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Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Lisoarte Gomes Carlos Galiza António Vieira
Sustimento não é mais do que um conjunto da acções, com recurso a elementos estruturais, que venham a garantir a estabilidade de escavação, durante o tempo em que ele vai ser utilizada.
Este conceito baseia-se na aceitação dos seguintes princípios:
Sempre que se realiza uma escavação, o maciço envolvente irá deformar- se, sendo as deformações verificadas em cada caso, para que se verifique estabilidade, compatíveis com o fim a que se destina a escavação.
O período de tempo durante o qual se irá verificar a sua utilização, irá condicionar as exigências de características do sustimento, supondo-se que ao longo desse tempo de utilização, o maciço se irá degradar essencialmente devido a efeitos ambientais.
Muitas rochas manifestam este fenómeno de degradação em espaços de tempo relativamente curtos. O dimensionamento do sustimento depende essencialmente:
1.1 – Campo natural de tensões.
1.1.1– Tensões geostáticas – Resultantes de peso dos terrenos subjacentes à escavação.
Admite-se que o maior valor tem a direcção vertical (gravidade), componente vertical, e que as componentes horizontais, ortogonais entre si, têm o mesmo valor.
Nestas condições, o estado de tensão inicial será:
σv – Tensão vertical = γ × H σh – Tensão horizontal = K × γ × H
Sendo:
γ = P eso específico médio dos terrenos. H = Profundidade a que se encontra a escavação.
condições provocadas pela escavação e sugerir determinado tipo de sustimento a aplicar.
No entanto, outros factores não contemplados directamente nas classificações geomecânicas usualmente utilizadas, poderão contribuir para o desenvolvimento do campo de tensões preexistentes, ou surgir quando da escavação por empolamento da rocha posta em contacto com a atmosfera, ou ainda pelo fluxo de água posta em movimento pela própria escavação ou mesmo efeitos dinâmicos provenientes de tremores de terra ou vibrações provocadas pelo próprio desmonte com explosivos.
Os valores das tensões in situ, pedem ser determinadas por ensaio de campo, o que pressupõe acesso ao maciço rochoso à cota do projecto.
A grandeza e a direcção e a direcção entre elas, juntamente com o conhecimento das propriedades mecânicas do maciço rochoso, permitem prever a ocorrência de golpes do terreno (rotura brusca), associada ao desenvolvimento da própria escavação.
O comportamento do maciço rochoso envolvente, está em grande parte relacionado com as tensões in situ.
Quando a escavação se desenvolve, o campo de tensões original é afectado numa área envolvente, cujo raio é aproximadamente 1,5 vezes o diâmetro de escavação.
1.2 – Redistribuição de tensões no maciço envolvente a uma escavação subterrânea.
Como se disse, ao realizar uma escavação subterrânea, modifica-se o estado de tensão preexistente desenvolvendo-se picos de tensão.
É assim importante conhecer, por razões de garantia de estabilidade com recurso a sustimento adequado, a redistribuição de tensões.
Se pelo contrário, não for capaz de suportar o pico de tensões, irá romper- se, passando o maciço ao regime plástico.
Neste caso, para garantir a estabilidade da escavação, será necessário recorrer ao sustimento.
A determinação analítica da redistribuição de tensões no contorno de uma escavação, tem sido objecto de preocupação de muitos autores, tendo sido apenas encontradas soluções para escavações de geometria simples (círculos, rectângulos e elipses), considerando um terreno com comportamento homogéneo e isotrópico.
Hoje, as técnicas disponíveis de cálculo numérico, como sejam o método dos elementos finitos e diferenças finitas, permitem a resolução destes problemas.
1.3 – Redistribuição de tensões envolventes a uma escavação circular em meio elástico.
Considerando um campo uniforme, em que K = 1, as tensões poderão ser calculadas pelas expressões:
2
0
2
θ 0
Em que:
Fig. 1 – Desenvolvimento de tensões.
Nestas condições, para evitar a queda de rocha plastificada que rodeia a escavação, terá que recorrer-se a uma operação de sustimento que irá instalar uma pressão radial no contorno.
O problema do dimensionamento do referido sustimento, será determinar qual deverá ser a pressão radial aplicada pelo mesmo.
