Unidade 01 – Geologia Aplicada à Engenharia - ufjf.br · Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra Prof. M. Marangon Unidade 01 – Geologia Aplicada à Engenharia

Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra Prof. M. Marangon

Unidade 01 – Geologia Aplicada à Engenharia

1. 1. - Aplicações da Geologia em Projetos de Engenharia Civil 1.1.1 - Atividades de Superfície : a) Obtenção de materiais para construções em geral. b) Construção de estradas, corte em geral e minas a céu aberto. c) Fundações de Edifícios. d) Obtenção de água subterrânea. e) Barragens de terra e aterros em geral. f) Túneis e escavações subterrâneas. a) Obtenção de materiais para construções em geral.

A procura de ocorrências naturais (jazidas) de materiais de construção como pedras, saibros, areia ou cascalho, argilas para exploração, constitue uma das fases importantes do planejamento das obras civis de vulto. Nas obras situadas nas grandes cidades e nas proximidades das mesmas, o material de construção necessário poderá ser adquirido de fornecedores (pedreiras, areais, ...) já instalados. A maioria das grandes obras rodoviárias, ferroviárias, hidráulicas, habitacionais etc. , no entanto, utiliza jazidas próprias.

A foto aérea abaixo (Jornal Tribuna de Minas – J. Fora/MG) ilustra o aspecto do grande impacto, face a alteração do relevo, em que implicam algumas obras, em que há grande movimentação de terra.

Figura 01 - Exemplo de Obra de Terra (Terraplenagem do Carrfour, em Juiz de Fora/MG)

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A localização adequada das jazidas que forneçam materiais de boa qualidade é um dos fatores que mais influem no custo e no andamento das grandes obras civis. Identificação de jazidas naturais para exploração de material:

- Pedreiras (Pedra): Utilizadas para confecção de concretos, pavimentação, revestimentos de fachadas de edifícios ,etc... - Jazidas de Cascalhos e Areia: Utilizados para revestimento de leitos de estradas, construção de aterros de terra, concretos, obras de drenagem, etc... - Jazidas de Argila: para impermeabilização de obras de terra, para cerâmica em geral

(fabricação de tijolos). A fotografia (figura 02) mostra um exemplo de obra - construção de aterro - em que o

material utilizado na construção é basicamente um solo argiloso (argila) extraído de jazida (assinaladas com setas) próximo ao local de construção do aterro, com pequena distância de transporte do material.

Figura 02 - Vista da construção de aterro nas proximidades do Aeroporto de Juiz de Fora A potencialidade de uma região, quanto à possibilidade de existirem ocorrências

favoráveis para a exploração de jazidas (materiais minerais nobres, como o mármore, granito...) pode ser verificada facilmente pelo simples exame dos mapas geológicos. O sucesso dessa verificação dependerá muito da peculiaridade geológica da região e dos detalhes dos mapas disponíveis.

A utilização das rochas e dos depósitos naturais de sedimentos como materiais de

construção em obras de engenharia são intensas e, normalmente, são utilizadas como: agregados para confecção de concreto, blocos para revestimento de fachadas de edifícios, proteção de taludes de barragens, pedra britada para os leitos de ferrovias, aeroportos e rodovias, blocos para calçamentos de ruas, etc.

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A exploração de uma pedreira ou de um depósito de argila, areia, cascalho, depende de três fatores básicos:

• Qualidade do material: não deve haver alteração no material pelo intemperismo e nem o mesmo exibir fraturas demasiadas. Como exemplo, sabe-se que as pedreiras de basalto e diabásio se prestam para extração de paralelepípedos para calçamento; que as de calcário e arenito cozido são utilizadas para revestimento de fachadas; que as de mármore servem para o revestimento de interiores. • Volume de material útil: este fator é calculado pelos métodos usualmente empregados em geologia. A investigação de toda jazida é feita através de um reconhecimento geológico superficial, complementado por prospecção através de sondagens mecânicas, poços, furos a trado, é até mesmo por métodos geofísicos. • Localização geográfica da jazida: se as distâncias do depósito à obra ou aos centros consumidores for considerável, o material pode se tornar anti-econômico.

Obtenção dos materiais de construção

Esses materiais podem ser obtidos de diferentes formas:

• Pedreira: são abertas para a obtenção de pedra britada, a fim de se confeccionar concreto para pavimentação ou mesmo blocos de revestimentos de fachadas de edifícios. As pedreiras são, normalmente, localizadas em rochas ígneas ou metamórficas. As especificações mínimas que uma pedreira deve ter para ser explorada, são as seguintes:

A rocha deve ser durável e estar inalterada. Apresentar pequena cobertura de solo no local. Possuir topografia favorável, isto é, encostas ou faces íngremes que facilitem o

desmonte. Alguns exemplos de cidades brasileiras que possuem pedreiras voltadas para

revestimento de fachadas: Itu e Cachoeiro do Itapemirim (granito), Ubatuba (gabro ou “granito verde”), Piracicaba (calcários listrados), São Carlos (arenitos róseos), entre outros. Deve-se também dar um destaque especial ao mármore encontrado, nas mais variadas cores, na Bahia, Minas Gerais e Ceará.

• Jazidas de aluviões ou de solos residuais: quando o material não é rocha, a

exploração se dá através dos depósitos de aluvião ou dos solos residuais. Os aluviões são fontes dos seguintes materiais: Cascalho: para concreto, revestimento de leitos de estradas de terra, etc. Areia: para confecção de concreto, fundações, filtros de barragem, etc. Argila: para cerâmica em geral, núcleo impermeável de barragem, etc.

As jazidas de solos residuais (áreas de empréstimo): quando o material é solo (maduro – argila laterítica – cores em tons de vermelho e laranja) a exploração se dá através dos depósitos formados pela “capa” de solos residuais. Os solos argilosos (nunca siltosos) são fontes dos seguintes materiais:

Argila: para construção de aterros em geral. Argila: Construção de estruturas compactadas com finalidade de trabalhar com

permeabilidade baixa.

