FATEC - SP
DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA
ESCAVAÇÕES
CONSOLIDAÇÃO DE SOLOS
AULA 13
1. CONCEITO
Consolidar um solo é torná-lo resistente aos
esforços atuantes
.
Pode-se, de certa forma, considerar como
consolidação, a aplicação de qualquer técnica que
venha a aumentar a resistência inicial do material
considerado.
Para efeito deste capítulo, considerar-se-á, com o
nome genérico de solos, os materiais classificados
como:
solos residuais ou de alteração;
solos transportados;
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
A consolidação de solos pode ser realizada
das mais variadas formas, dependendo da
finalidade, do tipo de material e do tipo de
obra.
Serão citados a seguir as principais situações
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
Fig. 8.1 - Seção típica de uma barragem de terra (maciço homogêneo, compactado)
CRISTA
berma filtro vertical
de areia
filtro horizontal de areia
dreno de pé
eventual cut-off NA
h altura da borda livre
taludes de montante
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
Devem ser protegidos:
a) da ação erosiva da arrebentação das ondas, que se dá no
trecho de borda livre;
b) da ação erosiva das águas pluviais (principalmente durante a
fase de construção);
c) da ação erosiva (piping) através da reversão de fluxo, causada
por rebaixamentos rápidos do NA do reservatório formado pela barragem.
Para se fazer essa proteção empregam-se normalmente:
placas de concreto (pouco utilizada); pedras com 0,20m < < 0,40m, lançadas ou arrumadas
sobre o talude “rip-rap”;
solo cimento (principalmente em locais onde não se dispõe de
pedras);
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
Nos locais onde existem pedras em quantidades suficientes, o
“rip-rap” (“pedra lançada”) é a solução mais utilizada para a
proteção dos taludes de montante.
É econômico pois geralmente utiliza-se as sobras das
escavações em rocha (normalmente feitas para acomodar as
fundações da barragem de concreto).
Tecnicamente o “rip-rap” atende aos três tipos de problemas
citados, com bastante eficiência.
No entanto, deve-se tomar certos cuidados na execução do
“rip-rap”, prevendo-se uma transição entre as partículas de
solo e as pedras, com materiais de granulometrias
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
Nos locais onde não existem pedras em quantidades
suficientes, pode-se optar por fazer a proteção do talude de
montante com solo-cimento.
Esse método de proteção é bastante difundido nos EUA,
Canadá, Argentina e diversos outros países. Nos EUA, desde
a pioneira “BONNY DAM”, construída no Colorado em 1952,
mais de 60 barragens de terra tiveram seus taludes de
montante protegidos com solo-cimento.
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
A proteção com solo-cimento pode apresentar principalmente dois
tipos de problemas:
afundamento de peças contíguas, em virtude de excessivo
recalque de fundação. Pode-se evitar através de sondagens
geotécnicas e utilizando-se das diversas técnicas de previsão e controle dos recalques.
no caso de infiltração ou mesmo rebaixamento muito rápido da água, através da barragem (4 ou 5m de rebaixamento em
poucos dias). A saturação do solo pode originar altas pressões hidrostáticas, que agiriam contra a face interna do
revestimento. Para evitar esses problemas pode-se por exemplo,
projetar e executar o aterro de modo a colocar os materiais mais impermeáveis subjacentes ao revestimento de solo cimento, o que evita que a quantidade de água infiltrada pelas fissuras, seja
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
A execução da proteção de taludes com solo-cimento
obedece basicamente às mesmas técnicas utilizadas na
compactação dos solos:
colocação e espalhamento do solo em camadas de 15 a 20
cm de espessura
controle da umidade do solo, mistura e homogeneização
do solo com o cimento (naturalmente com controle da dosagem obtida através de ensaios padronizados)
compactação da mistura, geralmente exigindo-se um grau de
compactação de 100% daquele obtido no ensaio de Proctor Normal
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
Determinação do teor de cimento a ser misturado ao solo
para estabilizá-lo (métodos de ensaios):
ABCP-SC-1 - Ensaio de compactação de solo-cimento
(ASTM-D-558);
ABCP-SC-2 - Moldagem de corpos de prova de solo-cimento;
ABCP-SC-3 - Ensaio de durabilidade por molhagem e secagem
de corpos de prova de solo-cimento (ASTM-D-560);
ABCP-SC-4 - Ensaio de resistência à compressão simples de
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
Preferencialmente utilizam-se os resultados do ensaio de durabilidade
por molhagem e secagem para o estabelecimento do teor de cimento, independentemente do tipo de solo com que se está trabalhando.
