aterro estaqueado, como funciona

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO - ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

PROGRAMA DE PS GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL

ANLISES DE ESTABILIDADE E DE COMPRESSIBILIDADE DE ATERROS SOBRE SOLOS MOLES CASO DOS ATERROS DE ENCONTRO DA PONTE SOBRE O RIO DOS PEIXES (BR 381)

AUTORA: JANE PAULA PERBONI

ORIENTADOR: Prof. Dr. Romero Csar Gomes

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao do Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Civil, rea de concentrao: Geotecnia.

Ouro Preto, junho de 2003.

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DEDICATRIA

A Deus, pelo amor e carinho, pelas lies

ensinadas, pelas lies aprendidas e pela realidade deste sonho. minha famlia que, de modo especial, esteve sempre presente no meu dia-a-dia, nos meus pensamentos e no meu corao.

iv

AGRADECIMENTOS

A Deus.

A minha famlia, especialmente minha me Paulina, meu padrasto Aparecido, meu irmo Alexandre, meus avs Natal e Aparecida e meu pai Eduardo, que mesmo distantes me incentivaram, tornando-se cmplices de mais esta conquista.

Ao meu noivo Daniel, pelo amor e companheirismo demonstrados em todos os momentos. Ao casal Jeferson e Maria Auxiliadora pelo carinho, pela amizade e pela acolhida sincera em sua famlia.

Ao professor Dr. Romero Csar Gomes, pelo incentivo, aprendizado e amizade durante o perodo de realizao deste trabalho.

Aos professores e funcionrios de Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Ouro Preto pelos ensinamentos, apoio e amizade.

Aos amigos e colegas dos cursos de mestrado em Geotecnia e Estruturas Metlicas da UFOP, pela presena, pelo apoio e pelas horas de estudo e distrao durante estes anos.

Ao DER/ MG e ao Consrcio CAB-Engesolo, pela viabilizao do acompanhamento da obra durante a execuo.

Empresa Solum Engenharia e Geologia pela viabilizao dos ensaios de CPTU e Vane Test.

Empresa Husker Ltda. Pela viabilizao das anlises de estabilidade.

Capes, pelo apoio financeiro.

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RESUMO

Os projetos de aterros sobre solos moles incorporam diferentes concepes pra a superao dos problemas geotcnicos provenientes da baixa resistncia ao cisalhamento e elevada compressibilidade do solo de fundao. Neste contexto, a utilizao conjugada de drenos verticais pr-fabricados para a acelerao do processo de adensamento da camada compressvel e de geossintticos como elementos de reforo na base do aterro constitui uma metodologia de excelente desempenho e de uso generalizado na prtica da engenharia geotcnica.

A utilizao destes procedimentos em projetos de aterros de encontro de ponte e assentes sobre solos moles implica, alm de estudos convencionais relativos estabilidade das estruturas e determinao da magnitude dos recalques e o tempo de adensamento, a estimativa da magnitude e distribuio dos deslocamentos horizontais e dos esforos transferidos aos elementos estruturais da ponte.

Sendo assim, este trabalho apresenta e discute os estudos e anlises implementadas para a execuo do projeto dos aterros de encontro da ponte sobre o Rio dos Peixes, estrutura situada no sul do estado de Minas Gerais e pertencente s obras de duplicao da rodovia Ferno Dias (BR 381), que interliga as cidades de Belo Horizonte e So Paulo.

O projeto engloba a estabilizao do solo de fundao atravs da aplicao de drenos verticais pr-fabricados, o reforo dos aterros pela incluso de geogrelhas e o reforo das estacas tipo Franki da ponte com a implementao de estacas-raiz. Neste sentido, esta dissertao apresenta as metodologias de projeto, o programa de investigao geotcnica que envolve os ensaios de campo e de laboratrio do solo compressvel local e do material de aterro, bem como os resultados das anlises de estabilidade e de compressibilidade e os resultados obtidos atravs do monitoramento realizado.

vi


ABSTRACT

The projects of embankments about soft soils incorporate conceptions different for the solution of the geotechnicals problems from of resistance low and a high compressibility of foundations soils. In this context, the conjugate utilization of synthetic verticals drains to acceleration of consolidations process of compressible layer and the geotechnicals like reinforcement elements in the embankments base, constitute a excellent perform methodology and the generalized use in the practice of geotechnical engineer.

