UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL
COMPORTAMENTO CARGA-ALONGAMENTO
DE GEOTÊXTEIS NÃO TECIDOS SUBMETIDOS
À TRAÇÃO CONFINADA
MARIANNA JACOMINY DE AMORIM MENDES
ORIENTADOR: ENNIO MARQUES PALMEIRA
DISSERTAÇÃO MESTRADO EM GEOTECNIA
PUBLICAÇÃO: G.DM-142/06
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL
COMPORTAMENTO CARGA-ALONGAMENTO
DE GEOTÊXTEIS NÃO TECIDOS SUBMETIDOS
À TRAÇÃO CONFINADA
MARIANNA JACOMINY DE AMORIM MENDES
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL DA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE.
APROVADA POR:
_________________________________________ ENNIO MARQUES PALMEIRA, PhD (UnB) (ORIENTADOR)
_________________________________________ JOSÉ CAMAPUM DE CARVALHO, PhD (UnB) (EXAMINADOR INTERNO)
_________________________________________ MAURICIO ABRAMENTO, PhD (FAAP / USJT) (EXAMINADOR EXTERNO)
FICHA CATALOGRÁFICA
MENDES, MARIANNA JACOMINY DE AMORIM
Comportamento Carga-Alongamento de Geotêxteis Não Tecidos Submetidos à Tração Confinada. [Distrito Federal] 2006
xxi, 152 p., 210 x 297 mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Geotecnia, 2006)
Dissertação de Mestrado - Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental
1. Geotêxteis 2. Tração confinada
3. Impregnação 4. Danos Mecânicos I. ENC/FT/UnB II. Título (série)
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
MENDES, M.J.A. (2006). Comportamento Carga-Alongamento de Geotêxteis Não Tecidos Submetidos à Tração Confinada. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM-142/06, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, DF, 152 p.
CESSÃO DE DIREITOS
NOME DO AUTOR: Marianna Jacominy de Amorim Mendes
TÍTULO DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO: Comportamento Carga-Alongamento de Geotêxteis Não Tecidos Submetidos à Tração Confina.
GRAU / ANO: Mestre / 2006
É concedida à Universidade de Brasília a permissão para reproduzir cópias desta dissertação de mestrado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta dissertação de mestrado pode ser reproduzida sem a autorização por escrito do autor.
_________________________________ Marianna Jacominy de Amorim Mendes
Av. T-05 Qd. 118 Lotes 1 e 2 casa 6 Setor Bueno Cep.: 74230-040 Goiânia - GO
Aos meus pais, Mauro e Marizany, meus apoios, exemplos de sabedoria e dedicação.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, Mauro e Marizany, meus exemplos de dedicação e equilíbrio, pelo amor incondicional, apoio constante em todos os aspectos, e principalmente pelas conversas filosóficas discutindo futuro, metas, objetivos, ações e realizações.
Aos meus irmãos, Marcela e Mauro Caetanno, exemplos de determinação, agradeço pela força, companhia, e pelo carinho.
Ao meu orientador, Ennio Marques Palmeira pela orientação da dissertação, tranqüilidade, paciência, tempo, incentivo e por fim, pelo exemplo de sabedoria, dedicação e organização. Sem este apoio, eu não poderia chegar ao resultado final com tanta tranqüilidade e segurança.
Aos professores do Programa de Pós Graduação em Geotecnia da UnB agradeço pelos ensinamentos transmitidos, as contribuições na minha pesquisa e o apoio nos momentos necessários.
À Lílian Ribeiro de Rezende, por ter despertado em mim o interesse pela pesquisa. Agradeço, também, pelo incentivo durante todo o período do mestrado.
Aos meus amigos e familiares de Goiânia, que torceram por mim durante todo o tempo em que estive ausente, pelas mensagens de apoio e pelos fins de semana de descanso e descontração.
À toda turma do mestrado, pela união, amizade, diversão e companhia. À Joice, pela amizade e disponibilidade em me ajudar a qualquer hora, sem medir esforços para isto; Priscila e Wallace, pelo carinho e amizade com todos os colegas e pela preocupação e apoio nos momentos difíceis; à Sandra pela amizade, pelas aulas de espanhol e “viagens” gastronômicas; ao James, pela sua alegria e ajuda em vários ensaios; à Jenny, exemplo de coragem e à Isabella, exemplo de dedicação.
Aos colegas do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, especialmente à Íris Luna, pela amizade, companheirismo e disponibilidade em ajudar, seja indicando um artigo interessante, emprestando um livro ou simplesmente se fazendo presente nas horas mais importantes.
Aos colegas e amigos do Grupo de Geossintéticos pela união, ajuda mútua, e troca de conhecimentos. Ao Newton e Nestor Tupa, que me ajudaram a montar o equipamento da pesquisa, à Maruska, pela ajuda nos procedimentos de ensaio, à Aline, ao Gregório e ao Helber pela amizade.
Ao Evaldo Matheus pela troca de experiências com o equipamento e por fornecer referências bibliográficas importantes para a pesquisa.
Aos técnicos do laboratório de Geotecnia da UnB, em especial Alessandro, Vanilson, e Raquel, por terem me auxiliado em tantos ensaios, contribuindo para um bom rendimento da pesquisa.
Ao Sr. José Gonçalves, do CME (Centro de Manutenção de Equipamentos da UnB), que me ajudou na manutenção do equipamento de tração confinada, pela eficiência e pelo exemplo de apego à profissão. Um agradecimento especial por sua amizade e consideração.
Ao Sr. Severino do Laboratório de Estruturas, sempre disposto a contribuir com os alunos de qualquer área.
À Bidim-BBA pelo fornecimento dos geotêxteis utilizados na pesquisa. Ao CNPq, pelo suporte financeiro.
À Universidade de Brasília, por incentivar a pesquisa científica.
À todas as pessoas que contribuíram direta ou indiretamente para execução e finalização deste trabalho.
RESUMO
O uso de geossintéticos em estruturas de solo reforçado é uma técnica que vem sendo cada vez mais usada devido à rapidez, facilidade de execução e economia. A escolha do geossintético a ser empregado depende das suas características de resistência e rigidez serem compatíveis com as características da obra. A mobilização de esforços de tração nos reforços geossintéticos depende da rigidez desses materiais. Em geotêxteis não tecidos, reforços extensíveis, são necessários deslocamento maiores da estrutura reforçada para a mobilização dos esforços de tração, enquanto que em reforços mais rígidos, são necessários deslocamentos menores para a mobilização dos mesmos esforços de tração. Por esse motivo tais reforços têm sido usados preferencialmente em estruturas de solo reforçado. No entanto, relatos da literatura técnica mostram que obras antigas de estruturas de arrimo reforçadas com geotêxteis vêm se comportando bem, com poucas deformações devido ao incremento de rigidez que o confinamento do solo proporciona ao reforço.
Com o intuito de verificar os efeitos do confinamento no comportamento carga-alongamento de geotêxteis não tecidos (onde o efeito do confinamento é mais pronunciado), foram feitos ensaios de tração confinada em equipamento desenvolvido na Universidade de Brasília, variando-se a gramatura do geotêxtil, a tensão confinante e o solo de confinamento. Verificou-se que a rigidez à tração é maior para geotêxteis de gramatura maior, mas o
incremento relativo de rigidez devido ao confinamento é maior para aqueles de gramatura
menor. A relação entre a rigidez à tração e a tensão confinante se ajustou bem a uma função linear, cujos coeficientes angulares foram maiores para menores níveis de deformação do geotêxtil. Com relação ao solo de confinamento, não foram verificadas diferenças significativas de comportamento carga-alongamento em amostras confinadas em materiais diferentes.
Por meio de ensaios com amostras impregnadas, verificou-se que a impregnação potencializou o efeito do confinamento, mas a relevância da impregnação no incremento de rigidez variou de acordo com a gramatura e tensão confinante dos geotêxteis e com o material impregnado. Os resultados dos ensaios com amostras danificadas comprovam que tanto a dimensão quanto a forma dos danos alteram a rigidez dos geotêxteis.
Em geral, constatou-se a importância em considerar os efeitos do confinamento para melhorar os parâmetros de projeto e ampliar a utilização de geotêxteis em estruturas de solo reforçado.