É necessário ter presente que quando se coloca o sustimento, este não ficará, na generalidade, imediatamente carregado, mas sim após o processo de deformação do próprio terreno.
O nível de tensões que actuarão sobre o sustimento, dependerá da deformação que o terreno venha a sofrer depois da sua colocação, sendo necessário quando o seu dimensionamento atender à interacção entre o terreno e o próprio sustimento.
O método actualmente utilizado para o dimensionamento do sustimento, é como veremos no próximo capítulo, o das curvas características. Os valores de tensão in situ , pedem ser determinados por ensaios in situ , o que pressupõe acesso ao maciço à cota do projecto.
A experiência obtida em minas profundas em rochas duras, mostraram que na vizinhança da escavação será inevitável a fracturação intensa. Para o controlo do movimento da rocha fracturada, se as grandes tensões se mantiverem, será necessário o recurso a um suporte elástico que à custa da sua deformação irá absorver e degradar tensões existentes.
Uma vez provado que a rocha fracturada possa ser mantida na sua posição, haverá pequenos riscos da zona fracturada se desenvolver até ao ponto de colapso.
Os maciços rochosos com fracturação inicial, preenchida com materiais com tendência a empolar em contacto com a água, criam problemas correntes em escavações subterrâneas, não sendo fácil quantificar o valor das tensões resultantes daquele fenómeno de empolamento.
O comportamento plástico do maciço envolvente a uma escavação ao longo de um tempo mais ou menos dilatado, cria tensões que muitas vezes ultrapassam as tensões de rotura do maciço.
O princípio que deverá reger o dimensionamento do suporte aplicável nestes casos, é de permitir que a escavação se deforme sem colocação de revestimento até que as deformações atinjam valores de 5 a 10% do diâmetro da escavação.
O problema reside na avaliação de grandeza da deformação possível, antes da tensão de rotura ser atingida.
Para evitar o empolamento resultante do contacto do material de preenchimento da fracturação inicial, deverá ser colocado, imediatamente após a escavação, betão projectado.
As rochas com tendência a empolar ou com comportamento plástico têm normalmente baixa resistência, razão pela qual não é recomendado, como veremos mais tarde, a pregagem com fixação mecânica.
Um completo sistema de suporte em terrenos deste tipo deverá inclui uma camada inicial de betão projectado, seguida de pregagem tensionada, após ter sido permitida alguma deformação. Por este facto, é natural que na parte do betão projectado apareçam fracturas, ocorrendo mesmo a possibilidade da queda de pequenos fragmento de rocha.
A colocação de uma rede (malha sol), fixada por pregos e ancorada por pontos intermédios, poderá evitar que isso aconteça.
Uma camada de betão projectado cobrindo a rede completa o suporte.
1.5 – Água no solo.
A abundância de água no subsolo ao nível de escavação pode criar problemas.
É difícil prever o caudal que aflui a um túnel, quando este é escavado através de formações geológicas diferentes. Aquele caudal tem particular significado na análise de estabilidade da escavação e também no sustimento a utilizar.
A drenagem de zonas próximas da superfície deve ser se possível considerada, sendo aconselhável a redução da pressão hidrostática sobre o revestimento, criando drenagem conveniente (capítulo seguinte).
Injecções de cimento são algumas vezes usadas para reduzir a permeabilidade do maciço e aumentar a sua resistência.
Quando são previstos grandes caudais antes da escavação ser iniciada é importantíssimo um esquema de investigação das zonas onde o fenómeno se desenvolva com maior intensidade, tomando-se antecipadas precauções quanto à técnica de escavação a utilizar.
2– Estabilização da escavação subterrânea.
É usual considerar este domínio tecnológico dividido em dois conceitos distintos:
Sustimento provisório a aplicar durante a fase de escavação ou mesmo entes desta, sustimento antecipado.
Sustimento definitivo que como o nome indica, terá carácter permanente durante a vida útil da obra.
Será difícil definir uma fronteira entre estes dois conceitos, pois a qualidade da obra, a sua vida prevista e a segurança exigida, são factores a considerar, podendo o sustimento provisório ter a eficiência necessária durante a vida da obra.
