são proporcionais ao
quadrado das velocidades ( v = k i ) e a curva obtida é do tipo da representada na Figura 7.4d. No
entanto, este resultado pode dever-se apenas à abertura elástica da fractura como consequência em certos casos da elevada pressão de injecção. Neste caso, há, em regra, quando se diminui a pressão, um retorno de água absorvida pelo maciço que se reflecte numa contra-pressão.
A mudança de curvatura, como a representada na Figura 7.4e, correspondente à situação de um incremento brusco do caudal a partir de determinada pressão, será representativo do fenómeno de fracturação hidráulica. Este fenómeno designa-se usualmente por “ claquage ” e está associado à criação de novas superfícies de descontinuidade geradas pelo incremento das pressões de injecção.
7.10 ENSAIOS IN SITU
Figura 7.5 - Ensaio de deformabilidade em maciços rochosos. Exemplo de dispositivo para ensaio de placa com carga aplicada nas paredes de galeria.
Figura 7.6 - Ensaio de deformabilidade em maciços rochosos. Esquema para ensaio de placa com carga aplicada na base e tecto de galeria.
Naturalmente quanto maior for a área de contacto da placa que transmite as pressões ao maciço rochoso, maior será o volume de terreno envolvido no ensaio e mais representativos do comportamento deformacional serão os resultados obtidos. No tipo de dispositivos representados na Figura 7.5 e Figura 7.6 as áreas das placas de carga raramente ultrapassam valores na ordem de 1 m^2.
Um outro método para a determinação da deformabilidade dos maciços rochosos baseia-se na medição dos deslocamentos relativos das faces duma fenda aberta no maciço rochoso por meio dum disco diamantado de 1 m de diâmetro, sujeita a uma pressão uniforme aplicada por um macaco de
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paredes finas^3 , deformáveis e de grande área, contendo no seu interior quatro defórmetros com extensómetros eléctricos de resistência, que medem a variação de abertura da fenda (Figura 7.7). Estes macacos podem ser colocados em fendas abertas lado a lado (Figura 7.8) e ensaiados simultaneamente ou separadamente, permitindo interessar volumes suficientemente grandes para que sejam representativos do maciço rochoso.
Em qualquer dos ensaios atrás referidos para maciços rochosos é necessário aceder aos locais de ensaio (normalmente galerias ou poços) e proceder à preparação das superfícies onde irão ser aplicadas as cargas de forma a minimizar os erros que possam resultar da concentração de tensões como consequência de irregularidades das superfícies. Esses trabalhos de preparação e de execução do ensaio propriamente dito são demorados e caros pelo que só se justificam em face de projecto de obras importantes depois de bem definidas as características geotécnicas das diversas zonas do maciço interessado pelas obras. Daí que se tenha desenvolvido métodos que tiram partido dos furos de sondagem realizados normalmente em qualquer campanha de prospecção de maciços.
Figura 7.7 - Macaco plano de grande área e localização dos defórmetros.
(^3) LFJ – Large Flat Jack
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Figura 7.9 - Dilatómetro BHD desenvolvido pelo LNEC.
Introduzindo água, sob pressão conhecida, no espaço limitado pelas superfícies exterior do cilindro e interior da camisa, provoca-se a deformação do maciço rochoso, na zona circundante. Assim, o dilatómetro, depois de introduzido num furo de sondagem a determinada profundidade, aplica nas respectivas paredes uma pressão radial P tendo na sua zona média 8 transdutores que permitem medir as correspondentes variações de diâmetro em 4 direcções fazendo entre si ângulos de 45º. A posição dos palpadores permite que as medições correspondam, com bastante rigor, a um estado plano de deformação.
O emprego do ensaio dilatométrico generalizou-se graças à sua aplicabilidade mesmo em locais de acesso difícil a outros tipos de ensaio como, por exemplo, pontos a grandes profundidades, locais subjacentes a leitos de rio, etc.. Verifica-se, contudo, que os valores dos resultados obtidos com ensaios efectuados com o dilatómetro são em regra inferiores aos alcançados com outros métodos. Tal constatação levou a que se considerasse o resultado do ensaio com o dilatómetro como um índice de qualidade, designando-se por o valor obtido como módulos dilatométrico, o qual é correlacionável com o módulo de deformabilidade obtido por outros métodos.