Métodos de investigação • Pedreiras: a seleção preliminar deste tipo de área é feita através de observações em

mapas topográficos, geológicos e por fotografias aéreas. Posteriormente, visita-se o local, utilizando-se de métodos usuais de investigação, como abertura de poços e trincheiras, execução de sondagens e até de aplicação de métodos geofísicos (sísmicos e elétricos).

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• Depósitos naturais Aluvião: são concentrações de solos constituídas pela ação da água ou vento, sendo que

os materiais mais comuns encontrados neste tipo de depósito são as areias, argilas e cascalhos. Normalmente são localizados ao longo de rios, principalmente nas suas confluências ou em suas planícies de inundação.

Solos Residuais: são concentrações de solos maduro, formado a partir de processos de pedogenese (alterações realizadas pelo meio – clima tropical, quente e húmido), após a ação do intemperismo de solos de alteração de rocha. Normalmente são localizados ao encostas não muito íngremes.

As investigações geológicas para este tipo de ocorrência devem ser feitas, levando-se em

conta os seguintes pontos: Aspectos topográficos do local do depósito (vale, terraço, etc): tais informações podem

ser obtidas através de mapas plani-áltimétricos, em escalas convenientes, juntamente com fotos da ocorrência. Geologia do depósito: considerar as características do depósito, observando as rochas que o

originaram, a natureza das rochas adjacentes, a ocorrência ou não de capa de solo de recobrimento, a sua composição mineralógica aproximada, a variações locais em granulação, qualidade, etc. Condições hidrogeológicas: observação da cota do nível d’água nas diferentes estações do

ano, bem como de sua qualidade. É necessário conhecer a posição do nível d’água para determinar o tipo de equipamento que vai ser utilizado na extração do material. A presença de água poderá exigir o uso de bombas para sua retirada durante a exploração do depósito. Cubagem e propriedades físicas do depósito (basicamente granulometria): na cubagem,

estimam-se, separadamente, as partes situadas abaixo e acima do nível d’água. Rochas e solos mais comuns e sua aplicação

• Pedra britada: em construção civil, as rochas mais utilizadas são as magmáticas como o granito, gabro e diabásio. Eventualmente, usam-se também algumas rochas metamórficas, que são, porém, menos favoráveis, pois tendem a formar fragmentos em placas, ao invés de equidimensionais, como é o caso de gnaisses e quartzitos. Usam-se também depósitos naturais de cascalho em aluviões, após a lavagem e seleção por tamanho.

• Revestimentos de fachadas e pisos: as rochas mais comuns são as magmáticas e metamórficas, usadas com e sem polimento. Como exemplos, pode-se citar o granito, gabro, diabásio, quartzito, itacolomito (pedra-mineira), mármore, ardósia, gnaisses. Porém, em alguns casos, utiliza-se até rochas sedimentares como o calcário e o siltito.

• Paralelepípedos: as rochas mais utilizadas são o granito, o basalto, o diabásio e o gnaisse.

• Solos residuais: são usados normalmente como áreas de empréstimo para aterros, barragens, entre outros.

• Solos de aluvião: podem fornecer areia (para concreto, filtro ou fundição), cascalho (para leitos de estradas e concreto) e argila (para cerâmica).

Métodos de exploração de jazidas

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• Pedreiras: a exploração de uma pedreira requer uma série de equipamentos e várias etapas a serem seguidas: Limpeza por tratores do material estéril que recobre a rocha sã. Marteletes para perfuração da rocha e explosivos para serem colocados nestes furos. Carregadeiras para transportar o material fragmentado pelas explosões até a central de

britagem. Peneiras para seleção dos fragmentos. Britadores para fragmentar os blocos de rocha em vários tamanhos menores. Lavadores para retirar o pó que se associa aos fragmentos.

Para a obtenção de placas para revestimento, o material é extraído em grandes blocos (nas rochas magmáticas) e depois é serrado em placas.

Nas rochas metamórficas já se obtêm essas placas, graças à divisibilidade dessa rocha em função da orientação dos seus minerais. • Aluviões: a exploração de um depósito de aluvião para extração de areia, cascalho ou argila é mais simples. Areia: dragas para retirar o material e silos para separar a água da areia. Argila: escavadeiras pequenas. Cascalho: escavadeiras ou dragas. Neste caso, precisa-se de um lavador e de peneiras para

separar o cascalho dos materiais mais finos. • Argila: a exploração de um depósito de argila é igualmente simples. Argila: escavadeiras pequenas ou equipamentos de maior porte, dependendo do volume a

escavar e da eficiência pretendida para a obra (velocidade do trabalho). O que deve ser observado é o fato de se encontrar, abaixo da capa de argila – solo maduro,

um solo inadequado à construção de aterro que é o silte.

b) Construção de estradas, corte em geral e minas a céu aberto.

Para que sejam asseguradas as condições de conforto, segurança e economia na construção de uma rodovia, além das condicionantes geométricas de traçado, há que se proceder as investigações de natureza geológica e geotécnica da região a atravessar, as quais constituem os fundamentos dos estudos de drenagem e de estabilidade dos cortes e túneis, aterros e seus terrenos de suporte, fundações de obras de arte e dimensionamento dos pavimentos.

Os problemas de fundações de aterros para estradas surgem, em geral, na construção de aterros sobre argilas moles ou terrenos pantanosos, quando então é de se prever o aparecimento de grandes recalques ou, até mesmo, a ruptura da fundação. Situações como estas em projeto de

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estradas tem uma importância muito grande, sendo estudado neste curso em unidade específica, mais adiante (Unid. 02 – Geotecnia de Fundações – Aterro sobre Solos Moles). Vista geral (1995) da construção de uma estrada (Acesso Norte de Juiz de Fora) nas proximidades do bairro Jockei Club II. Observa-se, abaixo na foto, trecho terraplenado em solo com base do pavimento já contruída e acima na foto, corte em rocha exemplificando diferentes situações geotécnicas. A geologia local pode ser fator determinante para a inviabilização (econômica) de determinados traçados inicialmente idealizados.

