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Fundamentos de mecânica dos solos e das rochas - 3ª ed.

Trata das propriedades físicas e mecânicas dos solos e da estabilidade de taludes; adentra o campo da Mecânica das Rochas, abordando as descontinuidades e a resistência dos maciços rochosos, e dedica-se a métodos de análise da estabilidade de taludes em rochas, com uso da projeção estereográfica.
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Fundamentos de Mecânica dos Solos e Rochas – 3ª edição é o resultado de uma revisão cuidadosa realizada pelo autor Alberto Pio Fiori. A nova edição tem novidades como a atualização de dados e referências bibliográficas, novas equações, novo projeto gráfico e imagens mais detalhadas.

O livro tem foco na estabilidade de taludes e é uma das raras obras de referência na literatura especializada a abordar essas estruturas em rochas. Elementos geométricos e modelos geotécnicos são explicados com o auxílio de ilustrações e, ao final dos capítulos, há um conjunto de aplicações práticas e exercícios resolvidos.

Dividido em quatro partes, o texto parte das propriedades físicas e mecânicas dos solos para, na em seguida, discutir a estabilidade de taludes terrosos – a influência da vegetação, dos regimes de chuva, da erosão – e apresentar seus mecanismos de ruptura e métodos de análise.

A terceira parte é dedicada às rochas, com a classificação dos maciços rochosos e suas propriedades mecânicas e hidráulicas para subsidiar, na parte quatro, os mecanismos de ruína e análise dinâmica de taludes em rocha.

Especificação

AutorAlberto Pio Fiori
SumárioSumário
DegustaçãoDegustação
Páginas576
Sub-Títuloaplicações na estabilidade de taludes
ISBN978-85-7975-184-4
eISBN978-85-7975-185-1
Publicação2015
Formato16 x 23 cm
EncadernaçãoBrochura
Edição3

