Solos de fundação reforçados com colunas de jet grout encabeçadas por plataformas multi-reforçadas com geossintéticos

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S

OLOS DE FUNDAÇÃO REFORÇADOS

COM COLUNAS DE JET GROUT

ENCABEÇADAS POR PLATAFORMAS

MULTI

-

REFORÇADAS COM

GEOSSINTÉTICOS

M

ARCO

A

NTÓNIO DA

S

ILVA

G

ONÇALVES

Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES

Orientador: Professor Doutor José Manuel Leitão Borges

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Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446

miec@fe.up.pt

Editado por

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias

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Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil -

2011/2012 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2012.

As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.

Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor.

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Solos de Fundação Reforçados com Colunas de Jet Grout Encabeçadas por Plataformas Multi-Reforçadas com Geossintéticos

À vida, que é bela

O conhecimento torna a alma jovem e diminui a amargura da velhice. Colhe, pois, a sabedoria. Armazena suavidade para o amanhã. Leonardo Da Vinci

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AGRADECIMENTOS

Deseja o autor expressar o seu especial agradecimento a todos os que de alguma forma contribuíram para a realização e concretização do presente trabalho, em particular:

- Ao Professor Doutor José Manuel Leitão Borges, orientador desta tese, pela inexcedível disponibilidade e interesse durante a elaboração deste trabalho, tendo acompanhado com grande entusiasmo o desenrolar do trabalho, com ensinamentos e sugestões oportunas;

- Aos meus amigos e colegas, que estiveram de certa forma presentes no desenrolar da elaboração deste trabalho;

- E, por fim, aos meus pais, à minha avó, ao meu padrinho e irmão, aqueles que estiveram mais próximos ao longo deste tempo, na realização de certos objetivos pessoais.

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RESUMO

A presente dissertação pretende contribuir para um melhor conhecimento da técnica de aterros sobre solos moles reforçados com colunas de jet grout encabeçadas por uma plataforma de transferência de carga (PTC) multi-reforçada com geossintéticos, bem como do seu comportamento evolutivo no tempo resultante do processo de consolidação associado a um carregamento exterior materializado pela construção da plataforma (aterro multi-reforçado) e de uma instalação industrial.

Esta tecnologia é uma das mais adequadas quando se pretende que a construção seja rápida e os assentamentos (totais e diferenciais) sejam mínimos.

É realizada uma breve revisão bibliográfica que engloba os aspetos essenciais das obras sobre solos moles reforçados com colunas e plataforma de transferência de carga, da técnica de jet grouting e dos geossintéticos.

É utilizado um programa de cálculo bidimensional, baseado no método dos elementos finitos, que permite proceder a análises de consolidação através de uma formulação acoplada mecânica-hidráulica (extensão da teoria de Biot), na qual o comportamento constitutivo do solo é definido em termos de tensões efetivas. Para a modelação do comportamento do solo utiliza-se um modelo constitutivo elastoplástico não linear, baseado na Mecânica dos Solos dos Estados Críticos (modelo p-q-θ). Com a utilização deste programa, estuda-se numericamente um problema base. O comportamento da obra é analisado tanto durante a fase construtiva como no período de consolidação.

Posteriormente, realizam-se diversas análises paramétricas com o objetivo de compreender a influência de alguns parâmetros no comportamento global da obra, designadamente a disposição em planta das colunas de jet grout, a deformabilidade das colunas, o número de níveis de geossintéticos no corpo do aterro e a rigidez à tração do geossintético.

Por fim, enunciam-se algumas conclusões de carácter geral decorrentes do trabalho elaborado e sugerem-se vias para futuros trabalhos.

PALAVRAS-CHAVE: solos moles, plataforma de transferência de carga multi-reforçada, colunas de jet grout, geossintéticos, modelação numérica.

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ABSTRACT

This thesis aims to contribute to a better understanding of the technique of embankments on soft soils reinforced with jet grout columns headed by a load transfer platform (LTP), multi-reinforced with geosynthetics, as well as their time-dependent behaviour determined by the consolidation process associated to a load due to the platform (multi-reinforced embankment) and an industrial construction. This technology is one of the most adequate solutions when one aims that the construction is rapid and the settlements are minimum.

A brief literature review is presented on essential issues of the jet grout column-supported embankments on soft soils with load transfer platforms, of the jet grouting technology and of the geosynthetics.

A two-dimensional computer program is used, which allows to perform consolidation analyses with a coupled formulation (extension of Biot theory) where constitutive behaviour of soil is defined in terms of effective stress. The p-q-θ critical state model is used for constitutive behaviour of soil. With this program, a baseline case is studied, both during and after the construction period.

In addition, parametric analyses are performed in order to understand the influence of several parameters on the overall behaviour of the problem, namely the plan distribution of the jet grout columns, the column deformability, the number of geosynthetic levels and geosynthetic tensile stiffness.

Finally, overall conclusions are put forward and avenues for future work are indicated.

KEYWORDS: soft soils, multi-reinforced load transfer platform, jet grout columns, geosynthetics, numerical modelling.

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Solos de Fundação Reforçados com Colunas de Jet Grout Encabeçadas por Plataformas Multi-Reforçadas com Geossintéticos ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ... iii ABSTRACT ... v

1. INTRODUÇÃO

... 1

2. ATERROS SOBRE SOLOS MOLES REFORÇADOS COM

COLUNAS ENCABEÇADAS POR PLATAFORMAS DE

TRANSFERÊNCIA DE CARGA... 3

2.1.ATERROS SOBRE SOLOS MOLES REFORÇADOS ... 3

2.2. ATERROS SOBRE SOLOS MOLES REFORÇADOS COM COLUNAS ENCABEÇADAS POR GEOSSINTÉTICOS ... 4

2.3.TIPOS DE COLUNAS ... 6

2.4.PLATAFORMAS DE TRANSFERÊNCIA DE CARGA (PTC) ... 7

2.4.1. PTCCONVENCIONAL GRANULAR NÃO-REFORÇADA ... 8

2.4.2.PTC EM BETÃO (RÍGIDA) ... 8

2.4.3.PTC COM GEOSSINTÉTICO FUNCIONANDO COMO MEMBRANA (CABO, CATENÁRIA) ... 8

2.4.4.PTC EM VIGA FLEXÍVEL REFORÇADA COM GEOSSINTÉTICOS (MÉTODO DE COLLIN) ... 9

2.5.EXEMPLO DE UMA OBRA COM APLICAÇÃO DE UMA (PTC)REFORÇADA ... 10

3. JET GROUTING

... 13

3.1.INTRODUÇÃO ... 13

3.2.DESCRIÇÃO DA TÉCNICA DE JET GROUTING ... 13

3.2.1.VANTAGENS E DESVANTAGENS DA TÉCNICA DE JET GROUTING ... 14

3.2.2.PROCEDIMENTO ... 15

3.2.3.EQUIPAMENTOS E MATERIAIS ... 16

3.2.4.CONTROLO DA QUALIDADE ... 18

3.3.SISTEMAS DE JET GROUTING ... 20

3.4.PRINCIPAIS PARÂMETROS INTERVENIENTES NO PROCEDIMENTO DE JET GROUTING ... 24

(12)

3.5.INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS SOBRE AS CARACTERÍSTICAS FINAIS DO MATERIAL TRATADO

... 27

3.5.1.DIMENSÃO DAS COLUNAS ... 28

3.5.2.RESISTÊNCIA MECÂNICA DO MATERIAL TRATADO ... 29

3.5.3.DEFORMABILIDADE ... 31

3.5.4.PERMEABILIDADE ... 31

3.6.APLICAÇÕES... 31

4. GEOSSINTÉTICOS

... 35

4.2.MATERIAIS E TIPOS DE GEOSSINTÉTICOS ... 36

4.3.CLASSIFICAÇÃO DOS GEOSSINTÉTICOS ... 37

4.3.1.GEOCÉLULAS ... 39 4.3.2.GEOGRELHAS ... 39 4.3.3.GEOCOMPÓSITOS ... 40 4.3.4.GEORREDES ... 40 4.3.5.GEOTÊXTEIS ... 41 4.3.6.GEOMEMBRANAS ... 42 4.3.7.GEOTUBOS ... 42