A figura acima ilustra (à esquerda) um escorregamento superficial de solo sobre a ocorrência de uma rocha e a outra a diferença de estabilidade dos cortes executados num mesmo vale, em que há uma formação de rocha em planos, como é o caso das formações de “filito”, rocha muito comum na região de Belo Horizonte, por exemplo. c) Fundações de Edifícios

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A escolha do tipo de fundação é responsabilidade do engenheiro projetista e é feita baseada nas informações geológicas, as quais devem fornecer dados sobre o terreno de fundação.

O método mais comum para investigação geológica da fundação de edifícios é o de sondagem à percussão com circulação de água, acompanhado pelo ensaio normalizado de penetração (SPT) ou sondagem de simples reconhecimento do solo (Normas ABNT). Este método fornece um perfil com a descrição das camadas do solo e a resistência oferecida por elas à penetração de um amostrador normalizado. Pode fornecer, ainda, a profundidade do nível de água estático.

Quando a fundação é rochosa, ou parcialmente rochosa, usa-se outro método de sondagem, a sondagem rotativa com broca de diamante e extração de testemunho de sondagem. A rocha amostrada é descrita e avaliada quanto à resistência.

Em casas ou construções que aplicam baixa tensão sobre o solo, muitas vezes não são realizadas sondagens. Vale, neste caso, a experiência do Engenheiro responsável, ou mesmo construtor, para estabelecer até onde deve ir a escavação para ser colocada a fundação classificada como “superficial”. A experiência é reforçada pelo conhecimento dos solos da região. Este assunto é tratado na disciplina “Geotecnia de Fundações”, oferecida na UFJF.

Para fundações de barragens ou outras obras que exijam estudos especiais usam-se todos os métodos de investigação geológica. Neste caso, os mapas geotécnicos podem fornecer valiosas informações.

Condições geológicas desfavorável para fundações superficiais (sapatas).

d) Obtenção de água subterrânea.

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O interior da Terra, composto de diferentes rochas, funciona como um vasto reservatório subterrâneo para a acumulação e circulação das águas que nele se infiltram. As rochas que formam o subsolo da Terra, raras vezes, são totalmente sólidas e maciças. Elas contêm numerosos vazios chamados também de interstícios, que variam dentro de uma larga faixa de dimensões e formas. Apesar desses interstícios poderem atingir dimensões de uma caverna em algumas rochas, deve-se notar que a maioria tem dimensões muito pequenas. São geralmente, interligados, permitindo o deslocamento das águas infiltradas.

Em consequência da infiltração, a água precipitada sobre a superfície da terra penetra no subsolo e através da ação da gravidade sofre um movimento descendente até atingir uma zona onde os vazios, poros e fraturas se encontram totalmente preenchidos d’água. Esta zona é chamada zona saturada. Essa zona é separada por uma linha conhecida como nível freático ou lençol freático.

Ciclo Hidrológico da Água - Infiltração e formação de lençol freático (L.F.)

A utilização da água existente no subsolo é feita através de poços caseiros (exemplo

ilustrado abaixo) e profundos, conforme a profundidade alcançada.

Grande número das obras de Engenharia encontram problemas relativos às águas subterrâneas. A ação e a influência dessas águas têm causado numerosos imprevistos e acidentes. Os casos mais comuns desse tipo de problema são verificados em cortes de estradas, escavações de valas e canais, fundações para barragens, pontes, edifícios, etc. De acordo com o tipo de obra, executa-se um tipo de drenagem ou rebaixamento do lençol freático.

A construção de edifícios, barragens, túneis, etc., normalmente requer escavações abaixo do lençol freático. Tais escavações podem exigir tanto uma drenagem, como um rebaixamento do lençol freático. São vários os métodos para eliminar a água existente no subsolo. e) Barragens de terra e aterros em geral.

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As barragens são estruturas construídas em vales e destinadas a fechá-los transversalmente, proporcionando assim um represamento de água.

A água acumulada por uma barragem é utilizada para as três seguintes finalidades principais: abastecimento de cidades, suprimento à irrigação e produção de energia elétrica. Estas são portanto barragens de acumulação.

As que se destinam ao desvio dos cursos d’água denominan-se barragens de derivação.

A escolha do local para implantação de uma barragem é feita segundo um planejamento geral em que interferem as condições geológicas e geotécnica da região e ainda fatores hidráulicos, hidrelétricos e político-econômicos. Este assunto será visto de forma mais detalhada na Unidade 04 e 05 deste curso.

O estudo de uma barragem e, em particular, da sua fundação, requer preliminarmente as seguintes investigações:

Topográficas: Cumpre, previamente, um levantamento topográfico da região onde deverá ser construída a barragem, delineando-se assim a sua bacia de acumulação.

Hidrológicas: Tais investigações, de grande importância, visam a conhecer o regime de águas da região.

Geológicas: O conhecimento das condições geológicas da região é de importância fundamental. Basta observar que das causas de acidentes de barragens nos Estados Unidos, pelo menos 40% são, direta ou indiretamente, de ordem geológica. O trabalho do engenheiro deve, portanto, ser secundado pelo de um experiente geólogo de barragens. A prospecção geológica refere-se em particular ao estudo das rochas, com especial atenção quanto aos seus eventuais fendilhamentos.

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f) Túneis e escavações subterrâneas

O objetivo dos túneis é permitir uma passagem direta através de certos obstáculos, que podem ser elevações, rios, canais, áreas densamente povoadas, etc. São elementos de transporte, com exceção daqueles usados em mineração. São exemplos os túneis ferroviários, rodoviários, de metrôs, de transporte de fluídos (água). No transporte de água, a finalidade pode ser tanto para obtenção de energia, como de abastecimento de populações.

Exemplo de escavação subterrânea sob a BR040 – Trevo do salvaterra – J. Fora/MG

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Os túneis são também frequentemente usados em barragens como obras auxiliares, através dos quais as águas do rio são desviadas a fim de permitirem a construção das estruturas da barragem no leito do rio. Os túneis de desvio são, em certos casos, aproveitados posteriormente como túneis de adução, isto é, transporte das águas do reservatório até a casa das máquinas. Na maioria dos casos, o traçado, tamanho e forma da seção do túnel são estabelecidos anteriormente ao reconhecimento geológico, escolha esta governada primeiramente pelos interesses de tráfego e transporte. Este deve ser o caso dos túneis urbanos, rodoviários e ferroviários e, também, nos túneis de condução de água, nos quais as condições hidráulicas determinam seu tamanho e forma. A tendência para o traçado de um túnel é mantê-lo o mais reto possível, não só por seu percurso menor, mas também pela simplificação da construção e da sua locação topográfica. O encontro de algumas condições geológicas particularmente ruins, durante o reconhecimento prévio, pode dar lugar a um novo traçado do túnel.

