Mestrado Integrado em Engenharia Civil

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Mestrado Integrado

em Engenharia Civil

Área de Especialização

de Geotecnia

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Mestrado Integrado em Engenharia Civil – Área de Especialização de Geotecnia 2010-2011

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ÍNDICE

ÁREA DE GEOTECNIA ... 2 1 DISCIPLINAS ... 3

1.1 Mecânica das Rocha 3

1.2 Mecânica dos Solos do Estado Crítico 4

1.3 Obras de Escavação e Contenção 5

1.4 Obras de Terra 6

1.5 Engenharia Sísmica Geotécnica 7

2 TEMAS DE DISSERTAÇÃO ... 8

2.1 Fundações Especiais 8

2.2 Avaliação do Risco e Incertezas em Obras Geotécnicas 8

2.3 Análise Dinâmica de Obras Geotécnicas 10

2.4 Análises Numéricas de Obras Geotécnicas 10

2.5 Geotecnia Ambiental 12

2.6 Melhoramento e Reforço de Solos 12

2.7 Análise do Comportamento de Obras Geotécnicas 13

2.8 Caracterização Geotécnica de Maciços 14

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ÁREA DE GEOTECNIA

A Geotenia é a área da Engenharia Civil onde se aplicam os conceitos e princípios fundamentais da Geologia, da Mecânica dos Solos e da Mecânicas das Rochas a problemas práticos tradicionais que vão desde a identificação e a caracterização dos maciços, as fundações, a estabilidade de taludes, as estruturas de suporte de terras, as obras subtrerrâneas, os aterros e as barragens, até outros que têm vindo a ganhar importância crescente, como o melhoramento e o reforço de solos, o comportamento dos maciços sob acções sísmicas, o tratamento de resíduos e a migração e dispersão de poluentes nos maciços e nos respectivos aquíferos.

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1. DISCIPLINAS

1.1 Mecânica das Rochas (6,0 uc)

Descrição

Esta disciplina tem como objectivo introduzir os alunos aos conceitos específicos da Mecânica das Rochas, com particular destaque na sua aplicação a problemas concretos relativos a obras subterrâneas, taludes e fundações.

– Matriz rochosa: classificação geológica, índices.

– Alteração da matriz rochosa: processos de alteração (química, física e perturbações associadas a taludes).

– Prospecção: planos de prospecção; Mapeamento geológico (mapas e perfis); sondagens em maciços rochosos; ensaios geofísicos.

– Descontinuidades: caracterização; representação; resistência ao corte.

– Resistência e deformabilidade da matriz rochosa: mecanismos de rotura; ensaios de laboratório; anisotropia; critérios de rotura (Mohr-Coulomb e Hoek-Brown).

– Resistência e deformabilidade dos maciços rochosos: critérios de rotura; Geological Strength Índex (GSI); módulos de deformabilidade. Resistência ao corte de diaclases. – Sistemas de classificação de maciços rochosos: Rock Mass Rating (RMR); Índice de

Qualidade (Q).

– Tensões internas nos maciços rochosos.

– Aplicação da Mecânica das Rochas a obras subterrâneas, taludes e fundações.

Organização

A leccionação da disciplina está organizada em aulas teóricas (45 hrs) e teórico-práticas (22,5 hrs), sendo a avaliação feita através da elaboração de dois trabalhos de síntese durante o semestre, com acompanhamento tutorial do docente (40% da nota final) e um exame (60% da nota final).

Docente

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1.2 Mecânica dos Solos do Estado Crítico (6,0 uc)

Descrição

A disciplina pretende desenvolver nos alunos a capacidade teórica para perceber o comportamento dos solos integrando a variação de volume e a resistência ao corte e para o cálculo das deformações utilizando a teoria da plasticidade. Pretende ainda desenvolver a capacidade crítica em relação aos métodos aproximados utilizados na verificação do estado limite último através de modelos perfeitamente plásticos e do estado limite de utilização através da teoria da elasticidade.

– Estados de tensão e de deformação; trajectórias de tensão e de deformação; deformações volumétricas; comportamento tensão-deformação de um solo real; noção de elasticidade e linearidade; endurecimento; resistência de pico; amolecimento; deformações permanentes; resistência ao corte a volume constante e residual; comportamento elástico perfeitamente plástico e sua comparação com o comportamento real dos solos.

– Modelo do estado crítico: trajectória das tensões de ensaios drenados e não drenados; a linha do estado crítico no sistema de eixos q-p e -p; a superfície de Roscoe; variações de volume e de pressão intersticial; comportamento de solos sobreconsolidados; superfície de Hvorslev.

