anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos … · departamento de engenharia civil e...

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS NÃO SATURADOS COM BASE EM ELEMENTOS FINITOS DANIELLE DE SÁ QUIRINO ORIENTADOR: PEDRO MURRIETA SANTOS NETO, DSc DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM GEOTECNIA PUBLICAÇÃO G.DM-129/2004 BRASÍLIA - DF, DEZEMBRO DE 2004

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM

SOLOS NÃO SATURADOS COM BASE EM ELEMENTOS

FINITOS

DANIELLE DE SÁ QUIRINO

ORIENTADOR: PEDRO MURRIETA SANTOS NETO, DSc

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM GEOTECNIA

PUBLICAÇÃO G.DM-129/2004

BRASÍLIA - DF, DEZEMBRO DE 2004

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS NÃO

SATURADOS COM BASE EM ELEMENTOS FINITOS

DANIELLE DE SÁ QUIRINO

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 EM CIÊNCIAS.

APROVADA POR: _________________________________________

PROF. PEDRO MURRIETA SANTOS NETO, DSc (UnB)

(ORIENTADOR)

_________________________________________

PROF. ENNIO PALMEIRA, PhD (UnB)

(EXAMINADOR INTERNO)

_________________________________________

PROF. CLÁUDIO MAHLER, PhD (COPPE - UFRJ)

(EXAMINADOR EXTERNO)

BRASÍLIA-DF, 20 DE DEZEMBRO DE 2004

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FICHA CATALOGRÁFICA

SÁ QUIRINO, DANIELLE DE

Análise do Método da Extremidade Livre

em Solos Não Saturados com Base em Elementos Finitos

xix, 149 p., 297 mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Geotecnia, 2003)

Dissertação de Mestrado - Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia,

Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.

1. Estruturas de Contenção 2. Solo Não-Saturado

3. Método da Extremidade Livre 4. Elementos Finitos

I. ENC/FT/UnB II. Título (série)

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

SÁ QUIRINO, D. (2004). Análise Crítica do Método da Extremidade Livre em Solos Não

Saturados com Base em Elementos Finitos. Dissertação de Mestrado, Publicação

G.DM-129/04, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de

Brasília, Brasília, DF, 149 p.

CESSÃO DE DIREITOS

NOME DO AUTOR: Danielle de Sá Quirino

TÍTULO DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO: Análise do Método da Extremidade Livre

em Solos Não Saturados com Base em Elementos Finitos.

GRAU: Mestre ANO: 2004

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.

___________________________

Danielle de Sá Quirino

Av. Argemiro de Figueiredo, 3701 apt.201 Bessa

CEP: 53800-000 – João Pessoa -PB- Brasil

Fone +83 2463412, +83 2461620

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DEDICATÓRIA

Este trabalho é dedicado aos meus pais que com esforço e dedicação

souberam passar tudo que aprendi de melhor.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço ao programa de Geotecnia da UnB por me ter permitido fazer parte deste grupo de

excelência.

Ao CNPq, órgão de fomento que proporcionou o apoio financeiro.

Ao Professor e Orientador Pedro Murrieta, meus sinceros agradecimentos pela atenção e pelos

valiosos ensinamentos durante a realização deste trabalho.

À minha família, meu pai, minha mãe, minhas irmãs, meu irmão, meus avós pela

compreensão e pelo carinho brindado durante minha ausência.

Aos amigos geotécnicos que juntos compartilharam todas as dificuldades para adquirir os

conhecimentos da geotecnia.

Á equipe de laboratório, Ricardo e Alessandro, pela ajuda prestada nos ensaios.

A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia que compartilharam

conosco seus extensos conhecimentos.

A Diogo Costa por sua grande dedicação, principalmente a despendida nos últimos momentos

do meu trabalho.

Aos amigos especiais que compartilharam comigo as conquistas durante a minha vida.

Um agradecimento especial ao Professor José Henrique Feitosa Pereira, ao grande mestre que

muita saudade deixou.

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ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS NÃO

SATURADOS COM BASE EM ELEMENTOS FINITOS

RESUMO

Em Brasília, as obras geotécnicas são muitas vezes executadas em maciços de solos

não-saturados, que nunca chegarão à saturação. Dentro deste enfoque, esta dissertação trata da

análise do comportamento estrutural de uma cortina formada por estacas justapostas com

altura total de 8 m, sendo 4 m de ficha enterrada em camada de solo laterítico não saturado. A

consideração da não saturação do solo é analisada, com vistas a se definir parâmetros

mecânicos de resistência adequados a este tipo de estrutura de contenção.

O objetivo é fazer uma análise crítica do dimensionamento convencional de uma

cortina de contenção de uma escavação em um maciço em solo não saturado. O

dimensionamento convencional baseia-se na teoria do equilíbrio plástico no método da

extremidade livre. Este método despreza a deformabilidade do solo e só requer os parâmetros

de resistência do solo para a análise de equilíbrio da cortina. Por outro lado, uma análise

completa compreende a deformabilidade dos materiais envolvidos, tanto em termo do solo

como da cortina de contenção. Esta solução completa compreende também as equações de

equilíbrio, modelos constitutivos do comportamento tensão versus deformação do solo e da

cortina, e as equações de compatibilidade de deformações do solo e da cortina. Soluções

completas são complexas e requerem o uso de métodos numéricos. No presente estudo

utilizou-se o “software” PLAXIS nestas análises.

A modelagem constitutiva do solo foi obtida de um programa de laboratório

envolvendo: caracterização física, caracterização hidráulica, ensaios duplo-oedométrico e

ensaios de resistência ao cisalhamento nas condições natural e saturada. Instrumentação de

campo permitiu o monitoramento das deformações das estacas por meio de “strain-gauges”

colados às barras de aço e medição dos deslocamentos nas estacas por meio de topografia.

As análises dos resultados obtidos evidenciam que o Método de Equilíbrio Limite, a

partir das análises de método da extremidade livre produz resultados conservadores.

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ANALYSIS OF THE EXTREME FREE METHOD IN UNSATURED

SOILS BASED IN FINITS ELEMENTS

ABSTRACT

In Brasília, most of the geothecnique structures are constructed on unsatured soils,

wich never become satured. In this sense, this work leads the analysis of a side by side 8

meters high structural behaviour, being 4 meters of it inside a layer of unsaturated soil. The

proposition of unsaturated soil is analised in order to define the parameters of this kind of

structure.

The aim of this study is to make a critic analysis of this sheet pile conventional

calculation on unsatured soil. The convencional mesurement is based on Plastic Equilibrium

Theory by the extreme free method. This method ignores soil deformability and takes into

account only resistence parameters of the soil in order to make the Equilibrium Analysis of

the sheet pile. On the other hand, a complete analysis envolves not only equilibrium analysis,

but also material deformability, as to soil as to sheet pile. This complete solution also

envolves equilibrium equations, behaviour constitutive models of tension versus soil and

sheet pile deformation, as well as compability equations of soils and sheet pile deformations.

Complete solutions are complex and demand numeric methods. In this work, a numeric

programme named PLAXIS was used.

Soil constitutive model was obtained from a laboratory program, considering what

follows: physical caractheristcs, hydraulic caractheristics, double-oedometer test and straight

resistence tests under natural and saturated conditions. In situ, instrumentation allowed an

exact monitoring of the deformation of these piles trough strain-gauges located on steel bars

as well as dislocation measurement in those piles trough topographic aids.

The analyses of the results achieved show that the limit equilibrium method is more

conservative, considering the use of free extreme method.

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ÍNDICE

Capítulo 1 – INTRODUÇÃO...................................................................................................1

1.1. IMPORTÂNCIA DO TEMA...........................................................................................1

1.2. OBJETIVOS DA PESQUISA.........................................................................................2

1.3. METODOLOGIA............................................................................................................3

1.4. ESCOPO DA PESQUISA...............................................................................................3

Capítulo 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................................5

2.1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 5

2.2. MECÂNICA DOS SOLOS NÃO SATURADOS ........................................................ 5

2.3. PRINCÍPIO DAS TENSÕES EFETIVAS PARA SOLOS NÃO SATURADOS........ 7

2.3.1. Porosidade (n) e Índice de Vazios (e) ...................................................................... 11

2.3.2. Sucção Matricial....................................................................................................... 12

2.3.3. Compressibilidade .................................................................................................... 14

2.3.4. Curva Característica ................................................................................................. 22

2.3.5. Técnica de Translação de Eixos............................................................................... 24

2.4. RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS NÃO SATURADOS........... 25

2.5. ENSAIO PRESSIOMÉTRICO................................................................................... 28

2.6. TIPOS DE ESTRUTURA DE CONTENÇÃO USADOS EM BRASÍLIA ............... 34

2.7. ESTABILIDADE DE TALUDES .............................................................................. 37

2.8. TEORIAS BÁSICAS SOBRE EMPUXO DE TERRA.............................................. 39

2.8.1. Hipóteses Adotadas.................................................................................................. 41

2.8.2. Equilíbrio Limite (Modelo Rígido-Plástico)............................................................ 44

2.8.3. Método da Extremidade Livre (Bowles, 1968) ........................................................ 46

2.9. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS (MEF)...................................................... 48

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Capítulo 3 - MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DAS ESTRUTURAS DE

CONTENÇÃO E FERRAMENTA NUMÉRICA UTILIZADA – PLAXIS......................50

3.1. MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE CORTINAS........................................50

3.2. DIMENSIONAMENTO DE CORTINAS EM ESTACAS PRANCHAS EM SOLOS

NÃO SATURADOS...........................................................................................................52

3.3. FERRAMENTA NUMÉRICA UTILIZADA – PROGRAMA PLAXIS....................54

3.4. CARACTERÍSTICAS DO PROGRAMA PLAXIS...................................................55

Capítulo 4 - INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS............................................................60

4.1. INTRODUÇÃO.................................................................................................................60

4.2. DESCRIÇÃO DA OBRA..................................................................................................63

4.3. PROJETO DA CORTINA.................................................................................................63

4.4. METODOLOGIA DE CAMPO.........................................................................................66

4.4.1. Medições de Deformação e de Deslocamento................................................................67

4.5. ENSAIOS DE LABORATÓRIO.......................................................................................69

4.5.1. Coleta de Amostras e Ensaios de Caracterização...........................................................70

Coleta de amostra indeformada................................................................................................70

Coleta de amostra para definição do perfil de umidade............................................................71

4.5.2. Ensaio de Caracterização................................................................................................72

4.5.3. Ensaio da Curva Característica Sucção X Umidade.......................................................73

4.5.4. Ensaio de Cisalhamento Direto.......................................................................................74

4.5.5. Ensaio Duplo-Oedométrico............................................................................................78

Capítulo 5 - APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS E ANÁLISES ............................ 81

5.1. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS .............................. 81

5.2. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DO SOLO ........................................................... 81

5.2.1. Determinação da MASSA ESPECÍFICA dos grãos (rg) .............................................. 82

5.2.2. Determinação das curvas granulométricas do material................................................. 83

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5.2.3. Perfil de umidade do solo.............................................................................................. 84

5.2.4. Porosidade (n) e Índice de Vazios (e) ........................................................................... 85

5.2.5. Grau de Saturação (Sr) .................................................................................................. 85

5.2.6. Limites de Consistência ................................................................................................ 86

5.2.7. Determinação da Resistência ao Cisalhamento do Material......................................... 87

5.2.8. Determinação da Curva Característica do Solo ............................................................. 90

5.2.9. Ensaio Duplo-Oedométrico........................................................................................... 91

5.2.10. Ensaio Pressiométrico ................................................................................................. 94

5.3. DESCRIÇÃO DA OBRA ................................................................................................ 97

5.4. ANÁLISE DA CORTINA............................................................................................... 99

5.4.1. Método da Extremidade Livre..................................................................................... 104

5.4.2. Deslocamentos no Topo das Estacas, Medidos in situ................................................ 106

5.4.3. Instrumentação ............................................................................................................ 107

5.4.4. Análises Numéricas .................................................................................................... .109

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES............................................................................................131

6.1 – CONCLUSÕES............................................................................................................ 131

6.1.2. Dimensionamento das Estruturas de Contenção...........................................................133

6.2. SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS..............................................................134

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................136

ANEXO A – FOTOS DA OBRA VIA IMPORT CENTER..............................................140

ANEXO B – RELATÓRIOS DE SONDAGEM.................................................................144

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Amostra de solo idealizada............................................................................... 11

Figura 2.2 - Variação de volume .......................................................................................... 13

Figura 2.3 - Variação do volume do solo devido à compressão isotrópica.......................... 15

Figura 2.4 - Superfície de estado.......................................................................................... 15

Figura 2.5 - Módulo de elasticidade..................................................................................... 18

Figura 2.6 - Módulo de deformação tangencial G ............................................................... 19

Figura 2.7 - Curva característica típica de um solo siltoso .................................................. 23

Figura 2.8 - Linha de ruptura de Mohr-Coulomb estendida para solos não saturados ........ 27

Figura 2.9 - Linha de interseção ao longo do plano de ruptura no plano t vs (ua-uw)......... 28

Figura 2.10 - Pressiômetro tipo Ménard (Schnaid, 2000).................................................... 30

Figura 2.11 - Curva típica de um ensaio tipo Ménard (Schnaid, 2000) ............................... 31

Figura 2.12 - Análise da expansão de cavidade (Schnaid, 2000)......................................... 32

Figura 2.13 - Muro de Gravidade (Silva Júnior, 1997) ........................................................ 34

Figura 2.14 - Muro de Gabião (Silva Júnior, 1997)............................................................. 35

Figura 2.15 - Muro de solo cimento ensacado (Silva Júnior, 1997) .................................... 35

Figura 2.16 - Muro de flexão (Silva Júnior, 1997)............................................................... 36

Figura 2.17 - Cortinas de estaca prancha (Modificado de Bowles, 1968) ........................... 36

Figura 2.18 - Cortina atirantada (Silva Júnior, 1997) .......................................................... 37

Figura 2.19 - Ilustração do conceito do equilíbrio elástico e plástico.................................. 38

Figura 2.20 - Movimento da Estrutura de Contenção desenvolvendo ................................. 39

Figura 2.21 - Cortina de estaca prancha em solo coesivo .................................................... 40

Figura 2.22 - Relação entre o coeficiente de empuxo inicial, K0, e sucção matricial.......... 42

Figura 2.23 - Relação entre o ângulo de atrito interno efetivo e o coeficiente de

empuxo inicial, K0................................................................................................................ 43

Figura 2.24 - Comportamento elasto-plástico idealizado..................................................... 44

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Figura 2.25 - Tensão vertical e horizontal em uma massa de solo ....................................... 45

Figura 2.26 - Diagrama de empuxo ativo e passivo ............................................................. 46

Figura 2.27 - Cortina de estacas em maciço de solo com influência do nível d´água ........ 47

Figura 2.28 - Cortina de estacas em solo arenoso sem influência do nível d´água .............. 47

Figura 3.1 - Caso típico de análise de cortina em balanço....................................................50

Figura 3.2 - Cortina em balanço em solo arenoso sem a presença de água .. ...................... 51

Figura 3.3 - Cortina em balanço em solo arenoso, com ficha em solo argiloso . ................ 51

Figura 3.4 - Cortina em balanço em solo arenoso ............................................................... 52

Figura 4.1 - Mapa de Brasília com a locação das obras ....................................................... 60

Figura 4.2 - Terreno escavado com a contenção das estacas justapostas ........................... 62

Figura 4.3 - Planta Baixa da cortina de estacas justapostas ................................................. 64

Figura 4.4 - Perfil esquemático da cortina dimensionada de estacas justapostas. ............... 65

Figura 4.5 - Disposição dos Extensômetros (“Strain-Gauges”) ........................................... 66

Figura 4.6 - Medição dos deslocamentos das estacas (Estação Total)................................. 68

Figura 4.7 - Medição dos extensômetros locados na armação da cortina. ........................... 68

Figura 4.8 - Coleta de amostra indeformada ........................................................................ 71

Figura 4.9 - Câmara de pressão de Richards ........................................................................ 74

Figura 4.10 - Esquema do equipamento para ensaio de cisalhamento direto simples ......... 75

Figura 4.11 - Ensaio de cisalhamento direto ........................................................................ 75

Figura 4.12 - Curva de compressibilidade (ciclo de carregamento e descarregamento)...... 79

Figura 5.1 - Curva granulométrica ....................................................................................... 84

Figura 5.2 - Perfil de umidade do solo ................................................................................. 85

Figura 5.3 - Ensaio de Consistência (Limite de Liquidez) ................................................... 86

Figura 5.4 - Curvas tensão vs deformação (amostra natural) ............................................... 88

Figura 5.5 - Envoltória - tensão cisalhante versus tensão normal (amostra natural) ........... 89

Figura 5.6 - Curvas - tensão versus deformação (amostra saturada) ................................... 89

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Figura 5.7 - Envoltória - tensão cisalhante versus tensão normal (amostra saturada) ......... 90

Figura 5.8 - Curva característica .......................................................................................... 91

Figura 5.9 - Curva de compressibilidade ............................................................................. 92

Figura 5.10 - Curva tensão versus variação volumétrica ..................................................... 93

Figura 5.11 - Gráficos Pressão x Volume (Profundidade de 4 m) ....................................... 95

Figura 5.12 - Ajuste de curva pressiométrica ...................................................................... 96

Figura 5.13 - Relação Módulo de Young (E) versus Umidade (w%). ................................. 96

Figura 5.14 - Cortina de Contenção – obra VIA IMPORT.................................................. 98

Figura 5.15 - Esquema de Esforços (Método da Extremidade Livre – Bowles).................. 99

Figura 5.16 - Perfil de sondagem do solo da obra...............................................................102

Figura 5.17 - Dimensionamento da Estaca (Método da Extremidade Livre – Bowles)..... 105

Figura 5.18 - Diagrama de Momento Fletor da Estaca - Método da Extremidade Livre

(solo na condição natural) ................................................................................... 106

Figura 5.19 - Deslocamento no topo da estaca................................................................... 107

Figura 5.20 - Momentos calculados com base nos dados da instrumentação .................... 108

Figura 5.21 - Malha de elementos finitos para análises numéricas (PLAXIS).................. 110

Figura 5.22 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Natural 1) .............................. 110

Figura 5.23 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Natural 2)............................... 111

Figura 5.24 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Saturada)................................ 112

Figura 5.25 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Natural 1)............................... 113

Figura 5.26 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Natural 2)............................... 113

Figura 5.27 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Saturada)................................ 114

Figura 5.28 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Natural 1 ............................... 116

Figura 5.29 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Natural 2 ............................... 116

Figura 5.30 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Saturada ................................ 117

Figura 5.31 - Diagrama de deslocamento da cortina.......................................................... 118

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Figura 5.32 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Natural 1 .................... 119

Figura 5.33 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Natural 2 .................... 119

Figura 5.34 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Saturada ..................... 120

Figura 5.35 - Diagrama de Momento Fletor ...................................................................... 120

Figura 5.36 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Natural 1 ............................... 121

Figura 5.37 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Natural 2 ............................... 122

Figura 5.38 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Saturada ................................ 122

Figura 5.39 - Deslocamentos laterais da cortina ............................................................... 123

Figura 5.40 - Diagrama de deslocamento da cortina.......................................................... 124

Figura 5.41 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Natural 1 .................... 125

Figura 5.42 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Natural 2 .................... 125

Figura 5.43 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Saturada.......................126

Figura 5.44 - Diagrama de momento fletor da cortina ....................................................... 126

Figura 5.45 - Momentos Fletores da cortina – 1ª e 2ª escavação ....................................... 127

Figura 5.46 - Deslocamentos laterais da cortina (Mohr-Coulomb X Cam-Clay) .............. 128

Figura 5.47 – Diag. de momentos fletores da cortina (Mohr-Coulomb X Cam-Clay) ...... 129

Figura 5.48 - Diagrama de momentos fletores da cortina (Comparação entre métodos)... 130

Figura A.1: Escavação do terreno ...................................................................................... 140

Figura A.2: Escavação do terreno ...................................................................................... 140

Figura A.3: Vista da cortina de estacas.............................................................................. 141

Figura A.4: Vista das estacas da cortina ............................................................................ 141

Figura A.5: Cortina de estacas prancha .............................................................................. 142

Figura A.6: Medição dos deslocamentos das cabeças das estacas ..................................... 142

Figura A.7: Medição dos deslocamentos da cortina ........................................................ 143

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Figura B.1: Planta de locação das sondagens ...................................................................144

Figura B.2: Furo n°11 de sondagem.................................................................................145

Figura B.3: Furo n°11 de sondagem - continuação ..........................................................146

Figura B.4: Furo n°11 de sondagem - continuação ..........................................................147

Figura B.5: Furo n°12 de sondagem.................................................................................148

Figura B.6: Furo n°12 de sondagem - continuação ..........................................................149

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LISTA DE TABELAS

Tabela 5.1 - Parâmetros geotécnico da argila porosa de Brasília......................................... 82

Tabela 5.2 - Massa específica dos grãos .............................................................................. 83

Tabela 5.3 - Índice de vazios, porosidade e grau de saturação da amostra de solo ............. 86

Tabela 5.4 - Índice de Plasticidade....................................................................................... 87

Tabela 5.5 - Valores de c´e f´ ............................................................................................... 90

Tabela 5.6 - Parâmetros de compressibilidade ..................................................................... 94

Tabela 5.7 - Valores obtidos a partir do ensaio pressiométrico ........................................... 95

Tabela 5.8 - Parâmetros do solo (natural e saturado) ......................................................... 103

Tabela 5.9 - Deslocamentos médios em cada trecho ......................................................... 107

Tabela 5.10 - Dados da cortina equivalente ....................................................................... 115

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LISTA DE ABREVIAÇÕES, NOMENCLATURAS E SÍMBOLOS

aV Coeficiente de compressibilidade;

c Coesão do solo;

c’ Coesão efetiva do solo;

cv Coeficiente de adensamento;

C Parâmetro característico do solo;

Ct Compressibilidade convencional no plano saturado;

Cm Compressibilidade convencional no plano índice de vazios vs sucção;

Cij Parâmetros de compressibilidade;

CU Ensaio triaxial consolidado e não drenado, com medição de poropressão;

df Diâmetro do furo de sondagem;

dp Incremento de pressão;

ds Diâmetro da sonda pressiométrica;

d? Incremento de tensão;

dV/V Variação volumétrica específica;

D Altura da ficha da estaca;

Dt Parâmetro de umidade correspondente a sucção;

e Índice de vazios;

e0 Índice de vazios inicial;

E Módulo de Young ou de Elasticidade;

E50, Módulo de Young utilizando a metade da tensão desvio;

Esec50 Módulo Secante;

Etg50 Módulo Tangente;

f Função;

F Fator de segurança;

G Módulo de deformação tangencial;

H Altura da estrutura de contenção;

H Módulo de elasticidade da estrutura do solo;

Hi Módulo de elasticidade anisotrópico da estrutura do solo;

K0 Coeficiente de empuxo lateral;

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Ka Coeficiente de empuxo ativo de Rankine;

Kp Coeficiente de empuxo passivo de Rankine;

mv Coeficiente de variação volumétrica;

M Momento flector;

N Força Normal;

NBR Norma Brasileira;

n porosidade do solo;

N(s) Volume específico referente a tensão pc com sucção s;

p Tensão média;

p Pressão aplicada do pressiômetro;

pc Tensão de referência para ?= N(s);

p’ Tensão Média Efetiva;

p0 Tensão Média inicial;

q Sobrecarga;

q Tensão desviatória;

Q Esforço cortante;

r0 Raio inicial da cavidade;

r Raio final da cavidade;

Sr Grau de saturação;

Sm Sucção mátrica;

So Sucção osmótica;

Su Resistência não-drenada do solo;

T Força tangencial;

ua Pressão de ar no elemento sólido;

uw Pressão de água no elemento sólido;

(ua- uw) Sucção Matricial;

V Volume da cavidade cilíndrica;

Vv Volume de vazios;

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xviii

Vt Volume total;

V0 Volume inicial da cavidade;

w Umidade;

? Desclocamento;

? h. Deslocamento horizontal;

? ? Deslocamento horizontal da estrutura de contenção;

? ´ Deslocamento vertical;

? ?? Incremento de deformação volumétrica inicial;

? ?xy, ? ?xy, ? ?xy Deformações angulares atuantes nas direções x, y e z;

? ? Variação de tensão;

? ?xy, ? ?xz, ? ?yz Tensões cisalhantes atuantes nas direções x, y e z;

? H Variação de altura;

w? Diferença de umidade;

ow Umidade inicial;?

? Deformação;

?1 Componente de deformação normal maior;

?3 Componente de deformação normal menor;

?x Deformação na direção x ;

?y Deformação na direção y ;

?z Deformação na direção z ;

? Ângulo de atrito total do solo;

? ’ Ângulo de atrito efetivo do solo;

? b Ângulo de coeficiente de incremento de resistência cisalhante relativa a sucção

mátrica;

? Ângulo de inclinação;

?cr Ângulo de inclinação do plano de mínima resistência cisalhante;

?a Peso específico do ar;

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xix

?g Peso específico dos grãos do solo;?

?? Peso específico da água;

? g densidade real dos grãos;?

? Tensão octaédrica;

? 1, ? 3 Tensões principais maior e menor;

? ´ Tensão efetiva;

? 0 Tensão inicial;

? r0 Tensão horizontal de campo;

? d Tensão normal;

? 1 Tensão principal maior;?

? 3 Tensão principal menor;

? v Tensão vertical;

? Tensão cisalhante;

?max Tensão cisalhante máxima;

? Coeficiente de Poisson;

? ? Ângulo de dilatância;

?? Parâmetro de Bishop

? (s) Parâmetro de rigidez para uma determinada sucção;

? Fh Somatório da forças horizontais;

? M Somatório dos momentos fletores;

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1

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO

1.1. IMPORTÂNCIA DO TEMA

A aplicação da mecânica dos solos em soluções de problemas de engenharia

geotécnica tende a trazer uma série de benefícios, como economia no valor global das obras e

a oferta de segurança adequada. Por isso a importância da mecânica dos solos, onde se pode

englobar o interesse de se conhecer características peculiares dos solos, encontrados,

principalmente, em zonas áridas e semi-áridas, especialmente em regiões de clima tropical,

como é o caso de Brasília, no Distrito Federal, Brasil. para se conhecer as suas características

e propriedades dos solos. Nestas áreas, torna-se importante conhecer as respostas do

comportamento mecânico do solo não saturado diante das variações do teor de umidade, que

podem promover deformações volumétricas de expansão ou colapso, e que também alteram a

resistência ao cisalhamento deste material.

Em Brasília, as obras geotécnicas de escavação e fundação são geralmente

executadas em maciços de solos não-saturados, onde a condição de saturação completa é uma

possibilidade remota. Porém, no dimensionamento convencional destas estruturas em solos

não saturados, são utilizados os métodos de equilíbrio plástico, considerando o solo como um

material rígido perfeitamente plástico. Esta consideração despreza a deformabilidade do solo

e se baseia no critério de ruptura para seu o dimensionamento, utilizando, na maioria das

vezes, o Método da Extremidade Livre. Este trabalho concentra-se na análise destas

estruturas, considerando soluções mais complexas, a partir do Método dos Elementos Finitos

para que se possa fazer uma análise crítica do método convencional. O trabalho considera o

maciço de solo como material elástico perfeitamente plástico e a sua análise envolve, além do

critério de ruptura, que dependem apenas dos parâmetros c’, ? ’e ? b, também o modelo

constitutivo do solo (tensão versus deformação) e as equações de compatibilidade de

deformação do solo e da cortina.

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1.2. OBJETIVOS DA PESQUISA

Este trabalho tem como objetivo a análise crítica do dimensionamento convencional

de estruturas de contenção em cortinas baseado no método da extremidade livre. Para isso, foi

necessária uma avaliação do comportamento mecânico do solo não saturado através de

ensaios de campo e laboratório para avaliar determinados parâmetros e características deste

tipo de solo, direcionando à utilização da resistência ao cisalhamento na condição não

saturada e combinando estas análises às numéricas, executadas com o uso do programa

PLAXIS.

O método mais usado para projetar este tipo de contenção (estacas justapostas) é o

método da extremidade livre, que se baseia na teoria do equilíbrio plástico, onde se despreza a

deformabilidade do solo e só requer os parâmetros de resistência do solo para a análise de

equilíbrio da estrutura de contenção. Por outro lado, a análise numérica é uma análise mais

completa, envolvendo, além das equações de equilíbrio, a deformabilidade do solo e da

estrutura de contenção e os modelos constitutivos do comportamento tensão versus

deformação destes dois materiais.