Este assunto será visto de forma mais detalhada na Unidade 06 deste curso. 1.1.2 - Atividades de Profundidade: a) Abertura (escavações) túneis para uso civil.

Obras civis envolvendo escavações subterrâneas em rochas e solos exigem estudos geológicos geotécnicos detalhados e específicos, para seu sucesso.

Geologia - Fatos determinantes, definição de projeto adaptado as paticularidades local.

Engenharia Civil - Conhecimentos técnicos científicos para a execução da obra de engenharia.

b) Escavações de Minas em profundidade c) Cavernas para hidroelétricas. Atividades Especiais: a) Engenharia de Petróleo b) Engenharia Geotécnica em Geral c) Engenharia do Meio Ambiente (armazenamento de produtos radioativos)

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1. 2 - Elementos Estruturais das Rochas* *Texto extraído do Livro “Geologia Aplicada à Engenharia”, de Nivaldo José Chiossi, que se encontra com sua edição esgotada. Introdução

O presente texto fornece noções sobre os elementos estruturais existentes nas rochas, representadas pelas dobres, falhas e fraturas. Outros elementos, como acamamentos das rochas sedimentares ou xistosidade das rochas metamórficas, já foram considerados no Curso de Elementos de Geologia (Formação das Rochas).

Nunca é demais insistir na importância dos elementos estruturais numa obra de

Engenharia. Assim os túneis, barragens ou cortes rodoviários em determinadas áreas podem encontrar zonas de fraqueza ou ruptura, causadas por falhas, dobras ou fraturas daquelas rochas.

a) Deformação das Rochas

As rochas estão constantemente sob a ação de forças que se originam no interior da Crosta. Essas forças causam vários tipos de deformações.

Por deformação entende-se qualquer variação de forma ou volume ou de ambos, que um corpo experimenta quando sujeito à ação de pressões, tensões, variações de temperatura, etc.

As deformações podem ser elásticos, plásticos e por ruptura. Será elástica quando, uma vez cessada a causa que o deforma, o corpo retorna à forma e volume primitivos. Uma vez ultrapassado o limite de elasticidade de um corpo e se este não voltar mais a forma e volume primitivos, dizemos que o mesmo sofreu uma deformação plástica. Se o esforço for tal que é ultrapassado o limite de plasticidade do corpo, este se rompe, sofrendo ruptura ou fratura.

O efeito da variação de temperatura nas rochas poderá causar deformações elásticas, que,

contudo, não podem ser facilmente observadas. A formação de dobras, falhas e diáclases são exemplos das deformações plásticas e de rupturas.

- Zona de Plasticidade e de Fratura

Por plasticidade entende-se uma mudança gradual na forma e na estrutura interna de uma rocha, efetuada por reajuste químico e por fraturas microscópicas, enquanto a rocha permanece essencialmente rígida. Durante este processo não se produz a fusão. A rocha não chega a fundir-se.

Sob enormes pressões e temperaturas que existem nas grandes profundidades da Crosta, todas as rochas experimentam uma tendência maior à plasticidade do que à fratura. A temperatura e a pressão elevadas, a presença de umidade e a natureza da própria rocha são fatores que influem nesta plasticidade. Próximo da superfície, as rochas são mais propensas à ruptura. Dessa forma, podemos distinguir na Crosta duas zonas distintas de deformações: uma zona de plasticidade e a grande profundidade e uma zona de fratura próxima à superfície.

As estruturas produzidas na zona de fratura são as fraturas, falhas e fendas. Na zona de plasticidade originam-se dobras, estruturas gnáissicas, xistosas, etc. - Rochas Competentes e Incompetentes

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Certas rochas possuem mais facilidade para se dobrarem e transmitirem os esforços

recebidos, enquanto outras possuem maior tendência a se fraturarem. As primeiras são as rochas competentes e as segundas, as incompetentes.

Como exemplo, rochas competentes são os folhetos e calcários, enquanto as rochas

arenosas como o quartzito têm tendência a se fraturarem (incompetentes).

b) Dobras

São aquelas existentes em certos tipos de rochas. Por exemplo, nas formações extratificadas, como rochas vulcânicas e sedimentares e seus equivalentes metamórficos. Entretanto, qualquer rocha acamada ou com alguma orientação pode mostrar-se dobrada como acontece com filitos, quartzitos ou gnaisse. O tamanho das rochas é o mais variado, uma vez que, enquanto algumas não passam de centímetros, outras atingem grandes proporções com centenas de quilômetros de amplitude.

Figura – Aspecto de rocha em corte, no acesso da AV. JK até a BR040, em J. Fora, em que se observa o efeito de dobramento.

- Causa dos dobramentos

Dobras, assim como falhas, são frequentemente classificadas em tectônicas e atêctonicas, segundo sua origem, As de origem tectônica resultam mais ou menos diretamente de forças que operam dentro da crosta da Terra. As de origem atectônicas são o resultado de movimentos localizados (deslizamentos, acomodações, escorregamentos, avanço de gelo sobre sedimentos inconsolidados, etc.) sob influencia de gravidade e na superfície terrestre. As dobras de origem atectônicas são inexpressivas, de âmbito local.

Deve-se observar ainda que com um dobramento ocorrem também falhamentos de

pequena amplitude, de grande valia na interpretação da estrutura resultante.

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Exemplo de estrato rochoso dobrado

- Nomenclatura das dobras

A terminologia para se descrever o aspecto geométrico de dobras é a seguinte: -Anticlinal: é uma dobra convexa para cima. Significa, em grego, “inclinado

opostamente”. Refere-se ao fato de, em anticlinais simples, os dois flancos mergulharem em direções opostas.