– Comportamento dos solos antes da rotura: conceitos da teoria da elasticidade e plasticidade; cálculo das deformações elásticas e plásticas; modelos de Cam-clay e de Cam-clay modificado.

– Obtenção dos parâmetros do solo: ensaios edometrico, triaxial e caixa de corte directo; determinação de cu função do teor em água.

Organização

A matéria é leccionada nas aulas teóricas (30 hrs), sendo sedimentada através de trabalhos de grupo, com a resolução de exercícios de aplicação sob orientação tutorial (15 hrs). Nas aulas práticas laboratoriais (22,5 hrs) serão realizados alguns ensaios de caracterização mecânica. Para a avaliação contarão os exercícios resolvidos nas aulas com orientação tutorial (20%), os relatórios dos ensaios laboratoriais (20%) e o exame final (60%).

Docente

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1.3 Obras de Escavação e Contenção (6,0 uc)

Descrição

O objectivo da disciplina é o de fornecer aos alunos uma formação aprofundada na concepção, no projecto, na construção e na observação de estruturas de contenção de terras, seja de aterros, seja de estavações.

– Definições e critérios gerais de projecto: estados limites; coeficientes de segurança globais e parciais; Eurocódigo 7.

– Estruturas de suporte rígidas: cálculo das pressões de terra em condições estáticas e sísmicas; tipos de estruturas de suporte rígidas; concepção e aspectos construtivos; dimensionamento externo e estrutural.

– Estruturas de suporte flexíveis: efeito de arco em solos; principais tipos de estruturas de suporte flexíveis; concepção e aspectos construtivos; cálculo das pressões de terra e dimensionamento dos diversos elementos estruturais; ancoragens pré-esforçadas; verificação da estabilidade externa; estimativa dos movimentos induzidos pela construção e previsão de danos em estruturas próximas; instrumentação e observação. – Estruturas de suporte estabilizadas internamente: noção de reforço de solos;

mecanismos de mobilização dos esforços; concepção e dimensionamento de muros de terra armada e de muros pregados.

Organização

A matéria é leccionada nas aulas teóricas (45 hrs) com exposição das teorias e dos métodos, sendo as restantes 22,5 hrs destinadas ao acompanhamento tutorial dos alunos na execução dos trabalhos propostos. Visitas de estudo a algumas obras estão previstas.

A avaliação é feita através da elaboração de trabalhos de dimensionamento de alguns tipos de estruturas de contenção (80%) e de um exame oral (20%).

Docente

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1.4 Obras de Terra (6,0 uc)

Descrição

O objectivo da disciplina é dar formação avançada aos alunos na concepção, dimensionamento, construção e observação de obras em que a execução de aterros tem papel relevante, nomeadamente aterros rodoviários, barragens e aterros sanitários.

– Terraplanagens: metodologia; compactação superficial; equipamentos; controlo; estabilização dos solos com ligantes.

– Aterros sobre solos moles: características dos solos moles; verificação da estabilidade; cálculo das deformações verticais e horizontais; comportamento de um aterro típico; técnicas construtivas; instrumentação.

– Melhoramento dos maciços: drenos verticais; estacas de brita; substituição dos solos; colunas de solo reforçado; pré-carga; injecções; geossintéticos.

– Barragens de terra e de enrocamento: factores condicionantes da concepção; dimensionamento do aterro e do maciço de fundação; drenos e filtros; observação do comportamento.

Organização

A matéria será leccionada nas aulas teóricas (45 hrs), sendo as aulas teórico-práticas (15 hrs) reservadas à resolução de alguns problemas de aplicação prática. As restantes 7,5 hrs serão destinadas a visitas de estudo.

A avaliação será constituída pela elaboração de um projecto (50%) e um exame (50%).

Docentes

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1.5 Engenharia Sísmica Geotécnica (4,5 uc)

Descrição

A disciplina pretende atingir os seguintes objectivos fundamentais:

– fornecer uma base teórica sólida para a compreensão e a análise de problemas de dinâmica, nomeadamente no campo da Geotecnia;

– evidenciar a complexidade da Engenharia Sísmica Geotécnica, distinguindo entre soluções ideais, a explorar em investigação, e soluções possíveis, de aplicação prática; – fomentar o espírito de crítica e análise, fundamentado no uso de ferramentas de

trabalho inovadoras;

– melhorar a capacidade de apresentação oral e escrita de estudos técnico/científicos. No âmbito dos dois primeiros objectivos fundamentais, os seguintes assuntos serão abordados em maior detalhe:

– Introdução à engenharia sísmica geotécnica; – Sismologia e caracterização de sismos; – Propriedades dinâmicas dos solos; – Propagação de ondas em maciços;

– Análise do comportamento dinâmico de estruturas; – Interacção solo-estrutura;

– Liquefacção de maciços;

– Melhoramento e reforço de maciços para minimizar efeitos dos sismos.

