Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com Recurso a Explosivos e Seus Eventuais Impactes nas Estruturas

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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA Departamento de Engenharias

VIBRAÇÕES INDUZIDAS PELA ESCAVAÇÃO SUBTERRÂNEA DE MACIÇOS ROCHOSOS COM RECURSO A EXPLOSIVOS E SEUS EVENTUAIS IMPACTES NAS ESTRUTURAS

João Carlos Ferreira Miguens

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ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA Departamento de Engenharias

VIBRAÇÕES INDUZIDAS PELA ESCAVAÇÃO SUBTERRÂNEA DE MACIÇOS ROCHOSOS COM RECURSO A EXPLOSIVOS E SEUS EVENTUAIS IMPACTES NAS ESTRUTURAS

João Carlos Ferreira Miguens

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil

Orientadores: Doutor Manuel Joaquim Alves Leal Gomes Doutor Nuno Miguel Cordeiro Cristelo Co–orientador: Doutor Rogério Paulo Vigário Mota

Júri

Presidente: Doutora Anabela Gonçalves Correia de Paiva, Professora Associada da UTAD Arguente: Doutor João Paulo Sousa Costa de Miranda Guedes, Professor Auxiliar da FEUP Vogais: Doutor Rogério Paulo Vigário Mota, Investigador Auxiliar do LNEC

Vogais: Doutor Manuel Joaquim Alves Leal Gomes, Professor Associado da UTAD

Vogais: Doutor Nuno Miguel Cordeiro Cristelo, Professor Auxiliar da UTAD

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Agradecimentos

A realização da dissertação que ora se apresenta só se tornou possível, para além da contribuição pessoal, pela participação empenhada de um conjunto de pessoas e entidades a quem venho, publicamente, expressar o meu sincero reconhecimento:

Ao Doutor Rogério Mota, investigador do Núcleo de Geologia de Engenharia e Geotecnia Ambiental do Departamento de Geotecnia do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). A ele devo a realização deste trabalho, quando, em Outubro de 2009, me anunciou a sua disponibilidade para co-orientar este projecto. Foi aí que tudo começou. Só com o seu empenhamento, dedicação, entusiasmo e incansável apoio, a todos os títulos determinantes e inexcedíveis, foi possível tornar este empreendimento uma realidade. Agradeço ainda a partilha de conhecimentos, a numerosa bibliografia que me proporcionou, os comentários e sugestões e a exímia revisão do texto;

Ao Professor Leal Gomes e ao Professor Nuno Cristelo, meus orientadores, dos Departamentos de Geologia e de Engenharia Civil, respectivamente, da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro (UTAD), pela documentação facultada, motivação e amizade;

Ao LNEC, por todas as facilidades concedidas na cedência dos meios, humanos e materiais, necessários à realização dos trabalhos conducentes à presente dissertação;

À Professora Anabela Paiva, Coordenadora do Mestrado em Engenharia Civil da UTAD, pela disponibilidade, apoio e afabilidade que sempre demonstrou, desde o primeiro momento, quando comecei a pensar na realização do mestrado;

Ao Professor Dinis da Gama, presidente do Centro de Geotecnia do Instituto Superior Técnico (IST), pela incondicional generosidade na transmissão de conhecimentos, através dos seus pareceres técnicos, e ainda pela disponibilização de alguma literatura da especialidade, de que é autor e/ou co-autor;

Ao Professor Pedro Bernardo, do Departamento de Minas e Georrecursos do IST, por ter proporcionado o acesso à sua Dissertação de Doutoramento;

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Ao Professor Carlos Coke, do Departamento de Geologia da UTAD, pelas suas indicações acerca do enquadramento geológico da zona objecto do estudo;

Ao Professor João Bilé Serra, da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCTUNL), pelo esclarecimento de alguns conceitos no âmbito da Engenharia Sísmica;

Ao Engenheiro Gustavo Paneiro, do Centro de Estudos em Recursos Naturais e Ambiente do IST, pela amabilidade na indicação das referências bibliográficas, completas, de alguns trabalhos;

Ao Engenheiro Carlos Martins e ao Valter Nascimento, experimentadores do LNEC, pela ajuda e dedicação no decurso dos trabalhos de campo;

À Administração, à Direcção Geral, à Direcção Técnica e às Direcções de Produção do Infratúnel, Construtores do Túnel do Marão, ACE, por todo o apoio, nomeadamente pela disponibilização dos dados recolhidos nas duas primeiras campanhas de medição de vibrações e pela cedência dos meios para os levantamentos topográficos;

Ao Engenheiro Eduardo Matos, pela sua amizade e pelo incentivo e interesse constantemente demonstrados;

Ao Miguel Pereira e ao Hugo Costa, pela sua importante colaboração nos trabalhos de topografia, no campo, e em gabinete;

Ao Engenheiro Rui Luís, ao Dr. Luís Santos e a toda a equipa da Empresa Portuguesa de Obras Subterrâneas (EPOS), responsável pelos trabalhos de escavação dos túneis (frente nascente), pela acessibilidade aos elementos sobre os desmontes monitorizados;

Ao Dr. Carlos Carvalho, do Departamento de Informática e Comunicações do Infratúnel, ACE, pela prestimosa ajuda, gentileza e total disponibilidade na fase de edição do documento;

Ao Engenheiro Tiago Pinto, pelo seu apoio incondicional na superação de algumas dificuldades a nível informático, pela cedência de vários elementos bibliográficos e, especialmente, pelo seu companheirismo;

A todos os colegas e amigos, pelo estímulo e encorajamento reiteradamente manifestados;

À Elisabete, pela mãe dedicada que sempre tem sido e pela sua imprescindível ajuda ao assegurar os meus deveres paternais, em particular neste período de muito labor;

E, por último, mas em primeiro, ao João Pedro, meu filho, pelo seu amor e compreensão, especialmente nesta minha fase de algum alheamento. É a ele que dedico este trabalho!

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Resumo

O uso de explosivos nas actividades de construção, nomeadamente no desmonte de rochas para escavação de obras subterrâneas, dá origem a impactes ambientais mais ou menos significativos, com particular importância quando as populações e o seu património são afectados. Esses efeitos traduzem-se na geração de ondas cuja propagação nos terrenos pode induzir, através das fundações, vibrações excessivas nas estruturas e, em resultado da propagação de ondas de choque através da atmosfera, designadas por onda aérea, pode levar ao desconforto humano e até mesmo a danos estruturais nas edificações. O controlo das vibrações provocadas por explosões ou solicitações semelhantes constitui actualmente um domínio importante da Mecânica das Rochas devido às implicações económicas na segurança das estruturas e na qualidade de vida das pessoas.

Procurou-se, com o presente trabalho, a avaliação das eventuais influências do emprego daquela tecnologia na escavação de túneis, na segurança das estruturas envolventes. Associado a este objectivo foi estudado o modo de propagação das ondas sísmicas e o controlo das vibrações, de forma a assegurar a execução dos trabalhos de desmonte de forma controlada, tendo em vista a mitigação daqueles efeitos.

A caracterização dinâmica de terrenos submetidos a acções impulsivas provenientes de explosões, e a sua acção nas condições de propagação das ondas sísmicas, foram analisadas com recurso à utilização de métodos de prospecção geofísica. Com esse propósito, foram realizados alguns perfis de refracção sísmica, em locais próximos de medição de vibrações, para determinação da velocidade de propagação junto às estruturas. O estudo da heterogeneidade dos terrenos locais teve como suporte a execução de um perfil de resistividade eléctrica.

Com recurso à aplicação informática Grapher, versão 4, foram obtidas leis de propagação de vibrações para o meio analisado, em função das litologias presentes e dos resultados dos ensaios de campo.