ABSTRACT
The use of geosynthetics in reinforced soil structures has shown a marked increase due to its simplicity, speed and cost-effectiveness. The choice of the geosynthetics depends on the compatibility between the mechanical properties of the geosynthetics and the characteristics of the project. The tensile force mobilisation in the reinforcement depends on its tensile stiffness. For extensible reinforcements, such as non woven geotextiles, greater deformation of the structure will be needed in order to mobilise significant tensile forces, whereas for stiff reinforcements, such as some grids and woven geotextiles, less deformations will be required to mobilise the same tensile forces. Because of that, the latter reinforcements have been preferred in reinforced soil structures. Nevertheless, reports in the literature shows that old non woven geotextile reinforced structures have performed well, with little deformation over the years because of the increases in tensile stiffness caused by the confinement of the geotextile by the surrounding soil.
This dissertation aimed to verify the effects of in-soil confinement of non woven geotextiles on its load-deformation behaviour, using a test apparatus developed at the University of Brasília, varying the geotextile mass per unit area, confining stress and confining material. It was observed that the geotextile tensile stiffness is greater for heavier geotextiles, but the relative increase of stiffness is more significant for light geotextiles. The relation between tensile stiffness and confining stress was linear, with greater values of fitting coefficients for lower deformation levels. No relevant differences on the geotextile load-deformation behaviour were observed for the use of different confining materials.
Tests on geotextiles impregnated with granular materials showed that soil impregnation increases the effects of confinement, but the influence of impregnation depends on the geotextile mass per unit area and on the confining stress. The results of tests on damaged geotextile specimens showed that both the dimension and the shape of the damage affect the stiffness of the geotextile.
In general, the results showed the importance of considering the effects of confinement to improve the design parameters and to increase the use of non woven geotextiles in reinforced soil structures.
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 ...1 1. Introdução ...1 1.1. Motivação da Pesquisa...1 1.2. Objetivos...2 1.3. Metodologia ...2 1.4. Estrutura da dissertação ...3 CAPÍTULO 2 ...5 2. Revisão Bibliográfica...52.1. Geossintéticos em Estruturas de Solos Reforçados ...5
2.2. Deformabilidade de Estruturas de Solo Reforçado...8
2.3. Casos Históricos de Solos Reforçados com Geotêxteis...10
2.4. Determinação das Propriedades Relevantes de Geossintéticos para Reforço de Solos..13
2.4.1. Ensaio de Tração em Isolamento ...14
2.4.2. Ensaios de Interação Solo-geossintético...17
2.4.2.1. Ensaio de Cisalhamento Direto...18
2.4.2.2. Ensaio de Arrancamento...19
2.4.2.3. Ensaio de Tração Confinada ...20
2.5. Fatores que Influenciam a Rigidez à Tração dos Geotêxteis Confinados ...26
2.5.1. Influência do Tipo de geossintético ...27
2.5.2. Influência da Gramatura...29
2.5.3. Influência da Tensão Confinante ...30
2.5.4. Influência do Material Confinante ...32
2.5.5. Influência da Impregnação...33
2.5.6. Influência dos Danos mecânicos...35
CAPÍTULO 3 ...39
3. Equipamento e Materiais ...39
3.1. Equipamento para Ensaio de Tração Confinada...39
3.2.1. Geotêxteis ...44
3.2.2. Materiais Confinantes ...47
3.2.2.1. Areia Leighton Buzzard 14/25...48
3.2.2.2. Areia do Rio Corumbá...49
3.2.2.3. Areia CAESB...50
3.2.2.4. Blocos de Madeira ...52
3.2.3. Materiais Granulares para Impregnação ...52
3.2.3.1. Microesferas de Vidro...53
3.2.3.2. Areia Fina do Rio Corumbá...54
CAPÍTULO 4 ...56
4. Metodologia da Pesquisa ...56
4.1. Metodologia do Ensaio ...56
4.1.1. Preparação das Amostras de Geotêxtil ...56
4.1.1.1. Amostras Virgens...56
4.1.1.2. Amostras Impregnadas com Material Granular...57
4.1.1.3. Amostras com Danos Mecânicos Induzidos ...59
4.1.2. Procedimento de Ensaio...60
4.2. Determinação das Curvas Relevantes...62
4.2.1. Curva Carga de tração x Deformação...63
4.2.2. Curva Rigidez x Deformação...64
4.3. Repetibilidade dos Resultados ...65
CAPÍTULO 5 ...70
5. Resultados e análises...70
5.1. Ensaios com geotêxteis virgens ...70
5.1.1. Análise da Influência da gramatura ...71
5.1.2. Análise da Influência da tensão confinante ...78
5.1.3. Análise da Influência da interface de confinamento...84
5.2. Ensaios com amostras impregnadas...90
5.2.1. Análise da Influência do grau de impregnação...91
5.3. Ensaios com amostras com danos mecânicos induzidos ...102
CAPÍTULO 6 ...111
6. Equações de previsão da rigidez à tração ...111
6.1. geotêxteis virgens confinados por madeira...112
6.1.1. Equação para o Geotêxtil GA (200g/m2) ...113
6.1.2. Geotêxtil GB (400g/m2)...116
6.2. Acurácia das equações de Previsão de Rigidez ...119
6.2.1. Geotêxteis Virgens...119
6.2.2. Geotêxteis impregnados...120
6.2.3. Geotêxteis com Danos Mecânicos...121
CAPÍTULO 7 ...123
7. Conclusões e Sugestões para pesquisas Futuras ...123
7.1. Conclusões ...123
7.2. Sugestões para Pesquisas Futuras ...127
REFERÊNCAIS BIBLIOGRÁFICAS ...129
APÊNDICES ...134
A. Materiais utilizados no confinamento e Impregnação ...134
B. Curvas dos ensaios com geotêxteis virgens ...135
LISTA DE TABELAS
Tabela Página
Tabela 3.1 – Características dos geotêxteis utilizados (Dados do fabricante)...45
Tabela 3.2 - Condições em que cada tipo de geotêxtil foi ensaiado...45
Tabela 3.3 – Interface de confinamento para cada tipo de ensaio. ...47
Tabela 3.4 – Características da Areia Leighton Buzzard 14/25 (Palmeira, 1987)...48
Tabela 3.5 - Características da Areia Fina a Média do Rio Corumbá. ...49
Tabela 3.6 - Características da Areia CAESB. ...51
Tabela 3.7 - Características das microesferas de vidro usadas na impregnação...53
Tabela 3.8 - Características da Areia Fina usada na impregnação. ...55
Tabela 5.1 – Ensaios com amostras virgens. ...71
Tabela 5.2 – Acréscimos de rigidez devido à tensão confinante com relação à rigidez não confinada (%). ...79
Tabela 5.3 - Ensaios de amostras impregnadas. ...91
Tabela 5.4 – Porcentagem de vazios remanescentes de geotêxteis impregnados com EV...98
Tabela 5.5 - Ensaios de amostras com danos mecânicos induzidos. ...103
Tabela 6.1 – Coeficientes A e B das equações para geotêxteis GA confinados em madeira. 114 Tabela 6.2 - Coeficientes A e B das equações para geotêxteis GB confinados em madeira..117
LISTA DE FIGURAS
Figura Página
Figura 2.1 – Exemplos de aplicações de geotêxteis como reforço de solos (Jewell, 1996) ...5
Figura 2.2 - Alguns tipos de geotêxteis (Koerner, 1994)...6
Figura 2.3 – Alguns tipos de geogrelha (Aguiar e Vertematti, 2004)...7
Figura 2.4 - Curva de compatibilidade para determinação do equilíbrio do solo reforçado (Modificado - Jewell, 1996). ...9
Figura 2.5 - Seção tipo e detalhes construtivos do aterro reforçado com geotêxteis da SP-123 (Modificado - Carvalho et al., 1986)...12
Figura 2.6 - Ensaio de tração em tira larga. ...15
Figura 2.7 – Parâmetros determinados a partir do ensaio de tração ...16
Figura 2.8 – Mecanismos de interação solo-reforço (Palmeira, 1999a). ...17
Figura 2.9 - Lay-out do equipamento de tração confinada desenvolvido por McGown et al. (1982). (Bueno e Vilar, 2004). ...22
Figura 2.10 – Alguns equipamentos de tração confinada (Modificado – Wu, 1991)...23
Figura 2.11 – Equipamentos de tração confinada desenvolvidos por Palmeira (1990 e 1998). ...25
Figura 2.12 – Valores de rigidez obtidos pelas duas versões do equipamento desenvolvido por Palmeira (1990 e 1998) (Martins, 2000a)...25
Figura 2.13 - Curvas carga-alongamento de geotêxteis submetidos à tração confinada (Wilson-Fahmy et al., 1993, citado por Koerner, 1994). ...28
Figura 2.14 - Seção transversal de geotêxteis submetidos a tensões confinantes diferentes....31
Figura 2.15 - Seção transversal de geotêxteis impregnados (λ = 8) submetidos a tensões confinantes diferentes (Gardoni e Palmeira, 2002). ...34