-Sinclinal: é uma dobra côncava para cima. O significado, em grego, é “inclinado junto”,

por se referir ao fato de, nos mais simples sinclinais, os dois flancos mergulharem um em direção ao outro.

O conjunto de termos a seguir se refere à atitude dos eixos.

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- Reconhecimento de dobras

Não é fácil a observação de dobras no campo, principalmente quando são de tamanho considerável. Isso em virtude da ação contínua da erosão. Devem-se levar em consideração vários pontos de observação, numa tentativa de se recompor a geometria da antiga dobra. Ex.: na Via Anhanguera, entre Perus e São Paulo, os cortes dessa estrada exibem as camadas de filtro nas mais variadas posições: mais ou menos no km 35, as camadas aparecem na posição vertical. Antes e depois desse ponto, as inclinações das camadas são mais suaves. Num caso como esse, podes-se recompor a superfície dobrada, da seguinte maneira:

O mesmo raciocínio de observação pode ser feito para as amostras de sondagens colhidas no subsolo. O processo é idêntico.

Imaginemos uma região com dobramentos moderados, e onde foram executadas várias sondagens.

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Através da observação das amostras que são retiradas do subsolo, podemos determinar a posição das camadas. Suponhamos que foram encontradas as seguintes posições:

S1 – Inclinada para o norte 450

S2 – 400 para o sul S3 – 700 para o norte

S4 – 600 para o sul Colocando-se esses valores no perfil, pode-se recompor a dobra.

É óbvio que, quanto mais simples for a dobra e maior o número de sondagens, mais exata

será a reconstrução da dobra.

Exemplo de formação montanhosa com dobras visíveis

c) Falhas

- Definição

Falhas são rupturas e deslocamentos que ocorrem numa rocha ao longo de um plano, e pelo qual as paredes opostas se movem um em relação a outra. A característica essencial é o movimento diferencial de dois blocos ou camadas, ao longo de um superfície de fratura ou fraqueza.

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Os deslocamentos, das falhas podem variar de poucos centímetros até dezenas de quilômetros. A atitude ou posição de uma falha é dada pela medida de sua direção e mergulho.

O bloco acima do plano de falha é chamado capa e o abaixo, lapa. É óbvio que falhas verticais não terão lapa nem capa.

- Elementos de uma Falha

Plano de Falha: é a superfície ao longo da qual se deu o deslocamento. Linha de Falha: é a interseção do plano de falha com a superfície topográfica. Espelho de Falhas: originaram-se em conseqüência do deslocamento. É a superfície

polida de uma rocha originada pela fricção dos blocos opostos, no plano da falha. Formam-se frequentemente estrias e caneluras, no sentido do movimento. Essa feição permite também deduzir o sentido do deslocamento.

Brechas de Falhas: quando o movimento é forte, as rochas no plano podem se fraturar e

ser, posteriormente, cimentadas. As brechas tectônicas se distinguem das rochas sedimentares, por apresentarem composição mineralógica idêntica à das rochas encaixantes e homogeneidade quanto aos fragmentos.

Quando o movimento é muito forte, a rocha, no plano de falha, fica moída,

transformando-se em pó de rocha. A consolidação desse pó constitui a rocha metamórfica chamada milonito. Temos, então, ao longo do plano de falha, uma zona de metamorfismo.

Rejeito: é o deslocamento relativo de pontos originalmente contínuos, medido com

referência ao plano de falha. São cinco os tipos de rejeito: - Tipos de Falha

31Os tipos mais simples de falhas são os seguintes:


Falha normal: falha em que a capa (ou teto) se movimenta aparentemente para baixo em

relação à lapa (ou muro). O plano de falha mergulha para o lado que aparentemente se abateu. Esta é uma falha de tensão.

Falha inversa ou de empurrão: falha em que a capa aparentemente se desloca para o alto, em relação à lapa. O plano de falha mergulha aparentemente para o bloco que se elevou. É uma falha de compressão.

“Horst e graden”: um bloco rochoso afundado entre duas falhas constitui um graden, e um bloco que se ergueu entre duas falhas é um horst. - Reconhecimento de Falhas

As falhas podem produzir escarpas na topografia. Entretanto, vale lembrar que nem toda escarpa se originou por falhamento. Há também escarpas produzidas por erosão diferencial. Escarpas de falhamento são raras no local onde se deu a falha, pois em breve a erosão vai agir recuando o escarpamento, formando então escarpas ao longo de linhas de falhas paralelas à direção de falhamento, mas não coincidentes nestas. Com o tempo, a erosão destrói toda a evidência de falha e esta só pode então ser reconhecida por meios indiretos: falta ou repetição de camadas, contato brusco de dois tipos litológicos, fontes ou nascentes alinhadas (acompanhando a direção de falhamento). É muito útil também a observação de espelhos de falhas, brechas e milonitos. Em fotografias aéreas, a mudança brusca da cor do terreno, o desvio do curso de um rio, linha de vegetação, etc. são indícios de falhas.

As falhas podem ser também observadas através de amostras de sondagens, por meio de sua correlação. Ex.:

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d) Fraturas - Definição

É uma deformação por ruptura. Trata-se de um plano que separa em duas partes um bloco de rocha ou de uma camada, e ao longo do qual não se deu deslocamento.

A foto mostra um gnaisse, típico do litoral do Rio de Janeiro, com uma fratura que foi

preenchida por uma formação mineral que permitiu o afastamento dos planos formados. Veja que não há “deslocamento”.

As fraturas têm a seguinte nomenclatura:

O termo diáclase é reservado para as fraturas ou rupturas de causas tectônicas, enquanto o termo junta restringe-se a fraturas cuja origem é a contração por resfriamento. O espaçamento entre as diáclases de um bloco rochoso pode variar de metros até poucos centímetros. As diáclases são fraturas normalmente fechadas, mas podem ser alargadas pelo intemperismo químico.

- Tipos

a) As diáclases originadas por esforços de compressão são mais freqüentes e são provocadas principalmente por esforços tectônicos. Caracterizam-se por superfícies planas e ocorrem na forma de sistemas, cortando-se em ângulo. São comuns nas partes côncavas dos anticlinais e nas convexas dos sinclinais.