Especificação de Capítulos

Capítulo 01trata das “Propriedades físicas dos solos”. Uma massa de solo pode ser considerada como um conjunto de partículas sólidas, encerrando vazios de tamanhos e formas variadas que, por sua vez, podem estar preenchidos com água, ar ou ambos. Logo, o solo pode ser equacionado da seguinte forma: solo = sólido + líquido + gases.
Os índices físicos do solo expressam, portanto, relações matemáticas entre pesos e volumes das frações de sólidos, líquidos e gases e procuram representar as condições físicas de um solo no estado em que se encontra. São passíveis de determinação em laboratórios de geotecnia e servem como dados valiosos para identificação e previsão do comportamento mecânico do solo e avaliar sua aplicabilidade em obras de terra.
Os principais índices físicos dos solos são caracterizados como teor de umidade, índice de vazios, porosidade, grau de saturação, grau de aeração, pesos específicos do solo em suas várias modalidades como solo seco, saturado, natural, submerso, dos grãos (ou dos sólidos). As definições desses índices, as relações entre os índices físicos, bem como a determinação em laboratório da umidade, de pesos específicos e da porosidade são os temas tratados neste capítulo. Exemplos de aplicações ilustrando modos de manipulação dos índices são apresentados no final do capítulo.
Capítulo 02trata dos “Limites de Consistência e outras propriedades dos solos”. O comportamento de um solo argiloso varia enormemente em função do teor de umidade, podendo passar de um estado líquido, a exemplo de lama, até um estado sólido como, por exemplo, as cerâmicas. Nessa passagem podem ser definidos vários estados intermediários de consistência, e os teores de umidade que os definem são conhecidos como limites de consistência de Atterberg, em homenagem ao engenheiro agrônomo sueco Atterberg (1911), que propôs a subdivisão.
São três os limites de consistência, e são conhecidos como limites de contração (LC), de plasticidade (LP) e de liquidez (LL). O (LC) corresponde à transição entre os estados sólido e semissólido, o (LP) corresponde à transição entre os estados semissólido e líquido enquanto o (LL) define o teor de umidade acima do qual o solo passa do estado plástico ao estado líquido. São determinados empiricamente e utilizados nos diversos sistemas de classificação do solo e refletem propriedades dos solos finos, como tipo do argilo-mineral, sua atividade, estrutura, superfície específica, entre outras. Outras propriedades importantes para a caracterização geotécnica dos solos, e abordadas no livro, dizem respeito ao Grau de Saturação, Índice de Plasticidade, Índice de Consistência, Consistência das Argilas, Índice de Contração, Índice de Liquidez, Grau de Sensibilidade, Grau de Compacidade, Atividade Coloidal. As classificações dos solos em relação a essas propriedades são apresentadas. Da mesma forma que no capítulo 1, são propostos exemplos de aplicação.
Capítulo 03que trata das "Pressões atuantes nos solos" são estudadas as diferentes formas de pressão. Inicialmente é analisada a pressão que atua em um ponto qualquer do solo devida ao peso do material sobrejacente e, em seguida, as pressões devidas à presença da água, a exemplo da pressão neutra ou poro-pressão, a pressão efetiva e a pressão de percolação. Além disso, outros fenômenos associados à presença da água no solo serão examinados, como a areia movediça, o processo da erosão subterrânea e o fenômeno da capilaridade. Analisa-se ainda a importância dos fenômenos capilares, a pressão lateral de um solo em repouso, a mecânica da ruptura por levantamento e a compensação do levantamento por filtros pesantes. No final do capítulo são apresentados exemplos de aplicação.
Capítulo 04trata da "Resistência ao cisalhamento dos solos". Extremamente importante para a compreensão da Mecânica dos Solos e da Mecânica das Rochas, e especialmente dos capítulos subsequentes sobre estabilidade de taludes, são examinados diversos conceitos básicos como a tensão atuante em um plano, o elipsóide de tensões, as tensões uniaxial e biaxiais, o estado bidimensional geral de tensões, as tensões principais, a tensão máxima de cisalhamento, o círculo de Mohr para tensões planas e tensões triaxiais, a noção de atrito entre os sólidos, a envoltória de Mohr para materiais não coesivos e coesivos, as tensões normal e de cisalhamento, a resistência ao cisalhamento no ponto de ruptura, e os feitos da pressão de fluidos ou de poros no comportamento dos solos. No final do capítulo são apresentados exemplos de aplicação.
Capítulo 055 são analisadas as rupturas planas em taludes, sejam de extensão ilimitada como de extensão limitada. A fim de comparar a estabilidade dos taludes em condições diferentes de equilíbrio-limite, é definido um fator de segurança como a razão entre a resultante das forças resistentes ao movimento e a resultante das forças solicitantes ou favoráveis ao movimento. No que diz respeito às vertentes de extensão ilimitada a estabilidade é examinada do ponto de vista sem percolação e com percolação de água, e neste último caso, com fluxos de água paralelo, horizontal e vertical, e ainda, o caso geral, com uma circulação qualquer de água. São analisados ainda, a coesão do solo no plano de ruptura, a inclinação crítica de uma vertente, o fator de segurança considerando graus variáveis de saturação, a inclinação de uma vertente em função do fator de segurança desejado e a profundidade crítica de uma escavação. As vertentes limitadas são analisadas através do método de Culmman do ponto de vista da presença ou não de água no plano de ruptura, a altura crítica de uma escavação, da presença ou não de fendas de tração e o efeito da sobrecarga na vertente. No final do capítulo são apresentados exemplos de aplicação.