Palavras-Chave: impacte ambiental; explosivos; vibração dos terrenos; frequência; danos

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Abstract

The explosives used in construction activities, including rock blasting for underground works, gives rise to environmental impacts more or less significant, with particular importance when the people and their property are affected. These effects result in the generation of wave propagation in which ground can induce, through foundations, excessive vibration on structures and as a result of propagation of shock waves through the atmosphere, called the air wave, can lead to human discomfort and even structural damage to buildings. Blast vibrations control is currently a major area of Rock Mechanics due to the economic implications on the safety of structures and quality of life.

One of the goals of the present work was the evaluation of blast vibration control in tunnel works to the security of surrounding structures. Associated with this objective the propagation of seismic waves and vibration control, was studied to ensure the implementation of controlled of blasting work in order to mitigate vibration effects.

The dynamic characterization of building soil foundations subject to impulsive actions from explosions was studied with geophysical methods. For this purpose some refraction seismic profiles were performed near vibration measurements sites to determine the propagation velocity of the particles in the soil/rock mass nearby constructed structures. An electrical resistivity profile was executed to investigate a local geological heterogeneity.

Using the computer application Grapher, version 4, vibration propagation laws were obtained as function of local lithologies.

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Índice de Texto

1. Introdução ... 1

1.1. Enquadramento do tema da dissertação ... 1

1.2. Objectivos e organização do estudo ... 2

2. O Impacte Ambiental das Vibrações ... 5

2.1. Considerações gerais ... 9

2.2. Escavação com uso de explosivos ... 11

2.3. Geração de vibrações ... 12

2.3.1.Ondas de Tensão ... 14

2.4. Propagação de vibrações ... 17

2.5. Efeitos e controlo das vibrações ... 19

2.6. Medidas de minimização das vibrações ... 30

2.7. A influência do parâmetro frequência nos critérios de dano estrutural ... 31

2.8. Regulamentação internacional sobre vibrações ... 37

2.8.1.Norma Alemã (DIN 4150) ... 38

2.8.2.Norma Suíça (SN 640312 A) ... 40

2.8.3.Normas inglesas ... 41

2.8.4.Recomendações francesas ... 42

2.8.5.Norma italiana (UNI 9916) ... 45

2.8.6.Norma sueca (SS4604866) ... 46

2.8.7.Norma Norte-Americana USBM (RI 8507 e OSMRE (Office of Surface Mining Reclamation and Enforcement) ... 47

2.8.8.Norma Australiana ... 49

2.8.9.Outros critérios internacionais ... 49

2.8.10.Análise das principais normas ... 51

2.9. A Norma Portuguesa 2074 ... 52

2.9.1.Considerações gerais ... 52

2.9.2.O projecto de revisão da NP 2074 ... 53

3. Técnicas de Geofísica aplicadas à problemática das Vibrações ... 57

3.1. Métodos sísmicos de prospecção geofísica ... 57

3.1.1.Método de Refracção Sísmica ... 60

3.1.2.Método de Resistividade Eléctrica/Tomografias de Resistividade Eléctrica ... 63

4. Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do

Marão ... 67

4.1. Considerações gerais ... 67

4.2. Geologia e geotecnia locais ... 69

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4.4. Equipamento utilizado ... 70

4.5. Medições e registos efectuados ... 72

4.6. Resultados obtidos ... 75

4.7. Interpretação dos resultados obtidos ... 78

4.8. Propriedades dinâmicas dos terrenos ... 83

4.9. Análise dos resultados e conclusões ... 88

4.10. Leis de propagação de vibrações ... 90

4.10.1.Cenário 1 - utilização simultânea das quatro cargas máximas instantâneas (54 pontos de registo) ... 93

4.10.2.Cenário 2 - utilização simultânea das quatro cargas máximas instantâneas (42 pontos de registo) ... 94

4.10.3.Cenário 3 - utilização individual de cada uma das quatro cargas máximas instantâneas ... 95

4.11. Resultados obtidos ... 97

4.12. Análise dos resultados ... 97

5. Conclusões Finais ... 99

Referências Bibliográficas... 103

ANEXO I - Valores de vibração medidos e calculados ... 111

ANEXO II - Plano e Diagrama de Fogo 1 ... 117

ANEXO III - Plano e Diagrama de Fogo 2 ... 125

ANEXO IV - Plano e Diagrama de Fogo 3 ... 131

ANEXO V - Exemplos de registo das vibrações com o equipamento Instantel ... 135

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Índice de Figuras

Capítulo 2

Figura 2.1 – Velocidade vibratória de acções características em função da distância

(adaptado de Sarsby, 2000, in Bernardo, 2004) ... 10

Figura 2.2 – Componentes vibratórias geradas na cravação de uma estaca (Sarsby, 2000, adaptado por Dinis da Gama, 2003, in Bernardo, 2004) ... 12

Figura 2.3 – As três componentes de vibração no interior de um maciço submetido à detonação de uma carga explosiva (Dinis da Gama, 2003)... 14

Figura 2.4 – Ondas sísmicas (adaptado de Smoltczyk, 2002, in Bernardo, 2004) ... 14

Figura 2.5 – Ondas de tensão (Bernardo, 2004)... 15

Figura 2.6 – Atenuação das vibrações com a distância (Jimeno et al., 1995) ... 18

Figura 2.7 – Efeito da litologia do terreno de fundação nas velocidades vibratórias, em duas estruturas equidistantes de uma detonação (modificado de Jimeno et al., 1995, in Paneiro, 2006) ... 21

Figura 2.8 - Fendas típicas devidas a movimentos sísmicos (Jimeno et al., 1995, in Bernardo, 2004) ... 27

Figura 2.9 – Problemática das vibrações em Geotecnia (Dinis da Gama, 2003) ... 29

Figura 2.10 - Variação da frequência, em altura, num edifício (Bernardo, 2004, in Jimeno et al., 1995) ... 32

Figura 2.11 – Funções de amplificação dinâmica – Rd, Rv, Ra (Serra, 2001) ... 34

Figura 2.12 – Comparação dos vários níveis de vibração, em função da frequência, que produzem danos estruturais, segundo cada norma (Mota, 2009, adaptado, in Athanasopoulos e Pelekis, 2000)... 37

Figura 2.13 – Norma alemã DIN 4150. Representação dos valores da velocidade de vibração, em mm/s, em função da frequência em Hz e das características estruturais dos edifícios (Bacci et. al, 2003a, modificado de Berta, 1985, in Bacci 2000) ... 40

Figura 2.14 – Diagrama proposto pela AFTES para as vibrações admitidas para as três classes de estrutura (Bacci et. al, 2003a, adaptado de Anon, 1974, in Borla 1993 e Bacci, 2000) ... 43

Figura 2.15 – Diagrama representativo dos valores de velocidade de vibração admitidos, sugeridos pelo projecto de recomendação francês relativo às vibrações induzidas exclusivamente pela detonação em pedreiras. As curvas a tracejado representam o limite inferior que, para as duas categorias de edifícios, pode ser superado com uma probabilidade de 10% (Bacci et al., 2003a, modificado de Anon, 1991, in Borla, 1993 e Bacci, 2000) ... 44

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Figura 2.16 – Diagrama representativo dos limites de Vp e de deslocamento, sugeridos

pelo USBM e OSMRE, medidos em mm/s e mm, respectivamente, em função da frequência, em Hz. A linha tracejada, em baixo, refere-se aos valores propostos pelo USBM para paredes rebocadas (Bacci et al., 2003b, modificado de Berta, 1985, in Bacci, 2000) ... 48

Figura 2.17 – Gráfico comparativo das normas, alemã DIN 4150 e norte-americana RI 8507 (Bacci et al., 2003b, modificado de Schillinger, 1994, in Bacci, 2000) ... 51

Capítulo 3

Figura 3.1 - Esquerda – Marreta e placa metálica. Direita – Tiro com marreta ... 60

Figura 3.2– Dromocrónicas obtidas na execução de um perfil com 5 tiros. (Em destaque o tiro mais a montante. Dados de campo a cinzento e resultados da inversão a azul) (Mota, 2010) ... 61

