Reabilitação e Reforço de Estruturas

Jorge Almeida e Sousa

Reabilitação e Reforço de Estruturas

Aula 18: Melhoramento e reforço de solos.

Definição de Solo

Conjunto natural de partículas minerais, podendo os espaços entre elas (vazios) estarem prenchidos por água e ar,

separadamente ou

em conjunto

Caracterização Laboratorial

Índices físicos - grandezas que relacionam os volumes e os pesos dos diferentes constituintes de um solo e que permitem descrever o seu estado um solo e que permitem descrever o seu estado físico.

Composição granulométrica - distribuição

em percentagem ponderal das partículas de um solo

de acordo com as suas dimensões

Índices Físicos

Determinação experimental de três:

- peso volúmico ( γ = P/V) - teor em água (w = P

_w

/P

_s

)

- densidade das partículas ( γ

_s

/ γ

_w

)

Os outros são determinados através de

Os outros são determinados através de expressões matemáticas:

- índice de vazios (e = V

_v

/V

_s

) - porosidade (n = V

_v

/V)

- grau de saturação (S = V

_w

/V

_v

)

- peso volúmico seco ( γ

_d

= P

_s

/V)

Composição Granulométrica

30 40 50 60 70 80 90 100

% Material Passado

0 10 20 30

0,001 0,01 0,1 1 10

Diâmetro das Partículas (mm)

% Material Passado

Peneiração

Sedimentação

Areias – Solos Grossos

Solos muito permeáveis

Comportamento

controlado pelas forças

Índice de compacidade

%

max

× 100

−

= −

e e

e I

_D

e

controlado pelas forças de gravidade, logo pelo tamanho das partículas e pela forma como elas se arrumam

% 100

min max

− ×

= e e I

_D

e

_max

e

_min

calculados

experimentalmente

Areias –Solos Grossos

Classificação de acordo com a compacidade - muito solta (0 < I

_D

< 15)

- solta (15 < I < 35) - solta (15 < I

_D

< 35) - medianamente compacta (35 < I

_D

< 65) - compacta (65 < I

_D

< 85) - muito compacta (I

_D

> 85)

Qual a relação entre a compacidade de uma

areia e as suas características mecânicas?

Argilas – Solos Finos

Solos muito pouco permeáveis

Comportamento controlado pelas forças eléctricas que se manifestam à superfície das partículas de argila

argila

Camada de água adsorvida (responsável pelo carácter plástico destes solos)

Grande variação do índice de vazios (e

_max

pode ser bem maior que 1)

Determinação dos limites de consistência

(w

_L

= limite de liquidez e w

_P

= limite de plasticidade)

Argilas – Solos Finos

Índice de consistência

P L

L

C

w w

w I w

−

= −

• Classificação de acordo com a consistência

• Classificação de acordo com a consistência - muito mole (0 < I

_C

< 0,25)

- mole (0 < I

_C

< 0,25) - média (0 < I

_C

< 0,75) - dura, muito dura, rija (I

_C

> 0,75)

Qual a relação entre a consistência de uma argila e as

Caracterização no Campo

ENSAIOS de PENETRAÇÃO

- Dinâmica (SPT)

- Dinâmica (SPT)

- Estática (CPT/CPTu)

Ensaio

SPT

Caracterização no Campo

Colheita de amostras remexidas

Ensaio

SPT

Caracterização no Campo

O resultado do ensaio traduz- se no número de pancadas necessárias para que o

amostrador penetre 30 cm no

terreno (N)

AREIAS N Compacidade

0-3 Muito solta

3-8 Solta

Caracterização no Campo

3-8 Solta

8-25 Medianamente compacta

25-42 Compacta

>42 Muito compacta

ARGILAS N Consistência

0-2 Muito mole

2-4 Mole

Caracterização no Campo

2-4 Mole

4-8 Média

8-15 Dura

15-30 Muito dura

30-60 Rija

Solos a Tratar

Areias soltas a muito soltas

- resistência baixa - compressíveis

- alta permeabilidade

- potencial de liquefacção - potencial de liquefacção

Argilas moles a muito moles

- resistência muito baixa - muito compressíveis

- deformações diferidas no tempo

Melhoramento e Reforço de Solos

FACTORES QUE TÊM CONTRIBUÍDO PARA O USO

INTENSIVO DE TÉCNICAS QUE PERMITEM A MELHORIA DAS CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS

- crescente utilização de solos “pobres” para fundar estruturas cada vez mais “pesadas”

cada vez mais “pesadas”