4.4.FUNÇÕES DOS GEOSSINTÉTICOS ... 42

4.4.1.DRENAGEM ... 43

4.4.2.FILTRAGEM ... 44

4.4.3.PROTEÇÃO ... 45

4.4.4.REFORÇO ... 45

4.4.5.SEPARAÇÃO ... 47

4.4.6.CONTROLO DE EROSÃO SUPERFICIAL ... 48

4.4.7.BARREIRA DE FLUIDOS ... 48

4.5.PROPRIEDADES DOS GEOSSINTÉTICOS ... 49

4.6.REFORÇO DE SOLOS ... 50

4.6.1.GEOSSINTÉTICOS USADOS NO REFORÇO DE SOLOS ... 50

4.6.2.CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DOS GEOSSINTÉTICOS... 51

4.7.INTERAÇÃO SOLO -GEOSSINTÉTICO ... 52

(13)

5. ESTUDO BASE

... 57

5.2.MODELO NUMÉRICO ... 57

5.2.1.CONSIDERAÇÕES GERAIS ... 57

5.2.2.CONSOLIDAÇÃO EM MEIOS POROSOS DEFORMÁVEIS ... 58

5.2.3.COMPORTAMENTO CONSTITUTIVO DOS SOLOS/MODELO p-q-θ ... 60

5.3.ESTUDO BASE ... 62

5.3.1.INTRODUÇÃO ... 62

5.3.2.DESCRIÇÃO DO PROBLEMA BASE ... 62

5.3.3.ANÁLISE DE RESULTADOS ... 69 5.3.3.1. Introdução ... 69 5.3.3.2. Deslocamentos ... 69 5.3.3.3. Tensões ... 81

6. ANÁLISES PARAMÉTRICAS ... 103

6.1.INTRODUÇÃO ... 103

6.2.INFLUÊNCIA DA DISPOSIÇÃO DAS COLUNAS DE JET GROUT ... 105

6.2.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 105

6.2.2.DESLOCAMENTOS ... 105

6.2.3.FORÇA DE TRAÇÃO NOS GEOSSINTÉTICOS ... 109

6.2.4.COEFICIENTE DE EFICÁCIA DO SISTEMA ... 110

6.2.5.EXCESSOS DE PRESSÕES NEUTRAS ... 111

6.2.6.TENSÃO EFETIVA VERTICAL ... 113

6.2.7.NÍVEIS DE TENSÃO ... 113

6.3.INFLUÊNCIA DO MÓDULO DE DEFORMABILIDADE DAS COLUNAS ... 115

(14)

6.5.INFLUÊNCIA DA RIGIDEZ À TRAÇÃO DO GEOSSINTÉTICO ... 134

6.5.3.FORÇA DE TRAÇÃO E EXTENSÃO NOS GEOSSINTÉTICOS ... 138

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

... 143

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ÍNDICE DE FIGURAS

Fig.2.1 – Estados limite últimos para aterros sobre estacas/colunas (BS8006, 1995) ... 5 Fig.2.2 – Estados limite de serviço para aterros sobre estacas/colunas (BS8006, 1995) ... 6 Fig.2.3 – Diferentes tipos de plataformas de transferência de carga: a) PTC granular não-reforçada; b) PTC reforçada em betão armado; c) PTC com geossintético funcionando como membrana (em catenária) e d) PTC em viga flexível reforçada com geossintéticos (adaptado de Abdullah, 2006) ... 7 Fig.2.4 – Aterro suportado por colunas apoiado por uma plataforma de transferência de carga (PTC) reforçado com geossintéticos, (adaptado de Collin et al., 2005) ... 9 Fig.2.5 – Planta de localização e perfil geológico (Maranha das Neves et al., 2007) ... 10 Fig.2.6 – Soluções adotadas nas fundações dos edifícios B e C (Maranha das Neves et al., 2007) ... 11 Fig.2.7 – Solução adotada nas fundações do edifício do corpo D e mecanismo das geogrelhas (Maranha da Neves et al., 2007) ... 11 Fig.3.1 – Limites para técnicas de grouting, adaptado de (http://www.kellerge.com.au) ... 15 Fig.3.2 – Pormenor da injeção: coroa e respetivos jatos (http://polbud-pomorze.pl) e (http://www.cement.org) ... 15 Fig.3.3 – Etapas de execução de jet grouting: a) introdução da vara até a profundidade predefinida; b) elevação da vara com bombagem simultânea da calda; c) repetição do processo (http://www.kellerge.com.au) ... 16 Fig.3.4 – Esquema de estaleiro necessário à realização da técnica jet grouting (Ribeiro, 2010) ... 16 Fig.3.5 – Equipamentos: a) silo; b) misturadora da calda; c) bomba de injeção (http://www.dashofer.pt) ... 17 Fig.3.6 – Estaleiro da técnica jet grouting em zona urbana (http://www.smetboring.be)... 17 Fig.3.7 – Qualidade e controlo: a) registo dos parâmetros de jet grout; b) medição hidrofone; c) monitoramento de movimentos em estruturas adjacentes; d) ensaio de resistência à compressão simples (http://www.bilfinger.com)... 18 Fig.3.8 – Sistemas de jet grouting, adaptado de (http://www.kellerge.com.au) ... 20 Fig.3.9 – Pormenores da parte inferior da sonda dos sistemas de jet grouting (http://www.boartlongyear.com) ... 21 Fig.3.10 – Aplicação do “super jet grouting” (http://www.haywardbaker.com) e seu esquema (Keller, 2005) ... 21 Fig.3.11 – Geometrias: a) painel de colunas e em folhas; b) laje; c) bloco de colunas (http://polbud-pomorze.pl) ... 22 Fig.3.12 – a) aplicação da técnica em edifícios degradados (http://www.emabrt.hu); b) pormenor técnico da vara JET 3 (http://www.kellergrundbau.com) ... 24 Fig.3.13 – a) aplicação em um túnel numa estação de tratamento de águas (http://www.haywardbaker.com); b) reforço do solo de uma estrada (http://www.malcolmdrilling.com)26

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Fig.3.14 – Limites máximos e mínimos do diâmetro de colunas realizadas em solos incoerentes

(Carreto, 2000) ... 28

Fig.3.15 – Limites máximos e mínimos do diâmetro de colunas realizadas em solos coesivos (Carreto, 2000) ... 29

Fig.3.16 – Recolha de amostras (http://www.malcolmdrilling.com) e colunas teste para contenção de solos arenosos (http://www.kellergrundbau.com) ... 30

Fig.3.17 – Requalificação da pista do aeroporto de Sidney e Reforço do solo do centro urbano de Amesterdão (http://www.bilfinger.com) ... 31

Fig.4.1 – Classificação dos geossintéticos de acordo com a sua estrutura (Pinho Lopes, 2005) ... 38

Fig.4.2 – Exemplos de amostras de geossintéticos (http://www.lnec.pt) ... 38

Fig.4.3 – Sistema com geocélulas (http://www.geofabrics.com.au) ... 39

Fig.4.4 – Aplicação de geogrelhas uniaxial e biaxial (http://www.tensar.co.uk)... 39

Fig.4.5 – Aplicação de geocompósitos geossintéticos e argilosos (http://www.geofabrics.com.au) .... 40

Fig.4.6 – Amostras de georrede com 3 camadas e de georrede fina (http://www.geofabrics.com.au) 40 Fig.4.7 – Aplicação de geotêxteis não-tecidos (http://www.geofabrics.com.au) ... 41

Fig.4.8 – Processo de fabrico de geotêxteis, adaptado de (http://www.ttna.com.au) e (http://eng.monash.edu.au) ... 41

Fig.4.9 – Amostras de geotêxteis tecidos e não tecidos (http://www.geofabrics.com.au) ... 41

