CAMPUS FLORIANÓPOLIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
Rafael Fabiano Cordeiro
AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE ATERRO EXECUTADO SOBRE DEPÓSITO DE ARGILA MOLE NA RODOVIA BR 470 EM GASPAR/SC
Florianópolis 2019
Rafael Fabiano Cordeiro
AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE ATERRO EXECUTADO SOBRE DEPÓSITO DE ARGILA MOLE NA RODOVIA BR 470 EM GASPAR/SC
Dissertação submetida ao Programa de Pós Graduação de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil
Orientador: Profª. Drª Gracieli Dienstmann Coorientador: Prof. Dr. Marciano Maccarini, PhD
Florianópolis 2019
Rafael Fabiano Cordeiro
AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE ATERRO EXECUTADO SOBRE DEPÓSITO DE ARGILA MOLE NA RODOVIA BR 470 EM GASPAR/SC
O presente trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Vítor Pereira Faro, Dr. Universidade Federal do Paraná
Prof. Edgar Odebrecht, Dr.
Universidade do Estado de Santa Catarina
Prof. João Victor Staub de Melo, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Glicério Trichês, Dr.
Universidade Federal de Santa Catarina
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
____________________________ Profª. Drª. Poliana Dias de Moraes
Coordenadora do Programa
____________________________ Profª. Drª. Gracieli Dienstmann
Orientadora
____________________________ Prof. Dr. Marciano Maccarini, PhD
Orientador
Florianópolis, 04 de outubro de 2019
Documento assinado digitalmente Gracieli Dienstmann
Data: 05/12/2019 17:34:52-0300 CPF: 056.422.359-07
Documento assinado digitalmente Poliana Dias de Moraes Data: 06/12/2019 07:41:47-0300 CPF: 613.571.209-82
Á minha esposa Alexandra e ao meu filho Vicente que intensamente percorreram este caminho comigo.
AGRADECIMENTOS
À Professora Gracieli Dienstmann, por ter me recebido como seu orientando lá em 2017 e que de lá para cá, me incentivou e me apresentou um mundo que era desconhecido para mim: o mundo da modelagem por elementos finitos. Ainda tenho muito a aprender, mas o que aprendi até aqui, me motivou a ir além. Agradeço a ela pela amizade e por estar sempre disposta a tirar minhas dúvidas, mesmo quando muito atarefada. Meu muito obrigado!
Aos incentivadores:
Ao amigo e Professor Rafael Higashi, que lá em 2008 me disse a seguinte frase a qual nunca esquecerei: “...Rafa, a tua casa, o teu carro, o teu emprego, alguém em algum momento pode vir e tirar de ti, mas o teu conhecimento ninguém tira. Então, encara um mestrado e um doutorado que isso vai ser teu para sempre...”. E aqui estou, finalizando o mestrado. Não poderia deixar de agradecer também a todo o conhecimento que recebi do Professor Higashi nas disciplinas de mecânica dos solos e no período em que trabalhamos juntos na Prosul.
Ao amigo e Professor Maccarini, que iniciou como meu professor e ao longo de nossas viagens à obra da BR 470 tornou-se um grande amigo e um grande incentivador do meu mestrado e de um possível doutorado. Muitas foram as dúvidas de mecânica dos solos tiradas com ele ao longo das viagens.
Aos colaboradores que também não deixam de ser amigos:
À Ângela Grando, pela amizade, pelos auxílios com as bibliografias, pelos materiais que me enviou referentes a sua tese e pelas dúvidas tiradas ao longo desta jornada.
À Miryan Sakamoto, pela amizade, parceria no dia a dia na Prosul e pelos auxílios prestados na elaboração desta dissertação.
À Clarissa Borges, diretora da Prosul, por ter me proporcionado condições de realizar este trabalho mesmo diante da nossa correria do dia à dia na empresa.
À Priscila, colaboradora da secretaria do PPGEG que sempre esteve disposta a prestar as informações necessárias com muito bom humor.
Por fim, agradeço ao CAPES pelo apoio dado ao programa de Pós-Graduação.
A disciplina é a ponte entre os objetivos e a realização (Jim Rohn)
RESUMO
Este trabalho descreve a avaliação do comportamento frente a compressibilidade e resistência do aterro do Km 30+460, pertencente ao projeto de duplicação da rodovia BR 470/SC. A obra de duplicação é de grande importância para o estado de Santa Catarina por ser uma via de ligação entre o oeste, Planalto e litoral e também, uma das principais vias de acesso ao Porto de Itajaí e ao Aeroporto de Navegantes. O aterro estudado foi executado sobre um depósito de argila mole com aproximadamente 18 m de espessura, intercalado por camadas e lentes de areia, onde foram utilizadas soluções geotécnicas para aceleração dos recalques, compostas por geodrenos aliados a sobrecarga temporária e soluções para garantir a estabilidade, como geogrelhas, berma e construção em etapas. Na fase de execução e pós construção os aterros foram monitorados por placas de recalque para a avaliação das deformações verticais, e por inclinômetros e piezômetros para avaliar as deformações laterais e os excessos de poropressão. Neste contexto foram analisados e interpretados os resultados das investigações geotécnicas executadas na ilha de investigação localizada no Km 30+480, os quais foram utilizados para a elaboração do perfil geotécnico. Na interpretação dos resultados dos ensaios foram utilizadas correlações com os ensaios CPT-u e palheta para a obtenção de perfis contínuos de OCR, Su, Su/σ’v confrontando os resultados obtidos com resultados
característicos para a região e para as argilas brasileiras. Posteriormente a elaboração do perfil geotécnico característico do depósito estudado, foram realizadas previsões de recalque pela teoria clássica e por elementos finitos, através do software PLAXIS, onde foi obtida boa convergência nos valores de recalque e nos tempos de estabilização das deformações verticais. Os resultados das análises de recalque foram confrontados com os dados do monitoramento e com os dados do Método de Asaoka (1978) que também demonstrou boa convergência. Obtidos os valores de referência, foram realizadas análises da sensibilidade dos parâmetros geotécnicos de compressibilidade e permeabilidade das camadas moles, através de método numérico, de forma a identificar faixas de variação das deformações e dos tempos de estabilização, possíveis para o depósito. Foram também realizadas análises de estabilidade por equilíbrio limite e por elementos finitos, em termos de tensões totais, demonstrando a estabilidade da estrutura e uma boa concordância entre os diferentes métodos de previsão. Tendo como base o resultado da análise de estabilidade em tensões totais, realizadas análises em termos de tensões efetivas a fim de se obter valores característicos de c’ e ø’ para o depósito. Adicionalmente, a avaliação da estabilidade do aterro a partir dos dados do monitoramento foi realizada com base nas leituras dos inclinômetros, as quais foram confrontadas com os métodos de controle: Método dos Volumes Deslocados e Análise de Distorções, demonstrando ter havido estabilização durante o processo construtivo. Avaliações como esta, se adotadas durante o processo construtivo podem otimizar as soluções de projeto.
