UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVILÁREA DE GEOTECNIA E ENGENHARIA DE FUNDAÇÕES Disciplina: FUNDAÇÕES Código: 101134 Professor: Erinaldo Hilário Cavalcante Notas de Aula REBAIXAMENTO DO NÍVEL D´ÁGUA Capítulo 3 – Aspectos Gerais e Dimensionamento Aracaju, maio de 2005 2.0 3.0 Introdução Conceitos Básicos Aspectos Tecnológicos da Estabilidade das Escavações Ângulo de talude natural Contenções provisórias Principais limitações do sistema de poços filtrantes Cálculo de uma estação de bombeamento com poços filtrantes Principais efeitos do rebaixamento do lençol freático Recarga do aqüífero do terreno vizinho Exemplo de Aplicação Bibliografia Consultada 54 54 55 55 56 57 57 60 63 67 68 53 .2.2.ÍNDICE 1.2.2 3.0 3.0 5.3 3.2 3.4 4.1 3.0 2.1 3. 1. de barragens. 2. tornam-se necessários estudos de drenagem e rebaixamento do lençol freático para cotas abaixo do fundo das escavações. através de um poço ela pode se elevar acima da superfície do terreno. Por exemplo. 1977). Além disso. O nível d´água atingido em um poço artesiano define o nível piezométrico do aqüífero artesiano (efeito da pressão a que a água está submetida). Para que a obra não sofra os efeitos instabilizadores da água. a existência d´água na cava de uma fundação não só dificulta sobremaneira a execução do serviço como pode alterar as condições de estabilidade do maciço adjacente e do fundo da escavação. conforme mostrado na Figura 3. de pontes.0 Conceitos Básicos Os lençóis aqüíferos podem ser livres ou artesianos se a água encontra-se confinada entre camadas impermeáveis ou semipermeáveis. resultando em desmoronamento do talude. a água se eleva apenas até o nível freático.) deverão ser construídas pode trazer sérios inconvenientes ao andamento normal da obra. a ação da água exige que escoramentos mais resistentes sejam projetados para as paredes das cavas.0 Introdução A presença do lençol freático acima das cotas em que estruturas de fundações (de edifícios.1 – Tipos de aquíferos (Caputo. uma vez que maiores são os empuxos a serem contidos.1. etc. 54 . Dependendo da pressão artesiana a que a água está submetida. Quando isso acontece dá-se o nome de poço “surgente”. enquanto que em um poço de um aqüífero livre. Figura 3. 3b). 55 .1 Bombeamento direto da escavação Neste processo.2). são empregados basicamente dois processos de rebaixamento de nível d´água: i) ii) Bombeamento direto da escavação Sistema de poços filtrantes 3.0 Principais Processos de Rebaixamento Na prática. e em seguida é recalcada para fora da zona de trabalho. podendo provocar o fenômeno da areia movediça (afofamento do solo) e ruptura de fundo (Figura 3. Cabe ressaltar que este processo só deve ser empregado em obras de pequeno porte. podendo provocar recalques das fundações vizinhas. 1977). que existem quando a massa d´água é suportada por uma camada impermeável situada acima do nível freático local.Casos especiais de aqüíferos livres são os denominados aqüíferos suspensos. o esgotamento da água do interior de uma escavação é feito por meio de bombas centrífugas (ver Figura 3. 3.3a. fluxo d´água para o interior da escavação através da base.2 – Sistemas de rebaixamento de nível d´agua por bombeamento(Caputo. A água é conduzida através de valetas para dentro de um poço executado abaixo da escavação. ou Figura 3. conforme mostrado na Figura 3.2 (à direita). tendo em vista os seguintes motivos: i) ii) carreamento de partículas finas do solo pela água. conforme mostrado no esquema da Figura 3. Os aqüíferos suspensos são alimentados pela água que infiltra no terreno sempre que ocorre precipitação. não sendo recomendado um maior número de estágios. conforme mostrado