LARISSA FERNANDES SASSO
USO DE GEOCÉLULA PREENCHIDA COM MATERIAL GRANULAR
PARA REFORÇO DE SOLOS DESTINADOS A FUNDAÇÕES DIRETAS
Ijuí 2018
USO DE GEOCÉLULA PREENCHIDA COM MATERIAL GRANULAR
PARA REFORÇO DE SOLOS DESTINADOS A FUNDAÇÕES DIRETAS
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador(a): Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Ijuí /RS 2018
USO DE GEOCÉLULA PREENCHIDA COM MATERIAL GRANULAR
PARA REFORÇO DE SOLOS DESTINADOS A FUNDAÇÕES DIRETAS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 20 de dezembro de 2018
Prof. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Orientador Prof. Lia Geovana Sala Coordenadora do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Prof. Paulo Cesar Rodrigues (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
À minha família, em especial aos meus pais, pelo apoio incondicional desde sempre.
Gostaria de agradecer, primeiramente, aos meus pais Fabio Rogério e Marina, por acreditarem em mim desde sempre, por me fazerem confiar que tenho capacidade de alcançar tudo o que almejo e por todos os sacrifícios que fizeram por mim. Agradeço por segurarem a barra durante esses 5 anos, e por terem feito os mais de 2000 km de distância que nos afastam, parecerem uma distância pequena perante ao amor que sentimos um pelo outro. Amo vocês incondicionalmente.
Agradeço às minhas irmãs Vitória e Clara. À Vitória por dividir comigo boa parte da graduação (dos dias de luta aos dias de glória), por compartilhar a saudade diária da família, por me fazer companhia nos aniversários e feriados e por ter se tornado mais madura junto comigo. À Clara por, desde o nascimento, tentar compreender como é ter uma irmã que só vê nas férias, e mesmo assim dar a ela todo seu carinho, obrigada por ser forte nas despedidas. Vocês são minhas princesas, amo vocês.
Ao meu namorado Leo, por ser o melhor companheiro que eu poderia encontrar nessa fase da minha vida. Obrigada por ser paciente e carinhoso em todos esses anos, por não medir esforços para me ajudar sempre que pode e quando não pode também, e por entender que muitas vezes a falta de tempo não significa falta de amor. Te amo.
Ao meu querido professor e orientador Carlos Wayhs, por fazer despertar em mim o brilho nos olhos pela pesquisa, por se dedicar incansavelmente em transmitir seus conhecimentos a todos que tenham interesse, por me ensinar tantas coisas novas, inclusive que a vida é uma escada e que devemos subir um degrau de cada vez para alcançar um objetivo maior, e por dedicar tantas horas de seu tempo (feriados e finais de semana), para orientação e apoio à pesquisa. O senhor mora no meu coração.
Às minhas colegas e amigas, Alexia, Taciane e Thainá. À Alexia por se tornado uma grande amiga durante a pesquisa, por dividir comigo muitos momentos de dúvidas e incertezas, pelos estudos decisivos que fizemos em vésperas de provas, e por me fazer acreditar que as dificuldades sempre eram menores do que eu acreditava. À Taciane, minha amiga e companheira em muitos momentos da graduação, por sempre estar disponível a me ajudar (principalmente para o desenvolvimento desse trabalho), por me abrigar em sua casa tantas vezes, por todo o tempo dedicado, todas as caronas e risadas e bons momentos
Aos colegas de pesquisa Alexia, Fernanda, Thalia e Marcos, por se fazerem presentes sempre que possível, muitas vezes abrindo mão de suas atividades, principalmente nesse último período, o qual a ajuda de vocês foi essencial. Sem vocês não seria possível à realização desse trabalho.
Aos demais colegas do Grupo PET, que não pertencem ao grupo de pesquisa, mas mesmo assim abdicaram de suas tarefas para dar uma força sempre que possível, principalmente nos últimos dias. Vocês são demais!
À minha tia Jussara, por me abrigar em sua casa por metade do período do tempo da graduação. Obrigada pelas sopas quentes pós-aula no inverno, e por me apoiar durante todo esse período.
À Camillo Construções e Terraplanagens Ltda., Fernando Maders Strohhecker ME. e ao Laboratório de Engenharia Civil (LEC) por disponibilizarem os equipamentos necessários para a execução dos ensaios de placa.
À Fenix Sondagens e Fundações Ltda., por disponibilizar o relatório de sondagem e ao professor José Echeverria, por possibilitar a execução desse ensaio.
Ao grupo Strata Company, mais especificamente à empresa Geosoluções, pelo suporte técnico e doação das geocélulas para a execução da pesquisa.
Ao MEC/SESu pela participação no Grupo PET e por proporcionar a oportunidade de inserção no universo da iniciação científica.
À Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, por ter oferecido, como instituição, todas as condições necessárias para minha formação humana e acadêmica.
À todas as pessoas que se envolveram direta ou indiretamente durante esse período da minha vida, me dando suporte. Agradeço vocês imensamente!
Remember to look up at the stars and not down at your feet. Try to make sense of what you see and wonder about what makes the universe exist. Be curious. And however difficult life may seem, there is always something you can do and succeed at. It matters that you don't just give up. Stephen Hawking
SASSO, Larissa Fernandes. Uso de geocélula preenchida com material granular para reforço de solos destinados a fundações diretas. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
Solos com baixa capacidade de carga e alta deformabilidade, necessitam ter suas características mecânicas melhoradas para que apresentem parâmetros que proporcionem segurança às edificações que neles serão instaladas. Um dos elementos mais importantes de uma edificação são as fundações, uma vez que são componentes responsáveis por transmitir as solicitações da estrutura diretamente para o terreno. Um projeto de fundação exige do engenheiro civil a garantia de segurança e conforto aos usuários da edificação, principalmente no que se refere à capacidade de carga e recalque do solo onde a fundação será instalada, podendo, para isso, serem utilizadas técnicas de reforço de solos, a fim de evitar acidentes e gastos excessivos. Uma das melhores maneiras de obtenção de parâmetros de resistência de um solo é a partir da realização de provas de carga, uma vez que representam o comportamento da futura fundação superficial em escala reduzida através de curvas tensão-recalque. Partindo de tais premissas o presente trabalho de conclusão de curso, tem por objetivo avaliar o comportamento do solo do Campus da UNIJUÍ da cidade de Ijuí – RS, em relação a sua capacidade de carga e ocorrência de recalques em seu estado natural e reforçado com geocélulas a partir da realização de ensaios de placas, considerando sua aplicação em fundações superficiais. Como metodologia, avaliou-se a alternativa de reforço adotada quanto a sua altura e materiais de preenchimento, sendo esses brita graduada do tipo 1 e resíduo da construção civil – RCC. Para tanto, foram executadas 5 provas de carga, uma delas em solo natural, duas em geocélulas com 20 cm de altura (SW445) preenchidas com Brita e RCC, e duas em geocélulas de 7,5 cm de altura (SW712) preenchida com os mesmos materiais. Além da realização das provas de carga, ainda foi feita a investigação geotécnica do solo local a partir de sondagem SPT e sua caracterização e classificação por meio do sistema unificado SUCS, do sistema rodoviário AASHTO, e por meio da metodologia MCT. Após a realização dos ensaios, obteve-se o resultado da classificação do solo como sendo do tipo MH pela SUCS, A-7-5(18) pela AASHTO, e LG’ pelo método de classificação MCT. Em relação às provas de carga, foram obtidos valores de recalques compensados, médios e adimensionalizados, além dos valores de tensão admissível e de ruptura do solo para cada caso avaliado. Referente à tensão admissível, o ensaio com a geocélula modelo SW712 preenchida com RCC apresentou maior valor enquanto que o ensaio com a geocélula modelo SW445 preenchida com RCC apresentou menor valor. Já para os valores de recalques o ensaio que apresentou maior ocorrência no momento de ruptura foi em solo natural e a menor ocorrência deu-se no ensaio com a geocélula modelo SW445 preenchida com brita. Por fim, as análises quanto às características mecânicas do solo em estudo, permitiram concluir que a técnica adotada para reforço do solo proporcionou resultados positivos, ou seja, superiores aos do solo em seu estado natural, com exceção da geocélula de 20 cm de altura preenchida com RCC.
