MONITORAÇÃO DE UMA ESCAVAÇÃO GRAMPEADA COM FACE RÍGIDA REALIZADA EM ATERRO RODOVIÁRIO
Filipe Meana da Silva
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Maurício Ehrlich
Rio de Janeiro Julho de 2015
MONITORAÇÃO DE UMA ESCAVAÇÃO GRAMPEADA COM FACE RÍGIDA REALIZADA EM ATERRO RODOVIÁRIO
Filipe Meana da Silva
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Maurício Ehrlich, D.Sc
________________________________________________
Prof. Mario Vicente Riccio Filho, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Marcos Barreto de Mendonça, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Rogério Luiz Feijó, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JULHO DE 2015
iii Silva, Filipe Meana da
Monitoração de uma Escavação Grampeada com Face Rígida Realizada em Aterro Rodoviário / Filipe Meana da Silva. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2015.
XVII, 147 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Maurício Ehrlich
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2015.
Referências Bibliográficas: p. 123-131.
1. Solo Grampeado. 2. Instrumentação. 3.
Monitoração. I. Ehrlich, Maurício. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título.
iv Aos meus amados pais, Eliésio e Fátima.
À minha amada esposa, Aline.
Em especial à minha filha, Giovanna.
v AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, pois sem a sua presença certamente não alcançaria esse objetivo.
Ao professor Maurício Ehrlich pela orientação, dedicação e confiabilidade oferecida no desenvolvimento deste trabalho e pelos bons anos de convivência.
Ao Engenheiro Rafael Cerqueira da Silva pela amizade, apoio e coorientação oferecida na realização dessa pesquisa.
Aos membros da banca examinadora pela avaliação do trabalho, professores Mario Riccio Filho, Marcos Barreto de Mendonça e Rogério Luiz Feijó.
Aos professores do curso de mestrado por compartilhar seus conhecimentos:
Anna Laura Nunes, Fernando Danziger, Francisco Lopes, Ian Schumann, Leonardo Becker, Márcio Almeida, Maria Claudia, Maurício Ehrlich, e Willy Lacerda.
À empresa Consulte Consultores de Engenharia Ltda. na pessoa do Engenheiro Paulo Emílio dos Santos Queiroz pela experiência profissional transmitida, incentivo e oportunidade oferecida para a realização do curso e pesquisa de Mestrado.
Aos colegas de trabalho pela compreensão da minha ausência e apoio durante esses anos de estudo.
À empresa Consengeo Consultores de Engenharia e Geotecnia Ltda na pessoa do Engenheiro Carlo Alberto Ramim Reis pela disponibilização dos materiais para a realização dos ensaios de calibração das barras e também pelo apoio logístico.
À empresa Solotrat na pessoa dos Engenheiros George Joaquim Teles de Souza e Ricardo Brendolan pela contribuição dada durante a execução dos grampos e apoio na execução dos ensaios de arrancamento.
À construtora Europa nas pessoas de Carlos Eduardo Manera e Paulo Cézar da Silva pela disponibilização do espaço e apoio sempre presente durante os serviços de monitoração realizados em campo.
Ao acadêmico Cid Dieguez pelo apoio dado durante os serviços referentes à instrumentação desde a preparação das barras até o processamento dos dados. Pela amizade adquirida e dedicação demonstrada durante estes anos de convivência.
Ao Engenheiro Thiago Duarte Gisbert Campos pelo apoio na realização dos ensaios realizados em laboratório.
Ao Engenheiro Douglas Pereira da Costa pelo apoio na organização e formatação da dissertação.
Ao corpo técnico e administrativo do PEC da COPPE/UFRJ.
À equipe da secretaria do Laboratório de Geotecnia, Alice e Márcia.
vi Aos colegas do curso de mestrado em Geotecnia da COPPE da turma de 2012.
Aos amigos geotécnicos Alcino, Hugo, Janssen e Will pela boa convivência e parceria durante esses anos de estudo.
Aos amigos que sempre me apoiaram e compreenderam minha ausência durante esse período de estudo.
Aos meus irmãos Eliésio Júnior e Rodrigo.
À minha família.
vii Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
MONITORAÇÃO DE UMA ESCAVAÇÃO GRAMPEADA COM FACE RÍGIDA REALIZADA EM ATERRO RODOVIÁRIO
Filipe Meana da Silva
Junho/2015
Orientador: Maurício Ehrlich
Programa: Engenharia Civil
Apresentam-se, resultados e análises do comportamento de uma escavação grampeada executada numa das saias de um aterro rodoviário localizado em Juiz de Fora/MG. A escavação foi realizada em etapas, de forma descendente e altura variável, onde o ponto mais alto alcançou aproximadamente 14 m e o ponto mais baixo 6 m numa extensão total de 66 m. Foram monitorados, através de “strain gages”, os esforços axiais nos grampos durante as fases de escavação e serviço.
Os resultados da monitoração demonstram que o maciço encontra-se afastado da ruptura. Os esforços de tração medidos nos grampos, em geral, se apresentaram baixos. Ensaios de arrancamento também foram realizados em grampos especificamente construídos para tal. Os mesmos foram inseridos em pontos distintos no maciço e possibilitaram a avaliação do atrito entre solo e calda de cimento.
Utilizando análise simples, fundamentada na teoria de Rankine, e utilizando os parâmetros determinados através de ensaios realizados em laboratório, pôde-se verificar a estabilidade interna da estrutura grampeada e cotejar resultados medidos e calculados.
viii Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
MONITORING OF AN EXCAVATION IN REINFORCED SOIL NAILING ON A ROAD EMBANKMENT WITH STIFF FACE
Filipe Meana da Silva
June/2015
Advisor: Maurício Ehrlich
Department: Civil Engineering
This study presents the results and analysis of a soil nail excavation which slope a road embankment located in Juiz de Fora City in Minas Gerais, Brazil. The excavation was performed in stages, downwards and variable in height, where the highest point reached approximately 14 m and the lowest point 6 m, with a distance of 66 m. Axial nail forces were monitored using “strain gages” during the excavation and service phases.
Results showed that the slope is far from rupture. The measured traction forces in the nails were, in general, low. Pull-out tests were also performed on specific nails that were installed for this purpose, only. They were installed at different points of the soil mass in order to evaluate the friction between the soil and grout.
Using simple analysis, based on the Rankine theory and parameters determined by laboratory tests, it was possible to check the internal stability of the soil nailing structure, and present all the measured and calculated results.