Quando a estrutura da rocha (metamórfica ou sedimentar) for inclinada, podem se desenvolver diáclases paralelas `a estrutura ou ainda obliquas a ela. Ex.: gnaisses, xistos, folhelhos.

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b) As diáclases de tensão se formam perpendicularmente às forças que tendem a puxar opostamente um bloco rochoso. Caracterizam-se em geral por superfícies não muito planas. Duas origens são invocadas para as diáclases de tensão:

Tectônica: são freqüentes nos anticlinais e sinclinais. Contração: ocorrem tanto em rochas ígneas como em sedimentares, caracterizando-se por

vários sistemas entrecruzados. Ex.: diáclases de contração do basalto, formando colunas prismáticas. Tais diáclases são chamadas preferencialmente de juntas.

Fraturas são elementos estruturais de grande importância em geologia, como por

exemplo: a) Em Geologia Aplicada: na construção de túneis, barragens, estradas, etc., a existência

de fraturas nas rochas deve ser observada cuidadosamente. b) Cursos dos Rios: os cursos d`água aproveitam essas zonas de fraqueza, para impor a

sua direção. c) Em Geologia Econômica: aproveita-se das fraturas das rochas para a obtenção de lajes,

blocos retangulares, etc., usados como materiais de construção. Na construção de barragens, o exemplo da importância das fraturas é bastante

significativo. Assim, a barragem de Jaguará, no Rio Grande, situada em quartzitos, exigiu intenso uso de injeções de cimento nas fundações, uma vez que a rocha apresentava uma série de fraturas, muitas das quais ao longo de suas camadas.

Outro exemplo típico é o das barragens localizadas em derrames de basalto. Essa rocha

exibe normalmente um fraturamento semi-horizontal associado a uma série de fraturas tanto horizontais como verticais e inclinadas. Exemplo: Urubupungá, Ibitinga, Promissão, no Estado de São Paulo, Salto Osório, no Paraná, etc. Via de regra, os basaltos necessitam de injeções de cimento para vedar as fraturas.

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* IDENTIFICAÇÃO MACROSCÓPICA DOS PRINCIPAIS TIPOS DE ROCHAS

As rochas desta tabela estão dispostas em quatro grupos diferentes, de cordo com sua

granulação e tipo de estrutura. O critério de subdivisão dos dois primeiros grupos são 3 graus

de dureza: riscável pela unha, facilmente pelo canivete e dificilmente pelo canivete.

GRUPO I

ROCHAS COM ESTRUTURA MACIÇA. GRANULAÇÃO FINÍSSIMA. NÃO SE OBSERVAM MINERAIS. SEM ORIENTAÇÃO PREFERENCIAL.

1. DUREZA: RISCÁVEL PELA UNHA

Descrição Composição Rocha Origem Odor característico, quando molhada (moringa). Macia ao tato. Não efervesce com HCl.

Argila Argilito Sedimentar

2. DUREZA: RISCÁVEL PELO AÇO

Descrição Composição Rocha Origem Cheiro de moringa quando molhada. Não efervesce com HCl

Mica (sericita) Quartzo Ardósia Metamórfica

Odor de argila ausente ou fraco. Forte efervescência com HCl. Cores diversas Calcita Calcário Sedimentar

Idem. Efervescente somente a quente. Dolomita Dolomito Sedimentar

3. DUREZA: NÃO RISCÁVEL, OU DIFICILMENTE, PELO AÇO

Descrição Composição Rocha Origem Muito duras. Sem odor característico de argila. Não efervesce com HCl. Calcedônia Sílex Sedimentar

Densas. Não efervescem. Cores: pretas, verde-escura, marrom.

Feldspato e Piroxênio Basalto Magmática

Claras: róseas, creme, branca. Maciça. Duras. Risca o vidro. Quartzo Quartzito Metamórfica

GRUPO II

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ROCHAS COM ESTRUTURA MACIÇA. GRANULAÇÃO MÉDIA A GROSSA. SÃO

OBSERVADOS CRISTAIS. SEM ORIENTAÇÃO PREFERENCIAL.

1. DUREZA: FACILMENTE RISCÁVEL PELO AÇO

Descrição Composição Rocha Origem Efervescem com HCl. Granulação fina a grossa. Cores diversas. Calcita Calcário Sedimentar

(met.) Efervescem com HCl. Granulação fina a grossa. Cores diversas. Efervesce a quente. Dolomita Dolomito Sedimentar

(met.)

2. DUREZA: DIFICILMENTE OU NÃO RISCÁVEL PELO AÇO

a) Textura eqüigranular (minerais com tamanho semelhante)

Descrição Composição Rocha Origem

Cores claras, em tons róseo e cinza. Quartzo comum. Granulação milimétrica.

Quartzo, Feldspatos e

Micas Granito Magmática

Cores claras, em tons róseo e cinza. Quartzo comum. Granulação finíssima.

Quartzo, Feldspatos e

Micas Aplito Magmática

Cores escuras. Granulação milimétrica. Feldspato e Piroxênio

(magnetita) Gabro Magmática

Cores escuras. Granulação ligeiramente menor.

Feldspato e Piroxênio

(magnetita) Diabásio Magmática

Cor clara. Granulação milimétrica e superior.

Nefelina e Feldspato (Fêmicos)

Nefelina-sienito Magmática

Cores diversas, claras. Risca o vidro. Formada de fragmentos. Quartzo

Quartzito, Arenito

silicificado

Magmática (Sedimentar)

Cores escuras. Cor verde e preta. Anfibólios Anfibolito Metamórfica

b) Textura ineqüigranular (minerais de diferentes tamanhos) Descrição Composição Rocha Origem

Cores claras Feldspato, Quartzo (Mica)

Granitos (ácidas) Magmática

Cores escuras Feldspato, Piroxênio

Basaltos (Básicas) Magmática

Cores médias a escuras Feldspatos

Fêmicos (sem quartzo)

Nefelina-sienitos

(Alcalina) Magmática

GRUPO III

ROCHAS ORIENTADAS EM PLANOS OU LINHAS.

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Causadas Por Estrutura Gnaissica ou Xistosa

Descrição Composição Rocha Origem Cores claras. Granulação grossa a média. Grandes cristais de feldspato. Cores variadas. Riscável pelo aço. Minerais placóides de mica.