SASSO, Larissa Fernandes. Application of filled geocells with granular material for soil reinforcement intended to shallow foundations. 2018. Final Paper. Civil Engineering Course, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
Soils with low bearing capacity and high deformability need to have his mechanical characteristics improved to present parameters that provide security to the buildings will be installed in them. One of the most important building elements are the foundations, since they’re responsible to pass on the structure requests directly to the ground. A foundation design requires to the civil engineer ensure of safety and comfort to the building users, especially regarding the bearing capacity and soil settlement where the foundation will be built, so it may be used soil reinforcement techniques, in order to avoid accidents and excessive costs. One of the best methods to determine the soil deformation characteristics is the Plate-Load Tests, because this test emulates the behavior of the future shallow foundation in a reduced scale through strain-settlement curves. Therefore, this course conclusion paper aims to evaluate the soil behavior of the UNIJUÍ Campus of Ijuí-RS, in relation to its bearing capacity and soil settlement incidents, in their natural state and reinforced with geocells from the Plate-Load Tests execution, considering their application on shallow foundations. Such as methodology, the soil reinforcement alternative adopted was evaluated about their heights and material fillers, being these gravel and construction waste. Therefore, have been implemented 5 Plate-Load Tests, one in natural soil, two in 20 cm high geocells (SW445) filled of gravel and construction waste, and two with 7,5 cm high geocells (SW712) filled with the same materials. In addition to Plate-Load Tests execution, was made the soil geotechnical investigation by percussion drilling (SPT) and his characterization and classification by the unified system – SUCS, road system – AASHTO, and MCT methodology. After the Plate-Load Tests execution, the soil classification result obtained was MH to SUCS, A-7-5(18) to AASHTO, and LG’ to MCT method of soil classification. In relation to plate load tests, were obtained compensated settlement, medium and nondimensionalization values, in addition values of allowable stress and soil rupture for each case evaluated. Regarding to allowable stress, the test with SW712 geocell filled with construction waste presented higher value whereas the test with SW445 filled with construction waste presented lowest, as for settlement values, the test who show increased occurrence at the rupture was in natural soil, and the lesser occurred at the test with SW445 geocell filled with gravel. Finally, the analysis about soil mechanical characteristics, led to the conclusion this soil reinforcement technique provided positive results in most cases, in other words, better than natural soil state, except for the 20 cm high geocell filled with RCC.
Figura 1: Simbologia do Sistema Unificado de Classificação de Solos – SUCS ... 29
Figura 2: Gráfico de plasticidade para solos finos ... 30
Figura 3: Esquema para classificação pelo SUCS ... 30
Figura 4: Sistema de classificação HRB/AASHTO ... 31
Figura 5: Gráfico para classificação MCT ... 33
Figura 6: Princípio básico do comportamento do solo sem reforço ... 34
Figura 7: Princípio básico do comportamento do solo com reforço ... 34
Figura 8: Características das principais técnicas de reforço de solos ... 35
Figura 9: Subdivisão dos reforços de terreno ... 36
Figura 10: Modelo de geocélula instalada ... 41
Figura 11: Materiais geocélulas: (a) PE, (b) PEAD e (c) PP ... 42
Figura 12: Fundação superficial e profunda ... 47
Figura 13: Principais tipos de fundações superficiais ... 48
Figura 14: Fundações profundas: (a) estaca; (b) tubulão; (c) caixão ... 49
Figura 15: Sistemas de reação para realização de prova da carga em placa ... 50
Figura 16: Localização da placa: (a) superfície; (b) em cavas; (c) em furos ... 51
Figura 17: Equipamento de sondagem SPT ... 53
Figura 18: Sistema sapata-solo ... 54
Figura 19: Esquema ilustrativo de ruptura por generalizada ... 54
Figura 20: Esquema ilustrativo de ruptura por puncionamento ... 55
Figura 21: Esquema ilustrativo de ruptura local ... 55
Figura 22: Exemplo de curva carga x recalque ... 56
Figura 23: Provas de carga em placa e sapata (argila) ... 58
Figura 24: Fatores de segurança para fundações superficiais (FS) ... 59
Figura 25: Delineamento da pesquisa ... 62
Figura 26: Local de execução dos ensaios... 63
Figura 27: Imagem da brita tipo 1 ... 65
Figura 28: RCC graúdo ... 65
Figura 29: Peça instalada de geocélula modelo SW712 ... 69
Figura 30: Peça instalada de geocélula modelo SW445 ... 69
Figura 31: Croqui de instalação das geocélulas ... 70
Figura 35: Inserção de mais material de preenchimento ... 72
Figura 36: Geocélulas preenchidas e compactadas ... 73
Figura 37: Local da execução das provas de carga ... 74
Figura 38: Posicionamento e nivelamento da placa ... 75
Figura 39: Sistema de reação utilizado ... 75
Figura 40: Sistema de transmissão de cargas e medição de deslocamentos ... 76
Figura 41: Posicionamento dos relógios deflectométricos ... 76
Figura 42: Local do ensaio SPT ... 78
Figura 43: Curva granulométrica da brita 1... 79
Figura 44: Curva granulométrica do RCC ... 80
Figura 45: Mapa pedológico da região de Ijuí ... 81
Figura 46: Mapa pedológico da região de Ijuí ... 81
Figura 47: Curva granulométrica do solo do Campus ... 82
Figura 48: Gráfico de classificação MCT... 84
Figura 49: Curva carga-recalque do solo natural... 86
Figura 50: Curva carga-recalque na geocélula SW712 com brita 1 ... 88
Figura 51: Curva carga-recalque na geocélula SW712 com RCC ... 89
Figura 52: Curva carga-recalque na geocélula SW445 com brita 1 ... 91
Figura 53: Curva carga-recalque na geocélula SW445 com RCC ... 92
Figura 54: Ruptura por puncionamento ... 94
Figura 55: Curvas carga x recalque de todos os ensaios de placa ... 97
Figura 56: Tensão admissível e de ruptura ... 98
Tabela 1: Funções dos geossintéticos utilizados nos projetos de Engenharia ... 39
Tabela 2: Especificações técnicas das geocélulas ... 64
Tabela 3: Dimensões finais das geocélulas ... 73
Tabela 4: Classificação tradicional do solo ... 83
Tabela 5: Coeficientes e classificação MCT do solo ... 84
Tabela 6: Leituras do ensaio de placa no solo natural ... 86
Tabela 7: Leituras do ensaio de placa na geocélula SW712 com brita 1 ... 87
Tabela 8: Leituras do ensaio de placa na geocélula SW712 com RCC ... 89
Tabela 9: Leituras do ensaio de placa na geocélula SW445 com brita 1 ... 90
Tabela 10: Leituras do ensaio de placa na geocélula SW445 com RCC ... 92
Tabela 11: Valores de tensões para cada método ... 93
Tabela 12: Tensão admissível ... 93
Tabela 13: Recalques médios no momento de ruptura ... 95
Tabela 14: Recalques correspondentes a tensão admissível ... 96
AASHTO Association of State Highway and Transportation ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM American Society for Testing and Materials CLT Cyclic Load Test
CNPQ Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CPRM Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais
CRP Constant Rate of Penetration
DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes FS Fator de segurança
HRB Highway Research Board
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IG Índice de grupo
IP Índice de plasticidade
IRDeR Instituto Regional de Desenvolvimento Rural ISO International Organization for Standardization LG’ Solo argiloso laterítico
LL Limite de liquidez LP Limite de plasticidade
MCT Miniatura Compactação Tropical MCV Moisture condition value
PEAD Polietileno de alta densidade
Pet Poliéster
PET Programa de Educação Tutorial
PP Polipropileno
QML Quick Maintained Load test RCC Resíduo da construção civil SCT Swedish Cyclic Test
SML Slow Mantained Load test SPT Standard Penetration Test
SUCS Sistema Unificado de Classificação do Solo SW445 Geocélula Strata Web modelo 445
SW712 Geocélula Strata Web modelo 712
LISTA DE SÍMBOLOS
: porcentagem passante na peneira nº 200 – 35%, válido entre 0 e 40 : porcentagem passante na peneira nº 200 – 15%, válido entre 0 e 40 : LL – 40%, válido entre 0 e 20
: IP – 10%,válido entre 0 e 20
𝑁𝑆𝑃𝑇: resultado do ensaio SPT (número de golpes)
𝑃: força vertical de compressão
𝐵: uma dimensão conveniente da fundação (lado/diâmetro da fundação) 𝐿: comprimento de uma fundação
: valor de tensão média : tensão admissível tensão de ruptura
tensão correspondente a um recalque de 25mm : tensão correspondente a um recalque de 10mm
: recalque da sapata em milímetros : recalque da sapata
: recalque da placa
𝐵: diâmetro proporcional da fundação 𝐵 : diâmetro da placa
1 INTRODUÇÃO ... 19 1.1 Contexto ... 19 1.2 Problema ... 22 1.2.1 Questões de pesquisa ... 24 1.2.2 Objetivos de pesquisa ... 24 1.2.3 Delimitação ... 24 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 25
2.1 Origem dos solos ... 25
2.2 Solos tropicais ... 26
2.2.1 Solos lateríticos ... 27
2.2.2 Solos saprolíticos ... 27
2.3 Classificação do solo ... 27
2.3.1 Sistema Unificado de Classificação dos Solos - SUCS ... 28
2.3.2 Sistema Rodoviário de Classificação dos Solos HRB/AASHTO ... 31
2.3.3 Classificação MCT ... 32
2.4 Reforço dos solos ... 33
2.4.1 Técnicas de reforço de solos utilizadas na Engenharia Geotécnica ... 35
2.5 Geossintéticos ... 36
2.5.1 Tipos de geossintéticos ... 37
2.5.2 Geossintéticos aplicados na engenharia geotécnica ... 38
2.5.3 Geossintéticos aplicados na engenharia de fundações ... 39
2.6 Geocélula ... 40
2.6.1 Aplicações das geocélulas ... 42
2.6.2 Interação solo/geocélula ... 43
2.6.3 Preenchimento das geocélulas ... 44
2.6.3.1 Pedra britada como material de preenchimento ... 45
2.6.3.2 RCC como material de preenchimento ... 46
2.7 Fundações ... 46
2.7.1 Fundações superficiais ... 47
2.7.2 Fundações profundas ... 49
2.10 Capacidade de carga das sapatas ... 53
2.10.1 Padrões de ruptura ... 54
2.11 Métodos de previsão da capacidade de carga ... 56
2.11.1 Método de Alonso ... 56
2.11.2 Método de Cudmani ... 57
2.12 Recalques ... 57
2.12.1 Obtenção de recalques através de provas de carga ... 57
2.13 Tensão admissível ... 58 3 METODOLOGIA ... 61 3.1 Método de abordagem ... 61 3.2 Técnicas de pesquisa ... 61 3.3 Delineamento ... 62 3.4 Local de estudo ... 63 3.5 Materiais utilizados ... 64 3.5.1 Geocélulas ... 64
3.5.2 Preenchimento das geocélulas ... 64
3.5.2.1 Brita 1 ... 64 3.5.2.2 RCC ... 65 3.6 Ensaios laboratoriais ... 66 3.6.1 Caracterização geotécnica ... 66 3.6.1.1 Limites de consistência ... 66 3.6.1.2 Composição granulométrica ... 66 3.6.1.3 Massa específica ... 66
3.6.2 Classificação geotécnica MCT (procedimento M9) ... 67
3.7 Equipamentos utilizados ... 67
3.7.1 Equipamentos para a instalação e preenchimento das geocélulas... 67
3.7.2 Ensaios de placa ... 68
3.8 Preparação e instalação das geocélulas ... 68
3.9 Execução dos ensaios de placas ... 74
3.10 Metodologias de cálculo ... 77
4.2 Caracterização do solo ... 80
4.2.1 Análise granulométrica ... 82
4.2.2 Limites de consistência ... 83
4.3 Classificação do solo ... 83
4.3.1 Classificações tradicionais ... 83
4.3.2 Classificação geotécnica MCT – Procedimento M9 ... 84
4.4 Ensaio SPT ... 85
4.5 Provas de carga ... 85
4.5.1 No solo em estado natural ... 85
4.5.2 Na geocélula SW712 com brita 1 ... 86
4.5.3 Na geocélula SW712 com RCC ... 88
4.5.4 Na geocélula SW445 com brita 1 ... 90
4.5.5 Na geocélula SW445 com RCC ... 91
4.6 Tensão admissível ... 93
4.7 Ruptura do solo ... 94
4.8 Recalques ... 95
4.9 Síntese dos resultados ... 96
5 CONCLUSÃO ... 100
5.1 Sugestões para trabalhos futuros ... 101
REFERÊNCIAS ... 102
APÊNDICE A – Tabela DE LEITURAS SOLO NATURAL ... 111
APÊNDICE B – Tabela DE LEITURAS SW712-BRITA ... 113
APÊNDICE C – Tabela DE LEITURAS SW712-RCC ... 115
APÊNDICE D – Tabela DE LEITURAS SW445-Brita ... 117
APÊNDICE E – Tabela DE LEITURAS SW445-RCC ... 119
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1 INTRODUÇÃO
A presente pesquisa tem como tema a introdução do uso de geossintéticos como alternativa de reforço de solos destinados a receber fundações diretas. Além de apresentar tal tecnologia, a proposição busca combiná-la com diferentes materiais de preenchimento a fim de avaliar o ganho de resistência do solo, e proporcionar segurança aos projetos de construção civil. Para tanto, foram analisadas geocélulas de dois tipos diferentes com dois materiais de preenchimento: brita 1 e resíduo da construção civil (RCC). Os ensaios foram executados no solo do campus da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ), na cidade de Ijuí, e seus resultados permitiram a análise e comparação dos valores de capacidade de carga e recalque deste solo em seu estado natural e reforçado com geocélulas.
1.1 Contexto
Toda estrutura criada pelo homem deve atender a requisitos básicos de conforto, durabilidade, estética, economia e segurança, sendo este último o mais significativo, posto que, tem o preceito de evitar colapsos que comprometam a integridade física humana (NEVES, 2010). Os elementos de fundações são parte essencial das obras de construção civil como um todo, uma vez que permitem a transmissão das cargas de suas estruturas para o subsolo.
Peck, Hanson e Thornburn (1974), alegam que um dos requisitos para o sucesso da prática da engenharia de fundações é adequar o conhecimento as características dos solos e rochas. Afirmam ainda que nesse ramo a experiência e a competição industrial tem um papel mais importante que o da ciência, em razão disso, a engenharia de fundações é considerada uma arte. Segundo Casagrande (2001), as fundações podem ser classificadas como superficiais ou profundas.
Conforme estabelecido pela NBR 6122 (ABNT, 2010), as fundações profundas são elementos que transmitem a carga ao terreno por sua base e/ou por sua superfície lateral, apresentando resistência de ponta e de fuste, já as fundações superficiais ou diretas são caracterizadas por sua capacidade de transmitir carga ao terreno através das pressões distribuídas apenas sob sua base, respeitando uma profundidade de assentamento em relação ao terreno, duas vezes inferior a menor dimensão da fundação.
_____________________________________________________________________________________________ Alguns dos fatores mais importantes a serem considerados em um projeto de fundações que podem comprometer o desempenho de uma obra, são: o tipo de solo em que serão executadas, as cargas aplicadas sobre o solo, e sua resposta a tais solicitações (VELLOSO; LOPES, 2010).