na Figura 3. (b) Figura 3.5. como é grande o número de ponteiras filtrantes distribuídas pela área. b) afofamento do solo motivado por subpressão elevada (Caputo. é recomendado que o sistema seja projetado em dois estágios. É possível com esse sistema rebaixar até 9 metros de coluna d´água numa área. b) seção Neste processo.4 – Sistema de rebaixamento de nível d´agua com poços filtrantes: a) planta. Este sistema apresenta a vantagem de possibilitar o rebaixamento de toda a área de trabalho de interesse. um exemplo típico de um sistema de rebaixamento com ponteiras filtrantes. 3. Todavia. o rebaixamento é feito por meio de poços situados no aquífero (ver Figura 3.(a) (b) 3.3 – Efeitos do rebaixamento de nível d´agua por bombeamento: b) carreamento de finos.4a apresenta. 1977). apresentado no item anterior. 1977). eliminando os inconvenientes existentes quando do uso do sistema de bombeamento. (a) transversal típica (Caputo.4).2 Sistema de poços filtrantes (wellpoints) Neste caso. enquanto na Figura 3. para rebaixamentos maiores de 7 metros. A Figura 3. 56 . o rebaixamento do nível d´água é conseguido de maneira rápida e uniforme.4b mostra-se uma seção transversal. em planta. o processo poderá ser empregado.2. do terreno. 1977). da descarga da bomba.6 – Forma cônica obtida com o sistema de rebaixamento com poços filtrantes (Caputo.2. Figura 3. o sistema de poços filtrantes é aplicável eficientemente aos solos permeáveis. com coeficiente de permeabilidade de no mínimo 1 x 10-3 cm/s e diâmetro efeito do solo (Φefet) acima de 0. formando assim um dreno vertical. de seu espaçamento.Figura 3. a experiência evidencia que se cria em torno de cada filtro uma zona rebaixada de forma cônica.1mm. O rebaixamento máximo depende de alguns fatores: do número de ponteiras.1 Principais limitações do sistema de poços filtrantes Com relação à natureza do terreno. etc. 1977). após certo tempo. 3. 57 . uma instalação de rebaixamento do N. Em solos argilosos.5 – Sistema de rebaixamento de nível d´agua com poços filtrantes em estágios (Caputo. conforme mostrado na Figura 3. 3.2 Cálculo de uma estação de bombeamento com poços filtrantes Quando se tem em funcionamento..6.A. desde que se envolva o tubo coletor com uma coluna de areia e pedregulho. que é a altura do nível da água no poço. obtém-se: C = h2 − q ln r πk (5) Substituindo-se C pelo valor encontrado. conforme mostrado nas Figuras 3. ou seja: H 2 − h2 = q R ln πk r (8) 58 . tem-se: y2 = q ln x + C πk (4) onde C é a constante de integração. a) Cálculo para a situação de poço único De acordo com os elementos mostrados na Figura 3. vem: ydy = q dx 2πk x (3) Integrando a e1uação 3 e simplificando os termos. é preciso que se defina se este será em poço único (por exemplo. obtém-se. Figura 3. tem-se: y2 = q q ln x + h 2 − ln r πk πk (6) Da equação 6. tem-se para a velocidade da água e para a descarga do poço as seguintes equações 1 e 2: vx = k dy dx dy dx (1) (2) q = 2π . finalmente a equação 7: y2 − h2 = q x ln πk r (7) que é a equação meridiana do rebaixamento no caso de único poço. x assume o valor de R. ou seja o raio de influência do poço.Para o dimensionamento do rebaixamento.6) ou se com um sistema de poços.6.k Separando-se as variáveis na equação 2.xy. tem-se y = h. que pode ser determinada a partir da observação de que para x =r (raio do poço). Dessa forma.5. Se na equação 7 for igualado y = H.4 e 3. conforme Figura 3. em m/s e H e hw expressos em metros.Da equação 8. obtida da equação 8. No caso do poço não atingir a camada impermeável. obtém-se: h= H2 − q R ln πk r (9) De onde. há uma descarga e um valor de rebaixamento máximo. admite-se que H corresponde à distância