ABSTRACT
This work describes the evaluation of the behavior of the compressibility and resistance of the landfill of Km 30 + 460, belonging to the BR 470 / SC highway duplication project. The work of duplication is of great importance to the state of Santa Catarina as it is a connecting road between the west, plateau and coast and also one of the main access roads to the port of Itajaí and Navegantes Airport. The landfill studied was carried out on a soft clay deposit approximately 18 m thick, interspersed with layers and sand lenses, where geotechnical solutions for acceleration of the settlements were used, composed of geodrain combined with temporary overload and solutions to ensure stability, like geogrids, berm and step construction. In the execution phase and after construction, the landfills were monitored by repression plates for the evaluation of vertical deformations, and by inclinometers and piezometers to evaluate lateral deformations and excess poropression. In this context, the results of the geotechnical investigations carried out on the research island located at Km 30 + 480 were analyzed and interpreted, which were used for the elaboration of the final geotechnical profile. In the interpretation of the test results, correlations with the CPT-u and vane tests were used to obtain continuous OCR, Su, Su / σ'v profiles comparing the results obtained with characteristic results for the region and Brazilian clays. Subsequent to the elaboration of the characteristic geotechnical profile of the studied deposit, predictions of the repression were made by the classical theory and by numerical methods, using the PLAXIS software, where good convergence on the values of repression and the stabilization times of the vertical deformations was obtained. The results of the repression analyzes were compared with the monitoring data and the Asaoka Method (1978) data where there was also good convergence. After obtaining the reference values, sensitivity analyzes of the geotechnical parameters of the compressibility and permeability of the soft layers were performed by numerical method in order to identify ranges of variation of the deformations and stabilization times possible for the deposit. Limit equilibrium and finite element stability analyzes were also performed, in terms of total stresses, in order to assess the stability of the landfill and to assess the Su profile determined for the deposit from the geotechnical investigations. Once the Su value was calibrated, effective stress analyzes were performed to obtain a characteristic value of c 'and ø' for the deposit. Landfill stability assessment from monitoring data was performed based on the inclinometer readings, which were compared with the control methods: Displaced Volumes Method and Distortion Analysis.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Equipamento de ensaio SPT ... 20
Figura 2: Classificação dos solos proposta por Robertson (1990) ... 22
Figura 3: Equipamento de ensaio de palheta ... 27
Figura 4: Relação tempo x deformação vertical representativa de materiais de baixa permeabilidade, argilas. ... 29
Figura 5: Efeitos da atuação da sobrecarga temporária (SCT) ... 34
Figura 6: Aterro sobre drenos verticais e detalhe de um geodreno ... 35
Figura 7: Detalhe esquemático de instalação de geodrenos em argila mole 35 Figura 8: Evolução dos recalques com e sem a instalação de geodrenos .... 36
Figura 9: Detalhe esquemático de uma placa de recalque ... 39
Figura 10: Detalhe esquemático de um inclinômetro móvel ... 40
Figura 11: Esquema de piezômetros (A) Casagrande e (B) Elétrico ... 41
Figura 12: Construção gráfica do método de Asaoka (1978): (A) curva tempo x recalque; (B) reta ajustada ... 42
Figura 13: Método de Asaoka para carregamento em etapas e para avaliação da compressão secundária ... 43
Figura 14: Caso 01: Aterro com M > 2D ... 46
Figura 15: Caso 02 - Aterro simétrico com M < 2D ... 47
Figura 16: Caso 03 - Aterro assimétrico com M < 2D ... 48
Figura 17: Precisão das leituras de Vv ... 49
Figura 18: Posição dos inclinômetros em aterros com bermas ... 50
Figura 19 - Elementos de solo com 6 ou 15 nós ... 53
Figura 20: Aspectos da modelagem no PLAXIS 8.2: (a) geometria do problema, pontos de restrição de deslocamentos e malha de elementos finitos; (b) definição das poropressões iniciais; (c) definição das tensões efetivas iniciais. ... 54
Figura 21: Curvas tensão-deformação de modelos elastoplásticos ... 56
Figura 22: Superfície limite de escoamento. Sob ela, ocorrem somente deformações elásticas ... 57
Figura 23: Linha de compressão isotrópica e linha do estado crítico para a compressão isotrópica em escala logarítmica ... 60
Figura 24: Comparação entre resultados obtidos para compressões isotrópica e confinada. ... 61
Figura 25: Linha de estado crítico obtida de resultados de ensaios triaxiais
drenados e não-drenados em termos de p’, q. ... 62
Figura 26: Linha de estado crítico no plano v x ln p'. ... 63
Figura 27: Linha de estados críticos no espaço (p’, q, v). ... 64
Figura 28: Superfície de plastificação do modelo Cam-Clay (a) e Cam-Clay modificado (b) ... 65
Figura 29: Superfície de Plastificação do Modelo Soft-Soil no plano q-p ... 65
Figura 30: Localização da área de estudo ... 68
Figura 31: Planta de locação do aterro em estudo. ... 69
Figura 32: Execução de colchão drenante e cravação de geodrenos - Km 30+460 ... 70
Figura 33- Vista panorâmica da execução de um segmento de aterro nas proximidades do Km 30+460 ... 71
Figura 34: Vista panorâmica e detalhe da situação atual do aterro do Km 30+460 ... 71
Figura 35: Perfil característico dos depósitos de argila mole do Lote 02 da BR 470/SC. ... 72
Figura 36: Seção original de projeto ... 73
Figura 37: Seção esquemática do Km 30+460 contemplando as soluções geotécnicas executadas. ... 74
Figura 38: Seção esquemática do Km 30+460 contendo o plano de monitoramento de acordo com a norma DNER PRO-381/98. ... 76
Figura 39: Placa de recalque e piezômetros instalados no Km 30+460 ... 76
Figura 40: Dados das placas de recalque e piezômetros de Casagrande - Km 30+460 ... 77
Figura 41: Leituras do inclinômetro - Km 30+460 ... 78
Figura 42: Fluxograma das atividades do método de análise ... 79
Figura 43: Perfil estratigráfico preliminar ... 87
Figura 44: Perfil geotécnico longitudinal (bacia do Ribeirão Arraial) ... 91
Figura 45: Perfil de peso específico obtido para o depósito de acordo com a proposta de Robertson e Cabal (2015). ... 92
Figura 46: Sobreposição das curvas de resistência de ponta (qt) e excesso de poropressão (u2) – Km 30+220, 30+480 e 30+800 ... 94
Figura 47: Sobreposição das curvas de OCR dos Km 30+220, 30+480 e 30+800 ... 96
Figura 48 – Curvas de OCR e σ’vm ajustadas – Km 30+460 ... 98
Figura 49: Perfil de Su e Su/σ’v para o Km 30+460 ... 104
Figura 50 – Curvas de dissipação nas profundidades de 6,5 m e 13,1 m ... 105 Figura 51: Perfil geotécnico característico final ... 111 Figura 52: Previsão de recalque final de 0,92 m pelo método de Asaoka (1978) – PR-01 ... 113
Figura 53: Previsão de recalque final de 0,83 m pelo método de Asaoka (1978) – PR-02 ... 113
Figura 54: Leituras do inclinômetro em diferentes etapas de alteamento do aterro: (a) Deslocamentos acumulados; (b) Deslocamentos incrementais ... 115
Figura 55: Posição dos eixos do inclinômetro ... 116 Figura 56: Gráfico das distorções a partir das leituras do inclinômetro ... 118 Figura 57: Planta de locação do aterro, berma de equilíbrio e instrumentos instalados ... 121
Figura 58: Seção estudada contendo as soluções geotécnicas para aceleração de recalques e garantia da estabilidade e a instrumentação geotécnica instalada ... 122
Figura 59: sequência construtiva do aterro ... 126 Figura 60: Seção original de projeto modelada no PLAXIS 2D ... 127 Figura 61: Curvas tempo x recalque para o método analítico e numérico (PLAXIS) considerando a seção original de projeto. ... 129
Figura 62: Seção esquemática do aterro com sobrecarga temporária (SCT) simulada no software PLAXIS ... 130
Figura 63: Variação do tempo de consolidação com o aumento da espessura da sobrecarga – Método analítico ... 131
Figura 64: Variação do tempo de consolidação com o aumento da espessura da sobrecarga – Método numérico ... 131