Fig.4.10 – Aplicação de geomembranas (http://www.firestonebpe.com) e (http://www.tratolixo.pt) ... 42

Fig.4.11 – Aplicação de geotubos (http://www.geofixsl.com) e (http://www.tencate.com) ... 42

Fig.4.12 – Casos típicos de aplicação de geossintéticos com funções de drenagem (Borges, 1995): a) barragens de terra; b) dreno entre duas geomembranas para recolha de fluidos; c) sistema de revestimento de tuneis; d) muros de suporte ou encontros de pontes; e) aterros saturados; f) aterro sobre solos moles saturados; g) drenos verticais para aceleração da consolidação de solos argilosos moles ... 43

Fig.4.13 – Casos típicos de aplicação de geossintéticos com funções de filtragem (Borges, 1995): a) valas drenantes de areia; b) tubagens perfuradas envolvidas com geotêxtil; c) filtros entre solos e gabiões; d) filtros entre as duas zonas de uma barragem de terra e enrocamento; e) filtros entre um aterro permeável e solos moles de fundação; f) proteções de margens de rios, ribeiros, canais de irrigação, etc.; g) filtros para prevenção da erosão da base de escavações, abaixo do nível freático . 44 Fig.4.14 – Casos típicos de aplicação de geossintéticos com funções de proteção (Borges, 1995): a) proteção de geomembranas, por geotêxteis, para evitar que sejam perfuradas pela ação de pedras afiadas; b) proteção de geomembranas, por geotêxteis, para obviar a que sejam danificadas pelos solos ou drenos de areia sobrejacentes; c) proteção de pavimentos asfálticos novos, por geotêxteis, por forma a minimizar ou atrasar a propagação de fendas do pavimento pré-existente; d) proteção superficial de taludes contra a erosão, face as agressões meteorológicas ... 45 Fig.4.15 – Casos típicos de aplicação de geossintéticos com funções de reforço (Borges, 1995): a) geossintéticos colocados sobre fendas; b) geotêxteis em estradas não pavimentadas (ação de membrana) para minorarem o levantamento dos solos da base; c) geossintéticos na base de aterros sobre solos argilosos moles; d) geossintéticos em taludes de aterros; e) estruturas de suporte

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constituídas por solos reforçados com faces de betão; f) estruturas de suporte constituídas por solos reforçados; g) geossintéticos em aterros sobre aberturas (passagens subterrâneas, condutas,

cavidades, etc.) ... 46

Fig.4.16 – Casos típicos de aplicação de geossintéticos com funções de separação (Borges, 1995): a) geotêxtil colocado entre o balastro de uma via-férrea e o solo de fundação; b) geotêxtil colocado na base de um pavimento térreo (armazéns, áreas de trabalho, estacionamento, etc.); c) geotêxtil colocado entre camadas distintas de uma estrada não pavimentada; d) geotêxtil colocado entre camadas distintas de uma estrada pavimentada; e) geotêxtil colocado debaixo de água entre solos lodosos (base) e blocos de enrocamento, na construção de diques ou de aterros entre diques; f) geotêxtil colocado entre uma fundação de solos finos e um aterro de solos granulares ... 47

Fig.4.17 – Prensa mecânica utilizada no ensaio da resistência à tração de um geotêxtil (http://eng.monash.edu.au) ... 50

Fig.4.18 – Exemplos de geogrelhas (http://www.geofoco.com.br) e (http://www.huesker.com) ... 50

Fig.4.19 – Comportamento à tração de diferentes geotêxteis (McGown et al., 1981) ... 51

Fig.4.20 – Curvas tração-deformação de geossintéticos: a) geotêxteis tecidos e não tecidos; b) geogrelhas extrudidas uniaxiais e biaxiais (Lopes, 1992) ... 52

Fig.4.21 – Mecanismos de interação solo-geogrelha: a) atrito lateral; b) impulso passivo nas barras transversais da geogrelha (Jewell et al., 1984) ... 53

Fig.4.22 – Geometria de uma grelha, (adaptado de Jewell, 1996) ... 53

Fig.4.23 – Reforço de solos com aplicação de um ou mais níveis de geossintéticos (http://www.geofabrics.com.au) ... 54

Fig.4.24 – Aplicação e operação de corte de geogrelhas ... 55

Fig.5.1 – Elementos geométricos finitos utilizados no modelo numérico: a) 12 incógnitas-deslocamentos e 3 incógnitas-excessos de pressão neutra; b) 12 incógnitas-incógnitas-deslocamentos e 0 incógnitas-excessos de pressão neutra; c) 6 incógnitas-deslocamentos ... 59

Fig.5.2 – a) Superfícies de cedência e de estados críticos do modelo p-q-θ no espaço das tensões principais efetivas; b) superfícies de cedência do modelo p-q-θ no referencial (p,q); c) endurecimento (trajetória de tensões 1-2); d) amolecimento (trajetória de tensões 3-4) (Borges, 1995) ... 61

Fig.5.3 – Representação esquemática do estudo base ... 63

Fig.5.4 – Representação esquemática do problema a estudar ... 64

Fig.5.5 – Representação da malha completa do problema base ... 64

Fig.5.6 – Malha de elementos finitos (ao longo do processo construtivo do aterro e da laje) ... 65-66 Fig.5.7 – Configuração das deformadas em diversos instantes de tempo ... 70

Fig.5.8 – Assentamento na base do aterro (z=0), no período de construção do aterro ... 72

Fig.5.9 – Assentamento na base do aterro (z=0), no período de aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) ... 72

Fig.5.10 – Assentamento na base do aterro (z=0), no período de consolidação ... 72

Fig.5.11 – Evolução temporal do assentamento no centro da coluna1 (x=0), na interface coluna1-solo mole (x=0,55 m), e no ponto intermédio coluna1-coluna2 (x=2,05 m), para a profundidade z=0 m ... 73

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Fig.5.12 – Evolução temporal dos assentamentos em pontos da área de influência da coluna 2 (a); da coluna 3 (b); da coluna 4 (c); da coluna 5 (d), para a profundidade z=0 m ... 74 Fig.5.13 – Deslocamentos verticais, no final da construção do aterro (2,5 semanas) ... 76 Fig.5.14 – Deslocamentos verticais, no final da aplicação da carga (20 kPa) relativa à instalação fabril (7 meses) ... 76 Fig.5.15 – Deslocamentos verticais, no final da consolidação (10 anos) ... 76 Fig.5.16 – Evolução temporal dos assentamentos à superfície do aterro, z=-1,5 m (superfície de fundação do edifício industrial) ... 77 Fig.5.17 – Evolução temporal dos assentamentos à superfície do aterro, z=-1,5 m para os alinhamentos x=0,0 m e x=14,5 m, e do assentamento diferencial entre eles ... 78 Fig.5.18 – Deslocamentos verticais, no nível de geossintético a 0,0 m da base do aterro, ao longo do tempo ... 79 Fig.5.19 – Deslocamentos verticais, no nível de geossintético a 0,30 m da base do aterro, ao longo do tempo ... 79 Fig.5.20 – Deslocamentos verticais, no nível de geossintético a 0,60 m da base do aterro, ao longo do tempo ... 80 Fig.5.21 – Deslocamentos verticais, no nível de geossintético a 0,90 m da base do aterro, ao longo do tempo ... 80 Fig.5.22 – Deslocamentos verticais, no nível de geossintético a 1,20 m da base do aterro, ao longo do tempo ... 80 Fig.5.23 – Excessos de pressão neutra durante a fase de construção do aterro ... 81 Fig.5.24 – Excessos de pressão neutra durante a fase correspondente à instalação industrial (7 meses) e durante a consolidação ... 83 Fig.5.25 – Acréscimo da tensão efetiva vertical, σ´v no período construtivo do aterro ... 85 Fig.5.26 – Acréscimo da tensão efetiva vertical, σ´v durante e após a fase relativa à instalação industrial (7 meses), até ao final da consolidação ... 86 Fig.5.27 – Incremento de tensão efetiva vertical na base do aterro, z=0 m, durante: a) fase construtiva do aterro; b) fase de aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial); c) fase de consolidação .. 88 Fig.5.28 – Incremento de tensão efetiva vertical à profundidade, z=0,5 m, durante: a) fase construtiva do aterro; b) fase de aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial); c) fase de consolidação .. 89 Fig.5.29 – Incremento de tensão efetiva vertical à profundidade, z=1,0 m, durante: a) fase construtiva do aterro; b) fase de aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial); c) fase de consolidação .. 90 Fig.5.30 – Tensão horizontal total nas faces da coluna 5, ao longo do tempo ... 91 Fig.5.31 – Evolução da tensão tangencial em profundidade ao longo da interface coluna/solo, no final da consolidação ... 92 Fig.5.32 – Níveis de tensão na fase construtiva do aterro ... 94 Fig.5.33 – Níveis de tensão durante e após a fase de aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial), até ao final da consolidação ... 95