The utilization of theses procediments in the bridge abutments and established about soft soils implies, more conventionals studies relatives to stability of structures and a determination of settlement magnitude and the time of consolidation, the distribution of horizontal displacement and the strengthen transferred to structures elements of the bridge.

Anyway, this work presents and discusses the studies and implement analyses to a execution of project of bridge abutments over the Rio dos Peixes, structure localized in the soul of Minas Gerais state and belonged to works of highway duplication Ferno Dias (BR381), that intercall the cities of Belo Horizonte and So Paulo.

The projects englobs the stabilization of the foundations soil through the application of verticals drains pr-fabricated, the reinforcement of the embankments by inclusion of geogrids and the reinforcement the piles kind Franki of bridge with the implementation of root piles. In this sense, this dissertation presents the methodologies of the project, the program of investigation geotechnical that involves the fields and laboratories analyses of compression soil local and the material of embankment, as well as the results of analyses of stability and compressibility and the results obtained thorough the realized monitory.

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NDICE Captulo 1 - Introduo _________________________________________________ 1

1.1 Importncia da Pesquisa ___________________________________________ 1 1.2 Objetivo do Trabalho _____________________________________________ 2 1.3 Metodologia do Estudo Desenvolvido ________________________________ 2 1.4 Estruturao do Trabalho __________________________________________ 3

Captulo 2 - Aterros de Encontro de Pontes Sobre Solos Moles ________________ 6 2.1 - Aterros de Encontro de Pontes ______________________________________ 6 2.2 Aterros Sobre Solos Moles _________________________________________ 8

2.2.1 Tcnicas de Estabilizao e Reforo do Aterro _____________________ 10 a) Execuo do Aterro em Etapas ___________________________________ 10 b) Bermas de Equilbrio___________________________________________ 11 c) Aterro Reforado com Geossintticos ______________________________ 12

2.2.2 Tcnicas de Estabilizao e Reforo do Solo Mole de Fundao. ______ 13 a) Remoo do Solo Mole _________________________________________ 13 b) Aterros Estaqueados ___________________________________________ 14 c) Drenos Verticais ______________________________________________ 15

2.3 - Critrios e Parmetros de Projeto ___________________________________ 17 2.3.1 Anlises de Estabilidade ______________________________________ 18 2.3.2 Anlises de Compressibilidade _________________________________ 19

2.3.2.1 - Deslocamentos Verticais __________________________________ 19 2.3.2.2 - Deslocamentos Horizontais ________________________________ 22

Captulo 3 - Metodologias de Projeto de Aterros de Encontro de Pontes Sobre Solos Moles com Utilizao de Geossintticos______________________________ 24

3.1 Introduo _____________________________________________________ 24 3.2 Concepo de Projeto e Arranjo Estrutural ___________________________ 24

3.2.1 Anlises de Estabilidade de Aterros Reforados de Encontros de Ponte Sobre Solos Moles ______________________________________________________ 25

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3.2.1.1 Mtodos Convencionais_____________________________________ 25 3.2.1.2 Mtodo de Jewell (1987) __________________________________ 28 3.2.1.3 Mtodo de Low et al (1990). _______________________________ 30 3.2.1.4 Soluo Analtica.________________________________________ 33

3.2.3 Anlises Complementares de Aterros Reforados Sobre Solos Moles ___ 35 3.2.3.1 Expulso do Solo Mole____________________________________ 35 3.2.3.2 Verificao do Comprimento de Ancoragem ___________________ 36

3.2.2 Anlises de Compressibilidade de Solos Moles com Drenos Verticais __ 37 3.2.2.1 Deslocamentos Verticais___________________________________ 37 3.2.2.2 Deslocamentos Horizontais ________________________________ 42

Captulo 4 - Aterros de Encontro da Ponte Sobre o Rio dos Peixes Obra da BR 381 _________________________________________________________________ 46

4.1 Localizao da Obra _____________________________________________ 46 4.2 Geologia e Estratigrafia Locais ____________________________________ 47 4.3 Histrico da Obra_______________________________________________ 48 4.4 Investigao Geotcnica do Solo Compressvel________________________ 52