ix SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO... 1
1.1 MOTIVAÇÃO PARA DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ... 1
1.2 OBJETIVOS ... 1
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 2
2. SOBRE SOLOS GRAMPEADOS ... 3
2.1 INTRODUÇÃO ... 3
2.2 CONCEITUAÇÕES SOBRE SOLOS GRAMPEADOS ... 3
2.3 HISTORICO DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO ... 4
2.4 A TÉCNICA DE EXECUÇÃO DE SOLO GRAMPEADO ... 6
2.4.1 ESCAVAÇÃO ... 7
2.4.2 EXECUÇÃO DOS REFORÇOS (GRAMPOS) ... 10
2.4.3 CONEXÃO DO REFORÇO A FACE ... 12
2.4.4 REVESTIMENTO DA FACE ... 13
2.4.5 SISTEMA DE DRENAGEM ... 13
2.5 COMPARAÇÃO COM OUTRAS TÉCNICAS DE ESTABILIZAÇÃO... 16
2.5.1 SOLO GRAMPEADO E MICRO-ESTACAS ... 16
2.5.2 SOLO GRAMPEADO E MUROS DE SOLO REFORÇADO ... 16
2.5.3 SOLO GRAMPEADO E CORTINA ANCORADA ... 18
2.6 CRITÉRIOS PARA APLICAÇÃO DO SOLO GRAMPEADO ... 20
2.6.1 VANTAGENS DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO ... 20
2.6.2 LIMITAÇÕES DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO ... 21
3. COMPORTAMENTO GEOMECÂNICO DE ESTRUTURAS DE SOLO GRAMPEADO ... 23
3.1 INTERAÇÃO SOLO-GRAMPO ... 23
3.1.1 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DA INTERFACE ENTRE O SOLO E O GRAMPO ... 23
3.2 DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO MÁXIMA DA INTERFACE SOLO-GRAMPO ... 33
x
3.2.1 ENSAIO DE ARRANCAMENTO ... 33
3.2.2 PREVISÃO DA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO MÁXIMA DA INTERFACE SOLO GRAMPO ... 37
3.3 MECANISMO E COMPORTAMENTO DOS SOLOS GRAMPEADOS ... 41
3.3.1 DISTRIBUIÇÃO DAS TENSÕES NOS GRAMPOS ... 42
3.3.2 RIGIDEZ DOS GRAMPOS ... 46
3.3.3 INCLINAÇÃO DOS TALUDES GRAMPEADOS ... 49
3.3.4 DESLOCAMENTOS E DEFORMAÇÕES NOS SOLOS GRAMPEADOS 50 3.3.5 FACEAMENTO NOS SOLOS GRAMPEADOS ... 53
3.4 TIPOS DE RUPTURAS DOS SOLOS GRAMPEADOS ... 55
3.5 TENSÕES MOBILIZADAS NOS GRAMPOS ... 59
4. MÉTODOS DE ANÁLISE DE ESTRUTURAS DE SOLO GRAMPEADO ... 60
4.1 APLICAÇÃO DAS TEORIAS DE COULOMB E RANKINE ... 62
4.2 METODO DE DAVIS ... 65
4.3 METODO FRANCES – MULTICRITÉRIO ... 68
4.4 METODO ALEMÃO ... 72
4.5 OUTROS MODELOS E METODOS DE DIMENSIONAMENTO ... 74
4.6 CONSIDERAÇÕES QUANTO AOS MÉTODOS APRESENTADOS ... 75
5. O MURO EM SOLO GRAMPEADO DE JUIZ DE FORA/MG ... 77
5.1 INTRODUÇÃO ... 77
5.2 LOCALIZAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL ... 77
5.3 SOLUÇÃO ADOTADA PARA A ESTABILIZAÇÃO DA ESCAVAÇÃO... 78
5.4 INSTRUMENTAÇÃO ... 82
5.4.1 PREPARAÇÃO DAS BARRAS ... 84
5.4.2 CALIBRAÇÃO, TRANSPORTE E INSTALAÇÃO DAS BARRAS ... 87
5.4.3 INSTALAÇÃO DOS GRAMPOS ... 90
6. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS... 93
6.1 INTRODUÇÃO ... 93
6.2 ENSAIOS DE SOLOS ... 93
xi
6.2.1 CARACTERIZAÇÃO ... 93
6.2.2 LIMITE DE LIQUIDEZ ... 95
6.2.3 LIMITE DE PLASTICIDADE ... 97
6.2.4 ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DRENADO(TRIAXIAL) ... 97
6.2.5 ENSAIO DE PAPEL FILTRO ... 100
6.2.6 RESULTADO DOS ENSAIOS ... 103
6.3 ENSAIOS DE ARRANCAMENTO ... 111
6.4 ESFORÇOS AXIAIS NOS GRAMPOS ... 115
6.5 ANÁLISES DE ESTABILIDADE DO MURO ... 120
7. CONCLUSÕES... 122
7.1 QUANTO À INSTRUMENTAÇÃO EXTENSOMÉTRICA ... 122
7.2 QUANTO AOS ENSAIOS EM LABORATÓRIO ... 122
7.3 QUANTO AOS ENSAIOS DE ARRANCAMENTO ... 122
7.4 QUANTO ÀS BARRAS INSTRUMENTADAS ... 123
7.5 SUGESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS ... 124
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 125
APÊNDICE A ... 134
APÊNDICE B ... 147
xii LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Métodos convencional e NATM para execução de túneis (CLOUTERRE,1991). ... 4 Figura 2.2 - Talude de corte em solo grampeado - Versailles, França (1972) (CLOUTERRE, 1991). ... 5 Figura 2.3 - Fases de construção do solo grampeado (CLOUTERRE,1991). ... 7 Figura 2.4 - Esquema de escavação em nichos (adaptado de LAZARTE et al. ,2003). 8 Figura 2.5 - Esquema de escavação com utilização de berma provisória (CLOUTERRE,1991). ... 9 Figura 2.6 - Aplicação concreto projetado de proteção (CLOUTERRE,1991). ... 10 Figura 2.7 - Tipos de cabeças para grampos (GEORIO, 2014): (a) embutida na face por meio de dobra no aço; (b) fixada por placa metálica, rosca e porca; (c) feixe de barras embutido na face por dobra (DIASet al., 2006); (d) sem cabeça (EHRLICH, 2003); e (e) com manta vegetal, tela, placa e porca (SILVA, 2010). ... 12 Figura 2.8 - a) Estabilização de um talude por drenagem profunda; b) Detalhe de um dreno sub-horizontal profundo (DHP), (CARVALHO et al., 1991). ... 14 Figura 2.9 - Indicação dos diversos dispositivos de um sistema de drenagem superficial, (CARVALHOet al., 1991). ... 15 Figura 2.10 - Comparação entre solo grampeado e estaca raiz (MITCHELL &
VILLET,1987)... 16 Figura 2.11 - Comparação entre deslocamentos horizontais máximos: (a) solo grampeado e; muros de solos reforçados (b) mal compactados ou de grande altura e (c)bem compactados. ... 17 Figura 2.12 - Comparação entre as técnicas de estabilização solo grampeado x cortina ancorada(MITCHELL & VILLET,1987). ... 19 Figura 2.13 - Estabilização do talude com contenção mista para minimizar os deslocamentos em função do gasoduto (CLOUTERRE,1991). ... 21 Figura 3.1 - Pressão passiva de solo ao longo do grampo em estruturas de solo grampeado (SHEAHAN e ALVARDO, 1996)... 23 Figura 3.2 - Aumento da tensão normal devido ao efeito da dilatância no entorno do reforço solicitado por tração (CLOUTERRE, 1991). ... 26 Figura 3.3 - Deslocamentos horizontais monitorados em estrutura de solo grampeado (CLOUTERRE, 1991). ... 27 Figura 3.4 - Influência do teor de umidade em ensaios de arrancamento realizados em aterro composto por material granular argiloso (SCHLOSSER, 1982). ... 28
xiii Figura 3.5 - Resumo do comparativo da resistência ao arrancamento de grampos em função da reinjeção (PITTA et al., 2003). ... 31 Figura 3.6 - Efeito da orientação dos grampos sobre a resistência ao cisalhamento do solo (JEWELL, 1980). ... 33 Figura 3.7 - Critério de paralisação do Ensaio de Arrancamento: Força Máxima e Estabilização do deslocamento (CLOUTERRE, 1991). ... 34 Figura 3.8 - Esquemático para realização de ensaios de arrancamento (FEIJÓ E EHRLICH,2001). ... 36 Figura 3.9 - Correlação entre resistência ao arranchamento qs e pressão limite de Ménard pl para solos arenosos (CLOUTERRE, 1991). ... 38 Figura 3.10 - Correlação entre resistência ao arrancamento qs e pressão limite de Ménard pl para solos argilosos (CLOUTERRE, 1991). ... 38 Figura 3.11 - Correlação entre resistência ao arranchamento qs, pressão limite de Ménard pl e número de golpes NSPT para areias (BUSTAMANTE e DOIX, 1985). ... 39 Figura 3.12 - Correlação entre resistência ao arrancamento qs, pressão limite de Ménard pl e número de golpes NSPT para argilas e siltes (BUSTAMANTE e DOIX, 1985). ... 39 Figura 3.13 - Correlação entre resistência ao arrancamento qs e o índice de resistência à penetração NSPT(GEORIO,2000)... 40 Figura 3.14 - Mecanismo de estabilização (MITCHELL & VILLET,1987). ... 42 Figura 3.15 - Distribuição das forças axiais e deslocamentos horizontais de uma escavação grampeada (LAZARTE et al.,2003). ... 43 Figura 3.16 - Distribuição simplificada das forças axiais e deslocamentos horizontais de uma escavação com grampos (LAZARTE et al.,2003). ... 44 Figura 3.17 - Monitoração do grampo 3 durante o avanço da escavação com grampos (CLOUTERRE, 1991). ... 45 Figura 3.18 - Efeito da rigidez dos reforços nas tensões e deformações mobilizadas(MITCHELL & VILLET, 1987). ... 46 Figura 3.19 - Influência da rigidez do grampo nas deformações e tensões mobilizadas (EHRLICH, 2003). ... 47 Figura 3.20 - Simulação numérica escavação em solo grampeado (EHRLICH et al., 1996). ... 48 Figura 3.21 -Importância da face: (a) Talude vertical; (b) Talude com inclinação suave (EHRLICH, 2003). ... 49 Figura 3.22 -Esforços mobilizados em grampos ortogonais à superfície de rotura, empuxo passivo e tração mobilizada nas inclusões (FEIJÓ, 2007). ... 50 Figura 3.23 -Deformações no solo grampeado (CLOUTERRE, 1991). ... 51