Figura 65: Seção esquemática do aterro com sobrecarga temporária (SCT) e geodrenos simulada no software PLAXIS. ... 133
Figura 66: Curva tempo x recalque pelo método analítico para as situações: sem sistema de aceleração de recalque; com aceleração de recalque por sobrecarga; com aceleração de recalque por sobrecarga e geodrenos. ... 133
Figura 67: Curva tempo x recalque pelo método numérico para as situações: sem sistema de aceleração de recalque; com aceleração de recalque por sobrecarga; com aceleração de recalque por sobrecarga e geodrenos. ... 134
Figura 68: Modelagem por elementos finitos do aterro executado ... 136 Figura 69: Curvas tempo x recalque x alteamento do aterro considerando os dados das placas de recalque PR-01 e PR-02 e a curva obtida do PLAXIS. ... 137
Figura 70: Regiões de deformações verticais máximas obtidas do PLAXIS ... 138 Figura 71: Variação do excesso de poropressão com a evolução do alteamento do aterro: (a) primeira etapa de carregamento; (b) ao final da sobrecarga; (c) após a consolidação de 96% ... 139
Figura 72: Curvas tempo x recalque obtidas das placas de recalque PR-01 e PR-02 confrontadas com os resultados das análises A-01 a A-09 ... 143
Figura 73: Curva tempo x recalque obtidas das placas de recalque e confrontadas com os resultados das análises A-01 a A-05 ... 148
Figura 74: Resultado da análise de estabilidade por equilíbrio limite apresentando fator de segurança – Fs =2,24 ... 152
Figura 75: Resultado da análise de estabilidade por modelagem com elementos finitos apresentando fator de segurança – Fs =2,193 ... 153
Figura 76: Resultado da análise de estabilidade B-06 da Tabela 36 apresentando fator de segurança – Fs = 2,116 ... 155
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Classificação de solos em função do índice de classificação do
material Ic e IcRW ... 22
Tabela 2 – Valores de K1 das argilas brasileiras ... 24
Tabela 3 – Valores médios de K2 das argilas brasileiras ... 24
Tabela 4 – Histórico de tensões das argilas moles ... 25
Tabela 5 – Fatores de cone de argilas brasileiras ... 26
Tabela 6 – Fatores de cone de depósitos argilosos em Santa Catarina ... 26
Tabela 7 – Razão de permeabilidade das argilas ... 33
Tabela 8 – Instrumentos utilizados em monitoramento de aterros sobre solos moles ... 38
Tabela 9: Instrumentação geotécnica instalada no Km 30+460 ... 75
Tabela 10: Investigações geotécnicas executadas no Km 30+480 ... 84
Tabela 11: – Quantidade mínima de ensaios geotécnicos ... 85
Tabela 12 – Valores de K1 e K2 obtidos para as ilhas de investigação da bacia do Ribeirão Arraial ... 95
Tabela 13– Valores de K1 e K2 adotados para área estudada. ... 96
Tabela 14 – Resumo dos parâmetros representativos do histórico de tensões das camadas moles – Km 30+460. ... 99
Tabela 15 – Resultados dos ensaios de adensamento realizados nas ilhas de investigação da bacia do Ribeirão Arraial ... 99
Tabela 16 – Resumo dos parâmetros de compressibilidade das camadas moles – Km 30+460. ... 100
Tabela 17 – Resultados dos ensaios Triaxiais e Palheta realizados nas ilhas de investigação da bacia do Ribeirão Arraial ... 101
Tabela 18 – Síntese dos valores de Nkt dos depósitos da bacia do Ribeirão Arraial utilizados na definição do Nkt do depósito estudado. ... 102
Tabela 19 – Parâmetros utilizados na obtenção de Ch e Cv através do ensaio de dissipação ... 106
Tabela 20 – Comparativo dos coeficientes de adensamento obtidos pelos ensaios de dissipação e compressão edométrica... 106
Tabela 22 – Resumo dos parâmetros geotécnicos obtidos das interpretações das investigações geotécnicas ... 110
Tabela 23 – Leituras dos inclinômetros nas datas de alteamento e pós construção do aterro ... 114
Tabela 24 – Valores de relações volumétricas e situação de estabilidade por data. ... 116
Tabela 25: Velocidade das distorções para as profundidades de 1,5 m e 2,0 m ... 119
Tabela 26 – Resumo dos parâmetros geotécnicos iniciais adotados nas análises numéricas ... 124
Tabela 27 – Resultados das análises da seção original de projeto ... 129 Tabela 28 – Resultados das análises da seção original de projeto. Tempos de estabilização de 96% dos recalques primários x diferentes espessuras de sobrecargas ... 132 Tabela 29 – Resumo da comparação dos tempos de consolidação para diferentes soluções geotécnicas - Método analítico e numérico. ... 134
Tabela 30 – Retroanálise da razão de compressão CR a partir de ensaios de adensamento e resultados do monitoramento das placas de recalque PR-01 e PR-02 ... 140 Tabela 31 – Combinação de parâmetros utilizados nas análises numéricas e recalques obtidos ... 142
Tabela 32 – Faixas de valores de Cv e Ch característicos da BR 470 e valores
obtidos para o depósito em estudo ... 145 Tabela 33: Valores de Cv e Ch a partir de ensaios de laboratório, campo e de
resultados de monitoramento ... 146 Tabela 34 – Combinação de parâmetros de permeabilidade utilizados na análises numéricas, recalques e tempos de estabilização das deformações verticais obtidos ... 148
Tabela 35 – Parâmetros de resistência utilizados nas análises de estabilidade por equilíbrio limite e método pelo numérico e os respectivos fatores de segurança obtidos. ... 151
Tabela 36 – Combinação de parâmetros efetivos de resistência utilizados nas análises de estabilidade e respectivos fatores de segurança ... 154
Tabela 37 – Tabela resumo dos valores de CR x recalques obtidos através de ensaios de adensamento, modelagens numéricas, retroanálises e análises de sensibilidade dos parâmetros de compressibilidade. ... 156
Tabela 38 – Tabela resumo dos valores de Cv e Ch x tempo de ocorrência dos recalques obtidos através de ensaios de adensamento, modelagens numéricas, retroanálises e análises de sensibilidade dos parâmetros de permeabilidade. ... 156
Tabela 39 – Tabela resumo dos resultados das análises de estabilidade por equilíbrio limite e elementos finitos (tensões totais e efetivas) x resultados da instrumentação geotécnica. ... 157
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM American Society for Testing and Materials av coeficiente de compressibilidade
Bq parâmetro de pressões intersticiais
Cc índice de compressão
Ch coeficiente de adensamento horizontal
CPT-u Piezocone Penetration Test – Ensaio de Piezocone Cr índice de recompressão
CR razão de compressão Cs índice de expansão
Cv coeficiente de adensamento vertical
d distorção
de diâmetro efetivo do geodreno
dm diâmetro equivalente do mandril de cravação
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes ds diâmetro da área afetada pelo amolgamento
dw diâmetro equivalente do geodreno
e0 índice de vazios inicial
E módulo de elasticidade ou módulo de Young Eoed módulo oedométrico ou módulo confinado
Eu módulo de elasticidade na condição não drenada
F(n) função de densidade dos drenos Fr razão de atrito normalizada
fs atrito lateral
Fs Fator de segurança da análise de estabilidade
harg altura da camada compressível
hat altura do aterro
Hd maior distância de percolação
Ir índice de rigidez
k coeficiente de permeabilidade de Darcy kh coeficiente de permeabilidade horizontal
kv coeficiente de permeabilidade vertical
l distância entre geodrenos
mv coeficiente de variação volumétrica
Na nível de água
NA normalmente adensado NKT fator de capacidade de carga
NSPT número de golpes do ensaio de SPT
OCR razão de sobre adensamento - “Over Consolidation Ratio” PR placas de recalque
PA pré-adensado
qc resistência de ponta do cone
qt resistência de ponta do piezocone corrigida
Qt resistência de ponta normalizada
qw capacidade de descarga do geodreno
R raio do cone do piezocone Rf razão de atrito
SCT sobrecarga temporária SPT standard penetration test`
Si recalque no tempo i do método de Asaoka
Si-1 recalque no tempo i-1 do método de Asaoka
Su resistência ao cisalhamento não drenada
T fator tempo
t tempo
T* fator tempo (ensaio de dissipação)
T tempo para ocorrência do adensamento primário
tac tempo de adensamento aceitável em função dos prazos construtivos
tcalc tempo de adensamento necessário para obter o adensamento desejado
Th fator tempo para drenagem horizontal
Tv fator tempo para drenagem vertical
u poropressão
Uvh porcentagem média de adensamento combinado
Uh porcentagem média de adensamento vertical – grau de adensamento
horizontal
Uv porcentagem média de adensamento vertical – grau de adensamento