O estudo também pretende analisar a influência da sucção no comportamento

mecânico de estruturas de contenção no solo poroso do Distrito Federal. Para estas análises

foi necessária a obtenção da modelagem constitutiva do maciço de solo, sendo realizados

ensaios de laboratório do material coletado no local da obra de contenção em cortina de

estacas justapostas, localizada no Setor de Indústria e Abastecimento (SIA).

O programa experimental consistiu na realização de uma série de ensaios de

caracterização, além de ensaios de cisalhamento direto e duplo-oedométrico, onde se avalia o

comportamento tensão-deformação de amostras retiradas na obra acompanhada. Para o

conhecimento da sucção do solo, foram utilizadas as curvas características do solo com base

em ensaios da panela de pressão. Além disso, foi realizada uma instrumentação de campo

através de extensômetros (“strain-gauges”), que permitiu o monitoramento das deformações

das estacas e ainda medições periódicas dos deslocamentos nas estacas com a ajuda de um

teodolito manuseado por um topógrafo. Obteve-se o parâmetro K0 do solo estudado com base

nos resultados dos ensaios de campo com o pressiômetro.

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1.3. METODOLOGIA

Inicialmente foram estudadas teorias e metodologias desenvolvidas pela Mecânica

dos Solos que estabelecem o comportamento dos solos saturados de forma a permitir a

definição da resistência ao cisalhamento dos solos. Em seguida, foram analisadas teorias que

considerassem o comportamento geomecânico dos solos não saturados dando enfoque à

existência de tensões adicionais incorporadas à condição deste solo, a sucção matricial.

Buscou-se evidenciar a envoltória de resistência ao cisalhamento do solo não saturado com a

inclusão da sucção matricial e o ganho de resistência apresentado por este material.

Na seqüência, explorou-se a metodologia de dimensionamento considerada para o

tipo de estrutura de contenção analisada, neste caso, o Método da Extremidade Livre, que

despreza a deformabilidade do solo. Então, realizou-se uma análise mais complexa, que

considera, além das equações de equilíbrio, a deformabilidade do solo e da cortina, utilizando

o método dos elementos finitos com a ajuda do programa computacional chamado PLAXIS.

As análises foram realizadas com base nos parâmetros do solo, obtidos através dos

ensaios de campo e laboratório da amostra obtida na obra acompanhada, obtendo-se a

modelagem constitutiva do solo.

Além disso, foram comparados os comportamentos da estrutura e do solo obtidos

através destes métodos ao comportamento real apresentado, observado a partir da

instrumentação de campo. Por fim, foram analisados os resultados e apresentadas as

conclusões sobre o comportamento do problema estudado.

1.4. ESCOPO DA PESQUISA

Com o intuito de apresentar este trabalho de uma forma clara e concisa, ele foi

dividido em 6 capítulos e 2 anexos.

Capítulo 1 – Relata-se a importância da pesquisa, os seus objetivos, bem como a

metodologia utilizada para o desenvolvimento do presente trabalho.

Capítulo 2 – Apresenta-se uma revisão da literatura utilizada, onde se dá ênfase ao

estudo de solos não-saturados, à teoria de estabilidade de taludes e ao dimensionamento de

cortinas de contenção, levando-se em consideração a sucção matricial na contribuição do

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aumento da resistência ao cisalhamento do solo. Apresenta-se o processo histórico da

evolução do estudo dos solos não-saturados até a situação atual, um resumo dos principais

ensaios aplicados a solos não-saturados e uma exposição de modelos numéricos aplicados a

solos não-saturados. Foram ainda descritos alguns tipos de estruturas de contenção dando

maior destaque às estacas justapostas, as quais são utilizadas nas contenções em discussão. O

estudo concentra-se no Método da Extremidade Livre, método utilizado para o

dimensionamento das estruturas de contenção em questão.

Capítulo 3 – Descreve-se o método da extremidade livre para o dimensionamento

das estruturas de contenção (cortinas), utilizado na comparação dos seus resultados obtidos

aos dos métodos numéricos. Faz-se, também, uma breve explanação sobre o “software”

utilizado na análise numérica, PLAXIS e estendendo-se, ainda, o método de dimensionamento

aos solos não saturados.

Capítulo 4 – Descreve-se o programa de investigações geotécnicas para a

caracterização do problema a serem aplicados aos casos típicos, a partir dos ensaios de

laboratório, comentando-se os equipamentos empregados, e os ensaios de campo e suas

instrumentações.

Capítulo 5 – Concentra-se na apresentação e análise dos resultados obtidos tanto no

método da extremidade livre como nos programas numéricos, incluindo todos os resultados

obtidos em ensaios laboratoriais e os de campo, inclusive com os resultados das deformações

e dos deslocamentos sofridos pelas estacas durante todo o período de solicitação até a

estabilização e, com base nestes resultados, a obtenção da modelagem constitutiva do solo.

Capítulo 6 – Apresentam-se as conclusões do estudo e sugestões para futuras

pesquisas no tema abordado.

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CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. INTRODUÇÃO

Na revisão bibliográfica aqui apresentada são discutidas algumas propostas

existentes na literatura de modelos constitutivos de solos não saturados, buscando evidenciar

sua importância e relevância no entendimento e solução de problemas de engenharia

geotécnica. Também são registrados estudos que permitam a solução dos problemas de

geotecnia em maciços de solos não saturados. Enfatiza-se o uso de ensaios de laboratório em

solos não saturados, que têm contribuído no entendimento e formulação de modelagens

constitutivas destes materiais.

São apresentados alguns conceitos básicos da teoria dos solos não saturados e

discutido em torno da definição de variáveis de tensão adequadas e a modelagem de

compressibilidade e de resistência ao cisalhamento destes materiais. Além disso, é feita uma

revisão da teoria de empuxos de terra em contenção e o Método da Extremidade Livre,

utilizado especialmente para o dimensionamento de cortinas de estacas, estrutura que faz parte

do objeto analisado neste estudo.

2.2. MECÂNICA DOS SOLOS NÃO SATURADOS

Considerando sua origem, os solos não saturados podem classificar-se como naturais

e compactados, sendo os solos naturais divididos em solos de origem sedimentar ou residual.

Os solos do tipo sedimentar usualmente sofreram saturação durante sua formação, mas a

evaporação e a ação das plantas através da evapotranspiração promovem a dissecação da

camada superficial do terreno. Os solos compactados são aqueles artificialmente consolidados

pelo homem, em que seu grau de saturação inicial raramente alcança 95%. (Lloret, 1992,

Dudley, 1970).

Estudos efetuados em regiões de clima árido e semi-árido, com é o caso de Brasília,

têm mostrado que a condição de saturação, na maioria das vezes, não é atingida. Sendo assim,

torna-se necessário o uso racional de uma teoria para os solos não saturados.

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6

A solução dos problemas em engenharia geotécnica obedece ao requisito geral da

mecânica estrutural que requer que o maciço de solo, quando submetido aos máximos

esforços solicitantes, apresente um comportamento que o mantenha dentro de critérios de

aceitação em termos de estática, funcionalidade e segurança contra a ruptura da obra. Este

fato exige que a modelagem constitutiva do solo seja definida de forma que previsões de seu

comportamento futuro sejam elaboradas e alternativas de otimização custo/benefício sejam

avaliadas para as obras geotécnicas.

Deste modo, em todo o mundo, a instrumentação de obras tem contribuído no

avanço da prática de engenharia. A engenharia geotécnica em solos não saturados requer um

refinamento da experimentação convencional utilizado para a condição saturada visando a

definição de modelos constitutivos. Tal sofisticação tem se constituído no principal ponto de

estrangulamento da modelagem dos solos não saturados do Brasil. Isto reflete a falta de

planejamento adequado às obras de engenharia no país. Este fato é aliado à questão de que as

soluções de problemas em obras de terra têm sempre um caráter de urgência, o que é

incompatível com as necessidades de tempo na experimentação de solos não saturados.

No caso de solos saturados, a envoltória de resistência ao cisalhamento pode ser

definida com base na coesão e ângulo de atrito interno do solo através do critério de Mohr-

Coulomb, por exemplo. No caso de solos não saturados, ocorre uma contribuição substancial

da sucção matricial na resistência ao cisalhamento do solo. A prática da engenharia nestes

casos tem sido a utilização da envoltória de Mohr-Coulomb estendida, conforme proposta por

Fredlund et al.(1978), em que um ângulo de atrito é definido para levar em conta a influência

da sucção na resistência ao cisalhamento do solo.

No campo da experimentação na mecânica dos solos tem prevalecido a opinião de

que a sucção matricial governa o comportamento mecânico e hidráulico do solo não saturado.

As medidas da sucção podem ser feitas através de métodos diretos ou indiretos. Entre as

últimas, a panela de pressão e o uso da técnica do papel filtro são as mais utilizadas.

Na ocorrência da não saturação, o princípio das tensões efetivas proposto por

Terzaghi perde sua validade. A evolução da mecânica dos solos reconhece a existência de

uma tensão adicional no solo não saturado, a sucção, que tem sido incorporada à equação da

envoltória de Mohr-Coulomb, estendendo a esta condição particular do solo. Nesta nova

formulação, o solo apresenta três parâmetros de resistência ao cisalhamento, ou seja, c´, ? ´ e

? b. A inclusão da contribuição da sucção na resistência do solo é feita através do parâmetro

? b e sua consideração depende das características particulares de cada obra. Tal consideração

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justifica o ganho de resistência que o solo apresenta quando tem seu teor de umidade é

reduzido.

2.3. PRINCÍPIO DAS TENSÕES EFETIVAS PARA SOLOS NÃO SATURADOS

A aplicação do princípio de tensões efetivas de Terzaghi (1943) é o mais aplicado

para o caso do solo na condição máxima de saturação, ou seja, Sr =100%. Outros vários

trabalhos, como o de Taylor (1944), comprovaram experimentalmente a validade deste

princípio.

Lambe & Whitman (1959) fizeram uma análise do princípio de tensões efetivas para

solos saturados e concluíram a necessidade de uma quantidade maior de pesquisas que

avaliem o comportamento dos solos finos (argilas e siltes). Os autores enfatizaram que, do

ponto de vista teórico, tal princípio é válido para solos de granulometria grosseira (areias e

pedregulhos). Entretanto, para o caso de argilas, os autores sugeriram mais estudos por causa

de dúvidas nos seguintes fatores:

?? Desconhecimento das áreas de contato;

?? Possível adesão entre as partículas;

?? Dúvidas no significado do termo “poro-pressão” para solos finos.

Devido ao sucesso do princípio das tensões efetivas de Terzaghi (1943), vários

trabalhos tentaram expandir o conceito de tensão efetiva para o caso dos solos na condição

não saturada, surgindo assim, as primeiras pesquisas sobre esse assunto.

Bishop (1959) forneceu uma das primeiras contribuições à mecânica dos solos não

saturados propondo a formulação expressa na Equação 2.1, a qual estende o princípio de

tensões efetivas de Terzaghi (1943), para o caso dos solos não saturados, com a inclusão

explícita de duas variáveis de tensões e de um parâmetro constitutivo do solo:

? ? ? ?´ a a wu u u? ? ?? ? ? ? (2.1)

onde,

? ´- tensão efetiva;

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ua - pressão na fase gasosa do fluido nos vazios do solo;

uw - pressão na fase líquida do fluido nos vazios do solo;

? - parâmetro de Bishop o qual depende do grau de saturação, tipo de solo e de

efeitos da histerese decorrentes de processos de secagem e umedecimento;

(? -ua) - representa a tensão líquida aplicada no elemento de solo;

(ua - uw) - sucção matricial.

Bishop et al. (1960), apud Rohm (1993), mostraram a validade do princípio da

tensões efetivas descrito na equação 2.1 comparando-se os resultados experimentais de ? `,

com os valores teóricos, calculados por Donald (1960). Os autores também mostraram que

poderiam existir valores distintos de ? para variações de volume e de resistência ao

cisalhamento do solo na condição não-saturada.

Em uma tentativa de provar a validade da Equação 2.1, Bishop e Donald (1961),

apud Rohm (1993), realizaram ensaios de compressão triaxial em um silte com variações da

tensão confinante (? 3), da pressão da água (uw) e da pressão de ar (ua), durante a fase de

cisalhamento do solo. Os autores efetuaram trajetórias de tensões e sucção de tal forma que as

diferenças (ua - uw) e (? 3-ua) permanecessem constantes durante todo o processo de ensaio.

Verificaram que estas variações não influíam nas curvas tensão vs deformação ao longo do

ensaio triaxial na amostra de solo. Adicionalmente, observaram que as alterações isoladas em

(ua - uw) e (? 3-ua) causaram um efeito marcante nas curvas tensão vs deformação. Assim, os

autores concluíram que a forma da expressão anterior estava correta e que os resultados

obtidos experimentalmente mostravam a validade da expressão de tensões efetivas descritas

pela Equação 2.2, para os solos não saturados. Fredlund et al (1993) ressaltaram, no entanto,

que estes ensaios serviram apenas para reforçar o fato de que as duas variáveis de tensão (ua -

uw) e (? 3-ua) controlavam o comportamento ? x ? do solo não saturado.

Várias discussões surgiram a partir do princípio das tensões efetivas, apresentado

por Bishop (1959), vinculado ao parâmetro ? . Bishop e Donald (1961), citados por Rohm

(1993), mostraram que a validade da Equação 2.1 se devia ao fato de que é necessário mostrar

que o comportamento mecânico do solo não é afetado por mudanças em ? (ua - uw) e (? -ua)

quando a sua condição resultasse em ? ´ constante.

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Jennings e Burland (1962) chegaram às seguintes conclusões:

a) Os resultados dos ensaios triaxiais, conduzidos por Bishop e Donald (1961),

embora indicassem que a Equação 2.1 de Bishop (1959) pudesse estar estaticamente correta,

não podiam demonstrar a validade do princípio das tensões efetivas para os solos não

saturados;

b) A Equação 2.1 tinha validade para expressar o comportamento de solos não

saturados apenas para valores de graus de saturação da ordem de 20% para areias, 50% para

siltes e areias fina e 85% para argilas. Entretanto, para solos com grau de saturação inferior a

estes valores, denominados de críticos, a Equação 2.1 não definia a relação entre o índice de

vazios e a tensão efetiva para a maioria dos solos ensaiados.

Jennings e Burland (1962) explicaram que segundo a Equação 2.1, quando se

adiciona água a um corpo-de-prova reduzindo sua sucção, ocorre uma redução das tensões

efetivas e este decréscimo das tensões efetivas deve ser acompanhado por um aumento de

volume do corpo-de-prova. Os autores mostraram ensaios com situações em que solos não

saturados sofreram redução da sucção matricial sob carregamento constante, ocorreram

adicionais diminuições de volume do corpo de prova (ou colapso). Tal fato indica que o

fenômeno do colapso do solo é o oposto do comportamento previsto segundo o princípio de

tensões efetivas de Bishop (1959).

Bishop e Blight (1963) expuseram que na Equação 2.1, uma variação no valor do

termo (ua - uw) não correspondia diretamente a uma alteração na pressão neutra, porque tal

termo representa uma diferença de pressões decorrentes da tensão superficial, que atua apenas

em uma parte da superfície das partículas do solo. Além disso, as presenças de grandes forças

de tensões superficiais no interior dos solos geravam diferenças na estrutura das amostras de

solo, que seguiam aparentemente trajetórias de tensões similares. Como as peculiaridades

estruturais do solo associadas com as tensões superficiais são função de (ua - uw), então, a

Equação 2.2 poderia ser escrita da seguinte forma:

? ? ? ?´ a a wu f u u? ?? ? ? ? (2.2)

onde,

? ?a wf u u? - função da sucção.

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Para o caso de estudos da variação de volume sob compressão isotrópica os autores

sugeriram que os resultados poderiam ser expressos por trajetórias no espaço, utilizando um

sistema tridimensional com (? -ua) e (ua-uw) como abscissas e o índice de vazios (?), como

ordenada.

Segundo Matyas e Radhakrisna (1968), o princípio de tensões efetivas de Terzaghi

(1943) é uma prova que existe uma relação, com determinados parâmetros sob um dado

conjunto de condições, que é função da tensão total e da poropressão que controla os efeitos

mecânicos de uma alteração na tensão, tal como uma mudança no volume e resistência ao

cisalhamento. Segundo estes autores, o princípio de tensões efetivas de Terzaghi (1943), para

os solos saturados, pode ser considerado em duas partes:

?? As mudanças no volume e resistência ao cisalhamento de um elemento de solo,

podem causar alterações no estado de tensões que são inteiramente devidas às variações na

tensão efetiva. Em outras palavras, a resistência ao cisalhamento e a variação do índice de

vazios são unicamente funções da tensão efetiva;

?? A tensão efetiva é responsável pelos efeitos mecânicos em um elemento de

solo e é unicamente determinada pela tensão total e poro-pressão, ou seja:

? ?´ , ,a wf u u? ?? (2.3)

Dessa forma, Matyas e Radhakrisna (1968) concluem que qualquer expressão de

tensões efetivas tem que atender aos seguintes requisitos:

?? As condições extremas de saturação, ou seja, para o solo na condição

completamente saturado ou seco;

?? O comportamento (mudança de volume e resistência ao cisalhamento) de um

elemento de solo submetido a uma variação de tensões deve ser previsível em termos de

tensão efetiva e deve ser independente da forma na qual a tensão total e a poropressão variam.

Segundo Matyas e Radhakrisna (1968), na dedução da Equação 2.1 foi considerado

o equilíbrio de forças entre os contatos das partículas e um modelo simples de capilaridade. O

parâmetro ? é admitido como um parâmetro empírico que representa a porção da sucção que

contribui para a tensão efetiva.

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11

A dificuldade de estabelecer uma equação única para o princípio de tensões efetivas,

no estudo do comportamento mecânico dos solos não saturados, conduziu vários

pesquisadores a explicar que o princípio não pode ser previsto como uma equação única,

como queria pregar Bishop (1959), mas a partir de equações independentes.

Bishop e Blight (1963) reconheceram as limitações da Equação 2.1. No caso de

solos não saturados, eles concluíram que não é apenas o caminho de tensões efetivas que é

importante na análise do comportamento, mas sim a trajetória das componentes (? -ua) e (ua-

uw) individuais que deve ser levada em consideração na avaliação do comportamento

mecânico. Evidenciando, assim, o papel fundamental da sucção matricial no comportamento

do solo.

2.3.1. Porosidade (n) e Índice de Vazios (e)

A Figura 2.1 apresenta uma amostra de solo idealizada, com a finalidade de facilitar

a apresentação de importantes índices físicos aqui utilizados.

Figura 2.1 - Amostra de solo idealizada

A porosidade representa um dos índices físicos do solo e é representada pela

porcentagem que expressa a relação do volume de vazios pelo volume total do solo:

100xVV

nt

v? (2.4)

onde,

n = porosidade;

SÓLIDO

LÍQUIDO

AR

Vg

Va

Var

Vv

Vt

VOLUME

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12

Vv= volume de vazios;

Vt= volume total.

Para a maioria dos cálculos, usa-se uma outra expressão, o índice de vazios e,

definido como a relação entre o volume de vazios e o volume de sólidos.

nn

VV

et

v

???

100 (2.5)

1001

xe

en

?? (2.6)

2.3.2. Sucção Matricial

A sucção matricial é, por definição, um termo positivo que expressa uma deficiência

de água e a poro-pressão na água intersticial relativa à pressão no ar intersticial é negativa,

sendo ua maior que uw para um solo não-saturado com ar continuamente interconectado.

A sucção matricial associada à sucção osmótica resultam na sucção total que pode

ser definida como a pressão negativa de água pura, referida à pressão intersticial do ar do

solo, a que a água do solo teria de ser submetida através de uma membrana semipermeável,

para que a pressão do ar entrasse em equilíbrio com a pressão da água no solo (Alonso et al.

(1987) e Josa (1988)). Esta sucção pode ser expressa na forma:

0mS S S? ? (2.7)

onde,

Sm – sucção matricial, que é a pressão definida anteriormente trocando-se a água

pura por uma água de mesma composição que a intersticial, incluindo assim, os efeitos de

forças capilares e de adsorção, definida como a diferença entre ua e uw.

S0 – sucção osmótica, que é a pressão negativa de água pura a que uma massa de

água com a mesma composição que a intersticial teria de ser submetida para que entrassem

em equilíbrio através de uma membrana semipermeável.

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13

A sucção osmótica constitui apenas uma pequena parcela da sucção total e inclui as

forças osmóticas associadas à composição da água do solo, que, por sua vez, também é

influenciada pela capacidade das partículas do solo de reter o movimento dos cátions

trocáveis, os quais alteram a concentração da dissolução. Na sucção total estão, portanto,

incluídos efeitos de capilaridade, adsorção e osmose.

A consideração da sucção matricial como sendo o principal fator no controle das

deformações, vem de certa forma confirmar a suposição de Dudley (1970), onde as ligações

por agentes cimentantes podem ser desfeitas como uma conseqüência da perda de sucção e

das ligações por pontes de argila.

Nesse trabalho o termo sucção refere-se a sucção matricial (ua – uw) e a Figura 2.2.

ilustra a variação de volume em um solo não saturado devido a variação de sucção.

Condições iniciais:

sucção mátrica inicial

WGs vs aumento (ua-uw) (curva 4) dos resultados dos ensaios da panela de pressão

(curvas 1 e 3) dos resultados dos ensaios de consolidação unidimensional

Sucção mátrica inicial

(curva 2) dos resultados nos ensaios combinados de panela de pressão e de redução

incremento de pressão

Variáveis do estado de tensão

índice de

vazios (e) ou

WGs

Figura 2.2 - Variação de volume relacionada à argila compactada na umidade ótima

(Dudley, 1970)

A Figura 2.2 mostra o limite de contração apresentado por um solo argiloso

compactado à umidade ótima, relacionada à variação do índice de vazios às variáveis do

estado de tensão.

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14

2.3.3. Compressibilidade

Coleman (1962) sugere que as deformações do solo podem ser atribuídas a variações

de duas variáveis denominadas tensão normal líquida (? -ua) e sucção matricial (ua-uw) e a

tensão desviatória (? 1-? 3), através das seguintes expressões:

)()()( 312322210

??? ??????? dCudCuudaCVdV

awa (2.8)

)()()()( 3133323131 ????? ???????? dCudCuudCd awa (2.9)

onde,

Cij - parâmetros de compressibilidade;

ua-uw - sucção mátrica;

? -ua - componente de tensão líquida;

? 1-? 3 - componente de tensão desviatória;

dV - variação do volume total do elemento;

V0 - volume inicial;

? 1, ? 3 - tensões principais maior e menor;

?1, ?3 - componente de deformação normal maior e menor.

Nestas equações verifica-se o uso das duas variáveis de tensões de forma

independente, sendo seus efeitos superpostos.

Bishop e Blight (1963) apresentaram uma das primeiras superfícies constitutivas,

definidos pela variação do índice de vazios em função das variáveis de tensões (Figura 2.3). A

Figura 2.3 mostra que devido à molhagem o solo se expande sob tensões líquidas baixas e

colapsa quando submetido a tensões líquidas maiores.

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15

Figura 2.3 - Variação do volume do solo devido à compressão isotrópica, mostradas em um

diagrama (? -ua) x (ua-uw) x índice de vazios, modificado de Bishop e Blight (1963).

Andando paralelamente com a teoria dos solos saturados, em que o comportamento

é representado pela tensão efetiva vs índice de vazios, e partindo da necessidade de duas

variáveis de tensão, Matyas e Radhakrisna (1968) propuseram as funções de estado

relacionando as diferentes variáveis de estado entre si. No caso de carga unidimensional ou

isotrópica, as relações entre o índice de vazios ou o grau de saturação com a sucção e a tensão

vertical líquida ou isotrópica líquida podem ser representadas em um espaço tridimensional

(Figura 2.4).

Expansão

Saturação à volume constante

Trajetória saturada

Figura 2.4 - Superfície de estado: (a) Variação do índice de vazios segundo um diagrama de

(? -ua) x (ua-uw) e; (b) variação do grau de saturação segundo um diagrama (? -ua)x(ua-uw)xSrt

(Matyas e Radhakrisna,1968).

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16

Fredlund (1979), Fredlund e Rahardjo (1993) apresentaram relações constitutivas

para solos não saturados, como uma extensão de equações semi-empíricas usadas para solos

saturados. Assumindo o solo como um material isotrópico, linear e elástico, as relações

constitutivas em sua forma incremental podem ser escritas de acordo com a lei de Hooke

generalizada, como:

? ? ? ? ? ?H

uuu

EEu wa

azyax

x?

???????

?? 2????

? (2.10)

? ? ? ? ? ?H

uuu

EE

uwa

azxay

y?

???????

?? 2????

? (2.11)

? ? ? ? ? ?H

uuu

EEu wa

ayxaz

z?

???????

?? 2????

? (2.12)

Gxy

xy

??

??? (2.13)

Gxz

xz?

??

?? (2.14)

Gyz

yz

??

??? (2.15)

onde,

H - módulo de elasticidade da estrutura do solo relativo a mudanças

em (ua-uw);

G - módulo de deformação tangencial;

E - módulo de elasticidade da estrutura do solo relativo a mudanças em (? y-ua);

? - coeficiente de Poisson;

?x, ?y e ?z - deformações nas direções x, y e z respectivamente (positivas

quando são de compressão);

? ?xy, ? ?xz, ? ?yz - deformação angular atuantes nas direções x, y e z;

? ?xy, ? ?xz, ? ?yz - tensão cisalhantes atuantes nas direções x, y e z.

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17

Nestas formulações acima se verifica a necessidade da obtenção dos parâmetros do

solo, os quais podem ser feitos utilizando-se ensaios de campo ou de laboratório. As

modelagens constitutivas podem ser obtidas através de superfícies de estado, conforme

proposto por Matyas e Radhakrisna (1968) ou diretamente por correlações ou ensaios.

Baseado em ensaios triaxiais, Lawton et al. (1991a) afirmam que durante o colapso

induzido por molhagem a amostra de solo sofre deformações anisotrópicas que são função do

estado de tensão anisotrópico. Entretanto, os estudos indicaram que um módulo anisotrópico

H parece ser uma alternativa a ser adotada para a teoria dos solos não saturados, como solução

de modelar o comportamento de um solo não saturado durante a saturação. Baseado no estudo

de Lawton et al. (1991a), Pereira (1996) apresentou uma formulação para solos colapsíveis,

como segue:

? ? ? ? ? ?x

waazy

axx H

uuu

EEu ?

???????

?? 2????

? (2.16)

? ? ? ? ? ?y

waazy

axy H

uuu

EEu ?

???????

?? 2????

? (2.17)

? ? ? ? ? ?z

waazy

axz H

uuu

EEu ?

???????

?? 2????

? (2.18)

onde,

Hi - módulo de elasticidade anisotrópico da estrutura do solo relativo às

mudanças em (ua-uw).

A consideração isotrópica para tensão total só é válida para uma solicitação

isotrópica. No caso de um estado de tensão anisotrópico, serão obtidos colapso, na direção de

maior tensão, e expansão, na direção de menor tensão.

O Módulo de Elasticidade (E) e o Coeficiente de Poisson (? ) são parâmetros que

caracterizam as relações lineares na representação de uma curva tensão-deformação do

material. Tendo presente que esta curva é função de outro variado número de condições,

pode-se afirmar que estes parâmetros não são constantes de um solo, mas magnitudes que

descrevem aproximadamente o comportamento do solo para uma combinação particular de

condições (Breth et al., 1973).

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18

Na aplicação de um esforço uniaxial ? z num corpo de prova cilíndrico de material,

que apresenta um comportamento perfeitamente elástico, com a compressão vertical e a

expansão lateral, dadas por:

Ez

z

?? ? (2.19)

zyx ???? ??? (2.20)

onde,

?x, ?y e ?z - deformações nas direções x, y e z respectivamente (positivas quando são

de compressão);

E - Módulo de Young ou de Elasticidade;

? - coeficiente de Poisson.

O Módulo de Young de um solo, geralmente, refere-se ao Módulo Secante desde a

tensão desvio nula (? 1-? 3=0) até uma tensão desvio igual a 1/2 ou 1/3 da tensão desvio

máxima. Quando utilizada a metade da tensão desvio máxima para a estimativa do módulo de

Young, este passa a ser denominado de E50, sendo possível a estimativa neste ponto do

Módulo Secante Esec50 ou do Módulo Tangente Etg50. A Figura 2.5 apresenta graficamente a

estimativa do módulo secante (Figura 2.5a) e do módulo tangente (Figura 2.5b).

??50

?50 = ?f / 2

?

?

?f

?f1

Esec

??50

?50 = ?f / 2

?

?

?f

?f1

Et g

??50

?50 = ?f / 2

?

?