Figura 3.3 - Refracção de um raio através de uma interface entre dois meios de diferentes velocidades de propagação das ondas sísmicas (Mota, 2006, adaptado de Redpath, 1973) ... 62

Figura 3.4 - Exemplo de um meio estratificado horizontalmente, composto por três camadas de velocidades de propagação crescentes com a profundidade (

>>, e respectivo gráfico tempo-distância (Mota, 2006) ... 63 Figura 3.5 - Esquema do sistema de multi-eléctrodos (ABEM Terrameter 4000 e Sistema

Lund) (Mota, 2006) ... 65

Capítulo 4

Figura 4.1 - A – Panorâmica do emboquilhamento dos túneis. B – Caminho de acesso ao emboquilhamento. C – Vista geral da povoação de Viariz da Santa. D – Vista parcial da povoação de Viariz da Poça ... 68

Figura 4.2– Esboço Geológico do Sul da Serra do Marão (Coke et al., 2000, Estudo Geológico e Geotécnico – Relatório Geológico e Geotécnico S3/S4-020-0-RGG, adaptado) ... 69

Figura 4.3 – A: S6 Peak Vibration Monitor, B: Minimate Plus (Mota, 2009) ... 71

Figura 4.4 – Locais de instalação dos geofones em edifício a monitorizar (Dinis da Gama, 2009) ... 72

Figura 4. 5 - Locais de medição de vibrações ... 73

Figura 4.6- Esquerda – preparação do afloramento rochoso no local T1, para instalação do geofone. Direita - local de registo T6 ... 74

Figura 4.7– Identificação dos locais de realização dos trabalhos no decurso das três campanhas ... 80

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Índice _________________________________________________________________________________________________________________________

Figura 4.9 - Esquerda - Vista geral da linha de água entre as duas vertentes (orientação

SW–NE). Direita – Instalação do geofone no local T3 ... 82

Figura 4.10 - Mapas da velocidade de vibração das campanhas de 2009 (topo) e do conjunto das três campanhas (baixo); encontram-se assinalados a negro (marcas +) os locais de registo de vibrações considerados para a elaboração do mapa). ... 82

Figura 4.11 - Esquerda – Perfil PS3 (vista de NE para SW). Direita - Perfil PS4 (vista de SW para NE). Assinalam-se os locais de registo de vibrações nas campanhas anteriores ... 84

Figura 4.12- A – Alinhamento do perfil PS3. B – Casa 8, junto ao perfil PS3 (Viariz da Poça). C – Trabalhos preparatórios para a realização do perfil PS5. D – Captação das ondas sísmicas no perfil PS5. E - Leitura de coordenadas geográficas no extremo oeste do perfil PS5 ... 84

Figura 4.13- Vista geral do perfil de resistividade ... 85

Figura 4.14 - Esquerda -Vista do perfil de resistividade na zona da linha de água. Direita – Montagem do equipamento ... 85

Figura 4.15 - Modelos para os perfis de refracção sísmica PS1 (esquerda) e PS2 (direita) ... 86

Figura 4.16 - Modelos para os perfis de refracção sísmica PS3 (esquerda) e PS4 (direita) ... 86

Figura 4.17 - Modelo para o perfil de refracção sísmica PS5... 86

Figura 4.18 - Modelos obtidos para o perfil de resistividade eléctrica executado, com os dispositivos de Wenner (em cima) e dipolo-dipolo (em baixo) ... 87

Figura 4.19 - Velocidades de vibração medidas nas três campanhas ... 89

Figura 4.20 - Leis de propagação de vibrações em função da equação v k DW1/3 b, considerando a totalidade dos pontos medidos ... 94

Figura 4.21 - Leis de propagação de vibrações em função da equação v k DW1/3 b, (exclusão dos doze pontos com menores velocidades de vibração) ... 95

Figura 4.22 - Leis de propagação de vibrações em função da equação v k DW1/3 b, considerando cada carga máxima instantânea individualmente ... 96

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Índice de Tabelas

Capítulo 2

Tabela 2.1 - Parâmetros das ondas sísmicas (Bernardo, 2004, adaptado de Sleep e Fujita, 1997) ... 17

Tabela 2.2 - Danos em habitações implantadas em diferentes terrenos (Esteves, 1993, in Langefors e Kihlström, 1963) ... 23

Tabela 2.3 – Valores admitidos pela norma alemã DIN 4150 para danos em edifícios (Bacci et. al, 2003a, adaptado de Berta, 1985, in Bacci 2000) ... 39

Tabela 2.4– Valores sugeridos pela norma suíça. Os valores de Vp foram medidos para fontes de vibração de tipo ocasional (Bacci et. al, 2003a e Paneiro, 2006, adaptado de Borla, 1993, in Bacci, 2000) ... 41

Tabela 2.5 – Valores de velocidade de vibração de partícula, segundo a AFTES, 1974 (Bacci et al., 2003a, adaptado de Weber et al., 1974, in Fornaro, 1980, in Bacci, 2000) ... 43

Tabela 2.6 – Limites de velocidade de vibração de partícula (Vp) sugeridos pela Circular do

Ministério do Ambiente Francês (Bacci et al., 2003a, adaptado de Kiszlo, 1993, in Bolra 1993 e Bacci, 2000) ... 44

Tabela 2.7 – Valores admissíveis de velocidade de vibração de partícula (Vp) em função da

amplitude (Bacci, et al., 2003a) ... 44

Tabela 2.8 – Valores limite de Vp, da componente vertical (mm/s), para danos em estruturas civis (Bacci et al., 2003a, adaptado de Langefors e Kihlstrom, 1963, Persson et al., 1994, in Paneiro, 2006 e Bacci, 2000) ... 47

Tabela 2.9 – Níveis seguros de velocidade de vibração de partícula para estruturas civis (Bacci et al., 2003b, adaptado de Siskind et al., 1980, in Bacci, 2000)... 48 Tabela 2.10 – Valores máximos de velocidade de vibração de partícula, adoptados pela

Norma AS2187, segundo os tipos de construções civis (Bacci et al., 2003b, adaptado de Scott, 1996, in Bacci, 2000) ... 49

Tabela 2.11 – Critérios de dano para estruturas submetidas a vibrações (Dinis da Gama, 1998) ... 50

Tabela 2.12 – Valores limite da velocidade de vibração de acordo com a norma NP 2074, em função do terreno de fundação considerado para cada local e das características do edificado (mais de três detonações diárias) (Bernardo e Dinis da Gama, 2006) ... 53

Tabela 2.13 – Projecto de revisão da NP 2074, adaptado de Azevedo e Patrício, 2003, e Esteves, 2003 ... 55

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Capítulo 3

Tabela 3.1 - Valores característicos da velocidade da onda sísmica de compressão (Vp) em

alguns materiais (Mota, 2006, adaptado de Press,1966, in Darracott, 1976 e Lavergne, 1989) ... 58

Tabela 3.2 - Resistividade da água e de alguns metais, minerais e rochas mais comuns (Mota, 2006, adaptado de Reynolds (1997), Berkeley (2004) e Sheriff (1991)) .... 65

Capítulo 4

Tabela 4.1 – Características geotécnicas das rochas do xisto-grauváquico (Coke et al., 2000) ... 70

Tabela 4.2– Valores da vibração ambiente gerada pela circulação de viaturas, ou pessoas, próximo dos locais de monitorização 1, 2, 8, I, N, O e P ... 76

Tabela 4.3 – Valores registados e calculados em cada um dos locais de medição das vibrações nas duas campanhas de 2009, dispostos por ordem cronológica de registo* ... 77

Tabela 4.4 - Valores registados e calculados em cada um dos 7 locais de medição das vibrações na campanha de 2010 ... 79