entre a superfície do nível d´água e o fundo do poço. A uma distância x qualquer do poço. o rebaixamento máximo será igual a: H −h = H − H 2 − q R ln πk r (10) Portanto. a descarga do poço.7 – Rebaixamento com poço onde a ponta filtrante está acima da camada impermeável. será obtida da equação 11: q= πk ( H 2 − h 2 ) R ln r (11) onde R é o raio de influência do poço. para um determinado poço de raio “r”. Figura 3. numa 59 . quando se deseja rebaixar uma quantia (H – y). o valor do rebaixamento será dado pela seguinte equação: H − y = H − h2 − q x ln πk r (13) b) Cálculo para a situação de sistema de poços ou de ponteiras De um ponto de vista prático. Portanto. calculado pela fórmula de Sichard: R = 3000 ( H − hw ) k (12) Em que k é o coeficiente de permeabilidade do solo.7. ou seja: 2 A = a ⋅ b = πrm ⇒ rm = S π (14) O raio de influência do rebaixamento. conforme mostrado na equação 12. ou seja: n= 1. Q. é aconselhável majorar-se a vazão total calculada no passo “c” em 25%.25Q qmáx (17) 3. pode-se assimilar essa área à de um círculo de raio rm. Os jardins perdem a sua exuberância pela queda no teor de umidade do solo. 60 . um rebaixamento pode provocar: i) diminuição na umidade média dos terrenos em torno da área.determinada área A (ver Figura 3. que é a distância a partir do eixo do poço até onde se admite que a influência do rebaixamento cessa.3 Principais efeitos do rebaixamento do lençol freático Quando os devidos cuidados não são tomados.8 – Área de um rebaixamento com sistema de ponteiras filtrantes. Figura 3. usa-se a seguinte equação: Q= 2 kπ H 2 − hw R ln rm ( ) (15) A máxima vazão individual de cada ponteira pode ser calculada pela regra de Sichard: qmáx = 2πrhw k 15 (16) onde r é o raio da ponteira adotada. pode ser calculado a partir da fórmula de Sichard. R.8). Para o cálculo da vazão total do sistema. Para o cálculo do número de ponteiras necessárias para efetuar o rebaixamento (n). em metros.2. Além disso.12 são mostradas fotos de sistemas de rebaixamento de nível d´água em operação em uma obra na cidade de Aracaju. o terreno cede verticalmente. onde veículos podem cair. portas que não fecham direito. através das ponteiras filtrantes.10). destacamento de placas de revestimento de pisos.9.10). Dependendo do tipo de solo e do tipo de fundação empregada no prédio. destacam-se o aparecimento de trincas que antes não existiam. d) central de sucção: bomba de sucção capaz de aplicar o vácuo necessário para recalcar a água à superfície. e pela descarga para local escolhido (ver Figuras 3.9. É importante. ligeira inclinação do prédio. tanques de peixes e espelhos d'água podem rachar. e o pavimento da rua pode ceder. podendo afundar jardins.9.10. Como conseqüências desses recalques. trincas em vidros das janelas. c) tubo coletor secundário ou giro: responsável pelo transporte da água desde as ponteiras até o tubo coletor principal (ver Figuras 3. mesmo que o edifício esteja distante do local da obra.ii) iii) a vitalidade da vegetação de grande porte que se servem da água do lençol. 61 . b) tubo coletor principal: responsável pela coleta da água advinda das ponteiras. o adensamento do terreno pela diminuição da pressão neutra do sub-solo. a) ponteira filtrante: tubo com ponta perfurada (drenante). para melhor compreensão. Nas Figuras 3. 3. vazamento (quase imperceptível) de gás. descrever os principais elementos que compõem um sistema de rebaixamento com ponteiras filtrantes. através dos coletores secundários. 3. destacamento de azulejos. abrindo crateras. podem ocorrer recalques diferenciais.9 a 3. 