Quartzo, Feldspato

(Fêmicos), MicasGnaisse Metamórfica

Cores claras a média. Cor cinza-esverdeada. Tato macio de pote, quando molhada. Quartzo e Sericita Filito

(xistos) Metamórfica

Cores claras. Branca ou creme. Granulação média a finíssima. Divisibilidade em placas, às vezes boa. Risca o vidro. Às vezes, com micas.

Quartzo (Mica)

Quartzito (micáceo) Metamórfica

Cor cinza, média a escura. Divisibilidade em placas. Micas Ardósia Metamórfica

GRUPO IV

ROCHAS COM CAMADAS PRÓXIMAS DA HORIZONTAL. ESTRATIFICADAS.

CLÁSTICAS. GRANULAÇÃO VARIÁVEL. FRIÁVEIS.

Descrição Composição Rocha Origem

Fragmentos ou seixos de tamanho maior que 2mm, semi-arredondados, cimentados por limonita, argila, etc.

Cascalho e material

cimentante Conglomerado Sedimentar

Fragmentos ou seixos de tamanho maior que 2mm, em fragmentos angulares, ligados por material cimentante.

Fragmentos e material

cimentante Brecha Sedimentar

Grãos semi-arrendondados, por vezes angu-losos, com tamanho entre 2mm e 0,1mm (visíveis a olho nu).Cor variada, às vezes estratificada, áspera ao tato.

Areia grossa Areia média Arenito Sedimentar

Grãos semi-arrendondados, por vezes angu-losos, com grãos entre 0,1mm e 0,01mm, friáveis, ásperas ao tato, dificilmente distingüíveis a olho nu. Transição entre arenito e argilito.

Silte Siltito Sedimentar

Odor característico, quando molhada (moringa). Macia ao tato. Não efervesce com HCl. Cores diversas.

Argila Folhelho Sedimentar

Odor de argila ausente ou fraco. Forte efervescência com HCl. Cores diversas. Calcita Calcário Sedimentar

Odor de argila ausente ou fraco. Efervescente somente a quente Dolomita Dolomito Sedimentar

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RESUMO PARA IDENTIFICAÇÃO MACROSCÓPICA DO TIPO DA ROCHA (principais características)

a) Rochas magmáticas

1. Estrutura maciça, compacta. 2. Dureza média a elevada. 3. No campo, a cor é relativamente homogênea.

b) Rochas sedimentares

1. Estrutura em camadas. 2. Dureza baixa. 3. No campo, a cor pode variar no sentido horizontal e vertical. 4. Estruturas sedimentares típicas: estratificação cruzada, marcas de ondas, de animais, de

chuva, do gelo, etc. Fósseis. c) Rochas metamórficas

1. Estrutura orientada. Paralelismo dos minerais. 2. Dureza média a elevada, com exceção das micáceas e carbonatadas. 3. No campo, a cor pode variar, como as sedimentares.

ROTEIRO PARA IDENTIFICAÇÃO DAS ROCHAS

1. Cor – deve ser referida, embora não seja muito importante; 2. Granulação – importante: muito grossa, grossa, média, fina ou finíssima; 3. Dureza – sua avaliação é dada por: riscável pela unha, facilmente pelo canivete e

dificilmente pelo canivete; 4. Estrutura – resume-se em: maciça, orientada ou estratificada; 5. Minerais presentes – depende de um maior conhecimento do indivíduo; 6. Conclusão: verificar a qual dos grupos anteriores pertence.

A seguir, complementa-se a identificação com os seguintes elementos:

7. Graus de alteração – classificam-se em: inalterada ou sã, ligeiramente, medianamente ou bastante alterada;

8. Outras observações – elementos como: eventual fratura, presença de vesículas, etc;

9. Tipo da rocha – Justificar; 10. Nome da rocha – Justificar.

1. 3 – Mapas Geológicos 38


*Texto extraído do Livro “Geologia Aplicada à Engenharia”, de Nivaldo José Chiossi, que se encontra com sua edição esgotada.

Introdução: Ao estudante de engenharia, e ao próprio engenheiro , interessa conhecer apenas certos

aspectos da Geologia Prática. A nosso ver (baseado em Chiossi) esses aspectos se resumem nos seguintes:

1- Identificação de amostras de minerais e rochas mais comuns. Poderão ser vistas no LaGetec – Laboratório de Geotecnia, da UFJF, ou vistas em museus. 2- Revisão de conceitos topográficos, no tocante às formas topográficas, aos mapas e perfis topográficos. 3- Elaboração e interpretação de perfis geológicos com base em sondagens. Destacar dois pontos: os limites entre as camadas e os elementos estruturais (falhas, dobras, etc.). 4- Interpretação de mapas geológicos considerando três situações básicas:

4.1- camadas horizontais; 4.2- camadas verticais; 4.3- camadas inclinadas.

5- Rochas com camadas inclinadas. Estudar basicamente dois aspectos: 5.1- Caracterização de uma camada inclinada a partir de três pontos de sondagem; 5.2- Traçar num mapa topográfico os limites de uma camada inclinada a partir de três pontos de ocorrência.

6-Exercício sobre barragens. 7-Exercício sobre túneis. 8-Exercícios com fotografias aéreas, mostrando aerofotogrametria e fotointerpretação. Mapas Geológicos Definição

Mapa geológico é aquele que mostra a distribuição dos tipos de rochas e das estruturas geológicas como fraturas, falhas, dobras, posição das camadas, etc. Cada tipo de rocha existente numa determinada área ou grupo de tipos de rochas, é separado de outro por linhas cheias, as quais são chamadas linhas de contato. Construção Um mapa geológico pode ser construído ou a partir de um mapa topográfico, no qual são colocados os dados geológicos, ou a partir de fotografias aéreas. No Brasil, até o momento, existe uma grande deficiência de mapas geológicos, o que obriga certos projetos prioritários a executarem a curto prazo, um mapa geológico precário que permita a sua execução. Ex.: as barragens construídas ultimamente no país, o projeto do metrô de São Paulo, etc., para os quais não havia mapas geológicos adequados. A existência de um mapa geológico facilita enormemente um projeto de engenharia, uma vez que, por exemplo, para um traçado de uma rodovia, de um túnel ou de uma barragem, será possível antecipar certos problemas, por simples consulta ao mapa antes mesmo da ida dos geólogos e engenheiros ao campo. Representação

