Ensaio típico

O ensaio tem como objetivo determinar a resistência ao arrancamento, porém, não há uma norma técnica que regulamente a execução desses ensaios, por isso nesta pesquisa serão seguidas as recomendações da GeoRio.

A carga axial de tração nos grampos, (T_n) é introduzida como força estabilizante e corresponde à resistência ao arrancamento mobilizada, conforme é ilustrado na figura 28.

A resistência ao arrancamento é um parâmetro indispensável para os projetos de solo grampeado. Para a fase de projeto, o projetista utiliza um valor estimado e durante a construção o mesmo será verificado através dos ensaios de arrancamento. Os fatores que podem causar influências nos valores de q_s, são: as características do terreno e o tipo de tecnologia empregada no processo executivo tais como as propriedades do grampo, método de perfuração e de limpeza do furo, características da calda de cimento e o emprego de aditivos.

O ensaio de arrancamento consiste em aplicar carga de tração, por meio de macaco hidráulico, à barra de aço introduzidas na nata de cimento, incrementos de 5 kN, com 5 min em cada estágio de carga, até a ruptura do grampo.

De acordo com a GeoRio (1999) os resultados serão apresentados em gráficos T versus d, sendo o valor da carga que leva à ruptura do grampo por atrito com o solo definido como Trup e o valor da resistência ao arrancamento (qs) será

obtido segundo a equação 20:

𝑞𝑠 = 𝑇_𝑟𝑢𝑝 𝜋𝑑𝐿𝑏 (20) Em que: d = diâmetro de perfuração

Lb = comprimento do bulbo ancorado

𝑇𝑟𝑢𝑝 = força de ruptura

Caltrans Foundation Manual (1997) definiu a ruptura como o ponto correspondente ao deslocamento contínuo do grampo sem incremento de carga. Para Clouterre (1991), o ensaio será finalizado quando atingir a força de tração máxima, ou se mantiver estabilizada, como esquematizado nas figuras 29a e 29b

Figura 29: Critério para finalizar o ensaio (CLOUTERRE, 1991).

O esquema de montagem para este ensaio é ilustrado na figura 30, sendo necessária a utilização de diversos componentes. É importante verificar durante a montagem que o eixo do macaco e o eixo do grampo estejam alinhados.

Os grampos em que serão realizados os ensaios devem ter um trecho inicial livre e após este um trecho injetado. Feijó e Ehrlich (2001) executaram o comprimento livre e injetado por meio de um obturador constituído de espuma enrolada na barra de aço. É necessário manter o trecho inicial livre, pois ao se aplicar o carregamento no grampo, a face e o solo serão submetidos à compressão, se o trecho inicial estiver preenchido será também submetido à compressão.

Clouterre (1991) recomenda para o comprimento livre o mínimo de 1,0m para evitar efeito de contorno. Para ensaios preliminares o comprimento livre pode ser maior, a fim de simular reais condições de sobrecarga e de tipo de solo. Para Lazart et al (2003) o trecho livre não deve ser inferior a 1 m e o comprimento injetado de no mínimo 3 m. O grampo é então tracionado e a carga de tração é monitorada pela leitura manométrica do macaco hidráulico.

Ortigão e Sayão (1999) sugerem que os ensaios devem ser realizados durante a obra em pelo menos dois grampos ou em 1% dos grampos para que sejam confirmados os valores especificados em projeto. Pitta et al (2003) recomendam a execução de ensaios em uma quantidade de 10% do total de grampos ou em uma quantidade que garanta a representatividade dos resultados.

Falconi e Alonso (1996) propõem a realização de ensaios de arrancamento na proporção de um para cada dez grampos permanentes.

Figura 30: Montagem do ensaio de arrancamento (SPRINGER, 2006).