Figura 3.1- Desenho esquemático do equipamento com detalhe geométrico da amostra geotêxtil (Martins, 2000a). ...40
Figura 3.2 – Vista em planta mostrando o posicionamento dos extensômetros e célula de carga ...40 Figura 3.3 – Célula de tração confinada e conjunto de garras recartilhadas (Matheus, 2002). 41
Figura 3.4 - Mecanismo de tração por meio de conjunto de cilindros hidráulicos – vista geral
da interligação dos cilindros e bomba (Matheus, 2002)...42
Figura 3.5 – Detalhe da instrumentação do equipamento de tração confinada (Martins,2000a). ...43
Figura 3.6 – Vista geral do equipamento montado (Matheus, 2002)...44
Figura 3.7 – Curva granulométrica da Areia Leighton Buzzard 14/25...48
Figura 3.8 - Formato dos grãos da Areia Leighton Buzzard 14/25. ...49
Figura 3.9 - Curva granulométrica da Areia Fina a Média do Rio Corumbá. ...50
Figura 3.10 - Formato dos grãos da Areia Fina a Média do Rio Corumbá...50
Figura 3.11 - Curva granulométrica da Areia CAESB. ...51
Figura 3.12 - Formato dos grãos da Areia CAESB. ...51
Figura 3.13 – Curva granulométrica das Microesferas de Vidro...53
Figura 3.14 – Formato das Microesferas de Vidro de 0,044 a 0,088 mm. ...54
Figura 3.15 – Curva granulométrica da Areia Fina. ...55
Figura 3.16 – Formato dos grãos da Areia Fina do Rio Corumbá...55
Figura 4.1 - Tipos de danos mecânicos induzidos nos geotêxteis. ...59
Figura 4.2 – Seqüência de Preparação do ensaio...61
Figura 4.3 - Repetibilidade de ensaios de geotêxteis GA virgens confinados por Madeira. ....66
Figura 4.4 – Repetibilidade de ensaios de geotêxteis GA virgens confinados por Areia Leighton Buzzard. ...66
Figura 4.5 - Repetibilidade de ensaios de geotêxteis GA virgens confinados por Areia da CAESB. ...67
Figura 4.6 - Repetibilidade de ensaios de geotêxteis GA impregnados com microesferas de vidro (λ=4) confinados por Madeira. ...67
Figura 4.7 - Repetibilidade de ensaios de geotêxteis GB virgens confinados por Areia do Rio Corumbá. ...68
Figura 4.8 - Repetibilidade de ensaios de geotêxteis GC danificados (com danos do tipo RY12,5) confinados por Areia CAESB...68
Figura 5.1 - Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 50 kPa em blocos de madeira...72
Figura 5.2 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 50 kPa em blocos de madeira...72 Figura 5.3 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 100 kPa em blocos de madeira...73 Figura 5.4 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 100 kPa em blocos de madeira...73 Figura 5.5 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 150 kPa em blocos de madeira...74 Figura 5.6 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 150 kPa em blocos de madeira...74 Figura 5.7 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 100 kPa em ARC...76 Figura 5.8 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 100 kPa em ARC...76 Figura 5.9 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 100 kPa em ALB. ...77 Figura 5.10 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 100 kPa em ALB. ...77 Figura 5.11 – Rigidez versus tensão confinante para o geotêxtil GA confinado em madeira..80 Figura 5.12 - Rigidez versus tensão confinante para geotêxtil GB confinado em madeira...81 Figura 5.13 - Rigidez versus tensão confinante para o geotêxtil GA confinado em areia do Rio Corumbá. ...82 Figura 5.14 - Rigidez versus tensão confinante para o geotêxtil GB confinado em areia do Rio Corumbá. ...82 Figura 5.15 - Rigidez versus tensão confinante para o geotêxtil GA confinado em areia Leighton Buzzard. ...83 Figura 5.16 - Rigidez versus tensão confinante para o geotêxtil GB confinado em areia Leighton Buzzard. ...84 Figura 5.17 – Rigidez de Geotêxteis GA em diversas interfaces de confinamento – 50 kPa...86 Figura 5.18 - Rigidez de Geotêxteis GA em diversas interfaces de confinamento – 100 kPa .86 Figura 5.19 - Rigidez de Geotêxteis GA em diversas interfaces de confinamento – 150 kPa .87 Figura 5.20 - Rigidez de Geotêxteis GB em diversas interfaces de confinamento – 50 kPa....88 Figura 5.21 - Rigidez de Geotêxteis GB em diversas interfaces de confinamento – 100 kPa..88 Figura 5.22 - Rigidez de Geotêxteis GB em diversas interfaces de confinamento – 150 kPa..89
Figura 5.23 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA impregnados confinados a 100
kPa. ...92
Figura 5.24 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA impregnados confinados a 100 kPa. ...92
Figura 5.25 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA impregnados confinados a 150 kPa. ...93
Figura 5.26 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA impregnados confinados a 150 kPa. ...93
Figura 5.27 - Influência do confinamento e da impregnação na compressibilidade de geotêxteis não-tecidos (Palmeira et al., 2005)...94
Figura 5.28 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GB impregnados confinados a 100 kPa. ...95
Figura 5.29 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GB impregnados confinados a 100 kPa. ...95
Figura 5.30 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GB impregnados confinados a 150 kPa. ...96
Figura 5.31 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GB impregnados confinados a 150 kPa. ...96
Figura 5.32 – Variação de p com λ (Palmeira et al., 2005). ...98
Figura 5.33 – Variação de J com d para geotêxteis impregnados com EV. ...99
Figura 5.34 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA impregnados com EV e AF...100
Figura 5.35 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA impregnados com EV e AF. ..100
Figura 5.36 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GB impregnados com EV e AF...101
Figura 5.37 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GB impregnados com EV e AF. ..101
Figura 5.38 – Curvas carga-deformação de geotêxteis GA danificados...104
Figura 5.39 – Curvas rigidez-deformação de Geotêxteis GA danificados. ...104
Figura 5.40 – Propagação do dano RH50 no ensaio de tração confinada...106
Figura 5.41 - Propagação do dano RY25 no ensaio de tração confinada. ...106
Figura 5.42 – Curvas carga-deformação de Geotêxteis GC danificados...107
Figura 5.43 – Curvas rigidez-deformação de Geotêxteis GC danificados...107
Figura 5.44 – Curvas carga-deformação de geotêxteis com danos do tipo RH...109
Figura 5.45 - Curvas rigidez-deformação de geotêxteis com danos do tipo RH. ...109
Figura 5.46 – Curvas carga-deformação de geotêxteis com danos do tipo RY...110
Figura 6.1 – Funções rigidez-deformação de geotêxteis GA confinados por blocos de madeira. ...113 Figura 6.2 – Coeficiente A em função da tensão confinante para geotêxtil GA. ...115 Figura 6.3 - Coeficiente B em função da tensão confinante para geotêxtil GA. ...115 Figura 6.4 - Funções rigidez-deformação de geotêxteis GB confinados por blocos de madeira. ...116 Figura 6.5 - Coeficiente A em função da tensão confinante para geotêxtil GB. ...117 Figura 6.6 - Coeficiente B em função da tensão confinante para geotêxtil GB...118 Figura 6.7 – Relação entre valores de rigidez previstos e medidos em ensaios com geotêxteis
GA e GB virgens. ...119 Figura 6.8 - Relação entre valores de rigidez previstos e medidos em ensaios com geotêxteis GA e GB impregnados com microesferas de vidro e areia fina...120 Figura 6.9 - Relação entre valores de rigidez previstos e medidos em ensaios com geotêxteis GA com danos mecânicos. ...122
Figura A.1 – Curvas granulométricas dos materiais usados no confinamento...134 Figura A.2 - Curvas granulométricas dos materiais usados para impregnação. ...134 Figura B.1 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 50 kPa em
ARC...135 Figura B.2 - Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 50 kPa em ARC...135 Figura B.3 – Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 150 kPa em
ARC...136 Figura B.4 – Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 150 kPa em ARC...136 Figura B.5 - Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 25 kPa em ALB. ...137 Figura B.6 - Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 25 kPa em ALB. ...137 Figura B.7 - Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 50 kPa em ALB. ...138 Figura B.8 - Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 50 kPa em ALB. ...138
Figura B.9 - Curvas carga-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 150 kPa em