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A representação dos tipos de rochas num mapa geológico pode ser feita através de símbolos adequados ou cores apropriadas. A separação entre cada tipo de rocha é feita através de linhas cheias. Quando a separação é duvidosa, usa-se linha tracejada. Os elementos estruturais são representados também por símbolos, dos quais os mais comuns são os seguintes: direção e mergulho das camadas (35º), dobramentos, como por exemplo, anticlinais ( ), falhas, como por exemplo, verticais ( ┼ ) ou mostrando o deslocamento relativo ( ⁄ ) de um falhamento Dois elementos geológicos estruturais bastante importantes nos mapas geológicos, são a direção e o mergulho das camadas.

Direção de uma camada é a linha resultante da interseção do plano da camada com um

plano horizontal. Mergulho de uma camada é o ângulo formado pelo plano da camada com o plano

horizontal. A determinação da direção de uma camada no campo é feita por meio da bússola e do ângulo de mergulho, através do inclinômetro. Plano abcd = camada Plano abef = horizontal

A figura abaixo mostra uma formação de relevo em que são identificadas rochas com planos de formação (camadas inclinadas), caracterizando assim uma formação com características particulares, face a não homogeneidade dos maciços.

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Figura – Formações de rochas com planos inclinados

Tipos de Mapas Geológicos Em nosso curso estudaremos somente mapas geológicos com camadas homogêneas, isto é, camadas de rocha que possuam mais ou menos a mesma espessura e com mergulho constante. Assim considerando, três casos são possíveis: camadas horizontais, camadas verticais, camadas inclinadas. Mapas geológicos com camadas horizontais Nesse caso, os limites ou contatos entre as diversas camadas, possuem contorno paralelo ou coincidente com as curvas de nível. Ex.:

Mapas geológicos com camadas verticais Nesse caso, essas camadas são delimitadas no mapa geológico por duas retas paralelas, que interceptam as curvas de nível.

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Mapa geológico com camadas inclinadas Esse caso não é tão elementar como os dois anteriores. Os contatos ou limites entre as camadas interceptam as curvas de nível segundo linhas irregulares (seu contorno nunca é representado por retas paralelas).

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1. 4 - Exercícios Práticos de Geologia de Barragens e Túneis *Adaptado de Chiossi

1O ANÁLISE – GEOLOGIA APLICADA A BARRAGENS Considere a região mostrada no mapa abaixo, a ser construída uma barragem de terra segundo o eixo longitudinal MN. Pergunta-se: 1) Para o desvio da água da área de fundação da barragem (15m de altura e aproximadamente

180m de comprimento), discuta: O que é mais viável ? A execução (estrutura temporária) de um “corta rio” ou um túnel de desvio ?

2) Qual o percurso melhor e mais curto para um túnel de desvio (permanente), sabendo-se que o piso inicial do túnel está na cota 460 ? Este poderia ser aproveitado como túnel de adução (geração de energia hidráulica) ?

3) Quais as condições geológicas a serem encontradas no percurso do túnel do ítm anterior ? 4) O que você sugere com relação ao talus e à aluvião como materiais de fundação? 5) Onde você sugeria a pesquisa de materiais de construção? Marque no mapa ou descreva

(pedreira, areia, cascalho, áreas de empréstimo). 6) Construir o perfil geológico MN com sobrelevação 5. 7) Explicar a estrutura geológica da área.

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2O ANÁLISE – GEOLOGIA APLICADA A BARRAGENS A partir do mapa abaixo, referente à geologia do estado de São Paulo (formações em paralelo e horizontal), pede-se 1) Escolher o melhor local para barragem com 55m de altura. Lançar, em planta, a representação

gráfica do corpo da barragem, considerando a largura da crista com a possibilidade de passagem de 1 veículo pesado, com folga.

2) Construir o mapa geológico da área. 3) Construir o perfil geológico do eixo selecionado, com sobrelevação 5. 4) Discuta sobre a permeabilidade, e conseqüentemente, sobre a percolação de água através dos

3 maciços abaixo, após o enchimento do reservatório a ser formado. a) de fundação b) das ombreiras da barragem c) do corpo da barragem

5) Localizar locais prováveis para pedreiras, áreas de empréstimo, areia e cascalho, discutindo a viabilidade de tal obtenção.

Local - Três Irmãos, Rio Tietê - Est. S. Paulo EH = 1:10.000 Dados das sondagens executadas: Cota do leito do rio: 265,0 abaixo da cota 265,0: basalto maciço entre as cotas 265,0 e 280,0 – aluvião e cotas 280,0 e 300,0 - basalto vesícular entre as cotas 300,0 e 320,0 - basalto maciço acima da cota 320,0 - arenito Bauru

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3O ANÁLISE – TÚNEIS E MAPA GEOLÓGICO No mapa anexo, foram encontradas as seguintes condições geológicas: acima da cota 825, calcário; entre as cotas 825 e 780, folheto; abaixo da cota 780, arenito. Os pontos M e N, representam os extremos de um afloramentos de diabásio, com direção N 20ºE. Pede-se: 1) Locar o eixo de um túnel horizontal, partindo de A, com 600m de comprimento e direção S

80ºW, seguindo por um trecho com 500m de comprimento, direção N 65ºW e uma inclinação de 5º.

2) Construir o mapa geológico. 3) O perfil geológico dos túneis, com S = 5. Colocar os túneis no perfil, sabendo ser o diâmetro

de 10m e a cota do teto no ponto A, igual a 760m. 4) O volume de escavação em cada tipo de rocha. 5) Analisar as condições geológicas teóricas para cada tipo de rocha, i.é., se a rocha é favorável

ou não para túneis, e porque.

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Unidade 01 – Geologia Aplicada à Engenharia - ufjf.br · Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra Prof. M. Marangon Unidade 01 – Geologia Aplicada à Engenharia