É prática comum fixar os valores de 𝑞_𝑠 levando em conta as características dos materiais da encosta, 𝑁𝑠𝑝𝑡 e descrição táctil-visual, além dos

resultados dos ensaios de arrancamento obtidos para obras semelhantes, porém, isso não deve se tornar uma prática usual, devendo-se realizar ensaios de arrancamento no campo e verificação da sensibilidade do coeficiente de segurança ao valor de 𝑞_𝑠, por conta da variabilidade deste parâmetro em função do tipo de solo e metodologia executiva (SANDRONI E DA SILVA, 2005). Típicos valores da resistência ao arrancamento são apresentados na Tabela 9.

Feijó e Erhlich (2001 e 2005) apresentaram resultados dos ensaios de arrancamento em grampos injetados no Rio de Janeiro, foram estudados grampos com comprimentos diferentes. O trabalho teve como objetivo buscar a carga de ruptura e a distribuição de tensões ao longo do comprimento dos grampos. Obtiveram como resultado médio valores de 𝑞𝑠 variando de 145 kPa a 295 kPa, para

os grampos com 3m e valores de 185 kPa a 205 kPa para os grampos de 6 m, sendo que o tipo de solo é residual de biotita-gnaisse.

O solo residual de gnaisse leptinitico, obtiveram para os grampos de 3 m valores variando de 108 kPa a 248 kPa, e para os grampos de 6 m valores de 95 kPa a 190 kPa. Para um mesmo tipo de solo os valores encontrados para os

grampos de 3 m e 6 m foram constantes. Portanto pode-se extrapolar os valores encontrados para os grampos curto para os grampos longos, pelo menos para os limites de grampos apresentados pelos autores (3 e 6m). Azambuja et al (2001 e 2003) realizaram ensaios de arrancamento e forneceram valores de 𝑞_𝑠 entre 204 kPa e 270 kPa para o solo residual de granito de Porto Alegre.

Tabela 9: Estimativa da resistência ao arrancamento (LAZART et al., 2003).

Pitta et al (2003) fizeram um trabalho de detalhamento executivo dos ensaios de arrancamento em argila porosa e silte argiloso, em diversas obras em São Paulo com valores médios de 𝑞_𝑠 entre 100 e 150kPa . Moraes e Arduino (2003) obtiveram dois resultados de ensaios de arrancamento para o solo de argila arenosa no projeto de uma indústria em Manaus, tendo obtido como valor 𝑞_𝑠=162kPa que foi superior ao estimado na fase de projeto (𝑞𝑠=100kPa).

Três ensaios realizados em contenções na Linha Amarela (RJ) indicaram valores médios de 257 kPa e 280 kPa para solo residual de gnaisse (PINTO E SILVEIRA, 2001).

Springer (2006) estudou os principais fatores de influência na resistência ao arrancamento de grampos, para isso foram realizados 25 ensaios de arrancamento em solo residual de gnaisse, os grampos foram instrumentados com

Material Método

Construtivo Tipo de solo/rocha (kPa)

areia/pedregulho 100-180

silte arenoso 100-150

silte 60-75

solo residual 40-120

colúvio (finos) 75-150

areia/pedregulho (pequeno cobrimento) 190-240 areia/pedregulho (elevado cobrimento) 280-430

colúvio 100-180

silte arenoso (aterro) 20-40

silte arenoso 55-90

silte argilo-arenoso 60-140

areia 380

areia/pedregulho 700

Perfuração

rotativa silte argiloso 35-50

grampos

cravados areia siltosa 90-140

"loess" 25-75

argila mole 20-30

argila rija 40-60

silte argiloso rijo 40-100

areia argilosa (calcárea) 90-140 perfuração a trado solos granulares/ finos Perfuração rotativa grampos cravados perfuração a trado solos coesivos "jet grouting" 𝑞𝑠

“strain-gages”. A resistência ao arrancamento de grampos com uma injeção compreendeu valores entre 94 e 162 kPa, enquanto que grampos com duas injeções apresentaram resultados entre 159 e 217kPa.