vertical
u0 poropressão hidrostática inicial em determinada profundidade
u2 poropressão medida na base do cone em determinada profundidade
u50% variação entre proropressão inicial e hidrostática
VV volume vertical
Vh volume horizontal
w% teor de umidade natural
LISTA DE SÍMBOLOS
β1 ângulo de reta da aplicação do método de Asaoka (1978)
δh deslocamento horizontal ν coeficiente de Poisson Δd velocidade distorcional Δh recalque Δhf recalque final Δhi recalque imediato
Δhp recalque por adensamento primário
Δhsec recalque por adensamento secundário
γ
peso específico natural do soloγ
w peso específico da águaΔe variação de índice de vazios Δu variação de pressão neutra
Δt intervalo de tempo t Δσ variação da tensão
Δσv variação de tensão vertical
σ`v tensão efetiva vertical
σ`v0 tensão efetiva vertical inicial
σv0 tensão total vertical inicial
σ`vf tensão efetiva vertical final
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 OBJETIVOS ... 16 1.1.1 Objetivo geral ... 16 1.1.2 Objetivos específicos ... 16 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO... 17 2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 19 2.1 INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS ... 19
2.1.1 Sondagem a Percussão – SPT (Standard Penetration Test) ... 19
2.1.2 Ensaio de Piezocone – CPT-u ... 20
2.1.3 Ensaio de palheta (Vanetest) ... 27
2.1.4 Ensaio de adensamento ... 28
2.1.5 Ensaio Triaxial UU ... 28
2.2 ATERROS SOBRE SOLOS MOLES ... 28
2.3 EVOLUÇÃO DOS RECALQUES COM O TEMPO ... 29
2.3.1 Teoria de adensamento unidimensional de Terzaghi (1936) – Teoria clássica ... 30
2.3.2 Teoria de adensamento de Barron (1948) ... 30
2.3.3 Adensamento para drenagem combinada radial e vertical – Teoria de Carrillo (1942) ... 32
2.4 ACELERAÇÃO DE RECALQUES ... 33
2.4.1 Sobrecarga temporária - SCT ... 33
2.4.2 Aceleração com drenagem vertical e sobrecarga temporária ... 34
2.5 INSTRUMENTAÇÃO GEOTÉCNICA ... 36
2.6 INTERPRETAÇÃO DOS DADOS DO MONITORAMENTO ... 41
2.6.1 Monitoramento dos deslocamentos verticais para controle dos recalques... 42
2.6.1.1 Observações e recomendações do Método de Asaoka (1978) ... 44 2.6.2 Monitoramento dos deslocamentos horizontais para controle da estabilidade dos aterros ... 45 2.7 MODELAGEM NUMÉRICA ... 51 2.7.1 Definições do modelo ... 52 2.8 MODELOS CONSTITUTIVOS ... 55 2.8.1 Modelos Elastoplásticos ... 55 2.8.2 Modelo Mohr-Coulomb ... 57 2.8.3 Modelo Soft-Soil ... 58 2.8.3.1 T eoria dos Estados Críticos ... 59 2.8.3.2 Cam Clay e Cam Clay modificado / Soft-Soil ... 64 3 MATERIAIS E MÉTODO ... 67 3.1 OBRA DE DUPLICAÇÃO DA RODOVIA BR 470/SC ... 67 3.1.1 Panorama atual da obra da cabeceira do Riberião Arraial ... 70 3.1.2 Investigações geotécnicas executadas ... 72 3.1.3 Seção original de projeto ... 73 3.1.4 Soluções geotécnicas adotadas ... 74 3.1.5 Instrumentação geotécnica instalada ... 75 3.2 MÉTODO DE ANÁLISE ... 79 4 PERFIL GEOTÉCNICO CARACTERÍSTICO ... 84 4.1 INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS ... 84 4.1.1 Ilhas de investigação geotécnica ... 84 4.2 DEFINIÇÃO DO PERFIL CARACTERÍSTICO ... 86 4.2.1 Perfil estratigráfico preliminar ... 86 4.2.2 Determinação dos parâmetros de projeto ... 90 4.2.2.1 Peso específico das camadas ... 92 4.2.2.2 Histórico de tensões ... 93 4.2.2.3 Parâmetros de compressibilidade... 99
4.2.2.4 Resistência não drenada (Su) ... 100
4.2.2.5 Coeficientes de adensamento do solo através de ensaios de dissipação .. 104 4.2.2.6 Parâmetros de resistência efetivos das argilas moles ... 106 4.2.3 Síntese comparativa de parâmetros geotécnicos de argilas moles brasileiras ... 107 4.2.4 Perfil geotécnico característico final ... 110 5 ANÁLISE DE DESEMPENHO ... 112 5.1 INTERPRETAÇÃO DOS DADOS DO MONITORAMENTO ... 112 5.1.1 Previsão de recalques finais – Método de Asaoka (1978) ... 112 5.1.2 Avaliação da estabilidade do aterro – Método dos Volumes Deslocados e Análise das Distorções. ... 114 5.2 AVALIAÇÃO DAS DEFORMAÇÕES VERTICAIS ... 120 5.2.1 Seção estudada – Km 30+460 ... 120 5.2.2 Parâmetros geotécnicos adotados nas análises ... 123 5.2.3 Sequência construtiva do aterro ... 125 5.2.4 Previsões de recalque ... 126 5.2.4.1 Modelagem da seção original de projeto ... 126 5.2.4.2 Verificação dos critérios de projeto ... 129 5.2.4.3 Análise da seção do aterro executado ... 135 5.2.4.4 Analise da sensibilidade das previsões de recalque... 139 5.2.4.5 Análise da sensibilidade dos parâmetros de permeabilidade ... 144 5.2.4.6 Comentários acerca da compressão secundária ... 150 5.3 AVALIAÇÃO DA ESTABILIDADE DO ATERRO ... 150 5.3.1 Análises de estabilidade ... 150 5.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 155 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 158 6.1 CONCLUSÕES... 158 6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 161
REFERÊNCIAS ... 162 APÊNDICE A – PARÂMETROS DE COMPRESSIBILIDADE PARA DEPÓSITOS DE ARGILA MOLE AO LONGO DA BR 470 ... 167
1 INTRODUÇÃO
A duplicação da rodovia BR 470/SC é uma obra de infraestrutura de grande importância para o estado de Santa Catarina por ser uma via de ligação entre o oeste, Planalto e litoral e também, uma das principais vias de acesso ao Porto de Itajaí e ao Aeroporto de Navegantes.
Com início na cidade de Navegantes (SC) e término no município de Montenegro (RS) a BR 470 atravessa, no litoral catarinense, diversos depósitos de argila mole entre os municípios de Navegantes e Gaspar. Estes depósitos essencialmente de origem marinha, caracterizados por serem espessos, apresentarem baixa capacidade de suporte e elevada compressibilidade, estando sujeitos a grandes deformações e rupturas quando carregados.
Obras a serem implantadas sobre depósitos de solo mole necessitam de um conhecimento detalhado de suas características geotécnicas através de uma campanha consistente de investigações de campo e laboratório, afim de conduzir um projeto de forma segura e compatível com os níveis de deformações que serão experimentados in situ.
Tão importante quanto a etapa de investigação e caracterização, o monitoramento dos aterros na fase de construção deve permitir a verificação das concepções de projeto; auxiliar no planejamento da obra; proporcionar segurança nas etapas de carregamento e descarregamento; e garantir a integridade de obras vizinhas (Almeida e Marques, 2010).
Neste contexto, o presente trabalho realizou o controle e avaliou o desempenho durante e após a construção do aterro de cabeceira da ponte sobre o Ribeirão Arraial, localizado no Km 30+460 da BR 470/SC em Gaspar, baseado em instrumentação geotécnica de campo, modelagens numéricas, e nos parâmetros geotécnicos de campo e laboratório, obtidos de uma ilha de investigação geotécnica situada no Km 30+480.
O aterro construído faz parte do Lote 02 do projeto de duplicação desta rodovia, contratado pelo DNIT e elaborado pela Empresa Prosul, onde foram adotadas soluções que visaram garantir a estabilidade (geogrelha, berma e construção em
etapas) e soluções para a aceleração dos recalques (geodrenos aliados a sobrecarga temporária).
Na obra de duplicação, durante a fase de execução e pós construção os aterros foram monitorados por placas de recalque para a avaliação das deformações verticais, e por inclinômetros e piezômetros para avaliar as deformações laterais e os excessos de poropressão.
A avaliação das deformações verticais em campo foi verificada pelo método de Asaoka (1978) enquanto os critérios de estabilidade foram balizados pelos métodos propostos em literatura brasileira, com ênfase ao Método dos Volumes Deslocados (SANDRONI et al 1989) e Análise de Distorções (ALMEIDA e MARQUES 2010).
As previsões de recalque foram realizadas pela teoria clássica de Terzaghi (1936) e por elementos finitos através do software PLAXIS 8.2. Para a verificação da estabilidade, foram realizadas análises por elementos finitos que foram comparadas as análises realizadas por equilíbrio limite, através do software Slide 5.0 da empresa Rocscience.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo geral
O objetivo geral desta pesquisa consiste em avaliar o comportamento frente a compressibilidade e estabilidade do aterro do Km 30+460 da BR 470/SC em Gaspar, executado sobre um depósito de argila mole com aproximadamente 18 m de espessura.