ALB. ...139
Figura B.10 - Curvas rigidez-deformação dos geotêxteis GA e GB confinados a 150 kPa em ALB. ...139
Figura B.11 – Curva carga-deformação de geotêxteis GA confinados em Madeira. ...140
Figura B.12 - Curva rigidez-deformação de geotêxteis GA confinados em Madeira. ...140
Figura B.13 – Curva carga-deformação de geotêxteis GB confinados em Madeira. ...141
Figura B.14 - Curva rigidez-deformação de geotêxteis GB confinados em Madeira...141
Figura B.15 – Rigidez-deformação (menores que 5%) - GA confinados em Madeira...142
Figura B.16 - Rigidez-deformação (menores que 5%) - GB confinados em Madeira. ...142
Figura B.17 – Curva carga-deformação de geotêxteis GA confinados em ARC. ...143
Figura B.18 - Curva rigidez-deformação de geotêxteis GA confinados em ARC...143
Figura B.19 - Curva carga-deformação de geotêxteis GB confinados em ARC. ...144
Figura B.20 - Curva rigidez-deformação de geotêxteis GB confinados em ARC...144
Figura B.21 – Rigidez-deformação (menores que 5%) - GA confinados em ARC...145
Figura B.22 – Rigidez-deformação (menores que 5%) - GB confinados em ARC...145
Figura B.23 - Curva carga-deformação de geotêxteis GA confinados em ALB. ...146
Figura B.24 - Curva rigidez-deformação de geotêxteis GA confinados em ALB...146
Figura B.25 - Curva carga-deformação de geotêxteis GB confinados em ALB. ...147
Figura B.26 - Curva rigidez-deformação de geotêxteis GB confinados em ALB. ...147
Figura B.27 - Rigidez-deformação (menores que 5%) - GA confinados em ALB...148
Figura B.28 - Rigidez-deformação (menores que 5%) - GB confinados em ALB...148
Figura C.1 - Funções rigidez-deformação de geotêxteis GA confinados em ARC. ...149
Figura C.2 - Funções rigidez-deformação de geotêxteis GB confinados em ARC. ...150
Figura C.3 - Funções rigidez-deformação de geotêxteis GA confinados em ALB. ...151
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES
a Adesão solo-geossintético A Área da amostra geotêxtil
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas A.CAESB Areia grossa de filtro da CAESB
AF Areia fina do Rio Corumbá com granulometria variando de 0,044 a 0,088 mm AFNOR Association Française de Normalization
ALB Areia Leighton Buzzard 14/25
ARC Areia fina a média do Rio Corumbá, fração passante na peneira #40 ASTM American Society for Testing Material
b Altura ou espessura dos membros de ancoragem da geogrelha B Largura da amostra geotêxtil
c Coesão do solo
CAESB Companhia de Águas e Esgoto de Brasília
d Porcentagem remanescente de vazios da manta geotêxtil DI Grau de interferência (Palmeira, 1987)
EV Microesferas de vidro com diâmetros variando de 0,044 a 0,088 mm
f Coeficiente de interação por atrito
fb Coeficiente de aderência por ancoragem
fds Coeficiente de aderência ao deslizamento sobre o plano da geogrelha
F Força total de tração na amostra de geotêxtil
GA Geotêxtil não tecido agulhado filamentos contínuos de poliéster A – Bidim OP 20 GB Geotêxtil não tecido agulhado filamentos contínuos de poliéster B – Bidim OP 40 GC Geotêxtil não tecido agulhado filamentos contínuos de poliéster C – Bidim OP 60 Ji Rigidez à tração inicial
Jmax Rigidez à tração máxima
Jsec GA Rigidez à tração secante para uma deformação de 2% no geotêxtil tipo GA Jsec GB Rigidez à tração secante para uma deformação de 2% no geotêxtil tipo GB Jt Rigidez à tração tangente
Jsec ε Rigidez à tração secante para uma deformação igual a ε lf(i) Leitura final do extensômetro i
lo(i) Leitura inicial do extensômetro i
Li Comprimento inicial da área útil da amostra
M2 Massa da amostra de geotêxtil resinada e perfurada
M3 Massa da amostra de geotêxtil resinada, perfurada e impregnada. Mad Blocos de madeira
Mf Massa dos filamentos que compões a amostra geotêxtil Ms Massa de solo impregnada no geotêxtil
n Porosidade do geotêxtil NBR Norma Brasileira
p Fração do volume de vazios do geotêxtil ocupada por grãos de solo RH10 Dano do tipo Rasgo Horizontal de 10 mm
RH25 Dano do tipo Rasgo Horizontal de 25 mm RH50 Dano do tipo Rasgo Horizontal de 50 mm RY12,5 Dano do tipo Rasgo em “Y” de 12,5 mm RY25 Dano do tipo Rasgo em “Y” de 50 mm
S Espaçamento entre os membros de ancoragem da geogrelha tGT Espessura do geotêxtil
T Carga de tração por unidade de comprimento
Tmax Carga máxima de tração por unidade de comprimento suportada pelo geossintético
αb Fração da área do membro transversal da geogrelha disponível para a mobilização
de resistência passiva do solo
αs Porcentagem da parcela sólida em planta da geogrelha, disponível para o atrito de
pele com o solo.
δ Ângulo de atrito de interface solo-geossintético
δ’ Ângulo de atrito de interface entre o material constituinte da geogrelha e o solo ∆L Deslocamento médio da amostra
∆l1 Deslocamento da garra móvel na extremidade do extensômetro 1 ∆l2 Deslocamento da garra móvel na extremidade do extensômetro 2 ∆l3 Deslocamento da garra fixa na extremidade do extensômetro 3 ∆l4 Deslocamento da garra fixa na extremidade do extensômetro 4 ∆Li Deslocamento medido no extensômetro i
εmax Deformação máxima à tração φ Ângulo de atrito do solo
λ Coeficiente de interação por adesão λ Grau de impregnação
µ Gramatura do geotêxtil
s
ρ Massa específica dos grãos de solo
σ Tensão confinante
σb Máxima resistência passiva para membros transversais de geogrelhas testados ao
arrancamento em isolamento
CAPÍTULO 1
1. INTRODUÇÃO
1.1. MOTIVAÇÃO DA PESQUISA
A técnica de reforço de solos com geossintéticos consiste na combinação de dois materiais com propriedades distintas e funções complementares: o solo que possui elevada resistência à compressão e o geossintético que geralmente apresenta elevada resistência à tração, melhorando a resistência e reduzindo as deformações da estrutura (Gomes, 1993a e Palmeira, 1999a). A mobilização de esforços de tração no geossintético, depende da deformação requerida para mobilizar estes esforços que, por sua vez, depende da rigidez à tração do reforço. Por isso, reforços com rigidezes diferentes produzem deformações diferentes no maciço mesmo quando apresentam a mesma resistência à tração.
Para minimizar os deslocamentos em estruturas de solos reforçados, portanto, é preferível a utilização de reforços mais rígidos. No entanto, estruturas de solo reforçado com geotêxteis, reforços considerados extensíveis, têm apresentado deformações menores que as previstas visto que a maioria das previsões são feitas considerando-se os valores de rigidez determinados por meio de ensaios de tração em isolamento. Várias pesquisas comprovaram que o confinamento do geotêxtil (especialmente os não tecidos agulhados) promove um aumento na sua rigidez à tração, reduzindo a deformação necessária para a mobilização de esforços de tração nestes materiais.
Uma vez que o confinamento diminui a deformabilidade de geotêxteis não tecidos, os valores de rigidez obtidos por meio de ensaios de tração confinada promovem a melhoria dos parâmetros de projeto, ampliando as possibilidades de utilização de geotêxteis não tecidos em aplicações de reforço e reduzindo os custos das obras de solo reforçado já que são materiais geralmente mais baratos do que os reforços mais rígidos.
Neste contexto, torna-se importante o estudo dos efeitos do confinamento nos valores de rigidez à tração de geotêxteis não tecidos, identificando-se, inclusive, outros fatores capazes influenciar o comportamento mecânico dos geotêxteis submetidos a solicitações de tração sob confinamento.
1.2. OBJETIVOS
O objetivo principal da pesquisa é estudar o comportamento carga-alongamento de geotêxteis não tecidos sob confinamento por meio da utilização de equipamento de ensaios de tração confinada desenvolvido na Universidade de Brasília, com o intuito de prever valores de rigidez mais realistas do reforço geotêxtil sob diversas situações de confinamento, estudando os fatores mais relevantes no incremento de rigidez à tração de geotêxteis não tecidos. Desta forma, busca-se verificar o efeito dos seguintes fatores na rigidez de geotêxteis confinados:
Influência da gramatura do geotêxtil; Influência da tensão confinante; Influência do material confinante; Influência do grau de impregnação; Influência do material de impregnação; Influência de danos mecânicos.