Bezerra e Coutinho (2012), também realizaram estudos do solo grampeado através do ensaio de arrancamento na cidade de Águas Claras/DF, os autores compararam o valor de 𝑞_𝑠 obtido nos ensaios de arrancamento para grampos executados com bainha e fase única, bainha fase única com 1% de expansor, bainha fase única com 2% de expansor, bainha fase única com 3% de expansor e bainha com fase de reinjeção. Os resultados indicam que a importância da execução dos grampos com bainha seguida de reinjeção, apresentando 127% de ganho de resistência frente aos grampos com fase única e quase 100% maior que os grampos com expansores. Os grampos com reinjeção apresentaram valores de 𝑞_𝑠 da ordem de 79kPa.

Jeon (2012) utilizou os ensaios de arrancamento para comparar a capacidade de dois tipos de grampos. O tipo A era composto por apenas uma barra de 29 mm e o tipo B era composto por 4 barras com 16 mm cada uma. Foram analisados os deslocamentos obtidos com o ensaio de arrancamento, bem como a distribuição da carga ao longo da profundidade dos grampos. De acordo com os resultados obtidos na curva carga-deslocamento, os grampos do tipo A apresentaram deslocamentos muitos maiores quando comparados ao tipo B para uma mesma carga.

O autor também analisou os resultados da curva de fluência, onde os grampos, tipo A e B, tiveram resultados de 0,4 e 0,6 mm, respectivamente, que, de acordo com as especificações da Federal Highway Administration (FHWA), deslocamentos para 1-10 min devem ser menores do que 1 mm. Outro dado obtido para completar suas conclusões foi a respeito da transferência de carga nos grampos que foram instrumentados com strain gages. Para o tipo A, a transferência de carga a partir da carga máxima do ensaio de arracamento foi de apenas 5,5% até uma profundidade de 3,6 m, sendo que as maiores transferências ocorreram até profundidade de 1,6m, enquanto que para os grampos do tipo B, onde apenas 2 grampos foram instrumentados, a transferência de carga a partir da carga máxima de arrancamento foi de 40% e 22,4%. Sendo assim, os resultados mostraram que o tipo B, montado com quatros barras de 16 mm, é mais eficiente que o tipo A montado com apenas uma barra de 29 mm.

2.14 Instrumentação

A técnica de solo grampeado tem como conceito básico o uso de inclusões passivas para reforçar o solo “in situ”. Essas inclusões são instaladas durante a construção, logo após cada etapa da escavação, impedindo assim deformações no maciço devido aos cortes executados. Os grampos limitam os deslocamentos no solo, por isso o comportamento de obras em solo grampeado deve ser verificado pelo método de monitoramento dos deslocamentos no paramento da contenção (SARÉ, 2007).

Os resultados obtidos por instrumentação podem fornecer valores maiores que os estimados na fase de projeto, como verificado por Azambuja et al (2001). Outros dois estudos, realizados por Springer (2006) e Proto Silva (2005), monitoraram os ensaios de arrancamento, instrumentando os grampos com strain

gages. No Brasil ainda existem poucas obras instrumentadas, sendo que em geral

apenas os deslocamentos verticais e horizontais são monitorados com instalação de marcos superficiais e inclinômetros (SARÉ, 2007).

Além dos deslocamentos, outros fatores precisam ser verificados em uma obra de solo grampeado, como por exemplo, a qualidade de injeção dos grampos. Chung et al (2015) utilizaram o método TDR (reflectometria no domínio do tempo) como instrumentação para garantir a qualidade da obra, sendo este um método de teste não destrutivo e eficaz para inspeção do solo grampeado.

Diferente da instrumentação citada acima, o TDR faz a inspeção da qualidade da execução do solo grampeado, sendo capaz de analisar a integridade do comprimento injetado, ou seja, se o mesmo possui defeitos de injeção ou não, e também verificar qual o comprimento efetivo injetado. A montagem desse tipo de instrumentação com o fio enrolado no grampo. Porém, os autores verificaram que esse tipo de montagem gerava alguns erros. Assim, foi proposta por eles a montagem da instrumentação com outra metodologia, sendo composta por um fio coaxial rígido com um condutor interno e um externo, que foram duas guias de ondas de detecção independentes.