Os solos podem ser formados por desintegração mecânica ou decomposição química. Segundo Caputo (2015), entende-se por decomposição química todo e qualquer processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas de origem. Um dos tipos de solos originados por esse tipo de processo são as argilas lateríticas.
O Brasil caracteriza-se como um país de clima predominantemente tropical, com grandes variações climáticas, no qual os solos lateríticos provenientes do intemperismo químico e físico subsistem em cerca de 70 % de seu território (NOGAMI; VILLIBOR, 1995). Considerando que os solos são peça chave para o bom desempenho de qualquer obra de engenharia, destaca-se relevância do desenvolvimento de estudos a respeito desta tipologia específica em razão de sua predominância no território nacional.
Solos com baixa resistência mecânica necessitam ser melhorados ou reforçados para que possam servir de base para fundações de maneira segura. Segundo Hussin (2013), o reforço de um solo pode ser definido pela inclusão de elementos na massa do solo sem alterar necessariamente suas propriedades químicas e físicas originais. A ideia de melhorar características mecânicas do solo por meio da inserção de elementos que resistem à tração existe desde tempos datados como antes de Cristo, quando se utilizavam vegetais para a fabricação de tijolos de argila (MACAFERRI, 2008). Atualmente, o uso de solo reforçado apresenta vantagens técnicas, ambientais, construtivas e econômicas para as obras quando executadas com métodos tradicionais. Almeida e Marques (2010), afirmam que além das soluções convencionais de reforço de solo, como o uso de fitas, fibras ou tiras metálicas, há também a inclusão de geossintéticos, esta última destacando-se como um método muito eficaz que tem ganhado espaço no mercado desde a última década.
Os geossintéticos vêm desenvolvendo um papel fundamental na geotecnia por meio da substituição e aprimoramento de técnicas já existentes de reforço, proporcionando associações com solos e agregados, tendo como soluções rapidez, leveza, esbeltez, confiabilidade e economia
______________________________________________________________________________ (VERTEMATTI, 2015). A mesma fonte afirma que, o uso de geossintéticos como reforço de fundações diretas permite sua execução em situações que normalmente seriam inviáveis. Bilfinger e Mello (2015) atestam que a função do reforço com geossintético é basicamente a de usar sua capacidade de resistência à tração, para restringir deformações em estruturas geotécnicas ou granulares.
De acordo com Abramento, Erlich e Zirlis (2016), os geocompostos tradicionais envolvem geomembranas, geotêxteis e geogrelhas, destacam-se também dentre novos geossintéticos os geodrenos, as geobarras e as geocélulas, que geralmente atuam como reforço de solo. O uso de geocélulas vem crescendo no Brasil, uma vez que oferecem agilidade em suas construções, possuem composições e formas variadas, permitindo seu uso em estabilização de solos e taludes, estruturas de contenção, entre outros (BARUFFI, 2017). Além da praticidade no uso dos geossintéticos, Palmeira (2018), fomenta que a energia consumida na fabricação de plásticos é menor do que a utilizada para fabricar outros materiais de construção, sendo assim e considerando esse aspecto aliado a menor utilização de equipamentos, o geossintético destaca-se como um material que provoca menos danos ambientais que as aplicações de soluções convencionais às obras de engenharia.
Com o objetivo de avaliar a as propriedades mecânicas de um solo destaca-se o ensaio de placas, um ensaio de campo que, de acordo com Ruver (2005), resume-se em utilizar placas de metal nas quais se aplicam diferentes carregamentos, de modo que se possa certificar o comportamento carga-recalque de um solo designado a uma futura fundação, quando solicitado por certas tensões. Girardello (2010) argumenta que as provas de carga sobre placa foram umas das primeiras aplicações dos ensaios in situ executadas com o intuito de estabelecer características do comportamento do solo e determinar suas propriedades de deformação e ruptura.
Segundo Russi (2007), o ensaio de placas é considerado um ótimo método de obtenção de dados, sendo esta uma fonte segura, uma vez que reproduz o comportamento real de uma fundação superficial em escala reduzida. Apesar da onerosidade do ensaio, ainda é a maneira mais confiável de obtenção de dados do comportamento do solo, sendo assim a opção adotada para os estudos desta pesquisa.
_____________________________________________________________________________________________ Em vista disso e com o intuito de avaliar a capacidade de carga dos solos da região noroeste do Rio Grande do Sul, criou-se o projeto de pesquisa institucional intitulado “Estudo da Capacidade de Carga e Recalque de Solos Residuais do Noroeste do Rio Grande do Sul” vinculado ao Grupo de Pesquisa em Novos Materiais e Tecnologias para Construção, cadastrado no Diretório dos Grupos de Pesquisa no Brasil do CNPQ e certificado pela UNIJUÍ, que aborda até então pesquisas referentes ao assunto. Assim, esta pesquisa encontra-se diretamente vinculada ao projeto e tem como objetivo avaliar a melhoria no comportamento do solo laterítico da cidade de Ijuí, quando reforçado com geocélula e preenchido com materiais granulométricos, através da execução de provas de carga direta sobre o terreno. Busca-se então, avaliar a aplicação de tal tecnologia para o uso em fundações diretas nos solos da região considerando todas suas vantagens econômicas, mecânicas e ambientais.
Abramento, Erlich e Zirlis (2016), argumentam que as geocélulas constituem um sistema de confinamento celular tridimensional e flexível, suas paredes são compostas de tiras de polietileno, com superfícies rugosas e unidas entre si por meio de solda. O emprego dessa tecnologia é muito versátil, uma vez que as células podem ser preenchidas com materiais variáveis, como por exemplo, solo, solo-cimento ou ainda concreto em função de sua aplicação.
Assim, estima-se que a combinação do uso da geocélula preenchida com brita 1 ou RCC, proporcione ao profissional de engenharia maiores condições para melhorar a capacidade de suporte de carga do solo estudado, além de apresentar vantagens ambientais. Por fim destaca-se a relevância da exploração do tema pelo fato de que visa aliar novas tecnologias disponíveis no mercado e garantir obviamente a segurança das obras de construção civil.
1.2 Problema
Sabe-se que as fundações diretas são usualmente aplicadas, seja pelo seu baixo custo, facilidade construtiva ou por não utilizarem equipamentos especiais em sua execução. Entretanto, Vertematti (2015), afirma que esse tipo de fundação não apresenta vantagens quando o solo de fundação indica capacidade de suporte baixa, grande deformabilidade e pouca resistência a cisalhamento, sendo necessário o uso de fundações profundas.
De acordo com Milititsky, Consoli e Schnaid (2015), deve-se levar em conta que a execução de uma fundação profunda, influencia o solo e as fundações vizinhas já executadas,
______________________________________________________________________________ implicando nas definições originais do projeto. Além disso, esse tipo de fundação acarreta em maiores custos de execução, sendo assim melhor evitá-las sempre que possível. A par de tais referências, faz-se necessário buscar informações e alternativas que possibilitem a execução de fundações superficiais, sempre que possível sem comprometer a segurança da edificação e das pessoas que a usufruem.
As fundações independentes de seu tipo e dimensões, quando carregadas aplicam esforços no terreno de maneira que ele se deforme, tendo-se como resultados dessas deformações os recalques (deslocamentos verticais), deslocamentos horizontais e rotações (VELLOSO; LOPES, 2010). Os mesmos autores ainda reforçam que quaisquer que sejam essas disfunções, quando sucedidas, podem comprometer a segurança da obra a ser efetuada. Isto posto, torna-se imprescindível o estudo dos solos em que serão executadas as fundações de maneira a evitar qualquer tipo de patologia na edificação. Seguindo tal preceito, Pinto (2016), alega que, os solos possuem certa dissemelhança entre si, respondendo de maneira variável a solicitações, sendo necessário sempre considerar o tipo de solo predominante no local da obra, para garantia de um bom desempenho técnico e longa vida útil da mesma.