3.12). responsável pela condução da água do solo até os tubos coletores (ver Figuras 3. vazamento de água. Mais popularmente conhecido como afundamento (recalque). etc. janelas de correr que começam a engripar. iv) afundamento do piso da garagem do prédio.11 e 3. 3. 62 .Figura 3. Figura 3.9 – Sistema rebaixamento com sistema de ponteiras filtrantes em operação.10 – Detalhe do operário conectando uma ponteira filtrante ao coletor secundário. principalmente em razão dos recalques que podem acontecer pelo aumento das tensões efetivas (ver Figura 3.2. 3. detalhe da escavação e do coletor principal alimentado pelos vários coletores secundários (b).11 – Detalhes dos coletores do sistema de ponteiras filtrantes.4 Recarga do aqüífero do terreno vizinho A recarga do aqüífero freático é uma técnica que pode ser usada para evitar que o rebaixamento realizado em um terreno provoque danos em uma obra vizinha.Figura 3.12 – Central de sucção usada para o sistema de ponteiras filtrantes (a). (a) (b) Figura 3.13). 63 . 64 .Figura 3. Figura 3.14.13 – Recarga de aqüífero.Q w (para L = L0 ) . conforme segue: Qw = 2 kπ H 2 − h w 2L 1 a + ln a π 2πrw ( ) (18) Logo. a contribuição de cada poço será: Qi = Q w (para L = L) . poderá ser estimada a partir da equação para a linha de poços com fonte linear. conforme mostrado na Figura 3.14 – Detalhes de projeto de recarga de aquífero. A vazão a ser injetada por cada poço (Qi) para recarregar o aqüífero vizinho. nd w C = coeficiente de vazão do orifício. correspondente ao trecho perfurado. Ou seja. será estimado com base em equações já conhecidas (22 e 23). fazendo-se Qw = Qi. obtida com auxílio do ábaco da Figura 3. g = aceleração da gravidade. hf ≥ Qw V máx αβπ d p + ∆h (22) em que o valor de ∆h será: ∆h ≅ Qw n h f k´ f + nd 2 Qw (CS 0 ) 2 2 g (23) onde.6 a 1.15. de injeção. a vazão individual será: 2 (L 0 − L ) k H 2 − hw Qi = ( ) 1 2 L0 L a + (L0 + L ) ln π 2πr a w a1 a + ln 2 π 2πr w 2 (19) onde o valor de L0 correspondente à vazão sem recarga será adotado como da ordem do de R. que varia de 0. mostrado na equação 12. Isto é: L0 = R = 3000 ( H − hc ) k (20) A altura de água a ser aplicada em cada poço (hi). 65 . k´ = coeficiente de permeabilidade do material do filtro. poderá ser estimada com base no caso de vazão constante.0. deve permitir a saída da vazão Qi.Portanto. ou seja: hf Qi ln 2r w hf 1 + + 2r w 2πkh f 2 hi > (21) O valor de hf . a relação nf dp = f d . S0 = αβπd p (h f − ∆h) = área perfurada disponível. do tubo do poço. 15 – Ábaco para obtenção da relação nf/nd em função de dp/dw. β = área perfurada do tubo perfurado. o tubo perfurado. Figura 3.α = área perfurada tela que recobre. e dp = diâmetro do tubo do poço. Vmáx – velocidade de percolação no trecho filtrante do poço ≅ de 5 a 8 cm/s. por unidade de área das mesma (≅ 50%). por unidade de área do mesmo (≅ 10%). dw = diâmetro do poço. eventualmente. 66 . 004 ⋅1. será colocada uma ponteira a cada 2.005 m3 s = 18 m3 h e) Descarga máxima de cada poço ou ponteira qmáx adotando-se hw = 1m. 2π ⋅ 0.005 = 60 poços ou ponteiras 0.000084 2(a + b) 2(40 + 25) = = 2.4. 67 .8m R = 3000 ⋅ 7 ⋅ 10−4 = 210m c) Descarga total Q= 10 −4 π 20 2 − 132 = 0. aconselha-se aumentar em 25% a vazão Q = 0.0 Exemplo de Aplicação EXEMPLO 1: Calcular um sistema de rebaixamento com os dados abaixo: S = 1000 m2 (25 m x 40 m) H = 20 m H – hw = 7 m (y = hw) r = 0.25 = 0.16m n 60 e= Ou seja.16 metros.8 ( ) d) Para o cálculo das bombas.004 m 3 s 210 ln 17. aproximadamente.02 m k = 1 x 10-4 m/s Solução: a) Raio médio rm = b) Raio de influência do rebaixamento 1000 π = 17.000084 m 3 s 15 f) Numero de poços necessários ao sistema de rebaixamento n= g) Espaçamento entre ponteiras 0.02 ⋅1 ⋅ 10 −4 = = 0. 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