O segundo objetivo da dissertação é sugerir procedimentos de previsão da rigidez à tração de geotêxteis não tecidos em função dos principais fatores que a influenciam, como a tensão confinante.
Objetivos secundários estão listados abaixo: Verificação da repetibilidade do equipamento;
Proposição de um método para a padronização de ensaios de tração confinada;
1.3. METODOLOGIA
O comportamento carga-alongamento de geotêxteis não tecidos foi estudado por meio de ensaios de tração confinada, com os quais foram determinadas as curvas carga-deformação e rigidez-deformação das amostras ensaiadas. Com as curvas obtidas foram feitas comparações entre os resultados verificando-se a influência de diversos parâmetros como a tensão confinante, gramatura do geotêxtil, material de interface, danos mecânicos, grau de impregnação e forma do material impregnado na manta.
Nos ensaios com geotêxteis virgens, variaram-se os materiais confinantes, as tensões de confinamento e a gramatura do geotêxtil, permitindo a verificação da influência destes parâmetros nos valores de rigidez de geotêxteis submetidos a solicitações de tração sob
confinamento. O programa de ensaios com amostras virgens abrange 20 ensaios de tração confinada utilizando geotêxteis com duas gramaturas diferentes, quatro tensões confinantes e três interfaces de confinamento.
A verificação da influência da impregnação no comportamento carga-alongamento de geotêxteis não tecidos foi feita por meio de ensaios com amostras de geotêxteis com duas gramaturas diferentes, impregnadas por dois materiais com curvas granulométricas semelhantes e formatos dos grãos diferentes, dois graus de impregnação e submetidas a duas tensões confinantes, num total de 17 ensaios, todos utilizando um mesmo material confinante.
O estudo do efeito dos danos mecânicos em amostras de geotêxteis não tecidos abrangeu 11 ensaios variando-se a gramatura do geotêxtil e o tipo e dimensão do dano, todos confinados em um mesmo material sob a mesma tensão confinante. Apenas um destes ensaios foi feito com uma tensão menor com o intuito de ressaltar a importância da tensão confinante no comportamento carga-alongamento deste tipo de reforço, mesmo quando danificado. Foram selecionadas duas gramaturas diferentes, dois tipos de dano e quatro dimensões de dano diferentes.
Com as curvas carga de tração versus deformação obtidas por meio dos ensaios de tração confinada foi possível determinar as curvas de rigidez secante versus deformação dos geotêxteis. Para determinar os percentuais de o acréscimo ou decréscimo de rigidez devido aos fatores relevantes no comportamento carga-alongamento dos geotêxteis não tecidos, estabeleceu-se a utilização dos valores de rigidez secante a 2% de deformação.
Por meio das curvas rigidez versus deformação para diferentes tensões de confinamento dos geotêxteis virgens foi possível propor equações de previsão da rigidez dos geotêxteis confinados, em função da tensão confinante e da deformação do geotêxtil.
1.4. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
O presente Capítulo apresenta uma introdução do tema englobando a motivação da pesquisa, seus objetivos, a metodologia usada para atingir estes objetivos e um resumo dos assuntos de cada capítulo.
No Capítulo 2 é feita uma revisão bibliográfica acerca da aplicação de geotêxteis em reforço de solos, propriedades requeridas para o uso destes materiais, que garantam um comportamento adequado deste tipo de obra e casos históricos de estruturas de solos reforçados com geotêxteis. Este capítulo aborda, também, os ensaios utilizados na
determinação de parâmetros importantes em projetos de solos reforçados e, finalmente, discute os fatores que influenciam a rigidez à tração de geotêxteis confinados.
No Capítulo 3, é feita a descrição do equipamento de tração confinada usado na pesquisa, discutindo-se as inovações que ele apresenta em relação a uma versão anterior deste mesmo equipamento. Cada elemento do equipamento (célula de tração confinada, sistema de garras, bolsa de borracha, sistema de tração e instrumentação) é descrito de forma a facilitar o entendimento da preparação e execução do ensaio. Neste capítulo estão descritas, também, as propriedades e características relevantes dos materiais utilizados nos ensaios: geotêxteis e materiais confinantes, além dos materiais usados na impregnação de amostras geotêxteis.
A metodologia da pesquisa é apresentada no Capítulo 4, descrevendo passo a passo, a preparação das amostras de geotêxtil, a preparação e execução do ensaio de tração confinada e o procedimento de determinação das curvas relevantes dos ensaios (carga-deformação e rigidez-deformação). No final deste capítulo é apresentada a repetibilidade de alguns ensaios utilizando o equipamento e os materiais da pesquisa, preparados segundo a metodologia adotada.
No Capítulo 5 estão apresentados os resultados e as análises dos ensaios de tração confinada feitos durante o programa experimental. O capítulo é subdividido em três partes, correspondentes às condições dos geotêxteis ensaiados: virgens, impregnados e danificados mecanicamente. Em cada parte são abordados os fatores que influenciam os valores de rigidez à tração dos geotêxteis confinados, apresentando-se percentuais de acréscimo ou decréscimo de rigidez à tração devido aos efeitos daqueles fatores no comportamento mecânico dos geotêxteis não tecidos.
No Capítulo 6 é feita a determinação das curvas que melhor se ajustam aos pontos da rigidez secante em função da deformação, cujas funções foram úteis para propor equações de
previsão da rigidez à tração de geotêxteis não tecidos em função da tensão confinante e da
deformação da manta. No final deste capítulo é feita a comparação entre os valores de rigidez previstos pelas equações propostas e os valores de rigidez medidos nos ensaios de tração confinada.
O Capítulo 7 apresenta as principais conclusões da pesquisa, recomendações baseadas nestas conclusões e sugestões para pesquisas futuras, relacionadas ao tema estudado.
As referências bibliográficas da pesquisa estão apresentadas logo após o Capítulo 7. Em seguida, figuras adicionais para o entendimento dos resultados obtidos na pesquisa estão apresentadas nos Apêndices.
CAPÍTULO 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. GEOSSINTÉTICOS EM ESTRUTURAS DE SOLOS REFORÇADOS
Geossintéticos são produtos poliméricos (sintéticos ou naturais), cujas propriedades contribuem para melhoria de obras geotécnicas, nas quais eles desempenham, principalmente, funções de reforço, filtração, drenagem, proteção, separação, controle de fluxo (impermeabilização) e controle de erosão superficial. (Palmeira e Vidal, 2001).
A respeito das funções de reforço, a técnica do solo reforçado com geossintéticos consiste na combinação destes dois materiais, de naturezas essencialmente distintas e funções complementares (Gomes, 1993a), visando a obtenção de um material composto mais resistente e menos deformável que o solo natural (Palmeira, 1993). O solo, que apresenta boa resistência à compressão e baixa resistência à tração, é reforçado com elementos geossintéticos que, geralmente, possuem boa resistência à tração, melhorando a resistência e reduzindo as deformações de obras como taludes íngremes, estruturas de contenção, aterros sobre solos moles, aterros sobre estacas, aterros sobre terrenos suscetíveis a subsidência, etc. (Palmeira, 1993). A Figura 2.1 apresenta alguns dos tipos de obras de reforço de solos.
Figura 2.1 – Exemplos de aplicações de geotêxteis como reforço de solos (Jewell, 1996) (a) estrutura de contenção de solo reforçado; (b) talude reforçado; (c) recuperação de
Segundo Aguiar e Vertematti (2004), os geossintéticos comumente especificados para atuar como reforço de estruturas geotécnicas são os geotêxteis tecidos e não tecidos, as geogrelhas, as geotiras e os geocompostos.
Os geotêxteis não tecidos caracterizam-se por apresentarem filamentos contínuos ou fibras cortadas dispostos em diversas direções, interligados por processos mecânicos, térmicos ou químicos (Aguiar e Vertematti, 2004), formando uma manta bidimensional permeável. Os geotêxteis tecidos são produtos obtidos do entrelaçamento de fios, monofilamentos ou laminetes (fitas) segundo duas direções preferenciais denominadas “trama” e “urdume”, sentido transversal e longitudinal da manta respectivamente (Aguiar e Vertematti, 2004).
Figura 2.2 - Alguns tipos de geotêxteis (Koerner, 1994).