4.4.1 Ensaios de Laboratrio _______________________________________ 52 4.4.2 Ensaios de Campo ___________________________________________ 54

4.5 Investigao Geotcnica do Solo dos Aterros _________________________ 63

Captulo 5 - Anlises Preliminares do Projeto dos Aterros de Encontro Obra da BR 381______________________________________________________________ 65

5.1 Parmetros de Projeto ____________________________________________ 65 5.2 Anlises de Estabilidade dos Aterros ________________________________ 66 5.3 Anlises de Compressibilidade_____________________________________ 73 5.4 Anlises dos Esforos Induzidos na Fundao da Ponte _________________ 74

Captulo 6 - Projeto e Execuo das Estruturas de Reforo e Estabilizao Obra da BR 381 ___________________________________________________________ 77

6.1 Introduo _____________________________________________________ 77

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6.2 Reforo das Fundaes da Ponte com Estacas-Raiz_____________________ 77 6.3 Concepo e Modelo Estrutural do Projeto dos Aterros de Encontro________81

6.3.1 Estabilizao dos Solos Moles de Fundao _______________________ 82 6.3.2 Reforo dos Aterros de Encontro com Geogrelhas __________________ 85

Captulo 7 - Anlises de Estabilidade e de Compressibilidade dos Aterros de Encontro com Utilizao de Geossintticos Obra da BR 381 _____________ 90

7.1 Introduo _____________________________________________________ 90 7.2 Anlises de Estabilidade dos Aterros Reforados ______________________ 91

7.2.1 Parmetros e Critrios de Projeto _______________________________ 91 7.2.2 Resultados das Anlises de Estabilidade __________________________ 93

7.3 Anlises de Compressibilidade do Solo de Fundao __________________ 105 7.4 Resultados do Monitoramento dos Recalques ________________________ 107

Captulo 8 - Concluses e Sugestes para Futuras Pesquisas ________________ 112 8.1 Consideraes Finais ___________________________________________ 112 8.2 Concluses ___________________________________________________ 112

8.2.1 Investigao Geotcnica _____________________________________ 112

8.2.2 Anlises de Estabilidade _____________________________________ 113 8.2.3 Anlises de Compressibilidade ________________________________ 115

8.2.3.1 Deslocamentos Verticais__________________________________ 115 8.2.3.2 Deslocamentos Horizontais _______________________________ 116

8.2.4 Sntese Global _____________________________________________ 117 8.3 Sugestes para Futuras Pesquisas __________________________________ 118

Referncias Bibliogrficas ____________________________________________ 119

x

LISTA DE FIGURAS

Captulo 2

Figura 2.1 Elementos estruturais de ponte __________________________________ 6

Figura 2.2 Modelos de ruptura em aterros sobre solos moles (Almeida, 1996)______ 9

Figura 2.3 Efeito do pr-carregamento na evoluo dos recalques com o tempo ___ 10

Figura 2.4 Aterro compactado em mltiplas etapas __________________________ 11

Figura 2.5 Aterro compactado com bermas de equilbrio _____________________ 11

Figura 2.6 Aterro reforado com geossintticos_____________________________ 12

Figura 2.7 Modelos de ruptura de aterro reforado sobre solos moles (Gomes, 1993)13

Figura 2.8 Remoo total de solo mole da fundao _________________________ 14

Figura 2.9 Remoo parcial de solo mole da fundao _______________________ 14

Figura 2.10 Aterro estaqueado com capitis________________________________ 15

Figura 2.11 Estabilizao de solo mole com drenos verticais sintticos __________ 15

Figura 2.12 Influncia dos drenos verticais na evoluo dos recalques com o tempo 15

Figura 2.16 Ruptura atravs do aterro e do solo de fundao___________________ 17

Figura 2.17 Relao entre a resistncia no drenada e os deslocamentos horizontais (Marche e Lacroix, 1972) _______________________________________________ 22

Figura 2.18 Distribuio dos esforos horizontais num elemento de fundao de ponte____________________________________________________________________ 23