?f

?f1

Esec

1

Esec

??50

?50 = ?f / 2

?

?

?f

?f1

Et g

(a) (b)

Figura 2.5 - Módulo de elasticidade: (a) Módulo Secante; (b) Módulo Tangente.

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19

Uma relação aproximada de dependência do módulo de elasticidade E com a tensão

vertical ? v e o coeficiente de empuxo lateral K0, obtido, por exemplo, no ensaio

pressiométrico realizado no solo em campo, onde K0 varia entre 0,5 e 2,0 (Lambe &

Whitman, 1994) é dada por:

321

~ ov

KE

?? (2.21)

Esta equação evidencia a dependência do módulo de elasticidade com os esforços

atuantes na massa de solo. Outra grandeza, como demonstrada nas equações 2.13, 2.14 e 2.15,

permite a modelagem do comportamento do material é o Módulo de Deformação Tangencial

G, que permite a estimativa das deformações angulares ou de distorção do material em função

das tensões tangenciais atuantes (Figura 2.6).

?xy

?yx?yx

G = ?yx / ?yx

?xy

?yx?yx

G = ?yx / ?yx

?yx?yx

G = ?yx / ?yx

Figura 2.6 - Módulo de deformação tangencial G (modificado - Lambe & Whitman, 1994).

A Figura 2.6 apresenta o módulo de deformação tangencial como uma relação entre

as tensões tangenciais e as deformações angulares em uma amostra de solo submetida a um

processo de cisalhamento simples. Em condições elásticas a baixas deformações o módulo de

deformação tangencial pode ser estimado com base no módulo de elasticidade E e ao

coeficiente de Poisson ? , como apresentado na seguinte equação:

? ????

12E

G (2.22)

onde,

G = módulo de deformação tangencial.

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20

O solo não saturado, em termos de compressibilidade, requer a modelagem

constitutiva de duas variáveis de deformação ? Vv/V0 e ? Vw/V0. Esta modelegem deve ser

expressão por equações relacionando ? Vv/V0 e ? Vw/V0 às variáveis de tensão (? - ua) e (ua-

uw).

O aspecto deformacional do solo na condição não saturada tem sido estudado por

diversos autores em todo o mundo, grandes contribuições foram apresentadas na tentativa de

aumentar o entendimento desse assunto, dentre elas destacam-se os trabalhos de Bishop &

Blight (1963), Matyas & Radhakrisna (1968), Fredlund & Morgenstern (1976 e 1977),

Fredlund (1979), Alonso et al. (1987 e 1990).

Segundo Matyas & Radhakrisna (1968), o estado de um elemento de solo pode ser

representado graficamente por um ponto no espaço tridimensional, segundo um sistema de

eixos coordenados representando o parâmetro de estado e as variáveis de tensão. Esse ponto

no espaço é denominado de ponto de estado e a curva descrita por esse ponto, conforme o

estado de um elemento de solo, é chamado de trajetória de estado. O conjunto de todas as

possíveis trajetórias de estado formará a superfície de estado do solo.

A superfície de estado pode ser útil para a visualização dos conceitos de

classificação, dentro da mecânica dos solos não saturados, dos solos como estáveis e meta-

estáveis. Partindo-se de um determinado estado de tensões e reduzindo-se a sucção do solo,

através de um processo de saturação gradual, a trajetória de tensões pode apresentar

segmentos diversos com respeito à variação de volume. Ocorrendo um acréscimo de volume,

dizemos que se trata de uma estrutura estável e, portanto, um solo expansivo. No caso da

massa de solo apresentar redução de volume com a saturação, temos uma estrutura meta-

estável ou colapsível (Fredlund & Rahardjo, 1993).

A partir do trabalho de Matyas & Radhakrisna (1968), vários pesquisadores

propuseram formulações constitutiva na tentativa de descrever o caminho de deformações

seguido pelo solo, apresentando expressões que indicam a variação do índice de vazios e do

grau de saturação em função do estado de tensão e sucção. Fredlund (1979) apresentou

expressões que fornecem a variação de volume e do teor de umidade em função das variáveis

de tensão (? -ua) e (ua-uw) correlacionados por meio de constantes, que representam a

compressibilidade do solo quando submetido a variações do estado de tensão e sucção. Tais

expressões são dadas a seguir:

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21

owa

fwam

ow

fato uu

uuC

u

uCee

)(

)(log

)(

)(log

?

??

?

????

?

? (2.23)

owa

fwam

ow

fato uu

uuD

u

uDww

)(

)(log

)(

)(log

?

??

?

????

?

? (2.24)

onde,

Ct - é o valor da compressibilidade convencional no plano saturado;

Cm - é o valor da compressibilidade convencional no plano índice de vazios vs

sucção;

Dt - é o parâmetro de umidade correspondente a sucção;

? - tensão octaédrica (? = (? v+2*? h)/3);

ua - pressão de ar no elemento sólido;

uw - pressão de água no elemento sólido;

? ?a fu? ? - variável de tensão final;

? ?0wu? ? - variável de tensão inicial.

Lloret & Alonso (1985) fizeram uma análise estatística com uma série de ensaios

buscando encontrar uma expressão analítica geral para a superfície de estado do índice de

vazios e grau de saturação. Tais estudos permitiram a apresentação das seguintes expressões:

Para o índice de vazios:

)]log()[()log()log( waawaa uuuduucubae ???????? ?? (2.25)

Para o grau de saturação:

)]()][([tan awa udcuubgaSr ????? ? (2.26)

)]()]}[([1{ awa udcuubeaSr ??????? ? (2.27)

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22

onde,

a,b,c e d são parâmetros obtidos a partir de uma análise de ajuste de dados

experimentais.

A aplicabilidade das expressões de Fredlund (1979) e de Lloret & Alonso (1985)

refletiam o comportamento do solo por eles estudados. A questão da aplicabilidade de tais

expressões, para qualquer tipo de material, depende da realização de ensaios oedométricos ou

triaxiais que avaliem a deformabilidade do solo sob diversas trajetórias de tensão e sucção.

No trabalho de Alonso et al. (1987), os autores apresentam de forma qualitativa a

experiência acumulada no estudo da deformabilidade dos solos não saturados, permitindo

assim, estabelecer alguns padrões relevantes de comportamento destes materiais conforme

mencionado a seguir:

?? O aumento da sucção matricial contribui para o aumento da rigidez do solo

contra alterações das tensões externas aplicadas e para o aumento da tensão de pré-

adensamento aparente;

?? Solos com estruturas abertas experimentam colapso quando umedecidos e ou

sujeitas a uma larga faixa de tensões. Isto é particularmente verdade nos caso de siltes e areias

argilosas de baixa densidade, argila siltosas de baixa plasticidade e em alguns solos residuais;

?? Conforme se aumentam às tensões de confinamento a quantidade de colapso

experimentada por um solo não saturado atinge um máximo e então decresce até valores

negligenciáveis. A tensão vertical em ensaios oedométricos, onde o máximo colapso ocorre,

varia largamente para diferentes tipos de solos;

?? Para um dado solo e uma dada tensão aplicada variações na sucção matricial

podem induzir deformações volumétricas irreversíveis.

2.3.4. Curva Característica

A curva característica define a relação entre o volume de água contido no solo e a

sucção matricial deste solo (Fredlund, 1996). A curva característica em conjunto com a

condutividade hidráulica são propriedades que caracterizam os solos em termos de percolação

de fluidos. A condutividade hidráulica de um material é uma medida da capacidade de

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23

permitir o movimento de fluido, no caso a água, nos vazios do solo. A curva característica é

uma representação da capacidade do solo de armazenar ou drenar água de seus vazios (Brooks

& Corey, 1964, citados por Pereira, 1996). Através da curva característica pode ser

determinada a sucção de solo através de sua umidade (Figura 2.7).

Figura 2.7 - Curva característica típica de um solo siltoso (Modificado de Fredlund, 1996)

Para a obtenção da curva característica do solo deve ser enunciado o procedimento

de ensaio ou a trajetória de sucção efetuada. Esta afirmação deve-se à influência da histerese

em seu formato, quer se considere a história da variação dos ciclos de secagem ou

umedecimento da amostra e às curvas intermediárias que dependem do ponto de reversão no

processo de umedecimento ou de secagem (Vilar et al., 1995).

A forma mais comum de se determinar a curva característica do solo é através do

processo de secagem por meio de acréscimos gradativos de sucção. Esse aumento de sucção

faz com que a água existente nos vazios do solo seja expulsa a partir de um determinado valor

de sucção, denominado valor de entrada de ar no solo. Com o aumento da sucção, poros cada

vez menores vão perdendo a capacidade de reter água, fazendo, então, com que a água seja

drenada dos vazios do solo. A placa de sucção, a câmara de pressão e o papel-filtro são

exemplos dos dispositivos utilizados para obtenção dessa relação sucção-umidade.

Os ensaios utilizados com papel-filtro, na obtenção da curva característica de

retenção de umidade, utiliza-se dispositivos que permitem impor uma certa sucção a uma

amostra de solo e determina a umidade correspondente ao equilíbrio sob essa sucção. Na

técnica do papel-filtro, coloca a amostra do solo numa câmara de vidro e deixa-se por algum

tempo (? 1 semana, dependendo do tipo de solo) junto com pedaços de papel-filtro. Mede-se,

Sucção matricial (kPa)

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24

então, a umidade do papel filtro e por curvas de sucção-umidade do papel-filtro é possível

estimar a sucção total e a sucção matricial atuantes no solo. Devido ao fenômeno de histerese,

o papel-filtro deve estar seco antes do início do ensaio. Permite medir a sucção total ou

matricial, dependendo se a amostra está isolada ou em contato com o papel, respectivamente

(Schreiner, 1988). Assim, permite-se medir sucções até 100 MPa. A precisão deste método

depende muito da precisão na medida da umidade do papel-filtro e do nível de umidade.

A medida de sucção em célula de pressão baseia-se no estabelecimento de uma

diferença de pressão num dreno tipo membrana de celulose ou placa cerâmica, mediante a

aplicação de uma pressão na célula, enquanto a parte inferior é mantida sob pressão

atmosférica, considerando a técnica da translação de eixos.

As medidas de sucção do solo natural também podem ser realizadas utilizando-se a

curva característica determinada através do método da panela de pressão, como foi o caso

neste presente objeto de estudo. Nesta técnica, a amostra de solo é colocada em um recipiente

fechado, no caso a panela, que permite a aplicação de uma pressão de ar sob controle à

amostra de solo. O solo está em contato com a pedra porosa saturada que encontra

sobrejacente a uma bolsa de água com pressão uw igual a zero, ou seja, conectada à atmosfera.

A uma pressão de ar aplicada correspondente a sucção (ua–uw).

As principais características que interferem diretamente no formato da curva

característica são a estrutura do solo – porosidade e distribuição dos vazios – e a mineralogia

das partículas. Daí a diferença de comportamento entre os solos de maior granulometria e os

de menor diâmetro de partículas. Nos casos dos solos finos (argilas, siltes), como é o caso do

solo estudado, por apresentarem pequenos poros e alta porosidade para cada acréscimo de

sucção, apenas uma parcela da água contida nos poros é drenada, permanecendo ainda uma

certa quantidade de poros preenchidos por água.

2.3.5. Técnica de Translação de Eixos

O estudo dos solos não saturados teve um importante avanço de técnicas e

equipamentos de laboratório com a apresentação da técnica de translação de eixos de Hilf

(1956), citado por Pereira (1996). O método da translação de eixos, em conjunto com o

aparecimento das pedras porosas de alto valor de entrada de ar e/ou membrana de celulose, foi

um importante passo no desenvolvimento da mecânica dos solos não saturados. Esta técnica

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25

permite a imposição de um determinado valor de sucção em um elemento de solo. O princípio

da translação de eixos parte da idealização de que tanto a água como as partículas sólidas são

consideradas incompressíveis para o nível de pressões usadas na prática da engenharia

geotécnica.

Ao aumentar a pressão de ar (ua) admite-se que a pressão da água (uw) aumenta da

mesma intensidade fazendo com que a sucção (ua-uw) permaneça constante. Com isso se pode

transladar a pressão de água até valores mensuráveis, sem o problema da cavitação (formação

de bolhas de ar por quebra da fração de água) no sistema. Uma observação importante para a

perfeita utilização desta técnica é garantir que haja continuidade da fase ar ao longo do solo e

do sistema de medição (Bocking & Fredlund, 1980, citado por Rohm, 1993).

2.4. RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS NÃO SATURADOS

Problemas geotécnicos como capacidade de carga, pressão lateral e estabilidade de

taludes, estão relacionados à resistência ao cisalhamento do solo, que pode ser descrita usando

o critério de ruptura de Mohr-Coulomb e o conceito de tensões efetivas. Numerosas

tentativas, através de ensaios, foram realizadas, desde os anos 60, a fim de se obter para solos

não saturados, uma forma adequada de se estabelecer uma equação adequada para o critério

de ruptura, em forma similar ao utilizado para solos saturados.

Fredlund et al. (1978) propuseram que a resistência ao cisalhamento de solos não

saturados seja formulada em termos das variáveis independentes de estado de tensão, (ua-uw) e

(? -ua), que, segundo alguns autores, tem-se mostrado como as combinações mais vantajosas

na prática (Escário & Sáez, 1973, Alonso et al., 1985, Pereira, 1996, e vários outros). A

equação de resistência ao cisalhamento proposta foi expressa na seguinte forma:

? ? ? ? ? ? ? ?´ tan tan bnf n a a wf

S c u u u? ? ?? ? ? ? ? (2.28)

onde,

c´ - intercepto da envoltória de ruptura de Mohr-Coulomb com os eixos de

tensão cisalhante, onde a tensão normal líquida e a sucção matricial na ruptura são

iguais a zero; também chamada “coesão efetiva”;

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26

(? n-ua)f - estado de tensão normal líquida no plano de ruptura na ruptura;

uaf - pressão de ar no plano de ruptura na ruptura;

? ´ - ângulo de atrito interno associado com a variável de tensão normal líquida;

(ua-uw)f - sucção mátrica no plano de ruptura na ruptura;

? b - ângulo indicativo do incremento de resistência cisalhante relativa a sucção

mátrica na ruptura, (ua-uw)f.

Comparando a Equação 2.28 com a utilizada para o critério de Mohr-Coulomb,

observamos ser essa uma extensão do critério utilizado para o caso de solos saturados. Para

um solo não saturado, duas variáveis de estado de tensão são usadas, enquanto apenas uma

variável de tensão é requerida para o solo saturado (isto é, tensão normal efetiva, (? f-ua)f).

Quando o solo aproxima-se da saturação, a pressão de água se aproxima da pressão de ar, e a

sucção matricial tende a zero, voltando à equação original de Mohr-Coulomb para solos

saturados.

Experimentos realizados por Gan & Fredlund (1988) demonstraram que os

parâmetros c´ e ? ´ são relativamente constantes para solos com estrutura estável, no entanto,

? b varia devido às variações na sucção mátrica. Para um solo meta-estável se observa um

comportamento não-linear de c´, ? ´ e ? b. Estudos posteriores (Escário & Sáez, 1986;

Abramento & Souza Pinto, 1993) verificaram ser o parâmetro ? b não linear, sendo esta

grandeza uma função da sucção matricial do solo.

O critério de ruptura para o solo saturado é obtido plotando uma série de círculos de

Mohr, correspondente às condições de ruptura em um gráfico bidimensional. No caso de um

solo não saturado, os círculos de Mohr correspondem às condições de ruptura que podem ser

plotados de maneira tridimensional, como mostrado na Figura 2.8. o gráfico tridimensional

tem a tensão cisalhante, ?, como ordenada e as duas variáveis do estado de tensão, (? -ua) e

(ua-uw), como abscissas. O plano frontal representa um solo saturado onde a sucção mátrica é

zero. No plano frontal, o eixo (? -ua) reverte-se ao eixo (? -uw) desde que a poropressão de ar

torne-se igual a poropressão de água na saturação. A superfície tangente ao círculo de Mohr

na ruptura refere-se à linha de ruptura de Mohr-Coulomb para solos não-saturados.

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27

A Figura 2.8 mostra um plano de ruptura que intercepta o eixo de tensão cisalhante,

dando uma coesão interceptada, c’. O plano tem ângulos de atrito, ? ’ e ? b com relação aos

eixos (? -ua) e (ua-uw), respectivamente. Ambos os ângulos são assumidos como constantes. O

comportamento mecânico de um solo não saturado é afetado diferentemente na mudança de

tensão normal ou pela mudança na sucção matricial (Jennings e Burland, 1962). O aumento

na tensão cisalhante aliado a um aumento na tensão normal é caracterizado pelo ângulo de

atrito, ? ’. Por outro lado, o aumento na tensão cisalhante causado pelo aumento da sucção

mátrica é descrito pelo ângulo, ? b.

Linha de ruptuura de Mohr-Coulomb extendida

Figura 2.8 - Linha de ruptura de Mohr-Coulomb estendida para solos não saturados

Nota-se que o comportamento mecânico quanto à resistência ao cisalhamento dos

solos não saturados é considerado pelo parâmetro de sucção do solo, que depende do índice

de vazios e da umidade e, portanto, do seu grau de saturação. A sucção e a saturação estão

ligadas por meio da curva característica que apresenta a capacidade de armazenamento ou

retenção de água no solo.

A linha de ruptura intercepta o plano de tensão cisalhante versus sucção matricial,

como mostrado na Figura 2.9. A resistência ao cisalhamento aumenta com relação ao aumento

na sucção mátrica definida pelo ângulo ? b. A equação para a linha de interseção é como

segue:

c = c’+ (ua-uw)f tan? b (2.29)

onde,

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28

c - coesão total

Figura 2.9 - Linha de interseção ao longo do plano de ruptura no plano ? vs (ua-uw)

A equação de Mohr-Coulomb estendida para solos não saturados evidencia uma

variação da resistência ao cisalhamento com a saturação, em conseqüência da alteração na

sucção, fato esse que deve ser considerado no dimensionamento de maciços não saturados. A

idéia implícita na equação proposta por Fredlund et al. (1978), de que a resistência ao

cisalhamento pode ser representada pelos parâmetros c´, ? ´ e ? b, quer constantes ou não,

permite uma modelagem adequada da resistência ao cisalhamento de solos não saturados com

a inclusão da sucção mátrica. Por esse motivo esta proposta tem grande aceitação.

2.5. ENSAIO PRESSIOMÉTRICO

O ensaio pressiométrico consiste na inserção de uma sonda em um furo de

sondagem previamente escavado. Esta técnica é simples quando comparada a outros

equipamentos, exigindo cuidados especiais para evitar a perturbação do solo durante a

perfuração. Este é um dos condicionantes essenciais à realização de ensaios de boa qualidade.

Os métodos de execução de furos dependem da natureza dos solos, de sua resistência e da

ocorrência do lençol freático. Em solos residuais, a experiência brasileira tem demonstrado

que o uso de trado manual para a execução da perfuração é satisfatório (Rocha Filho, 1991).

Igualmente fundamental é o controle da relação entre o diâmetro do furo, df, e o diâmetro da

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sonda, ds. Valores de df/ds inferiores a 1,15 são recomendados devido às limitações de

expansão da sonda pressiométrica.

O ensaio pressiométrico tipo Ménard utiliza-se um equipamento que consiste em

uma sonda pressiométrica, um painel de controle de pressão e volume e uma fonte de pressão

(Figura 2.10). A unidade de controle dispõe de componentes necessários à pressurização

incremental da sonda e o monitoramento da deformação subseqüente da parede da cavidade,

por meio de um volumímetro. A sonda é constituída de um núcleo cilíndrico de aço e três

células independentes, formadas por duas membranas de borracha superpostas. A célula

central, preenchida com água procedente do volumímetro, é denominada simplesmente de

célula de medição, enquanto que as externas, denominadas células de guarda, são preenchidas

com gás comprimido. As células podem expandir radialmente aplicando pressões nas paredes

da cavidade do solo, permitindo deslocamentos ao redor da célula de medições,

predominantemente radiais, devido às restrições impostas pelas células de guarda.

O módulo de deformabilidade do solo (módulo de Young E) é o parâmetro de maior

interesse geotécnico quando da realização de ensaios pressiométricos, já que são reconhecidas

as dificuldades em determina-lo através de outros ensaios de campo e de laboratório.

O ensaio pressiométrico fornece uma medida in situ do comportamento tensão-

deformação do solo. A interpretação dos resultados é baseada nos conceitos de expansão de

uma cavidade cilíndrica, possibilitando a estimativa de parâmetros constitutivos do solo:

módulo de cisalhamento G, ângulo de atrito interno ? ´, ângulo de dilatância ? e resistência ao

cisalhamento não-drenada.

O procedimento de ensaio consiste na colocação da sonda dentro de um furo de

sondagem na cota desejada para, a seguir, expandi-la mediante a aplicação de incrementos de

pressão de mesma magnitude, ou seja, o ensaio é realizado sob pressão controlada. Em cada

incremento de pressão, as leituras do nível do volumímetro são registradas aos 15, 30 e 60

segundos. Após a estabilização do volume, um novo incremento de pressão é aplicado, tendo-

se como resultado uma curva pressiométrica onde o volume injetado é plotado em função da

pressão aplicada.

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30

Figura 2.10 - Pressiômetro tipo Ménard (Schnaid, 2000)

O ensaio pressiométrico é realizado aplicando-se pressões uniformes às paredes de

um furo de sondagem, através de uma membrana flexível montada em uma sonda cilíndrica.

Como o ensaio pressiométrico é particularmente atraente para a obtenção in situ do módulo de

deformabilidade dos solos, utilizam-se os resultados para de terminar o módulo cisalhante na

fase pseudo-elástica, Gpm, nos ciclos de descarga, Gut e na descarga Gd. Em geral, a magnitude

de Gpm é inferior a Gur e Gd, quer pelo amolgamento inicial do solo ao redor do furo de

sondagem quer pela magnitude das deformações cisalhantes impostas ao solo nos segmentos

lineares. Vários pontos podem ainda ser identificados na Figura 2.11, em particular a pressão

po que corresponde à tensão horizontal in situ, ? ho, e conseqüentemente ao parâmetro K0. É

reconhecida a dificuldade de interpretação desse ponto no pressiômetro de Ménard e sua

identificação requer critérios de natureza semi-empírica (Mair & Wood, 1987; Clarke, 1995;

Shaid et al., 1996). Ao final da fase plástica determina-se a pressão limite de expansão pl,

utilizada na previsão dos parâmetros de resistência dos solos. O valor de pl raramente é bem

identificado, sendo determinado através de extrapolação (Ghionna, 1981; Jexequel, 1974;

Manassero, 1989) ou simplesmente adotando-se o valor correspondente ao dobro do volume

inicial de cavidade, conforme proposto originalmente por Ménard.

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Figura 2.11 - Curva típica de um ensaio tipo Ménard (Schnaid, 2000)

Ensaios pressiométricos são particularmente atraentes quando comparados com

outras técnicas in situ, por fornecerem uma medida contínua do comportamento tensão-

deformação do solo durante a expansão/contração de uma cavidade cilíndrica. Esse ensaio

permite uma interpretação racional dos resultados através da teoria da expansão de cavidade

(Gibson & Anderson, 1961; Ladanyi, 1972; Hughes at al., 1977, citados por Schnaid, 2000).

A teoria considera que o pressiômetro é inserido no terreno sem perturbação e, por

conseqüência, o estado inicial de tensões p0 corresponde à tensão horizontal de campo ? h0

para uma cavidade de volume Vo e um raio inicial r0 (Figura 2.12).

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Figura 2.12 - Análise da expansão de cavidade: (a) cavidade cilíndrica; (b) deformações da

cavidade; (c) coordenadas cilíndricas (Schnaid, 2000)

O problema é tratado com o auxílio de coordenadas cilíndricas. Inicialmente

assume-se a existência de uma cavidade cilíndrica de comprimento infinito, submetida a um

estado isotrópico de tensões em equilíbrio (? r = ?q = ? z). Durante a expansão, o solo ao redor

da sonda é submetido a deformações puramente radiais, estabelecendo-se um estado plano de

deformações com deslocamentos nulos na direção vertical.

O volume da cavidade cilíndrica de raio r e altura h é expresso simplesmente como:

V = p r² h (2.30)

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Ao aplicarem-se acréscimos de tensões radiais, ? ? r, na parede da cavidade, o estado

de tensões dos elementos ao redor da sonda deve satisfazer a uma equação de equilíbrio do

tipo (Timoshenko & Goodier, 1934):

0??

?rdr

d r ???? (2.31)

As únicas variáveis medidas durante o ensaio são a pressão aplicada, p, e o raio da

cavidade, r. A deformação circunferencial na face da cavidade, usualmente definida como

deformação de cavidade, é expressa por:

0

0

rrr ?

?? (2.32)

Ao início do ensaio, o solo ao redor da sonda comporta-se segundo os preceitos

definidos pela Teoria da Elasticidade. Considere-se, portanto a expansão da cavidade em um

solo isotrópico linear elástico, idealmente descrito pela lei de Hooke, representado pela matriz

que define a relação entre tensões e deformações nos planos principais de tensões. Para

pequenas deformações, conhecendo-se a equação de equilíbrio, as equações de

compatibilidade e condições de contorno ao redor da sonda, é possível calcular o módulo de

compressibilidade do solo expresso por:

VdVdpdp

Gc

???2

(2.33)

onde,.

G - módulo cisalhante

dp - incremento de pressão

dV/V - variação volumétrica específica

A rigor, existe uma forma mais geral para expressar a relação tensão-deformação do

solo visando a obtenção de G em ciclos de carregamento:

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00,5

c

r dpG

r d?? (2.34)

A interpretação de parâmetros geotécnicos a partir de resultados de ensaios

pressiométricos depende do pressiômetro utilizado, método de instalação, tipo de solo e

método de análise. A fundamentação dos métodos de interpretação faz referência às

limitações de uso das teorias de expansão da cavidade em decorrência das limitações impostas

pela geometria da sonda e técnica de ensaios. Na realização do ensaio pressiométrico, é

determinado o módulo de deformabilidade do solo (módulo de Young E).

2.6. TIPOS DE ESTRUTURA DE CONTENÇÃO USADOS EM BRASÍLIA

Como acontece em numerosos outros casos de engenharia, cada problema exige uma

consideração e uma solução que reflita condições locais. Em alguns casos, as contingências de

execução impõem um tipo de estrutura. Portanto, não é possível fixar, com certa generalidade,

o tipo de estrutura mais conveniente.

Existem vários tipos de estrutura de contenção: muro de arrimo, cortina ancorada,

cortina de estaca, muro de gabião, entre outras.

Os muros tipo “gravidade” ou “muros de peso” são aqueles nos quais a reação ao

empuxo de solo é proporcionada pelo próprio peso do muro e pelo atrito em sua fundação, o

qual é função direta do peso (Figura 2.13).

Figura 2.13 - Muro de Gravidade (Silva Júnior, 1997)

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O muro de gabião, por sua vez, são caixas ou gaiolas de arame galvanizado,

preenchidas com pedra britada ou seixos, que são colocadas justapostas e costuradas uma às

outras por arame, formando muros de diversos formatos, apresentam a vantagem de serem

auto-drenantes (Figura 2.14).

Figura 2.14 - Muro de Gabião (Silva Júnior, 1997)

No caso de muro de arrimo de solo-cimento ensacado a sua função é a proteção

superficial de taludes ou para a construção de muros de arrimo de gravidade (Figura 2.15). O

solo-cimento é adicionado em sacos de aniagem ou de geossintéticos, o que facilita a

construção dos muros. Quando a mistura solo-cimento solidifica-se, os sacos deixam de ser

necessários em termos estruturais da obra de contenção (IPT 1991, citado por Silva Júnior,

1997).

Figura 2.15 - Muro de solo cimento ensacado (Silva Júnior, 1997)

Outro tipo é o muro de flexão que constam de uma laje de fundo e uma outra vertical

ou subvertical, de parâmetro, trabalhando à flexão e tendo ou não vigas de enrijecimento

(Figura 2.16). Para alturas maiores, utilizam-se nervuras (contrafortes) de tração ou de

compressão.

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Figura 2.16 - Muro de flexão (Silva Júnior, 1997)

As cortinas são estruturas de contenção bastante utilizadas em Brasília e são

constituídas por estacas ou perfis cravados no terreno ou por elementos verticais ou

subverticais de concreto armado ancorados no substrato resistente do maciço através de

tirantes protendidos.

Existem dois tipos de cortina de estaca prancha: as cortinas “cantilever”, que

dependem apenas do engastamento e as cortinas de estaca prancha ancoradas que possuem o

engastamento na base e ancoragem no topo ou próximo a ele. Se a cortina é escorada em

muitos pontos, é usualmente denominada cortina escorada (Bowles, 1968).