- cada vez maior utilização dos solos como material de

construção, dada a sua durabilidade, a sua abundância e o facto de ser um material económico

- introdução de novos métodos e de novos materiais

- avanço do conhecimento teórico dos fenómenos envolvidos na

utilização de cada uma das técnicas

MELHORAMENTO

Técnicas que por efeito físico, efeito químico ou efeito mecânico alteram alguma ou algumas das propriedades intrínsecas dos solos

Melhoramento e Reforço de Solos

REFORÇO

Técnicas que introduzem determinados elementos resistentes que tornam possível que o maciço

suporte determinadas solicitações às quais por si só

não está habilitado a resistir

Técnicas de Melhoramento

Aceleração da Consolidação

Rebaixamento do Nível Freático Densificação

Densificação

Tratamentos Térmicos

Tratamentos Químicos

Injecções

ALGUNS FACTORES A TER EM CONTA NA ESCOLHA DA TÉCNICA

- tipo de solo e condições hidrológicas - tipo e grau de melhoramento pretendido

Técnicas de Melhoramento

- custos previstos e tempo disponível

- riscos de danificação ou de contaminação - possibilidade de controlo

- experiência anterior de utilização

- equipamento e materiais disponíveis

Aceleração da Consolidação

Sobrecarga

Drenos Verticais

Drenos Verticais

Electro-Osmose

Sobrecarga

Técnica de acelerar a consolidação de um estrato pouco

permeável, baseada permeável, baseada no facto de o tempo que a consolidação demora a

processar-se ser

independente da

carga aplicada

A sobrecarga deverá estar aplicada o tempo necessário para que o assentamento atingido,

0 120

carga

Sobrecarga

assentamento atingido, alcance o valor do

assentamento final por consolidação para a carga final

0 tempo 25

0

160

0 tempo 200

assentamento

Drenos Verticais

A instalação de drenos verticais acelera a

consolidação por:

- passar a haver um escoamento radial para os drenos

radial para os drenos

- o percurso que a água tem que percorrer é encurtado

- a velocidade do escoamento radial é maior por os solos

apresentarem, em geral, maior

permeabilidade na direcção

horizontal

Tipo de dreno

Instalação dos drenos

Drenos Verticais

Instalação dos drenos

Densificação

Compactação de aterros

Vibrocompactação

Compactação dinâmica

Compactação com explosivos

Vibrocompactação

O que é?

- densificação do terreno que se consegue à custa da acção combinada da vibração do terreno e da sua saturação

Como se vibra o terreno?

Como se vibra o terreno?

- utilizando um vibrador, que é um corpo tubular de aço suspenso de uma grua móvel e dotado de uma ponta de tungsténio que transmite vibrações de

frequência regulável e está preparado para injectar

água pela ponteira

Vibrocompactação

Penetração conseguida à custa do próprio peso e da injecção da água sob pressão

Compactação que é realizada por estágios sucessivos desde a profundidade definida até à superfície

Adição de material por solo seleccionado (A) ou por solo local

(B) de forma a fechar a depressão cónica que se vai formando à

Vibrocompactação

Por que é baixa a eficiência do tratamento em solos com finos?

Injecções

Injecções de permeabilidade

Injecções de compactação

Injecções de compensação

Jet-gouting

Injecções de Compactação

Uma calda muito viscosa é bombada em fases sucessivas formando bolbos, os quais deslocam e densificam o solo envolvente

A velocidade de injecção deve ser suficientemente baixa para permitir a dissipação dos excessos de pressão neutra

A tensão vertical no estrato a tratar deve ser suficiente para impedir o

levantamento incontrolado da superfície

Injecções de Compensação

ESTAÇÃO BAIXA-CHIADO

METRO LISBOA

Injecções de Compensação

Os assentamentos máximos resultantes da

escavação da cavidade oriental ficaram próximos das previsões com modelos numéricos.

O mesmo não ocorreu com as distorções, muito superiores ao esperado com modelos numéricos superiores ao esperado com modelos numéricos (cerca de 1/300).

Foi decidido implementar um processo de injecções de compensação, que permitiu criar uma estrutura semelhante a uma laje, compensando parcialmente as deformações induzidas pela escavação da

cavidade ocidental.