Tabela 4.5 – Valores medidos e calculados em Outubro de 2009 ... 83 Tabela 4.6 – Valores limite da velocidade de vibração, de acordo com a norma NP 2074,

em função do terreno de fundação considerado para cada local e das características do edificado (mais de três detonações diárias) ... 87

Tabela 4.7 - Valores registados e calculados em cada um dos 30 locais de medição de vibrações ... 91

Tabela 4.8 – Leis de propagação de vibrações obtidas ... 97

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Simbologia

Símbolo Significado

- tipo de terreno de fundação (NP 2074)

- tipo de construção (NP 2074)

- taxa de amortecimento de uma estrutura

- deslocamento

- deformação

- porosidade

- número médio diário de solicitações (NP 2074)

λ - comprimento de onda - massa volúmica - tensão - tensão dinâmica - coeficiente de Poisson X, Y, Z - direcções espaciais - aceleração

- velocidade de propagação das ondas no terreno

- velocidade de propagação das ondas longitudinais (ondas P)

- velocidade de propagação das ondas transversais (ondas S)

- densidade

! - distância entre o ponto de detonação e o de recepção

" - módulo de elasticidade

# - frequência de vibração

#$ - frequência natural % - aceleração da gravidade

& - módulo de distorção

' - relação entre impedâncias

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(() - aceleração de pico de partícula

(*+ - velocidade de vibração resultante máxima

((* - velocidade de pico de partícula

,- - factor de resposta à aceleração , - factor de resposta à deformação

," - relação de energia

,. - factor de resposta à velocidade

/ - período

0 - velocidade de vibração das partículas

01 - componente longitudinal da velocidade de vibração 02 - resultante vectorial da velocidade de vibração 03 - componente transversal da velocidade de vibração 04 - componente vertical da velocidade de vibração *1 - valor limite da velocidade de vibração (NP 2074) * - volume de partículas sólidas

*. - volume de vazios

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1. Introdução

1.1. Enquadramento do tema da dissertação

Desde os primeiros usos de explosivos em actividades mineiras e de engenharia civil que foi colocado o problema dos efeitos nas edificações das vibrações dos terrenos e do ar originados pelas detonações. Sabe-se que a utilização destas substâncias é susceptível de provocar impactes vários de entre os quais se salientam, para além das solicitações dinâmicas referidas, a transmissão de ruídos pelo ar e pelas estruturas, a geração e o movimento de nuvens de poeiras, as ondas de choque resultantes dos níveis sonoros das detonações, a libertação de gases nocivos em espaços fechados, como é o caso dos túneis, e a afectação dos níveis freáticos. É do conhecimento geral que as vibrações dos terrenos causam desconforto humano e eventuais danos nas estruturas das edificações circundantes, pelo que, a importante questão relativa ao seu controlo, deverá contar com a envolvência de todos os agentes interessados, desde a população em geral, às entidades oficiais, aos investigadores e projectistas, aos fabricantes de explosivos, às empresas de construção e às seguradoras.

Embora se assista à utilização crescente de métodos alternativos para o desmonte de maciços rochosos, como são os meios mecânicos (tuneladoras, roçadoras, retroescavadoras e martelos hidráulicos), verifica-se que estes ainda são, maioritariamente, realizados com recurso a explosivos. Os impactes ambientais provocados pelo uso desta tecnologia, considerando os requisitos de protecção ambiental cada vez mais restritivos, obrigam os intervenientes nesta actividade a melhorar continuamente a qualidade do seu trabalho e a abandonar as práticas empíricas, visando a minimização de danos e reclamações dos residentes e proprietários de edifícios localizados nas imediações dos trabalhos.

Um dos objectivos do presente trabalho é o de fazer uma abordagem ao tema da geração e propagação de ondas sísmicas causadas pelo uso de explosivos no desmonte de maciços rochosos, especialmente no que diz respeito ao controlo das vibrações daí resultantes e sua influência nas construções.

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O estudo que ora se apresenta teve a sua génese num trabalho realizado pelo Núcleo de Geologia de Engenharia e Geotecnia Ambiental do Departamento de Geotecnia do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), com a participação do autor, no âmbito da construção do empreendimento A4/IP4 Amarante/Vila Real, a solicitação do Agrupamento Complementar de Empresas Infratúnel, Construtores do Túnel do Marão, ACE, na sequência de algumas reclamações de residentes em povoações circundantes do emboquilhamento nascente do túnel, relacionadas com a alegação de incomodidade e de danos nas habitações devidos às vibrações originadas pelo uso de explosivos nas actividades de escavação do maciço rochoso.

1.2. Objectivos e organização do estudo

A conjugação dos resultados obtidos através da realização da medição de vibrações, em diferentes locais e em momentos distintos, com dois métodos de prospecção geofísica, de refracção sísmica e de resistividade eléctrica, pretende-se fazer a caracterização geodinâmica de terrenos e validar o preceituado na regulamentação portuguesa (NP 2074, 1983), acerca da influência, sobre as estruturas, das vibrações resultantes do uso de explosivos na escavação subterrânea de maciços rochosos.

A presente dissertação encontra-se dividida em cinco capítulos.

No Capítulo 1, é feito o enquadramento do tema e abordam-se os objectivos a alcançar.

No Capítulo 2, apresenta-se o estado da arte no que concerne ao estudo dos impactes ambientais associados às actividades de escavação de rochas com explosivos, com destaque para as vibrações em obras geotécnicas, mercê dos numerosos estudos e trabalhos experimentais realizados um pouco por todo o mundo. É ainda abordada alguma da normalização internacional de referência no âmbito dos critérios de dano estrutural para as vibrações.

No Capítulo 3, descrevem-se, sucintamente, dois métodos de prospecção geofísica, de Refracção Sísmica e de Resistividade Eléctrica, que visam principalmente a determinação da estrutura subsuperficial dos terrenos, através da análise das magnitudes das velocidades de propagação das ondas sísmicas e suas variações, assim como da resistividade eléctrica dos terrenos.

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Capitulo 1 - Introdução ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

No Capítulo 4, apresenta-se o caso de estudo, no âmbito do trabalho levado a efeito sobre as eventuais influências ambientais do emprego de explosivos no desmonte subterrâneo de maciços rochosos, com especial incidência na segurança das estruturas à superfície. Os resultados das três campanhas de medição de vibrações serão confrontados com os obtidos pela execução de perfis sísmicos, com o propósito de completar o conhecimento da litologia presente em cada local, visando simultaneamente uma aplicação mais adequada dos parâmetros constantes na NP 2074, nomeadamente quanto às características dos terrenos de fundação das edificações monitorizadas no decurso das duas primeiras campanhas de trabalhos de campo. Finaliza-se com a obtenção de equações de propagação de vibrações para os terrenos locais, a partir dos registos sismográficos dos eventos vibratórios gerados pela detonação de explosivos nas operações de escavação dos túneis do Marão.

No Capítulo 5, resumem-se e discutem-se as principais conclusões do estudo, tendo por base os trabalhos realizados.

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2. O Impacte Ambiental das Vibrações

A necessidade da realização de estudos de impacte ambiental (EIA) é hoje em dia essencial nos vários domínios das actividades da engenharia, como um pré-requisito com vista à implementação de um desenvolvimento sustentável. A sociedade contemporânea requer que todas as acções potencialmente perturbadoras do meio ambiente sejam cuidadosamente analisadas com antecedência, para que as autoridades responsáveis possam aprovar e licenciar os projectos, a fim de cumprir com a legislação vigente (Dinis da Gama, 2002).