Conforme estabelecido por Vertematti (2015), os projetos de engenharia desenvolvidos no decorrer do último século, buscavam, frequentemente ser aplicados em solos com maior resistência, homogêneos e com baixa deformabilidade, independente dos custos. Ainda segundo o mesmo autor, a expansão urbana associada ao porte das obras de engenharia moderna, tornou laboriosa a escolha de solos com boa resistência, sendo necessária a aplicação de novas soluções geotécnicas, nos solos disponíveis, os quais necessitam de tratamentos especiais para atender aos esforços que lhes são aplicados.
Solos com baixa capacidade de carga devem ser substituídos total ou parcialmente, reforçados, ou ambas as soluções, para recepcionar fundações diretas (BILFINGER; MELLO, 2015). Entretanto a substituição do solo pode muitas vezes se tornar uma atividade dispendiosa e de difícil execução, destacando-se assim a técnica de reforço como uma alternativa mais acessível.
Para a análise das propriedades mecânicas do solo, salienta-se a importância dos ensaios de campo, uma vez que Velloso e Lopes (2010) alegam que os ensaios executados em
_____________________________________________________________________________________________ laboratórios estão susceptíveis a perturbações e problemas de estocagem tendo a garantia de seus resultados inferior aos reais.
1.2.1 Questões de pesquisa
Qual é a capacidade de carga e recalque de solo residual da região noroeste do Rio Grande do Sul quando reforçado com geocélula preenchida com materiais alternativos?
Tal alteração por reforço representa uma melhora significativa no desempenho? 1.2.2 Objetivos de pesquisa
Como objetivo geral da presente pesquisa tem-se a análise comparativa da capacidade de carga de um solo no seu estado natural e reforçado com geocélula, visando sua utilização em fundações superficiais. De maneira a suprir objetivo principal da pesquisa, estabeleceram-se os seguintes objetivos específicos:
dissertar acerca da necessidade de reforço de solo, expondo as condições do solo da região em relação ao seu uso para fundações diretas;
apresentar, por meio de revisão bibliográfica, a importância do uso de materiais geotêxteis como alternativa de reforço de solos, enfatizando dentre eles a geocélula;
efetuar a caracterização geotécnica do solo em estudo;
executar ensaios de placa no solo em seu estado natural e reforçado com geocélula preenchida com material granular e analisar a eficiência do reforço;
comparar os valores de tensão admissível e de ruptura do solo estudado, bem como de recalque obtidos em ensaios de placa executados em solo no estado natural e reforçado com geocélula.
1.2.3 Delimitação
Esta pesquisa pretende analisar o desempenho do solo residual regional na condição natural e reforçado com geocélula preenchida com brita 1 e RCC, avaliando-se suas capacidades de carga e recalques, a partir da execução de ensaios de placa para ambas as condições, com todos os materiais devidamente caracterizados a partir de ensaios laboratoriais e de campo.
______________________________________________________________________________
2 REVISÃO DA LITERATURA
No presente capítulo serão levantados os principais assuntos relacionados ao desenvolvimento do estudo sobre o uso de geocélula preenchida com material granular para reforço de solos destinados a fundações diretas, com base em autores que já trabalharam ou vêm trabalhando conceitos fundamentais para o desenvolvimento do projeto. Neste embasamento teórico, os próximos tópicos abordarão a origem dos solos, solos tropicais, classificação dos solos técnicas de reforço, geossintéticos, geocélulas, fundações e seus tipos, provas de carga direta sobre o terreno de fundações, ensaio SPT, capacidade de carga e ruptura do solo, e por fim, métodos de cálculo de estimativa da capacidade de carga, recalques e tensão admissível dos solos.
2.1 Origem dos solos
Os solos são resultado de uma composição entre partículas que se deslocam livremente nos espaços intermediários geralmente preenchidos por água e ar (PINTO, 2006). O mesmo autor ainda afirma que o comportamento dos solos depende diretamente da sua origem, ou seja, do tipo de partículas que o constitui e da composição química de sua rocha precedente.
Segundo Birkeland (1974), o solo é considerado um material natural constituído de compostos minerais e/ou orgânicos distribuídos em camadas de espessuras variadas, diferenciando-se de seu material original, por características morfológicas, físicas, químicas, mineralógicas e biológicas. Salomão e Antunes (1998) afirmam que o solo em sua origem e evolução tem influência principalmente, do clima (água da chuva e temperatura), dos materiais que o originam dos organismos vegetais e animais que alteram as características físicas e químicas do mesmo, do relevo e do tempo.
Salomão e Antunes (1998) salientam ainda que o desenvolvimento do solo se inicia pela ação do intemperismo, combinação de fenômenos físicos e químicos que ao agir sobre a rocha, dão origem ao substrato pedogenético, material originário dos solos. A partir de sua origem, o substrato pedogenético pode permanecer no local, ou ainda ser deslocado por ação de alguma força, formando consequentemente os solos residuais ou transportados.
_____________________________________________________________________________________________ Segundo Pinto (2006), os solos residuais são caracterizados por sua heterogeneidade, característica da rocha-mãe, tornando complexa sua caracterização a partir de ensaios de laboratório, uma vez que corpos de prova moldados a partir de uma mesma amostra podem apresentar propriedades diferentes. Já os solos transportados podem sofrer grandes variações na sua composição caracterizando-se por serem mais inconsolidados que os residuais, uma vez que, conforme Pastore e Fontes (1998), podem advir de diferentes agentes transportadores, como cursos d’água (aluviões e terraços fluviais), força gravitacional combinada com a ação da água (coluviões e tálus), ação do vento (solos eólicos) e pela força das marés (sedimentos marinhos). 2.2 Solos tropicais
Os solos tropicais podem ser definidos não apenas como aqueles que se localizam entre os trópicos, mas também como os que apresentam comportamento mecânico e propriedades físico-químicas diferenciados da mecânica dos solos tradicional, graças as suas condições de formação e evolução ao longo do tempo (CONCIANI; BURGOS; BEZERRA, 2015). As propriedades físico-químicas e hidromecânicas de um solo são diretamente influenciadas pela diversidade mineralógica existente em seus perfis (CARVALHO et al., 2015). No caso dos solos brasileiros, desenvolvidos majoritariamente em ambiente tropical, torna-se necessária uma abordagem diferente da convencional para o seu estudo.
Segundo Cecílio Jr. e Abramento (2012 apud FERNANDES, 2016, p 68), os solos residuais tropicais apresentam aspectos divergentes dos demais solos residuais, uma dessas características se dá no fato da existência de partículas de minerais de argila na fração silte destes solos, fazendo com que eles apresentem certa plasticidade apesar da pouca fração de argila.
Considerando a discrepância ocorrente entre os tipos de solos, Villibor et al. (2009), fomentam a necessidade de conceituar os tipos genéticos de solos encontrados no ambiente tropical, classificando-os em duas grandes variedades: os solos lateríticos e os saprolíticos.
Burgos e Conciani (2015) alegam que os solos lateríticos e saprolíticos possuem propriedades e comportamentos dissemelhantes, mas geralmente se manifestam em um mesmo perfil de alteração, sendo de extrema importância, uma cautelosa avaliação destes materiais para seu uso seguro mantendo o bom desempenho das obras.
______________________________________________________________________________ 2.2.1 Solos lateríticos
Esse tipo de solo caracteriza-se por sua ocorrência em superfícies, origina-se das partes bem drenadas de regiões tropicais úmidas, como resultado de uma transformação da parte superior do subsolo a partir da ação do intemperismo, pelo processo de laterização (VILLIBOR et al., 2009). Conforme os referidos autores, há diversas peculiaridades que ocorrem a partir do processo de laterização, dentre elas destacam-se a permanência da caulinita como argilo mineral predominante e praticamente exclusivo e a presença de óxido de ferro e/ou alumínio no solo como forma de seu enriquecimento. Estes minerais são responsáveis por proporcionar a coloração vermelha, amarela, marrom e alaranjada típica dos solos lateríticos.