Captulo 3

Figura 3.1 Aterro reforado sobre solo mole com utilizao de drenos verticais na fundao_____________________________________________________________ 25

Figura 3.2 Mecanismo de ruptura circular com a fora TR no reforo ____________ 26

Figura 3.3 Geometria e sistema de foras atuantes numa dada fatia _____________ 26

xi

Figura 3.4 Geometria e sistemas de foras consideradas no mtodo de Jewell _____ 29

Figura 3.5 Superfcie de Ruptura pelo Mtodo de Low et. al. __________________ 31

Figura 3.6 Nmero de estabilidade para aterro reforado _____________________ 32

Figura 3.7 Nmeros de estabilidade para aterro no reforado _________________ 32

Figura 3.8 Perfil da variao da resistncia no drenada do solo de fundao______ 33

Figura 3.9 Soluo Analtica, Jewell (1996)________________________________ 33

Figura 3.10 Expulso do Solo Mole ______________________________________ 35

Figura 3.11 Comprimento de ancoragem do reforo no aterro sobre solo mole ____ 36

Figura 3.12 Processo conjugado de drenagem vertical e drenagem radial_________ 38 Figura 3.13 Espaamento entre os drenos, malha quadrangular_________________ 39

Figura 3.14 Espaamento entre os drenos, malha triangular ___________________ 39

Figura 3.15 Esquematizao da implantao dos drenos verticais no solo ________ 41

Figura 3.16 baco de max/D em funo de f (Bourgues e Miessens, 1979) _______ 44

Figura 3.17 Variao de volume vertical e volume horizontal durante a construo 44

Figura 3.19 Diagramas de deslocamentos horizontais nas estacas para anlises feitas em geossinttico, para d=1 m (D=12 m, SS e t=180 dias) (Macdo, 2002) _________ 45

Captulo 4

Figura 4.1 Locao dos trechos correspondentes segunda etapa das obras_______ 46

Figura 4.2 Esquema de movimentao dos pilares da Ponte sobre o Rio dos Peixes 48

Figura 4.3 Localizao e distribuio dos deslocamentos horizontais dos aparelhos 49

Figura 4.4 Leitura dos inclinmetros: a) margem direita, SP b) margem esquerda, BH____________________________________________________________________ 51

Figura 4.5 Resultados dos ensaios de adensamento convencional com a amostra SP 02____________________________________________________________________ 53

Figura 4.6 - Resultados dos ensaios de adensamento convencional com a amostra BH 02

xii

____________________________________________________________________ 53

Figura 4.7 - Esquema geral de locao dos pontos de investigao geotcnica ______ 54

Figura 4.8 Resultados dos ensaios de sondagens SPT ________________________ 55

Figura 4.9 Resultados dos ensaios CPTU (lado BH) _________________________ 57

Figura 4.10 - Resultados dos ensaios CPTU (lado SP) _________________________ 58

Figura 4.11 Resultado do ensaio de dissipao lado BH_____________________ 59

Figura 4.12 Resultado do ensaio de dissipao lado SP _____________________ 59

Figura 4.13 Resultado do ensaio de palheta lado BH _______________________ 60

Figura 4.14 Resultado do ensaio de palheta lado SP ________________________ 60

Figura 4.15 Resultados dos ensaios DMT lado SP (ensaios DMT 01 e DMT 02) _ 61

Figura 4.16 Resultados dos ensaios DMT lado BH (ensaios DMT 03 e DMT 04)_ 62

Figura 4.17 Curva e parmetros de compactao do solo dos aterros ____________ 63

Captulo 5

Figura 5.1 Seo longitudinal dos aterros de encontro________________________ 66

Figura 5.2 Seo transversal dos aterros de encontro_________________________ 66

Figura 5.3 Anlises de estabilidade dos aterros de encontro (seo longitudinal) ___ 67

Figura 5.4 Anlises de estabilidade dos aterros de encontro (seo transversal) ____ 67

Figura 5.5 Anlises de estabilidade dos aterros de encontro sem sobrecarga (seo longitudinal)__________________________________________________________ 68

Figura 5.6 Anlises de estabilidade dos aterros de encontro sem sobrecarga (seo transversal)___________________________________________________________ 68