Os autores realizaram testes com barras de 120 e 220 cm, porém, essas foram executadas com defeito, ou seja, as barras não tiveram o seu comprimento todo injetado, algum trecho foi executado com defeito, os trechos eram de 55 e 70 cm, para as barras de 120 e 220 cm, respectivamente. Como resultado para a

verificação da integridade da injeção, os valores obtidos foram satisfatórios, o TDR detectou o tamanho do defeito com precisão entre 95 a 98%.

Outro tipo de instrumentação que pode ser empregada são os strain

gages, que são elementos sensíveis que relacionam pequenas variações de

dimensões com variações equivalentes de sua resistência elétrica. Associado a instrumentos especiais, possibilita a medida de pressão, tensão, força e aceleração.

2.15 Análise de Estabilidade

A maior parte dos projetos de solo grampeado baseia-se em métodos de análises de estabilidade por equilíbrio limite. Esta metodologia fornece apenas os fatores de segurança e não permite a determinação das deformações (SARÉ, 2007).

O uso de uma ferramenta computacional mais eficiente avalia a deformabilidade de toda a contenção (maciço contido e estrutura de contenção) levando em conta a influência das etapas de escavação, os parâmetros do solo e a geometria. Prever e controlar a deformabilidade da obra é de grande importância visto o aumento da dimensão das escavações e conflito com estruturas vizinhas.

Em observações de campo, no estágio final de construção, os deslocamentos horizontais em relação ao topo da escavação variam entre 0,10%H e 0,30%H, dados esses observados em obras dos Estados Unidos e entre 0,25%H a 0,30%H na Alemanha (SCHLOSSER et al, 2002). Para as previsões das deformações em contenção em solo grampeado a utilização de ferramentas numéricas é recomendada, sendo capazes de simular sequências construtivas e incorporar modelos constitutivos que reproduzam o comportamento dos materiais envolvidos.

Um estudo utilizando a ferramenta computacional GeoSlope foi conduzido por Asoudeh e Oh (2014), com o objetivo de investigar a estabilidade do paramento de solo grampeado em locais formados por solos residuais. Os autores compararam o fator de segurança obtido nas análises do software. Para os casos analisados a concepção do projeto foi à mesma, grampos com 7,0m, inclinados 15° com a horizontal e espaçados 2,0 m um do outro. O furo com diâmetro de 150 mm e o diâmetro dos chumbadores de 28 mm. As alterações foram nos parâmetros do solo, alterando o ângulo de atrito e observando como seria a variação da coesão. Os

valores de ângulo de atrito simulados foram de: Caso 1: 20°, Caso 2: 35° e Caso 3: 45°, com o objeto de verificar o efeito da variação da coesão na estabilidade do paramento da contenção em solo grampeado.

As análises foram feitas pelo método de Morgenstern-Price. O resultado aponta que existem para os três casos analisados, uma relação linear entre o fator de segurança e a coesão. Porém essa relação acontece apenas para valores baixos de coesão, levando a valores de fator de segurança menores que 1,5. Para talude com ângulo de atrito de 20°, a coesão necessária para um FS aceitável é de 25 kPa. Portanto, concluíram com esse estudo que solos residuais com coesão menor que 10 kPa não atinge o valor de fator de segurança necessário, ou seja, a contenção tem probabilidade de entrar em colapso.