É possível, no entanto, efetivar a dosagem através do método
simplificado que se baseia na resistência à compressão simples aos 7 (sete) dias, sempre que a matéria prima seja um solo com um máximo de 50% de silte + argila, não mais que 20% de argila e menos do que 45% de pedregulho gráudo.
Os resultados dos ensaios têm demonstrado que quanto maior a
percentagem de finos presentes no solo maior também a quantidade de cimento necessária à estabilização.
A largura da plataforma de compactação dependerá do tipo de
equipamento compactador utilizado, podendo variar de 2,10m a 3,00m.
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
h = altura da borda livre ou altura de proteção. Nos reservatórios das
barragens de maior porte e, dependendo da direção dos ventos há
formação de ondas. Essas ondas podem ir bater no paramento superior do talude. A determinação de h é função da altura estimada para essas ondas
B = largura da plataforma de compactação da faixa de proteção com
solo cimento (normalmente varia de 2,10m a 3,00m);
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.1. Consolidação dos taludes de montante
Tabela 8.1 - Valores de “b” em função de “B” e da inclinação do talude
INCLINAÇÃO DO TALUDE B (em metros) b (em metros)
2H :1V 2,10 a 3,00 0,94 a 1,34 3H :1V 2,10 a 3,00 0,66 a 0,95 4H :1V 2,10 a 3,00 0,51 a 0,73
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.2. Consolidação dos taludes de jusante
Devem ser protegidos:
a) da ação erosiva das águas pluviais: normalmente feita
com o plantio de grama em todo o talude, além da
instalação de canaletas de drenagem nas bermas;
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.2. Consolidação dos taludes de jusante
O “piping” ocorre quando os gradientes de saída da água que
percola pelo maciço de terra são elevados.
A força de percolação é suficiente para arrancar e carrear as
partículas de solo no ponto de saída.
Com isso vão se formando canais de percolação com gradientes
cada vez maiores (pela diminuição do comprimento da linha de fluxo), que podem e normalmente levam à destruição da barragem de terra.
Esse fenômeno pode ser combatido com a construção de filtros de
areia (horizontais e verticais), complementados com os drenos de pé do talude.
Os filtros têm a função de interceptar o fluxo d’água pelo maciço,
conduzindo a água para fora dele, em direção ao filtro de pé. Na construção do filtro de pé deve-se ter os mesmos cuidados citados para o “rip-rap”, ou seja há necessidade de se deixar passar a água sem permitir a saída de grãos de solo.
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.3. Consolidação da crista da barragem
A crista é a plataforma resultante na parte
superior do maciço de terra.
Geralmente tem sido aproveitada com uma ponte
de transposição do rio, podendo ser utilizada para
passagem de uma rodovia ou de uma estrada de
ferro.
Assim o tratamento a ser dado na consolidação da
crista da barragem está condicionado ao tipo de
utilização.
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.4. Consolidação do maciço de terra da barragem
A consolidação do maciço de terra é normalmente feito
através da compactação do solo, que lhe confere maior
resistência, influindo positivamente na estabilidade global
desse tipo de obra.
A técnica da compactação de solos é relativamente recente
Anteriormente os aterros eram feitos simplesmente
lançando-se o material
resultado eram aterros altamente compressivos devido ao
grande volume de vazios que se formavam entre as camadas
lançadas
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.4. Consolidação do maciço de terra da barragem
A técnica da compactação consiste no lançamento e
espalhamento do material em camadas horizontais de
espessura da ordem de 15 a 20 cm e posterior passagem
de rolos compressores pesados, que evitam a terra fofa e a
formação de vazios.