As cortinas cravadas são constituídas por perfis estacas cravados no terreno ou

moldados in loco, trabalhando à flexão e resistindo pelo apoio da ficha. Para a execução de

cortinas maiores deve-se combinar o engastamento com outros mecanismos especiais de

estabilização, principalmente a utilização de tirantes e chumbadores (Figura 2.17).

Figura 2.17 - Cortinas de estaca prancha (Modificado de Bowles, 1968)

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As cortinas atirantadas, por sua vez, são elementos verticais ou subverticais de

concreto armado, que funcionam como parâmetro e que são ancorados no substrato resistente

do maciço através de tirantes protendidos (Figura 2.18).

Figura 2.18 - Cortina atirantada (Silva Júnior, 1997)

Os tirantes têm como objetivos ancorar massas de solo ou blocos de rocha, pelos

incrementos de força gerados pela protensão destes elementos, que transmitem os esforços

diretamente a uma zona mais resistente do maciço através de fios, barras e cordoalhas de aço.

2.7. ESTABILIDADE DE TALUDES

Na análise de equilíbrio-limite, considera-se que as forças internas ao longo da

superfície de ruptura, produzidas pelo carregamento, são estaticamente equivalentes aos

valores resistentes dados pelo modelo adotado. A fim de comparar a estabilidade de taludes

em condições diferentes de equilíbrio-limite, define-se o fator (F) de segurança como a

relação entre a resultante das forças solicitantes e resistentes ao escorregamento. Se F for

maior que a unidade, o talude pode ser considerado estável, caso contrário, o talude é instável.

A magnitude e distribuição da tensão de terra em um ponto são uma função do

deslocamento e tensão e é geralmente um problema indeterminado. Deste modo, torna-se

importante estudar o solo no estado plástico de equilíbrio (Figura 2.19). Nesta figura, todo o

círculo desenhado a partir do ponto A representa um estado de equilíbrio elástico e satisfaz os

requisitos para o equilíbrio elástico bem como uma das tensões principais é igual a OA. Há

apenas dois círculos que podem ser desenhados pelo ponto A que apenas tocam a linha de

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ruptura OB. Estes dois círculos representam as condições de equilíbrio-plástico (o solo fica na

iminência da ruptura).

As condições de equilíbrio-plástico que atuam no elemento de solo podem ser

visualizadas na Figura 2.19b, onde um tipo de solo é sujeito a uma tensão vertical ? 1=OA e

uma pressão lateral ? 3 = OC tal que a ruptura sob condições de tensão ativas apenas ocorre.

Agora, se a pressão vertical OA é mantida constante e a tensão lateral aumentada para ? 1 =

OD como na Figura 2.19c, o segundo círculo de ruptura (tensão passiva) é formado.

Linha de ruptura

Elástico

Plástico

Figura 2.19 - Ilustração do conceito do equilíbrio elástico e plástico. (a) Estado de tensão

antes da ruptura (elástico) e na ruptura (plástico); (b) superfície de ruptura cisalhada para a

teoria da pressão ativa; (c) superfície de ruptura cisalhada para a teoria da pressão passiva.

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Se uma estrutura de contenção for construída para conter material coesivo, como

mostrada na Figura 2.20a. Quando o movimento da estrutura for o de afastar-se do solo

haverá a mobilização das forças de atrito, e uma análise indicaria que a superfície crítica é

aproximadamente uma superfície plana a um ângulo de 45°+? /2 com o plano horizontal,

como mostrado. Neste caso tem-se a condição de pressão de terra ativa. Por outro lado, se a

estrutura é movida contra o solo, a cunha de ruptura pode ser aproximadamente uma

superfície plana com um ângulo de 45°-? /2 com a horizontal. A pressão desenvolvida neste

caso é denominada pressão de terra passiva, como mostrada na Figura 2.20b.

Provável plano de ruptura

Provável plano de ruptura

Linha de ruptura

Linha de ruptura

Figura 2.20 - Movimento da Estrutura de Contenção desenvolvendo (a) pressão ativa; (b)

pressão passiva

2.8. TEORIAS BÁSICAS SOBRE EMPUXO DE TERRA

O dimensionamento convencional da estrutura de contenção analisada em maciços

não saturados em estacas justapostas foi realizado a partir do método da extremidade livre,

conforme proposto por Bowles (1968), baseado na teoria do equilíbrio plástico (Figura 2.21).

Neste método é desprezado a deformabilidade do solo, requerendo, apenas, os parâmetros de

resistência do solo. Obtidos através dos ensaios laboratoriais, conforme será descrito no

Capítulo 4.

No dimensionamento de cortinas de estacas em solos coesivos devem ser levados

em consideração alguns requisitos adicionais. Por exemplo, a consolidação pode ocorrer nas

PePeso

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40

zonas de tensão passiva. As argilas podem expandir-se e tensionar a parede (cortina), a qual

também aumenta a tensão lateral.

q=pressão efetiva na linha de escavação = ?eH

Zona tensionada

Diagrama de pressão modificado pela linha freática e estratificação do solo

? p=?eh´tg(45°+? /2)+2ctg(45°+? /2)? a=q-2c

Figura 2.21 - Cortina de estaca prancha em solo coesivo (Bowles, 1968)

Nas estruturas de contenção do tipo cortina deve-se levar em conta o empuxo ativo

(Ea) do solo sobre a estrutura. Existe, então, uma tendência da estrutura escorregar para fora

em virtude da influência desta força. Este movimento é resistido pelo solo, denominado de

empuxo passivo (Ep). Denomina-se estado ativo de deformações ou de ruptura como sendo

aquele tomado a representar a condição onde pode haver a expansão lateral do solo induzido

por este, ou por uma sobrecarga apoiada na superfície.

Tratando-se de uma situação passiva de deformações ou ruptura, teremos uma

expansão vertical do solo como conseqüência da contração lateral produzida pelas tensões

laterais transmitidas ao solo pela estrutura. A relação entre tensão lateral e vertical no estado

passivo é denominada coeficiente de empuxo passivo, sendo esta relação no caso de situação

ativa denominada de coeficiente de empuxo ativo. Consideram-se, portanto, os empuxos ativo

e passivo descritos abaixo:

???

??? ???

??

??? ??

245

22

45tan 2 ??

? ooa h

cK (2.35)

???

??? ???

??

??? ??

245

22

45tan 2 ??

? oop h

cK (2.36)

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O empuxo de repouso também deve ser levado em consideração, que é o empuxo

existente na massa indeformada do solo. A relação entre a tensão vertical e horizontal neste

estado é denominada K0 (empuxo de repouso), que, segunda a teoria da elasticidade e

plasticidade, depende apenas do coeficiente de Poisson (? ).

2.8.1. Hipóteses Adotadas

As hipóteses adotadas no dimensionamento da cortina foram as seguintes:

?? O solo é considerado um meio semi-infinito, isotrópico, homogêneo e elástico.

?? Teoria do Equilíbrio Limite (limite inferior). Supõe-se que a cunha de solo

situada em contato com a estrutura de suporte esteja num dos possíveis estados de

plastificação ativo ou passivo. Sobre esta cunha são aplicadas as análises de equilíbrio de

corpos rígidos;

?? A cortina deformada de uma magnitude tal que a massa de solo entra num

estado limite de equilíbrio. Dependendo da intensidade e direção do movimento, cunhas

ativas e/ou passivas irão ser mobilizadas.

?? Teoria de empuxo de Rankine.

Para o cálculo da distribuição de pressões ativa e passiva utiliza-se a teoria de

Rankine, onde em nenhum ponto da massa de solo o estado de tensões excede a tensão de

ruptura e o estado de equilíbrio é satisfeito. A solução para empuxos laterais obtidos usando

Rankine é uma solução de limite inferior, pois existe uma distribuição de tensões mais

eficiente com maiores valores.

A tensão horizontal a qualquer profundidade abaixo da superfície pode ser escrita

como a razão da tensão vertical. Cada dessas tensões podem referir-se a poropressão do ar. O

coeficiente de empuxo passivo, Ko, pode ser determinado como segue:

)()(

0av

ah

uu

K??

???

(2.37)

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42

É difícil quantificar teoricamente o empuxo passivo em história de tensões

complexas no qual a massa de solo está submetida. No entanto, a consideração do equilíbrio

elástico da massa de solo fornece um aproximado valor de empuxo passivo do solo.

No entanto, para condições da massa de solo intacta, homogênea e não saturada, a

equação 3.5 pode ser aplicada, considerando a Teoria de equilíbrio plástico. Portanto, a

equação de empuxo inicial pode apresentar a seguinte forma:

)()(

)1(10av

wa

uuu

HE

K??

??

??

????

(2.38)

A equação 2.38 reverte para a forma de solo saturado quando a sucção matricial

chega a zero. Quando a sucção matricial está presente no solo, a tensão horizontal é reduzida.

A redução é também função da profundidade que está em consideração. A pequenas

profundidades, a relativa pequena sucção matricial causará tensão horizontal tendente a zero e

tende a ser negativa. Se o solo não puder sustentar qualquer tensão, o solo rachará,

começando da superfície. A Figura 2.22 ilustra a relação entre o coeficiente de empuxo

passivo do solo e sucção mátrica para variadas pressões de sobrecarga.

Figura 2.22 - Relação entre o coeficiente de empuxo inicial, k0, e sucção matricial.

(Fredlund, 1979).

Valores típicos de k0 para o primeiro carregamento de uma argila poderia atingira

entre aproximadamente 0,3 e 0,7, dependendo do Poisson. Para uma proposta ilustrativa de

um talude de solo com as seguintes propriedades assumidas: ? = 0,35, E/H = 0,17, e ? = 1886

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43

kg/m3. Quando o solo satura-se a poropresão torna-se zero, o coeficiente de empuxo passivo

fica 0,538. O coeficiente de empuxo inicial decresce à proporção que a sucção matricial do

solo aumenta. Isto é verdade para todas as profundidades, mas a proporção de redução no

coeficiente de repouso é maior a profundidades superficiais.

A engenharia é geralmente interessada no valor secante. Em todo caso, deve-se

reconhecer que parâmetros elásticos são difíceis de se obter com precisão. Bishop (1959)

apresentou os resultados a partir de estudos laboratoriais para o coeficiente de empuxo inicial

(Figura 2.23) que apresenta a expressão proposta por Jaky’s (1944) :

0 1 ´K sen?? ? (2.39)

onde,

? ’ - ângulo efetivo de atrito interno.

A equação aplica a carregamentos iniciais do solo. Para solos expansivos podem

apresentar pressões laterais maiores do que verticais. Até mesmos sendo possível alcançar o

estado de pressão passiva (Figura 2.23).

Figura 2.23 - Relação entre o ângulo de atrito interno efetivo e o coeficiente de empuxo

inicial, K0 (Bishop, 1958)

A Figura 2.23 mostra a variação do coeficiente de empuxo inicial em relação ao

ângulo de atrito interno do solo, empiricamente encontrado por Bowles (1958).

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2.8.2. Equilíbrio Limite (Modelo Rígido-Plástico)

Os problemas de deformação encontrados na mecânica dos solos podem ser

divididos em duas categorias de acordo o nível de tensões envolvidos. Quando os níveis de

tensão desviadora são relativamente baixos, os problemas são considerados serem em seção

elástica e são analisados utilizando a teoria da elasticidade. Quando os níveis de tensão são

relativamente altos, os problemas são considerados serem em seção plástica e são analisados

usando a teoria da plasticidade. As duas categorias podem ser visualizadas na Figura 2.24.

Seção elástica Seção plástica

?

?

Figura 2.24 - Comportamento elasto-plástico idealizado dando aumento a duas categorias de

análise de deformação.

Nesta pesquisa, considera-se o problema baseado, assumindo que o comportamento

do solo seja perfeitamente plástico. Quando o estado de equilíbrio plástico é limitado a uma

específica zona, os problemas são referente à análise de equilíbrio limite. Estes pressupostos

são, é claro, uma simplificação grosseira do real comportamento do solo, mas tem formado

uma caracterização útil dos tipos de análises comuns a prática da mecânica dos solos. Estas

categorias provêm de limites teóricos dentro do qual o comportamento da massa do solo é

estudado, onde se considera a poropressão negativa do solo (sucção matricial).

Alguns trabalhos mais recentes em mecânica dos solos lidam com tensões de terra

em estruturas de contenção. No entanto, há pouca informação sobre tensões de terra exercidas

em estruturas por solos não saturados.

Fase plástica Fase elástica

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45

Alguns dos problemas encontrados em estruturas de contenção resultam da

tendência de solos expansivos argilosos apresentarem mudança de volume considerável em

conseqüência da mudança das condições ambientais. Apenas considerações limitadas têm sido

dadas ao comportamento das estruturas sob estas circunstâncias.

Primeiramente, para discutir tensões de terra ativa e passiva em uma massa de solo,

é necessário discutir outras condições de tensão. Isto significa dizer que é necessária dar um

interesse particular às pressões de poropresão que causam um encolhimento e rachadura da

massa de solo perto da superfície.

A tensão total vertical em um nível do solo é calculada da mesma maneira tanto para

a condição de solo saturado como para solo não saturado (Figura 2.25).

?v

?h dy

Superfície do terreno

Nível d’água

Figura 2.25 - Tensão vertical e horizontal em uma massa de solo

Denomina-se empuxo ativo, a pressão de terra na estrutura quando esta se move,

afastando-se do maciço. A partir desta tensão, é calculada a estrutura de contenção, que pode

suportar os deslocamentos necessários para levar o solo ao estado de equilíbrio limite de

ruptura. Os esforços exercidos pelo terreno sobre a estrutura de contenção são estaticamente

indeterminados. Em primeiro lugar, os esforços em apreço estão ligados às deformações do

maciço.

O deslocamento do topo de uma parede de contenção, suficiente para levar as

pressões até o valor ativo, é uma função do tipo do solo e varia linearmente com a altura da

parede (Terzaghi,1936). Chamado tal deslocamento de ? e de H a altura da contenção,

teremos:

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46

C H? ? ? (2.40)

onde,

C é um parâmetro característico do solo.

Continuando o afastamento da parede das terras, após a rotação, dá-se uma

acomodação do solo, com efeitos de arqueamento, e a pressão cresce novamente para depois

diminuir até nova rotação, e assim por diante (Figura 2.26). Outra tensão sujeita pela estrutura

de contenção é o empuxo passivo.

Figura 2.26 - Diagrama de empuxo ativo e passivo (Tschebotarioff, 1978)

2.8.3. MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE (BOWLES, 1968)

O método da extremidade livre é aplicado em estruturas de contenção do tipo auto-

portantes, como são as cortinas de estacas justapostas. Estas estruturas são classificadas neste

grupo dependendo de seu engastamento no solo abaixo da linha de escavação, portanto com a

ficha resistindo a pressões laterais desenvolvidas acima da linha de escavação. No modelo de

estaca justaposta algumas condições de simplificação são assumidas. Dentre elas, de que a

estrutura da estaca é rígida (Figuras 2.27 e 2.28).

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47

Zona A

Zona B

Zona C

Pressão Ativa

Pressão Ativa

Pressão Passiva

Pressão Passiva

Pressão Ativa

Nível d´água

Nível escavação

Figura 2.27 - Cortina de estacas em maciço de solo com influência do nível d´água

(a) comportamento da estaca; (b) trajetória de tensões; (c) trajetória de tensões aproximada

(Bowles, 1968)

Este método considera que a cortina está sujeita a uma tensão ativa e passiva.

Abaixo da influência da tensão ativa o muro tende a girar, desenvolvendo tensões passivas na

frente da cortina e tensões ativas atrás da cortina. No ponto O , ponto de rotação, das Figuras

2.27 e 2.28, o solo atrás do muro muda de pressão ativa para tensão passiva, com tensão ativa

na frente do muro para o remanescente da distância até o pé da estaca.

Ponto de rotação

Pressões Passivas

Pressões Ativas

Figura 2.28 - Cortina de estacas em solo arenoso sem influência do nível d´água

A Figura 2.28 mostra o diagrama de tensões ativa e passiva em uma estrutura de

contenção sem a influência da água.

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Para este método de cálculo, alguns procedimentos devem ser adotados, como o

estudo do equilíbrio da contenção sob a ação das tensões ativas e passivas, visando o cálculo

do comprimento da ficha (D) necessário. Neste método as tensões são determinadas através

de uma equação de equilíbrio de forças na direção horizontal e de uma equação de equilíbrio

ao pé da cortina. Conhecida a geometria da estrutura e as cargas atuantes, o problema é

estaticamente determinado, podendo facilmente ser calculada a distribuição dos momentos

fletores e o seu valor máximo.

2.9. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS (MEF)

Neste trabalho, uma análise mais completa foi realizada para se fazer uma

comparação com métodos de dimensionamento convencionais adotados (Método da

Extremidade Livre), utilizando o Método dos Elementos Finitos, que envolve, além das

equações de equilíbrio, a deformabilidade dos materiais envolvidos.

O Método dos Elementos Finitos é uma das ferramentas numéricas mais utilizadas

na atualidade devido à sua capacidade de simular diferentes condições de geometria, de

carregamento e de contorno, além de poder incorporar diferentes modelos constitutivos e

outras complexidades que envolvem os problemas de engenharia.

Na resolução de um problema pelo Método de Elementos Finitos são envolvidas

algumas etapas, citando:

?? Discretização do meio contínuo - nesse processo, o meio contínuo (corpo

físico, estrutura ou sólido a ser analisado) é subdividido mediante linhas e superfícies

imaginárias em um número finito de elementos. Em uma análise bidimensional, estes

elementos podem ser triangulares ou quadrados, enquanto que no caso tridimensional estes

elementos podem ser tetraedros, prismas retangulares e hexaedros. Supõe-se que os elementos

estão conectados por um número discreto de pontos, chamados de nós.

?? Seleção do modelo de deslocamentos – é definido o campo de deslocamentos

dentro de cada elemento, em função dos deslocamentos nodais em cada elemento.

?? Cálculo da matriz de rigidez - a matriz de rigidez é composta pelos

coeficientes das equações de equilíbrio, derivados a partir da geometria, propriedades ou leis

constitutivas adotadas em cada elemento. As forças distribuídas atuantes no meio são

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convertidas em forças nodais equivalentes, obtendo-se assim, uma relação de equilíbrio entre

a matriz de rigidez, o vetor de deslocamentos nodais, e o vetor de forças nodais. As matrizes

de rigidez de cada elemento são associadas, formando assim um sistema global.

?? Cálculo das incógnitas do problema - no caso de problemas lineares, os

deslocamentos são calculados de forma direta, usando técnicas algébricas como o método de

Gauss. Para o caso de problemas não lineares, as soluções são obtidas por uma seqüência de

etapas, onde em cada etapa ocorre a modificação da matriz de rigidez e/ou o vetor de forças.

A partir do campo de deslocamentos nodais obtém-se, de maneira única, o estado de

deformações em cada elemento. Estas deformações juntamente com as deformações iniciais e

as leis constitutivas de cada material definirão o estado de tensões no elemento e no seu

contorno.

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50

CAPÍTULO 3 - MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DAS

ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO E FERRAMENTA NUMÉRICA

UTILIZADA - PLAXIS

3.1. MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE CORTINAS EM ESTACAS

PRANCHAS (“SHEET-PILE”)

Como já descrito no capítulo anterior, foram realizadas análises utilizando métodos

diferentes: um método convencional (Método da Extremidade Livre) e outro mais complexo

(Método dos Elementos Finitos). O objetivo foi fazer uma comparação entre estes métodos de

forma que se pudesse ter uma noção de como considerações como, por exemplo, a não

consideração da deformabilidade do solo pode resultar em resultados diferentes das soluções

que levam em conta esta característica.

O dimensionamento convencional da cortina de estacas segue alguns princípios e os

métodos mais utilizados são: Método da Extremidade Fixa e Método da Extremidade Livre.

Este último método é o utilizado nesta pesquisa e o princípio básico para o cálculo da

distribuição da tensão lateral na estrutura pode ser explicado com a ajuda da Figura 3.1.

Figura 3.1 - Caso típico de análise de cortina em balanço

(a) rotação da estaca; (b) diagrama de esforços; (c) diagrama aproximado de esforços (Método

da Extremidade Livre (Bowles, 1968))

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51

Este método de dimensionamento leva em consideração o tipo de solo a ser contido.

Portanto, o comportamento apresentado pela estrutura de contenção e os diagramas de tensões

variam de acordo com as condições de nível d’água, tipo de solo envolvido e presença ou não

de aterro, como podem ser observadas nas Figuras 3.2 e 3.3.

Figura 3.2 - Cortina em balanço em solo arenoso sem a presença de água (Das, 1999).

Figura 3.3 - Cortina em balanço em solo arenoso, com ficha em solo argiloso (Das, 1999).

No dimensionamento de uma cortina, considerando o Método da Extremidade Livre,

a estrutura pode ser considerada como uma viga contínua com a parte superior em balanço e

com as condições de apoio determinadas pela profundidade do embutimento do perfil (ficha).

Na verificação da estabilidade, deve-se considerar a profundidade D da ficha. Considerando-

se o empuxo ativo como atuando em toda a extensão do perfil (L+D). Além do cálculo

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52

estrutural das partes componentes do escoramento, é necessário verificar a profundidade do

embutimento da ficha, escorregamento de todo o sistema e deslocamentos da parede.

A estrutura de contenção pode ser analisada assumindo que ocorre rotação em torno

de um ponto O, logo acima da base da parede. A conseqüência de se fazer tal hipótese é que

abaixo do ponto de rotação, o empuxo lateral é passivo no lado de escavação e ativo, no lado

oposto à escavação.

Figura 3.4 - Cortina em balanço em solo arenoso com nível de água acima da superfície de

escavação.

A Figura 3.4 apresenta o diagrama de esforços e de momentos em uma cortina em

balanço, onde se verifica o ponto em que ocorre o momento máximo.

3.2. DIMENSIONAMENTO DE CORTINAS EM ESTACAS PRANCHAS (“SHEET-

PILE”) EM SOLOS NÃO SATURADOS

O dimensionamento de estruturas de estacas justapostas para solos saturados e

coesivos foi bem estudado e apresentado por Bowles (1968), com considerações adicionais,

como a consolidação que pode ocorrer nas zonas de tensão passiva. Tanto as soluções de

Rankine como as de Coulomb para os problemas de pressão de terra em estruturas de

contenção para solos saturados satisfazem o equilíbrio estático, ? FH e ? FV = 0.

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53

A solução de Rankine é freqüentemente usada pelo fato da simplicidade das

equações, especialmente para solos não coesivo, onde o empuxo ativo é:

Pa = ½ ?KaH2 (3.1)

onde,

H - é a altura da estrutura de contenção, ou seja, altura de escavação.

A teoria do empuxo de terra proposta por Coulomb (1776) assume algumas

condições:

?? O solo é isotrópico e homogêneo e possui ângulo de atrito e coesão;

?? A superfície de ruptura é uma superfície plana;

?? A forças de atrito são distribuídas uniformemente ao longo da superfície de

ruptura plana;

?? A cunha de ruptura é um corpo rígido;

?? A ruptura é um problema bidimensional; considerando uma unidade de

comprimento de um corpo infinitamente longo.

O empuxo ativo Pa contra a estrutura de contenção pode ser definida em função do

coeficiente de atrito, obtendo:

Pa = ½ ?H2 tan2 (45o-? /2) (3.2)

E o empuxo passivo Pp é derivada como é a pressão ativa:

Pp = ½ ?H2 tan2 (45o+? /2) (3.3)

Estas equações são consideradas, pela solução de Rankine, quando o solo é coesivo

e o atrito entre o solo-estrutura é desprezada.

O caso do empuxo ativo de terra pode ser escrita :

Pa = ½ ?H2 Ka – 2cH (Ka)1/2 (3.4)

Similarmente, para o caso de empuxo passivo, com coesão, pode ser escrita como:

Pp = ½ ?H2 Kp + 2cH (Kp)1/2 (3.5)

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Estendendo a teoria dos empuxos para o caso dos solos não saturados, deve-se levar

alguns parâmetros em consideração, como c’, ? ’e ? b. Como apresentado no capítulo anterior,

Fredlund et al. (1978) estenderam a teoria de resistência ao cisalhamento para estes solos,

Equação (2.25):

? = c´+(? n-ua)f tan? ´+(ua-uw)f tan? b (2.25)

Sabendo-se que c’ e ? são os parâmetros para os solos saturados e que:

c = c’+ (ua – uw) tan ? ’ (3.6)

Os empuxos ativo e passivo para o solo não saturado podem ser dados:

Pa = ½ ?H2 tan2 (45o-? /2) – 2 (c’+ (ua – uw)) tan ? ’ H (tan2 (45o-? /2))1/2 (3.7)

Pp = ½ ?H2 tan2 (45o+? /2)+ 2 (c’+ (ua – uw)) tan ? ’ H (tan2 (45o+? /2))1/2 (3.8)

As equações de empuxo ativo e passivo estendidas para os solos não saturadas

mostram a dependência entre estes esforços e a sucção (ua-uw), como pode ser verificado nas

equações acima.

Porém, estas equações adotam o critério de ruptura, assumindo o equilíbrio plástico

do material. Este limite de ruptura adotado no Método da Extremidade Livre despreza a

deformabilidade do solo, como já descrito anteriormente, adotando para o dimensionamento

das estruturas de estacas justapostas apenas os parâmetros c’, ? ’ e ? b..

Diferentemente do Método da Extremidade Livre, o Método de Elementos Finitos

faz uma análise mais completa do comportamento da estrutura de contenção, considerando a

deformabilidade do solo. Por ser uma análise mais complexa, este método requer a ajuda de

um programa numérico. Neste trabalho, será utilizado o conhecido programa PLAXIS.

3.3. FERRAMENTA NUMÉRICA UTILIZADA – PROGRAMA PLAXIS

As análises tensão-deformação da estrutura de contenção estudada foram realizadas

com o programa de elementos finitos PLAXIS (“Finite Element Code for Soil and Rock

Analyses”), versão 7.11, desenvolvido na Universidade de Delft, Holanda. A escolha deste

programa se deveu principalmente a sua disponibilidade na Universidade de Brasília, e ao fato

de ser um programa que oferece várias facilidades, como a geração automática da malha,

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55

simulação de elementos de estacas justapostas, interface e solo, além da disponibilidade de

uma interface gráfica de entrada e saída de resultados.

A seguir são apresentadas algumas discussões a respeito do programa PLAXIS,

onde são mostradas suas principais características, os modelos constitutivos disponíveis, bem

como os tipos de análises possíveis. No entanto, por se tratar de um programa complexo, só

serão abordados aqui os principais tópicos utilizados nas simulações dos aterros na presente

dissertação.

3.4. CARACTERÍSTICAS DO PROGRAMA PLAXIS

O PLAXIS é um programa de elementos finitos desenvolvido especificamente para

análises de projetos de engenharia geotécnica. O programa realiza análises bidimensionais em

estado de deformação plana ou com simetria axial. Ele está dividido em quatro sub-

programas, sendo o primeiro uma sub-rotina de entrada de dados (Input), onde são

introduzidos os dados do problema como geometria, disposição dos elementos, bem como são

especificados as propriedades dos materiais, o modelo de comportamento do solo e as

condições de fronteira; um segundo sub-programa de cálculo (Calculation), onde são

consideradas análises de deformação com a distinção entre um cálculo plástico, uma análise

de adensamento e análise por atualização da malha; um de saída de dados (Output), onde são

obtidos os resultados do cálculo de elementos finitos; e o último para a edição de curvas de

carga-deslocamento, trajetórias de tensões e curvas tensão-deformação (Curves), feitas a

partir de pontos selecionados na malha de elementos finitos.

O PLAXIS permite um procedimento de geração de malha automático, sendo a

geometria dividida em elementos triangulares, na forma de elementos básicos e elementos

estruturais compatíveis. O programa tem disponíveis elementos triangulares isoparamétricos

de 6 e 15 nós.

A escolha do modelo que será utilizado nas simulações do comportamento do

material é de grande relevância para que os resultados obtidos sejam realistas. O PLAXIS tem

disponíveis cinco modelos constitutivos, sendo um elástico linear e quatro elasto-plásticos,

que são Mohr-Coulomb, “Soft-Soil”, “Soft Soil Creep”, e “Hardening Soil”.

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56

No presente trabalho, para as simulações do comportamento da estrutura, foram

utilizados os modelos constitutivos Mohr-Coulomb e “Soft-Soil”.

Modelo Mohr-Coulomb

O modelo constitutivo “Mohr-Coulomb” é um modelo elástico perfeitamente

plástico, empregado para representar ruptura por cisalhamento de solos e rochas. Neste

modelo, considera-se que o material comporta-se como linear elástico até atingir a ruptura,

não havendo a ocorrência de endurecimento devido ao fluxo plástico, ou seja, a superfície de

plastificação é fixa (Figura 3.5).