Existe abundante legislação, por meio da qual todas as organizações em causa podem ser informadas sobre as regras a seguir, as etapas do processo de licenciamento e as restrições de tempo associadas. De acordo com cada área específica de actividade, existem regras detalhadas para cumprir e listas de verificação em ordem à produção do necessário EIA. Para a indústria de construção pesada, incluindo a mineira, Kiely (1997), citado por Dinis da Gama (2002), refere a seguinte lista de rubricas cuja inclusão considera importante nesses relatórios:

Revisão da documentação existente relativa ao local em estudo, sobre as questões da topografia, geologia, uso da terra e enquadramento sócio-político;

Desenvolvimento de pesquisas de base ambiental para caracterização das condições naturais, visando a avaliação dos impactes induzidos pelo projecto;

Descrição das actividades do projecto proposto, com ênfase nos efeitos esperados na região, nomeadamente os ambientais, tais como a poluição do ar, a qualidade da água, superficial e subterrânea, a fauna, a flora, o património histórico, bem como as populações afectadas;

Indicação dos procedimentos a implementar para a mitigação dos efeitos negativos, durante e após a implementação do projecto, com o objectivo de que todos esses impactes fiquem aquém dos limites legais estabelecidos, bem como a descrição das práticas destinadas a consegui-lo;

Técnicas de Instrumentação e Monitorização a instalar, sempre que sejam detectadas anormalidades em algum descritor ambiental e proceder adequadamente à sua correcção;

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Uma parte significativa das obras de natureza geotécnica envolve a geração de vibrações provenientes de diversas fontes, as quais, na sua propagação através dos meios vizinhos, podem atingir uma multiplicidade de alvos onde se incluem os edifícios sensíveis, populações e muitos outros (Dinis da Gama e Paneiro, 2004). O uso de explosivos é geralmente inevitável nas actividades de escavação de rochas: na indústria extractiva, em túneis, estradas e obras hidráulicas. Grande parte destas infra-estruturas localiza-se perto de zonas residenciais, pelo que frequentemente ocorrem problemas ambientais causados pelas vibrações dos terrenos e pela onda aérea resultante das explosões. É, portanto, necessário, implementar a previsão, avaliação e eventual correcção com vista à mitigação dos seus efeitos no meio envolvente (Ozer, 2008).

Como é geralmente admitido, a escavação de maciços rochosos com recurso a explosivos é influenciada por vários factores, tais como a geometria do furo, as propriedades mecânicas do maciço a desmontar, a carga a detonar e a distância ao ponto de recepção. Destes factores, alguns podem ser controlados pelos técnicos responsáveis pelos desmontes, enquanto outros são impostos por condicionalismos ambientais (Tshibangu e Lefebvre, 2008). A construção de túneis com o uso de explosivos em meios urbanos induz vibrações nos terrenos, podendo infligir danos nas estruturas envolventes quando a quantidade de explosivos usada é excessiva. Assim, a previsão dos níveis de vibrações em trabalhos desta natureza tem um papel importante na minimização dos impactes ambientais e, por conseguinte, nas queixas das populações vizinhas. Para o efeito, antes do começo das actividades, deverá ser feito um trabalho de relações públicas junto dos residentes locais, bem como proceder à realização de inspecções prévias do património edificado. Impõe-se ainda a realização de desmontes experimentais, com monitorização sismográfica, para determinar o modo de propagação das vibrações, procurando estabelecer uma relação entre a velocidade máxima de vibração das partículas e o quociente entre a distância fonte-recepção e a carga de explosivo a detonar num certo instante (retardo), constante nas várias equações de atenuação de vibrações da bibliografia da especialidade (Dowding, 1985, Hustrulid, 1999 e Kahriman, 2004).

Nos anos mais recentes, um dos problemas com que os técnicos responsáveis em obra se têm confrontado relaciona-se com a propriedade ou a impropriedade das reclamações dos particulares quer individualmente, quer organizados (Felice, 1993 e Kahriman et al., 2006), referidos por Ozer (2008). O número destes casos, sejam os distúrbios reais ou psicológicos, tem vindo a aumentar gradualmente com o incremento da população e das urbanizações. Portanto, neste tipo de operações, deverá haver a preocupação dos responsáveis na procura da forma de minimizar, ou até mesmo eliminar este tipo de problemas, o que não é incompatível com os aspectos da economia e segurança dos projectos de escavação. Com o

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Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações ________________________________________________________________________________________________________________________

incremento da legislação e das restrições nos níveis admissíveis de perturbações ambientais induzidas pelo uso de explosivos, há uma necessidade crescente do planeamento cuidadoso e preciso dos planos de fogo. Johnston e Durucan (1994) e Ozer et al. (2007), citados por Ozer et al. (2008), afirmam que um dos requisitos principais a alcançar com um plano de fogo bem dimensionado, especialmente em trabalhos de grande envergadura, passa pela determinação da quantidade máxima de explosivo por retardo (carga máxima a detonar por pega de fogo), para uma dada distância entre a fonte e os locais de observação, conseguindo-o realizar de forma controlada, com o propósito da minimização dos problemas ambientais. Por conseguinte, a determinação da quantidade de explosivo por retardo, para uma determinada distância, especialmente em grandes detonações, reveste-se de enorme importância na prevenção de problemas ambientais. Por isso, os efeitos das vibrações dos terrenos nas estruturas dos edifícios e no bem-estar das pessoas, devido ao uso de explosivos, deverão ser previstos, monitorizados e controlados pelos responsáveis pelos trabalhos de desmonte tendo em vista a sua optimização.

Nas proximidades da fonte emissora, a vibração do solo pode causar danos a edifícios e outras estruturas originando tensões dinâmicas que excedem a resistência dos materiais de construção, identicamente ao que acontece na fractura da rocha em si mesma. Um edifício, sendo muito menos rígido do que o maciço rochoso, pode ser danificado mesmo a uma longa distância de uma explosão, ainda que o diagrama de fogo tenha sido cuidadosamente projectado.

Hoje em dia, assiste-se a um número crescente de reclamações em torno das vibrações ambientais, principalmente em edifícios com pouco amortecimento*, nos quais as vibrações sensíveis e o ruído estrutural surgem mais facilmente. As vibrações sensíveis (sensibilidade humana a baixos níveis de vibração) são, geralmente, segundo Azevedo e Patrício (2003), tidas pelos residentes como os agentes causadores das fendas nos revestimentos das suas habitações. Estas queixas são, na sua generalidade, injustificadas, já que estes danos são vulgarmente devidos a assentamentos diferenciais das fundações, a variações térmicas ou à retracção dos materiais (designadamente os de revestimento).

Ainda segundo os mesmos autores, embora actualmente em Portugal haja uma, cada vez maior, consciencialização dos organismos estatais e das grandes empresas de obras públicas, quanto à necessidade da previsão dos impactes ambientais, particularmente na construção de

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*Genericamente, pode considerar-se que as edificações mais recentes, com estrutura em betão armado, embora transmitam melhor as solicitações, amortecem pior as vibrações do que as mais antigas, dada a sua elevada rigidez e monolitismo. Analogamente, mas em sentido oposto, as construções e monumentos antigos apresentam uma maior sensibilidade às vibrações (Azevedo e Patrício, 2003).

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empreendimentos onde ocorre o uso de explosivos, na maioria dos casos os projectos de obras particulares dos edifícios ou das instalações mecânicas, quando existem, não prevêem as vibrações que poderão vir a ocorrer.

Sendo assim, referem a necessidade da adopção das seguintes medidas:

Sensibilização dos cidadãos em geral, e dos promotores de empreendimentos, da imprescindibilidade da previsão e controlo das vibrações ambientais, fazendo a divulgação dos valores admissíveis de incomodidade e de dano estrutural;

Promoção do aperfeiçoamento e publicação das normas respeitantes a incomodidade humana e danos, acompanhados da publicação de regulamentação que exija a sua aplicação;

Desenvolvimento de dispositivos de medição de vibrações, com a possibilidade da transmissão das medições à distância, económicos e de simples manuseamento.

Em todo o mundo têm vindo a desenvolver-se investigações e estudos em torno das vibrações, nos seres humanos e nas estruturas. Estes trabalhos científicos contribuíram para o surgimento, desde o final da década de 70, de Normas Regulamentadoras, hoje em dia de aplicação corrente. Algumas das mais importantes serão referidas mais adiante neste Capítulo.