2.2.2 Solos saprolíticos
Podem ser definidos como solos resultantes da decomposição e desagregação local da rocha matriz pela ação das intempéries, mantendo sempre características da estrutura original da rocha mãe (VILLIBOR et al., 2009). Os autores ainda afirmam que graças a isso esses solos são constituídos por uma mineralogia complexa, e uma heterogeneidade acentuada uma vez que se encontram seixos de diferentes espessuras em seus horizontes. Esse tipo de solo encontra-se inferiormente a camada laterítica, surgindo à superfície apenas em caso de extração da camada superior ou erosão.
2.3 Classificação do solo
O solo por ser um material natural, segundo Vargas (1977), necessita ser identificado e categorizado, de maneira a permitir a solução de problemas a partir de seu enquadramento em uma classificação escolhida, uma vez que, todo e qualquer cálculo de projeto de engenharia tem como base as propriedades específicas da classe a que pertencem os solos.
Segundo Pinto (2006), a diferença de comportamento dos solos em relação às solicitações de interesse da Engenharia resultou na reunião em diferentes grupos a partir da relação entre suas propriedades, surgindo assim, os sistemas de classificação. Peck, Hanson e Thornburn (1974), afirmam que grande parte dos sistemas de classificação dos solos utilizados pelos engenheiros, permitem que um indivíduo sem conhecimento aprofundado efetue sua classificação superficial.
_____________________________________________________________________________________________ A partir de tais preceitos, surgiu a necessidade de providenciar uma classificação mais precisa do solo, baseada em valores numéricos que podem facilmente ser determinados em laboratório.
A classificação e identificação solos consiste em um processo artificial uma vez que estes materiais existem com grande variabilidade na natureza, sendo bastante complexa sua separação em categorias distintas. Como resultado, Peck, Hanson e Thornburn (1974), alegam que inúmeros sistemas de classificação vêm sendo desenvolvidos, com certas vantagens e desvantagens para determinado propósito, sendo em muitos casos, bastante complicado fazer o uso de apenas um destes sistemas.
Há diversas maneiras de classificação dos solos, partindo de sua origem, evolução, estrutura, preenchimento de vazios e existência ou não de matéria orgânica (PINTO, 2006). Ainda o autor afirma existirem sistemas baseados no tipo e no comportamento das partículas do solo, sendo os mais utilizados pela engenharia de solos, e sistemas que se baseiam nas características dos grãos, que utilizam geralmente a composição granulométrica e os índices de Atterberg para relacionar os solos em grupos com comportamentos semelhantes.
A partir de tais considerações, Pastore e Fontes (1998), afirmam que as classificações baseadas na composição granulométrica e nos índices de Atterberg são consideradas convencionais, enquanto que as demais se classificam como não-convencionais. Dentre as classificações convencionais mais utilizadas no mundo destacam-se o Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS), inicialmente denominada Sistema de Classificação dos Aeroportos, e a classificação rodoviária do HRB, também conhecida como classificação da AASHTO. Em relação às classificações não-convencionais a que possui maior aceitação e uso no meio técnico brasileiro é a MCT (Miniatura, Compactado, Tropical), proposta por Nogami e Villibor (1981).
2.3.1 Sistema Unificado de Classificação dos Solos - SUCS
De acordo com Burgos e Conciani (2015), esse sistema foi desenvolvido nos Estados Unidos, na Universidade de Harvard, sob a supervisão do Professor Arthur Casagrande, com o intuito de auxiliar os engenheiros do Exército Americano na construção de campos de aviação, no período da Segunda Guerra Mundial. Baseia-se, na identificação dos solos, considerando-se suas propriedades de granulometria e de plasticidade, objetivando agrupar esses materiais de acordo
______________________________________________________________________________ com o seu comportamento em obras de barragens e fundações, extensiva, também, para outras construções. Reúne os solos em três classes distintas, em função da percentagem passante na peneira nº 200, sendo solos de granulação grossa, solos de granulação fina e, ainda, os solos orgânicos. Balbo (2007), ainda complementa que tal classificação utiliza características relacionadas aos índices físicos (Limite de Liquidez e Limite de Plasticidade) do solo.
De acordo com o DNIT (2006), esse sistema apresenta vantagens no exercício da identificação de campo, na adoção de uma simbologia que diz da natureza do solo, e no valor prático das indicações que a classificação proporciona a vários ramos da engenharia de solos. Pastore e Fontes (1998) afirmam que nessa classificação, os solos são associados em 11 grupos distintos, cuja simbologia encontra-se na Figura 1.
Figura 1: Simbologia do Sistema Unificado de Classificação de Solos – SUCS
Fonte: DNIT (2006, p. 62)
Para solos finos, Pinto (2006) orienta, como sequência de classificação, a calcular os limites de consistência dos solos, dados pela determinação do índice de plasticidade (IP), limite de plasticidade (LP), e limite de liquidez (LL). Em seguida, faz-se uso do gráfico de plasticidade de Casagrande, conforme Figura 2. Na Figura 3, é apresentada a carta de classificação que sintetiza os procedimentos necessários para realização da classificação SUCS.
_____________________________________________________________________________________________ Figura 2: Gráfico de plasticidade para solos finos
Fonte: Adaptado de DNIT (2006, p. 60) Figura 3: Esquema para classificação pelo SUCS
______________________________________________________________________________ 2.3.2 Sistema Rodoviário de Classificação dos Solos HRB/AASHTO
A classificação Highway Research Board (HBR) conhecida também como classificação da AASHTO - American Association of State Highway and Transportation Officials, é comumente aplicada em estradas (PASTORE; FONTES, 1998). Assim como a SUCS esse sistema foi originalmente proposto nos Estados Unidos, e baseia-se na porcentagem de material passante na peneira nº 200, entretanto solos com menos de 35% passantes na peneira são considerados grosseiros e pertencem aos grupos A-1, A-2, e A-3, e os solos finos, ou seja com mais de 35% passante pertencem aos grupos A-4, A-5, A-6, e A-7 (PINTO, 2006).
A classificação se dá por eliminação considerando algumas características do solo conforme apresenta a Figura 4 (DNIT, 2006).
Figura 4: Sistema de classificação HRB/AASHTO
_____________________________________________________________________________________________
Para entrar no gráfico de classificação é necessário calcular o índice de grupo (IG) a que pertence o solo, dado pela Equação 1 (VARGAS, 1977):
(1) Onde:
IG válido entre 0 e 20;
a = porcentagem passante na peneira nº 200 – 35%, válido entre 0 e 40 b = porcentagem passante na peneira nº 200 – 15%, válido entre 0 e 40 c = LL – 40%, válido entre 0 e 20
d = IP – 10%, válido entre 0 e 20
2.3.3 Classificação MCT
Considerando que os sistemas de classificação tradicionais mencionados acima foram desenvolvidos em climas temperados, Nogami e Villibor (1981), desenvolveram a metodologia MCT, específica para os solos tropicais brasileiros. De acordo com Villibor et al. (2009), o método foi desenvolvido a partir do fato de que as metodologias tradicionais apresentavam dificuldades em classificar os solos tropicais a partir apenas dos índices físicos, e da constatação de possibilidade de uso destes solos como bases de pavimentos a partir de seu bom desempenho.
Segundo o DNIT (2006), a metodologia da classificação MCT objetiva avaliar os solos em relação às suas propriedades de contração, permeabilidade, expansão, coeficiente de penetração d’água, coesão, capacidade de suporte e curvas de compactação. De acordo com Pastore e Fontes (1998), tal avaliação se dá a partir da execução de ensaios de compactação com corpos de prova de 50 mm de diâmetro (Mini-MCV) ou de 26 mm (subminiatura) e ensaios de perda de massa por imersão.
