Medição de tensões In Situ em maciços rochosos e estruturas de concreto

Abstract

A determinação de tensões in situ em maciços rochosos tem assumido importância crescente quando se trata de projetar a ocupação do espaço subterrâneo uma vez que as manifestações dessas tensões influenciam não apenas a disposição espacial e a geometria das estruturas subterrâneas, mas também os processos executivos nelas aplicados. Por outro lado, tensões não previsíveis, que desencadeiam patologias têm sido detectadas em diversas estruturas de concreto, impondo-se também sua determinação de forma a subsidiar as providências de recuperação. As técnicas de medição de tensões in situ têm evoluído durante anos, tendo se iniciado com os métodos de alívio de tensões por exposição de superfícies nos anos 1930 e 1940, prosseguindo com as almofadas planas de 1950, os métodos de alívio de tensões em furos dos anos 1950 e 1960 e aplicações à engenharia do método do fraturamento hidráulico nos anos 1970. Métodos e dispositivos têm sido desenvolvidos em diversos países para a medição das tensões in situ. Nesse contexto esta tese trata do desenvolvimento de dois dispositivos para essa finalidade. O primeiro deles uma célula triaxial para a determinação das tensões in situ pelo método da sobrefuração (overcoring) e o segundo, um pressiômetro que determina essas tensões pelo método da reposição dos deslocamentos. A ênfase sobre os métodos mencionados deve-se à possibilidade de emprego dual dos mesmos, tanto em maciços rochosos quanto em estruturas de concreto. O estudo tem início com uma revisão sobre as origens das tensões na crosta terrestre e nas estruturas de concreto, analisando os fatores que influenciam na distribuição dessas tensões, avaliando diversos métodos e dispositivos dedicados à sua determinação com ênfase em dois métodos, o da sobrefuração (overcoring) e o da reposição dos deslocamentos/deformações. São discutidas ainda a acurácia dessas determinações, as incertezas que as cercam e ao final, é apresentada uma sequência de questões voltadas à definição de necessidades, escolha do método e garantia da sua qualidade. O desenvolvimento propriamente dito se inicia pela modelagem que definiu as características geométricas da célula triaxial, descreve a seleção dos seus sensores, detalha a sua fabricação e o projeto e desenvolvimento de dispositivos acessórios. São apresentados também os ensaios em laboratório e os testes in situ comparativos com células já consagradas no âmbito internacional. Com relação ao pressiômetro, são relatados os testes in situ iniciais que nortearam sua concepção e apresentado o projeto e o desenvolvimento final do dispositivo. Na sequência, são apresentadas as modelagens, física e numérica, cujo objetivo seria indicar a disposição ideal dos elementos de indicação e controle das deformações. Por fim descreve-se o emprego do pressiômetro em um furo circular na face de um bloco de argamassa submetido a um estado plano de tensões. As conclusões extraídas das análises dos experimentos e os resultados obtidos originaram sugestões para o prosseguimento dos estudos, tendo como foco o aprimoramento dos testes, dos dispositivos e métodos, bem como o conhecimento das incertezas relacionadas aos mesmos. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Determining in situ stress at rock masses has grown importance when projecting underground occupation, because these stress influence not only the special disposition and the geometry of underground structures, but also the executive processes applied to them. On the other hand, non-predictable stress that leads to ground pathologies has been detected in many concrete structures, whose determination is absolutely necessary in order to further rehabilitation. Techniques to measures in situ stress have improved during the past years, initiating with stress relief methods through surfaces exposition in the 30´s and 40´s, followed by small flat jack method in the 50´s, tension relief in holes in the 50´s and 60´s, and hydraulic fracturing method applied to engineering in the 70´s. Method and devices have been developed in several countries to measure in situ stress. In this context, this thesis aims to develop two new devices to measure in situ stress. The first one is a triaxial cell to determine in situ stress through overcoring method. The second is a pressuremeter that determines these stress on basis of displacement reposition method. The emphasis on above techniques is due to their dual usages, either at rock masses or concrete structures. This study starts with a review on the origin of the tensions at earth surface and concrete structure, analyzing the factors which influence the distribution of these tensions and then, evaluating several methods and displays, focusing two of them: overcoring and displacements/strains reposition. Furthermore, the debate goes through accuracy of these determinations, the uncertainty around them and, finally, it is presented a sequence of questions related to needs definition, methods choice and quality assurance. The development itself starts by the modeling that has defined the geometrical characteristics of triaxial cell. Then, describes the sensors selection process, manufacturing and devices development project. Moreover, the study presents lab essays and in situ comparative trials with cells established in international scope. Regarding pressuremeter, the thesis describes initial in situ trials that guided its conception and presents the device project and final development. After that, this paper presents physical and numerical modeling, which aims to indicate the ideal disposition of the strains control elements. At last, it describes pressuremeter usage in circular orifice at mortar block surface, submitted to a biaxial stress state. The conclusions extracted from experimental analysis and the main findings led to new suggestions for continuing the study, focusing the trials, devices and methods improvement, as well as the knowledge of uncertainities related to them.