Capítulo 06analisa a estabilidade de taludes considerando a superfície de ruptura curva, através do método Sueco ou de Fatias, método de Bishop e de Bishop Simplificado, e através do método de Janbu e de Janbu simplificado. São apresentados diversos ábacos para determinações gráficas, como o Bishop simplificado e o de Taylor, que fornece o fator de segurança com base no ângulo de inclinação da vertente e no número de estabilidade, a estabilidade de taludes relacionando o fator de profundidade versus o número de estabilidade, além de uma coletânea de ábacos de Bishop e Morgenstern, que relacionam o fator de segurança de um talude ou vertente com diversos parâmetros como peso específico, coesão ângulo de atrito, altura do talude, pressão neutra e peso da fatia de solos instável. No final do capítulo são apresentados exemplos de aplicação.
Capítulo 07são apresentados os métodos de Hoek, de Stimpson e de Lopes para a determinação da estabilidade de taludes, além da análise da probabilidade de escorregamentos. São enfocadas vertentes limitadas com fenda de tração posicionada no topo e na face, vertentes com altura do lençol freático desconhecido, com fluxo de água subterrâneo desconhecido, vertentes com presença de água somente na fenda de tração, presença de água na fenda de tração e no plano de deslizamento, vertente saturada com intensa recarga, além de aspectos específicos como a profundidade crítica da fenda de tração, a distância crítica da fenda de tração em relação à crista do talude, o reforço do talude com tirantes. Do ponto de vista do Método de Stimpson são analisadas a estabilidade de vertentes drenadas com ou sem fendas de tração, de vertentes parcialmente saturadas sem fendas de tração, de vertentes saturadas sem e com a presença de fendas de tração, de vertentes parcialmente saturadas sem fendas de tração, mas com superfície freática horizontal e com superfície freática bi-linear. No final do capítulo é enfocada a análise da probabilidade de escorregamentos e o volume de material movimentado. Exemplos de aplicação são apresentados.
Capítulo 08muito importante do ponto de vista prático, trata da "Influência da vegetação na estabilidade de taludes", ocasião em que são introduzidos nos cálculos dos fatores de segurança apresentados nos capítulos anteriores parâmetros relativos à presença da vegetação, a exemplo da resistência do sistema solo-raiz, o peso das árvores, a força do vento que atua nas copas das árvores e o efeito de tirantes das raízes que atravessam a superfície de escorregamento. São tratadas aqui as vertentes infinitas, com nível do lençol freático variável e vertentes finitas, com fendas de tração no topo e presença de água na fenda e no plano potencial de deslizamento. No final do capítulo são apresentados exemplos de aplicação.
Capítulo 09analisa-se a "Intensidade da chuva e escorregamentos". Para o entendimento dessa questão é necessário analisar o processo precipitação-vazão, a hidrologia da vertente, a transmissividade do solo, o fluxo de água superficial e subsuperficial numa vertente, o índice de umidade, e a área de contribuição da bacia de drenagem. Com o conhecimento desses parâmetros é possível, tendo em vista os fatores de segurança analisados nos capítulos precedentes, avaliar a intensidade crítica da chuva necessária para provocar deslizamentos nas encostas. Equações de chuva intensas podem ser empregadas para avaliar o tempo de recorrência de escorregamentos. A metodologia empregada permite ainda a delimitação das zonas saturadas de um vertente. São analisados ainda os deslizamentos rasos devidos à zona de umidade provada pela chuva.
Capítulo 10"Limiar do Processo erosivo" analisa-se o momento do início do processo erosivo em uma vertente. Trata-se de uma questão de interesse para estudos de planejamento de ocupação de bacias hidrográficas ou de vertentes. Ao menos teoricamente, o processo de erosão terá inicio durante eventos de precipitação associado com o fluxo subterrâneo, especialmente onde este retorna à superfície, e em combinação com a água da chuva, formar um fluxo superficial que supere ou iguale a resistência crítica ao cisalhamento de modo a iniciar o processo de incisão da superfície topográfica. Nesse sentido são analisados os fatores de controle da velocidade do fluxo, a rugosidade da superfície de escoamento, a resistência ao fluxo, o escoamento superficial, fluxo turbulento e fluxo laminar, condições críticas para o início do processo de erosão e erosão devida ao escoamento superficial por saturação.
Capítulo 11ocupa-se das "Descontinuidades em maciços rochosos". São examinados neste capítulo os tipos e as características das descontinuidades, suas orientações espaciais, o espaçamento ou frequência, a persistência ou extensão, a rugosidade da superfície de descontinuidade, a abertura e material de preenchimento, a resistência ao cisalhamento do material de preenchimento e das paredes das descontinuidades, a influência da interface solo/rocha no cisalhamento, a alteração de maciços rochosos, o efeito de alívio de tensão por erosão, os efeitos da presença falhas e horizontes preferenciais de alteração no maciço rochoso e a análise das descontinuidades.