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Fig.5.34 – Níveis de tensão aos 15 anos ... 96 Fig.5.35 – Cruzetas de tensões principal efetivas no final da fase construtiva da instalação fabril (7 meses) ... 97 Fig.5.36 – Cruzetas de tensões principal efetivas no final da consolidação ... 98 Fig.5.37 – Força de tração nos diversos níveis de geossintéticos para o final da consolidação, em função da distância ao eixo de simetria ... 99 Fig.5.38 – Extensão nas diversas plataformas de geossintéticos para o final da consolidação, em função da distância ao eixo de simetria ... 100 Fig.5.39 – Evolução temporal do coeficiente de eficácia do sistema de reforço, durante: a) período de construção do aterro e da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial); b) período total ... 102 Fig.6.1 – Representação esquemática dos casos estudados: a) cálculo A0; b) cálculo A1... 105 Fig.6.2 – Assentamentos na base do aterro (z=0), no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no fim da consolidação, para os dois cálculos em estudo ... 106 Fig.6.3 – Assentamento máximo na base do aterro (z=0), no final da consolidação, para os dois cálculos de estudo ... 107 Fig.6.4 – Evolução temporal dos assentamentos máximos no solo mole e coluna na base do aterro, para os dois cálculos de estudo ... 107 Fig.6.5 – Assentamentos no topo do aterro (z=-1,5 m), no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no final da consolidação, para os dois cálculos em estudo ... 108 Fig.6.6 – Deslocamentos verticais no aterro, nos níveis de geossintéticos a 0,6 e 1,2 m da base do aterro, no final da consolidação, para os dois cálculos em estudo ... 109 Fig.6.7 – Força de tração no geossintético da base do aterro, no final da consolidação, para os dois cálculos em estudo ... 109 Fig.6.8 – Força de tração máxima nos cinco níveis de geossintéticos, no final da consolidação, para os dois cálculos em estudo ... 110 Fig.6.9 – Coeficiente de eficácia do sistema de reforço, no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no final da consolidação, para os dois cálculos em estudo ... 111 Fig.6.10 – Excessos de pressão neutra em três instantes: no final da construção do aterro, no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no fim do primeiro ano, para os dois cálculos em estudo ... 112 Fig.6.11 – Acréscimo da tensão efetiva vertical, σ´v, em dois instantes de tempo: no final da aplicação da carga de 20 kPa e no fim da consolidação, para os dois cálculos em estudo ... 113 Fig.6.12 – Níveis de tensão em três instantes: no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial), no fim do primeiro ano e no final da consolidação, para os dois cálculos em estudo ... 114 Fig.6.13 – Assentamentos na base do aterro (z=0), no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no fim da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 116 Fig.6.14 – Assentamento máximo na base do aterro (z=0), no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 116

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Fig.6.15 – Evolução temporal dos assentamentos máximos no solo mole e coluna na base do aterro, para os três cálculos em estudo ... 117 Fig.6.16 – Assentamentos no topo do aterro (z=-1,5 m), no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 118 Fig.6.17 – Deslocamentos verticais no aterro, nos níveis de geossintéticos a 0,6 e 1,2 m da base do aterro, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 118 Fig.6.18 – Força de tração no geossintético da base do aterro, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 119 Fig.6.19 – Força de tração máxima nos cinco níveis de geossintéticos, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 120 Fig.6.20 – Coeficiente de eficácia do sistema de reforço, no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 120 Fig.6.21 – Excessos de pressão neutra no final da aplicação da carga de 20 kPa e no fim do primeiro ano, para os três cálculos em estudo ... 121 Fig.6.22 – Acréscimo da tensão efetiva vertical, σ´v, no final da aplicação da carga de 20 kPa e no fim da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 122 Fig.6.23 – Níveis de tensão no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no fim da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 123 Fig.6.24 – Assentamentos na base do aterro (z=0), no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no fim da consolidação, para os quatro cálculos em estudo ... 125 Fig.6.25 – Assentamento máximo na base do aterro (z=0), no final da consolidação, para os quatro cálculos em estudo ... 125 Fig.6.26 – Evolução temporal dos assentamentos máximos no solo mole e nas colunas na base do aterro, para os quatro cálculos em estudo ... 126 Fig.6.27 – Assentamentos no topo do aterro (z=-1,5 m), no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no final da consolidação, para os quatro cálculos em estudo ... 127 Fig.6.28 – Força de tração no geossintético da base do aterro, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo, com reforço no aterro ... 128 Fig.6.29 – Força de tração máxima nos diversos níveis de geossintéticos, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo, com reforço no aterro ... 128 Fig.6.30 – Coeficiente de eficácia do sistema de reforço, no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no final da consolidação, para os quatro cálculos em estudo ... 129 Fig.6.31 – Excessos de pressão neutra no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial), para os quatro cálculos em estudo ... 130 Fig.6.32 – Acréscimo da tensão efetiva vertical, σ´v, no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial), para os quatro cálculos em estudo ... 131 Fig.6.33 – Níveis de tensão no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial), para os quatro cálculos em estudo ... 132 Fig.6.34 – Níveis de tensão no final da consolidação, para os quatro cálculos em estudo ... 133

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Fig.6.35 – Assentamentos na base do aterro (z=0), no final da aplicação da carga de 20 kpa (instalação industrial) e no fim da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 135 Fig.6.36 – Assentamento máximo na base do aterro (z=0), no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 135 Fig.6.37 – Evolução temporal dos assentamentos máximos no solo mole e nas colunas na base do aterro, para os três cálculos em estudo ... 136 Fig.6.38 – Assentamentos no topo do aterro (z=-1,5 m), no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 137 Fig.6.39 – Deslocamentos verticais nos níveis de geossintéticos, a 0,6 e 1,2 m da base do aterro, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 137 Fig.6.40 – Força de tração no nível de geossintético a 0,0 m da base do aterro, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 138 Fig.6.41 – Força de tração máxima nos cinco níveis de geossintéticos, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 138 Fig.6.42 – Extensão no geossintético da base do aterro, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 139 Fig.6.43 – Extensão máxima nos cinco níveis de geossintéticos, no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 139 Fig.6.44 – Coeficiente de eficácia do sistema de reforço, no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no final da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 140 Fig.6.45 – Excessos de pressão neutra no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial), para os três cálculos em estudo ... 141 Fig.6.46 – Níveis de tensão no final da aplicação da carga de 20 kPa (instalação industrial) e no fim da consolidação, para os três cálculos em estudo ... 142