xiv Figura 3.24 -Deslocamentos no topo da face de muros instrumentados (CLOUTERRE, 1991). ... 52 Figura 3.25 - Deslocamentos horizontais na face de paredes de solo grampeado (CLOUTERRE, 1991). ... 52 Figura 3.26 - Influência da rigidez da face: (a) deslocamento horizontal da face; (b) força axial no grampo; e (c) momentos fletores (EHRLICH et al., 1996). ... 54 Figura 3.27 - Diferentes tipos de rupturas que podem ocorrer nas estruturas de solo grampeado: (a) interna, (b) externa e (c) mista (CLOUTERRE, 1991). ... 55 Figura 3.28 - Construção de estrutura grampeada próxima ao fator de segurança unitário com redução da coesão aparente até a ruptura (CLOUTERRE, 1991). ... 56 Figura 3.29 - Forma deformada do solo grampeado Eparris Wall (1980) após a ruptura por arrancamento dos grampos (CLOUTERRE, 1991). ... 57 Figura 3.30 - Ruptura induzida através da redução gradual do comprimento dos grampos (CLOUTERRE, 1991). ... 57 Figura 3.31 - Efeito do arqueamento no solo grampeado observado no programa de monitoração do projeto CLOUTERRE (1991): (a) condição estável, (b) estabilidade limite e (c) colapso da estrutura. ... 58 Figura 3.32 - Estado de tensões no solo de uma estrutura grampeada, comparação entre as condições de repouso (k0) e (ka): (a) e (b) obras monitoradas (CARTIER e GIGAN, 1983 e CLOUTERRE, 1991); (c) monitoração de modelos em escala reduzida (CLOUTERRE, 1991) e (d) modelagem numérica (CLOUTERRE, 1991). ... 59 Figura 4.1 - Equilíbrio externo (EHRLICH, 2003). ... 60 Figura 4.2 -Força máxima mobilizada no grampo (EHRLICH, 2003). ... 61 Figura 4.3 - Análise de estabilidade de uma estrutura de solo grampeado fundamentada na teoria de Coulomb (LAZARTE et al., 2003). ... 63 Figura 4.4 - Esquema e polígono de forças utilizado pelo método do equilíbrio limite baseado na teoria de Coulomb (SILVA, 2010. Adaptado de BYRNE et al., 1998). ... 64 Figura 4.5 - Superfície de rotura adotada por SHEN et al. (1981) apud FEIJÓ (2007).65 Figura 4.6 - Diagrama considerando parte da superfície de ruptura passando atrás da massa reforçada (SHEN et al., 1981). ... 66 Figura 4.7 - Desenho esquemático da interação normal solo-reforço. Desenvolvimento dos esforços cisalhantes e fletores (SCHLOSSER, 1983). ... 69 Figura 4.8 - Aplicação do princípio do trabalho máximo e do critério de ruptura de Tresca (SCHLOSSER, 1983). ... 71 Figura 4.9 - Natureza dos esforços função do ângulo entre o reforço e a superfície de ruptura (SCHLOSSER, 1983). ... 72 Figura 4.10 - Mecanismo de ruptura proposto por GASSLER & GUDEHUS (1981). ... 73
xv Figura 4.11 - Polígono de forças atuante na massa de solo reforçada (GASSLER &
GUDEHUS, 1981). ... 74
Figura 5.1 - Imagem aérea com a localização da obra em destaque. ... 77
Figura 5.2 - Vista panorâmica do local da obra durante o inicio do processo de escavação. ... 78
Figura 5.3 - Seção típica de projeto com o sistema de contenção empregado... 79
Figura 5.4 - Instalação dos drenos de paramento tipo PVD ou fibroquímico. ... 80
Figura 5.5 - Vista frontal do projeto. Em destaque, seção instrumentada. Cotas em metros. ... 81
Figura 5.6 - Vista frontal ampliada da seção instrumentada. Cotas em metros. ... 82
Figura 5.7 - Locação dos pontos instrumentados na seção de projeto. ... 84
Figura 5.8 - Esquema de ligação em ponte completa de Wheatstone. ... 85
Figura 5.9 - Fases de montagem de um dos pontos instrumentados: (a) colagem do “strain gage”, (b) ligação do circuito elétrico e fixação dos cabos, (c) proteção do sistema com tubo flexível e fita isolante líquida e (d) vedação do sistema. ... 86
Figura 5.10 - Detalhe dos conectores devidamente instalados prontos para utilização. ... 87
Figura 5.11 - Célula de carga com capacidade de 200kN, sem e com proteção (SILVA, 2010). ... 87
Figura 5.12 - Curva de calibração encontrada durante o ensaio de calibração da célula de carga. ... 88
Figura 5.13 - Arranjo empregado para executar a calibração das seis barras em estudo. ... 89
Figura 5.14–Registros fotográficos realização do ensaio de calibração:(a) vista em detalhe da célula de carga acoplada durante o ensaio; (b) aparelhos utilizados para aquisição dos dados; (c) vista geral do sistema empregado durante o processo de calibração e (d) corte e desbaste do tubo de reação para montagem do sistema. ... 89
Figura 5.15 - Vista em detalhe das barras acomodadas para transporte até a obra. .. 90
Figura 5.16 - Disposição das mangueiras de injeção ao longo do grampo (PITTA et al., 2013). ... 91
Figura 5.17- Sequência ilustrativa do procedimento de injeção setorizada (PITTA et al., 2013). ... 92
Figura 5.18 - Etapas de instalação das barras: (a) instalação dos tubos de injeção, (b) inserção da barra do grampo G 259, (c) leitura e aquisição dos dados através da fonte e multímetro e (d) indicação do posicionamento dos grampos instrumentados. ... 92
Figura 6.1 - Aparelho dispersor. ... 94
Figura 6.2 - Proveta contendo solo fino, água destilada e defloculante. ... 94
xvi
Figura 6.3 - Cápsula de porcelana contendo o material removido pela espátula. ... 95
Figura 6.4 - Concha com material centralizado. ... 96
Figura 6.5 - Cinzel(1); Espátula(2). ... 96
Figura 6.6 - Paralelepípedo de solo indeformado. ... 98
Figura 6.7 - Corpo de prova moldado. ... 98
Figura 6.8 - Conjunto levado para a câmara do triaxial; Pedra porosa e papel filtro (1); Papel filtro radial (2); Top-cap (3); Camisa de látex (4). ... 99
Figura 6.9 - Câmara triaxial montada e posicionada na prensa. ... 100
Figura 6.10 - Corpos de prova rompidos depois de secos. ... 100
Figura 6.11 - Corpos de prova colocados em uma bandeja para saturação. ... 101
Figura 6.12 - Curva de caracterização. ... 103
Figura 6.13 - Número de golpes versus Umidade (%). ... 104
Figura 6.14 - Classificação do solo. ... 105
Figura 6.15 - Tensão desvio versus deformação axial. ... 107
Figura 6.16 - Deformação volumétrica versus deformação axial. ... 107
Figura 6.17 - Caminho de tensões. ... 109
Figura 6.18 - Envoltória de resistência ao cisalhamento. ... 110
Figura 6.19 - Curva característica do solo pela equação de Van Genuchten. ... 111
Figura 6.20 - Vista frontal com destaque para os grampos ensaiados. ... 112
Figura 6.21 - Aferição de deslocamentos no Ensaio de Arrancamento 3. ... 113
Figura 6.22 - Curva carga vs. deslocamento, Ensaio de Arrancamento 1. ... 113
Figura 6.23 - Curva carga vs. deslocamento, Ensaio de Arrancamento 2. ... 114
Figura 6.24 - Curva carga vs. deslocamento, Ensaio de Arrancamento 3. ... 114
Figura 6.25 - Atrito de contato solo nata de cimento versus deslocamento da extremidade do grampo. ... 115
Figura 6.26 - Evolução da distribuição dos esforços normais nos grampos da seção instrumentada. ... 116
Figura 6.27 - Tração máxima mobilizada nos grampos divido pelo espaçamento dos grampos, Tmáx/SvSh, em relação à profundidade ao final da escavação (26/04/14) e 17 dias após o término da obra. ... 118
Figura 6.28 - Posição Tmáx versus Profundidade. ... 119
Figura 6.29 - Somatório dos esforços axiais monitorados junto à face, T0, e das tensões máximas mobilizadas, Tmáx, com a evolução da obra. ... 119
xvii LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Comparação de aumento da resistência ao arrancamento considerando
os diversos processos de injeção (SOUZA et al., 2005). ... 30
Tabela 3.2 - Valores típicos de k, de deslocamentos verticais e horizontais máximos, baseadosem resultados empíricos (CLOUTERRE, 1991). ... 52