No geral, Villibor e Nogami (2009), fomentam que esse tipo de classificação se fundamenta nas propriedades mecânicas e hídricas dos solos tropicais, permitindo separá-los em duas grandes classes: os de comportamento laterítico (L) e os de comportamento não laterítico (N), utilizando o gráfico da Figura 5 para a classificação.
______________________________________________________________________________ Figura 5: Gráfico para classificação MCT
Fonte: Villibor e Nogami (2009, p. 54)
2.4 Reforço dos solos
Para que um solo de determinada região possa ser utilizado em obras de engenharia faz-se necessário por vezes, utilizar de tecnologias que melhorem suas características físicas. Tal melhoria conforme disserta Cardoso (1987), pode ocorrer de duas maneiras: pela alteração de algumas propriedades específicas do solo (melhoramento), ou pela introdução de elementos resistentes que possibilitam ao maciço suportar determinados esforços (reforço).
Segundo Terzaghi, Peck e Mesri (1996), a melhoria do solo se refere a qualquer processo realizado para aumentar sua resistência, diminuir a permeabilidade ou compressibilidade, ou compensar certas propriedades físicas do solo, melhorando sua capacidade de uso na engenharia civil. Os mesmos autores ainda afirmam que o melhoramento é realizado na maioria dos casos por drenagem, compactação ou pré-carregamento, dificilmente sendo utilizados métodos químicos, elétricos ou térmicos, apesar de não ser uma hipótese descartada.
Holtz (2009) alega que o melhor exemplo de desenvolvimento paralelo entre materiais e aplicação construtiva é o reforço de solos. Para Cardoso (1987), define-se como técnica de reforço de solos, toda aquela em que a introdução de elementos resistentes (reforços) previamente analisados, resulte no aumento da capacidade do solo de resistir aos esforços externos e na
_____________________________________________________________________________________________ diminuição da deformabilidade de um maciço. Dentre as diversas técnicas de reforço de solos que não necessite a sua movimentação, as que utilizam da instalação de elementos lineares preenchidos com material mais rígido e mais resistente do que o solo envolvente são consideradas as mais versáteis e economicamente vantajosas (DOMINGUES, 2006).
De acordo Sieira (2003), os solos possuem resistência elevada a esforços de compressão, e baixa resistência a esforços de tração, sendo assim, quando o solo sofre esforços verticais de carregamento ele se deforma verticalmente por compressão e lateralmente por tração. A autora ainda alega que a inserção de um elemento de reforço a uma massa de solo é capaz de limitar as suas deformações laterais conforme demonstrado nas Figuras 6 e 7.
Figura 6: Princípio básico do comportamento do solo sem reforço
Fonte: Abramento (1998)
Figura 7: Princípio básico do comportamento do solo com reforço
______________________________________________________________________________ Para Wheeler (1996), esta restrição de deformações é obtida graças ao desenvolvimento de esforços de tração no elemento de reforço, fazendo com que o solo se mova em relação ao reforço gerando tensões cisalhantes na interface solo/reforço. Essas tensões são absorvidas pelo reforço que as redistribui uniformemente no solo.
Deve-se salientar que a introdução dos reforços não representa um melhoramento significativo das características do solo, como ocorrido nos métodos de tratamento, mas sim a um melhoramento do comportamento global, tornado possível pela transferência de esforços para os elementos de reforço, causando então um efeito essencialmente estrutural, uma vez que a estrutura global do maciço é alterada (CARDOSO, 1987).
2.4.1 Técnicas de reforço de solos utilizadas na Engenharia Geotécnica
Dentre os diversos processos de reforço do solo, o mais pertinente depende principalmente do tipo de solo a ser melhorado e de seu uso (no local ou como preenchimento) (TERZAGHI; PECK; MESRI, 1996). Cardoso (1987), ainda afirma que se deve também considerar a natureza do solo em estudo e o tipo de estrutura, obra ou intervenção a ser executada e partir do mesmo. Partindo desse princípio e considerando que atualmente existem diversas maneiras de empregar reforço aos solos, o autor reuniu as técnicas de reforço mais empregadas e suas aplicações ideais demonstradas na Figura 8.
Figura 8: Características das principais técnicas de reforço de solos Tipo de Reforço Aplicações mais comuns
Estacas Estabilização de taludes naturais e encostas
Colunas de areia ou brita Reforço de fundações em solos moles de estruturas e aterros Microestacas Reforço de Fundações, estabilidade de taludes naturais Terra armada Estruturas de suporte de terras, muros de encontro de pontes Pregagens (Escavações) Contenção das paredes de escavações
Pregagens (Estabilidade de
taludes) Estabilização de taludes naturais e encostas Grelhas Metálicas
Estruturas de Suporte de terras, reforço e drenagem de aterros, e reforço de fundações de aterros, reforço de fundações.
Grelhas Plásticas Membranas Geotêxteis
Fibras Metálicas
Construção de aterros com taludes quase verticais. Fibras Sintéticas
Fio Geotêxtil
_____________________________________________________________________________________________ Para Abrahmento, Erlich e Zirlis (2016), podem-se aplicar diferentes materiais de reforço, desde que atuem de maneira complementar, fazendo com que o solo apresente melhor comportamento mecânico. Os mesmos autores ainda subdividem as técnicas principais de reforço do solo em duas grandes categorias conforme representa a Figura 9.
Figura 9: Subdivisão dos reforços de terreno
Fonte: Adaptado de Abrahmento, Erlich e Zirlis (2016)
2.5 Geossintéticos
Os materiais poliméricos de reforço (geossintéticos) são um subconjunto de um grande desenvolvimento recente dos materiais de engenharia civil. Caracterizam-se por serem produtos fabricados a partir de materiais poliméricos manufaturados ou naturais, sendo utilizados em obras geotécnicas, principalmente no que se refere a solução de problemas geotécnicos, e de proteção ambiental (PALMEIRA, 2018). Baruffi (2017) fomenta que os geossintéticos apresentam-se sob a forma de tiras, mantas ou estruturas tridimensionais, conforme as necessidades específicas.
Há poucas tecnologias que tiveram um crescimento tão rápido e uma forte influência em tantos aspectos da prática da engenharia civil como os geossintéticos (HOLTZ, 2009). Para Palmeira (2018), estes materiais podem ser classificados como: Geobarras, Geotêxteis (não tecido, tecido e tricotado), Geogrelhas (extrudada, soldada e tecida), Geotiras, Geocélulas, Geocompostos (argiloso e para drenagem), Geoespaçadores, Geoexpandidos (Geobloco e geofibra), Geoformas, Georredes, Geomantas, Geomembranas, e Geotubos.
______________________________________________________________________________ O uso de geossintéticos como reforço dos solos busca aumentar a resistência e limitar as deformações do maciço principalmente à tração que este não apresente, além disso, tais produtos tem a capacidade de atuar em mais de uma função concomitantemente (AGUIAR; VERTEMATTI, 2015).
Para Aguiar e Vertematti (2015), as principais funções dos geossintéticos são:
a) controle de erosão superficial – limitar os movimentos de um solo e suas partículas superficiais (talude).
b) filtração - reter solos e/ou partículas a fim de permitir a passagem de um fluido em movimento.
c) drenagem - conduzir e coletar águas pluviais, subterrâneas e outros fluidos. d) proteção – prever ou limitar danos em determinado material ou elemento. e) barreira – prevenir ou limitar a migração de fluidos.
f) separação – prever a mistura de dois materiais de naturezas diferentes como solos ou material de aterro.
g) reforço – melhorar o comportamento mecânico do solo ou de outros materiais de construção.
Em relação à resistência mecânica dos geossintéticos, durante a fase de instalação devem apresentar resistência à tração, à penetração, à perfuração, aos danos de instalação e resistência à abrasão. Já durante a vida útil, estima-se que tais materiais também apresentem resistência à tração, penetração e perfuração, além da resistência ao deslizamento na interface, ao arrancamento e resistência à fluência quando solicitado (SIEIRA, 2003).