É dessa forma, um processo mecânico que visa acelerar o
adensamento, consistindo na aplicação de um peso, ou de
apiloamento ou ainda de vibração, que aumenta a densidade
aparente do solo lançado e, portanto, aumenta-lhe a
resistência.
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.4. Consolidação do maciço de terra da barragem
Método de controle de compactação
Ralph Proctor (em 1933): “
a densidade com que um solo é
compactado, sob determinada energia de compactação,
depende da umidade do solo no momento da compactação
”.
O ensaio proposto por Proctor e adotado universalmente,
consiste:
cilindro metálico, com volume de 1 litro, compacta-se a amostra
de solo, em três camadas, cada uma delas por meio de 25 golpes de soquete pesando 2,5 Kg, caindo de uma altura de 30 cm.
uma vez compactado o solo, com uma certa umidade
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.4. Consolidação do maciço de terra da barragem
Ensaio de PROCTOR
V
P
1. Massa específica do solo
100
/
1 h
s
100
.
s aP
P
h
(Kgf/cm3 ) P = peso V = volume, da amostra2. Umidade h de uma pequena porção de solo, retirada do material
compactado (em %)
Pa = peso da água
Ps = peso do solo seco
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.4. Consolidação do maciço de terra da barragem
Ensaio de PROCTOR
Repetindo-se o ensaio para várias umidades ter-se-á como resultado os pares de valores ( h, S ), com os quais pode-se traçar a chamada “Curva de
Compactação”
Fig. 8.4 - Resultados de um ensaio de Proctor h (%)
hOT
S MAX
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.4. Consolidação do maciço de terra da barragem
Ensaio de PROCTOR
da curva de compactação obtém-se dois
parâmetros importantes no controle de
compactação: a umidade ótima h
OTque resultará
na densidade aparente seca máxima
S MAX;
bastará que, no campo, na hora da compactação,
seja controlada a umidade (que deverá se situar
nas proximidades de h
OT), para que, após um
conveniente número de passadas do rolo
compactador, obtenha-se como resultado uma
densidade do solo próxima da máxima.
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.4. Consolidação da fundação da barragem
A fundação pode necessitar de consolidação.
Ao serem encontradas camadas de materiais de baixa capacidade
de suporte (argilas moles), na fundação, pode ser necessária a sua remoção ou caso seja impossível deve-se acelerar os
recalques através dos métodos já vistos (sobrecargas adicionais,
drenos de areia ou mesmo drenos fibro-químicos).
Por outro lado, quando ocorrerem materiais muito permeáveis
na fundação (areias e pedregulhos), poderá haver muita perda de água por percolação por esses materiais e, nesse caso, quase
sempre a opção será a construção de “cut-offs”, diafragmas rígidos ou plásticos, etc, com a finalidade de diminuir a percolação.
Barragens de concreto a fundação é normalmente assentada
sobre rocha sã. Isso não quer dizer que se tratam de maciços únicos, sem nenhuma falha. As rochas, em geral costumam
apresentar planos de trincas, fraturas, etc. Para se evitar surpresas quanto ao comportamento desses maciços, não só estruturalmente mas também na questão de perdas d’água por percolação,
costuma-se fazer a consolidação através da injeção de nata de
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.5. Método para deteminação da altura da borda
livre “free-board” em barragens
Fórmulas empíricas (Stevenson, Gaillard e Molitor)
h “free-board” NAmax
h = 0,75 H + V2 / 2g H = altura das ondas (em m.)
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.5. Método para deteminação da altura da borda
livre “free-board” em barragens
Fórmulas empíricas (Stevenson, Gaillard e Molitor)
A altura das ondas H (em metros) pode ser obtida pela fórmula empírica de Stevenson
4
.
26
,
0
.