(a) geotêxtil tecido de monofilamentos; (b) geotêxtil tecido de monofilamentos, calendrado; (c) geotêxtil tecido de multifilamentos; (d) geotêxtil tecido de laminetes; (e) geotêxtil não
As geogrelhas caracterizam-se por serem bidimensionais e descontínuas, possibilitando a interação com o solo por mecanismos de ancoragem. De acordo com Aguiar e Vertematti, (2004) são formadas por elementos com elevada resistência à tração e, em função do processo de fabricação, podem ser extrudadas, soldadas ou tecidas.
(a) (b)
Figura 2.3 – Alguns tipos de geogrelha (Aguiar e Vertematti, 2004). (a) geogrelha extrudada; (b) geogrelha soldada
As geotiras, como o nome indica, são produtos em forma de tira com função predominante de reforço (Aguiar e Vertematti, 2004). O dimensionamento de estruturas reforçadas com geotiras é feito de acordo com o procedimento de dimensionamento de estruturas do tipo “terra armada”. As geotiras podem ser lisas ou com ressaltos, que favorecem a interação solo-reforço por ancoragem (Palmeira, 1993).
Os geocompostos são produtos resultantes da associação entre dois ou mais tipos de geossintéticos entre si ou com outros produtos, buscando a otimização no desempenho de uma função específica, entre elas a função de reforço.
De acordo com Jewell (1996), as principais considerações de uma estrutura de solo reforçado são: admitir que ela tenha que deformar para que seja mobilizada sua resistência à tração; a estrutura continua a deformar com o decorrer do tempo e, como conseqüência, a resistência disponível não é constante e sim variável. Esta flexibilidade de estruturas de solos reforçados geralmente é vantajosa, visto que a estrutura comporta certo grau de movimentações melhor que estruturas de concreto, por exemplo.
No caso de solos reforçados com inclusões extensíveis, como geotêxteis, a rigidez da manta constitui um parâmetro de relevância primária na quantificação das deformações necessárias para a mobilização da resistência a tração no reforço, ou seja, o potencial de utilização do reforço é condicionado aos deslocamentos da estrutura (Gomes, 1993a).
2.2. DEFORMABILIDADE DE ESTRUTURAS DE SOLO REFORÇADO
Em projetos correntes de estruturas de contenção com solo reforçado, não são comuns análises de deformabilidade, seja em termos de deslocamentos horizontais ou em termos de análises de recalques. Geralmente o dimensionamento é feito com base na avaliação do comportamento da estrutura em condições específicas de ruptura (Martins, 2000a).
Segundo Jewell (1996), a resistência do solo reforçado depende tanto da resistência ao cisalhamento do solo quanto da força de tração axial mobilizada no reforço. Estas duas grandezas são relacionadas por meio da compatibilidade de deformações entre o solo e o reforço (Figura 2.4). Assim, tanto a resistência quanto a rigidez do reforço são propriedades importantes para o dimensionamento das estruturas de solo reforçado.
No caso de reforços extensíveis, são necessárias maiores deformações para mobilizar esforços de tração nos reforços e no caso de reforços rígidos, as deformações necessárias para mobilizar os mesmos esforços são menores. Por isso, estruturas reforçadas com inclusões mais rígidas apresentam menores deformações que estruturas reforçadas com inclusões extensíveis, mesmo quando ambas apresentam a mesma resistência à tração.
No entanto, é necessário definir como classificar se o reforço é extensível ou rígido. A rigidez dos elementos de reforço pode ser determinada por meio de diversos ensaios, podendo apresentar resultados diferentes em cada um deles devido aos fatores que influenciam o comportamento carga-alongamento dos reforços ensaiados. A velocidade do ensaio, por exemplo, é um fator importante uma vez que dependendo do polímero constituinte do geossintético, sua resistência e rigidez à tração podem sem mais ou menos influenciados pela taxa de deformação imposta (Palmeira, 1999b). Boyle et al. (1996) e Palmeira (1999b) fazem uma discussão deste e outros fatores que afetam os resultados de ensaios na determinação das propriedades dos geotêxteis.
Outro fator que influencia sobremaneira os valores de rigidez determinados pelos ensaios de tração em geotêxteis é o efeito do confinamento do reforço devido ao peso do solo do aterro. Pesquisas comprovaram que o confinamento afeta substancialmente o comportamento carga-alongamento de geotêxteis não tecidos. Nestes, a deformabilidade é dominada pela estrutura interna entre os filamentos, e a interação solo-reforço e o intertravamento de grãos de solo entre os filamentos da manta dificultam a movimentação destes quando o reforço é solicitado à tração. (McGown et al., 1982, Wilson-Fahmy et al., 1993, citados por Koerner, 1994, Gomes, 1993a, Yuan et al., 1998 e Martins, 2000a).
Com base nestes conceitos, entende-se que estruturas reforçadas com geotêxteis, materiais considerados extensíveis, podem apresentar deformações menores que as esperadas, visto que, em geral, estas deformações são previstas a partir da consideração de valores de rigidez determinados em ensaios de tração em isolamento. Se o confinamento provoca um incremento de rigidez no geotêxtil não tecido, as deformações necessárias para mobilizar esforços de tração no reforço serão menores, como mostra a Figura 2.4. (considerando que o comportamento do geotêxtil sob confinamento é representado pela curva de linha pontilhada e o comportamento do geotêxtil em ensaios de tração em isolamento é representado pela curva de linha cheia).
Figura 2.4 - Curva de compatibilidade para determinação do equilíbrio do solo reforçado (Modificado - Jewell, 1996).
Comparando os valores de deslocamentos observados em modelos reduzidos instrumentados de estruturas de contenção de solo reforçado com os valores previstos pelo método de Jewell e Milligan (1989) para estas estruturas, Lanz (1992) verificou que os deslocamentos previstos foram maiores que os observados. Um dos motivos que, provavelmente, justificou a previsão de deslocamentos maiores foi a utilização da rigidez à tração do reforço obtida por meio de ensaios de tração em isolamento. Por não considerar o confinamento promovido pelo solo, o ensaio de tração isolada subestima os valores de rigidez à tração do geotêxtil não tecido, provocando a previsão de deslocamentos maiores em estruturas de solo reforçado com estes materiais.
Martins (2000a) retroanalisou o dimensionamento de três obras executadas em Minas Gerais utilizando parâmetros fornecidos por ensaios de tração confinada. Na retroanálise das condições de estabilidade das obras executadas, o autor utilizou o programa ReSlope (Leshchinsky, 1998). Martins (2000a) realizou também a análise de deformabilidade das estruturas mais íngremes por meio da metodologia de Jewell e Milligan (1989), levando-se em consideração as variações de rigidez dos reforços de acordo com as tensões de confinamento atuantes, cujos valores foram estimados por meio dos ensaios de tração confinada para deformações de 1 e 5%. Entre todas as análises feitas nas estruturas estudadas, não foram previstas deformações maiores que 4%, sendo que a maior parte destas previsões ficaram entre 2 e 3% de deformação. Os resultados de análises de deformação comprovaram que a utilização de parâmetros obtidos por meio de ensaios de tração confinada permitiriam uma redução de custos em torno de 30% com relação ao projeto executado e de 60% com relação ao projeto original em uma das obras retroanalisadas.
2.3. CASOS HISTÓRICOS DE SOLOS REFORÇADOS COM GEOTÊXTEIS
Tanto benefícios técnicos como econômicos podem ser obtidos por meio do uso de geotêxteis em obras de reforço. No entanto, a redução de custos é o que vem encorajando o uso desta alternativa (Jewell, 1996). A economia pode ser proveniente de vários fatores proporcionados pelo reforço do solo, entre eles: a redução de volumes de aterro, devido à possibilidade de estabilização de taludes íngremes; aumento da velocidade da construção devido à facilidade de instalação das inclusões e a possibilidade de uso de solos coesivos no “núcleo” do muro (Pinto e Oliveira, 1995), reduzindo os custos de transporte de materiais granulares necessários, pelo menos, nas camadas circundantes do muro para garantir boa drenagem.
A primeira obra instrumentada de grande porte executada em aterro reforçado com geotêxteis no Brasil foi descrita por Carvalho et al. (1986), Wolle e Carvalho (1992) e Ehrlich et al. (1997). Trata-se da recuperação de um aterro rodoviário situado no km 35 da SP 123 (Taubaté – Campos do Jordão), que se viabilizou tanto técnica quanto economicamente devido à impossibilidade de execução de um aterro convencional por falta de espaço e também porque outras alternativas não se mostraram competitivas em termos econômicos com a solução do aterro reforçado com geotêxtil. A Figura 2.5 apresenta a seção tipo e os detalhes construtivos desta obra.