2.5.1 Tipos de geossintéticos
Conforme fomenta Holtz (2009), havia cerca de cinco ou seis tipos de geossintéticos disponíveis em 1970, enquanto que atualmente existem mais de 600 produtos geossintéticos diferentes comercializados pelo mundo. Atualmente, os geossintéticos empregados com mais frequência em maciços reforçados são os geotêxteis tecidos e não tecidos, as geogrelhas, as geotiras e os geocompostos resistentes (VERTEMATTI, 2015).
_____________________________________________________________________________________________ A NBR ISO 10318 (ABNT, 2013) apresenta a classificação e definição dos principais tipos de geossintéticos encontrados no mercado, dentre eles estão:
a) Geocélula – estrutura polimérica tridimensional, com forma hexagonal, composta por tiras de geossintéticos conectadas.
b) Geotêxtil – material permeável, têxtil e plano produzido por polímero sintético ou natural. Pode ser dividido em tecido, não tecido, ou tricotado.
c) Geogrelha – malha aberta plana, composta por elementos resistentes à tração, unidos entre si.
d) Geomembrana – também conhecida como barreira geossintética (GBR), é utilizada para prevenir ou limitar a percolação de fluidos, uma vez que possui baixa permeabilidade. Pode ser polimérica, argilosa, betuminosa ou composta.
e) Georrede – elementos paralelos superpostos e interligados com elementos similares em diversos ângulos.
f) Geocomposto – formado pela superposição de materiais onde pelo menos um deles seja geossintético.
g) Geotubo – tubo liso ou corrugado, rígido ou flexível, perfurado ou ranhurado utilizado como elemento condutor e drenante. Conhecido também como tubo dreno geossintético.
h) Geomanta – estrutura permeável, tridimensional composta por elementos interligados. Também conhecida como geofibra.
2.5.2 Geossintéticos aplicados na engenharia geotécnica
Para toda e qualquer obra geotécnica que apresente problemas de ruptura por cisalhamento do solo, destaca-se a necessidade de uso de geossintéticos como elementos de reforço (MACAFERRI, 2013). Obras que necessitam de estruturas de contenção, aterros estaqueados sobre solos moles e obras de reforço de base de pavimentos são casos típicos que necessitam o uso de geossintéticos devido a sua alta resistência (MACAFERRI, 2013). Bueno e Vilar (2015) sintetizam as diferentes funções que cada um dos principais geossintéticos podem exercer na engenharia conforme apresenta a Tabela 1.
______________________________________________________________________________ Tabela 1: Funções dos geossintéticos utilizados nos projetos de Engenharia
Geossintético Separação Proteção Filtração Drenagem Erosão Reforço Impermeabilização
Geotêxtil X X X X X X X Geogrelha X - - - - X - Geomenbranas X - - - X Georrede - X - X - - - Geocompostos argilosos - - - X Geocélula - X - - X X - Geotubo - - - X - - - Geofibras - - - X -
Fonte: Bueno e Vilar (2015 p. 48)
Deve-se considerar que para que os geossintéticos utilizados nas obras apresentem qualidade de desempenho, os fornecedores entreguem produtos conforme as especificações dos projetistas, e os construtores adquiram produtos que atendam tais exigências, e ainda que os projetistas especifiquem quantitativa e qualitativamente os geossintéticos de acordo com as normas técnicas (BUENO; VILAR, 2015).
2.5.3 Geossintéticos aplicados na engenharia de fundações
A falta de experiência em casos práticos torna dificultosa a disseminação do uso de geossintéticos como reforço de fundações diretas no Brasil e no âmbito internacional, apesar de existirem diversos estudos em modelos numéricos e simulações em escala reduzida que apresentam bons resultados em relação a sua implementação (BILFINGER; MELLO, 2015). Palmeira (2018),
Conforme explicitado no item 1.1 deste trabalho que destaca a importância do uso de reforço com geossintéticos em fundações superficiais, Omar et al. (1993), desenvolveram estudos com modelos reduzidos de sapatas apoiadas em areia pura afim de avaliar seus parâmetros geométricos quando reforçada com geossintético. Os autores obtiveram resultados positivos uma vez que o material reforçado apresentou um aumento de quatro vezes em sua capacidade de carga. Já Nataraj et al. (1996), executaram simulações numéricas com dimensões das fundações e quantidade de geossintéticos variáveis, obtendo um ganho de capacidade de carga de 25 a 70%
_____________________________________________________________________________________________ em relação ao solo natural, sendo que os maiores ganhos foram obtidos em fundações de menor dimensão.
Dash, Krishnaswamy e Rajagopal (2001), realizaram um dos maiores estudos em solo reforçado com geocélula, no qual executaram ensaios de placa em escala reduzida e concluíram que: o aumento da densidade proporciona maior capacidade de suporte do solo, geocélulas com tamanhos menores de células apresentam melhores desempenhos de capacidade de suporte, larguras de geocélula maiores que quatro vezes a dimensão da base da fundação representam melhorias insignificantes e a resistência de atrito entre a geocélula e o material de preenchimento aumenta com o aumento da densidade do solo de preenchimento.
Em vista disso, Bilfinger e Mello (2015), salientam a importância do desenvolvimento de estudos a respeito da utilização de fundações reforçadas com geossintéticos, uma vez que, as metodologias de cálculo atuais apresentam-se como conservadoras e pouco realistas.
Em relação a utilização de fundações diretas sobre maciços reforçados, Palmeira (2018), alega que deve-se atentar a alguns aspectos, que são:
apesar de várias pesquisas terem demonstrado aspecto positivo em relação ao elemento de reforço, os resultados obtidos na pratica divergem dos observados em laboratório;
deve-se atentar para a limitação dos recalques ocorrentes e não só para a capacidade de carga de um solo reforçado;
grande parte dos métodos de projeto para a determinação da capacidade de carga de fundações foi desenvolvida para solos não reforçados;
a vida útil do elemento de reforço deve ser pelo menos igual a vida útil da estrutura;
os elementos utilizados como reforço devem ser pouco susceptíveis a fluência. 2.6 Geocélula
As geocélulas foram desenvolvidas no final da década de 1970 e início da década de 1980 para o suporte de veículos militares em solos de subleito fraco (ZORNBERG; CHRISTOPHER, 2007). Esse tipo de geossintético pode ser definido como uma estrutura tridimensional,
______________________________________________________________________________ permeável e polimérica (sintética ou natural), apresentando um aspecto semelhante a um favo de mel ou rede, composta a partir de tiras de geotêxteis, geogrelhas, ou geomembranas, conectadas alternadamente e usadas em contato com solos, rochas, ou algum material geotécnico nas aplicações da engenharia civil, conforme apresentado na Figura 10 (IGS, 2009). De acordo com Baruffi (2017), o uso de geocélulas encontra-se em crescimento no mercado brasileiro, uma vez que apresenta formas e composições variadas além de rápido processo de fabricação.
Figura 10: Modelo de geocélula instalada
Fonte: Vertical Green do Brasil (2018)
O referido material foi elaborado com a intenção principal de aumentar a capacidade de suporte de solos com pouca resistência (AVESANI NETO; BUENO, 2010). Para Koerner (1999), a geocélula tem como princípio de funcionamento a resistência criada pelo confinamento lateral de um carregamento e pelo atrito das paredes das células com o material de enchimento, impossibilitando a ruptura por cisalhamento e o movimento lateral dos materiais.
De acordo com Baruffi (2017), as geocélulas podem ser encontradas em diferentes características no mercado atual, diversificando-se de acordo com o fabricante e a finalidade a que se destinam, sofrendo variação quanto à composição do material, tipo da união das tiras, formato e dimensão das células.
A altura das geocélulas pode variar entre 50, 75, 100, 150 e 200 mm, e sua área normalmente encontra-se próxima de 300 cm² (FERNANDES, 2012). Elas são geralmente compostas de Polietileno (PE), Polietileno de Alta Densidade (PEAD), Polipropileno (PP) ou