Costa Neto (2015) também utilizou em suas análises o software GeoStudio com o objetivo de avaliar a variação do FS em função da variação de diversos parâmetros da obra real de solo grampeado, denominada Museu I, que foi executa em Niterói/RJ. Além de Costa Neto, 2015, diversos pesquisadores da COPPE-UFRJ e PUC-Rio estudaram essa obra. O autor utilizou o modelo composto por 8 grampos e analisou o aumento do FS variando o espaçamento entre os grampos, e concluiu que o aumento do espaçamento horizontal reduz o FS e o fator é ainda menor quanto mais inclinado for o talude. Os maiores ganhos de FS (em média 185%) foram para contenções inclinadas 60° com espaçamento de 0,50 m e inclinação do grampo de 30°, valores esses que não dependem do comprimento dos grampos. Para espaçamento de 2,0 m os maiores ganhos de FS foram para contenções inclinadas 60° e os grampos com 20° de inclinação, não dependendo também do comprimento dos grampos. Porém para os grampos inclinados em 10° o aumento do FS em 94% ocorre somente para grampos com 12 e 14 m, mostrando que o mesmo passa a depender do comprimento dos grampos. Outra análise feita pelo autor compara o FS obtido por métodos equilíbrio limite rigorosos e não rigorosos. O método de Bishop Simplificado apresentou um FS 7% maior quando comparado com os métodos rigorosos de Morgenstern-Price e Spencer. Enquanto o método de Morgenstern-Price mostra valores de FS 6% maior do que os de Spencer. Dentre essas, outras análises podem ser encontradas no trabalho de Costa Neto (2015).

Outra ferramenta computacional para modelagem numérica é o PLAXIS, programa este utilizado por Silva (2015) para comparar os resultados de modelagem

física, em escala real, com modelagem numérica considerando a situação bidimensional e tridimensional. Os resultados foram comparados com as medições de esforços nos grampos, das tensões e dos deslocamentos na face, no solo e na face do modelo. O autor observou que, em geral, os resultados obtidos nas análises numéricas 3D eram similares àqueles medidos nos modelos físicos, e em relação às análises 2D, estas também foram representativas, porém, os esforços axiais máximos nos grampos foram próximos à face e os momentos fletores máximos e mínimos foram menores quando comparados com a análise 3D.

Pereira (2016) também fez uso das análises numéricas através do software GeoStudio versão 2012, nos módulos Slope e Sigma. Pereira (2016) faz diversas análises com problema tipo e outro real. O problema tipo composto por um talude de corte com 6,0 m de altura reforçado com 6 grampos, barras de aço CA 50 com diâmetros de 16 mm e comprimento de 5,0 m. Os grampos tiveram sua inclinação variada de 0 a 35°, com o objetivo de verificar qual a influência da inclinação dos grampos nos FS, bem como a espessura do paramento também foi variada entre 7,0, 10,0, 15,0 e 20,0 cm. Em relação às inclinações dos grampos os resultados mostraram que, conforme a inclinação aumenta, maiores descolamentos ocorreram na face do talude, principalmente no terço inferior do perfil, independente da espessura do paramento. Porém em relação aos esforços de tração, o resultado foi oposto, com o aumento da inclinação os esforços de tração tendem a diminuir, no caso do último grampo, o mais sobrecarregado, a carga diminuiu cerca de 44% para inclinação de 35°. Em relação à espessura do paramento os resultados analisados mostram que a utilização do paramento inibiu consideravelmente as deformações da massa de solo grampeado, além de reduzir de forma significativa as zonas de plastificação. Portanto quanto menor a espessura do paramento de face, maiores são os esforços de tração mobilizados nos grampos (PEREIRA, 2016).

Para o presente estudo foi utilizada a ferramenta computacional GeoStudio versão 2012 no módulo Slope/W. Os fatores de segurança obtidos utilizando os parâmetros dos solos encontrados por correlações SPT foram comparados com aqueles obtidos em laboratório, além disso, foram analisados os esforços axiais desenvolvidos ao longo dos grampos.

3. MATERIAL E MÉTODOS

Neste capítulo será apresentada a metodologia utilizada para desenvolvimento deste trabalho, bem como o material utilizado. O capítulo é composto por uma breve apresentação da área objeto desse estudo, descrição do projeto da contenção em solo grampeado. Apresenta também os ensaios de sondagem e de laboratórios realizados, além dos materiais utilizados para instrumentação e para leitura dos deslocamentos.