Injecções de Compensação

-20 0 20

17 Dez 05 Feb 26 Mar 15 Mai 04 Jul 23 Ago 12 Out 01 Dez

[mm]

Tempo

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

-5

-120 -100 -80 -60 -40

Assentamento esperado sem tratamento Assentamento com compensação

Jet-grouting

O que é?

- técnica de melhoria dos solos realizada directamente no interior dos terrenos, utilizando para tal um ou mais jactos horizontais de grande velocidade (cerca de 250 m/s) que aplicam a sua elevada energia cinética na

desagregação do terreno natural e na mistura da calda desagregação do terreno natural e na mistura da calda de cimento com as partículas de solo desagregado,

dando origem a um material de melhores características mecânicas e praticamente impermeável.

A que tipo de solos se aplica?

- contrariamente ao que acontece com as injecções

tradicionais, esta técnica é aplicável a todos os tipos de

solos

Jet-grouting

ETAPAS DO PROCESSO FÍSICO

- Corte: a estrutura inicial do solo é destruída e as partículas ou fragmentos do solo são dispersos pela acção de um ou mais jactos horizontais

- Mistura e substituição parcial: uma parte das partículas ou - Mistura e substituição parcial: uma parte das partículas ou fragmentos do solo é substituída e a outra parte é misturada com a calda injectada

- Cimentação: as partículas ou fragmentos do solo são

aglutinadas entre si pela acção auto-endurecedora da calda,

formando um corpo consolidado

Jet-grouting

Introduz-se a vara no terreno através de um movimento rotacional e com a ajuda de um jacto de água vertical

Imprime-se à vara um movimento rotacional e inicia-se a

bombagem de calda no seu interior, ao mesmo tempo que a vara é elevada através do furo com uma velocidade constante

Concluída a execução da coluna, retira-se a vara do furo,

preenchendo este de calda por gravidade até ao seu topo

Jet-grouting

Jet 1 – um ou mais jactos de calda de cimento (apenas utilizado nos solos mais soltos ou mais moles)

Jet 2 – ar comprimido envolve o jacto de calda, fazendo aumentar o seu alcance (utilizadas 2 varas coaxiais)

Jet 3 – jacto de ar comprimido envolvendo um jacto de água, utilizado para destruir a estrutura do terreno, e jacto de calda

injectado num 2º bico posicionado abaixo do bico injector de ar e

água (utilizadas 3 varas coaxiais)

Factores que afectam o diâmetro e as propriedades mecânicas das colunas

- tipo de solo

- pressão e caudal do fluído aglutinante

Jet-grouting

- pressão e caudal do fluído aglutinante - número e diâmetro dos bicos de injecção - relação água/cimento do fluído aglutinante - velocidade de subida e de rotação da vara - pressão e caudal do ar comprimido

- pressão e caudal da água

ALGUMAS APLICAÇÕES

Jet-grouting

Aplicação na Estação do Terreiro do Paço

Jet-grouting

A A

frente

da escavação betão

projectado

perfil teórico da escavação

Aplicação em Túneis

Jet-grouting

colunas

sub-horizontais

sub-verticais colunas

CORTE A-A

Técnicas de Reforço

REFORÇO Aplicações mais comuns

ESTACAS

Estabilização de taludes naturais e encostas

MICROESTACAS

Reforço de fundações de estruturas e estabilização de taludes naturais

COLUNAS DE BRITA

Reforço de fundações de estruturas e de aterros

TERRA ARMADA

Estruturas de suporte de terras e encontros de pontes

PREGAGENS

Contenção de escavações e estabilização de taludes naturais

GRELHAS PLÁSTICAS

Estruturas de suporte de terras. Reforço de fundações de estruturas e de aterros.

Reforço de aterros

MANTAS GEOTEXTEIS

Colunas de Brita

- penetração do vibrador - que tem na sua extremidade superior um crivo e uma tremonha para a alimentação da brita - é feita de forma idêntica à vibrocompactação

- subida ligeira do vibrador ficando a brita colocada no espaço livre, seguida da sua descida para expandir a brita contra o solo,

compactando-os

Colunas de Brita

A utilização das colunas de brita

- reduz o assentamento da fundação - aumenta a sua capacidade de carga - reduz o risco de liquefacção

- reduz o risco de liquefacção - acelera a consolidação

Qual o mecanismo de interacção solo-

reforço?

Geossintéticos

Qual o mecanismo de interacção solo-reforço?

Aplicação como reforço de fundações

B D

H

Compacted granular fill

Weak subgrade

1

2

3 With geosynthetic

Without geosynthetic

H/B