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ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 3.1 – Check-list recomendativa de atividades na conceção e execução de jet grouting, (adaptado de BS EN 12716) ... 19 Quadro 3.2 – Equipamento utilizado nos procedimentos dos três sistemas originais da técnica de jet grouting – jacto simples, jacto duplo e jacto triplo (Carreto, 2000) ... 22 Quadro 3.3 – Sistemas de jet grouting. Principais características (Carreto, 1999) ... 23 Quadro 3.4 – Valores característicos dos parâmetros do jet grouting, para jacto simples, duplo e triplo, (adaptado de Carreto,1999; Xanthakos et al., 1994) ... 25 Quadro 3.5 – Resistência à compressão de materiais tratados por jet grouting (Carreto, 2000) ... 30 Quadro 3.6 – Aplicações, adaptado de (http://www.kellerge.com.au) e (http://www.emabrt.hu) .... 32-33 Quadro 4.1 – Polímeros base utilizados em cada tipo de geossintético (Shukla, 2002) ... 36 Quadro 4.2 – Comparação de algumas propriedades dos polímeros normalmente usados para o fabrico de geossintéticos (Shukla,2002) ... 37 Quadro 4.3 – Tipos e várias funções dos geossintéticos, (adaptado de Koerner, 1998; Bouazza et al., 2002) ... 49 Quadro 4.4 – Percentagem de deformação devida à influência da estrutura do geossintético (G. den Hoedt, 1986) ... 52 Quadro 5.1 – Características da argila mole e do aterro ... 66 Quadro 5.2 – Coeficientes de impulso em repouso (K0) e de sobreconsolidação da argila (OCR) ... 67

Quadro 5.3 – Características da laje ... 67 Quadro 5.4 – Características do geossintético ... 67 Quadro 5.5 – Características do jet grout ... 68 Quadro 6.1 – Síntese dos cálculos efetuados no estudo paramétrico ... 104 Quadro 6.2 – Disposição das colunas de jet grout ... 105 Quadro 6.3 – Módulo de deformabilidade das colunas ... 115 Quadro 6.4 – Níveis de geossintéticos ... 124 Quadro 6.5 – Rigidez à tração do geossintético ... 134

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SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

LETRAS LATINAS

a/c – relação água/cimento

A(coluna) – Área da coluna de jet-grout

Ac – Área de coluna em cada fiada de colunas no comprimento igual ao espaçamento

longitudinal entre colunas

As – Área do solo mole em cada fiada de colunas no comprimento igual ao espaçamento

longitudinal entre colunas C – Consumo de cimento Do – Diâmetro do bico de injeção

E – Energia despendida na injeção Eeq – Módulo de elasticidade equivalente

E50% – Módulo de deformabilidade secante para 50% da resistência à compressão simples

– coeficiente de eficácia do sistema de reforço F – Força de rotura

H – Altura do aterro I – Impacto dinâmico

J – Rigidez à tração do geossintético

k – declive das linhas de descompressão-recompressão isotrópica K0 – Coeficiente de impulso em repouso

kx, ky – coeficientes de permeabilidade segundo as direções x e y

L – Distância entre os apoios

lbase – largura da base do aterro ltopo – largura do topo do aterro

M – Declive da linha de estados críticos no referencial p-q

N – Parâmetro do modelo p-q-θ correspondente ao volume específico do solo sujeito a uma tensão p igual à unidade

NSPT – número de pancadas necessárias para atingir a penetração de 30 cm; define o valor de N

p – tensão média efetiva P – Pressão de injeção q – tensão de desvio Q – Caudal do fluido

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Qt – Carga total do aterro, laje e instalação fabril

t – espessura do geossintético ux, uy – deslocamentos

Vr – Velocidade de rotação

Vs – Velocidade de subida da vara

x, y, z – coordenadas cartesianas

LETRAS GREGAS

αp – coordenada p do centro da elipse

γ – peso específico total

γc – peso específico de cimento

γCalda– peso específico da calda

γw – peso especifico de água

Г – parâmetro do modelo p-q-θ correspondente ao volume específico do solo, em situação de estado crítico, sujeito a uma tensão p igual à unidade

∆ – assentamento médio

ε – deformação

εm – extensão média εq – deformação distorcional εv – deformação volumétrica

θ – invariante das tensões

λ – declive da linha de consolidação isotrópica virgem no referencial (lnp, ν)

ν – coeficiente de Poisson

ν ' – coeficiente de Poisson definido em termos de tensões efetivas

σ’1, σ’2, σ’3 – tensões principais efetivas (máxima, intermédia e mínima) σ(coluna) – acréscimo de tensão média sobre a coluna

σCPT – tensão admissível do solo em uma sondagem CPT

σ´v – acréscimo da tensão efetiva vertical

σ´y – acréscimo da tensão efetiva vertical

τ – tensão tangencial

ϕ´ – ângulo de atrito interno definido em termos de tensões efetivas

ABREVIATURAS

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CPE – Polietileno clorinado

DVP`s – Drenos verticais pré-fabricados GCL – Geocompósito argiloso

GCL’s – Geocompósitos argiloso bentonítico IGS – Sociedade Internacional de Geossintéticos JET1 – sistema de jacto simples

JET2 – sistema de jacto duplo JET3 – sistema de jacto triplo

JJGA – Associação Japonesa de Jet Grouting NF – Nível freático

OCR – Grau de sobreconsolidação PA – Poliamidas

PE – Polietileno

PEAD – Polietileno de alta densidade PECS – Polietileno clorossulfunado PEMD – Polietileno de média densidade PEMBD – Polietileno de muito baixa densidade PET – Poliésteres

PP – Polipropileno PS – Poliestireno

PTC – Plataforma de Transferência de Carga PVC – Policloreto de vinilo

RPTCG – Reforço através de uma Plataforma de Transferência de Carga com Geossintéticos SL – Nível de tensão

SPT – Ensaio Standard Penetration Test UCS – Resistência à compressão simples

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1

INTRODUÇÃO

A realização de obras sobre solos de fundação com fracas características geotécnicas, como os solos moles, sempre foram um grande desafio para os engenheiros geotécnicos. Ao conceber-se um projeto de aterro sobre solos moles de fundação, é necessário ter em conta constrangimentos que estão relacionados com a dificuldade de garantir a segurança relativamente à estabilidade global e com a existência de assentamentos (totais e diferenciais) que se processam lentamente no tempo e assumem valores elevados a longo prazo. Uma variedade de técnicas estão disponíveis para ultrapassar estes constrangimentos, designadamente a remoção-substituição do solo mole, o emprego de materiais leves no aterro, a técnica de pré-carga, o reforço com geossintéticos, a utilização de drenos verticais, o reforço com colunas de brita, a construção de bermas laterais, a construção de aterros por fases, o reforço com colunas “rígidas” e plataformas de transferência de carga sobre colunas, etc.

As vantagens do reforço com colunas e plataformas de transferências de carga prendem-se essencialmente com a possibilidade de se utilizarem prazos rápidos de construção, com reduções significativas dos assentamentos.

Assim, o Capitulo 2 apresenta uma breve revisão bibliográfica sobre os aterros sobre solos moles reforçados com colunas de jet grout e plataformas de transferência de carga. São apresentados os vários tipos de plataformas de transferência de carga (PTC), sendo mais salientada a descrição da plataforma constituída por três ou mais camadas de geossintéticos, funcionado como uma viga flexível, aplicada neste trabalho.

No Capítulo 3 é realizada uma breve descrição dos diversos aspetos da técnica de jet grouting, em geral, e das suas aplicações e dos parâmetros que influenciam o processo construtivo e o dimensionamento.

No Capítulo 4 são descritos diversos aspetos de carácter geral relativos aos geossintéticos, e à sua utilização, essencialmente para este tipo obras.

No Capítulo 5 é utilizado um programa de cálculo automático baseado no método dos elementos finitos (desenvolvido por Borges, 1995), que permite proceder a análises de consolidação através de formulação acoplada mecânica-hidráulica (extensão da teoria de Biot), na qual o comportamento do solo é definido em termos de tensões efetivas. Para a modelação do comportamento constitutivo do solo utiliza-se um modelo constitutivo elastoplástico não linear, baseado na Mecânica dos Solos dos Estados Críticos (modelo p-q-θ).

Com o programa de elementos finitos analisa-se o comportamento de um aterro sobre um solo mole reforçado com colunas de jet grout encabeçadas por uma plataforma multi-reforçada com

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geossintéticos. O estudo compreende a análise do comportamento da obra, quer durante o período de construção, quer durante o período de consolidação.