Tabela 3.3 - Importância da rigidez da face nas movimentações da face e nas tensões atuantes nos grampos (θ = 20º) (EHRLICH, 2003). ... 54
Tabela 4.1 - Compilação de sumários dos métodos de análise para solos grampeados elaboradas por JURAN et al., 1991; ORTIGÃO & PALMEIRA., 1992; ABRAMENTO et al., 1998; SCHAEFER et al., 1997; MONTEZUMA, 1998; CAMARGO,2005; SPRINGER, 2006; LIMA, 2007 e FEIJÓ, 2007.(SILVA, 2010). ... 75
Tabela 5.1 - Posicionamento dos pontos de instrumentação. ... 83
Tabela 5.2 - Especificações dos extensômetros utilizados... 86
Tabela 5.3 - Histórico da progressão da execução dos grampos instrumentados. ... 91
Tabela 6.1 - Composição granulométrica. ... 104
Tabela 6.2 - Relação entre numero de golpes e umidade. ... 104
Tabela 6.3 - Umidade do limite de plasticidade. ... 105
Tabela 6.4 - Índices físicos dos corpos de prova. ... 106
Tabela 6.5 - Resultados do ensaio de papel filtro. ... 110
Tabela 6.6 - Características dos grampos ensaiados e resultados encontrados. ... 112
Tabela 6.7 - Fator de segurança (FS) referente ao arrancamento dos grampos. ... 120
Tabela 6.8 - Análises de estabilidade externa (CAMPOS, 2015). ... 121
1 1. INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO PARA DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
É notório o crescimento do uso de grampeamento do solo para a estabilização de taludes e escavações. No Brasil utilizam-se as terminologias "solo grampeado" e com menos frequência "solo pregado", termos oriundos de "soil nailling", no inglês, e "sol cloué", no francês. O emprego crescente da técnica pode ser explicado principalmente devido ao seu baixo custo, versatilidade de adaptação às geometrias variadas e alta velocidade de execução (MITCHEL & VILLET, 1987).
Visando ganho na produtividade, recentemente, algumas empresas vêm adotando a execução de elementos verticais, previamente à escavação junto ao alinhamento da contenção. Estes elementos, normalmente, tem o espaçamento seguindo o dos grampos e são estruturalmente similares a estes, e apresentam comprimento mínimo igual à altura de escavação acrescido de 1,0m. Tal procedimento confere à estrutura grampeada maior rigidez junto à face.
Apesar do largo emprego desta técnica em nosso país, um número ainda reduzido de pesquisas foram realizadas sobre o método de execução em si e sobre o desempenho a curto e longo prazo de estruturas em solo grampeado. Estudos científicos referentes à utilização da técnica podem auxiliar na compreensão dos mecanismos envolvidos, e um maior desenvolvimento das práticas de projeto e execução, contribuindo para implantações mais otimizadas e seguras.
1.2 OBJETIVOS
Monitorou-se nesta pesquisa uma seção completa de uma estrutura em solo grampeado, na qual foram adotados elementos verticais junto à face. A monitoração deu-se num período de 8 meses, contemplando as fases executiva e posteriores à execução, incluindo períodos secos e chuvosos. Teve-se por objetivo o melhor entendimento dos mecanismos envolvidos neste tipo de estrutura de contenção.
2 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
No capítulo 1 é apresentada uma introdução geral sobre o assunto, a motivação para o desenvolvimento da pesquisa, incluindo objetivos e a organização do trabalho.
Nos capítulos 2, 3 e 4 tem-se a revisão bibliográfica e são apresentadas conceituações sobre a técnica, histórico, mecanismos e comportamento, bem como os métodos clássicos de dimensionamento.
No capítulo 5, descreve-se a metodologia e equipamentos empregados na instrumentação e calibração dos grampos.
No capítulo 6 apresentam-se os resultados de ensaios de solo, de arrancamento dos grampos, da monitoração e análises efetuadas.
As conclusões, comentários e sugestões para futuros trabalhos estão indicados no capítulo 7.
3 2. SOBRE SOLOS GRAMPEADOS
2.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo apresenta-se a conceituação sobre solos grampeados, histórico e técnicas de execução. Inclui-se também a comparação com outras técnicas de estabilização, critérios para sua aplicação bem como suas vantagens e limitações.
2.2 CONCEITUAÇÕES SOBRE SOLOS GRAMPEADOS
O solo grampeado é um método utilizado para contenção e estabilização de taludes que consiste na inclusão de reforços em encostas e escavações. Para proteção da face utiliza-se comumente concreto projetado sobre tela metálica, concreto com fibra ou simples proteção vegetal. Esses reforços, denominados grampos, são elementos resistentes à flexão composta introduzidos dentro do maciço de solo.
Encontram-se na literatura algumas definições para a técnica. A norma de estabilidade de encostas, ABNT NBR 11682 (2009), define o grampo como:
“Elemento de reforço do terreno constituído de perfuração preenchida com calda de cimento, ou argamassa, compósito ou outro aglutinante e elemento resistente à tração/cisalhamento. Tem a finalidade de distribuir cargas ao longo de todo o seu comprimento, interagindo com o terreno circunvizinho, podendo parte da carga mobilizada ser absorvida pela cabeça. A mobilização de carga no grampo é induzida pela deformação do terreno...". “Diferem dos tirantes, conforme descrito na ABNT NBR 5629, por não apresentarem trecho livre e serem passivos.”
EHRLICH (2003) define solo grampeado como segue: “O solo grampeado consiste no reforço do terreno natural. Os reforços comumente são barras de aço protegidas por argamassa em furos pré-abertos. A argamassa é injetada por gravidade, aderida à barra ao longo de todo o comprimento e o grampo não é protendido. Em obras provisórias as barras podem ser simplesmente cravadas sem a proteção de argamassa. Em geral, a execução da escavação se processa em etapas, vertical e horizontalmente, minimizando os movimentos, que normalmente apresentam-se inferiores a 0,2% a 0,3% da altura da escavação. A face tem função secundária na estabilização, compreendendo basicamente em evitar roturas localizadas e garantir o controle dos processos erosivos. Comumente o faceamento é
4 efetuado em concreto projetado reforçado com malha metálica. Cobertura vegetal vem também sendo adotada em taludes menos íngremes.”
2.3 HISTORICO DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO
As técnicas de reforço in situ surgiram junto com a necessidade de se promover a estabilização das paredes de escavação em rocha, realizadas para a exploração de minérios sendo inicialmente limitada à Engenharia de Minas. Com a introdução dos grampos, minimizavam-se a ocorrência de desplacamentos e a propagação das descontinuidades existentes no maciço rochoso, conferindo ao mesmo, características de um bloco monolítico. A partir de 1960, o New Austrian Tunneling Method (NATM) surgiu como um sistema aplicado em materiais rochosos, que combinava revestimento flexível de concreto projetado com ancoragens passivas (barras de aço) envolvidas por material ligante. O método NATM permite que o terreno se deforme, criando uma região plastificada no entorno da escavação. Para estabilizar o maciço, após a escavação, são aplicados um revestimento flexível de concreto projetado, uma tela metálica e chumbadores curtos radiais na zona plastificada (Figura 2.1). Este revestimento estará, portanto, sujeito a uma carga reduzida, face às deformações já mobilizadas. Entretanto, no método convencional de execução de túneis (Figura 2.1), os deslocamentos do terreno são impedidos por um revestimento rígido que mobiliza, no maciço, esforços muito maiores e se apresenta como uma solução mais onerosa. Assim, pode-se afirmar que uma escavação executada com solo grampeado está para execução de túneis com revestimento flexível assim como a solução convencional de túneis se compara a uma cortina ancorada (GEORIO, 2000).