Figura 3.5 – Modelo Mohr-Coulomb – relação tensão-deformação.

A Figura 3.5 mostra o modelo constitutivo Mohr-Coulomb, o qual representa a

relação tensão-deformação, considerando que o material apresenta um comportamento

elástico-linear até atingir um determinado ponto (tensão de escoamento). Neste estágio, a

tensão mantém-se constante para o acréscimo de deformações plásticas.

A condição de Mohr-Coulomb é uma extensão da lei de atrito de Coulomb, que

pode ser definida por três funções formuladas em termos de tensões principais:

f1 = ½ [? 2`-? 3`] + ½ (? 2`-? 3`) sen? - c. cos? ? 0 (3.9)

f2 = ½ [? 3`-? 1`] + ½ (? 3`-? 1`) sen? - c. cos? ? 0 (3.10)

f3 = ½ [? 1`-? 2`] + ½ (? 1`-? 2`) sen? - c. cos? ? 0 (3.11)

?

?

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57

Nota-se que dois parâmetros plásticos aparecem nas funções acima descritas, o

ângulo de atrito (? ) e a coesão (c).

O uso de uma lei de fluxo associada no critério Mohr-Coulomb, leva a uma

superestimativa da dilatância. Por este motivo, um terceiro parâmetro de plasticidade é

considerad, o ângulo de dilatância. Este parâmetro é requerido para modelar incrementos de

deformação volumétrica plástica (dilatância). As funções de potencial plástico, incluindo este

parâmetro, são apresentadas a seguir:

g1 = ½ [? 2`-? 3`] + ½ (? 2`-? 3`) sen? (3.12)

g2 = ½ [? 3`-? 1`] + ½ (? 3`-? 1`) sen? (3.13)

g3 = ½ [? 1`-? 2`] + ½ (? 1`-? 2`) sen? (3.14)

Modelo “Soft-Soil”

O modelo “Soft-Soil” é o modelo do tipo Cam-clay e representa melhor o

desempenho em situações de compressão primária. O modelo Cam-clay é baseado na teoria

do estado crítico e suas principais diferenças, entre os diversos modelos desta família, são as

equações utilizadas para descrever as curvas de plastificação.

Neste modelo, quando o solo é cisalhado, ele passa progressivamente por vários

estados de plastificação até atingir o colapso. A trajetória de tensões passa através de várias

superfícies de plastificação, causando deformações plásticas. O escoamento continua

ocorrendo até o material atingir um índice de vazios permanecendo constante para

subseqüentes deformações de solo. Ou seja, o material irá alcançar um arranjo nas suas

partículas, no qual não ocorre mudança de volume durante o cisalhamento subseqüente. Este

índice de vazios é denominado de índice de vazios crítico, e o estado em que se encontra o

material é denominado de estado crítico.

Na Figura 3.6, apresenta a relação entre o índice de vazios e o logaritmo da tensão

octaédrica de uma argila saturada sujeita a um carregamento isotrópico. Inicialmente, o

material se apresenta normalmente adensado e, quando sujeito a um carregamento isotrópico,

segue a trajetória de A para B.

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Figura 3.6 – Relação logarítmica entre o índice de vazios (e) e as tensões médias (p`).

A relação entre as deformações e as tensões no trecho AB podem ser obtidas pelo

uso da seguinte expressão:

e - e0 = -? ln(p`/p0) (3.15)

O parâmetro ? representa o índice de compressão, que determina a

compressibilidade do material no carregamento primário e, na Figura 3.6e, representa a

inclinação do trecho AB.

Devido a ocorrência de deformações elasto-plásticas, no descarregamento, o

material não seguirá a trajetória AB, mas sim a BD (Figura 3.6). Quando recarregado, o

material segue a mesma trajetória do descarregamento, ou seja, no descarregamento-

recarregamento, o material apresenta um comportamento elástico. A relação tensão-

deformação no descarregamento-recarregamento é expressa da seguinte forma:

e - e0 = -k ln(p`/p0) (3.16)

O parâmetro k representa o índice de expansão e determina a compressibilidade do

material no descarregamento-recarregamento. Devido ao comportamento elástico evidenciado

?

?

k?

pA pB

e

ln p`

Plás

tico

Elás

tico

A

B

C

D

Carregamento isotrópico

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neste trecho, a lei de Hooke pode ser aplicada para a determinação do módulo no

descarregamento-recarregamento (Eur). Este módulo pode ser representado em função do

nível de tensões, a partir da seguinte expressão:

Eur = 1/k (3 (1+e0)(1-2? ur)p`) (3.17)

onde,

? ur representa o coeficiente de Poisson no descarregamento-recarregamento.

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CAPÍTULO 4 - INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS

4.1. INTRODUÇÃO

O trabalho de pesquisa consistiu no acompanhamento de duas cortinas de estacas

justapostas localizadas em uma obra no Setor de Indústrias e Abastecimento (VIA IMPORT

CENTER), Brasília-DF (Figura 4.1).

ASA NORTE (SQN 213)

Setor de Indústria e Abastecimento (Via Import Center)

Figura 4.1 - Mapa de Brasília com a locação das obras

A estrutura avaliada foi dimensionada sem levar em conta a contribuição da sucção

matricial na estabilidade do maciço constituído de uma argila porosa com características

colapsíveis, típica do solo superficial que reveste a cidade de Brasília (solos não saturados).

No entanto, como já mencionado em capítulo anterior, o solo da obra estudado constitui-se de

uma argila porosa, com comportamento metaestável, característico do solo não saturado.

Estas argilas apresentam uma estrutura bastante porosa, em geral, com baixa resistência à

penetração (SPT<4) e instáveis, quando submetidas à variação no estado de tensões,

apresentando, assim, comportamento colapsível (Araki, 1997). Para este tipo de solo é

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importante que seja considerada a contribuição da sucção matricial, característica dele, no

dimensionamento da estrutura de contenção em cortina.

O objetivo, no início dos trabalhos, era conhecer o comportamento geomecânicos

desses solos, devido principalmente a constatação de que o comportamento dos solos não

saturados nem sempre podem ser previstos com sucesso, com base nas teorias e modelos

desenvolvidos pela mecânica dos solos tradicional. Dentro deste enfoque, procurou-se estudar

o comportamento dos solos não saturados através dos ensaios de campo e laboratório

realizados neste estudo, avaliando a influência da sucção matricial na formulação analítica de

Equilíbrio Limite, fazendo-se uso da envoltória de resistência ao cisalhamento estendida,

conforme proposta por Fredlund et al. (1978).

Desta forma, o solo estudado foi caracterizado em sua condição generalizada, em

termos de modelagem constitutiva, com o uso combinado de ensaios de laboratório,

analisando o material nas condições natural e saturado por inundação. Com isso, iniciou-se

uma série de investigações geotécnicas, entre elas: a caracterização do material de solo

contido, ensaio pressiométrico, ensaios de cisalhamento direto, ensaios duplo-oedométrico,

monitoramento da variação de umidade no interior do maciço, através de sondagens a trado e

coleta de solo, além da instrumentação das cortinas e medições de deslocamento destas.

O solo da obra avaliada foi caracterizado, conforme descrito no item 4.3, em sua

condição generalizada com o uso combinado de ensaios de cisalhamento direto e de curvas

características determinadas por meio da panela de pressão de Richards. Em termos de maciço

de escavação, evidencia-se o perfil geotécnico (Anexo B), buscando-se, principalmente,

caracterizar a sua natureza e potencialidade de eventuais aumentos de saturação, fatores

relevantes na estabilidade da cortina.

As escavações foram realizadas após a concretagem das estacas e ganho de

resistência suficiente para resistir aos esforços transferidos pelo solo. As contenções foram

empregadas antes da escavação para garantir a estabilidade dos taludes verticais, que foram

escavados nessas condições para otimizar a área da construção (Figura 4.2).

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62

Figura 4.2 - Terreno escavado com a contenção das estacas justapostas

(obra VIA IMPORT CENTER)

Como forma de garantir a segurança e estabilidade da escavação, o cronograma da

obra foi elaborado com o processo de escavação ocorrendo entre os meses de maio a

setembro, período de estiagem em Brasília.

Na obra, monitorou-se a variação da umidade no interior do maciço através do perfil

de umidade, traçado com amostras obtidas a trado escavado horizontalmente ao talude de 0,5

em 0,5 metro. Nota-se no perfil de sondagem que não foi detectado lençol freático até a

profundidade sondada (30,0 metros do nível do terreno da obra), o que garante o estado de

não saturação do maciço. Deve-se levar em conta que esta região caracteriza-se por períodos

bem definidos de estiagem e chuva, do período de abril a outubro e novembro e março,

respectivamente. Os serviços de escavação foram executados no mês de julho, período de

estiagem.

Todas essas informações foram necessárias para a análise do projeto da cortina de

contenção e a escavação. E tem como objetivo final fazer uma análise comparativa dos

diversos métodos de dimensionamento, verificando o procedimento de cálculo mais

adequado, quando se tratar de maciço de solo não saturado.

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63

4.2. DESCRIÇÃO DA OBRA

Todo o trabalho baseou-se, como já descrito acima, no acompanhamento de

uma cortina de estacas justapostas construída no prédio VIA IMPORT, localizado no SIA,

Brasília-DF. A estrutura de contenção com 4,0 m de altura e uma extensão de,

aproximadamente, 40,0 m foi construída para atender as necessidades do projeto de um

estacionamento subterrâneo.

A cortina foi dimensionada levando-se em conta a contribuição da sucção

matricial na estabilidade do maciço. Incluí-se de forma explicita a influência da sucção

matricial na formulação analítica de equilíbrio limite utilizada, fazendo-se uso da envoltória

de resistência ao cisalhamento estendida conforme proposta por Fredlund et. al. (1978).

O nível d’água não foi detectado até uma profundidade de 30,0 m abaixo do

nível do terreno no local da obra, conforme mostra o perfil de sondagem, em anexo. Deste

modo, configura-se a condição não saturada do maciço do solo.

4.3. PROJETO DA CORTINA

O método adotado para o dimensionamento da estrutura de estacas justapostas desta

obra foi o da Extremidade Livre (Bowles, 1968), combinando-se as formulações disponíveis

para um solo com coesão e atrito. Este é o procedimento de cálculo mais comum utilizado

para este tipo de estrutura, em que se leva em conta o equilíbrio da parede sob a ação de

empuxos ativos ou passivos, visando o cálculo do comprimento de ficha necessário, levando-

se em conta um determinado fator de segurança (? 1,4).

No cálculo da cortina estudada, utilizando método de Extremidade Livre adotado no

seu dimensionamento, o fator de segurança adotado foi de 1,4. Também, adotou-se um fator

de segurança de 1,2, que foi utilizado na redução do empuxo passivo atuante. Com isso, foi

possível determinar o comprimento de ficha necessário para as estacas e os diagramas de

tensões ativa e passiva atuantes na cortina, que neste caso, em se tratando de solo não

saturado, foram determinados pela hipótese de que o solo está em equilíbrio limite (Fredlund

et al., 1993). Esses diagramas obtidos permitiram a determinação do máximo momento fletor

nos elementos da cortina.

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64

Além disso, para o cálculo da estrutura de contenção, algumas considerações foram

feitas. Adotou-se, para a análise da estabilidade, o equilíbrio limite, considerando a estrutura

em estado elástico perfeitamente plástico e utilizando o critério de resistência de Mohr-

Coulomb. Para o cálculo dos empuxos, adotou-se o Método de Rankine, considerando a

condição drenada.

A obra de contenção, onde foi desenvolvida a pesquisa, tem como finalidade arrimar

um corte vertical, com uma altura de 4,0 m e uma extensão de 40,0 m, onde foi construído um

subsolo. A cortina de contenção de estacas justapostas foi dividida em três trechos distintos,

variando a distância entre as estacas e o fator de segurança no seu dimensionamento. O

objetivo foi formar três condições de carregamentos diferentes, a fim de extrair de uma única

obra situações distintas (conforme Figura 4.3).

Figura 4.3 - Planta Baixa da cortina de estacas justapostas

Na Figura 4.3, as estacas estão diferentemente denominadas de E1 e E2. As estacas

E1 foram monitoradas periodicamente, onde eram realizadas as medições de deslocamento no

topo (cabeça da estaca), enquanto que nas E2 foram realizadas as medições de deformações

(com a ajuda de extensômetros, “strain gauges”). Ambas as metodologias estão descritas no

item 4.3.

Estabeleceu-se o diâmetro das estacas em 40 centímetros e distanciadas, de eixo a

eixo, de 1,00 metro, no 3° trecho, e 1,20 metro, nos 1° e 2° trechos. Em cada trecho, uma

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estaca foi instrumentada, sendo que foram dispostas em cinco níveis de instrumentação (Item

4.3).

As estacas da estrutura para uma contenção de 40,00 metros foram projetadas, como

já dito, seguindo o Método da Extremidade Livre, resultando em uma ficha de 4,00 metros.

As estruturas de contenção em estudo foram projetadas atendendo aos critérios acima descrito

e apresenta-se como o perfil esquemático mostrado na Figura 4.4.

4m

Ficha4m

Solo

Estaca

4m

Ficha4m

4m

Ficha4m

Solo

Estaca

Figura 4.4 - Perfil esquemático da cortina dimensionada de estacas justapostas.

Como pode ser observado no Anexo B, nota-se que no perfil de sondagem, o solo

apresenta-se homogêneo e descrito como argila pouco siltosa, vermelha. No laudo de

sondagem da obra VIA IMPORT CENTER, apresentado em anexo, nota-se que não foi

detectado lençol freático até a profundidade sondada, de aproximadamente 30 metros, o que

evidencia a difícil ocorrência da saturação do maciço de solo devido a percolação pelas águas

subterrâneas.

Além da consideração da homogeneidade do solo, no dimensionamento das cortinas,

considerou-se a as estacas dispostas eqüidistantes. A Figura 4.4 demonstra esquematicamente

a disposição destas em campo.

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66

4.4. METODOLOGIA DE CAMPO

A metodologia de campo adotada consiste na avaliação da cortina acima descrita,

realizando, através de sua instrumentação, o acompanhamento dos esforços por ela sofridos,

além do ensaio pressiométrico para obtenção do coeficiente de empuxo de repouso e medição

periódica dos deslocamentos das cabeças das estacas.

A análise destas cortinas visa o acompanhamento dos esforços e, conseqüentemente,

as deformações e deslocamento em suas extremidades. Sendo descrito o acompanhamento das

medidas realizadas “in-loco” das deformações e deslocamentos das estacas justapostas. Na

Figura 4.5 observa-se a posição dos 5 (cinco) extensômetros (“strain-gauges”) locados ao

longo da armadura de algumas estacas, permitindo o acompanhamento das deformações

sofridas por estas ao longo do tempo.

Figura 4.5 - Disposição dos Extensômetros (“Strain-Gauges”)

A Figura 4.5 mostra o perfil das estacas instrumentadas e a posição dos

extensômetros elétricos (“strain-gauges”), fixados nas barras de aço e locados em pares,

diametralmente opostos, com o objetivo de monitorar a deformação sofrida pela estaca após a

escavação do solo.

No total, três estacas tiveram as suas armações instrumentadas, onde os

extensômetros foram instalados, visando abranger as duas zonas onde ocorrem os esforços

distintos (zonas de tração e compressão). Os níveis de instrumentação foram definidos,

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buscando-se cercar os maiores valores de momentos que atuariam na estaca, isso foi definido

após o cálculo da contenção.

Os níveis de instrumentação foram, definidos, buscando-se cercar os maiores valores

de momentos que atuariam na estaca, procurando abranger as duas zonas onde ocorrem

esforços distintos, sendo uma zona de tração e outra de compressão. As posições são definidas

na Figura 4.6, onde: a = 4,0 m; b = 5,0 m; c = 6,0 m; d = 6,5 m; e = 7,0 m.

Os extensômetros foram locados na armadura em cinco posições diferentes, onde

são verificadas as maiores solicitações de momentos, como pode ser observado no diagrama

de momentos fletores da Figura 3.4 do capítulo anterior.

4.4.1. Medições de Deformação e de Deslocamento

As Figuras do Anexo A mostram a visão geral da estrutura de contenção da obra

acompanhada. As estacas foram concretadas antes da escavação e dimensionada com

resistência suficiente para resistir aos esforços gerados pelo solo.

As medições de campo foram efetuadas com o objetivo de se obter os esforços reais

sofridos pela estrutura de contenção e o seu comportamento a estes esforços. Portanto, por um

período de tempo, algumas estacas foram acompanhadas com medições de deformação ao

longo de seu comprimento e deslocamento em suas extremidades.

A medição dos deslocamentos nas cabeças das estacas foi realizada periodicamente

com o uso de uma estação total, através de topografia, de maneira a se obter precisamente os

deslocamentos sofridos. Este acompanhamento das estacas foi realizado até a estabilização

total destas (Figura 4.6). A periodicidade para a medição dos deslocamentos foi semanal para

as primeiras três semanas e de quinze em quinze dias para o período restante.

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Figura 4.6 - Medição dos deslocamentos das estacas (Estação Total)

A medição das deformações foi realizada com a ajuda de extensômetros elétricos

locados na armação das estacas antes de serem concretadas (Figura 4.7). Estes extensômetros

foram colocados em posições estratégicas depois de obtido, com a ajuda do Método da

Extremidade Livre, a curva de momentos das estacas considerando suas dimensões e a

saturação do solo. A intenção era fazer medidas que permitissem fazer um acompanhamento

das deformações sofridas pelas estruturas durante o processo de escavação e após a sua

conclusão por um determinado período de tempo.

Figura 4.7 - Medição dos extensômetros locados na armação da cortina.

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Também foram obtidos, a partir de amostras retiradas com um trado, os perfis de

umidade em diferentes épocas do ano. Foram monitoradas as variações de umidade, no

interior do maciço, através destes perfis traçados com amostras obtidas de 0,5 em 0,5 metro

até a extremidade da ficha. A determinação dos perfis de umidade natural do talude foi

necessária para se verificar a variação da umidade ao longo de uma linha iniciada na face

externa vertical do talude de escavação.

O estudo analisa a influência da saturação no dimensionamento de uma estrutura de

contenção no solo poroso de Brasília. Para isto foi realizado um programa experimental com o

solo da obra de contenção em cortina de estacas e em seguida o dimensionamento da cortina.

O dimensionamento foi realizado de duas formas: uma das soluções leva em consideração a

condição saturada do solo e a outra a condição natural, com a contribuição da sucção matricial

do solo do maciço em questão, sendo feita uma comparação entre os resultados. A sucção

matricial reflete a condição natural obtida nas amostras de solo coletadas.

4.5. ENSAIOS DE LABORATÓRIO

Como foi apresentado no primeiro capítulo, o objetivo principal desta pesquisa é

conseguir compreender como os parâmetros de resistência do solo não saturado influenciam

no dimensionamento das estruturas de contenção. Tendo em vista esta consideração, esta

pesquisa se apoiou na realização de uma série de ensaios de laboratório para a obtenção destes

parâmetros do solo encontrados e, com isso, aplicou-se nos programas numéricos a fim de

correlacionar com as metodologias de cálculo aplicadas.

Foram realizados ensaios de caracterização para a determinação das propriedades do

solo, como granulometria e densidade real dos grãos. Com a finalidade de determinar as

propriedades mecânicas de resistência do solo estudado foram realizados ensaios de

cisalhamento direto em condições drenadas no solo nas condições natural e saturada. O

principal motivo para a escolha do ensaio de cisalhamento direto foi a facilidade na sua

execução, bem como o baixo custo.

Neste capítulo, apresenta-se o programa de ensaios efetuados e a descrição de cada

um deles, incluindo de cisalhamento direto e duplo-oedométrico, com o objetivo de buscar

definir a modelagem constitutiva do solo ensaiado. Foram coletadas amostras indeformadas a

uma profundidade de aproximadamente 4,0 metros abaixo da superfície do terreno, na obra

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localizada ao lado da Feira dos Importados (SIA). As amostras após terem sido devidamente

condicionadas, foram transportadas ao laboratório de solos, da pós-graduação em Geotecnia

da UnB, onde foram armazenadas em câmara úmida.

Os ensaios geotécnicos foram divididos em ensaios: de caracterização, de

adensamento com ou sem colapso, de resistência ao cisalhamento e de determinação da curva

característica dos solos.

O estudo da compressibilidade e colapsibilidade foi efetuado por meio de ensaios

duplo-oedométricos. A curva característica e a determinação do valor da sucção matricial

foram determinadas pelo ensaio da panela de Richards (panela de pressão). Foram executados

ensaios de cisalhamento direto (tipo CD) no solo natural e saturado de amostras

indeformadas, visando à obtenção da envoltória de resistência ao cisalhamento destes

materiais.

4.5.1. Coleta de Amostras e Ensaios de Caracterização

Descreve-se neste item os procedimentos de coleta das amostras e a execução dos

ensaios de laboratório efetuados na caracterização física do solo estudado.

Coleta de amostra indeformada

Foi necessária a retirada da amostra indeformada nas obras acompanhadas para a

definição das propriedades mecânicas do solo na condição natural e saturada. Como a camada

de solo a ser estudada tinha uma espessura de 14 metros, definida pelo laudo de sondagem

fornecido pela Embre (Empresa Brasileira de Engenharia e Fundações) conforme apresentado

no anexo B, e a cota da escavação estava acima da profundidade que essa camada alcançava,

foram retirados dois blocos do material indeformado para representar todo o maciço

considerado.

A retirada da amostra indeformada foi efetuada em uma pequena trincheira, onde se

moldou um bloco de formato cúbico com lados de 50 centímetros (como mostrado na Figura

Figura 4.8) a 4,0 metros de profundidade. O bloco foi, então, parafinado e recoberto com

tecido, além de devidamente protegido com filme plástico. Identificou-se o seu topo e o bloco

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foi transportado para a câmara úmida do Laboratório de Geotecnia da Universidade de

Brasília.

Figura 4.8 - Coleta de amostra indeformada

Coleta de amostra para definição do perfil de umidade

Para se ter uma confirmação da umidade do solo a ser estudado (dado importante

para o desfecho do projeto), se fez necessário conhecer a sua variação de umidade ao longo de

um perfil horizontal, ou seja, na profundidade a partir da parede vertical da escavação. Para se

determinar esse perfil de umidade colheu-se amostras de um dos taludes verticais, fazendo

uma perfuração a trado e coletando-se material a cada 0,5 metro ao longo do furo na direção

horizontal.

O trado utilizado foi do tipo cavadeira com 10 centímetros de diâmetro, operado

manualmente ao qual eram acopladas hastes a cada metro perfurado. As amostras coletadas a

cada 0,5 metro foram devidamente acondicionadas em sacos plásticos como uma tentativa de

minimizar a perda de umidade da amostra.

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4.5.2. Ensaio de Caracterização

Os ensaios de caracterização consistem na determinação dos limites de consistência

(limite de liquidez pelo método de Casagrande e limite de plasticidade), do peso específico

dos grãos (?g), densidade real dos grãos e da granulometria do solo.

Na caracterização destas amostras, os procedimentos de ensaio seguiram as normas

da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT:

-NBR 6457/86 – Amostra de solo – Preparação para ensaios de compactação e

ensaios de caracterização;

-NBR 6459/84 – Solo – Determinação do limite de liquidez;

-NBR 6508/84 – Determinação da massa específica dos grãos de solos que passam

na peneira de 4,8 mm;

-NBR 7180/84 – Solo - Determinação do limite de plasticidade;

-NBR 7181/84 – Solo – Análise granulométrica.

Quanto à determinação dos limites de consistência do solo, estes se baseiam na

constatação de que um solo argiloso ocorre com aspectos bem distintos, conforme o seu teor

de umidade. Quando muito úmido, ele se comporta como um líquido; quando perde parte de

sua água, fica plástico; e quando mais seco, torna-se quebradiço.

Os limites entre os estados líquido, plástico, semi-sólido e sólido dos solos de

granulação fina são denominados, conforme já mencionado, respectivamente, limites de

liquidez, de plasticidade e de contração.

O limite de liquidez (wL) é definido como o teor de umidade do solo com o qual uma

ranhura nele feita requer 25 golpes para se fechar, numa concha do aparelho de Casagrande. O

ensaio para determinação do limite de liquidez do solo é padronizado pela ABNT (NBR-

6459). Com os valores obtidos (numero de golpes para fechar o sulco feito na amostra e as

umidades correspondentes) traça-se a linha de escoamento do material, a qual pode ser

considerada uma reta. Recomenda-se a determinação de pelo menos seis pontos. A Figura

abaixo (Figura 5.4) mostra o wL obtido com o ensaio.

O limite de plasticidade (wP) é definido e determinado como o teor de umidade

mínimo com o qual o solo pode ainda ser modelado em pequenos cilindros de 3,2mm de

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73

diâmetro diâmetro e 10 cm de comprimento, rolando-se o solo com a palma da mão., sem que

estes se quebrem. O procedimento é padronizado no Brasil pelo método NBR -7180.

Por sua vez, o índice de plasticidade define a zona em que o terreno se acha no

estado plástico e, por ser máximo para as argilas e nulo para areias, fornece um critério para

avaliar o caráter argiloso de um solo. Assim, quanto maior o IP, tanto mais plástico será o

solo e maior será o seu teor de argila.

IP = wL - wP (4.1)

4.5.3. Ensaio da Curva Característica Sucção X Umidade

As medidas de sucção do solo em estudo foram obtidas utilizando-se a curva

característica, determinada através do método da panela de pressão (Figura 4.9). Conforme

descrita no Capítulo 2, nesta técnica, a amostra de solo é colocada na panela e aplicado uma

pressão de ar sob controle. Os ensaios foram realizados tendo por base a norma D 2325

(ASTM, 68).

A panela de pressão de Richards é composta interiormente de uma pedra porosa de

alto valor de entrada de ar que fica suspensa no centro da panela por uma malha metálica. O

fundo da pedra é vedado por uma membrana de borracha para impedir a passagem de ar

formando um reservatório de água no qual, durante o ensaio, é mantido à pressão atmosférica

por meio de um tubo drenante ou uma abertura através da parede da câmara .

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Figura 4.9 - Câmara de pressão de Richards

As amostras foram moldadas em forma cilíndrica medindo 5 cm de diâmetro e 2 cm

de altura. As mesmas foram saturadas e os valores de sucção aplicados obedeceram a

seqüência de 50, 100, 150, 200 e 250 KPa. Entre a aplicação de um estágio de sucção a outro,

foram decorridas no mínimo 72 horas, para que ocorresse o equilíbrio na amostra. Em cada

estágio de sucção, a umidade foi definida através de pesagem em balança com alta precisão.

Com as umidades das amostras em cada estágio de sucção, traçou-se a curva característica do

solo.

4.5.4. Ensaio de Cisalhamento Direto

A Figura 4.11 ilustra as principais características do aparelho de cisalhamento direto

utilizado no ensaio. O corpo de prova de solo estudado foi colocado entre as duas placas

dentadas, as quais ajudam a distribuir a força tangencial “T” sobre a área total da amostra.

Para atender as condições de drenagem desejadas (ensaio drenado), as placas utilizadas eram

perfuradas.

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Figura 4.10 - Esquema do equipamento para ensaio de cisalhamento direto simples

As tensões normais aplicadas nos ensaios de cisalhamento foram 50, 100 e 150 Kpa.

Na avaliação dos parâmetros de resistência do solo, utilizou-se a velocidade da prensa de 0,05

mm/min, muito abaixo da velocidade estimada no ensaio de adensamento (item seguinte)

(Figura 4.12).

Figura 4.11 - Ensaio de cisalhamento direto

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Os parâmetros de resistência ao cisalhamento de um solo com sucção matricial

obtidos foram:

? ´= ângulo de atrito interno efetivo do solo;

c=coesão efetiva;

? b=ângulo indicativo do aumento da resistência ao cisalhamento com a sucção

mátrica.

Os ensaios de cisalhamento direto foram efetuados segundo a Norma Americana

“ASTM D-3080/90 – Ensaio de cisalhamento direto do solo sob condições drenadas”, e foram

realizados com amostras indeformadas do solo.

Com os resultados obtidos pelo ensaio de resistência ao cisalhamento é possível

obter a envoltória de ruptura e, com isso, a determinação dos parâmetros de resistência como

coesão (c) e ângulo de atrito interno (? ) do material.

A resistência ao cisalhamento de um solo não-saturado pode ser formulada em

termos das variáveis de estado de tensão independentes (Fredlund et al., 1987). As variáveis

de estado de tensão, (? -ua) e (ua-uw), tem se mostrado a combinação mais vantajosa na prática.