A estrutura foi executada em 1984, com 40m de extensão e 11m de altura com inclinação do talude de 2V:1H sendo dividida em dois trechos: um reforçado com geotêxtil não tecido agulhado de filamentos contínuos de poliéster e gramatura de 300 g/m2 e outro reforçado com geotêxtil tecido de laminetes de polipropileno com gramatura de 167 g/m2, ambos com espaçamento vertical entre reforços de 60 cm. A resistência à tração não confinada dos dois geotêxteis empregados foi de 22 kN/m e a deformação na ruptura era igual a 10% para o geotêxtil tecido (ASTM D-1682) e 39% para o geotêxtil não tecido (AFNOR G38014). O material do aterro era uma areia siltosa pouco argilosa, selecionado para atender requisitos de elevada resistência ao cisalhamento e certa permeabilidade (para facilitar a drenagem e reduzir poropressões).
Por ser uma obra pioneira, foi feito um rigoroso controle com instrumentação. Foram instalados medidores de deslocamentos verticais (medidores de recalque magnéticos) e horizontais (extensômetros múltiplos de hastes), células de pressão total hidráulico-pneumáticas, e piezômetros. Após cada etapa construtiva as leituras dos instrumentos apresentavam tendências à estabilização e após a conclusão da obra a estabilização das medidas foi uniforme nos vários instrumentos e ocorreu em prazo relativamente curto. A relação entre os deslocamentos horizontais e a altura do talude reforçado foi menor que 1,2%.
A utilização de dois tipos de geotêxtil (tecido e não tecido) foi conveniente na medida em que o pioneirismo da obra e o controle com instrumentação da mesma permitiram a verificação da eficiência de cada tipo de reforço. Apesar de a rigidez do geotêxtil não tecido ser menor que a do geotêxtil tecido em ensaios de tração isolada, os deslocamentos horizontais medidos no talude foram sistematicamente menores no trecho reforçado com geotêxtil não tecido. O melhor desempenho observado no trecho do talude reforçado com geotêxtil não tecido está relacionado ao maior incremento de rigidez que o confinamento proporcionou a este tipo reforço.
Figura 2.5 - Seção tipo e detalhes construtivos do aterro reforçado com geotêxteis da SP-123 (Modificado - Carvalho et al., 1986).
Além dessa obra pioneira, encontra-se na literatura as descrições de outros casos de aplicação de geotêxteis em estruturas de solo reforçado no Brasil. Azambuja e Strauss (1999) relataram vários projetos de reforço de taludes e muros de solos reforçados no Rio Grande do Sul, onde geotêxteis foram utilizados como inclusões. Os autores citam projetos que previam muros de flexão, muros de gravidade com blocos de rocha, cortinas ancoradas, muros de gabiões e outros, de 3 a 19 m de altura e extensões de 40 a 200 m, que foram substituídos por projetos de solo reforçado com geotêxteis não tecidos, apresentando reduções de custos de 15 a 50%, além da redução do tempo de execução das obras. Algumas das obras mencionadas pelos autores foram executadas em tempo bastante reduzido (10 dias) e utilizando equipamentos leves de terraplanagem. Os autores destacam que quanto ao reforço de taludes íngremes, os geotêxteis apresentam um desempenho mecânico tão satisfatório quanto as geogrelhas, o que conduz a decisão de que, nestes casos, a escolha do tipo de reforço a ser utilizado deve ser baseada na análise econômica do projeto.
Em muros de solos reforçados com geossintéticos usados em proteção de encostas de Petrópolis, foi documentado (Pinto e Oliveira, 1995, Ehrlich et al., 1994 e Ehrlich, 1995) que, apesar de a execução das obras ter demandado escavações que aumentaram os seus custos, a alternativa dos muros de solo reforçado com geotêxteis apresentou custos menores quando comparada a soluções convencionais. Além disso, a instrumentação destes muros registrou deslocamentos horizontais e verticais muito pequenos e não foram registradas poropressões positivas durante todo o período das leituras, mesmo durante o período chuvoso do verão.
Vários outros casos históricos de estruturas de solos reforçados com geossintéticos (no caso, muros de contenção) podem ser encontrados em Tatsuoka e Leshchinsky (1994), que fazem um apanhado de artigos, descrevendo obras executadas em diversos países: Canadá, Itália, Estados Unidos, França, Reino Unido, Japão, Taiwan, Alemanha e Bélgica. Wu (1992) também apresenta uma série de artigos com casos históricos de muros de solo reforçado.
2.4. DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES RELEVANTES DE GEOSSINTÉTICOS PARA REFORÇO DE SOLOS
O comportamento global de uma estrutura de solo reforçado com geossintéticos está condicionado às propriedades do reforço, propriedades do solo e interação solo-geossintético. A especificação de um geossintético em uma obra de reforço de solo deve ser feita compatibilizando suas propriedades às solicitações impostas à obra: a resistência à tração e o
comportamento à fluência devem ser compatíveis com as tensões atuantes no reforço, rigidez compatível com as deformações admissíveis, resistência a esforços de instalação compatível com os materiais e equipamentos empregados na execução, grau de interação solo-reforço compatível com os comprimentos de ancoragem do reforço e durabilidade compatível com a vida útil da obra onde o reforço será empregado. (Palmeira, 1993).
Estas e outras propriedades dos geossintéticos são estudadas em laboratório por dois grupos básicos de ensaios (Vidal et al., 1999): ensaios de caracterização (ou ensaios índice) e ensaios de comportamento. Os ensaios de caracterização têm por objetivo determinar as características dos geossintéticos sem considerar sua interação com o meio ambiente nem o processo de solicitação imposto na obra. São propriedades inerentes aos produtos e independentes das condições de utilização cujos resultados são, geralmente, usados no controle tecnológico dos produtos. Os ensaios de comportamento permitem considerar as solicitações impostas pela obra: condições de instalação, modo, tempo e intensidade das solicitações, condições ambientes e interação com os meios adjacentes (Vidal et al., 1999).
Dentre os ensaios de caracterização, vários tipos de ensaios de tração em isolamento podem ser empregados na determinação de parâmetros de resistência do reforço geossintético. O item 2.4.1 faz uma breve descrição destes ensaios e suas ressalvas. Dentre os ensaios de comportamento, os mais empregados na determinação de propriedades relevantes para a utilização de geossintéticos em reforço de solos são os ensaios de cisalhamento direto com geossintéticos, arrancamento e tração confinada. Estes ensaios, apresentados no item 2.4.2, são comumente chamados de ensaios de interação solo geossintético por visarem simular solicitações comuns em estruturas de solos reforçados, considerando a interação entre os materiais.
2.4.1. ENSAIO DE TRAÇÃO EM ISOLAMENTO
Os ensaios de tração de faixa estreita em isolamento são geralmente utilizados para o controle de qualidade dos produtos no processo de fabricação. São muito comuns em catálogos de fabricantes os parâmetros de resistência obtidos por meio de ensaios de tração de faixa estreita e o ensaio de tração localizada (“grab tensile test”) que, de acordo com Palmeira (1999b), devem ser usados quase que exclusivamente para o controle de qualidade dos produtos, devido a limitações como a estricção em amostras de geotêxteis não tecidos e larguras reduzidas para ensaios em geotêxteis tecidos e geogrelhas.
O ensaio de tração em isolamento que mais se aproxima às solicitações de campo é o ensaio em faixa larga normatizado pela NBR 12824/93 (Figura 2.6). Devido à maior relação entre a largura e a altura da amostra, (as normas brasileira e americana preconizaram L/H=2) a influência da estricção diminui, aproximando o comportamento do geotêxtil às condições de deformação plana que geralmente ocorrem no campo. Mesmo assim, os efeitos relativos ao confinamento não são simulados neste tipo de ensaio.
Figura 2.6 - Ensaio de tração em tira larga.
Nos ensaios de tração, geralmente as amostras de geossintéticos são submetidas a certa velocidade de deformação enquanto são feitas leituras da carga e dos deslocamentos das garras que tracionam a amostra. A partir dos valores medidos é plotado um gráfico da carga por unidade de largura (kN/m) em função da deformação (razão entre o deslocamento e o comprimento inicial da amostra, apresentado em %). A Figura 2.7. apresenta uma curva carga-alongamento típica e os parâmetros determinados a partir dela.
Figura 2.7 – Parâmetros determinados a partir do ensaio de tração (Modificado - Gomes, 1993a).