Organização

A leccionação da disciplina está organizada em aulas teóricas (30 hrs) e teórico-práticas (22,5 hrs). A avaliação será feita através de trabalho individual de desenvolvimento, tendo por base os vários temas da disciplina e tendo como objectivo garantir o cumprimento dos dois últimos objectivos fundamentais estabelecidos anteriormente (50%) e exame (50%)

Docente

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2. TEMAS DE DISSERTAÇÃO

2.1 Fundações Especiais

Descrição

As fundações dos aerogeradores, em terreno de boa qualidade, são habitualmente constituídas por fundações directas de grandes dimensões, podendo atingir volumes da ordem dos 350 m3 de betão e 150 m3 de enrocamento. Tal deve-se à elevada excentricidade provocada pelo grande momento e reduzida carga vertical provenientes da torre que suporta o aerogerador. Pretende-se com este estudo avaliar a viabilidade técnica e económica da adopção de fundações por microestacas, com o objectivo de reduzir as dimensões das fundações directas. As microestacas são constituídas por tubos ou varões metálicos ligados ao terreno através de calda de cimento injectada sob pressão. Apresentam elevada resistência à tracção e compressão e permitem suportar parte dos esforços introduzidos pelo aerogerador na fundação.

Serão desenvolvidos estudos numéricos e ensaios em modelos à escala reduzida, no laboratório de geotecnia.

Pretende-se também avaliar o comportamento das microestacas submetidas a cargas cíclicas, o que será feito através de ensaios em modelos à escala reduzida. O objectivo é o de desenvolver modelos de cálculo que permitam incorporar o comportamento sob acções cíclicas no modelo global do aerogerador.

Orientadores

Paulo Lopes Pinto e Carlos Rebelo

2.2 Avaliação do Risco e de Incertezas em Obras Geotécnicas

Descrição

Neste tema dois estudos de índole diferente são propostos. O primeiro está relacionado com a análise do risco geológico-geotécnico em maciços rochosos e o segundo com a análise de risco em grandes obras públicas, nomeadamente da linha ferroviária de alta velocidade, assunto que se tem popularizado face aos grandes investimentos exigidos e à necessidade de tomar decisões com justificação técnica, que antecipem os vários cenários que envolvem a construção e a exploração da obra.

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investigadores em todo o mundo. Essa experiência tem sido aplicada na implementação de sistemas de gestão do risco em taludes e obras subterrâneas, entre outras.

O objectivo desta área de investigação consiste no levantamento das práticas existentes no nosso país e a nível internacional, bem como o estudo de casos de obra onde o sistema de gestão de risco tenha sido ou esteja a ser implementado.

O Departamento de Engenharia Civil da FCTUC participa no Projecto Risk, enquadrado na Área Temática de Transportes do Programa MIT-Portugal, no qual se pretende criar ferramentas de optimização do traçado de linhas ferroviárias de alta velocidade que tenham em conta o risco e a incerteza. Neste âmbito, o conhecimento dos custos dos diferentes tipos de obras associados à construção de uma linha ferroviária de alta velocidade constitui um aspecto fundamental para uma aplicação realista da ferramenta.

A proposta de dissertação incluída neste estudo visa assim estabelecer os custos de diferentes tipos de obras, incluindo aterros, escavações, pontes e túneis, em função das condicionantes locais, incluindo as características geológico/ geotécnicas, geométricas, etc. O trabalho será essencialmente de revisão bibliográfica e envolverá uma participação activa no Programa de Investigação em causa e uma interacção permanente com investigadores nacionais e internacionais activamente envolvidos no desenvolvimento das ferramentas de optimização descritas para perceber as suas necessidades.

Orientadores

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2.3 Análise Dinâmica de Obras Geotécnicas

Descrição

No âmbito deste tema pretende-se, por um lado, rever os métodos de dimensionamento das obras geotécnicas às acções sísmicas. Em particular, pretende-se verificar o impacto das disposições dos Eurocódigos 7 e 8, no dimensionamento de fundações, muros, contenções, taludes e túneis. Este é um estudo suficientemente vasto para dar origem a várias teses de mestrado.