O Capítulo 6 é dedicado a estudos paramétricos, tendo por base o problema analisado no Capítulo 5, de forma a esclarecer a influência de determinados parâmetros no comportamento do aterro sobre solos moles reforçados. É analisada neste capítulo a influência da disposição em planta das colunas de jet grout, da deformabilidade das colunas, do número de níveis de geossintéticos aplicados no aterro e a da rigidez à tração dos geossintéticos.

Para finalizar, no Capítulo 7 são expostas as principais conclusões julgadas mais pertinentes, assim como algumas sugestões para estudos futuros que possam vir a ser realizados.

(31)

2

ATERROS SOBRE SOLOS MOLES

REFORÇADOS COM COLUNAS

ENCABEÇADAS POR

PLATAFORMAS DE

TRANSFERÊNCIA DE CARGA

2.1.ATERROS SOBRE SOLOS MOLES REFORÇADOS

A construção de aterros sobre solos moles representa ainda um grande desafio para os engenheiros geotécnicos. Acima de tudo, em obras de aterro sobre argilas moles, pode verificar-se falha de capacidade de carga, deslocamentos laterias elevados, e assentamentos diferenciais e totais excessivos. Vários métodos têm sido utilizados para evitar estes problemas. Alguns dos métodos são relativamente rápidos, mas por outro lado caros, outros requerem períodos mais longos, sendo, no entanto, relativamente mais baratos.

Os métodos mais comuns são (Abdullah, 2006):

Pré-carregamento, para melhoramento das propriedades do solo;

Drenos verticais em conjugação com pré-carga, de modo a acelerar o processo de consolidação do solo;

Substituição de uma parte ou da totalidade do solo mole por materiais granulares; Utilização de materiais leves no corpo do aterro, para aliviar as cargas no subsolo; Reforço horizontal do aterro através de geossintéticos e outros elementos de reforço, de maneira a aumentar a estabilidade;

Fundações com colunas/estacas;

Fundação com colunas/estacas reforçadas por uma plataforma de transferência de carga com geossintéticos.

Existem outros métodos, no entanto, com menor aplicação devido aos seus elevados custos, designadamente o pré-carregamento por vácuo e a electro-osmose. O pré-carregamento com vácuo, técnica bastante difundida na Ásia e Europa (Almeida e Marques, 2004), é ideal para espessas camadas argilosas de baixa resistência. Por sua vez, a electro-osmose requer grande investigação das propriedades físico-químicas, de compressibilidade e de permeabilidade do solo para se atingir adequado grau de confiabilidade na técnica (Almeida, 1996).

O método mais antigo é a substituição de uma parte ou da totalidade do solo mole, sendo de difícil viabilidade em grandes cidades, por falta de local adequado para a disposição deste material (Almeida

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e Marques, 2004). A inserção de drenos verticais no solo mole com o objetivo de acelerar a consolidação é uma técnica bastante difundida e adotada (Almeida, 1996).

O sistema de reforço através de uma plataforma de transferência de carga com geossintéticos sobre colunas é considerado uma ótima solução de engenharia na garantia da estabilidade da obra, da redução dos assentamentos e da execução em prazos reduzidos. Este método, difundido a partir dos anos 90, tem-se tornado desde então cada vez mais popular (Almeida et al., 2007), pois combina o método de reforço com colunas que utiliza o efeito de arco do material granular do aterro para as colunas, com o método de reforço de aterro com geossintético, que melhora o comportamento global da obra e permite uma melhor transferência de cargas para as colunas.

Os geossintéticos têm uma resistência à tração elevada, que falta ao solo (Gangakhedkar, 2004). A inclusão do reforço de geossintético na base do aterro permite uma maior transmissão das cargas para as colunas o que, consequentemente, se traduz numa redução das cargas transmitidas ao solo de fundação; assim, os assentamentos diferenciais entre as colunas e o solo de fundação são também minimizados. Se a carga transmitida ao solo de fundação é menor, o espaçamento entre as colunas que suportam o aterro pode ser maior, o que torna o custo total do sistema mais baixo (Abdullah, 2006).

2.2. ATERRO SOBRE SOLOS MOLES REFORÇADOS COM COLUNAS ENCABEÇADAS POR

GEOSSINTÉTICOS

Segundo Mello e Bilfinger (2004) o uso de geossintéticos na base de aterros reforçados com colunas melhora o seu desempenho, permitindo otimizar as espessuras de aterro, os espaçamentos entre colunas e a redução ou até eliminação dos capitéis nos topos das colunas. A inserção do geossintético neste tipo de obras permite também uma diminuição dos assentamentos diferenciais em aterros de pequena altura (BS8006, 1995). O geossintético na base do aterro elimina também a necessidade de colunas inclinadas nos limites do aterro para resistir às pressões laterais (Jones et al., 1990).

No caso de plataformas de transferência de carga (Lawson, 1995), os geossintéticos são usados habitualmente em duas situações, funcionando como membrana (cabo ou catenária) ou como reforço em viga flexível.

Dada a elevada compressibilidade dos solos moles e os consequentemente elevados assentamentos diferidos no tempo dos mesmos, a utilização de aterros reforçados com colunas de jet grout encabeçadas por plataformas tem como objetivo proporcionar, em grande parte, a transferência de carga do aterro para as colunas, apoiadas inferiormente numa camada mais resistente quando possível, ou a transmissão por atrito lateral ao solo mole quando as colunas não possam ter um comprimento suficiente para atingir uma camada rígida. As principais características deste método de reforço são (Spotti, 2006):

Permite a rápida construção do aterro;

Elimina a necessidade de solos adicionais para acelerar o processo de consolidação (pré-carregamento) ou compensar os efeitos dos assentamentos excessivos;

Reduz o impacto no meio ambiente graças aos menores volumes de material de jazida necessários para a construção do aterro.

Adbullah (2006) resume os procedimentos a seguir no dimensionamento de aterros reforçados com colunas encabeçadas por plataformas com geossintéticos. Todos os métodos de dimensionamento preconizam o dimensionamento do aterro contra vários modos de colapso, projetando o aterro para os estados limites último e de utilização. Os passos do dimensionamento são:

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Dimensionamento da coluna, incluindo o espaçamento entre colunas;

Verificação da estabilidade da fundação nas extremidades do aterro, zonas onde se mobilizam impulsos e deslocamentos horizontais;

Dimensionamento da plataforma de transferência de carga; Dimensionamento ao deslizamento lateral do aterro;

Verificação da adequação do comprimento de sobreposição do reforço;

Verificação da estabilidade global do aterro considerando a presença das colunas.

Os estados limites últimos a serem considerados no dimensionamento, segundo a BS8006 (1995), são (Fig. 2.1):

Capacidade de carga do grupo de colunas (Fig. 2.1 a);

Adequada disposição das colunas nos limites laterais do aterro (Fig. 2.1 b); Distribuição das cargas nos capitéis (Fig. 2.1 c);

Estabilidade ao deslizamento lateral dos taludes do aterro (Fig. 2.1 d); Estabilidade global do aterro (Fig. 2.1 e).

a) Capacidade de carga do grupo de estacas b) Extensão do grupo de estacas

c) Distribuição da carga vertical d) Deslizamento lateral

e) Estabilidade global

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Para os estados limites de serviço, a BS8006 (1995) considera (Fig. 2.2): Deformação excessiva do reforço (Fig. 2.2 a);

Assentamento excessivo das estacas de fundação (Fig. 2.2 b).

a) Deformação do reforço b) Assentamento da fundação

Fig.2.2 – Estados limite de serviço para aterros sobre estacas/colunas (BS8006, 1995)

2.3.TIPOS DE COLUNAS

As colunas são uma parte integrante do sistema de reforço através de uma plataforma de transferência de carga com geossintéticos (RPTCG). Recebem as cargas transferidas tanto pelo efeito de arco como através do geossintético e transferem-nas para o solo firme. O seu papel no sistema de reforço é assim de minimizar o assentamento do aterro, pois se as cargas são transmitidas para as colunas não irão solicitar o solo mole (pelo menos não na totalidade), e também o de minimizar o deslocamento lateral no solo de fundação (Abdullah, 2006).