1.1.2 Objetivos específicos
Como objetivos específicos deste trabalho pode-se listar:
Analisar e interpretar os resultados das investigações geotécnicas executadas na ilha de investigação localizada no Km 30+480;
Elaborar o perfil geotécnico representativo para o depósito estudado localizado no Km 30+460;
Analisar as previsões de recalques pela teoria clássica e por elementos finitos, e confrontá-las com os resultados do monitoramento e do método de controle de Asaoka (1978);
Realizar análise da sensibilidade dos parâmetros geotécnicos de compressibilidade e permeabilidade das camadas moles do depósito, através de elementos finitos, visando identificar limites possíveis de deformação e tempo de ocorrência;
Avaliar a estabilidade do aterro por elementos finitos e por equilíbrio limite e também, confrontá-los com os resultados do monitoramento e dos métodos de controle.
1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Como estruturação do trabalho e orientação à leitura, destaca-se a seguir o desenvolvimento desta dissertação.
No capítulo 2 é apresentado um embasamento teórico contemplando os tipos de investigações geotécnicas; uma breve descrição a respeito de aterros sobre solos moles; uma revisão das teorias de adensamento de Terzaghi (1936), Barron (1948) e Carrillo (1942); algumas metodologias para aceleração de recalques; aspectos relevantes sobre instrumentação geotécnica e métodos de controle; modelagem numérica e Teoria dos Estados Críticos.
O capítulo 3 é dividido em duas partes: a primeira descreve um panorama geral do projeto e obra de duplicação do lote 2 da BR 470, com ênfase no aterro de cabeceira da ponte sobre o Ribeirão Arraial, localizado no Km 30+460 em Gaspar. Já na segunda parte do capítulo é apresentado o método de análise adotado neste trabalho.
O capítulo 4 descreve a sequência de análises para a definição do perfil geotécnico característico do ponto de estudo abordando as interpretações dos
ensaios de campo e laboratório, a avaliação dos parâmetros geotécnicos obtidos e comparando-os com a faixa de valores para depósitos regionais e nacionais.
No capítulo 5 incialmente é apresentada a interpretação dos dados do monitoramento geotécnico realizado através das placas de recalque e dos inclinômetros. Posteriormente são realizadas previsões de recalque pela teoria clássica de Terzaghi (1936) e por método numérico, através do software PLAXIS, juntamente com analises de sensibilidade dos parâmetros de compressibilidade e permeabilidade das camadas. Ainda, são apresentadas as análises de estabilidade realizadas por método numérico e equilíbrio limite.
No capítulo 6 são apresentadas as conclusões a cerca deste estudo e sugestões para trabalhos futuros.
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
2.1 INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
Uma campanha de investigações geotécnicas para o reconhecimento de um depósito de argila mole, segundo Almeida e Marques (2010), consiste em se realizar investigações preliminares para a determinação do perfil estratigráfico e investigações complementares, com o objetivo de definir os parâmetros geotécnicos das camadas moles, objetivando balizar as estimativas de recalque e análises de estabilidade. Dos tipos de investigações geotécnicas preliminares e complementares existentes na literatura, serão apresentadas aqui neste trabalho somente aquelas que foram realizadas no depósito Km 30+480 da BR 470.
Investigações Preliminares
Sondagens a percussão - SPT (Standard Penetration Test);
Determinação em laboratório do teor de umidade natural (w%) das camadas moles.
Investigações Complementares
Ensaios de Piezocone - CPTu; Ensaios de Palheta (Vanetest); Ensaios de adensamento; Ensaios Triaxiais (UU).
2.1.1 Sondagem a Percussão – SPT (Standard Penetration Test)
Normatizado em 1958 pela American Society for Testing and Materials (ASTM) e em 2001 no Brasil, pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT),
através da NBR 6484/2001, foi utilizada no projeto como investigação preliminar para a determinação do perfil estratigráfico do terreno natural.
Figura 1: Equipamento de ensaio SPT
Fonte: Schnaid e Odebrecht (2012)
2.1.2 Ensaio de Piezocone – CPT-u
Os ensaios de cone e piezocone segundo Schnaid e Odebrecht (2012), conhecidos pelas siglas CPT (Cone Penetration Test) e CPT-u (Piezocone Penetration
Test), podem ser utilizados para a determinação estratigráfica de perfis de solo,
determinação de propriedades geotécnicas dos materiais prospectados, em especial os depósitos de argilas moles, e a previsão da capacidade de carga de fundações.
De acordo com Knappett e Craig (2014), além de determinar diversos parâmetros geotécnicos dos materiais presentes no terreno, o ensaio pode complementar alguns ensaios de laboratório.
Normatizado pela NBR-12069/1991-MB 3406, o penetrômetro novamente segundo Knappett e Craig (2014) consiste em um elemento cilíndrico curto, com uma ponteira em formato cônico de ápice geralmente de 60º e área da seção transversal de 10 cm² que desce a uma velocidade padronizada de 2 mm/s.
A medida que o equipamento penetra no solo, são registrados continuamente:
Resistência de ponta (qc);
Atrito lateral (fs);
Excesso de poropressão (∆u);
Ensaio de dissipação (realizado com a paralisação da cravação da ponteira).
Dos dados do ensaio são obtidos diversos parâmetros geotécnicos dos solos através de correlações sendo descritos aqui e com maior detalhe no desenvolvimento deste capítulo.
Classificação dos solos (Soil Behavior Types - SBT); Peso específico dos materiais;
Histórico de tensões (OCR); Estado de tensões (K0);
Resistência não drenada (Su);
Coeficientes de adensamento horizontal (Ch) e vertical (Cv).
Comportamento dos solos – Soil Behavior Types (SBT):
Robertson et al. (1990) desenvolveram ábacos (Figura 2) para identificação do comportamento do solo a partir de parâmetros de ensaios de piezocone, conhecida como Soil Behavior Type (SBT).
Posteriormente, Jefferies e Davies (1993) modificaram a proposta de Robertson et al. (1990) para possibilitar a implementação dos ábacos em planilhas, sendo definida como índice de classificação do material (Ic = material classification index). Em 1998 Robertson e Wride propuseram uma simplificação no método do Ic
criando o índice de classificação do material (Icrw). Detalhes da aplicação dos métodos
podem ser encontrados em Schnaid e Odebrecht (2012).
Figura 2: Classificação dos solos proposta por Robertson (1990)
Fonte: Robertson (1990)
Neste trabalho foram realizadas classificações por ambos os métodos estando os resultados plotados na Figura 43.
As faixas de valores de Ic e IcRW para cada tipo de solo estão apresentadas na
Tabela 1 conforme sua faixa de comportamento.
Tabela 1: Classificação de solos em função do índice de classificação do material Ic e IcRW Classificação de Solo Zona Índice Ic Índice IcRW
Argilas orgânicas 2 Ic > 3,22 IcRW > 3,60
Argilas 3 2,82 < Ic < 3,22 2,95 < IcRW < 3,60
Misturas de siltes 4 2,54 < Ic < 2,82 2,60 < IcRW < 2,95
Misturas de areias 5 1,90 < Ic < 2,54 2,05 < IcRW < 2,60
Areias 6 1,25 < Ic < 1,90 1,31 < IcRW < 2,05
Areias com pedregulhos 7 Ic < 1,25 IcRW < 1,31
Solos sensitivos 1 NA ---
Peso específico dos materiais
Do ensaio CPTu é possível obter um perfil de peso específico natural das camadas de solo através da proposta de Robertson e Cabal (2015), apresentada na equação (01). Os autores salientam que tal parâmetro é melhor determinado através de coletas de amostras em tubos Shelby por exemplo e quando não for possível, pode-se estimá-lo pelos resultados do cone.
Ɣ
Ɣ𝑤 = 0,27. [log(𝑅𝑓)] + 0,36. [𝑙𝑜𝑔 𝑞𝑡
𝑃𝑎] + 1,236 (01)
Onde:
Ɣ – peso específico do solo Ɣw – peso específico da água
Rf – razão de atrito = (fs/qt)100%
Pa – pressão atmosférica
Histórico de tensões
A partir dos ensaios de adensamento e das correlações de Kulhawy e Mayne (1990) equação (02) e Chen e Mayne (1996) equação (03), podem ser obtidos os perfis de σ'vm e OCR ao longo da profundidade.