Figura 2.1 - Métodos convencional e NATM para execução de túneis (CLOUTERRE,1991).
5 A partir da experiência adquirida em rochas duras, o sistema foi empregado em materiais menos resistentes, tais como rochas brandas e posteriormente em solos (siltes, pedregulhos e areais) com o nome em inglês “soil nailing” que se traduz como solo pregado ou grampeado.
A primeira aplicação da técnica em solos ocorreu em Frankfurt no ano de 1970 para a estabilização de uma escavação de um túnel de metrô com pequena seção transversal. Na França, foi utilizado pioneiramente no ano de 1972, onde foi realizada a estabilização de um talude ferroviário próximo a Versailles (Figura 2.2). O sucesso da obra viabilizou a execução de outros projetos de estabilização de taludes e escavações tanto em obras permanentes quanto temporárias. A utilização desta técnica crescia junto com a necessidade de se obter um maior conhecimento em relação ao seu comportamento. Assim, em 1979, houve um simpósio em Paris sobre solos grampeados, o qual permitiu a troca de opiniões e experiências, proporcionando um grande avanço para o desenvolvimento da técnica. Era evidente, na época, que a França dominava os conhecimentos teóricos e práticos em relação à técnica de solo grampeado. No entanto, ainda existiam algumas dificuldades, entre as quais podemos citar: a divulgação da técnica, o desenvolvimento da metodologia de projetos confiáveis e o estudo do seu comportamento com o tempo. Assim, em 1986, a França lançou um programa de pesquisa denominado “Clouterre”. O programa consistiu na construção, instrumentação e monitoração de estruturas de solo grampeado em escala real. A ideia do programa era buscar um melhor entendimento do comportamento desse tipo de estrutura. Os resultados desta pesquisa foram apresentados no livro “Recommendations Clouterre”, publicado em 1991. Tal obra tornou-se referência mundial para a comunidade de engenharia interessada neste sistema de contenção.
Figura 2.2 - Talude de corte em solo grampeado - Versailles, França (1972) (CLOUTERRE, 1991).
6 Na Alemanha Ocidental, o desenvolvimento da técnica se iniciou em 1975 quando ocorreu uma associação entre empresas, universidades e o ministério de pesquisa e tecnologia. Num período de quatro anos foram construídas e monitoradas oito estruturas de solo grampeado em escala real analisadas por STOCKER et al.
(1979). Em 1976, o sistema foi empregado pela primeira vez nos Estados Unidos, durante as escavações para a construção de um Hospital na cidade de Portland no estado do Oregon. A Universidade da Califórnia realizou um programa de pesquisas em que foram ensaiados protótipos instrumentados em escala real, em escala reduzida (ensaios em centrífuga), além de simulações numéricas com o método de elementos finitos. A pesquisa foi desenvolvida com o apoio da Fundação Nacional de Ciência e publicada por SHEN et al. (1981). No Brasil, a utilização da técnica pode ser dividida em duas fases. A primeira iniciou-se em 1970, baseada na experiência adquirida através do sistema NATM para a estabilização do emboque do túnel de adução do sistema Cantareira no estado de São Paulo (ABRAMENTO et al.,1998). A segunda fase, iniciada na década de 80, está relacionada à introdução do método do equilíbrio limite nos dimensionamentos. O emprego deste critério aumentou a credibilidade dos projetos, possibilitando o avanço da técnica com a construção de estruturas mais arrojadas.
2.4 A TÉCNICA DE EXECUÇÃO DE SOLO GRAMPEADO
A execução de uma obra em solo grampeado consiste na inclusão de barras de aço em furos pré-abertos preenchidos por calda de cimento, enquanto a escavação avança através do faceamento. Essas barras trabalham essencialmente à tração, podendo também, em função de sua rigidez, trabalhar parcialmente à flexão e ao cisalhamento. Os grampos são executados “in situ”, em geral paralelos e levemente inclinados com a horizontal, podendo variar entre 5 a 30 graus.
A sequência da escavação e introdução dos reforços tem influência significativa nas movimentações do maciço, que refletem no faceamento. Em geral, são pequenas as movimentações da face no nível do grampeamento após a introdução dos grampos. Assim, para a redução das movimentações, a execução dos grampos deve ser a mais rápida possível. Em vista do caráter irreversível da influência das movimentações, um grampeamento tardio tem efeitos praticamente irrecuperáveis.
Tipicamente, a escavação se desenvolve progressivamente, de cima para baixo, até a cota desejada. Para manter a estabilidade local entre grampos, em geral é
7 necessária à execução de um revestimento executado com concreto projetado com tela metálica ou fibras. A sequência executiva de uma estrutura em solo grampeado com revestimento em concreto projetado se processa em fases consecutivas, as quais
se podem enumerar: (1) Escavação; (2) Perfuração e execução dos reforços;
(3) Proteção da face do talude com aplicação do revestimento e (4) Repete-se as etapas até atingir a cota de projeto. Concomitantemente executa-se o sistema de drenagem. A Figura 2.3 apresenta cada uma das fases construtivas com maior riqueza de detalhes.
Figura 2.3 - Fases de construção do solo grampeado (CLOUTERRE,1991).
2.4.1 ESCAVAÇÃO
A escavação ou corte do maciço é realizada, comumente, do topo do terreno para a base e em fases consecutivas com 1 a 2m de profundidade, até atingir a cota de projeto. A altura máxima a escavar em cada etapa depende do tipo de material e inclinação da face de escavação, que deverá ser estável durante a fase crítica que ocorre entre a escavação, instalação do reforço e aplicação de um revestimento delgado de concreto projetado (ZIRLIS et al., 1993).
O material a ser escavado deve apresentar pelo menos uma coesão aparente de 10 kPa para garantir a estabilidade do maciço durante o processo de escavação.
Essa resistência mínima é possível ser encontrada na maior parte dos solos argilosos e arenosos, mesmo em areias puras úmidas devido ao fenômeno da sucção. Em areias secas sem nenhuma cimentação entre grãos ou em argilas muito moles, o processo dificilmente obterá sucesso. No entanto, é recomendado que escavação da
8 primeira banqueta seja executada com altura inferior à prevista em projeto, para avaliação do plano executivo adotado em projeto. Diferentes procedimentos podem ser aplicados para melhorar a estabilidade das escavações, a inclusão de elementos verticais pode ser uma solução, tal qual foi adotado na obra instrumentada objeto desta pesquisa. Descreve-se a seguir procedimentos apresentados em CLOUTERRE (1991).
2.4.1.1 ESCAVAÇÃO POR NICHOS
Escavação por nichos pode ser adotada quando se constatam problemas de instabilidade durante as fases de escavação, o efeito do arqueamento ajuda na estabilização do corte. Deve-se buscar uma largura de escavação que minimize deformações indesejadas durante a fase executiva. No entanto, a utilização deste procedimento faz com que a execução dos serviços seja mais lenta. A Figura 2.4 ilustra a execução de uma escavação na qual se adotada a técnica de escavação em nichos.
Figura 2.4 - Esquema de escavação em nichos (adaptado de LAZARTE et al. ,2003).
2.4.1.2 ESCAVAÇÃO COM BERMA PROVISÓRIA
A execução de bermas provisórias apresenta-se como alternativa para estabilização de escavações. É também usual em regiões onde se tem materiais que
9 não se apresentam estáveis durante o tempo necessário para a realização das intervenções. Nesses casos, os reforços são inseridos através das bermas, conforme ilustra a Figura 2.5.
Figura 2.5 - Esquema de escavação com utilização de berma provisória (CLOUTERRE,1991).
2.4.1.3 PROTEÇÃO ATRAVÉS DE LANÇAMENTO DE CONCRETO PROJETADO
O processo de escavação provoca o desconfinamento do solo, colocando o mesmo exposto à ação de agentes físicos e químicos que podem provocar desagregações superficiais e rupturas localizadas. Para minimizar os efeitos das intempéries, pode-se aplicar uma delgada camada de concreto projetado imediatamente após a execução da escavação. RODRIGUEZ et al.(2009), HENRIQUES JUNIOR et al. (2010) e COSTA (2014) retratam o estudo de uma contenção em solo grampeado onde a adoção de tal procedimento foi necessária para garantir a estabilidade da face. A Figura 2.6 ilustra o processo descrito.