3.1 Área de estudo

A área objeto desse estudo está localizada no centro da cidade de São Bernardo do Campo/SP, como ilustrado na figura 31. Trata-se de uma escavação para implantação de um Edifício Residencial, composto por 2 subsolos e 15 andares. Para tal execução foi adotada uma contenção em solo grampeado, no perímetro da área, totalizando 1.747 m² de concreto projetado, 2172 grampos e 267 DHPs (Dreno horizontal profundo).

A escolha de acompanhar esta obra foi devido à diversidade apresentada pela mesma, como a elevada altura da contenção e a necessidade de monitoramento e instrumentação da estrutura, aproveitando a oportunidade para acompanhar todos os procedimentos em campo e analisar os resultados obtidos.

3.2 Descrição do projeto

Em virtude da escavação necessária para implantação dos subsolos de um edifício residencial, foi executada uma de contenção em solo grampeado no perímetro da área, com vistas denominadas conforme figura 32. Porém, somente a vista n° 2 será objeto de estudo, bem como, somente esta vista foi instrumentada e monitorada. Escolheu-se apenas essa vista, por ser a mais alta em relação às outras três, totalizando 21,17 m de altura.

Figura 32: Denominação das vistas da estrutura de solo grampeado.

Inicialmente empregaram-se ábacos de estabilidade para o pré- dimensionamento de contenção em solo grampeado, metodologia recomenda pelo projeto Clouterre (1991) e GeoRio (1999). Estes ábacos relacionam a densidade de grampeamento (𝑑) com i número de estabilidade (N) e o ângulo de atrito do terreno, através da equação 21:

Em que:

d = densidade de grampeamento 𝐷 = diâmetro do chumbador;

𝑞𝑠 = resistência ao arrancamento do grampo;

𝛾 = peso específico do solo;

𝑆𝑣 = espaçamento vertical dos grampos;

𝑆ℎ = espaçamento horizontal dos grampos.

𝑑 = 𝜋. 𝐷. 𝑞𝑠 𝛾. 𝑆𝑣𝑆ℎ

Para cada valor da relação L/H (comprimento do grampo / altura do paramento) entre 0,6 e 1,2 tem-se um ábaco (Figura 33 a 36). O valor da ordenada N é obtido através da equação 22:

𝑁 = 𝑐 𝛾.𝐻 (22) Em que: 𝑁 = número de estabilidade 𝑐 = coesão do solo 𝐻 = altura do paramento 𝛾 = peso específico

Após calcular a ordenada N e a abscissa tangente de 𝜙, determina-se o ponto M. Em seguida, para se determinar o ponto A (figuras 34) deve-se entrar com o valor de 𝑑 calculado e, sobre a reta OM marcar o ponto A. O fator de segurança (FS) será dado pela equação 23:

𝑆 = 𝑂𝑀 𝑂𝐴

(23)

Figura 34 : Ábacos de estabilidade para L/H =0,8 (CLOUTERRE, 1991)

Figura 36: Ábacos de estabilidade para L/H =1,2 (CLOUTERRE, 1991)

Para o pré-dimensionamento da contenção em solo grampeado localizado na vista 2, utilizou-se o ábaco de estabilidade para L/H=1. Portanto, o comprimento dos grampos foi de 20 m.

O valor da densidade de grampeado é igual a 1,17, e M(𝑡𝑎𝑛_36°, 0,09) sendo que:

𝐷 = diâmetro de perfuração = 0,10 m

𝑞_𝑠 = resistência ao arrancamento do grampo = 75KPa 𝛾 = peso específico do solo = 20 kN/m³

𝑆𝑣 = espaçamento vertical dos grampos = 1,0 m

𝑆_ℎ = espaçamento horizontal dos grampos = 1,0 m c = coesão do solo = 40 kPa

𝐻 = altura do paramento = 25,00 m Portanto FS=4,2/1,2 = 3,5.

Os parâmetros do solo utilizados no pré-dimensionamento foram adotados utilizando-se as informações da sondagem SPT-10 e por correlações