𝜎′𝑣𝑚 = 𝑘1. (𝑞𝑡− 𝜎𝑣0) (02)
𝜎′𝑣𝑚 = 𝑘2. (𝑞𝑡− 𝑢2) (03)
Os coeficientes K1 e K2 apresentados nas equações representam os
coeficientes de correlação propostos pelos autores. A Tabela 2 e Tabela 3 apresentam uma compilação de resultados de K1 e K2 das argilas brasileiras. A faixa de K1 na
Tabela 2 varia entre 0,143 a 0,333 enquanto na Tabela 3 o valor de K2 varia 0,265 a
Tabela 2 – Valores de K1 das argilas brasileiras
Referência K1 Local
Massad (2009) 0,333 Santo Amaro (SP)
Massad (2009) 0,333 Unisanta (SP)
Massad (2009) 0,256 Barnabé (SP)
Almeida et al. (2005 apud Massad, 2009) 0,290 Sarapuí (RJ) Futai, Almeida e Lacerda (2001 apud
Massad, 2009) 0,143 Duque de Caxias (RJ)
Coutinho, Oliveira e Oliveira (2000 apud
Massad, 2009) 0,222 Recife (PN) (RRS1) Camada 1
Coutinho, Oliveira e Oliveira (2000 apud
Massad, 2009) 0,244 Recife (PN) (RRS1) Camada 2
Brugger et al. (1997 apud Massad, 2009) 0,313 Sergipe (SE) TPS Oliveira et al. (2001 apud Massad, 2009) 0,263 Santa Catarina (SC) Odebrecht, Schnaid e Mantaras (2012) 0,180 Santos (SP)
Jannuzi (2009) 0,150 Sarapuí (RJ)
Baroni (2010) 0,150 Barra da Tijuca (RJ)
Soares (1997) 0,301 Porto Alegre (RS)
Teixeira, Sayão e Sandroni (2012) 0,200 Barra da Tijuca (RJ) Fonte: Modificada de Schnaid e Odebrecht (2012)
Tabela 3 – Valores médios de K2 das argilas brasileiras Referência Valor médio de K
2 Observação
Baroni (2010) 0,265 Argilas orgânicas muito moles da Barra da Tijuca - RJ Jannuzi (2009) 0,265 Argilas orgânicas muito moles d Sarapuí -
RJ
Soares (1997) 0,53 Argilas de Porto Alegre - RS Fonte: Modificada de Schnaid e Odebrecht (2012)
Valores de K1 segundo a prática internacional (Chen e Mayne (1996);
Robertson e Cabal (2015) encontram-se na faixa entre 0,1 a 0,5 com valor médio da ordem de 0,30 a 0,33. Para Robertson e Cabal (2015) valores de K1 mais elevados
são esperados em argilas muito pré-adensadas. Ainda, segundo os referidos autores, se no depósito analisado houver dados disponíveis de estudos anteriores, tais valores de K devem ser levados em consideração (caso consistentes) para ajuste do valor de K obtido no estudo corrente.
Para K2, ensaios realizados em diferentes países destacam valores de 0,5 a
0,6 segundo Schnaid e Odebrecht (2012). Em geral os valores recomendados situam-se próximo a K2=0,50 (Chen e Mayne, 1996; Konrad e Law, 1987; Demers e Leroueil,
2002), entretanto valores de K2 na ordem de 0,17 foram obtidos em argilas marinhas
Em trabalhos realizados nas argilas brasileiras Baroni (2016) encontrou resultados da ordem de 0,125 para K1 e 0,154 para K2 ao estudar as argilas da baixada
de Jacarépaguá.
Ao compilar dados de depósitos de argila mole da costa Brasileira Odebrecht et. al. (2012) verificou uma grande dispersão dos resultados de K1 causada por falta
de sensibilidade do cone para estimar o histórico de tensões e por resultados incoerentes de σ’vm obtidos de ensaios de adensamento com amostras de má
qualidade onde:
K1médio = 0,20 0,14 < K1<0,33 r²=0,47
Grando (2018) apresentou propriedades e parâmetros geotécnicos de diversos depósitos de argila mole em Santa Catarina, inclusive na BR 470, obtendo uma faixa de valores de 0,12 a 0,50 para K1 e 0,12 a 1,16 para K2.
De acordo com Sully et. al. (1999) o histórico de tensões pode ser classificado de acordo com a Tabela 4.
Tabela 4 – Histórico de tensões das argilas moles
Situação OCR Histórico de tensões
σ'vm < σ'v < 1 Em adensamento σ'vm = σ'v = 1 Normalmente adensado - NA σ'vm > σ'v 1 < OCR ≤ 4 Levemente pré-adensado - LPA σ'vm > σ'v 4 < OCR ≤ 10 Moderadamente pré-adensado - MPA σ'vm > σ'v 10 < OCR ≤ 25 Altamente pré-adensado - APA σ'vm > σ'v OCR > 25 Muito alto pré-adensado - MAPA
Fonte: Modificada de (Sully et. al. 1999)
Resistência não drenada (Su)
Segundo Schnaid e Odebrecht (2012) a resistência a penetração obtida no ensaio CPTu pode ser usada para uma estimativa da resistência ao cisalhamento não drenada das argilas (Su) através da equação (04), onde Nkt, fator de capacidade de
por correlação direta com (Su) medido em ensaios de laboratório (e.g. triaxial) ou
campo (e.g. palheta - Vane Test - NBR 10905-1989).
𝑆
𝑢= (
𝑞𝑡−𝜎𝑣0𝑁𝑘𝑡
)(04)
𝑁
𝑘𝑡= (
𝑞𝑡−𝜎𝑣0𝑆𝑢
)(05)
Onde:
σvo – tensão total vertical
Nkt – fator de capacidade de carga
Na prática, de acordo com diversas experiências, o valor de Nkt deve ser
obtido para cada depósito, em diversas profundidades, e atribuindo um valor médio para cada depósito (Almeida e Marques, 2010). Na Tabela 5 e Tabela 6 são apresentados os fatores de cone obtidos para as argilas brasileiras e para alguns depósitos de argila mole no estado de Santa Catarina.
Tabela 5 – Fatores de cone de argilas brasileiras
Autor LocaL/Solo Nkt Ensaios
Rocha Filho e Alencar
(1985) Sarapuí/RJ 10-15 Palheta
Danziger (1990) Sarapuí/RJ 8-12 Palheta Coutinho, Oliveira e
Danziger (1993) Recife/PE 10-15 UU e CIU Árabe (1995b) Quilombo/SP Vale 12-15 Palheta e CIU Soares, Schnaid e
Bica (1997)
Porto
Alegre/RS 8-16 Palheta Sandroni et al. (1997) Sergipe 14-18 Palheta e
CIU Batista e Sayão (1998) Salvador/BA 12-18 Palheta Fonte: Schnaid e Odebrecht (2012)
Tabela 6 – Fatores de cone de depósitos argilosos em Santa Catarina
Autor LocaL/Solo Nkt Ensaios
Magnani (2006) Florianópolis/SC 12 Palheta Gando (2018) - argilas inorgânicas BR 470/SC 4,9 – 19,2 Palheta e UU Gando (2018) - argilas orgânicas BR 470/SC 3,4 – 19,5 Palheta e UU Fonte: autor
2.1.3 Ensaio de palheta (Vanetest)
Utilizado para a determinação da resistência não drenada (Su) das argilas moles e completamente saturadas, cuja resistência se medida em laboratório, pode ser alterada de forma significativa pelo processo de amostragem e manipulação da amostra (Knappett e Craig, 2014).
Complementarmente, segundo Schnaid e Odebrecht (2012), pode-se obter informações quanto à história de tensões do solo através da razão de pré-adensamento (OCR).
Figura 3: Equipamento de ensaio de palheta
Fonte: DNER PRO – 381/98
Normatizado pela ABNT NBR-10905/1989, a realização do ensaio segundo Almeida e Marques (2010), consiste na rotação constante de 6° por minuto de uma palheta cruciforme em profundidades predefinidas Figura 3. Ainda, o valor de Su é influenciado por fatores como atrito mecânico, tipo da palheta, velocidade de rotação da palheta, plasticidade, amolgamento, heterogeneidade e anisotropia da argila e pela hipótese de ruptura adotada.
2.1.4 Ensaio de adensamento
A norma ABNT NBR -12007 /1990 descreve o ensaio:
O método requer que um elemento de solo, mantido lateralmente confinado, seja axialmente carregado em incrementos, com pressão mantida constante em cada incremento, até que todo excesso de pressão na água dos poros tenha sido dissipado. Durante o processo de compressão, medidas de variação da altura da amostra são feitas, e estes dados são usados no cálculo dos parâmetros que descrevem a relação entre a pressão efetiva e o índice de vazios, e a evolução das deformações em função do tempo.