10 Figura 2.6 - Aplicação concreto projetado de proteção (CLOUTERRE,1991).
2.4.2 EXECUÇÃO DOS REFORÇOS (GRAMPOS)
A instalação do reforço deve ser realizada imediatamente após a finalização das fases de escavação. A metodologia típica para execução dos grampos consiste na perfuração sub-horizontal do solo e preenchimento do furo com calda de cimento ou material aglutinante com características cimentícias, executado em ação conjunta com a inserção da barra de aço. Segundo PASSINI (2010), os grampos injetados são os mais empregados, visto que o processo construtivo e os equipamentos necessários para a sua instalação são semelhantes aos utilizados na técnica de estabilização com tirantes. Os grampos também podem ser cravados, sendo executados através de cravação direta dos elementos metálicos no terreno, tais como barras, cantoneiras ou tubos de aço. Esses últimos são utilizados normalmente em obras provisórias. A seguir apresentam-se as técnicas mais empregadas para a execução dos reforços.
2.4.2.1 REFORÇOS CRAVADOS
São cravados principalmente por percussão e podem ser executados em solos de baixa resistência onde não há presença de interferências em seu interior como blocos de rocha, estruturas de concreto, etc. Devido ao sistema utilizado para sua instalação, este tipo de reforço deve apresentar certa rigidez e ser formado por barras com elevada eficiência mecânica de cravação. A resistência ao cisalhamento da interface dos reforços é controlado pelo contato direto da inclusão com o solo circundante, e deve ser avaliada através de ensaios de arrancamento. Deve-se evitar
11 sua utilização em estruturas permanentes e no interior de solos agressivos em função da dificuldade em se obter uma proteção anticorrosiva adequada. Apresenta-se como vantagem a alta velocidade de cravação, desde que utilizadas guias para evitar desvios ou flambagem. Porém é inviável sua utilização em solos que apresentam elevada resistência ao processo de cravação. No Brasil essa técnica não é muito usual.
2.4.2.2 REFORÇOS INJETADOS
Segundo PITTA et al.(2000), há predominância do uso de grampos moldados no solo e não cravados. Os reforços são instalados com ligeira inclinação em relação a horizontal. ZIRLIS et al. (1999) afirma que a inclinação dos furos pode variar de 5 a 30 graus com a horizontal, para facilitar o processo de injeção da nata de cimento. Os furos são geralmente realizados com diâmetros de 75 a 100mm e permitem a instalação da barra de aço e demais componentes como os tubos de injeção e centralizadores. A escolha do método de perfuração e do equipamento a ser utilizado é condicionada principalmente pela natureza e características do solo onde será realizado o reforço. Para facilitar a execução do furo, utilizam-se fluidos como água, ar ou lama através de rotação, percussão ou rotopercussão. Segundo SPRINGER et al.
(2006), o uso de lama bentonítica não é recomendado, devido à potencial redução do atrito entre o solo e o reforço. Caso seja utilizada, recomenda-se a execução de lavagem eficiente do furo com calda de cimento. Os reforços podem ser metálicos, de fibras de vidro, resinados ou similares. Em sua maioria são utilizados barras de aço CA-50 com diâmetro variando entre 12,5mm a 32,0mm. Na utilização de barras de aço para reforços deve-se garantir a resistência e a integridade da mesma, através de tratamento anticorrosivo apropriado, além de um cobrimento mínimo da calda de cimento ao longo de toda a extensão das barras, daí a necessidade da utilização dos centralizadores. Através de um tubo adicional, injeta-se a calda de cimento, executando a chamada bainha, que deve ser realizada do fundo do furo até a sua extremidade preenchendo toda a cavidade. ZIRLIS et al.(1999) define a bainha como sendo a fase inicial de injeção onde se pretende recompor a cavidade escavada. Em casos onde se deseja um aumento na resistência de interface solo-calda de cimento, uma segunda injeção é feita após um intervalo de tempo mínimo de 12 horas da execução da bainha (ZIRLIS et al., 1999). Segundo SILVA et al.(2010), podem-se realizar dois estágios de reinjeção, mas deve-se avaliar o custo beneficio frente as melhorias que serão oferecidas ao sistema de estabilização.
12 2.4.3 CONEXÃO DO REFORÇO A FACE
SPRINGER et al. (2001) analisou o comportamento tensão x deformação de alguns maciços estabilizados com a técnica de solo grampeado utilizando simulações numéricas realizadas em cortes com paramento vertical. Avaliou-se a influência das diferentes opções de conexão no comportamento do maciço reforçado, ou seja, com extremidade livre ou fixa. Assim, SPRINGER et al. (2001) chegaram à conclusão de que a conexão do grampo com a face pode interferir de maneira significativa na distribuição dos esforços. Considerando o reforço com extremidade fixa, o ponto de tração máxima se dá junto à face. No caso do reforço com extremidade livre, a tração máxima se desloca para uma região mais interna ao maciço, afastando-se da face. Os grampos podem ou não estar conectados à face, conforme ilustra a Figura 2.7.
Figura 2.7 - Tipos de cabeças para grampos (GEORIO, 2014): (a) embutida na face por meio de dobra no aço; (b) fixada por placa metálica, rosca e porca; (c) feixe de barras embutido na face por dobra (DIAS et al., 2006); (d) sem cabeça (EHRLICH,
2003); e (e) com manta vegetal, tela, placa e porca (SILVA, 2010).
(c)
(e)
(d)
(a) (b)
13 2.4.4 REVESTIMENTO DA FACE
A face no sistema de solo grampeado tem função secundária na estabilização do maciço de solo. Sua função se limita, basicamente, a impedir a evolução de rupturas localizadas e controlar os processos erosivos. No entanto, a sua rigidez pode influenciar consideravelmente no comportamento da estrutura de contenção, restringindo, por exemplo, movimentos laterais e limitando os verticais, diminuindo, por consequência, os momentos fletores nos grampos (EHRLICH et al.,1996). É objeto deste estudo, a avaliação da introdução de elementos verticais no comportamento do sistema de contenção, sendo verificada a sua influência no aumento da rigidez da face.
Hoje em dia, tem-se adotado diversos materiais para o revestimento da face, tais como: concreto projetado com tela metálica ou fibras, blocos pré-moldados de concreto, painéis de concreto, biomantas, geomantas ou somente vegetação. A utilização cada vez maior deste tipo de contenção nas proximidades dos centros urbanos fez com que projetistas e executores se preocupassem mais com a condição estética das obras. Assim, quando se tem taludes mais suaves, é possível recorrer à utilização de apenas revestimento vegetal. Outra solução interessante é a utilização de blocos intertravados de concreto, que possibilita a execução de uma variedade de desenhos arquitetônicos, agregando valores estéticos à obra, bem como a possibilidade de execução do sistema de forma ascendente.
2.4.5 SISTEMA DE DRENAGEM
A infiltração de água no interior do solo pode originar cargas hidráulicas no tardoz da face, aumentando o empuxo que atua sobre a mesma, podendo levar a estrutura reforçada à ruptura. É importante a execução de drenagem eficiente superficial e profunda. Isso se deve pela capacidade que a água tem de influenciar na resistência ao cisalhamento dos solos, além de alterar seu peso especifico que é aumentado pela presença do fluido em seus vazios. Além de contribuir para a redução dos parâmetros de resistência dos solos, a água pode acelerar o processo de corrosão nas barras de aço dos grampos, principalmente quando apresenta em sua composição substâncias agressivas. Segundo SILVA et al.(2010), os dispositivos de drenagem exercem função fundamental e são considerados como parte integrante do solo grampeado.
14 Para prevenir pressões de água junto ao faceamento, poderão ser utilizados drenos pontuais (Barbacãs) e/ou drenos verticais de contato (geodrenos). Para fluxos hidráulicos internos ao maciço, é importante a instalação de dispositivos de drenagem profunda, normalmente realizada com drenos sub-horizontais denominados DHP's. O funcionamento deste sistema de drenagem é apresentado na Figura 2.8.
(a)
(b)
Figura 2.8 - a) Estabilização de um talude por drenagem profunda; b) Detalhe de um dreno sub-horizontal profundo (DHP), (CARVALHO et al., 1991).