7.14 ENSAIOS IN SITU
Uma das vantagens da utilização do dilatómetro reside no facto de os ensaios poderem ser efectuados quando da execução das sondagens de prospecção realizadas com outras finalidades, o que permite, na fase de caracterização geotécnica do maciço adequada ao anteprojecto das estruturas, realizar um zonamento em termos de módulos de deformabilidade. Mais tarde, em fase de projecto, será possível então estudar com mais pormenor as características geológicas de certas zonas identificadas como críticas.
7.4 ENSAIOS DE DESLIZAMENTO
Na Figura 7.10 e Figura 7.11 representam-se dois esquemas de montagem para ensaios “in situ” de deslizamento de diaclases ou de corte em rocha, os quais podem ser realizados em cavidades subterrâneas ou a céu aberto. Como facilmente se depreende são ensaios bastante dispendiosos e que só são justificáveis em casos de obras muito especiais, tais como grandes barragens ou obras subterrâneas, e em que seja importante o conhecimento das características de resistência ao corte ou deslizamento das descontinuidades ou dos maciços rochosos. A condução do ensaio é similar à descrita no capítulo relativo à resistência ao deslizamento das descontinuidades.
Figura 7.10 - Esquema de ensaio de deslizamento: a1) vista em corte; a2) planta.
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Figura 7.12 - Determinação do estado de tensão “in situ” com macacos planos de pequena área (SFJ): a) SFJ com diversas dimensões; b) esquema com roseta de rasgos e pontos de medição.
A execução de três ensaios do tipo descrito com rasgos formando uma roseta permite a determinação do estado de tensão no ponto do plano em causa. Normalmente utilizam-se quatro rasgos em roseta a 45º, o que permite por meio do ensaio superabundante uma verificação dos resultados obtidos. Se o estudo do plano referido se repetir em mais dois planos com orientação diferente do primeiro poder- se-á determinar o estado de tensão completo no ponto considerado.
Das metodologias que recorrem à sobrecarotagem há a referir o ensaio STT desenvolvido pelo LNEC que utiliza um defórmetro tridimensional. Este é um dispositivo formado por um cilíndrico plástico com extensómetros eléctricos de resistência embebidos que permite a completa determinação do estado de tensão inicial ou induzido, num maciço rochoso, através de medições efectuadas em furos de sondagem.
A técnica do método STT consiste essencialmente em:
i) abertura de um furo de sondagem de grande diâmetro (não inferior a 75 mm) até à proximidade do ponto no qual se quer determinar o estado de tensão; ii) abertura de um furo de sondagem de pequeno diâmetro (37 mm) com um comprimento de 80 cm, a partir do fundo do furo da sondagem anterior; iii) colagem à parede do furo de pequeno diâmetro do extensómetro tridimensional convenientemente orientado; iv) leitura inicial dos extensómetros eléctricos contidos no STT;
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v) sobrecarotagem do tarolo contendo o STT até uma profundidade que garanta o alívio total das tensões a que está submetido (40 cm abaixo do ponto de medida); vi) leitura final dos extensómetros contidos no STT; vii) cálculo do estado de tensão com base na diferença de leituras referidas em iv) e vi).
Figura 7.13 - Determinação do estado de tensão “in situ” pela técnica do defórmetro tridimensional (STT).
a) b) Figura 7.14 - Ensaio STT: a) defórmetro antes de colocado no furo; b) exemplares após sobrecarotagem.
Em conclusão refira-se os ensaios para determinação do estado de tensão só normalmente se justificam em casos de obras especiais (túneis, cavernas subterrâneas) em que o estado de tensão possa ter grande influência no comportamento, dimensionamento e custo da obra.