Usando estas variáveis de tensão, a equação de resistência ao cisalhamento é escrita como

segue:

? = c´+ (? -ua) tg? ´+(ua-uw)tg? b (4.2)

A equação acima inclui o efeito da resistência ao cisalhamento aumentando com a

sucção matricial. Os parâmetros requeridos, isto é, c´, ? ´ e ? b, podem ser determinados em

testes laboratoriais (Fredlund et al., 1995).

A Equação 5.4 define um plano de ruptura. Este plano pode ser modificado para

acomodar a não-linearidade associada com os parâmetros envolvidos, c´, ? ´ e ? b. Resultados

experimentais têm demonstrado os parâmetros de cisalhamento c´e ? ´ são relativamente

constantes para estruturas de solo estáveis. Por vez, ? b muda como função da sucção matricial

e ? ´ é o máximo valor para ? b (Escário et al., 1973; Fredlund et al., 1987).

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Estudos prévios (El-Sohby et al., 1987, Pereira, 1996) alertaram para uma alta

influência da microestrutura na resistência ao cisalhamento. A quantidade de fração de argila

e o arranjo de suas ligações nos contatos entre partículas podem render uma variedade de

comportamentos para uma estrutura metaestável.

Isto leva a mostrar que um solo argiloso colapsível, quando carregado pode manter

sua estrutura original sem mudança significativa de volume. Este fato é atribuído a ação de

fortes ligações entre as partículas com relativo movimento prévio (Jennings e Knight, 1957,

Alonso et al., 1985). À umidade natural, pequenas mudanças de volume no solo, devido a

carregamentos externos, podem ser atribuídos à compressão de solo fino (isto é, ligações de

argilas entre materiais granulares). Em geral, um solo argiloso mostra uma alta resistência ao

cisalhamento que é reduzida com a sua saturação. Há um aumento gradual na

compressibilidade do solo colapsível durante o processo (Alonso et al., 1985, Fredlund e

Rahardjo, 1993). Após o colapso, o solo passa a possuir uma estrutura diferente da estrutura

original com ligações argilosas, controlando o comportamento do solo na condição de pré-

colapso.

A definição dos parâmetros de resistência do solo c´, ? ´ e ? b torna-se mais

complexas para um solo colapsível. Dependendo, sobretudo da tensão total aplicada ao solo,

uma estrutura metaestável pode mudar para uma estrutura estável quando o colapso ocorre.

Um típico solo colapsível usualmente tem uma fração de argila entre 10% e 20%, enquanto

que o restante é composto de material de maior granulometria; principalmente de silte e areia

fina.

Dependendo da sucção matricial e a tensão vertical aplicada, o processo de

cisalhamento pode induzir uma transferência gradual e progressiva de forças cisalhantes das

ligações argilosas e/ou agregações de argila a partículas de maior granulometria ao plano de

ruptura. Para altos valores de sucção matricial as agregações argilosas podem proporcionar,

após cisalhadas, o comportamento similar às areias. Para baixos valores de sucção mátrica, as

ligações argilosas e/ou agregações podem colapsar, dependendo da tensão normal. A

resistência ao cisalhamento de ligações argilosas e/ou agregações significa um aumento na

resistência de atrito no plano de ruptura.

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4.5.5. Ensaio Duplo-Oedométrico

Nos solos colapsíveis, geralmente porosos e com baixos teores de umidade, a

infiltração de água em quantidade suficiente pode causar uma espécie de colapso da sua

estrutura, determinando um recalque suplementar, brusco e de grandes proporções. O

fenômeno do colapso pode ser reproduzido em ensaios oedométricos ou em provas de carga,

com inundação artificial do solo em determinado estágio de carregamento. No ensaio de

adensamento, analisa-se o comportamento apenas do “material” solo, enquanto na prova de

carga observa-se o comportamento do “sistema”, que inclui a geometria e o processo

executivo do elemento estrutural de fundação instalado no maciço de solo. A Figura 1 ilustra,

no ensaio oedométrico, a significativa redução do índice de vazios que ocorre na tensão de

inundação, evidenciando o colapso.

Nos estudos iniciais sobre solos colapsíveis já se afirmava que, à estrutura porosa,

caracterizada por um alto índice de vazios, pode estar associada a presença de um agente

cimentante. Posteriormente, descobriu-se o importante papel da pressão de sucção, a pressão

neutra negativa que se desenvolve nos solos não-saturados. A baixos valores do teor de

umidade correspondem altos valores da sucção matricial, que é uma parcela da sucção total,

gerando uma coesão adicional (coesão “aparente”) e, portanto, aumentando significativamente

a resistência ao cisalhamento do solo. Então, a inundação do solo colapsível provoca o

enfraquecimento (ou destruição) da cimentação e a dissipação da sucção matricial, anulando a

coesão “aparente” e, portanto, reduzindo significativamente a resistência ao cisalhamento, o

que provoca o colapso da sua estrutura.

O ensaio duplo-oedométrico foi realizado para que se avaliasse a colapsibilidade do

solo. Quando o solo colapsa, há redução do volume e acréscimo da tensão horizontal. Este

acréscimo não é levado em conta no cálculo de estruturas de contenção, mas nem por isso

deixa de ser importante (Figura 4.12).

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Figura 4.12 - Curva de compressibilidade, obtida a partir do ensaio de adensamento

Com os dados do ensaio de adensamento é possível determinar o coeficiente de

compressibilidade av e o coeficiente de variação volumétrica mv. A determinação do av é a

partir da curva de compressibilidade, tirando-se a variação do índice de vazios ? e para cada

incremento ? ? ´ (variação de tensão aplicada).

av = ? e/? ? ´ (4.3)

A partir do av obtido para cada carregamento pode-se achar o mv, com a expressão:

mv.= av / (1 + ei) (4.4)

onde, para um dado estágio de carregamento:

av - coeficiente de compressibilidade;

mv - coeficiente de variação volumétrica;

? e - variação do índice de vazios;

? ? ´ - variação de tensão.

Com o coeficiente mv é possível obter o módulo de Young (E) para as condições

natural e saturada da amostra de solo, a partir da expressão, levando em consideração o

coeficiente de empuxo passivo (K0):

? ``? `

e`

? `(log)

e``Ín

dice

de

Vazi

os

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80

)1()21)(1(

???

???

?vm

E (4.5)

Da curva de compressibilidade, tira-se a inclinação do trecho virgem, e obtém-se o

índice de compressibilidade (Cc):

```

log

```

??ee

Cc?

? (4.6)

De forma análoga ao índice de compressibilidade, o índice de expansão (Ce) é a

inclinação do trecho de recompressão, obtido, preferencialmente, através de dois pontos

situados na diagonal da histerese formada por um ciclo de carregamento e descarregamento

em um ensaio de adensamento.

Da curva de compressibilidade com ciclo de carregamento e descarregamento,

obtém-se o índice de expansão (Ce):

```

log

```

??ee

Ce?

? (4.7)

3,2cC

?? (4.8)

3,2eC

k ? (4.9)

Os resultados dos ensaios duplo-oedométricos, apresentados posteriormente, podem

comprovar a colapsibilidade do solo estudado e permitir a avaliação das pressões de pré-

adensamento. O ensaio serve também para determinar a velocidade a ser imposta aos ensaios

drenados de resistência ao cisalhamento. A velocidade deve ser suficientemente baixa para

que as tensões aplicadas sejam transferidas totalmente ao solo e não haja uma parcela

absorvida pela água. A velocidade do ensaio de cisalhamento foi determinada de modo que a

amostra ensaiada deformasse 10% de sua altura em uma hora.

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81

CAPÍTULO 5 - APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS E ANÁLISES

5.1. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS

Como foi apresentado no primeiro capítulo, o objetivo principal desta pesquisa é

contribuir para a otimização da relação custo-benefício, utilizando a mecânica dos solos não

saturados em obras geotécnicas, principalmente no dimensionamento de estruturas de

contenção mais esbeltas. Para isso, é necessário fazer uma análise minuciosa do solo,

considerando aspectos, relacionados, principalmente, com a resistência dos solos não

saturados.

Neste capítulo serão discutidos os resultados encontrados nos diversos ensaios

realizados para a análise da obra (VIA IMPORT CENTER). Além disso, serão apresentadas

as tabelas de medições em campo para a determinação do K0, a partir do ensaio do

pressiômetro, dos deslocamentos medidos periodicamente na cabeça da estaca, além das

deformações das próprias estacas medidas com a ajuda de extensômetros elétricos.

Também, é abordado o método de equilíbrio limite usualmente empregado nos

dimensionamentos destas estruturas (cortinas de estacas), comparando aos resultados obtidos

por meio de análises elástico linear de elementos finitos, para situações muito próximas da de

equilíbrio limite. A partir de todos esses dados obtidos, em laboratório e em campo, análises

foram realizadas, com a ajuda do programa numérico de elementos finitos PLAXIS, com o

objetivo de fazer comparações com o diagrama de tensões e deslocamentos obtidos a partir do

Método da Extremidade Livre. Além disso, fazer uma retroanálise a partir dos valores obtidos

pelas análises acima descritas e os resultados do comportamento da cortina, medidos em

campo. Os resultados serão comparados até a máxima profundidade atingida pela escavação

pelos correspondentes diagramas da cortina obtidos.

5.2. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DO SOLO

Com a finalidade de classificar de forma adequada os materiais utilizados nos

ensaios de cisalhamento, foram realizados ensaios de caracterização nas amostras, como

granulometria, índice de plasticidade e densidade real dos grãos.

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82

Em estudo anterior, Cunha et al.(1999) apresentou uma tabela (Tabela 5.1),

ilustrando os parâmetros do solo do campo experimental da Universidade de Brasília (UnB),

obtidos através de ensaios laboratoriais. Estes resultados apresentados neste trabalho

representam a caracterização do solo de Brasília (argila porosa).

Tabela 5.1 - Parâmetros geotécnico da argila porosa de Brasília (Cunha et al., 1999)

5.2.1. DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DOS GRÃOS (? g)

Na literatura é possível observar que as argilas apresentam valores de massa

específica dos grãos que podem alcançar até 2,9 t/m3. A maior parte dos minerais que

constituem a matéria sólida das partículas de solos tem massa específica maior do que 2,6

t/m³. Em geral, valores menores do que estes mostram a possibilidade de haver matéria

orgânica no solo.

A realização deste ensaio foi baseada na norma brasileira NBR 6508 (ABNT, 1984).

O resultado do ensaio de determinação da densidade real dos grãos é apresentado na

Tabela 5.2.

Parâmetros Variação dos Valores

Areia 12-27 % Silte 8-36 %

Argila 80-37 % Peso específico seco 10-17 kN/m³

Peso específico natural 17-19 kN/m³ Teor de umidade 20-34 %

Grau de saturação 50-86 % Volume de vazios 1,0-2,0 Limite de liquidez 25-78 %

Limite de plasticidade 20-34 % Índice de plasticidade 5-44 %

Coesão 10-34 kPa Ângulo de atrito efetivo 26-34 graus

Módulo de Young 1-8 MPa Coeficiente de colapso 0-12 %

Coeficiente de adensamento 10-8-10-5 m²/s

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83

Tabela 5.2 - Massa específica dos grãos

5.2.2. DETERMINAÇÃO DAS CURVAS GRANULOMÉTRICAS DO MATERIAL

A determinação da curva granulométrica de um material é importante para a

realização de muitos trabalhos de engenharia. Isto porque o tamanho e a distribuição das

partículas condicionam algumas propriedades geotécnicas, como, por exemplo,

permeabilidade, propriedades de compactação, arranjo das partículas, entre outras.

Para a realização dos ensaios de análise granulométrica, foi utilizada a metodologia

apresentada na norma brasileira NBR 6457 (ABNT, 1986). Em adição às peneiras indicadas

na norma, foram utilizadas outras peneiras intermediárias, para a obtenção de uma curva

granulométrica mais ajustada, devido à uniformidade do material. Para a determinação da

distribuição dos finos, foi executado o ensaio de granulometria das partículas finas pelo

método de sedimentação, por duas maneiras: com e sem a utilização de defloculante,

fornecendo o complemento da curva granulométrica, obtida com o peneiramento.

A Norma brasileira NBR 6502 (ABNT, 1993c) estabelece os seguintes diâmetros

para a classificação granulométrica:

?? Argila: Partículas com diâmetros menores que 0,002 mm;

?? Silte: Partículas com diâmetros entre 0,002 mm e 0,06 mm;

?? Areia Fina: Partículas com diâmetros entre 0,06 mm e 0,2 mm;

?? Areia Média: Partículas com diâmetros entre 0,2 mm e 0,6 mm;

?? Areia Grossa: Partículas com diâmetros entre 0,6 mm e 2,0 mm;

?? Pedregulho: Partículas com diâmetros entre 2,0 mm e 6,0 mm.

Tendo como ponto de referência a classificação da norma brasileira NBR 6502

(ABNT, 1993c), pode-se observar os resultados da análise granulométrica (Figura 5.1), que a

distribuição das partículas se encontra contida entre argila e silte.

Com a finalidade de avaliar de forma mais precisa as condições granulométricas das

amostras, e com o objetivo de determinar como o material com diâmetro inferior a 0,075 mm

se distribui, foi realizada a estimativa da distribuição granulométrica com e sem defloculantes.

NOME DA OBRA ? g

VIA IMPORT CENTER 2,69 t/m3

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84

Figura 5.1 - Curva granulométrica (obra VIA IMPORT CENTER)

Pela curva granulométrica, nota-se que o teor de solo que passa na peneira nº 200

(0,074 mm) é superior a 80%, e que passa pela peneira n° 40 (0,42mm) é de

aproximadamente 95%. Pode-se observar, a partir da curva granulométrica com defloculante,

que o solo da obra estudada representa uma argila siltosa.

5.2.3. PERFIL DE UMIDADE DO SOLO

A determinação do perfil de umidade torna-se necessário para se verificar a variação

da umidade em relação à profundidade. Com o valor da umidade média obtida no perfil do

solo em campo e da curva característica deste, pode-se encontrar o valor da sucção matricial.

É importante notar que a determinação da umidade no solo foi realizada no mês de

junho (período de estiagem no Distrito Federal). O perfil de umidade do solo foi obtido a

partir da determinação das umidades das amostras de solo retiradas a cada 0,5 metro escavado

com a ajuda de trado manual (Figura 5.2).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Diâmetro das partículas (mm)

% p

assa

Com Defloculante Sem Defloculante

ARGILA SILTEAREIA

PEDREGULHOFina Média Grossa

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85

Perfil de Umidade (obra VIA IMPOR CENTER)

0123456789

10

0 10 20 30 40 50

Umidade (%)

Pro

fund

idad

e (m

)

Figura 5.2 - Perfil de umidade do solo

A umidade média do solo foi de 34,4% com variações ao longo da profundidade.

5.2.4. POROSIDADE (n) E ÍNDICE DE VAZIOS (e)

Conforme já exposto no Capítulo 2, o índice de vazios e a porosidade do solo são

obtidos pelas expressões abaixo:

nn

VV

et

v

???

100 (5.2)

1001

xe

en

?? (5.3)

Na obra VIA IMPORT CENTER a média obtida de porosidade foi de 68%. E o

índice de vazios de 2,16.

5.2.5. GRAU DE SATURAÇÃO (Sr)

O grau de saturação representa a porcentagem de água contida nos vazios de um

solo.

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86

100xVV

Sv

wr ? 0 < Sr<100% (5.4)

Tabela 5.3 - Índice de vazios, porosidade e grau de saturação da amostra de solo

5.2.6. LIMITES DE CONSISTÊNCIA

Conforme já descrito em capítulo anterior, os limites de consistência correspondem

aos limites entre os estados líquido, plástico, semi-sólido e sólido dos solos de granulação

fina. São denominados limites de liquidez, plasticidade e de contração.

. A Figura Figura 5.3 mostra o limite de liquidez (wL) obtido com o ensaio realizado

numa concha do aparelho de Casagrande, de acordo com as regras determinadas pela ABNT

(NBR-6459).

46,00

47,00

48,00

49,00

50,00

51,00

52,00

1 10 100nº de golpes

W (%

)

Figura 5.3 - Ensaio de Consistência (Limite de Liquidez)

O ensaio para a obtenção do limite de plasticidade (wP) seguiu ao procedimento da

NBR -7180.

Ainda, conforme já descrito, o índice de plasticidade define a zona em que o terreno

se acha no estado plástico, definido pela seguinte expressão:

Nome da Obra Índice de Vazios (e) n Sr VIA IMPORT CENTER 2,16 68% 71 %

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87

IP = wL - wP (5.5)

Nos ensaios realizados para as amostras obtidas determinaram-se os limites de

consistência (Tabela 5.4).

Tabela 5.4 - Índice de Plasticidade

Analisando os resultados, nota-se que o solo estudado apresenta um elevado índice

de plasticidade, demonstrando a propriedade altamente plástica do mesmo. E, por esta

propriedade, pode-se deduzir que se trata de um solo argiloso.

5.2.7. DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DO MATERIAL

A resistência ao cisalhamento foi obtida a partir de ensaios de cisalhamento direto

em amostras indeformadas à umidade natural e saturada. Foi imposta uma velocidade tal que

houvesse 10% de deslocamento a cada hora. Após a moldagem e instalação do corpo na

prensa, foi aplicada a tensão normal (? n) e permitido o adensamento prévio do corpo. Depois

disso, o corpo foi rompido. Para ambos os ensaios, na amostra natural e amostra saturada,

previu-se a utilização de pressões normais de 50, 150 e 200 KPa (Figuras 5.4, 5.5, 5.6, 5.7).

Os ensaios foram realizados no laboratório de Geotecnia da Universidade de Brasília

com caixas de cisalhamento de 3600 mm2 de seção, e uma altura do corpo de prova de

aproximadamente 29 mm. A prensa tem acoplado um sistema de aquisição de dados do

mesmo fabricante, com dois transdutores, para a medição dos deslocamentos horizontais e

verticais, e uma célula de carga Excel de 20 kN de capacidade, para a medição da força

horizontal. A carga normal é aplicada com um sistema de alavancas que apresenta uma

relação de amplificação de carga de cinco, e que a transmite para um anel com uma

capacidade de 10 kN.

Como o dimensionamento foi realizado de duas formas (uma das soluções leva em

consideração a condição saturada do solo e a outra a condição natural), para que seja feita

Nome da Obra Limite de Liquidez (wL)

Limite de Plasticidade (wP)

Índice de Plasticidade (IP)

VIA IMPORT CENTER 48 % 23 % 25 %

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88

uma comparação entre os resultados, na primeira fase dos ensaios avaliou-se a resistência ao

cisalhamento do solo natural e na segunda fase, do solo saturado por inundação.

Os resultados de ensaios de cisalhamento são apresentados na forma de gráficos que

relacionam os deslocamentos horizontais com as tensões de cisalhamento, assim como os

deslocamentos horizontais com os deslocamentos verticais. Os parâmetros de resistência são

determinados em envoltórias de ruptura, obtidas a partir das tensões cisalhantes de ruptura e

das tensões normais aplicadas. Os resultados obtidos a partir do ensaio realizado com a

amostra retirada da obra VIA IMPORT, localizada no SIA (Setor de Indústria e

Abastecimento – Brasília-DF. Fato este provocado pela perda de resistência do solo,

provavelmente devido a saturação e, conseqüentemente, a perda da sucção matricial (Figuras

5.4 a 5.7).

Cisalhamento Direto Natural

0102030405060708090

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Deslocamento Horizontal (mm)

cisa

lha

nte

(kP

a)

50 kPa100 kPa150 kPa

Figura 5.4 - Curvas tensão vs deformação (amostra natural)

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89

Figura 5.5 - Envoltória - tensão cisalhante versus tensão normal (amostra natural)

A velocidade para o ensaio de cisalhamento direto foi determinada de forma a não

gerar pressões neutras e tendo como deformação média da amostra em torno de 10%. Sendo

imposta uma velocidade de 0,1 mm/minuto, na realidade uma velocidade conservadora, pois é

inferior a necessária para o ensaio tipo CD (consolidado e drenado).

Nesses resultados obtidos para a amostra de solo natural, observa-se que, quando

carregada, a estrutura original do solo é mantida sem significativas mudanças de volume.

Cisalhamento Direto Saturado

0102030405060708090

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Deslocamento Horizontal (mm)

cisa

lha

nte

(kP

a)

50 kPa100 kPa150 kPa

Figura 5.6 - Curvas - tensão versus deformação (amostra saturada)

Envoltória de Rupturay = 0,5x + 13,167

R2 = 1

0

20

40

60

80

0 50 100 150 200

Tensão Normal (kPa)

Ten

são

Cis

alh

ante

(kP

a)

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90

Figura 5.7 - Envoltória - tensão cisalhante versus tensão normal (amostra saturada)

Na situação saturada, nota-se a redução da resistência no processo de saturação. Esta

redução pode também ser relacionada às mudanças na sucção matricial. Na Tabela 5.5 são

apresentados os valores obtidos das amostras de solo no ensaio de cisalhamento direto.

Tabela 5.5 - Valores de c´e ? ´

Obra Natural Saturado

VIA IMPORT CENTER (SIA)

c` = 13,0 ? ` = 26,0

c´ = 2,0 ? ` =26,0

Os resultados dos parâmetros obtidos forneceram um valor de ? ` praticamente

constante e coesão variável com a variação da saturação, confirmando a influência da sucção

neste tipo de solo.

5.2.8. DETERMINAÇÃO DA CURVA CARACTERÍSTICA DO SOLO

A curva característica define a relação entre a capacidade de retenção de água nos

vazios e a sucção matricial. A curva foi determinada com a utilização da câmara de Richards.

Para a determinação da curva, foram moldados cinco corpos de prova, os quais foram

submetidos a diversos estágios sucessivos de sucção, na trajetória de secagem. Com o auxílio

Envoltória de Ruptura y = 0,5x + 2

R2 = 0,9905

0

20

40

60

80

0 50 100 150 200

Tensão Normal (kPa)

Ten

são

Cis

alh

ante

(kP

a)

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91

de uma balança com alta precisão, foi determinada a massa inicial dos moldes e ao término de

cada estágio, a quantidade de água expulsa do corpo de prova. Pelos resultados observa-se

que há pouca variação volumétrica de água durante o ensaio. A Figura 5.8 mostra a curva

característica do solo estudado, relacionando a sucção mátrica com a umidade.

Curva Característica

10

1520

2530

3540

4550

0 50 100 150 200

Sucção matricial (KPa)

Um

idad

e (%

) Molde1

Molde2

Molde3

Molde4

Molde5

Figura 5.8 - Curva característica (obra VIA IMPORT CENTER)

É possível observar também que o grau de saturação cai bruscamente com um

pequeno aumento da sucção, mas depois de um certo valor, mantém-se quase constante. A

causa disso é a porosidade do material, isto é, uma estrutura constituída por macroporos

formados por grãos maiores (silte) conectados por torrões de argila.

5.2.9. ENSAIO DUPLO-OEDOMÉTRICO

Este ensaio permite determinar a compressibilidade do solo nas condições saturada e

não saturada. Pela diferença entre as curvas de compressibilidade, na condição saturada e na

umidade natural, define-se a colapsibilidade do solo.

As amostras utilizadas foram retiradas do bloco indeformado e moldadas em um

anel de aço cujas paredes eram previamente lubrificadas com vaselina, para evitar ou

minimizar o atrito entre as paredes do anel e o corpo de prova. No ensaio, as cargas foram

aplicadas segundo estágios descritos pela norma e as leituras das deformações para cada

estágio de carregamento foram feitas nos intervalos de tempo também normatizados. Cada

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92

carregamento aplicado (a carga atingida no ensaio foi até 400 kPa) a amostra de solo começa

a adensar expulsando a água dos poros através das pedras porosas. Verifica-se, então, pelo

extensômetro que a espessura da amostra vai diminuindo com o tempo. Terminada a

observação do adensamento em um estágio, aplica-se um outro acréscimo de carga

(geralmente o dobro da pressão anterior) e assim por diante. Pode-se obter, então, pares de

valores (? ´e e (índice de vazios)) correspondentes à máxima deformação para cada estágio de

carga. Plota-se estes em um gráfico semi-logarítmo e obtém-se a curva de compressibilidade

para a condição natural e a condição saturada (Figura 5.9).

Os resultados dos ensaios duplo-oedométricos, apresentados nas Figuras 5.9 e 5.10 a

seguir, comprovaram a colapsibilidade do solo estudado e permitiram a avaliação das tensões

de pré-adensamento, com a redução do volume e acréscimo da tensão horizontal. Este

acréscimo não é levado em conta no cálculo de estruturas de contenção, mas nem por isso

deixa de ser importante.

Amostra VIA IMPORT CENTER

0,600,700,800,901,001,101,201,301,401,501,601,701,801,902,00

1 10 100 1000

Tensao vertical aplicada (kPa)

Indi

ce d

e va

zios

(e)

Solo natural inundado a 4 kPa

Solo natural

Figura 5.9 - Curva de compressibilidade

Considerou-se que ocorreu estabilização de carregamento em cada estágio quando a

diferença entre a última e a penúltima leitura foi inferior a cinco por cento da diferença entre a

última e a primeira leitura.A Figura 5.10 permite uma estimativa da colapsibilidade do solo

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93

através da relação entre a variação volumétrica e a tensão aplicada para a condição natural e

saturada do solo.

Amostra VIA IMPORT CENTER

-40

-35-30

-25-20

-15-10-50

0 100 200 300 400 500Tensao vertical aplicada (kPa)

Def

orm

acao

vol

umet

rica

(%) Solo natural inundado a 4 kPa

Solo natural

Figura 5.10 - Curva tensão versus variação volumétrica (?v)

Como já explicado no capítulo anterior, com os dados do ensaio de adensamento é

possível determinar o coeficiente de compressibilidade av e o coeficiente de variação

volumétrica mv. Com esse coeficiente, obtém-se o módulo de Young (E) para as condições

natural e saturada da amostra de solo, que é determinado a partir da equação proposta por

Poulos & Davies (1986):

? ? ? ?

? ? vmE

?????

??

??1

121 (5.6)

Sendo:

E = Módulo de Young (kPa);

? = coeficiente de Poisson estimado em 0,2;

mv = coeficiente de variação volumétrica (kPa-1).

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94

Conforme apresentados no Capítulo 4, os índices de compressibilidade do solo

estudado, obtidos a partir do ensaio de adensamento, representam o seu grau de

colapsibilidade. Pelo modelo Cam-Clay estes parâmetros são necessários na análise do

comportamento da estrutura de contenção estudada. A Tabela 5.6 apresenta os valores de av,

mv, módulo de Young (E), cc, ? , ? para as condições natural e saturada do solo.

Tabela 5.6 - Parâmetros de compressibilidade

Amostra de Solo av (KPa-1) mv (KPa-1) E (Kpa) cc ? ?Natural 0,000111 0,000415 1790,02 0,553 0,24 0,024

Sasturada 0,0024 0,0008 844,16 0,427 0,19 0,019

Como pode notar na tabela acima, todos os parâmetros variam de acordo com o

estado de saturação em que o solo encontra-se.

5.2.10. ENSAIO PRESSIOMÉTRICO

Os ensaios pressiométricos são particularmente atraentes, quando comparados a

outras técnicas in situ, por fornecerem uma medida contínua do comportamento tensão-

deformação do solo durante a expansão/contração de uma cavidade cilíndrica. Esse ensaio

permite uma interpretação racional dos resultados através da teoria da expansão de cavidade

(Gibson & Anderson, 1961; Ladanyi, 1972; Hughes at al., 1977, citados por Schaid, 2000).

Ao início do ensaio, o solo ao redor da sonda comporta-se segundo os preceitos

definidos pela Teoria da Elasticidade. Considere-se, portanto a expansão da cavidade em um

solo isotrópico linear elástico, idealmente descrito pela lei de Hooke, representada pela matriz

que define a relação entre tensões e deformações nos planos principais de tensões.

A interpretação de parâmetros geotécnicos a partir de resultados de ensaios

pressiométricos (Figura 5.11 e Tabela 5.7) depende do pressiômetro utilizado, método de

instalação, tipo de solo e método de análise. Várias curvas foram obtidas, porém a maioria

delas apresentaram desvios das trajetórias esperadas, provavelmente ocasionadas durante o

ensaio devido a maior ou menor abertura do furo de sondagem. Contudo uma das curvas

(profundidade 4 metros) seguiu uma trajetória que efetivamente traduziu o comportamento da

amostra de solo, a qual foi utilizada para a obtenção dos parâmetros.

