Instrumentação em obras geotécnicas – taludes e escavações...

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  • Instrumentao em obras geotcnicas taludes e escavaes Bressani, Luiz A. Departamento de Engenharia Civil, UFRGS, P.Alegre, RS, Brasil, [email protected] Resumo: O trabalho apresenta uma reviso sucinta dos principais sistemas e sensores utilizados em instrumentao geotcnica de taludes (topografia, inclinmetros, piezmetros, tensimetros) e dois mtodos complementares promissores (TDR e emisso acstica), com discusso de seus condicionantes e limitaes. So relatados os principais passos necessrios a um bom plano de instrumentao e plano de aes, apresentada uma discusso sobre as incertezas das medidas e o papel de investigao que a instrumentao pode ter. Por fim, so apresentados alguns casos histricos de instrumentao em obras com rupturas e, onde relevante, as razes que levaram ao insucesso na interpretao ou uso da instrumentao. Abstract: This paper presents a small review of the main systems and sensors used in geotechnical field instrumentation of slopes (topography, inclinometers, piezometers and tensiometers) and 2 complementary methods (TDR and acoustic emission - AE), with discussion on theirs limitations and characteristics. The main steps need for an instrumentation and action plans are described. There is also a discussion about measurement uncertainty and the role of subsoil investigation which the instrumentation can play. Some case histories of geotechnical instrumentation involving failures or unforeseen behaviour are also presented and, where relevant, the causes for unsuccessful interpretation or use of instrumentation are discussed.

    1 INTRODUO

    Neste artigo sero discutidos alguns dos instrumentos mais utilizados na verificao do comportamento geotcnico de taludes, as principais caractersticas dos mesmos, os problemas mais importantes na definio de um programa de instrumentao e alguns exemplos dos resultados geralmente esperados. O artigo apresenta de maneira geral, mas resumida, as etapas de planejamento e execuo da instrumentao e alguns exemplos de aplicao de instrumentao.

    Em geral quando se discute instrumentao, a maioria dos tcnicos pensa imediatamente em instrumentos e tcnicas. Entretanto, para o sucesso de um programa de instrumentao, 4 etapas principais devem ser bem executadas para que o programa tenha sucesso:

    planejamento da instrumentao; definio da posio e do tipo do instrumento

    utilizado; definio do pessoal envolvido e

    responsabilidades (envolvendo detalhes como forma dos relatrios e cadeia de informao);

    anlise crtica dos resultados. Existem diversos textos conhecidos sobre

    instrumentao de taludes e encostas que descrevem os principais objetivos da instrumentao e os tipos

    de sensores utilizados (Hanna, 1975; Mikkelsen, 1996). O livro de Dunnicliff (1988), escrito com a assistncia de Gondon E. Green, interessante por compilar uma srie de informaes teis. Na sua redao pesquisadores experientes participaram na redao de itens isolados, como A.D.M. Penmann (piezmetros), Ralph S. Carson (incertezas de medies), J. B. Sellers (cargas em elementos estruturais), entre outros.

    2 CARACTERSTICAS DAS PRINCIPAIS

    MEDIES UTILIZADAS

    Na instrumentao de taludes e encostas, em geral h uma tendncia enfatizar a instrumentao de deslocamentos da superfcie e do sub-solo e nas medidas de presses de gua (Georio, 2000; Mikkelsen, 1996). Neste trabalho esta nfase ser em grande parte mantida.

    Este texto descreve apenas algumas das caractersticas principais dos mais importantes tipos de medies utilizados em taludes e escavaes, no fazendo comparaes entre diferentes sensores ou arranjos eltricos/mecnicos. Qualquer leitor que proceda uma pequena busca no mercado nacional e internacional achar muitas opes para instrumentos e sensores que podem ser utilizados, com diferentes faixas de operao e preos. E a

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  • tecnologia continua avanando a passos largos na melhoria dos sensores existentes e no desenvolvimento de novos equipamentos. 2.1 Tipos de sensores ou transdutores

    Os sensores so os instrumentos de medida utilizados para transformar uma fora, presso ou deslocamento em uma grandeza correlacionada a ela, tal como resistncia eltrica ou deslocamento de um ponteiro em medidores tipo relgio (manmetros analgicos), por exemplo. Os sensores podem ser baseados em diferentes tcnicas, sendo as mais comuns os mecnicos, eltricos, pneumticos e hidrulicos. Os instrumentos de determinao de poro-presso (piezmetros) podem ser instrumentados com sensores hidrulicos ou eltricos, entre outros. Ou o sensor pode ser diretamente enterrado em campo, protegido apenas por um elemento filtrante (pedra porosa) e representar todo o sistema de medida. As clulas de carga podem ser lidas atravs de uma sada eltrica ou uma sada analgica, e os medidores de deslocamento podem ser lidos por instrumentos manuais (paqumetros ou trenas) ou por sensores de deslocamento (LVDTs, relgios comparadores).