As aplicações mais ajustadas para as plataformas de transferência de carga sobre colunas são (Han e Gabr, 2002):

Aterros sobre solos moles;

Aterros de aproximação a encontros de pontes sobre fundações profundas;

Aterros relativamente baixos nos quais o efeito de arco não se desenvolve completamente;

Novos aterros adjacentes a aterros ou estruturas já existentes; Apoio de muros de contenção em solos moles;

Apoio de reservatórios de armazenamento.

Os sistemas de estacas pré-fabricadas, como as estacas de madeira, aço, betão pré-fabricado, betão pré-esforçado, etc., podem ser usados tanto nos sistemas convencionais de reforço de aterros como nos sistemas RPTCG (Marques, 2008). Contudo, estas estacas têm sido progressivamente substituídas por sistemas de colunas executadas “in situ”. A maioria destas colunas tem uma profundidade de penetração limitada, pelo que a sua aplicação fica reduzida aos casos em que a profundidade do estrato mole é menor que 12 m ou, em solos moles mais profundos, quando são admissíveis assentamentos com valores elevados (Abdullah, 2006).

Estas colunas têm normalmente rigidez mais baixa que as estacas tradicionais – entre 30 e 100 MPa para as colunas e 7000 a 210000 MPa para as estacas (Collin, 2004). Em muitos dos métodos atuais de

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análise e projeto de aterros a contribuição do solo mole para suportar o peso do aterro é ignorada, pelo que nesses casos as colunas são dimensionadas para suportar a carga total do aterro.

A opção por colunas em detrimento das estacas tradicionais tem algumas vantagens (Marques, 2008; Abdullah, 2006; Gangakhedkar, 2004; Rao, 2006):

Com a maioria das colunas não são necessários encabeçamentos pois a coluna tem à partida uma área suficiente, ou caso isso não se verifique, há a possibilidade de aumentar o diâmetro próximo do topo da coluna. Isto repercute-se numa poupança de tempo e dinheiro;

Como normalmente as colunas são menos rígidas que as estacas, a distribuição de tensões e a diferença de assentamentos entre o solo de fundação e o topo da coluna não será tão elevado como no caso das estacas; desta forma a força de tração e a tensão no reforço são menores;

As colunas que têm um diâmetro menor podem não ser capazes de suportar grandes cargas. Neste caso, contudo, serão colocadas pouco espaçadas, funcionando como um conjunto e não necessitando de encabeçamentos.

2.4.PLATAFORMAS DE TRANSFERÊNCIA DE CARGA (PTC)

De acordo com Abdullah (2006) existem quatro tipos de plataformas de transferência de carga (PTC) para reforço de aterros sobre colunas (Figura 2.3):

PTC convencional granular não-reforçada; PTC em betão (rígida);

PTC com geossintético funcionando como membrana (cabo, catenária); PTC em viga flexível com vários níveis de geossintéticos.

a) b)

c) d)

Fig.2.3 – Diferentes tipos de plataformas de transferência de carga: a) PTC granular não-reforçada; b) PTC reforçada em betão armado; c) PTC com geossintético funcionando como membrana (em catenária) e d) PTC

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2.4.1.PTCCONVENCIONAL GRANULAR NÃO-REFORÇADA

Num aterro convencional sobre estacas, a transferência de carga realiza-se essencialmente através da mobilização do efeito de arco no material granular que constitui o aterro (Marques, 2008). Como não há reforço na base do aterro, todo o peso do solo por baixo do arco é suportado pelo solo mole. Em consequência, desenvolvem-se tensões no solo mole que resultam não só em deslocamentos verticais, mas também laterais nas extremidades do aterro. Para prevenir os deslocamentos laterais são instaladas estacas inclinadas nas extremidades do aterro. É necessário que o aterro tenha uma altura superior à do arco, de forma a minimizar os assentamentos à superfície. A altura do arco é função da distância livre entre os encabeçamentos das estacas. Daí a vantagem de colocar no topo das estacas o maciço de encabeçamento, pois permite aumentar o espaçamento entre elas. Nos aterros convencionais sobre estacas, a percentagem de área dos encabeçamentos em relação à área plana da base do aterro varia entre 50 a 70% (Han e Gabr, 2002).

2.4.2.PTC EM BETÃO (RÍGIDA)

Esta plataforma de transferência de carga é geralmente constituída por uma laje de betão armado betonada sobre as colunas. A laje é projetada como uma laje plana e rígida, sendo dada especial atenção à resistência ao punçoamento nos apoios nas colunas (principalmente quando se trata de colunas muito rígidas como é o caso das estacas), tendo em conta que praticamente todas as cargas, incluindo o peso próprio da laje, são transmitidas diretamente às colunas. Por outro lado, não se desenvolve qualquer efeito de arco na massa de aterro, pelo que o material que constitui o aterro não é importante, desde que se trate de um material adequado para o formar. A espessura da laje é dada em função do espaçamento entre colunas, da altura do aterro e de eventuais sobrecargas, assumindo normalmente valores entre os 0,30 e os 0,50 m (Abdullah, 2006; Marques, 2008).

2.4.3.PTC COM GEOSSINTÉTICO FUNCIONANDO COMO MEMBRANA (CABO, CATENÁRIA)

A plataforma de transferência de carga em catenária é constituída por uma ou, no máximo, duas camadas de geossintético, colocadas a alguma distância sobre as colunas. A plataforma é constituída por material granular, que normalmente constitui também o aterro. O ângulo de atrito do material deve ser maior ou igual a 30º (Abdullah, 2006).

O reforço comporta-se como um elemento estrutural. Os métodos de dimensionamento de PTC Britânico, Alemão e Nórdico são baseados na teoria dos cabos ou método da catenária. Este método baseia-se nos seguintes princípios (Marques, 2008):

O mecanismo de efeito de arco forma-se na massa de aterro;

O reforço deforma-se durante a colocação da carga, se não houver deformação não haverá efeito de arco;

Todas as cargas verticais são suportadas pelas colunas;

A extensão inicial admissível é de 6% e a extensão por fluência não deve exceder os 2%; O reforço deve estar o mais próximo possível do topo das colunas (BS8006, 1995; Collin, 2004).

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2.4.4.PTC EM VIGA FLEXÍVEL REFORÇADA COM GEOSSINTÉTICOS (MÉTODO DE COLLIN)

O método de Collin (2004) é fundamentalmente diferente dos outros métodos porque baseia-se no princípio que várias camadas de geossintético (três ou mais) formam uma viga flexível que distribui a carga do aterro para as colunas (Figura 2.4). Neste caso o efeito de arco é acentuado pela interação com as camadas de geossintéticos (tipicamente geogrelha). Teoricamente, esta plataforma de transferência de carga consegue carregar mais carga com menores assentamentos diferenciais entre as colunas e o solo de fundação. Assim o espaçamento entre as colunas pode ser maior, mas com uma tensão no reforço igual ou menor à obtida com o método da catenária.

O método de Collin (2004) baseia-se nos seguintes princípios:

A espessura da PTC é maior que ou igual a metade do vão livre entre colunas;

Devem ser usadas no mínimo três camadas de reforço (geossintético), para criar a plataforma de transferência de carga;

A distância entre as camadas de reforço é entre 0,20 a 0,45 m; O material de preenchimento da plataforma é selecionado;

A principal função do reforço é proporcionar confinamento para que o efeito de arco no aterro se desenvolva dentro da camada de reforço;

O “arco” faz um ângulo de 45º com a vertical e começa no topo da coluna; A função secundária do reforço é suportar a “cunha” de solo por baixo do arco; Toda a carga vertical do aterro sobre o arco é transferida para as colunas; A extensão inicial máxima permitida no geossintético é de 5%.