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95

Tabela 5.7 - Valores obtidos a partir do ensaio pressiométrico

Tempo(s) P (KPa) V (cm³)0 0

60 25 15060 50 277,560 75 31560 100 332,560 125 352,560 150 382,560 175 41060 200 44560 225 50060 250 57560 300 702,5

PROFUNDIDADE 4 M

Ensaio pressiométrico (Prof. 4 m)

0100200300400500600700800

0 100 200 300 400

Pressão (KPa)

Vol

ume

(cm

³)

Figura 5.11 - Gráficos Pressão x Volume (Profundidade de 4 m)

A fundamentação dos métodos de interpretação faz referência às limitações de uso

das teorias de expansão da cavidade em decorrência das limitações impostas pela geometria

da sonda e técnica de ensaios. Na realização do ensaio pressiométrico, é determinado o

módulo de deformabilidade do solo (módulo cisalhante G ou módulo de Young E). No

entanto, alguns outros resultados obtidos para as demais profundidades apresentaram algumas

perturbações possivelmente causadas devido ao diâmetro inadequado do furo ou ao manejo do

equipamento, sendo desconsiderados.

Outros parâmetros podem ser determinados a partir do ensaio pressiométrico. Para

isso, foi utilizado um programa de interpretação de ensaios pressiométricos, a partir do

modelo elasto-plástico realizado pela técnica de ajuste de curvas através do Método

Modificado de Cunha (1994), baseado no programa modificado de J. Hughes (1994). Este

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96

método consiste no ajuste dos resultados de variação de pressão (P) incrementada através do

equipamento do pressiômetro inserido no furo de sondagem previamente escavado e da

variação radial, dita, deformação circunferencial na face da cavidade (?c = (r-r0)/r) obtidos no

ensaio in situ. Devido a característica colapsível do solo, adota-se a dilatância (? ) como sendo

nula. A Figura 5.12 apresenta o ajuste realizado para o ensaio, considerando alguns

parâmetros, como coesão efetiva (c`) e ângulo de atrito interno (? ), expressos na mesma

figura.

0,00

50,00100,00150,00200,00

250,00300,00350,00

400,00450,00500,00

0 5 10 15 20 25 30 35

? r/r0 (%)

P (

kN/m

2)

Figura 5.12 - Ajuste de curva pressiométrica (Cunha, 2002)

A partir dos valores dos Módulos de Young (E) da Tabela 5.6 relacionados aos

valores de umidade do solo submetido ao ensaio duplo-oedométrico, extrapolou-se em uma

relação linear o valor de E do solo no ensaio pressiométrico para a umidade de 42,05%

(Figura 5.13).

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60 80w (%)

E (

KP

a)

Figura 5.13 - Relação Módulo de Young (E) versus Umidade (w%).

Parâmetros de Ajuste

?´= 27° ?b = 4° c = 10 kPa ? h0 = 25 kPa G = 1000 kPa ua-uw = 17 kPa ? = 0,3

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97

A Figura 5.13 relaciona a variação do Módulo de Elasticidade (E) com a umidade do

solo. Os valores são levados em conta nas análises numéricas realizadas para as duas

condições do solo: natural e saturada.

Na umidade de 42,05% do solo na condição natural, o Módulo de Elasticidade (E)

obtido foi de 2033,82 kPa. Este valor foi utilizado na realização das análises numéricas.

5.3. DESCRIÇÃO DA OBRA

Todo o trabalho baseou-se, como já descrito acima, no acompanhamento de

uma cortina, de estacas justapostas, construída no prédio VIA IMPORT, localizado no SIA,

Brasília-DF. A estrutura de contenção com 4,0 m de altura e uma extensão de,

aproximadamente, 40,0 m foi construída para atender as necessidades do projeto de um

estacionamento subterrâneo.

A cortina foi dimensionada levando-se em conta a contribuição da sucção

matricial na estabilidade do maciço. Incluí-se de forma explícita a influência da sucção

matricial na formulação analítica de equilíbrio limite utilizada, fazendo-se uso da envoltória

de resistência ao cisalhamento estendida conforme proposta por Fredlund et. al. (1978).

O nível d’água não foi detectado até uma profundidade de 30,0 m abaixo do

nível do terreno no local da obra, conforme mostra o perfil de sondagem, em anexo. Deste

modo, configura-se a condição não saturada do maciço do solo.

A cortina de contenção formada por estacas justapostas foi dividida em três

trechos distintos, onde são variadas a distância entre as estacas e o fator de segurança,

procurando formar três condições de carregamentos diferentes, visando-se extrair de uma

única obra três situações distintas, conforme ilustrado na Figura 5.14a. Para cada trecho, uma

estaca foi instrumentada (com “strain gauges”), cada uma delas com cinco níveis de

instrumentação (Figura 5.14b).

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98

(a)

Figura 5.14 - Cortina de Contenção – obra VIA IMPORT

(a) planta da cortina; (b) perfil da estaca e locação dos extensômetros, Magalhães (2003)

A Figura 5.14b mostra o perfil das estacas instrumentadas e a posição dos

extensômetros elétricos (“strain-gauges”), fixados nas barras de aço e locados em pares,

diametralmente opostos, com o objetivo de monitorar a deformação sofrida pela estaca após a

escavação do solo.

Os níveis de instrumentação foram, definidos, buscando-se cercar os maiores valores

de momentos que atuariam na estaca, procurando abranger as duas zonas onde ocorrem

esforços distintos, sendo uma zona de tração e outra de compressão. As posições são definidas

na Figura 5.14b, onde: a = 4,0 m; b = 5,0 m; c = 6,0 m; d = 6,5 m; e = 7,0 m.

H = 4,0 m

D = 4,0 m

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99

5.4. ANÁLISE DA CORTINA

As análises realizadas na estrutura baseiam-se em dois métodos: no Método da

Extremidade Livre (Bowles, 1968) (Figura 5.15) e no modelo de cálculo, baseado no método

de elementos finitos, realizado com a ajuda do programas numérico PLAXIS. Os parâmetros

foram adotados pelos resultados obtidos em laboratório e in situ.

Ra

ybarra

H

a

YD

z

Pp

P' p

P'' p

Figura 5.15 - Esquema de Esforços (Método da Extremidade Livre – Bowles)

O solo foi caracterizado em termos de modelagem constitutiva, com o uso

combinado de ensaios de cisalhamento direto nas condições de solo natural e saturado e de

sua curva característica, determinada por meio da panela de pressão de Richards. Em termos

do maciço de escavação, evidencia-se o perfil geotécnico, buscando-se, principalmente,

caracterizar a sua natureza e potencialidade de eventuais aumentos de saturação, fatores

relevantes na estabilidade da cortina (Figura 5.16).

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102

(a) (b)

Figura 5.16 - Perfil de sondagem do solo da obra (VIA IMPORT CENTER)

(a) sondagem (prof. 19,0m); (b) continuação - sondagem (prof. dos 19,0m aos 30,0m)

No laudo de sondagem da obra VIA IMPORT CENTER, apresentado na figura acima,

bem como outros apresentados em anexo, nota-se que não foi detectado lençol freático até a

profundidade sondada, de aproximadamente 30,0 metros, o que evidencia a difícil ocorrência

da saturação do maciço de solo devido a percolação pelas águas subterrâneas. Além disso, a

consideração feita para as análises é o de um maciço homogêneo, o que se pode observar nas

sondagens.

Foram realizadas observações das cortinas através de um grande número de

campanhas de medição e da análise interpretativa dos resultados de observação, com o

objetivo de simular o prosseguimento da escavação até atingir a altura de escavação de campo

(4,0 metros).

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103

O objetivo das análises efetuadas nesta parte do trabalho é comparar os resultados

dos métodos convencionais (como o Método de Extremidade Livre) com os fornecidos pelo

método de elementos finitos. As análises foram efetuadas para as condições do solo na

situação natural e saturada, obtendo as tensões de terra pelo cálculo de elementos finitos e

pelo método tradicional.

Na análise numérica, a princípio, foi gerada a malha na condição inicial, com o

objetivo de gerar as tensões inicias do maciço. Posteriormente, efetuou-se a interação com a

condição real, supondo-se valores específicos para cada material, simulando o processo de

escavação e alterando o valor do módulo de Young (E) para cada condição do solo (natural e

saturada), a partir dos valores obtidos em função de mv e ? .

Além da consideração destas condições (natural e saturada), duas análises foram

feitas quando se tratava dos solos na condição natural, utilizando os parâmetros c` (coesão) e

? ` (ângulo de atrito interno) obtidos nos ensaios de cisalhamento direto e ensaio

pressiométrico (Tabela 5.8).

Tabela 5.8 - Parâmetros do solo (natural e saturado)

Amostra de Solo c` (kPa) ? ´ w (%) E (kPa) Natural 1 (Cisalhamento Direto) 11 26 47,60 1790,02

Natural 2 (Pressiômetro) 6 30 42,05 2033,82 Saturada (Cisalhamento Direto) 3 26 98,72 844,16

Apresenta-se a partir deste estudo o modelo de cálculo baseado no método de

elementos finitos para o programa numérico PLAXIS. Nos casos analisados, considerou-se

uma escavação no maciço homogêneo de solo suportado pela cortina de estacas justapostas.

Admitindo-se algumas condições para o solo a partir de parâmetros obtidos em ensaio da

amostra de solo recolhida in situ, traçou-se a malha de elementos finitos. As análises foram

efetuadas admitindo um estado plano de deformação. Admitiu-se igualmente que a construção

das estacas não altera o estado de tensão inicial e as características mecânicas do maciço. Para

este foi adotada uma análise constitutiva elástica - perfeitamente plástica. A cortina foi

considerada com comportamento elástico linear (E = 3,5 x 107 kPa e ? = 0,15).

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104

5.4.1. MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE

O método da extremidade livre é um método convencional como descrito nos

Capítulo 2 e 3. Este método é aplicado em estruturas de contenção do tipo auto-portantes,

como são as cortinas de estacas justapostas. Estas estruturas são classificadas neste grupo

dependendo de seu engastamento no solo abaixo da linha de escavação, portanto com a ficha

resistindo a pressões laterais desenvolvidas acima da linha de escavação. No modelo de estaca

justaposta algumas condições de simplificação são assumidas. Dentre elas, de que a estrutura

da estaca é rígida.

Para o dimensionamento da estrutura de contenção de cortina de estaca justaposta

levou-se em consideração inicial a condição do terreno pavimentado. E, sendo assim, os

cálculos foram efetuados para uma cortina em balanço sem trinca.

Ainda, para o dimensionamento da estrutura, alguns parâmetros do solo foram

considerados, levando-se em conta que estes parâmetros foram obtidos com base nos ensaios

de laboratório, cujos resultados foram apresentados anteriormente, conforme discriminados

abaixo:

c` (coesão) = 10 kPa;

? ` (ângulo de atrito) = 25°;

Hescavação (altura de escavação) = 4,0 m;

Dficha (ficha da estaca) = 4,0 m;

Øestaca (diâmetro da estaca) = 0,40 m;

E (módulo de Young) = 30.000 MPa (estrutural/estaca);

fck (resistência à compressão do concreto) = 20 MPa.

Para o dimensionamento da cortina estudada, utilizou-se uma planilha eletrônica

(Figura 5.17), proposta por Bowles (1968), cujos dados considerados para o seu

dimensionamento estão abaixo descritos, para o solo na condição natural:

q = 17 kN/m² (sobrecarga do terreno);

c = 10 kPa

(coesão total do solo, levando-se em conta a sucção matricial);

??= 26° (ângulo de atrito do solo);

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H = 4,0m (altura da escavação);

??= 17 kN/m³ (peso específico do solo);

FSficha = 1 (fator de segurança aplicado à ficha);

FSpassivo = 1

(fator de segurança aplicado ao coeficiente de empuxo passivo);

Y = distância entre o pé da estaca e o ponto

(onde a pressão horizontal é nula).

Sobrecarga = 17 kN/m 2 Altura equi. = 1,000 mC` = 10 kPa S p a = 21,76 kN/m2

??? 25 o E Ea1 = 31,83 kN/mH = 4 m M a = 0,62 m??? 17 kN/m 3 Ea2 = 6,76 kN/mFS ficha = 1 Ra = 38,59 kN/mFS Kpassivo = 1 T y barra = 1,69 mY = 3,458591 m R p' p = 212,54 kN/m2

Equação Y = 0,02 I p p = 121,01 kN/m2

Ka = 0,41 N p'' p = 333,54 kN/m2

Kp = 2,46 C z = 0,75 mK` = 2,06 A ? Fh = 0 0,00 Ok!Coeficiente C = 34,99 ? M base = 0 -0,04 Ok!Ficha = 4,08 m Ficha final = 4,08 m

Cortina em Balanço

Figura 5.17 - Dimensionamento da Estaca (Método da Extremidade Livre – Bowles)

O equilíbrio de forças e de momentos fletores pode ser obtido através da soma

algébrica das áreas e dos momentos de 1ª ordem relativos às áreas dos diversos triângulos que

surgem no diagrama de pressões. Nesta planilha, após atender as condições do somatório das

forças horizontais e do momento na base ser igual a zero, obtêm-se o comprimento final da ficha.

Pelo Método da Extremidade Livre foi possível prever o comportamento da estaca,

considerando os dados do solo acima descritos, e obter, com isso, o diagrama de momento

fletor, como mostradas na Figura 5.18.

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-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

00 50 100 150

Momentos (kNm/m)

Pro

fun

did

ade

(m)

Figura 5.18 - Diagrama de Momento Fletor da Estaca - Método da Extremidade Livre

(solo na condição natural)

A partir deste método é possível determinar o diagrama de momentos fletores

ocasionados ao longo da cortina. A Figura 5.18 mostra o ponto de maior momento sofrido

pela estaca, que atingiu valor de aproximadamente 106,0 kNm/m.

5.4.2. DESLOCAMENTOS NO TOPO DAS ESTACAS, MEDIDOS IN SITU

Os deslocamentos no topo das estacas foram medidos periodicamente com a ajuda

de um topógrafo, através de um teodolito. Nota-se, a partir do acompanhamento dos

deslocamentos na cabeça das estacas in situ, que existe uma pequena oscilação das estacas,

que pode ser justificado devido às oscilações de temperatura durante o dia (Figura 5.19).

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Figura 5.19 - Deslocamento no topo da estaca

Tabela 5.9 - Deslocamentos médios em cada trecho

TrechoEspaçamento entre

as estacas (m)Deslocamento

médio (mm)

1 1,2 5,12 1,2 6,53 1 4,5

Nas médias de deslocamento obtidas para cada estaca, não foram considerados

alguns valores que destoaram da média dos demais (Tabela 5.9), para um período de 46 dias.

Observa-se ainda que a partir de 40 dias após a escavação os deslocamentos no topo das

estacas tendem a se estabilizar, e, com isso, pode-se estimar, dentro do período de seca, o

tempo limite para beneficiar-se, do efeito da sucção, no dimensionamento das contenções.

5.4.3. INSTRUMENTAÇÃO

As leituras da instrumentação foram realizadas periodicamente através da ligação

dos cabos que ligavam os extensômetros à leitora. No entanto, não foram possíveis as

obtenções dos resultados para todas as seções. Problema este justificado pelo possível

seccionamento dos cabos que ligavam os extensômetros elétricos à leitora, no momento da

concretagem das estacas instrumentadas.

Trecho 1 Trecho 2 Trecho 3

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Foi efetuado o cálculo dos momentos da seção transversal das estacas

instrumentadas, a partir dos valores obtidos na leitora. Esses momentos foram apresentados

por Magalhães, 2003 (Figuras 5.20a, 5.20b e 5.20c).

(a) (b)

(c)

Figura 5.20 - Momentos calculados com base nos dados da instrumentação

(a) Trecho 1; (b) Trecho 2; (c) Trecho 3 (Magalhães, 2003).

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109

5.4.4. ANÁLISES NUMÉRICAS

As análises numéricas foram realizadas utilizando o Método de Elementos Finitos,

com a ajuda do programa PLAXIS.

O PLAXIS é um programa de elementos finitos específico para a análise de

deformação bidimensional e estabilidade em projetos de engenharia geotécnica. Aplicações

geotécnicas requerem modelos constitutivos avançados para a simulação do comportamento

não-linear dos solos. Ainda, ele é capaz de efetuar modelos com a interação entre estruturas e

o solo.

O método admite a condição elastoplástica do solo. Os resultados são apresentados

em relação às tensões desenvolvidas ao longo da altura da estrutura e ao deslocamento desta.

O efeito das tensões tangenciais desenvolvidas no contato solo-estrutura, não é levado em

conta nos cálculos. Outro ponto observado é a não existência de transferência na interface

solo-estrutura, sendo assim não há transferência da tensão cisalhante.

A estrutura da cortina é considerada um elemento com comportamento rígido. Os

parâmetros do solo são baseados em dois modelos “Mohr-Coulomb” e “Cam-Clay”, que terão

seus resultados comparados.

Para estes dois modelos foram realizadas análises para as condições e parâmetros do

solo em três situações diferentes, cada qual com as suas propriedades já descritas

anteriormente: Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e Saturada. Bem como, foi analisado o

comportamento da cortina, considerando-se diferentes espaçamentos entre as estacas

justapostas. As distâncias entre elas variaram de 0,5; 1,0; 1,2 e 1,5 metros, considerando as

distâncias como construídas in-loco.

A Figura 5.21 ilustra a malha de elementos finitos discretizada, com regiões

divididas em elementos triangulares (6 (seis) nós), representada para a fase de escavação que

inclui 1053 pontos nodais e 508 elementos quadrangulares isoparamétricos (6 (seis) nós),

representando o maciço e a cortina. Admitiu-se, igualmente, que a instalação da parede de

cortina não altera o estado de tensão inicial e as características mecânicas do maciço.

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110

Figura 5.21 - Malha de elementos finitos para análises numéricas (PLAXIS)

Iniciaram-se as análises primeiramente considerando o modelo de Mohr-Coulomb.

Deste primeiro modelo, nas Figuras 5.22a e 5.22b são apresentadas os deslocamentos laterais

da cortina, bem como o assentamento e expansão ocorridos na estrutura do solo, para as

diferentes etapas de escavação (2,0 e 4,0 metros), levando em consideração os parâmetros do

solo Amostra Natural 1 (deslocamento horizontal, escala eixo x = 10 x escala eixo y).

(a)

(b)

Figura 5.22 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Natural 1)

(a)1ª escavação; (b) 2ª escavação

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As Figuras 5.23a e 5.23b apresentam os deslocamentos laterais da cortina, levando

em consideração os parâmetros de solo Amostra Natural 2, para as diferentes etapas de

escavação (2 e 4 metros) (deslocamento horizontal, escala eixo x = 10 x escala eixo y).

(a)

(b)

Figura 5.23 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Natural 2)

(a)1ª escavação; (b) 2ª escavação

Do mesmo modo, as Figuras 5.24a e 5.24b, levando em consideração os parâmetros

de solo Amostra Saturado, para as diferentes etapas de escavação (2 e 4 metros)

(deslocamento horizontal, escala eixo x = 10 x escala eixo y).

(a)

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112

(b)

Figura 5.24 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Saturada)

(a)1ª escavação; (b) 2ª escavação

Na segunda etapa da pesquisa, foram realizados as análises com outro modelo, o

Cam-Clay, conforme já descrito. Neste modelo, foram considerados os mesmos parâmetros

do solo e condições da obra, como analisadas para o modelo Morh-Coulomb. Nas Figuras

5.25a e 5.25b são apresentadas os deslocamentos laterais da cortina, bem como o

assentamento e expansão ocorridos na estrutura do solo, para as diferentes etapas de

escavação (2,0 e 4,0 metros), levando em consideração os parâmetros de solo Amostra

Natural 1 (deslocamento horizontal, escala eixo x = 10 x escala eixo y).

(a)

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113

(b)

Figura 5.25 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Natural 1)

(a)1ª escavação; (b) 2ª escavação

Nas Figuras 5.26a e 5.26b são apresentadas os deslocamentos laterais da cortina,

para a Amostra Natural 2, nas diferentes etapas de escavação (2,0 e 4,0 metros) (deslocamento

horizontal, escala eixo x = 10 x escala eixo y).

(a)

(b)

Figura 5.26 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Natural 2)

(a)1ª escavação; (b) 2ª escavação

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114

Também, foram realizadas análises considerando os parâmetros da Amostra

Saturada do solo (Figuras 5.27a e 5.27b), nas diferentes etapas de escavação (2,0 e 4,0

metros) (deslocamento horizontal, escala eixo x = 10 x escala eixo y).

(a)

(b)

Figura 5.27 - Deslocamentos laterais da cortina (Amostra Saturada)

(a)1ª escavação; (b) 2ª escavação

Como já foi dito anteriormente, as análises foram realizadas para diferentes modelos

(Morh-Coulomb e Cam-Clay). Sendo, estas análises, divididas em duas etapas. Em cada

etapa, consideraram-se, além de diferentes parâmetros do solo (Amostra Natural 1, Amostra

Natural 2 e Amostra Saturada), diferentes espaçamentos entre as estacas (0,5; 1,0; 1,2 e 1,5

metros). Para cada espaçamento, foram calculados os dados a serem utilizado no programa

PLAXIS, considerando, como cálculo da cortina, que as estacas justapostas se comportavam

como uma parede contínua.

Para isso, relacionou-se o diâmetro da estaca dimensionada à espessura da parede

equivalente, bem como a rigidez equivalente dessa estrutura. Sendo assim:

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???

????

????

?

????

???

1264

34 ledII estacaeq

? (5.7)

3/14

163

???

????

??

ld

d eq?

(5.8)

12

3eq

eq

dI ? (5.9)

onde,

deq Espessura da parede equivalente;

d Diâmetro da estaca (d = 0,40 m);

l Espaçamento entre as estacas;

Iestaca Rigidez da estaca;.

Ieq Rigidez da parede equivalente.

Com isso, foram calculados estes valores, para cada valor de l. A Tabela 5.10

apresenta os valores obtidos a partir das equações acima descritas.

Tabela 5.10 - Dados da cortina equivalente

Espaçamento entre as estacas

deq (m) EI (kNm²/m)

EA (kN/m)

l1 = 1,0 m 0,247 43,96 x 10³ 86,45 x 105

l2 = 1,2 m 0,232 36,65 x 10³ 81,36 x 106

l3 = 0,5 m 0,311 87,92 x 10³ 108,92 x 107l4 = 1,5 m 0,216 29,30 x 10³ 75,53 x 108

As Figuras 5.28, 5.29 e 5.30 apresentam os diagramas de deslocamento da cortina,

obtidos a partir do modelo Morh-Coulomb, para os diferentes espaçamentos considerados

entre as estacas, considerando as condições de solo Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e

Amostra Saturada.

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Figura 5.28 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Natural 1

Figura 5.29 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Natural 2

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA SOLO NATURAL 1 (2ª escavação)

MOHR-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

DESLOCAMENTO DA ESTACA

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

ESTACA - estado inicialESTACA - espaçamento 1,0mESTACA - espaçamento 1,2mESTACA - espaçamento 0,5mESTACA - espaçamento 1,5m

(m)

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA SOLO NATURAL 2 (2ª escavação)

MOHR-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

ALT

UR

A D

A E

STA

CA

(m)

ESTACA - estado inicialESTACA - espaçamento 1,0mESTACA - espaçamento 1,2mESTACA - espaçamento 0,5mESTACA - espaçamento 1,5m

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117

Figura 5.30 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Saturada

Analisando os comportamentos da cortina estudada quando se varia o espaçamento

entre as estacas, verifica-se que há pequenas variações de deslocamentos da estrutura.

Percebe-se que a variação do deslocamento da cortina, efetivamente varia apenas quando o

espaçamento entre as estacas é de 0,5 metro.

As análises foram realizadas para as diferentes condições do solo (Amostra Natural

1, Amostra Natural 2 e Amostra Saturada) e em todas elas o comportamento, para os

diferentes espaçamentos, é praticamente os mesmo. Na análise para condição saturada do

solo, percebe-se que a diferença dos deslocamentos na cabeça da estaca entre os

espaçamentos de 0,5 m e 1,5 m é de aproximadamente de 1,0 centímetro.

A Figura 5.31 apresenta os diagramas de deslocamento da estaca para as diferentes

condições de solo Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e Amostra Saturada.

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA SOLO SATURADO (2ª escavação)

MORH-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

ALT

UR

A D

A E

STA

CA

(m)

ESTACA - estado inicialESTACA - espaçamento 1,0mESTACA - espaçamento 1,2mESTACA - espaçamento 0,5mESTACA - espaçamento 1,5m

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118

Figura 5.31 - Diagrama de deslocamento da cortina

Na figura acima apresentada pode ser analisado o comportamento da estrutura de

contenção estudada, considerando o modelo Morh-Coulomb. Para as condições de solo

Natural 1 e Natural 2, o comportamento da estrutura apresenta-se um pouco atípico, com o

deslocamento excessivo no pé da estaca. Na realidade, percebe-se que o programa numérico

Plaxis, quando analisa o comportamento da estrutura para o modelo Morh-Coulomb, majora o

efeito de alívio de tensões causado pela escavação do maciço de solo, tendo os efeitos do

deslocamento horizontal subestimados com relação a resultante.

As Figuras 5.32, 5.33 e 5.34 apresentam os diagramas de Momento Fletor da

cortina, obtidos a partir do modelo Morh-Coulomb, para os diferentes espaçamentos

considerados entre as estacas, considerando as condições de solo Amostra Natural 1, Amostra

Natural 2 e Amostra Saturada.

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA (2ª escavação- espaçamento 1,0m)

MOHR-COULOMB

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

ALTURA DA ESTACA (m)

ESTACA - estado inicial ESTACA - SOLO NATURAL 1 ESTACA - SOLO NATURAL 2 ESTACA - SOLO SATURADO

Page 137: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

119

MOMENTO FLETOR SOLO NATURAL 1 (2ª escavação)

MOHR-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-10 0 10 20 30 40 50

MOMENTO FLETOR (kNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TC

A (m

)

ESTACA espaçamento 1,0m

espaçamento 1,2m espaçamento 0,5m

espaçamento 1,5m

Figura 5.32 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Natural 1

MOMENTO FLETOR SOLO NATURAL 2 (2ª escavação)

MORH-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-10 10 30 50

MOMENTO FLETOR (KNm)

AL

TU

RA

DA

ES

TC

A (

m)

ESTACA espaçamento 1,0m

espaçamento 1,2m espaçamento 0,5m

espaçamento 1,5m

Figura 5.33 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Natural 2

Page 138: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

120

MOMENTO FLETOR SOLO SATURADO (2ª escavação)

MORH-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50

MOMENTO FLETOR (KNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

)

ESTACA espaçamento 1,0m

espaçamento 1,2m espaçamento 0,5m

espaçamento 1,5m

Figura 5.34 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Saturada

Fazendo-se uma análise dos momentos fletores acima apresentados, considerando os

diferentes espaçamentos entre as estacas, percebe-se que praticamente não há variação no

diagrama.

A Figura 5.35 apresenta os diagramas de momento fletor da estaca para as diferentes

condições de solo Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e Amostra Saturada.

MOMENTO FLETOR (2ª escavação - espaçamento 1,0m)

MOHR-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60

MOMENTO FLETOR (KNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TC

A (

m)

ESTACA SOLO NATURAL 1

SALO NATURAL 2 SOLO SATURADO

Figura 5.35 - Diagrama de momento fletor

Page 139: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

121

Comparando as diferentes condições do solo, do mesmo modo que nos diagramas de

deslocamentos horizontais, nos de momentos fletores da condição saturada do solo o

comportamento da estrutura de contenção correspondem melhor às expectativas.

Provavelmente, conforme já suposto na análise acima, o modelo Morh-Coulomb foi o grande

fator que influenciou neste resultado.

Para comprovar tal fato, foram realizadas análises com as mesmas condições para o

solo (Amostra Natural 1, Amostra Natural 2, Amostra Saturada), considerando os quatro

diferentes espaçamentos entre as estacas, no modelo Cam-Clay.

As Figuras 5.36, 5.37 e 5.38 apresentam os diagramas de deslocamento da cortina,

obtidos a partir do modelo Cam-Clay, para os diferentes espaçamentos considerados entre as

estacas, considerando as condições de solo Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e Amostra

Saturada.