    Est fora do escopo deste trabalho entrar em profundidade sobre os muitos diferentes sensores utilizveis em instrumentao geotcnica, mas importante salientar alguns aspectos relacionados ao tipo de sensor, geometria da medio e suas interferncias nos resultados.

    Em relao forma de instalao, os sensores podem ser instalados no terreno de forma permanente, no incio das medies, como alguns piezmetros, ou serem colocados no ponto de medio, lidos e retirados. O exemplo clssico do segundo sensor o inclinmetro tipo torpedo (probe). As diferenas fundamentais dos dois sistemas que no primeiro caso pode-se ter leituras dos valores de medio ao longo de um grande intervalo de tempo de forma regular, desde que um sistema automtico de leituras esteja instalado. No segundo caso, embora as leituras sejam discretas no tempo, j que exigem uma operao manual, o sensor pode ser calibrado e testado para verificao a qualquer momento. Existem tambm alguns sistemas em que os sensores podem ser instalados em campo de forma semi-permanente, de tal forma que sua retirada e calibrao seja possvel em certos intervalos de tempo, como os inclinmetros fixos com monitoramento contnuo.

    2.2 Medidas de deformao por topografia e

    mtodos diretos de medida de deslocamento

    Mtodos topogrficos so utilizados para monitorar a magnitude e a taxa de deformaes horizontais e verticais da superfcie do terreno ou de extensmetros ou tassmetros colocados em pontos

    subterrneos. Topgrafos bem treinados em tcnicas complementares simples (apoios de miras e tcnicas de minimizao de erros) podem obter medidas de tima qualidade, tanto em acurcia quanto em preciso, utilizando equipamentos e tcnicas convencionais (Standing, 2009).

    Os mtodos topogrficos so importantes porque permitem referncia geral e ampla em rea, permitem uma verificao simples e rpida quando algo necessita ser medido com rapidez, geralmente com custo acessvel, facilidade de instalao e grande confiabilidade se bem operados.

    Os mtodos topogrficos so ainda utilizados como auxiliares no controle de cotas de boca dos furos de piezmetros, como controle do deslocamento do topo de tubos de inclinmetros, como mtodos de verificao de recalques gerais e suas reas de influncia em superfcie.

    So muitas as possveis variantes de medio utilizando topografia ou mtodos diretos de medida. Entre eles os mais utilizados so medidores de trincas em superfcie (que utilizam desde medidas manuais com trenas, paqumetros ou sistemas automticos com sensores de deslocamento); extensmetros de superfcie, utilizando arames tensionados entre 2 referncias; ou medidas de deslocamento lateral de uma linha de piquetes estabelecida em campo. O importante a flexibilidade do sistema que permite que diferentes medidas sejam obtidas em pouco tempo, de forma confivel e adaptada a cada problema.

    As caractersticas gerais dos mtodos topogrficos ou de medida direta fazem com que eles sejam especialmente teis em situaes emergenciais, j que podem fornecer medidas confiveis em questo de horas. Em muitos casos emergenciais a preciso buscada menos importante do que a velocidade de obteno da medida. Assim, medidas de deslocamentos com preciso de 2-5 mm obtidas em horas podem ser muito mais importantes do que medidas com preciso de 0,5 mm obtidas em 5 ou mais dias, especialmente se as taxas de deslocamento/tempo forem consideradas.

    2.3 Deslocamentos Subterrneos Inclinmetros,

    Extensmetros

    2.3.1 Extensmetros

    Os extensmetros aqui considerados so sistemas que utilizam barras de ao ancoradas em pontos bem determinados no sub-solo e com seu deslocamento relativo medido na superfcie. Isto permite determinar de maneira direta quanto de deslocamento est ocorrendo em diferentes reas do sub-solo. Quando a topografia controla a extremidade dos extensmetros, pode-se ter medidas de deslocamento absoluto alm da deformao de massas de solo. Geralmente so associados ao

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  • controle de deslocamentos ao longo de superfcies bem conhecidas ou como medidores complementares aos inclinmetros e medidores de superfcie. Podem medir deslocamentos at deformaes bastante grandes. 2.3.2 Inclinmetros

    Os inclinmetros so sensores de verticalidade que monitoram a variao da inclinao de tubos-guia, especialmente instalados em campo. So reconhecidamente os sensores mais teis na determinao dos movimentos do sub-solo pela sua preciso na identificao das principais regies de movimento. Existe toda uma srie de cuidados na instalao do tubo-guia ranhurado e na forma de medio que esto bem descritos na literatura especfica e manuais dos equipamentos (Mikkelsen, 1996 e Dunnicliff, 1988), devendo-se salientar:

    importante garantir que a extremidade do tubo esteja ancorada em regio estvel; cuidados em preencher completamente o

    espao entre o tubo guia e o furo de sondagem (solo granular ou grout de areia-bentonita e cimento). A diferena entre as leituras em diferen