Capítulo 12trata da "Resistência das rochas e o critério de ruptura de Mohr-Coulomb". O mais simples e mais conhecido critério de ruptura é o critério de Moh-Coulomb, e consiste de uma reta envelope, tangenciando o círculo de Mohr, e que no conjunto, representam as condições críticas de combinações dos esforços principais para a movimentação de massas de solo ou de rocha. São analisadas questões como pico de resistência e resistência residual ao cisalhamento, efeitos da poro-pressão, efeitos da presença de descontinuidades pré-existentes no comportamento da massa rochosa e análise das descontinuidades sem coesão e com coesão ao longo do plano.
Capítulo 13analisa a "Percolação de água em maciços rochosos", adentrando na questão da percolação de água em maciços rochosos, do fluxo através de superfícies planares, do coeficiente de permeabilidade, da condutividade hidráulica em poros e juntas, da transmissividade, do armazenamento específico, do coeficiente de armazenamento, do grau de conectividade das descontinuidades, do fluxo através de maciços rochosos fraturados e de aplicações na previsão de vazões subterrâneas.
Capítulo 14são apresentados diversos parâmetros e testes de caracterização mecânica de rochas e discutidos os "Sistemas de classificação de maciços rochosos". Destaque especial é dado ao Índice de Qualidade da Rocha (IQR), incorporando importantes modificações surgidas posteriormente à sua definição original, a exemplo do IQR teórico. São ainda discutidos ensaios em rocha como o de compressão uniaxial, o de Carga Pontual, o Martelo de Schmidt e o de durabilidade a úmido. Classificações de maciços rochosos são apresentadas sob o ponto de vista de diversos autores dando-se, no entanto, maior destaque às classificações de Bieniawski, ou Sistema de Classificação Geomecânica Ponderada, e de Barton, ou Sistema Q. São ainda enfocados temas como a predição do nível de vibração em detonações, a vibrações transmitidas através dos maciços rochosos e as vibrações transmitidas pelo ar.
Capítulo 15ocupa-se da "Análise cinemática de taludes em rocha" onde são estudados os mecanismos de escorregamentos planares, em cunha e tombamento de blocos e ainda, os mecanismos de escorregamentos em escavações. Nesse tipo de estudo é feito amplo uso da projeção estereográfica. É ainda feita uma interessante associação da projeção estereográfica com métodos de geometria descritiva para a determinação de formas e volumes de blocos de rocha que podem se desprender de tetos ou das paredes de túneis. São enfocados o tratamento de dados estruturais, os mecanismos e as condições para ocorrência de escorregamento segundo estruturas planares, de escorregamentos em cunha, o tombamento de blocos e os escorregamentos em vertentes multifacetadas. Além disso, analisam-se as condições necessárias para o desprendimento de blocos em tetos de túneis e de escorregamentos de blocos em paredes de escavações e os procedimentos para a determinação da forma, do volume e do peso dos blocos instáveis. São apresentados exemplos práticos.
Capítulo 16trata da análise da "Ruptura em cunha" de um talude, onde dois ou mais sistemas de descontinuidades isolam porções da rocha. A análise matemática rigorosa desse tipo de ruptura é bastante complexa, porém, são disponíveis métodos geométricos que fazem uso da projeção estereográfica, auxiliados por cálculos simplificados, até o uso de ábacos, e que permitem uma rápida determinação do fator de segurança de taludes rochosos. Neste capítulo são enfocados os elementos geométricos de um bloco em cunha, a análise de ruptura com base na projeção estereográfica, a determinação do fator de segurança por métodos algébricos, considerando-se os efeitos da coesão e da pressão de água, o emprego de ábacos de estabilidade, e a determinação da área de risco dentro do estereograma de interpretação, tendo em conta várias famílias de descontinuidades e ainda, as possíveis soluções de aberturas de taludes com base nas famílias de juntas. São apresentados exemplos práticos
Capítulo 17apresenta uma introdução à "Análise dinâmica da estabilidade de taludes em rocha", envolvendo o conceito de cone de atrito na projeção estereográfica, a análise da magnitude das forças atuantes e as condições de movimentação e de estabilização de blocos rochosos. São tratados temas como a representação do cone de atrito em projeção estereográfica, as condições para a movimentação de blocos, a análise dos esforços atuantes no plano potencial de deslocamento, a projeção de vetores força no estereograma, a atuação das forças, o fator de segurança de um bloco, o uso de tirante para aumentar o fator de segurança, a força induzida por terremoto e a inclusão da coesão no cone de atrito.
Capítulo 18trata da "Análise da removibilidade de blocos" e tem como escopo principal o estudo dos sistemas de descontinuidades presentes em maciços rochosos, visando à individualização de blocos-chave, ou blocos críticos para a estabilidade da massa rochosa, e que devem ser ancorados para garantir a segurança do maciço rochoso como um todo. É feito uso intensivo da projeção estereográfica, porém com utilização da esfera toda e não somente de um hemisfério, exigindo o conhecimento de conceitos e operações normalmente não empregados na projeção estereográfica tradicional, mas tratados aqui com bastantes detalhes. São definidos nesse capítulo os tipos de blocos, os elementos da teoria de blocos, o uso da projeção estereográfica modificada na análise da removibilidade de blocos, a aplicação da teoria de blocos no estudo de tetos, paredes de galerias e vertentes, determinação da inclinação máxima de um talude de escavação dada a direção, determinação da direção do corte do talude em rocha dado o mergulho, individualização dos blocos removíveis de uma superfície escavada, e a probabilidade de remoção de um bloco.