Em Portugal, a realização de escavações com recurso a explosivos nas proximidades de edifícios residenciais e outros, no que respeita à prevenção de danos provocados pelas vibrações ocorrentes, é regulamentada pela Norma Portuguesa 2074, vigente desde 1983, que estabelece, embora de modo conservador, os limites de vibração aceitáveis.

Esta norma fixa um valor limite da velocidade de vibração das partículas, expressa no seu valor máximo (pico), em cm/s, como um produto de três factores onde são contemplados o tipo de terreno de fundação, o tipo de construção e o número de solicitações diárias. Os valores medidos são comparados com aquele critério de segurança, não podendo ser-lhe superiores sob pena de ocorrerem danos nas estruturas vizinhas da fonte emissora das vibrações. Tem vindo a ser discutida a necessidade da revisão desta norma, existindo alguns projectos de revisão, a que se fará alusão ainda neste Capítulo.

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2.1. Considerações gerais

Pode definir-se vibração como sendo um movimento oscilatório de um material, sólido ou fluído, que foi afastado da sua posição de equilíbrio. Em Geotecnia, a vibração traduz-se numa resposta elástica do terreno, constituído por solos e/ou rochas, à passagem de uma onda de tensão, com origem directa ou indirecta numa solicitação dinâmica, de génese natural, por exemplo os sismos, ou artificial, explosões, cravação de estacas, etc. (Bernardo e Dinis da Gama, 2006).

Na origem, as vibrações resultam da aplicação aos terrenos de forças exteriores com um tempo de actuação muito curto, ou de forças aplicadas de forma contínua, mas com intensidade muito variável ao longo do tempo. Segundo Sarsby (2000), as vibrações dos terrenos podem ser classificadas em três grupos:

Contínuas – quando um nível de vibração aproximadamente constante é mantido por um longo período de tempo (caso dos maciços de fundação de máquinas de regime alternativo, tais como bombas ou compressores, em funcionamento regular);

Transitórias – se os níveis de vibração resultam de um impacto súbito, seguido de um tempo de repouso relativamente prolongado (caso dos terrenos submetidos a compactação dinâmica ou a detonação de cargas explosivas isoladas);

Intermitentes – se se verificar uma sucessão de eventos vibratórios, cada um dos quais de pequena duração (caso da detonação de cargas explosivas microretardadas ou perfuração por percussão).

De um modo geral, as normas contemplam apenas as vibrações contínuas e transitórias, designando-as por vibrações continuadas e impulsivas, respectivamente. Por exemplo, a ISO 4866 (1990), relativa a edifícios, distingue esses dois grupos pela duração da solicitação relacionando-as com a taxa de amortecimento relativo do edifício em apreço. Para além das detonações de cargas explosivas, um grande número de eventos é susceptível de induzir um tipo de resposta idêntica nos terrenos. A consideração de outras fontes na origem do fenómeno assume particular importância quer para a análise de situações em que se verifique uma acumulação de efeitos, quer no estabelecimento da situação de referência apropriada para a avaliação dos impactes causados pelas detonações (Bernardo, 2004).

Os sismos, o desmonte de maciços rochosos, a cravação de estacas, a exploração de pedreiras, a demolição de edifícios (particularmente com explosivos) e o deslizamento súbito de massas rochosas ao longo de falhas geológicas são fontes tradicionais de solicitações dinâmicas. Esta acumulação de fontes conduz à presença e importância crescente das vibrações mecânicas como factor de degradação ambiental, com implicações a nível da

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incomodidade para as pessoas (Bernardo, 2004).

Na Figura 2.1 observa-se um gráfico bilogarítmico que mostra a ordem de grandeza das vibrações provenientes de equipamentos e actividades envolvidos na realização da maioria dos trabalhos de construção.

Figura 2.1 – Velocidade vibratória de acções características em função da distância ( Bernardo, 2004)

Por outro lado, o desenvolvimento tecnológico a que tem vindo a assistir

bem como a necessidade crescente de conforto das pessoas têm levado ao aumento das fontes geradoras de vibrações

vindo a registar aumentos na sua potência quer nos estaleiros de obras, quer nas instalações industriais. Nos edifícios de habitação

de ar condicionado, de refrigeração, de bombagem de água energia. Nos grandes aglomerados urbanos assiste

tráfego rodoviário e ferroviário, com veículos e composições por vezes de grande tonelagem. Nas povoações, o tráfego pesado circula junto a habitações, mon

instalações que albergam equipamentos extremamente sensíveis. Em instalações industriais recentes coexistem, num único edifício, áreas de fabrico, de escritórios e de laze

Patrício, 2003).

As vibrações são a causa mais

torno das zonas de trabalhos de escavação com uso de explosivos, pois o limiar da percepção incomodidade para as pessoas e causa de danos no património arquitectónico e

se um gráfico bilogarítmico que mostra a ordem de grandeza das vibrações provenientes de equipamentos e actividades envolvidos na realização da maioria dos

Velocidade vibratória de acções características em função da distância (adaptado de

desenvolvimento tecnológico a que tem vindo a assistir

bem como a necessidade crescente de conforto das pessoas têm levado ao aumento das fontes geradoras de vibrações. A maquinaria e os equipamentos pesados motorizados têm

gistar aumentos na sua potência quer nos estaleiros de obras, quer nas instalações industriais. Nos edifícios de habitação e de serviços multiplicam-se os sistemas de ventilação e de ar condicionado, de refrigeração, de bombagem de água e de geração e apro

energia. Nos grandes aglomerados urbanos assiste-se ao aumento continuado das redes de tráfego rodoviário e ferroviário, com veículos e composições por vezes de grande tonelagem. Nas povoações, o tráfego pesado circula junto a habitações, monumentos, hospitais e instalações que albergam equipamentos extremamente sensíveis. Em instalações industriais recentes coexistem, num único edifício, áreas de fabrico, de escritórios e de laze

As vibrações são a causa mais comum dos receios e protestos das populações residentes em torno das zonas de trabalhos de escavação com uso de explosivos, pois o limiar da percepção itectónico e paisagístico

se um gráfico bilogarítmico que mostra a ordem de grandeza das vibrações provenientes de equipamentos e actividades envolvidos na realização da maioria dos

adaptado de Sarsby, 2000, in

desenvolvimento tecnológico a que tem vindo a assistir-se nos últimos anos, bem como a necessidade crescente de conforto das pessoas têm levado ao aumento das A maquinaria e os equipamentos pesados motorizados têm gistar aumentos na sua potência quer nos estaleiros de obras, quer nas instalações se os sistemas de ventilação e e de geração e aproveitamento de se ao aumento continuado das redes de tráfego rodoviário e ferroviário, com veículos e composições por vezes de grande tonelagem. umentos, hospitais e instalações que albergam equipamentos extremamente sensíveis. Em instalações industriais recentes coexistem, num único edifício, áreas de fabrico, de escritórios e de lazer (Azevedo e

e protestos das populações residentes em torno das zonas de trabalhos de escavação com uso de explosivos, pois o limiar da percepção

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humana, sujeito à susceptibilidade de cada indivíduo, pode atingir valores da ordem dos 0,3 mm/s*. Esta susceptibilidade está, muitas vezes, na origem de reclamações das pessoas que, ao percepcionar as acções impulsivas, atribuem desde logo a esses trabalhos a totalidade dos danos e patologias nas suas habitações, ainda que os níveis vibratórios daí resultantes fiquem consideravelmente aquém dos limites máximos admissíveis, preconizando outros fenómenos na génese daqueles problemas (Bernardo, 2010).