2.1.5 Ensaio Triaxial UU
De acordo com Bodó e Jones (2017), neste ensaio o corpo de prova é cisalhado de maneira rápida, com impedimento da saída de água dos poros, simulando problemas reais de engenharia como por exemplo, a construção de estruturas sobre solos coesivos de baixa permeabilidade, onde não há tempo para dissipação das porpressões. Mais detalhes do ensaio podem ser encontrados na norma internacional ASTM D2850.
2.2 ATERROS SOBRE SOLOS MOLES
De maneira geral, os recalques do solo causados por carregamentos externos podem ser divididos em três categorias descritas a seguir.
Recalque inicial, imediato ou elástico (Δhi);
Recalque por adensamento primário (Δhp);
Recalque por compressão secundária (Δhsec).
Em materiais arenosos as deformações costumam ocorrer de maneira imediata.
Nestes materiais, deformações elásticas e plásticas se desenvolvem quase que instantaneamente, não sendo representativos os recalques por adensamento (primário e secundário) que acontecem ao longo do tempo.
Já em materiais argilosos, a deformação instantânea (Δhi) tende a ser elástica
e representa o comportamento não-drenado. Entretanto, as maiores parcelas de deformação são aquelas devido ao adensamento primário (Δhp) e secundário (Δhsec).
A Figura 4 apresenta a relação tempo x deformação vertical representativa de materiais de baixa permeabilidade, argilas.
Figura 4: Relação tempo x deformação vertical representativa de materiais de baixa permeabilidade, argilas.
Fonte: Gerscovich (2008)
2.3 EVOLUÇÃO DOS RECALQUES COM O TEMPO
Uma camada de solo saturado ao ser submetida a uma elevação de tensão, aumenta repentinamente a poropressão. Em solos arenosos, devido a sua boa permeabilidade, a drenagem causada pelo aumento na poropressão ocorre rapidamente. Entretanto, em um solo argiloso saturado, quando submetido a um acréscimo de tensão, o excesso de poropressão se dissipa lentamente ao longo do tempo, devido à baixa condutividade hidráulica das argilas.
Neste sentido, este capítulo apresenta, de forma sucinta, as teorias clássicas utilizadas na análise do processo de adensamento. Serão apresentadas a teoria de adensamento desenvolvida por TERZAGHI (1936) para drenagem vertical, a teoria de adensamento de BARRON (1948) para drenagem puramente radial e a teoria desenvolvida por CARRILLO (1942) referente à drenagem combinada radial e vertical.
2.3.1 Teoria de adensamento unidimensional de Terzaghi (1936) – Teoria clássica
A teoria de Terzaghi (1936) é também chamada de teoria clássica do adensamento, pode ser encontrada em diversas bibliografias da área e será aqui comentada visando destacar as diferenças da solução clássica unidimensional para as teorias de fluxo radial e fluxo combinado radial e vertical.
O estudo deste fenômeno de consolidação foi desenvolvido por Terzaghi (1936) através de uma analogia com um modelo hidromecânico (água-mola) conforme representado por Taylor (1948).
Algumas hipóteses simplificadoras foram admitidas no desenvolvimento desta teoria do adensamento:
O solo homogêneo;
O solo é completamente saturado; A compressão é unidimensional; O fluxo da água é unidimensional; É válida a lei de Darcy;
A compressibilidade dos grãos sólidos e da água são desprezíveis em relação à compressibilidade do solo;
O solo pode ser estudado como elementos infinitesimais, apesar de ser constituído de partículas e vazios;
As propriedades físicas do solo são admitidas constantes no processo de adensamento;
O índice de vazios varia linearmente com o aumento da tensão efetiva durante o processo de adensamento.
2.3.2 Teoria de adensamento de Barron (1948)
Para drenos verticais, desconsiderando a drenagem vertical na massa de solo, tem-se a drenagem radial pura, expressa na equação 06 (Almeida e Marques 2010). 𝜕𝑢 𝜕𝑡 = 𝑐ℎ[ 1 𝑟 𝜕𝑢 𝜕𝑟+ 𝜕2𝑢 𝜕𝑟2] (06)
Barron (1948) tomou como base a teoria de Terzaghi e Fölich (1936) desenvolvendo uma teoria de adensamento unidimensional com fluxo radial, aplicada em projetos com drenos de areia verticais.
Em seu trabalho Barron (1948) resolveu a equação para duas hipóteses:
Deformações verticais iguais – as cargas distribuídas na superfície não são uniformes durante o processo de adensamento e que os recalques na superfície são iguais e uniformes.
Deformações verticais livres – as cargas distribuídas na superfície permanecem constantes durante o processo de adensamento e que os recalques superficiais resultantes não são uniformes.
Assumindo a condição de deformações verticais iguais Barron (1948) resolveu a equação (06) para um cilindro de solo com dreno cilíndrico vertical, obtendo-se do grau de adensamento médio da camada Uh.
( ) 81
F n T h he
U
(07) 2 e h h d t c T (08) 75 , 0 ln ) ( w e d d n F (09) Onde:Uh – grau de adensamento devido ao fluxo radial;
Th – fator tempo horizontal;
F(n) – função relativa ao diâmetro de influência de um dreno e ao seu diâmetro efetivo;
de – diâmetro efetivo;
Para valores de n > 5 (caso dos geodrenos), as duas soluções são muito próximas. Sendo assim a condição de deformações verticais iguais é em geral a mais utilizada devido a sua simplicidade.
2.3.3 Adensamento para drenagem combinada radial e vertical – Teoria de Carrillo (1942)
O adensamento com fluxo tridimensional de acordo com Carrillo (1942) pode ser dividido em fluxo radial plano e fluxo linear vertical, pois correspondente ao caso de um elemento de solo submetido a uma compressão nas três direções dos eixos cartesianos originando uma redução de volume e fluxo de água nas três direções.
Desta forma, o grau de adensamento médio Uvh é encontrado através da
aplicação da equação 10, apresentada por Terzaghi (1943):
(1-U) = (1-Uv) (1-Uh) (10)
Onde
Uvh = porcentagem média de adensamento, devido à drenagem combinada
vertical e horizontal;
Uv = porcentagem média de adensamento devido à drenagem vertical;
Uh = porcentagem média de adensamento devido à drenagem radial.
Na determinação da porcentagem de adensamento vertical, utilizam-se as equações e ábacos fornecidos pela teoria de Terzaghi (1936). Já para o fluxo radial são utilizados ábacos específicos para esta condição, sendo Uh, calculado em função
do fator tempo radial (Tr) conforme a equação (11).
𝑇𝑅 =𝐶ℎ.𝑡 4𝑅² (11)
Onde
Ch = coeficiente de adensamento horizontal;
t = tempo;
Os coeficientes de adensamento vertical e horizontal do solo (Cv e Ch) podem
ser obtidos através de ensaios de laboratório ou campo. Em laboratório, o Cv é obtido
através do ensaio de adensamento. Em campo, o ensaio de dissipação, associado a execução do CPT-u pode ser utilizado para a obtenção de Ch.
No ensaio de dissipação a cravação do cone é interrompida em profundidades estabelecidas e as poropressões são dissipadas até atingir um mínimo de 50% de dissipação.
A relação Kh/Kv apresentada na Tabela 7 indica a razão de permeabilidade
em argilas.
Tabela 7 – Razão de permeabilidade das argilas
Natureza da argila kh / kv
Argilas homogêneas, sem macroestrutura 1,0 a 1,5 Macroestrutura definida, presença de
descontinuidades e lentes permeáveis 2,0 a 4,0 Depósitos com ocorrência de várias
camadas de material permeável 3,0 a 15 Fonte: Modificado de Ladd et al. (1977) e Jamiolkowski et al. (1985)
2.4 ACELERAÇÃO DE RECALQUES
Para atuar na aceleração das deformações verticais principalmente na fase de obra, o engenheiro pode fazer uso de alternativas como pré-carregamento com sobrecarga temporária (SCT) aliado ou não a drenagem vertical.
2.4.1 Sobrecarga temporária - SCT
De acordo com Almeida e Marques (2010) as sobrecargas tem como objetivo a aceleração dos recalques por adensamento primário e a compensação dos recalques secundários. Ainda, são classificadas em provisórias quando removidas ao final do adensamento previsto em projeto, ou permanentes quando incorporadas ao aterro na sua configuração final (Figura 5).