Para complementar a drenagem deste tipo de estrutura, é essencial a execução de dispositivos para disciplinar as águas de origem superficial através de canaletas de pé e crista, bem como descidas de água e dissipadores de energia,
15 evitando-se, assim, o surgimento de processos erosivos. A Figura 2.9 apresenta alguns dos principais dispositivos de drenagem utilizados em obras geotécnicas.
Figura 2.9 - Indicação dos diversos dispositivos de um sistema de drenagem superficial, (CARVALHO et al., 1991).
16 2.5 COMPARAÇÃO COM OUTRAS TÉCNICAS DE ESTABILIZAÇÃO
2.5.1 SOLO GRAMPEADO E MICRO-ESTACAS
O sistema de contenção com a utilização de micro-estacas consiste na utilização de um conjunto de estacas de pequeno diâmetro, introduzidas no solo com inclinações variadas, criando-se assim um bloco monolítico de elevada rigidez que se estende a uma profundidade abaixo da superfície de ruptura. Essa massa de solo reforçada, assim como em estruturas de solo grampeado, tem a função de conter a zona não reforçada de forma semelhante ao mecanismo do muro de peso.
A diferença fundamental entre as duas técnicas está relacionada ao comportamento das micro-estacas, que é influenciado pela disposição geométrica dos reforços no maciço. A Figura 2.10 apresenta seções esquemáticas de ambos os tipos de reforço.
Figura 2.10 - Comparação entre solo grampeado e estaca raiz (MITCHELL &
VILLET,1987).
2.5.2 SOLO GRAMPEADO E MUROS DE SOLO REFORÇADO
Observando-se as duas técnicas, pode-se perceber que existem algumas similaridades nas conceituações, comportamento e métodos de análise. Em ambos os métodos, o agente estabilizador fundamental é a resistência ao cisalhamento desenvolvida no contato solo-reforço. No entanto, existem diferenças importantes, as quais se devem ter atenção.
O solo grampeado é uma técnica de reforço realizada "in situ", onde a estrutura é construída por escavações em sucessivas etapas, normalmente de cima para baixo. Já o muro de solo reforçado é uma técnica empregada em aterros, na qual
17 a estrutura é construída em sucessivas camadas de baixo para cima. Assim, há diferenças entre as técnicas no que se refere ao desenvolvimento dos deslocamentos e deformações, bem como nas tensões desenvolvidas dentro do solo para a mesma geometria dos reforços. Durante as fases de escavação, o solo grampeado está sujeito à descompressão lateral e a recalques. Como consequência, no final da construção, ocorre um leve desaprumo da face e os deslocamentos horizontais e verticais são, em geral, máximos no topo da escavação. Nos muros de solo reforçado fracamente compactados ou de grande altura, os deslocamentos laterais próximos a base da parede podem aumentar durante as sucessivas fases de aterro, devido à deformação lateral das camadas inferiores causadas pelo peso das camadas sobrejacentes, caso a altura do aterro ultrapasse as tensões induzidas pela compactação do solo. O resultado seria que, durante a construção, pequenas deformações ocorram na base da estrutura onde os deslocamentos horizontais se tornam máximos. Por outro lado, em muros adequadamente compactados a construção por etapas levaria a um acumulo de deformações promovendo um desalinhamento crescente da face, que seria mais elevado no topo da estrutura (EHRLICH, 1999).A Figura 2.11 apresenta os deslocamentos horizontais máximos que ocorrem no solo grampeado e em muros de solo reforçado.
Figura 2.11 - Comparação entre deslocamentos horizontais máximos: (a) solo grampeado e; muros de solos reforçados (b) mal compactados ou de grande altura e
(c) bem compactados.
Considerando o aspecto rigidez dos reforços, em estruturas de solo grampeado, os grampos podem resistir a esforços de tração e a momentos fletores. As mobilizações destes esforços dependem de alguns parâmetros tais como: rigidez do reforço (grampo), deformações e deslocamentos na massa de solo reforçada, orientação dos grampos, dentre outros. Ao contrário, em estruturas de muros de solos
18 reforçados, os elementos de reforço são formados por tiras ou grelhas totalmente flexíveis e opõe-se apenas a esforços de tração (SCHLOSSER et al.,1982).
As duas técnicas apresentam pontos em comum aos quais podemos citar:
• Os elementos dos reforços são instalados sem pré-tensão, sendo mobilizadas quando da ocorrência de deformações no solo;
• As forças desenvolvidas nos reforços são sustentadas pelo atrito lateral desenvolvido na interface solo-reforço e a região reforçada se assemelha a um muro de gravidade;
• O revestimento da face em ambas as estruturas não desempenha papel estrutural importante;
• Em geral, ambas as estruturas se comportam bem em relação a esforços dinâmicos.
2.5.3 SOLO GRAMPEADO E CORTINA ANCORADA
Apesar de similares em relação aos resultados atingidos para estabilização, as duas técnicas apresentam conceitos e processos executivos distintos. Os grampos têm efeito de reforço do maciço como se houvesse um aumento da “coesão” do solo.
Já com os tirantes ocorre a protensão, o que dá origem a uma mudança no estado de tensões do terreno. Levando-se em consideração a elevada aplicabilidade de ambas as técnicas, torna-se interessante a comparação entre elas.
Na estabilização com ancoragens, são consideradas forças externas com magnitudes, direções e sentidos definidos, aplicados sobre a estrutura da face que distribui as cargas em toda a área de contato. Com a protensão das ancoragens, as deformações são minimizadas. Já nas soluções em solo grampeado, os reforços são elementos passivos,nos quais o mecanismo de estabilização provém do atrito na interface solo-reforço mobilizado pelas deformações no maciço. Assim, considerando- se nulas as movimentações relativas solo grampo, as deformações que ocorrem no solo são controladas pela deformabilidade do grampo (EHRLICH, 2003). Portanto, a ocorrência de deformações no solo é necessária para a mobilização da resistência ao cisalhamento do grampo. Assim, comparando-se as técnicas, tem-se uma maior deformabilidade em estruturas grampeadas.
O processo executivo típico, em ambos os casos, são realizados do topo para base da contenção. No entanto, é importante ressaltar que as duas soluções podem ser executadas de maneira ascendente ou descendente. Considerando as mesmas
19 condições de contorno, o número de grampos por área de face é maior se comparado ao de tirantes. Como consequência da maior densidade de grampos, a ruptura de um grampo terá efeito menor na estabilidade do solo quando comparada a ruptura de um tirante. No solo grampeado, a face tem por objetivos garantir a estabilidade local e evitar o desenvolvimento de processos erosivos, ao contrário do que se verifica nas cortinas ancoradas, nas quais a face é o promotor direto da estabilidade da zona potencialmente instável (EHRLICH,2003). O dimensionamento estrutural do paramento de concreto da cortina ancorada, por sua vez, é muito importante, haja vista o puncionamento causado pela aplicação das elevadas cargas de teste das ancoragens (FEIJÓ,2007) e também os esforços gerados por momentos fletores. No solo grampeado, a estabilidade é obtida pelas forças de atrito mobilizadas no contato solo-reforço. É através dos grampos que se promove a costura da zona potencialmente instável com a zona resistente, melhorando a estabilidade do conjunto (EHRLICH,2003). A Figura 2.12 apresenta algumas diferenças entre o solo grampeado e a cortina ancorada.
Figura 2.12 - Comparação entre as técnicas de estabilização solo grampeado x cortina ancorada(MITCHELL & VILLET,1987).
A distribuição das tensões ocorre de maneira distinta em cada metodologia.
Nos tirantes, uma parte do comprimento encontra-se livre e a outra é ancorada. Assim, a carga no trecho livre permanece aproximadamente constante, enquanto no trecho ancorado encontra-se variável. Já nos grampos, as tensões são variáveis ao longo de todo o seu comprimento.
As ancoragens são executadas para transferir as cargas apenas na zona do bulbo localizada atrás da superfície potencial de rotura. Já nos grampos, diferentemente das ancoragens, não há trecho livre, ou seja, as tensões são transferidas ao longo de toda sua extensão.
20 No caso das cortinas ancoradas, dispõe-se da norma ABNT NBR 5629 (2006) para execução, controle dos ensaios e aceitação dos tirantes, o que proporciona uma maior confiabilidade nos resultados. Já para os grampos não existe ainda uma norma específica. O que se faz na prática é o ensaio de arrancamento nos grampos em número ainda muito reduzido, sendo pouco significativo se comparado à área a ser contida.