Fig.2.4 – Aterro suportado por colunas apoiado por uma plataforma de transferência de carga (PTC) reforçado com geossintéticos, (adaptado de Collin et al., 2005)

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2.5.EXEMPLO DE UMA OBRA COM APLICAÇÃO DE UMA (PTC)REFORÇADA

É apresentada uma breve descrição das principais opções de conceção e execução que orientaram as soluções adotadas no tratamento dos terrenos e nas fundações do empreendimento do “Alverca Park”. A execução da obra teve em conta a geologia do local e o tipo de cargas a transmitir aos terrenos. Neste empreendimento foi adotada uma solução para as fundações da estrutura e para o tratamento dos terrenos que consistiu genericamente na realização de colunas de jet grout, encabeçadas por uma plataforma de transferência de carga, formada por toutvenant armado com geogrelhas bidirecionais em polipropileno (Maranha das Neves et al., 2007).

O complexo de armazéns e escritórios “Alverca Park” é constituído por três edifícios industriais: corpo B, C e D, aos quais foram aplicadas cargas de 40 kN/m2, e ainda por um corpo de escritórios, corpo A. Destacou-se em particular, o facto dos movimentos de terraplanagem terem determinado a realização de aterros com 2 m de altura máxima, para que os arruamentos e os edifícios, correspondentes ao corpo B e C, pudessem vir a dispor de cotas que os salvaguardassem dos impactos resultantes de cheias no rio Tejo (Figura 2.5).

Fig.2.5 – Planta de localização e perfil geológico (Maranha das Neves et al., 2007)

Nos edifícios B e C, foram adotadas fundações das estruturas e do pavimento térreo em colunas de jet grout de diâmetro e comprimento variável, armadas, em todo o seu comprimento, com tubos metálicos. As colunas dispõem de um diâmetro máximo de 1,10 m, compatível com a tensão de mobilização de serviço não superior a 2,0 MPa.

As fundações do pavimento térreo foram executadas com colunas de jet grout com diâmetro mínimo constante de 1,20 m e com entrega mínima no substrato Miocénico compatível com a transmissão de uma tensão máxima de serviço de 1,6 MPa (Figura 2.6).

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Fig.2.6 – Soluções adotadas nas fundações dos edifícios B e C (Maranha das Neves et al., 2007)

A plataforma de redistribuição de cargas/uniformização de assentamentos com 60 cm de espessura mínima, é constituída por toutvenant, armado com duas geogrelhas bidirecionais em polipropileno, com resistência à tração de 20 a 30kN/m. Sobre esta plataforma foi executado o acabamento final em massame armado com 0,15 m de espessura mínima (Figura 2.7).

Fig.2.7 – Solução adotada nas fundações do edifício do corpo D e mecanismo das geogrelhas (Maranha da Neves et al., 2007)

A solução desta obra destacou-se pelo facto de permitir a diminuição de apoios, comparativamente com soluções de microestacas ou de estacas cravadas e de dispensar o recurso a mecanismos de drenagem e de consolidação, menos previsíveis do ponto de vista do prazo e do comportamento, como acontece com as soluções que recorrem a colunas de brita ou a geodrenos.

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3

JET GROUTING

3.1.INTRODUÇÃO

O jet grouting é uma técnica de melhoria de solos por injeção que se desenvolveu significativamente nos últimos anos em Portugal e no Mundo. Esta técnica foi inicialmente desenvolvida na década de 70, no Japão, Reino Unido e em Itália. Ao longo dos últimos trinta anos tem sido aplicada em diversas obras por todo o Mundo; em Portugal foi aplicada pela primeira vez em 1993, em Setúbal (Carreto, 1999; Falcão et al., 2000; Marques,2008).

A sua origem e desenvolvimento, a partir de 1970, deveu-se à necessidade de colmatar a lacuna deixada pelas técnicas de injeção de terrenos no que se refere ao tratamento de solos de reduzidas características mecânicas e de elevada permeabilidade ou heterogéneas em determinadas condições, como por exemplo, as que se verificam em zonas urbanas, para as quais a limitação das perturbações causadas e respetivo controlo são condições obrigatórias (Carreto, 2000).

A técnica de jet grouting pode ser aplicada na construção de túneis, em escavações, fundações e reforço de fundações, cortinas de estanquidade de barragens, consolidação de terrenos, estabilização de taludes, selagem de aterros constituídos por materiais contaminados, podendo em algumas situações desempenhar simultaneamente mais do que uma função.

3.2.DESCRIÇÃO DA TÉCNICA DE JET GROUTING

Segundo a BS EN 12716 (2001), o jet grouting é um processo que consiste na desagregação do solo ou rocha fraca e mistura por substituição parcial de um agente à base de cimento. A desagregação é conseguida por meio de um jacto de alta pressão de um fluido que pode ser o agente à base de cimento.

O jet grouting é uma técnica de melhoria de solos realizada diretamente no interior do terreno sem escavação prévia, utilizando para tal um ou mais jatos horizontais de grande velocidade (cerca de 250 m/s) que aplicam a sua elevada energia cinética na desagregação da estrutura do terreno natural e na mistura de calda de cimento com as partículas de solo desagregado, dando origem a um material de melhores características mecânicas do que o inicial e de menor permeabilidade (Carreto, 2000).

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O processo físico da técnica de jet grouting envolve as seguintes etapas:

Corte: a estrutura inicial ou nativa do solo é quebrada e as partículas de solo ou fragmentos do solo são dispersos pela ação de um ou mais jatos horizontais de elevada velocidade.

Mistura e substituição parcial: uma parte das partículas ou fragmentos do solo é substituída e a outra parte é misturada com a calda injetada a partir dos bicos de injeção. Cimentação: as partículas ou fragmentos de solo são aglutinadas entre si pela ação auto endurecedora da calda, formando um corpo consolidado.

3.2.1.VANTAGENS E DESVANTAGENS DA TÉCNICA DE JET GROUTING

As principais vantagens da técnica de jet grouting no reforço de solos são (Carreto, 1999):

Grande versatilidade, uma vez que pode ser aplicada a uma gama extensa de solos que vai desde o cascalho e argilas permitindo também o tratamento de rochas brandas;

Grande aplicabilidade, dado os equipamentos terem dimensões reduzidas permitindo o tratamento em espaços muito pequenos, como por exemplo em escavações, túneis ou caves, assim como em locais de difícil acessibilidade;

A viabilidade da execução do tratamento não é condicionada pela permeabilidade do solo;

Permite o tratamento a cotas inferiores ao nível freático, sendo no entanto necessário garantir a presa;

Possibilidade de tratar solos heterogéneos, através da adaptação dos parâmetros do tratamento a cada um dos solos ao longo do processo;

A incorporação de colunas de maior resistência, aumentando o confinamento lateral do solo por essas colunas, melhora o comportamento do solo perante uma solicitação sísmica;

Possibilidade de obter diversas geometrias;

A aplicação da técnica não produz vibrações e produz baixo nível de ruído.

Entre as desvantagens da técnica de jet grouting encontram-se (Carreto, 1999):

A elevada dispersão das características mecânicas finais do material, nomeadamente a resistência à compressão, principalmente quando comparada com o betão;

Inexistência de um método de medição das dimensões reais da coluna;

O controlo deficiente da saída de refluxo (mistura de água com partículas finas de solo e algum cimento que sai pela extremidade superior do furo durante a execução da coluna) pode resultar em movimentos do terreno à superfície;

Dificuldade de remoção e manejamento do material rejeitado (refluxo);

A realização de colunas verticais está limitada a profundidades não superiores a 15 – 20 m;

A resistência máxima é obtida vários dias após a execução, o que pode ser um problema para alguns tipos de aplicação, contudo pode ser minimizado com aceleradores de presa.

Na Figura 3.1 são apresentados os limites granulométricos das técnicas de injeção de terrenos; a análise da figura permite confirmar a versatilidade da técnica de jet grouting quando comparada com os métodos de injeção mais genéricos.