Por outro lado, atendendo a que o Departamento de Engenharia Civil da FCTUC tem em curso um projecto de investigação com o Imperial College de Londres com o objectivo de proceder a uma avaliação dos efeitos da passagem de comboios de alta velocidade sobre o meio ambiente envolvente, é importante caracterizar a solicitação imposta pelos comboios de alta velocidade sobre a infraestrutura e maciços envolventes.

A proposta de dissertação incluída neste estudo tem por objectivo caracterizar, através de revisão bibliográfica e/ou através do contacto com empresas de especialidade, as acções dinâmicas impostas pela passagem do comboio de alta velocidade. O tipo de composição, a velocidade de circulação e os maciços atravessados serão aspectos a ter em consideração na caracterização da solicitação dinâmica imposta pela passagem das composições.

Orientadores

Paulo Lopes Pinto, Paulo Coelho e José Carlos Grazina

2.4 Análises Numéricas de Obras Geotécnicas

Descrição

Há 20 anos que no Laboratório de Geotecnia do DEC são desenvolvidos programas de cálculo automático que têm permitido aprofundar a compreensão do mecanismo de funcionamento das obras geotécnicas e efectuar previsões do seu comportamento. Utilizando esses programas de cálculo três estudos são propostos. Nos dois primeiros é empregue um programa baseado no método dos elementos finitos, que permite a consideração das condições do terreno, nomeadamente a sua estratificação e a posição do nível freático, a reprodução das diversas fases construtivas e ainda a possibilidade de representar o comportamento mecânico dos

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No primeiro pretende-se efectuar um estudo paramétrico sobre o comportamento de aterros fundados sobre solos estabilizados com barretas de “Deep Mixing”. Este estudo incidirá na análise da influência da rigidez das barretas, da distância entre elas, da largura do aterro, do seu posicionamento sobre a base do aterro (centro, lateral), da largura de influência a estabilizar, da altura e características do aterro, etc.

No segundo estudo proposto procurar-se-á avaliar a influência da sequência construtiva de um túnel aberto de acordo com os princípios do NATM, em particular do comprimento de cada etapa de escavação, nos esforços mobilizados no suporte primário. Diferenças entre os valores obtidos em cálculos tridimensionais e em cálculos bidimensionais serão analisadas.

O terceiro estudo proposto, empregando software desenvolvido no DEC, consiste na verificação das diferentes possibilidades de utilização de um algoritmo de optimização, baseado em algoritmos genéticos, para a calibração de modelos com base em resultados experimentais. Será dada particular atenção à quantidade de informação necessária para se obter uma boa calibração e à forma como se pode contornar a fraca adaptação de um dado modelo a resultados experimentais específicos de forma a obter uma modelação aceitável em função dos objectivos primários da modelação.

Um outro estudo no âmbito do tema das análises numéricas é ainda proposto. Neste é utilizado um programa comercial de elementos finitos PLAXIS, procurando-se estabelecer as consequências das opções por ele oferecidas na modelação de obras geotécnicas em condições não drenadas. O trabalho será desenvolvido por calibração de resultados experimentais obtidos sobre amostras de solos moles do Baixo Mondego em ensaios elementares. A análise dos resultados permitirá identificar os efeitos da utilização das diferentes metodologias que podem ser utilizadas na modelação do comportamento de solos argilosos em condições não drenadas, assim como determinar os efeitos que tal pode ter sobre os resultados da modelação de obras reais.

Orientadores

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2.5 Geotecnia Ambiental

Descrição

Um dos problemas graves da nossa sociedade, tendo em vista um desenvolvimento sustentável, é o tratamento dos resíduos, que têm vindo a crescer drasticamente. É um problema transversal a várias áreas do conhecimento, sendo particularmente importante na área da geotecnia. O tratamento dos resíduos pode ser feito no sentido da sua valorização ou, caso esta não seja exequível, da deposição. Actualmente parece ser possível a valorização de resíduos não contaminantes para funções essencialmente de drenagem e de reforço, através da sua mistura controlada no solo. Os resíduos sólidos têm as mais diversas formas e origens, e propõe-se o estudo da sua utilização para melhorar as características de resistência mecânica, de deformabilidade e de permeabilidade dos solos. Relativamente à deposição, esta deve ser feita de modo controlado, para minimizar os riscos de contaminação.