Em geral, é associado um baixo custo à execução das obras em solo grampeado quando comparado às de cortina ancorada. Esta vantagem advém da não necessidade de execução de uma face estruturalmente muito resistente e também pela utilização na execução de equipamentos mais leves, além da redução do prazo da obra de solo grampeado, em especial por não ser necessário esperar a cura de uma estrutura de concreto (cortina ou grelha) para o início do trabalho do grampo como elemento de estabilização.
2.6 CRITÉRIOS PARA APLICAÇÃO DO SOLO GRAMPEADO
A técnica de estabilização em solo grampeado tem se mostrado muito versátil, podendo ser utilizada em vários tipos de solo. Porém, deve-se avaliar a viabilidade técnica e econômica confrontando as vantagens e desvantagens de sua aplicação.
2.6.1 VANTAGENS DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO
Pode-se citar algumas vantagens da utilização dos solos grampeados comparado a outras técnicas de reforço como segue:
• Velocidade na execução - Tanto as etapas de grampeamento do solo quanto à execução do paramento são consideradas de rápida execução. Representa uma solução de custo atraente, pois equilibra velocidade, simplicidade e uso de equipamentos de pequeno porte. A técnica permite um avanço simultâneo da escavação, grampeamento e revestimento, contribuindo para uma maior agilidade sem deixar de lado a segurança durante a execução.
• Equipamentos leves - São utilizados, em geral, equipamentos leves e de fácil manuseio. Os furos são executados com auxílios de sondas rotativas de pequeno porte e a injeção da calda se processa geralmente por gravidade. A estrutura não necessita de fundações. A proteção do talude em concreto
21 projetado ou outro tipo de revestimento apresenta um investimento barato se comparado a técnicas similares.
• Adaptação e flexibilidade às condições locais - A técnica permite que alterações na concepção inicial do projeto sejam realizadas durante o andamento da obra. A profundidade de escavação, espaçamento e comprimento dos grampos são exemplos de parâmetros que podem ser alterados ao longo da execução da obra. Daí a sua flexibilidade e adaptação a diferentes condições geométricas dos taludes onde outras técnicas apresentariam dificuldades em sua execução.
• Desempenho - O solo grampeado, por ser uma estrutura deformável na sua essência de funcionamento, suporta com segurança a ocorrência de recalques totais e diferenciais (MITCHELL & VILLET, 1987). Além disso, desde que o grampeamento seja aplicado no menor tempo possível após a escavação, os deslocamentos do solo são minimizados, prevenindo-se danos a estruturas adjacentes (ORTIGÃO e PALMEIRA,1992).
2.6.2 LIMITAÇÕES DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO
A principal desvantagem do uso dos solos grampeados está relacionada aos maiores deslocamentos horizontais e verticais que são inerentes à aplicação da técnica. A execução deste tipo de contenção próximo a estruturas que não toleram movimentações do terreno requer cuidados especiais, como a adoção de solução mista com ancoragens para diminuir suas deformações (Figura 2.13).
Figura 2.13 - Estabilização do talude com contenção mista para minimizar os deslocamentos em função do gasoduto (CLOUTERRE,1991).
22 A utilização da técnica de solo grampeado é indicada em escavações em solos acima do nível d’água ou com prévio rebaixamento do mesmo. Escavações abaixo do nível d água podem gerar instabilidades localizadas na face dificultando a execução do revestimento.
A resistência ao cisalhamento mobilizada pelo contato solo-grampo é afetada pela percolação de água no solo. Em solos com predominância de finos, na presença de água, sofrem reduções significativas na resistência. O aumento do teor de umidade atua como um agente deflagrador da diminuição da resistência ao cisalhamento no contato solo-grampo podendo levar a estrutura ao colapso.
A técnica de solo grampeado é bastante competitiva em solos residuais não saturados devido às suas boas características mecânicas (FEIJÓ e EHRLICH, 2005).
Porém não é aconselhada em areias puras sem coesão aparente, solos com bolsões de água, argilas moles e solos susceptíveis ao congelamento.
A presença do fluxo de água tem grande influência na estabilidade de escavações grampeadas. Além de contribuir com o aumento nas pressões hidrostáticas junto à face, o fluxo altera as tensões no solo, podendo causar a instabilidade da escavação.
23 3. COMPORTAMENTO GEOMECÂNICO DE ESTRUTURAS DE SOLO
GRAMPEADO
3.1 INTERAÇÃO SOLO-GRAMPO
A interação entre solo e grampo, em estruturas de solo grampeado, varia de maneira significativa de acordo com o método executivo utilizado para realização da estrutura de contenção ou estabilização de taludes. Parâmetros como as propriedades do solo e as características do reforço influenciam sobremaneira nos resultados.
Excetuando-se as características mecânicas dos solos, os demais fatores como comprimento da barra, diâmetro e inclinação do reforço podem ser modificados e padronizados durante a execução dos grampos. Segundo CLOUTERRE (1991), há dois tipos de interação solo-reforço que se desenvolvem em estruturas grampeadas. A primeira e mais importante é a resistência ao cisalhamento desenvolvida no contato solo-grampo, denominada qs, que induz tensões de tração nos elementos de reforço.
A segunda interação, menos importante, refere-se à pressão passiva(empuxo) de solo ao longo do grampo (Figura 3.1). Caso ocorra uma zona de cisalhamento no interior do maciço de solo, e o grampo apresentar alguma rigidez, pode ocorrer a mobilização de esforços cisalhantes e de flexão sobre o reforço.
Figura 3.1 - Pressão passiva de solo ao longo do grampo em estruturas de solo grampeado (SHEAHAN e ALVARDO, 1996).
3.1.1 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DA INTERFACE ENTRE O SOLO E O GRAMPO
Os solos são materiais de construção que são encontrados em abundância na natureza e por esta razão são considerados baratos. Em sua maioria, desde que devidamente compactados, apresentam boa resistência à compressão e ao
24 cisalhamento, tornando-se estruturalmente favoráveis a aplicação em obras de engenharia. No entanto, sua resistência à tração é considerada baixa. Assim, a inclusão dos reforços diminui esta deficiência, melhorando as características do material resultante, tornando o mesmo potencialmente mais seguro para sua utilização. Segundo (EHRLICH e SILVA, 1992), existe um processo interativo no qual o solo tende a se relaxar horizontalmente, transferindo carga para o reforço até o limite da capacidade de ligação da interface solo-reforço, até que a condição de equilíbrio seja atingida em termos de deformações no solo, reforço e interface. Daí a importância do conhecimento mais profundo dessa interação entre o solo e o reforço para as analises de estruturas grampeadas. A presença dos reforços modifica tanto os campos de tensões como os campos de deformações no interior do maciço (SILVA et al., 2009).
A estabilidade de uma estrutura grampeada, em geral, é estudada em seu estado limite último. Portanto, o conhecimento do desempenho no contato solo- reforço, principalmente em relação à resistência ao cisalhamento (qs) desenvolvida na interface, é de extrema importância para fins de projeto. Essa resistência ao cisalhamento pode ser influenciada por alguns fatores, tais como: dilatância em solos granulares compactos; deformações internas no solo reforçado; teor de umidade no solo; método executivo de perfuração; injeção da calda de cimento e, por último, a inclinação do reforço.
3.1.1.1 INFLUÊNCIA DA DILATÂNCIA
Em solos granulares compactos, a resistência ao cisalhamento desenvolvida no contato solo-reforço quando submetido a esforços de tração é muito influenciada pelo atrito desenvolvido ao longo do reforço e pelo comportamento dilatante do solo.
De acordo com RICCIO FILHO (2007), a dificuldade em se determinar o valor da resistência ao arrancamento está na determinação do valor da tensão normal efetiva, pois seu valor sofre alterações devido à imposição de deformações cisalhantes, provocando o fenômeno da dilatância em solos granulares compactos. A restrição ao aumento de volume, devido às condições de contorno, e o efeito da dilatância fazem com que haja um acréscimo significativo na tensão normal à superfície do reforço, ou seja, σ’v sofre um acréscimo. Por outro lado, o aumento adicional na tensão de confinamento, por aumento da sobrecarga, pode provocar uma diminuição na tendência de ocorrer dilatância, ou seja, a influência deste fenômeno sobre os coeficientes de atrito obtidos em ensaios de arrancamento tende a diminuir com o