O conceito moderno de suporte baseia-se na preocupação de conferir ao maciço rochoso capacidade autoportante, complementando-o com outras acções, que por razão de maior segurança exigida em função da sua utilização, vida longa ou eficiência, venham a ser recomendadas.
Podemos assim distinguir:
Reforço do maciço rochoso.
Instalação no maciço rochoso de pregagens e ancoragens no sentido de reforçar o maciço rochoso e utilizar a própria resistência da rocha que constitui o modo de torná-lo autoportante.
O reforça utilizado é instalado no interior do próprio maciço, passando a ser parte integrante dele.
Suporte.
Aplicação de revestimento em betão, betonado in situ ou pré-fabricado, de perfis metálicos, betão projectado, revestimento metálico, etc., com função de minimizar os movimentos da rocha, sempre actuando exteriormente ao maciço.
Pré-esforço.
Instalação de um reforço antes do início da escavação.
2.1 – Diferentes tipos de reforço.
2. 1. 1 - Pregagem.
Como dissemos, o principal objectivo dum sistema de reforço, é criar condições ao maciço para que se suporte. A pregagem mobiliza as características mecânicas do próprio maciço. Há varias razões justificativas do incremento do suo deste sistema:
A possibilidade da sua aplicação logo após a escavação, é extremamente importante sob o ponto de vista da geomecânica.
Usando pregagem, modificando-se o espaçamento entre pregos e o seu comprimento, facilmente se poderá responder às exigências impostas pelas características do maciço rochoso e pela geometria de escavação.
A pregagem pode facilmente ser combinada com sistemas de suporte adicionais:
Sistemas típicos de pregagem.
É grande a diversidade de tipos de pregagem utilizados actualmente, apresentando algumas diferenças no seu desenho, baseado no mesmo conceito.
Podemos agrupá-los de acordo com as técnicas de fixação:
Vantagens:
Desvantagens:
2.1.1.2 – Tirantes selados com calda de cimento ou resina****.
É de aplicação mais corrente. São constituídos por verão de aço nervurado.
Dado o tempo muito curto necessário à selagem dom resina, este tipo pode ser imediatamente tensionado (ao fim de alguns minutos de aplicação).
Os dois sistemas podem ser usados com fim temporário ou permanente nas mais variadas características do maciço rochoso.
Dado o elevado preço da resina, a sua aplicação é menos frequente.
Neste caso a selagem não é completa. Faz-se apenas no bolbo de amarração.
Características:
Tabela 2 – Características do aço para ancoragens com calda.
Fig. 4 – Tipos de varão para ancoragens com calda de cimento ou resina.
Vantagens da ancoragem Rebar:
Desvantagens:
Vantagens da ancoragem Dywidag:
Desvantagens:
CT-Bolt.
Trata-se de um tipo de ancoragem mecânica, com a particularidade de possuir um furo interior por onde é possível realizar a injecção de calda de cimento. Quando comparado com o sistema Rebar ou Diwidag, a grande vantagem reside na possibilidade da injecção de calda de cimento ao longo de toda a ancoragem imediatamente após aplicação e tensionamento.
Fig.7 – Ancoragem CT-Bolt.
2.1.1.3 – Cabos selados com cimento.
É corrente o uso de cabos não tensionados, selados com cimento, no reforço de estruturas em rocha, com fim temporário na actividade mineira.
Nas obras públicas, com carácter permanente, é corrente o pré- tensionamento dos cabos, seguido de selagem com calda de cimento a todo o comprimento.
O tipo mais corrente em minas é o cabo de 15,2 mm de diâmetro com betas de 7 arames, normalmente aplicados aos pares em cada furo.
Dada a sua flexibilidade, o cabo pode ser aplicado em substituição dos varões, facilitando o seu uso em espaços confinados.
Flexirope
Fig.8 – Cabos selados com cimento
Características:
Tabela 3 – Características do flexirope.
A - Split set.
Fig. 9 – Spli set.
Características:
Tabela 4 – Características do split set.
Vantagens:
Desvantagens:
B - Swellex.
Fig.10 – Swellex.
Características:
Tabela 5 – Características do Swellex Standard.