Para Massad (2010), em uma condição de SCT (sobrecarga temporária) o solo mole é submetido a um carregamento superior ao que ele estará submetido durante a vida útil da obra. Deste modo, além da aceleração de recalques (Figura 5), obtém-se também, um ganho de resistência do material.
Figura 5: Efeitos da atuação da sobrecarga temporária (SCT)
Fonte: Almeida e Marques (2010)
2.4.2 Aceleração com drenagem vertical e sobrecarga temporária
A introdução de drenos verticais proporciona a aceleração dos recalques, diminuindo o percurso de drenagem no interior da massa de solo compressível. Quando combinados com sobrecarga temporária, exploram ao máximo o benefício do adensamento acelerado (Almeida e Marques, 2010) (Figura 6).
Ainda, com a instalação dos drenos, o fluxo da água no interior da massa de solo muda sua direção, passando de predominantemente vertical para predominantemente horizontal (radial). A saída da água é coletada pelos colchões drenante.
Na Figura 7 é apresentado um esquema de instalação dos geodrenos em uma camada de argila mole onde é possível identificar, o colchão drenante de areia necessário ao escoamento das águas provenientes dos drenos; o equipamento de cravação com mandril e a sobrecarga temporária.
Figura 6: Aterro sobre drenos verticais e detalhe de um geodreno
Fonte: Marques (2014).
Figura 7: Detalhe esquemático de instalação de geodrenos em argila mole
Fonte: Almeida e Marques (2010).
A Figura 8 ilustra a partir de dados de monitoramento de aterros construídos sobre depósitos de argila mole, uma comparação da evolução dos recalques no decorrer do tempo, com e sem drenos verticais. Percebe-se nesta figura que ao serem utilizados os drenos a consolidação ocorre de maneira muito mais rápida do que sem os drenos.
Figura 8: Evolução dos recalques com e sem a instalação de geodrenos
Fonte: Perboni (2013).
Para o dimensionamento de geodrenos são empregadas as teorias de adensamento vertical de Terzaghi (1936), de adensamento puramente radial de Barron (1948) e a teoria de Carrillo (1942), para adensamento com drenagem combinada (radial e vertical), conforme descrito no capítulo 2.2.
Segundo Oliveira e Almeida, (2004), a drenagem combinada, geralmente é adotada em termos práticos quando a camada de argila mole possuir espessura inferior a 10 m.
2.5 INSTRUMENTAÇÃO GEOTÉCNICA
Tão importante quanto a fase de projeto, o monitoramento e o controle dos aterros na fase de obra tornam-se imprescindíveis para o bom desempenho durante e após a sua execução, pois é através dele que serão aferidos e reavaliados os parâmetros e as premissas de projeto.
De acordo com Dunnicliff (1993) a instrumentação possibilita verificar a segurança da obra durante e após a construção, permitindo que medidas corretivas sejam realizadas, caso necessárias.
Ainda, as informações obtidas com os dados dos instrumentos permitem o aprimoramento dos métodos de projeto e das técnicas de construção.
A norma DNER PRO-381/98 destaca os objetivos principais de uma campanha de instrumentação geotécnica em aterros rodoviários:
Acompanhar os recalques e verificar o tempo de permanência de uma sobrecarga temporária;
Monitorar poropressões geradas durante a construção e a sua velocidade de dissipação;
Acompanhar os efeitos de deslocamentos horizontais provocados por um aterro sobre solo mole;
Monitorar a estabilidade da obra em casos críticos; Verificar a adequação de um método construtivo.
Para DNER/IPR (1990) os principais objetivos da instrumentação são: Detecção de perigo iminente de ruptura;
Obtenção de informações vitais (deslocamentos, verticais, horizontais etc.) durante a construção;
Avaliação do comportamento de medidas corretivas (por exemplo reforço de fundação);
Melhoria do método construtivo; Acumulação da experiência local; Prova judicial;
Avaliação de modelo matemático e de mecanismos de comportamento.
Almeida e Marques (2010) também complementam destacando outras finalidades da realização de uma instrumentação:
Verificação de critérios adotados em projeto; Auxiliar o planejamento da obra;
Avaliar deslocamentos horizontais que ponham em risco obras vizinhas.
Na Tabela 8 são listados os principais instrumentos de monitoramento costumeiramente adotados em obras de aterros sobre solos moles e suas grandezas medidas: deslocamentos verticais e horizontais, poropressão e resistência do reforço.
Tabela 8 – Instrumentos utilizados em monitoramento de aterros sobre solos moles
Grandeza medida Tipo de instrumento
Deslocamentos verticais Placas de recalque Extensômetros Perfilômetros Referência de nível (Benchmark) Deslocamentos horizontais Inclinômetros Poropressão Piezômetro de Casagrande Piezômetro Elétrico Resistência do reforço Extensômetro elétrico de
geogrelha Fonte: Autor
O monitoramento de aterros é um assunto muito debatido, estando disponíveis na literatura diversas referências consagradas nacional e internacionalmente (e.g. Almeida e Marques 2010, Ortigão 1980 Hannah 1984, Dunnincliff, 1988).
A seguir faz-se uma descrição apenas dos instrumentos utilizados para o controle dos aterros do lote 02 da BR 470.
Placas de Recalque
Os deslocamentos verticais podem ser medidos através de placas de recalque (Figura 9) que devem ser instaladas antes do início dos aterros no contato entre o aterro e o terreno natural. Compõem-se de uma base quadrada que pode ser de aço, concreto armado ou compensado naval, que se conectada um tubo metálico, ou de PVC. As leituras das placas são efetuadas através de nivelamento geométrico referenciados a marcos (referência de nível) instalados fora da área de influência do aterro.
Figura 9: Detalhe esquemático de uma placa de recalque
Fonte: Marques (2014)
Inclinômetros
Para medir os deslocamentos horizontais são utilizados os inclinômetros, que se constituem em tubos de plástico ou alumínio com cerca de 80 mm de diâmetro; ranhurados diametralmente em posições opostas e são instalados em um furo de sondagem de diâmetro mínimo de 100 mm; e permitem o monitoramento das deformações horizontais do solo em profundidade a partir das leituras de variações angulares. Os inclinômentos podem ser do tipo fixo ou móvel. O fixo consiste numa seqüência de sensores de inclinação ligados por hastes articuladas, os quais são instalados de forma permanente em um tubo guia inserido no terreno. As leituras são automatizadas onde cada sensor é ligado a um datalogger que envia os dados a uma estação de controle de acordo com um período de tempo pré-determinado.
Quanto ao inclinômetro móvel, este se constitui de um torpedo (sensor), cabo de leitura e tubo guia (flexível), onde os deslocamentos horizontais são registrados em duas direções ortogonais (direção A e B) pela passagem do torpedo no tubo guia ao longo do comprimento do equipamento, (Figura 10). É o mais utilizado devido à possibilidade de leituras contínuas de todo o perfil. Os equipamentos mais modernos possuem dois acelerômetros, um na direção A e outro na direção B, de modo que o sensor é descido duas vezes apenas em uma direção.
Figura 10: Detalhe esquemático de um inclinômetro móvel
Fonte: Dienstmann (2011)
Piezômetros
Os excessos de poropressão gerados pela construção de um aterro e a sua respectiva velocidade de dissipação são medidos através da instalação de piezômetros do tipo Casagrande ou Elétrico.
O Piezômetro de tubo aberto ou Piezômetro Casagrande é o mais simples e o mais utilizado. Consiste num tubo vertical, com extremidade perfurada, onde o fluxo de água entre o solo e o tubo é permitido até a equalização de tensões na água. Apresenta boa confiabilidade, porém, um elevado tempo de resposta.
Já os piezômetros elétricos, pneumáticos e de cordas vibrantes apresentam boa precisão e facilidade de leitura. Seu funcionamento baseia-se no equilíbrio de pressões em um diafragma sendo que no elétrico, as poropressões são monitoradas por um transdutor elétrico.
Nos piezômetros pneumáticos a leitura das pressões neutras são registradas pela pressão que confina um gás em equilíbrio. Por último, no piezômetro de corda vibrante a medição das poropressões ocorre por uma corda tensionada conectada a um diafragma, onde qualquer deslocamento deste provoca uma alteração na tensão da corda e consequentemente, o registro de uma leitura.