2.2. Escavação com uso de explosivos

A escavação de rochas, utilizando substâncias explosivas, foi sempre considerada uma arte, formada a partir da experiência e habilidade dos operadores. Nos dias de hoje, o uso de explosivos civis em obras geotécnicas, com disposições legais cada vez mais restritivas, é já uma técnica fundamentada em procedimentos científicos, baseados nos princípios da Mecânica das Rochas, que têm possibilitado um melhor conhecimento da acção dos explosivos nos maciços rochosos, em função dos seus mecanismos de ruptura e respectivas propriedades geomecânicas. A anulação, ou simplesmente a mitigação, dos impactes ambientais com origem nas detonações, exige o estabelecimento criterioso dos parâmetros do diagrama de fogo adoptado, quer em trabalhos à superfície, quer subterrâneos. No diagrama de fogo devem ser definidas todas as actividades a realizar nas frentes de escavação e respectivas cargas a aplicar, considerando as restrições ambientais aplicáveis, com o objectivo de proceder à escavação de uma rocha dura (em termos de que não permite, em tempo útil, e a custo aceitável, a escavação por processos mecânicos). Usualmente, são também designados por disparos ou pegas de fogo e compreendem o conjunto de furos carregados com explosivos (conhecidos por tiros), com uma sequência de rebentamento determinada para funcionar como um conjunto (Bernardo, 2003, in Bernardo e Torres, 2005).

Os diversos métodos para o dimensionamento dos diagramas de fogo, aplicados em desmontes subterrâneos, em termos dos procedimentos e das expressões usadas no cálculo dos vários parâmetros, encontram-se descritos na bibliografia específica (Langefors e Kihlstrom, 1963, Holmberg, 1982, Hartman, 1987 e outros, in Louro, 2009). Por não se enquadrar no âmbito do presente estudo, não se afigura pertinente uma abordagem mais detalhada desta problemática.

_________________________

* Outras actividades há, no entanto, que apresentam valores de velocidades vibratórias muito superiores. Em alguns casos, atingem mesmo os limites impostos pela legislação aplicável, como sejam certas actividades domésticas e pequenas obras de reparação ou remodelação (Stagg et al., 1984, referidos por Dowding, 1992, citados por Bernardo, 2004). São exemplos dessas actividades, e das respectivas afectações, o caminhar numa laje entre pisos (0,8 mm.s-1, análoga às máximas afectações atribuídas ao trânsito), o saltar energicamente sobre uma laje (7,1 mm.s-1), o bater vigoroso de portas, por acção de correntes de ar (12,7 mm.s-1) ou o pregar um prego numa parede (22,4 mm.s-1).

(30)

2.3. Geração de vibrações

Geralmente, um desmonte de rocha é obtido pela detonação de explosivos colocados em vários furos, criteriosamente dispostos, com ligações entre si retardadas em milissegundos (micro-retardos) mas explodindo numa rápida sucessão. Simultaneamente, as transformações físico-químicas do explosivo dão origem a gases com elevada temperatura exercendo também elevada pressão sobre as paredes do furo, a qual diminui pelo efeito da expansão da cavidade onde estavam contidos (Esteves, 1993). Dinis da Gama e Torres (2002) referem temperaturas entre 2 000 e 2 500ºC e pressões entre 10 e 40 GPa. A detonação ou deflagração do explosivo provoca o desenvolvimento de intensas acções quase instantâneas de deformação dos maciços, originando a sua ruptura na vizinhança da explosão, desencadeando-se a propagação de ondas de tensão sob a forma radial. O campo de tensões assim criado propaga-se sob a forma de ondas de vibração que serão elásticas a partir de determinado afastamento da carga de explosivo (Esteves, 1993). No seu movimento, as ondas encontram descontinuidades e zonas de interfaces geológicas, pontos onde parte da energia é transmitida e outra parte é reflectida. Durante, e após a propagação das ondas de tensão, as altas pressões e temperaturas dos gases formados provocam extensões radiais nas descontinuidades, fracturas e juntas, sendo que a energia do explosivo toma sempre o caminho das zonas de menor resistência. Uma vez consumada a separação entre a rocha fracturada e o maciço remanescente, não ocorrem mais fracturas porque a pressão dos gases vai diminuindo. Todo este processo ocorre num curto intervalo, da ordem dos milissegundos, após a detonação. A energia não utilizada no processo de fracturação do maciço rochoso é desperdiçada, dissipando-se sob a forma de vibrações e onda aérea e, nas detonações em meios aquáticos, através do efeito “watershock”. Com o afastamento da fonte de energia a vibração vai-se atenuando, fenómeno designado por atenuação sísmica (Lucca, 2003). O fenómeno da vibração é de uma grande complexidade como ilustrado na Figura 2.2, relativa às ondas geradas pela cravação de uma estaca.

Figura 2.2 – Componentes vibratórias geradas na cravação de uma estaca (Sarsby, 2000, adaptado por Dinis da Gama, 2003, in Bernardo, 2004)

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Segundo Sarsby (2000), a intensidade das vibrações procedentes desta operação, assim como de outras semelhantes, varia com certas propriedades do equipamento, nomeadamente as características do martelo e vibrador, a deformação do encabeçamento da estaca, a distorção elástica da estaca e a velocidade de penetração no terreno.

Segundo Holmberg (1982), citado por Bernardo (2004), os fenómenos de rotura da rocha, por acção dinâmica, exigem velocidades vibratórias entre 700 a 1000 mm/s (Hustrulid, 1982, in Bernardo, 2004), podendo afirmar-se que os impactes ligados às vibrações, decorrentes da escavação de maciços rochosos, são essencialmente devidos aos desmontes com explosivos, sendo que, em termos comparativos, as vibrações devidas aos equipamentos são menos importantes (Bernardo, 2004).

A detonação de explosivos em maciços rochosos é caracterizada fundamentalmente pela geração de ondas de tensão compressivas resultantes da refracção da onda de choque, proveniente da detonação do explosivo, nas paredes do furo onde é aplicado A propagação ondulatória originada movimenta-se através dos terrenos com uma determinada velocidade que é característica de cada tipo de maciço, a qual tem pouco a ver com as tensões dinâmicas transportadas pela onda, as quais dependem dos deslocamentos oscilatórios sofridos pelas partículas de terreno, relativamente à posição em repouso, à medida que a perturbação se propaga (Dinis da Gama, 2003).

A propagação destas ondas (Figura 2.3) provoca a vibração* das partículas do meio atravessado, função das características de deformabilidade e da geometria do meio e do tipo de impulso, com amplitudes vibratórias que dependem, de acordo com Dinis da Gama (2003), dos seguintes factores:

Quantidade de energia libertada no fenómeno que as ocasionou;

Distância entre a origem e o ponto onde se registam os seus efeitos;

Propriedades transmissoras e dissipadoras dos terrenos envolvidos;

Resistência dinâmica das estruturas e dos seus componentes mais frágeis.

A sua amplitude vai decaindo com a distância à fonte e com as reflexões registadas no seu trajecto e eventuais fronteiras entre meios de impedância acústica diversa.

____________________________

* Entende-se por velocidade vibratória das partículas, a variação, no tempo, dos deslocamentos oscilatórios sofridos pelas partículas de terreno à medida que a onda de tensão se propaga. As componentes do movimento vibratório das ondas, segundo as três direcções espaciais, revestem-se de uma importância fundamental, na medida em que, na realidade, os problemas se apresentam à escala tridimensional. Por esta razão, os sismógrafos actuais individualizam essas componentes: longitudinal, transversal e vertical (Figura 2.3).

(32)

Figura 2.3 – As três componentes de vibração no interior de um maciço submetido à detonação de uma carga explosiva (Dinis da Gama, 2003)

2.3.1. Ondas de Tensão

As ondas de tensão dividem-se em dois tipos (Figura 2.4):

ondas volumétricas: ondas longitudinais de compressão ou dilatação (ondas P) e ondas transversais (ondas S);

ondas superficiais: ondas Rayleigh (ondas R) e ondas Love (ondas L).