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA SOLO NATURAL1 (2ª escavação)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

)

ESTACA - estado inicialESTACA - espaçamento 1,0mESTACA - espaçamento 1,2mESTACA - espaçamento 0,5mESTACA - espaçamento 1,5m

Figura 5.36 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Natural 1

Page 140: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

122

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA SOLO NATURAL 2 (2ª escavação)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m)

ESTACA - estado inicialESTACA - espaçamento 1,0mESTACA - espaçamento 1,2mESTACA - espaçamento 0,5mESTACA - espaçamento 1,5m

Figura 5.37 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Natural 2

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA SOLO SATURADO (2ª escavação)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m)

ESTACA - estado inicialESTACA - espaçamento 1,0mESTACA - espaçamento 1,2mESTACA - espaçamento 0,5mESTACA - espaçamento 1,5m

Figura 5.38 - Deslocamentos laterais da cortina - Amostra Saturada

Pelas figuras acima, se verifica que os comportamentos da cortina estudada, quando

variado o espaçamento entre as estacas, apresentam-se semelhantes. Os deslocamentos da

cabeça da estaca variam, comparando os espaçamentos.

Page 141: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

123

As Figuras 5.39a e 5.39b apresentam os diagramas de deslocamento da cortina,

obtidos a partir do modelo Cam-Clay, para as diferentes etapas de escavação, considerando

as condições de solo Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e Amostra Saturada.

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA (1ª e 2ª escavação- espaçamento 1,0m)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

)

ESTACA - estado inicial SOLO NATURAL 1 - 1ª escavação SOLO NATURAL 1 - 2ª escavaçãoSOLO NATURAL 2 - 1ª escavaçãoSOLO NATURAL 2 - 2ª escavaçãoSOLO SATURADO - 1ª escavaçãoSOLO SATURADO - 2ª escavação

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA (1ª e 2ª escavação- espaçamento 1,2m)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

)

ESTACA - estado inicial SOLO NATURAL 1 - 1ª escavação SOLO NATURAL 1 - 2ª escavaçãoSOLO NATURAL 2 - 1ª escavaçãoSOLO NATURAL 2 - 2ª escavaçãoSOLO SATURADO - 1ª escavaçãoSOLO SATURADO - 2ª escavação

(a) (b)

Figura 5.39 - Deslocamentos laterais da cortina – modelos Mohr-Coulomb e Cam-Clay

(a) espaçamento 1,0 m; (b) espaçamento 1,2 m

Fazendo uma análise das figuras acima apresentadas pode ser verificada a evolução

do deslocamento da cabeça da estaca quando das etapas de escavação do solo. Por exemplo,

analisando especificamente o comportamento da estaca, na 1ª e 2ª escavação, para a condição

do solo no estado saturado, o deslocamento da cabeça da estaca evolui de 5 milímetros para

4,2 centímetros, aproximadamente.

As Figuras 5.40a e 5.40b apresentam os diagramas de deslocamento da estaca para

as diferentes condições de solo Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e Amostra Saturada, no

modelo Cam-Clay.

Page 142: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

124

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA (2ª escavação- espaçamento 1,0m)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m)

ESTACA - estado inicial

ESTACA - SOLO NATURAL 1

ESTACA - SOLO NATURAL 2

ESTACA - SOLO SATURADO

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA (2ª escavação- espaçamento 1,2m)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

)

ESTACA - estado inicial

ESTACA - SOLO NATURAL 1

ESTACA - SOLO NATURAL 2

ESTACA - SOLO SATURADO

(a) (b)

Figura 5.40 - Diagrama de deslocamento da cortina

(a) espaçamento 1,0 m; (b) espaçamento 1,2 m

Também, ao fazer uma outra análise, comparando as cortinas com espaçamentos

diferentes entre as estacas (1,0 e 1,2 metros), nota-se que o comportamento da estaca é

semelhante com uma pequena diferença na variação do deslocamento na cabeça da estaca.

Dando prosseguimentos às análises nas diferentes situações, as Figuras 5.41, 5.42 e

5.43 apresentam os diagramas de Momento Fletor da cortina, obtidos a partir do modelo Cam-

Clay, nas variadas condições do solo (Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e Amostra

Saturada). Nessas figuras são apresentados os diagramas, considerando o estágio final de

escavação do terrapleno, para os diferentes espaçamentos.

Page 143: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

125

MOMENTO FLETOR SOLO NATURAL 1 (2ª escavação)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60 80

MOMENTO FLETOR (KNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TC

A (m

)

ESTACA espaçamento 1,0m

espaçamento 1,2m espaçamento 0,5m

espaçamento 1,5m

Figura 5.41 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Natural 1

MOMENTO FLETOR SOLO NATURAL 2 (2ª escavação)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60 80

MOMENTO FLETOR (KNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TC

A (m

)

ESTACA espaçamento 1,0m

espaçamento 1,2m espaçamento 0,5m

espaçamento 1,5m

Figura 5.42 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Natural 2

Page 144: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

126

MOMENTO FLETOR SOLO SATURADO (2ª escavação)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60 80

MOMENTO FLETOR (KNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TC

A (

m)

ESTACA espaçamento 1,0m

espaçamento 1,2m espaçamento 0,5m

espaçamento 1,5m

Figura 5.43 - Diagrama de Momento Fletor da cortina - Amostra Saturada

Do mesmo modo que o apresentado no modelo Morh-Coulomb, os gráficos das

figuras acima comparam, nas diferentes condições do solo, os de momentos fletores

apresentados na cortina após o terrapleno sofrer a segunda escavação, atingindo os 4,0 metros.

São comparados os momentos considerando as diferentes situações de espaçamento entre as

estacas da estrutura de contenção. Nas Figuras 5.44a e 5.44b apresenta os diagramas de

momento fletor da cortina para as diferentes condições de solo, no modelo Cam-Clay.

MOMENTO FLETOR (2ª escavação - espaçamento 1,0m)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60 80

MOMENTO FLETOR (KNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TC

A (m

)

ESTACA SOLO NATURAL 1

SALO NATURAL 2 SOLO SATURADO

MOMENTO FLETOR (2ª escavação - espaçamento 1,2m)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60 80

MOMENTO FLETOR (KNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TC

A (

m)

ESTACA SOLO NATURAL 1

SALO NATURAL 2 SOLO SATURADO

(a) (b)

Figura 5.44 - Diagrama de momento fletor da cortina

Page 145: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

127

As comparações dos diagramas de momentos fletores se estenderam às diferentes

condições do solo (Amostra Natural 1, Amostra Natural 2, Amostra Saturada), considerando

os espaçamentos entre as estacas de 1,0 metro e 1,2 metros, para o modelo Cam-Clay.

Continuando as análises, as Figuras 5.45a e 5.45b apresentam os diagramas de momento

fletor da cortina, obtidos a partir do modelo Cam-Clay, para as diferentes etapas de

escavação, considerando as condições de solo Amostra Natural 1, Amostra Natural 2 e

Amostra Saturada.

MOMENTO FLETOR DA CORTINA (1ª e 2ª escavação- espaçamento 1,0m)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60 80

MOMENTO FLETOR (kNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

)

ESTACA - estado inicial SOLO NATURAL 1 - 1ª escavação SOLO NATURAL 1 - 2ª escavaçãoSOLO NATURAL 2 - 1ª escavaçãoSOLO NATURAL 2 - 2ª escavaçãoSOLO SATURADO - 1ª escavaçãoSOLO SATURADO - 2ª escavação

MOMENTO FLETOR DA CORTINA (1ª e 2ª escavação- espaçamento 1,2m)

CAM-CLAY

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60 80

MOMENTO FLETOR (kNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

)

ESTACA - estado inicial SOLO NATURAL 1 - 1ª escavação SOLO NATURAL 1 - 2ª escavaçãoSOLO NATURAL 2 - 1ª escavaçãoSOLO NATURAL 2 - 2ª escavaçãoSOLO SATURADO - 1ª escavaçãoSOLO SATURADO - 2ª escavação

(a) (b)

Figura 5.45 - Momentos Fletores da cortina – 1ª e 2ª escavação

Os diagramas de momentos fletores obtidos, ainda, podem ser analisados

sobrepondo-se os gráficos para as diferentes etapas de escavação. O momento fletor máximo,

por exemplo, para a condição saturada do solo atinge aproximadamente 57 kNm/m, no ponto

a 6,0 metros da cabeça da estaca.

Se comparado as duas condições acima apresentadas de espaçamentos entre as

estaca, nota-se que a variação de momentos é muito pequena.

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128

Realizadas as análises numéricas para os dois modelos propostos, Mohr-Coulomb e

Cam-Clay, foram sobrepostos os diagramas de deslocamentos da cortina e, com isso, foi

possível comparar os resultados apresentados pelos dois modelos (Figura 5.46).

DESLOCAMENTO HORIZONTAL DA CORTINA ( 2ª escavação - espaçamento 1,0m)

MODELO CAM-CLAY X MODELO MOHR-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

DESLOCAMENTO DA ESTACA (m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

) ESTACA - posiçãoinicial

MOHR-COULOMB -AMOSTRA NATURAL 2

CAM-CLAY -AMOSTRA NATURAL 2

CAM-CLAY-AMOSTRA NATURAL 1

CAM-CLAY -AMOSTRA SATURADA

MOHR-COULOMB -AMOSTRA NATURAL 1

MOHR-COULOMB -AMOSTRA SATURADA

Figura 5.46 - Deslocamentos laterais da cortina (Mohr-Coulomb X Cam-Clay)

No gráfico acima apresentado é possível comparar os resultados obtidos pelos dois

modelos. No modelo Mohr-Coulomb, os deslocamentos da estacas, nas diferentes condições

do solo (Natural 1, Natural 2 e Saturado), apresentam comportamentos não esperados.

Percebe-se um deslocamento majorado no “pé” da estaca. Na análise do modelo Cam-Clay o

comportamento das estacas já se apresenta dentro das expectativas.

Do mesmo modo a Figura 5.47 apresenta a comparação entre os modelos a partir do

diagrama de momento fletor da cortina.

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129

DIAGRAMAS DE MOMENTOS FLETORES

( 2ª escavação - espaçamento 1,0m)

MODELO CAM-CLAY X MODELO MOHR-COULOMB

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-10 0 10 20 30 40 50 60MOMENTO FLETOR (kNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m

)

ESTACA - posição inicial

CAM-CLAY - AMOSTRA NATURAL 2

CAM-CLAY- AMOSTRA NATURAL 1

CAM-CLAY - AMOSTRA SATURADA

MOHR-COULOMB - AMOSTRA NATURAL 1

MOHR-COULOMB - AMOSTRASATURADAMOHR-COULOM - AMOSTRA NATURAL 2

Figura 5.47 - Diagrama de momentos fletores da cortina (Mohr-Coulomb X Cam-Clay)

Nesta figura apresentada é possível comparar os resultados obtidos pelos dois

modelos. Pode-se observar que, dentre os diagramas de momentos fletores, o modelo Cam-

Clay apresenta os maiores valores de momentos passivos.

Esses resultados de momentos se comparados com os valores de momentos obtidos

em campo, a partir da instrumentação (com a ajuda de extensômetros locados ao longo da

ferragem da estaca) (Figura 5.20), confirmam que a análise numérica realizada utilizando o

modelo Cam-Clay proporciona valores mais próximos, correspondentes aos da

instrumentação.

Ainda, se a análise for estendida para a comparação entre os resultados do Método

da Extremidade Livre, Métodos Numéricos – modelo Cam-Clay e Instrumentação, enquanto

que no primeiro o momento máximo atinge, para a condição não-saturada do solo, o valor de

aproximadamente 120 kNm/m, nos outros métodos os valores correspondentes foram de

aproximadamente 35 kNm/m e 37 kNm/m, respectivamente (Figura 5.48).

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130

MOMENTO FLETOR DA CORTINA

Comparação entre Métodos

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-20 0 20 40 60 80 100 120

MOMENTO FLETOR (kNm/m)

AL

TU

RA

DA

ES

TA

CA

(m)

ESTACA - estado inicialPLAXIS (CAM-CLAY - solo natural 1)PLAXIS (CAM-CLAY - solo natural 2)PLAXIS (CAM-CLAY - solo saturado)MEDIDO IN LOCO ("strain-gauge")MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE

Figura 5.48 - Diagrama de momentos fletores da cortina (Comparação entre métodos)

Deste modo, após a comparação dos resultados obtidos pelo método da extremidade

livre e o método de elementos finitos, observa-se que aquele resulta em valores, tanto em

termo de esforços cortantes, como em termo de momentos fletores, mais conservadores.

Também, comparando os resultados obtidos do deslocamento na cabeça da estaca

entre análises numéricas, baseados nos modelos Morh-Coulomb e Cam-Clay, e os resultados

medidos em campo, observa-se uma majoração de deslocamento do modelo numérico. Por

exemplo, no modelo Cam-Clay, solo na condição natural, o deslocamento da cabeça da estaca

atinge o valor de aproximadamente 25,0 milímetros, enquanto que em campo, esse

deslocamento não ultrapassou a 6,5 milímetros.

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131

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES

6.1 – CONCLUSÕES

Este trabalho teve como objetivo principal a avaliação do comportamento mecânico

do solo poroso que compõe grande parte da região de Brasília, direcionando o estudo ao

entendimento do mecanismo de deformabilidade do solo na condição não saturada. E a partir

do conhecimento de seu comportamento e da influência de alguns parâmetros como a coesão,

fazer o dimensionamento de uma forma mais econômica.

Para isto, foi também necessário analisar o comportamento real destas estruturas

com o comportamento obtido a partir das teorias dos métodos de dimensionamento para as

estas estruturas,como foi o caso, utilizando o Método da Extremidade Livre proposto por

Bowles (1968).

Este capítulo foi dividido em duas partes, a primeira trata da apresentação das

conclusões e a segunda das sugestões para pesquisas futuras. Em ambas serão considerados os

desempenhos dos ensaios realizados em laboratório, bem como os resultados obtidos em

campo.

Curva Característica

Os resultados para a obra no VIA IMPORT CENTER indicam que o solo estudado

apresenta um pequeno valor de entrada de ar (<5 kPa) e que para um intervalo de sucção

compreendido entre 0 e 20 kPa ocorre uma brusca diminuição da quantidade de água no

interior do corpo de prova. Tal fato é devido às características estruturais que este material

apresenta, como sua elevada porosidade e tamanho de vazios existentes no corpo de prova.

Adicionalmente foi observado através de uma análise visual que para o nível de sucções

utilizados na curva característica do corpo de prova não se observou a ocorrência de trincas

superficiais que indicam se o solo atingiu o seu limite de contração.

A avaliação da colapsibilidade do solo pelo ensaio de adensamento classificou o

mesmo como material que apresenta características colapsíveis.

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132

Resistência ao Cisalhamento

O programa laboratorial de ensaios em solos não saturados foi elaborado com o

principal objetivo de definir o comportamento mecânico da resistência ao cisalhamento do

solo colapsível. Para isso, o solo foi ensaiado na condição natural e na condição saturada. As

médias das variáveis do estado de tensão usadas foram definidas considerando fatores como: a

condição inicial do solo em termos de tensão normal, a média das tensões normais a qual

corresponde às alturas da sobrecarga de solo e altura das estruturas de contenção.

Vale salientar que o cisalhamento direto é uma das mais antiga e mais simples forma

de teste de resistência, mas há alguns inconvenientes inerentes. Os resultados podem ser

questionados devido ao fato que o solo não rompe ao longo do plano mais fraco, mas é

forçado a romper ao longo do plano da caixa de cisalhamento. Também, a distribuição da

resistência cisalhante sobre a superfície cisalhante não é uniforme.

Nos resultados obtidos através dos ensaios de cisalhamento direto, observa-se,

principalmente, a não linearidade do plano de ruptura, que pode ter sido modificado associada

aos parâmetros do solo envolvidos: c´, ? ´e ? b. Para o ensaio no solo em condição natural

quando carregado a sua estrutura original é mantida sem significativas mudanças de volume.

Na situação saturada, nota-se a redução da resistência no processo de saturação. Esta redução

pode também ser relacionadas às mudanças na sucção matricial.

A definição dos parâmetros de resistência c´, ? ´e ? b torna-se mais complexos para

um solo colapsível. Dependendo da tensão total aplicada ao solo, uma estrutura metaestável

pode mudar para uma estrutura estável quando o colapso ocorre.

Conclui-se, no geral, que o solo estudado apresenta valor da coesão menor para a

condição saturada do que na condição natural, conforme o esperado. E o natural, pela sua

caraterística de solo não saturado, devido à parcela de contribuição da sucção matricial, a

coesão maior.

Duplo-Oedométrico

O ensaio duplo-oedométrico forneceu parâmetros onde pode-se avaliar a

característica de colapsibilidade do solo estudado. Este ensaio permitiu também determinar a

velocidade imposta aos ensaios de resistência ao cisalhamento direto, pois nos ensaios de

Page 151: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

133

cisalhamento drenados, a velocidade deve ser suficientemente baixa para que as tensões

aplicadas sejam transferidas totalmente ao solo.

Pressiômetro

O ensaio pressiométrico fornece uma medida in situ do comportamento tensão-

deformação do solo. A interpretação dos resultados é baseada nos conceitos de expansão de

uma cavidade cilíndrica, possibilitando a estimativa de parâmetros constitutivos do solo, além

do estado de tensões geostático. Este é, portanto, um ensaio de considerável alcance e

interesse na solução de projetos de engenharia. Porém, este ensaio apresenta algumas

dificuldades, principalmente, quanto ao diâmetro do furo de sondagem, pois sendo este maior

ou menor, as curvas não apresentarão trajetória que efetivamente traduzem o comportamento

da amostra de solo. Sendo assim, há dificuldades que podem comprometer os resultados dos

parâmetros.

A interpretação de parâmetros geotécnicos a partir de resultados de ensaios

pressiométricos dependeu diretamente de alguns fatores, como: pressiômetro utilizado,

método de instalação, tipo de solo.

Para a interpretação dos resultados foram utilizadas equações constitutivas. No

entanto, alguns valores não representaram efetivamente a curva de expansão esperada para o

solo não saturado, provavelmente em decorrência das dificuldades encontradas no ensaio,

como: abertura da cavidade, geometria da sonda e técnica de ensaio.

6.1.2 Dimensionamento das Estruturas de Contenção

Foi realizada uma análise comparativa utilizando o método da extremidade livre e o

método de elementos finitos, tendo como ênfase o dimensionamento das estruturas de

contenção, considerando a não saturação do solo. O método dos elementos finitos é uma

análise mais complexa e foi realizado, neste caso, com a ajuda do programa numérico

PLAXIS

A partir destas análises foi possível fazer uma análise crítica do dimensionamento

convencional utilizando o método da extremidade livre que se baseia na teoria do equilíbrio

plástico. Este método despreza a deformabilidade do solo e só requer os parâmetros de

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resistência do solo para a análise de equilíbrio da cortina. Já o método dos elementos finitos,

utilizando o programa numérico PLAXIS, por considerar, além das equações de equilíbrio, a

deformabilidade dos materiais envolvidas, analisa de forma mais complexa o comportamento

da cortina.

No que se refere à análise do comportamento das estacas (deslocamento e momento

fletor), conforme demonstrados nos gráficos apresentados no capítulo anterior, o Método da

Extremidade Livre apresenta valores representativamente superiores aos obtidos pelo Método

de Elementos Finitos (MEF). Especificamente, analisando o diagrama de momentos fletores,

percebe-se que o MEF apresenta valores muito próximos dos obtidos da medição feita in loco

através do acompanhamento da deformação das estacas, realizada com a ajuda dos

extensômetros fixados na sua armação. Quanto a análise dos deslocamentos da cabeça das

estacas, também se percebe que o MEF apresenta valores próximos aos reais, obtidos pela

medição dos deslocamentos da cabeça das estacas.

Estas análises permitiram concluir que o Método de Equilíbrio Limite fornece

resultados de análises mais conservadores, quando comparados às soluções mais complexas

que utilizam o Método de Elementos Finitos. A partir destas análises pôde concluir que as

estruturas de contenção analisadas poderiam ter sido dimensionadas com seções mais

esbeltas, levando em consideração o ganho de resistência do solo devido à sucção,

economizando assim o seu custo.

6.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS

Com base nos resultados obtidos neste trabalho sugere-se dar prosseguimento à

pesquisas dos solos realizando uma campanha de ensaios, de compressibilidade e resistência

ao cisalhamento mais extensiva, afim de conhecer melhor as características e performance

estrutural dos solos de Brasília, e a partir destes resultados subsidiar modelos de

dimensionamento das estruturas de contenção, considerando parâmetros reais de

comportamento do solo.

Para uma análise mais detalhada do comportamento mecânico do solo submetido a

trajetórias de molhagem com gradual controle de sucção realizado na câmara de Richards no

ensaio da curva característica, é sugerido uma maior campanha de ensaios com a utilização de

uma pedra porosa com maior valor de entrada de ar, tendo assim, condições de desenvolver

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trajetórias de molhagem a partir de sucções mais elevadas. Também, sugere-se a realização de

ensaios para a determinação da curva característica por meio da técnica de papel filtro para

uma comparação dos resultados entre as diferentes técnicas.

Com o objetivo de avaliar o comportamento da percolação da água nos vazios do

solo é sugerida a execução de ensaios que avaliem a condutividade hidráulica do solo na

condição não saturada, através do ensaio de permeabilidade com carga variável.

Nos ensaios de cisalhamento direto, aconselha-se expandir o número de ensaios com

velocidade controlada de forma a garantir a dissipação da pressão neutra. Bem como realizar

ensaios triaxiais de forma a medir as mudanças de volume do solo com a aplicação de tensões

verticais e comparar as diferenças inerentes em condições confinadas pela caixa de

cisalhamento direto ao do ensaio triaxial.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABNT (1984). NBR 6459. Solo – Determinação do limite de liquidez. 6p.

ABNT (1984). NBR 6508. Grãos de solos que passam na peneira 4.8mm – Determinação da massa específica. 8p.

ABNT (1984). NBR 7180. Solo – Determinação do limite de plasticidade. 3p.

ABNT (1986). NBR 6457. Amostra de Solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. 9p.

ABNT (1988). NBR 10838. Solo – Determinação da massa específica aparente de amostras indeformadas com o emprego da balança hidrostática. 4p.

ABNT (1990). NBR 3336. Solo – Ensaio de adensamento unidimensional. 13p.

ABNT (1986). NBR 9604. Abertura de poço e trincheira de inspeção em solo com retirada de amostras deformadas e indeformadas. 13p.

ALONSO,E.E., BATTLE, F, GENS A & LLORET, A (1998). Consolidatio analysis of partially saturated soils – Application to earthdam construction. Poc. 6th Int. Conf. Num. Meth. Geomech. Innsbruck, 1303-1308 pp.

BISHOP, A W. (1959). The principle of effective stress. Tecknisk Ukelab, 106(39): 859-863.

BISHOP, A W., BLIGHT, G.E. (1963). Some aspects of effective stress in saturated and aprtly saturated soil. Géotechinique, 13 (No3). P.348-350.

BOWLES, J. E. (1968). Foudation Analysis and Design. McGraw-Hill, Nova York, 657p.

BRETH, H., SCHUSTER, E. & PISE, P. (1973). Axial stress-strain characteristics of sand. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, USA, 99(SM8): 617-632.

COLEMAN, J. D. (1962). Stress/Strain Relations for Partly Satured Soils. Geotechinique (Corespondence), 12, n° 4, pp. 348-350.

Page 155: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

137

DUDLEY, J. H. (1970). Review of Collapsing Soils. Journal of Soil Mech. Found. Div., ASCE, vol. 96 (SM3): 925-947.

FREDLUND, D.G. (1979). Appopriate concepts and technology for unsatured soil under cotrolled suction. 3rd Int. Conf. Exp. Soils, Haifa, 195-200 p.

FREDLUND, D.G. & GAN, J. (1995). The collapse mechanism of soil subjected to one-dimensional loading and wettiong. Genesis and Properties of Collapsible Soils, Edited by E. Deryshire, T. Dijkstra and I, Smalley, NATO, ASI- Series, vol. 468 p. 173-205

FREDLUND, D.G. & MORGESTERN, N.R. (1976). Constitutive relations for volume change in unsaturated soils. Can Geotech I, 13(3), p.261-276.

FREDLUND, D.G. & MORGESTERN, N.R. (1977). Stress state variables for unsaturated soils. Proc. Am. Soc. Civ. Engrs., 103:447-466.

FREDLUND, D.G., MORGENSTERN,N.R. & WIDGER, R.A (1978). The shear strength of unsaturated soils. Can. Geotech. J., 15(3):447-466.

FREDLUND, D.G. & RAHARDJO, H. (1993). Soil Mechanics for Unsaturated Soil. Wiley & Sins, New York, United States of America, 517 p.

GAN, J.K.M. & FREDLUND, D.G. (1988). Determination of shear strength parameters of an unsatured soil using the direct shear test. Can. Geotch., Vol. 25: 500-510 p.

JENNINGS, J.E.B. & BURLAND, J.B. (1962). Limitations to the use of effectiuve stresses in partly saturated soils. Géothechnique, vol 12 (No2): 125-144 p.

JOSA, A. (1988). Um Modelo Elastoplástico para Solos Não Saturados. Thesis Doctoral. Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona, Espanha.

LAMBE, T.W. & WHITMAN, R. (1976). Mecanica de Suelos. John Wiley & Sons. Inc., Editorial Limusa, Mexico, 582 p.

LAWTON, E.C., FRAGASZY, R.J. & HARDCASTLE, J.H. (1991). Stress ratio effects on collapse of compacted clayey sand. Journal of Geothecnical Egineering, 117 (5): 714-730 p.

LLORET,A & ALONSO,E.E. (1985). State surfaces from partially saturated soils. Proc. 11th ICSMFE; S.Francisco- USA.

Page 156: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

138

LLORET,A (1992). Resumen del Tema: Mecanica del Suelo No Saturado. Notas de Aula, Universitat Politecnica Catalunya, Barcelona, Espanha.

MAGALHÃES, E. P. (2003). Comportamento Experimental de uma Cortina de Estaca Prancha Assente em Solo Poroso do DF: Implicações para o Projeto e Metodologia do Cálculo, Publicação n° G.D.M- 105/2003, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, UnB, Brasília, DF, 149p.

MATYAS, E.L. & RADHAKRISHNA, H.S. (1968). Volume change characteristcs of partially satured soils. Geothechnique, 18(4): 432-448 p.

OLLO, S. Y., FREDLUND, D.G. (1995). A method for determination of ? b for statically compacted soils. Can. Geotech. J. Vol. 33: 272-280.

PLAXIS (“Finite Element Code for Soil and Rock Analyses”). Manual do Usuário, versão 7.11, Universidade de Delft, Holanda.

PEREIRA,J.H.F. (1996). Análise Numérica do Comportamento Mecânico de Barragens de Solo Colapsível Durante o seu Primeiro Enchimento (Tese de Doutorado), Universidade de Saskatchewan, Saskatoon, Canada, 449 p.

ROHM, S.A (1993).Solos Não Saturados. Monografia Geotécnica No4, Publicação 081/93, Departamento de Engenharia Civil. Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo, São Carlos, SP, 135 p.

SANTOS NETO, P.M. (1990). Compressibilidade de Solos Não Saturados com Bolhas de Ar Oclusas. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ.

SCHNAID, F. (2000). Ensaios de Campo e suas aplicações à engenharia de fundações/ Fernando Schnaid – São Paulo: Oficina de Textos.

TAYLOR, K. (1944). Theorical soil mechanics. New York: Wiley, 510pp.

TERZAGHI, K., PECK, R. B., Soil Mechanics in Engineering Practice. New York: Wiley, 1967, 729 p.

TSCHEBOTARIOFF, G.P., 1978. Fundações, Estruturas de Arrimo e Obras de Terra. Editora Mc Graw-Hill do Brasil, Ltda.

Page 157: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

139

VANAPALLI, S.K., FREDLUND, D.G., PUFAH, D.E. & CLIFTON, A.W. (1996). Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction. Can. Geotech. J. Vol. 33: 379-392.

VILAR. (1995). Técnicas experimentais em solos não saturados na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre-RS, Brasil.

Page 158: ANÁLISE DO MÉTODO DA EXTREMIDADE LIVRE EM SOLOS … · departamento de engenharia civil e ambiental anÁlise do mÉtodo da extremidade livre em solos nÃo saturados com base em

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ANEXO A – FOTOS DA OBRA VIA IMPORT CENTER

Figura A.1: Escavação do terreno

Figura A.2: Escavação do terreno

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Figura A.3: Vista da cortina de estacas

Figura A.4: Vista das estacas da cortina

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Figura A.5: Cortina de estacas prancha

Figura A.6: Medição dos deslocamentos das cabeças das estacas

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Figura A.7: Medição dos deslocamentos da cortina

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ANEXO B – RELATÓRIOS DE SONDAGEM

Figura B.1: Planta de locação das sondagens

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Figura B.2: Furo n°11 de sondagem

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Figura B.3: Furo n°11 de sondagem - continuação

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Figura B.4: Furo n°11 de sondagem - continuação

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Figura B.5: Furo n°12 de sondagem

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Figura B.6: Furo n°12 de sondagem - continuação