A resistência à tração do geossintético corresponde à carga máxima suportada pelo gessintético, Tmax, e a deformação máxima à tração, εmax, corresponde à deformação da amostra no momento da ruptura. A rigidez à tração do geossintético é a relação entre a carga e o alongamento, e pode ser determinado de três formas:
Rigidez à tração secante (Jsec ε): coeficiente angular da reta secante que passa pela origem e pelo ponto da função carga-alongamento para e a deformação ε, ou seja, Jsec30 é o valor de rigidez à tração secante correspondente à deformação ε = 30%; Rigidez à tração tangente ou inicial (Jt ou Ji): coeficiente angular da reta tangente à
curva carga-alongamento para ε = 0;
Rigidez à tração máxima (Jmax ): coeficiente angular da reta tangente ao trecho de máxima declividade da curva carga-alongamento.
Estes ensaios são de fácil execução e interpretação, sendo também úteis no controle de fabricação dos reforços geossintéticos. Entretanto, a utilização de valores de rigidez à tração obtidos em ensaios de tração em isolamento no dimensionamento de obras de reforço com geotêxteis pode levar a estimativas muito conservativas de deformações, uma vez que eles não simulam o confinamento promovido pelo solo do aterro sobrejacente. O efeito do
confinamento pode alterar de forma significativa o comportamento do reforço, especialmente dos geotêxteis não tecidos.
2.4.2. ENSAIOS DE INTERAÇÃO SOLO-GEOSSINTÉTICO
De acordo com Palmeira (1999a), os métodos usuais para a avaliação de parâmetros de interação solo-reforço compreendem ensaios de laboratório e de campo. Dentre os ensaios de laboratório, os mais utilizados são os ensaios de cisalhamento direto, arrancamento e tração confinada. Cada um destes três tipos de ensaio visa simular de condições de carregamento encontradas em obras reais em solo reforçado, como esquematizado na Figura 2.8. Os ensaios de cisalhamento direto simulariam as condições ilustradas pelos elementos A e C da figura, os ensaios de arrancamento simulariam a condição D e ensaios de tração confinada, a condição B da mesma figura.
A
B
C
D
Figura 2.8 – Mecanismos de interação solo-reforço (Palmeira, 1999a).
Além das propriedades do solo e do reforço, isoladamente, serem importantes para o dimensionamento e previsão do comportamento das estruturas de solo reforçado, as propriedades de interação entre eles também são elementos essenciais nestes cálculos. Existem basicamente duas formas de interação entre o solo e o reforço: interação por atrito e por resistência passiva. No caso de tiras metálicas lisas, geotêxteis e geogrelhas com pequenas aberturas, predomina a interação por atrito e adesão e no caso de tiras com ressaltos e
geogrelhas com grandes aberturas, pode predominar a interação por resistência passiva (Palmeira, 1993). O coeficiente de interação por atrito solo-geossintético é determinado por meio de ensaios de cisalhamento direto (item 2.4.2.1) e o coeficiente de interação por resistência passiva é determinado por meio de ensaios de arrancamento (item 2.4.2.2).
Nos ensaios de tração confinada (item 2.4.2.3), a quantificação da interação solo-reforço é mais complexa (Palmeira, 1999b), por este motivo este ensaio é mais apropriado para a verificação do comportamento carga-alongamento dos geotêxteis submetidos a solicitações de confinamento impostas pela obra. O principal benefício que o ensaio de tração confinada pode prover é uma previsão mais realista do comportamento mecânico do geotêxtil.
2.4.2.1. ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO
Dependendo do tipo de reforço introduzido no solo, pode-se desenvolver uma aderência dada pelo atrito e adesão entre as partículas de solo e a superfície do reforço e/ou pela resistência passiva devido a elementos transversais. Na interação entre o solo e reforços planos, do tipo geotêxteis, predominam os efeitos do atrito e adesão.
O ensaio de cisalhamento direto é um ensaio de fácil execução, necessário para a determinação da adesão entre o solo e o geossintético (a) e do ângulo de atrito de interface solo-geossintético (δ ). Com estes dados determinam-se os coeficientes de interação por adesão (λ) e por atrito (f), respectivamente, expressos pelas Equações 2.1 e 2.2
c a = λ (2.1) φ δ tan tan = f (2.2) Onde:
λ = coeficiente de interação por adesão;
a = adesão entre solo e geossintético; c = coesão do solo;
f = coeficiente de interação por atrito;
δ = ângulo de atrito de interface solo-geossintético;
A adesão (a) e o ângulo de atrito de interface (δ ) entre o solo e geotêxteis podem sem
determinados também por meio de ensaios de arrancamento. No entanto, devido à simplicidade do ensaio de cisalhamento direto, este é mais comumente empregado na determinação destes parâmetros.
Nestes ensaios o plano do cisalhamento geralmente é imposto na interface de contato entre o solo e o reforço, como apresentado na condição do elemento A da Figura 2.8. A realização de ensaios de cisalhamento direto com o geotêxtil inclinado em relação ao plano de cisalhamento (condição do elemento C da Figura 2.8) só se justifica em casos de estudos fundamentais de interação e em equipamentos que permitam a medição dos deslocamentos internos do solo e do reforço, uma vez que o estado de tensões no interior da amostra é bastante complexo (Palmeira, 1999b).
2.4.2.2. ENSAIO DE ARRANCAMENTO
Os ensaios de arrancamento são interessantes para a quantificação da interação por ancoragem entre solo e reforço, especialmente para reforços do tipo geogrelha. Nestes ensaios, o comprimento do reforço inserido no solo é arrancado por meio da aplicação de uma carga de tração na extremidade oposta do reforço.
O mecanismo de interação entre solo e geogrelha é diferente da interação entre o solo e um reforço com superfície plana contínua (geotêxteis tecidos e não tecidos, por exemplo). A interação solo-geogrelha é uma combinação de mecanismos de interação por atrito e por resistência passiva dos membros transversais, simultaneamente. Palmeira (1987) verificou que a predominância de um ou outro mecanismo de interação geralmente é definida pela geometria da grelha; mais precisamente pela abertura da malha, expressa em fração de área sólida da geogrelha em planta (αs).
Para a quantificação da interação solo-geogrelha devido apenas ao efeito do atrito,
Jewell et al. (1984, citado por Jewell, 1996) sugeriu a Equação 2.3. Para geogrelhas com αs menor que 20% da área em planta, Palmeira (1987) sugere a Equação 2.4 para quantificar o coeficiente de aderência por ancoragem entre uma grelha rígida e um solo arenoso. Quando
os mecanismos de atrito e de ancoragem atuam simultaneamente em uma grelha rígida, pode-se utilizar a combinação entre as Equações 2.3 e 2.4, obtendo-pode-se uma equação geral (Equação 2.5) para a estimativa do valor do coeficiente de aderência (Palmeira, 1993).
− ⋅ − = φ δ α tan ' tan 1 1 s ds f (2.3)
(
)
φ σ σ α φ δ tan 2 1 tan tan ⋅ ⋅ ⋅ − = = y b b b S b DI f (2.4)(
)
φ σ σ α φ δ α tan 2 1 tan ' tan 1 1 ⋅ ⋅ ⋅ − + − ⋅ − = y b b s S b DI f (2.5) Onde: dsf = coeficiente de aderência ao deslizamento sobre o plano da geogrelha; s
α = porcentagem da parcela sólida em planta da geogrelha disponível para atrito de pele com o solo;
'
δ = ângulo de atrito de interface entre o material constituinte da geogrelha e o solo;
φ= ângulo de atrito do solo;
b
f = coeficiente de aderência por ancoragem;
δ = ângulo de atrito “equivalente” entre o solo e a geogrelha;
DI = grau de interferência (0 ≤ DI ≤1). (Palmeira, 1987);
b= altura ou espessura dos membros de ancoragem da geogrelha;
S= espaçamento entre membros de ancoragem;
b
α = fração da área do membro transversal disponível para mobilização de resistência passiva no solo (0 ≤ αb ≤1);
b
σ = máxima resistência passiva para membros transversais testados ao arrancamento em isolamento;
y
σ = pressão normal no plano de instalação da geogrelha. 2.4.2.3. ENSAIO DE TRAÇÃO CONFINADA
De acordo com Gomes (1993a), a resistência à tração de projeto tem sido estabelecida por meio de ensaios de tração em faixa larga a partir da resistência de ruptura do geotêxtil ou com base no valor da resistência mobilizada para certa deformação. No entanto, este ensaio, assim como os outros ensaios de caracterização, não simula os efeitos da interação