34
,
0
75
,
0
L
L
H
onde: L = “FETCH” ou maior distância dentro do reservatório na direção predominante dos ventos (em km)
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.5. Método para deteminação da altura da borda
livre “free-board” em barragens
Fórmulas empíricas (Stevenson, Gaillard e Molitor)
LAGO OU RESERVATÓRIO (formado pela barragem)
FETCH
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.5. Método para deteminação da altura da borda
livre “free-board” em barragens
Fórmulas empíricas (Stevenson, Gaillard e Molitor)
No Brasil, por falta de dados sobre os ventos, toma-se a
maior distância em linha reta sobre a superfície do lago e
uma velocidade U= 80 km/h para o vento. A velocidade
das ondas V pode ser obtida pela expressão de Gaillard:
H
V
1
,
50
2
.
onde: V ( em m/s)H ( em m)
Levando-se em conta a velocidade do vento U (km/h)
pode-se, alternativamente, determinar a altura da onda H
pela expressão de Molitor:
4
.
27
,
0
.
.
032
,
0
75
,
0
U
L
L
H
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.5. Método para deteminação da altura da borda
livre “free-board” em barragens
Influência das dimensões do reservatório na velocidade dos
ventos
Segundo SAVILLE(1962), tem-se que a velocidade do vento
sobre as água de um reservatório é maior que a
velocidade do mesmo vento sobre a terra, em função do
maior comprimento na direção predominante dos ventos
“FETCH”,
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.1. Barragens de terra
2.1.5. Método para deteminação da altura da borda
livre “free-board” em barragens
Influência das dimensões do reservatório na velocidade dos
ventos
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 comprimento " FETCH " (km) Uá g u a / U te rr a (k m /h )2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.2. Consolidação de taludes e encostas naturais
É muito comum após a construção de rodovias, ferrovias,
etc, que provocam quase sempre problemas relativos a
erosões e deslizamentos de terra
Quanto ao cortes, quase sempre o problema é que estes
atravessam a camada de solo maduro, atingindo camadas
mais profundas cuja principal característica é a baixa
resistência à erosão. Isso fatalmente resultará em
processos erosivos, ravinamentos e escorregamentos
superficiais, com o deslocamento progressivo de porções de
solos e blocos de rochas (são as chamadas quedas de
barreiras), que começa a ocorrer desde as primeiras chuvas
mais intensas após a construção e vai se agravando a cada
nova chuva, se não tomadas as devidas providências.
Quanto as encostas naturais, o desequilíbrio normalmente é
devido às mudanças nas condições naturais de
drenagem e capeamento dos solos. Os desmatamentos,
as concentrações de água em determinados pontos, podem
provocar a formação de verdadeiras voçorocas, de
proporções às vezes alarmantes e irreversíveis.
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.2. Consolidação de taludes e encostas naturais
A consolidação de taludes e encostas naturais de
uma estrada, por exemplo, deveria ser um
trabalho constante de manutenção e que dotasse a
via de níveis de segurança cada vez maiores.
Infelizmente por muito tempo, em nossas estradas,
a consolidação foi feita de modo corretivo e
não preventivo.
As medidas mais comuns de controle e
consolidação de taludes e encostas naturais são a
seguir descritas e valem normalmente para
qualquer tipo de obra de terra definitiva.
2. TIPOS DE CONSOLIDAÇÃO
2.2. Consolidação de taludes e encostas naturais
Drenagem: procurando-se a correta captação e desvio das águas
das áreas consideradas problemáticas e o conseqüente lançamento dessa águas em pontos já consolidados, diminuindo o poder erosivo das águas de chuva.
Proteção Superficial: plantio de grama, impermeabilização com
material betuminoso (massa asfáltica, piche, etc), aplicação de concreto projetado sobre tela de alta resistência (bastante
eficiente mas muito caro), empilhamento de sacos de solo-cimento, etc.
Obras de contenção: A consolidação em regiões de relevo
acidentado exige, quase sempre, a construção de obras de
contenção. As mais comumente utilizadas são: cortinas atirantadas, maciços em terra armada, muros de arrimo (a flexão, por
gravidade, solo pregado, etc), chumbadores, tirantes, telas de alta resistência chumbadas (para evitar deslocamento de matacões ou de blocos de rochas instáveis), concreto projetado sobre telas de alta resistência chumbadas (para matacões e solos superficialmente
instáveis), construção de anteparos com telas de alta resistência (para matacões e blocos de rocha), etc.