Orientadores

Isabel Pinto

2.6 Melhoramento e Reforço de Solos

Descrição

Desde a Antiguidade que o Homem tenta dominar e modificar a Natureza para satisfazer as suas necessidades. Quando um solo não apresenta as características de resistência, deformabilidade ou permeabilidade adequadas à construção planeada, há que o melhorar (através da modificação da matriz do solo) ou reforçar (introduzindo elementos resistentes para onde vão ser transferidas as cargas que o solo não tem capacidade para resistir). Muitas das técnicas de tratamento são já seculares, mas sofreram evolução, devido ao desenvolvimento das ferramentas tecnológicas em geral, do aparecimento de novos materiais, e do aumento das exigências relativas ao solo. O conhecimento destas técnicas foi também evoluindo, deixando de ser exclusivamente empírico para ser mais baseado na ciência. Muito há ainda a evoluir, pelo que alguns estudos no âmbito deste tema são propostos.

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Num outro estudo pretende-se analisar a influência da mistura de solos com ligantes no coeficiente de permeabilidade. Será analisada a influência do tipo de ligante utilizado, do nível de tensão e das condições de cura. Complementarmente será também estudado a evolução no tempo do coeficiente de permeabilidade. A análise experimental será fundamentalmente realizada nos permeâmetros de carga variável e na célula de Rowe.

Ainda num outro estudo pretende-se analisar a influência da bio-estabilização na resistência ao corte de dois solos, um arenoso e outro areno-siltoso. Serão analisados os efeitos na adição de diversos agentes bio-estimuladores, com os quais se visa a criação de ligações adicionais entre as partículas dos solos, com o consequente aumento da resistência ao corte. Complementarmente será também estudado a evolução no tempo da resistência ao corte. A análise experimental incidirá na realização de ensaios de corte directo (areia) e triaxiais (areia siltosa).

Orientadores

Isabel Pinto e Paulo da Venda

2.7 Análise do Comportamento de Obras Geotécnicas

Descrição

Atendendo às numerosas incertezas associadas à definição das características mecânicas dos maciços interessados pelas obras e à quantificação das acções actuantes, em particular, no caso das obras de escavação, no que diz respeito às que resultam do alívio das tensões iniciais, crê-se ser de todo o interesse o desenvolvimento de metodologias de retroanálise que permitam, utilizando os resultados fornecidos pela instrumentação da própria obra, reavaliar os parâmetros geotécnicos mais representativos do seu comportamento, nomeadamente os associados à deformabilidade e à resistência do maciço e ao estado de tensão in situ. Dessa forma poderá alargar-se o âmbito das actividades da observação, permitindo uma melhor avaliação das condições de segurança e da adequabilidade dos métodos construtivos, das soluções estruturais e dos próprios modelos de cálculo utilizados.

Para a concretização de tais objectivos, propõe-se neste tema a realização de análises do comportamento observado de diversos tipos de obras geotécnicas, tais como taludes (onde é extremamente importante ligar a ocorrência de escorregamentos com as características das chuvas ocorridas no período anterior), estruturas de suporte e estruturas subterrâneas.

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Orientadores

Luís Lemos e Jorge Almeida e Sousa

2.8 Caracterização Geotécnica de Maciços

Descrição

A caracterização geotécnica de maciços, conduzida em laboratório ou no campo, é uma componente essencial de qualquer projecto de dimensionamento. Tal resulta da variabilidade do comportamento dos solos, não só em função das suas características intrínsecas (areia, mais ou menos compacta, argila, mais ou menos sobreconsolidada, composição granulométrica e mineralógica, etc) como do tipo de solicitação aplicada (cíclica ou monotónica, em compressão ou extensão, impondo pequenas ou grandes deformações, aplicada em condições drenadas ou não drenadas, etc).

Neste tema são propostos estudos sobre a caractarização geotécnica dos pelitos (rocha sedimentar constituída por minerais da granulridade das argilas e dos siltes), dos solos residuais do Porto (resultantes da alteração mais ou menos profunda de rocha granítica) e de solos moles.

É também proposto um estudo sobre a resistência ao corte de alguns solos portugueses, função da sua composição granulométrica e do tipo de mineral argiloso presente.

Finalmente, com base na recolha bibliográfica e na execução de ensaios de campo, num outro estudo pretende-se proceder à definição das metodologias práticas mais adequadas à avaliação do potencial de liquefacção de solos aluvionares no baixo Mondego. Esta avaliação é de grande importância face à possível ocorrência de um sismo de grande intensidade ou à aplicação de uma sobrecarga dinâmica muito forte (explosão ou queda de uma massa).

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Orientadores

Luís Lemos e Jorge Almeida e Sousa