(33)

As ondas volumétricas propagam-se através do terreno, radialmente, a partir da fonte geradora das vibrações. Os restantes tipos, representados esquematicamente na Figura 2.5, dependem de interfaces, entre meios distintos, para se propagar (Bernardo, 2004).

Figura 2.5 - Ondas de tensão (Bernardo, 2004)

Segundo Kuzmenko et al., (1993), na vizinhança dos locais de escavação com explosivos as ondas volumétricas são predominantes, caracterizando-se por apresentar frequências relativamente elevadas (10 a 40 Hz) e rápida atenuação, comparativamente às restantes. As ondas superficiais (ondas R e ondas L), embora com uma velocidade inferior à das ondas volumétricas, apresentam frequências reduzidas (2 a 8 Hz), fazendo sentir-se a grandes distâncias devido à maior quantidade de energia que transportam (Konya e Walter, 1990, in Bernardo, 2004).

As ondas longitudinais (ondas P), na sua propagação através dos terrenos, originam compressões alternadas com dilatações, designando-se, por isso, por ondas de compressão ou de dilatação sendo responsáveis pela modificação do volume em todas as massas rochosas, independentemente da sua resistência ao corte (Bernardo, 2004). A velocidade de propagação () destas ondas no solo depende do seu tipo, módulo de elasticidade (E) e massa específica (ρ), através da equação 2.1 (referida por Azevedo e Patrício, 2003).

6"₇ 8/9

(2.1)

A deformação ( associada à propagação de uma onda “P”, num determinado meio, relaciona-se com a velocidade das partículas, “0”, pela expressão:

(34)

0 0

:"; 8/9 (2.2)

As frequências relevantes, nas ondas que se propagam através dos terrenos, apresentam uma grande variedade e dependem do modo de excitação que as originou, podendo variar entre 2 e 100 Hz, enquanto, na proximidade de uma explosão, em solos rochosos muito competentes (rijos), a velocidade de vibração das partículas pode incluir frequências superiores a 100 Hz (Azevedo e Patrício, 2003).

As ondas transversais (ondas S) propagam-se dando origem a movimentos de corte, daí serem designadas por ondas de corte, alterando os materiais atravessados na sua forma, mas não em volume. A sua velocidade de propagação (Equação 2.3), é inferior à das ondas longitudinais, mas superior às ondas de superfície (Kuzmenko et al., 1993, in Bernardo, 2004).

<&_<_{2 >1 ?}" (2.3)

onde, é a massa volúmica do terreno, , o seu coeficiente de Poisson e & o módulo de distorção.

As ondas de Rayleigh (ondas R) provocam, simultaneamente, a dilatação e a distorção do meio na medida em que incluem um movimento longitudinal (dilatação) idêntico à onda “P” e um movimento transversal (distorção) idêntico ao da onda “S”. Assim, a combinação das duas componentes origina um movimento das partículas superficiais, segundo uma órbita elíptica num espaço bidimensional e uma órbita elíptica distorcida num espaço tridimensional (Smoltczyk, 2002, in Bernardo, 2004).

As ondas de Love (ondas L) manifestam-se entre interfaces geológicas sub-horizontais, ou seja, em camadas, assumindo com frequência a designação de ondas guiadas. O movimento das partículas é horizontal e perpendicular à sua direcção de propagação, é um movimento de corte. A sua velocidade de propagação é superior à das ondas de Rayleigh (Sleep e Fujita, 1997, in Bernardo, 2004). As tensões dinâmicas de cada onda dependem dos deslocamentos oscilatórios experimentados pelas partículas de solo, relativamente à sua posição em repouso, à medida que a perturbação se propaga. A variação desses deslocamentos no tempo é denominada por velocidade vibratória. Existem diversos factores responsáveis pela variação da velocidade de vibração, havendo a destacar os seguintes: condições geológicas, diferenças

(35)

nos tipos de explosivos, diferentes tipos de ondas e diferenças na geometria das explosões, tais como erros nos tempos de detonação e de medição (Vuolio, 1990).

Os vários tipos de ondas são ainda caracterizados pelas suas diferentes velocidades de propagação. As ondas “P” são as que apresentam maior velocidade, as ondas “S” são consideravelmente mais lentas e as ondas “R” são ainda um pouco mais lentas do que as ondas “S”. A velocidade da onda é função das propriedades elásticas do material. Para longas distâncias da fonte, as ondas “R” frequentemente apenas se distinguem devido às suas características de muito menor atenuação.

Os parâmetros caracterizadores das ondas sísmicas anteriormente apresentadas são os indicados na tabela seguinte:

Tabela 2.1 - Parâmetros das ondas sísmicas (Bernardo, 2004, adaptado de Sleep e Fujita, 1997)

Parâmetro Abreviatura Unidade (S.I.) Significado

Amplitude (de um ciclo i) Ai [m]

Magnitude da afectação de uma partícula, a partir da sua posição de repouso (pode ser expressa sob a forma de um deslocamento, de uma velocidade ou de uma aceleração)

Am p lit u d e

Deslocamento δ [m] Espaço percorrido por uma partícula, quando

excitada pela onda

Velocidade de vibração 0 [m. s-1] Deslocamento das partículas, causado pela

passagem da onda, por unidade de tempo

Aceleração a [m. s-2] Variação da velocidade das partículas, por

unidade de tempo

Período T [s] Tempo necessário para completar um ciclo

ou oscilação (referencial: δ' vs tempo)

Comprimento de onda λ [m] Comprimento de um ciclo completo

(referencial: δ vs distância)

Frequência f [Hz] Número de ciclos por segundo

2.4. Propagação de vibrações

Nas interfaces entre os diferentes meios (por exemplo entre o solo e o ar, entre o solo e a água ou ainda entre camadas de características elásticas diversas), desenvolvem-se diferentes tipos de ondas superficiais. Sabe-se que apenas uma pequena parte da energia transmitida aos terrenos é convertida em energia sísmica. Dinis da Gama (1998) estima que apenas cerca de 5 a 15% da energia libertada pelas detonações de explosivos em rocha é efectivamente usada

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na fragmentação. A percentagem mais significativa é transmitida ao ambiente, podendo causar impactes consideráveis.

Segundo Sarsby (2000), em qualquer ponto do maciço circundante, o movimento máximo das partículas postas a vibrar é devido apenas a uma das componentes e não à energia total da onda, sendo que a que tem, geralmente, maior importância é a componente vertical. Vuolio (1990) partilha da mesma opinião, ao referir que os dados coligidos entre 1970 e 1989 mostram que, na prática, é a componente vertical que contribui maioritariamente para a velocidade de pico de partícula (PPV). A desigualdade na distribuição da energia faz com que a velocidade vibratória decresça de forma irregular com a distância percorrida, pelo que, na prática, a atenuação da sua amplitude é determinada a partir dos valores de pico resultantes das três componentes principais (longitudinal, transversal e vertical). Identicamente às vibrações no terreno, na onda aérea o nível de pico da sobrepressão é função do peso da carga de explosivo por retardo e da distância fonte-recepção. Ao contrário daquelas, a pressão do ar pode ser descrita completamente com apenas um transdutor, pois, em qualquer ponto, é igual nas três direcções ortogonais (Mohamed, 2010).

Os factores determinantes na redução das vibrações com a distância são (Figura 2.6), ainda de acordo com Sarsby (2000), in Dinis da Gama (2003):

a expansão geométrica das ondas;

a progressiva separação das três componentes, longitudinal, transversal e vertical;

a presença de descontinuidades nos maciços (causando reflexões, refracções, difracções e dispersões);

o atrito interno dinâmico característico das rochas.

Figura 2.6 - Atenuação das vibrações com a distância (Jimeno et al., 1995)

Contudo, na realidade, as ondas nem sempre se atenuam com a distância. Por exemplo, em meios estratificados, e se a sua geometria o favorecer, as ondas podem concentrar-se ou