Figura 5.7 Seo longitudinal dos aterros de encontro com aterro remanescente ___ 69

Figura 5.8 Seo transversal dos aterros de encontro com aterro remanescente ____ 69

Figura 5.9 Anlises de estabilidade com aterro remanescente (seo longitudinal) _ 70

xiii

Figura 5.10 Anlises de estabilidade com aterro remanescente (seo transversal) _ 70

Figura 5.11 Seo transversal com berma e camada de aterro remanescente ______ 72

Figura 5.12 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Bishop Simplificado (GeoSlope) 72

Figura 5.13 Modelo estrutural e distribuio dos momentos ao longo das estacas _ 75

Captulo 6

Figura 6.1 Arranjo estrutural das estacas-raiz de reforo das fundaes __________ 78 Figura 6.2 Projeto de Estabilizao e Reforo dos Aterros de Encontro (DER, 1999d)____________________________________________________________________ 81

Figura 6.3 Projeto de Estabilizao e Reforo dos Aterros de Encontro (DER, 1999d)____________________________________________________________________ 81

Figura 6.4 Perfil do dreno vertical sinttico ________________________________ 82

Figura 6.5 Concepo do aterro compactado por etapas ______________________ 87

Foto 1 Perfurao das estacas-raiz com uso de lama bentontica ________________ 79

Foto 2 - Insero da armadura e concretagem das estacas-raiz ___________________ 79

Foto 3 - Cota de arrasamento e bloco de encamisamento das estacas-raiz __________ 80

Foto 4 Esquema de cravao dos drenos verticais sintticos ___________________ 83

Foto 5 rea de cravao dos drenos verticais sintticos (lado BH). _____________ 84 Foto 6 Detalhes do mandril e da emenda entre os rolos de drenos_______________ 84

Foto 7 Detalhe da perda de ancoragem do dreno no terreno subjacente __________ 85 Foto 8 Colocao da primeira camada de geogrelha sobre o colcho drenante _____ 86

Foto 9 Detalhes das emendas por sobreposio das geogrelhas_________________ 86

Foto 10 Primeira etapa do aterro compactado sobre o colcho drenante (lado SP) __ 88

Foto 11 Ponte sobre o Rio dos Peixes em trfego livre _______________________ 88

Foto 12 Execuo dos ensaios de CPTU e Vane test sobre a plataforma da berma__ 89

xiv

Captulo 7

Figura 7.1 Relao entre o nmero de reforos e o FS para geogrelhas biaxiais de resistncia trao de 200kN/m e 300kN/m _________________________________ 93

Figura 7.2 Relao entre Tmx (kN/m) e FS para 4 geogrelhas na direo longitudinal____________________________________________________________________ 94

Figura 7.3 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Bishop Modificado (650kN/m)___ 95

Figura 7.4 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Bishop Modificado (800kN/m)___ 95

Figura 7.5 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Bishop Modificado (1200kN/m)__ 96

Figura 7.6 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Janbu (650kN/m) _____________ 96

Figura 7.7 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Janbu (800kN/m) _____________ 97

Figura 7.8 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Janbu (1200kN/m) ____________ 97

Figura 7.9 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Bishop Modificado (650kN/m) seo transversal ___________________________________________________________ 98

Figura 7.10 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Bishop Modificado (800kN/m) seo transversal ______________________________________________________ 99

Figura 7.11 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Bishop Modificado (1200kN/m) seo transversal ______________________________________________________ 99

Figura 7.12 Superfcie de ruptura pelo mtodo de Janbu (650kN/m) seo transversal___________________________________________________________________ 100



Figura 7.15 Configurao das camadas e locao dos elementos de reforo nos aterros___________________________________________________________________ 101

Figura 7.16 Anlises de estabilidade pelo mtodo de Bishop Modificado - Seo longitudinal - campo __________________________________________________ 102

xv

Figura 7.17 Anlises de estabilidade pelo mtodo de Bishop Modificado - Seo transversal - campo ___________________________________________________ 102

Figura 7.18 Anlises de estabilidade pelo mtodo de Janbu seo longitudinal - campo___________________________________________________________________ 103

Figura 7.19 Anlises de estabilidade pelo mtodo de Janbu, seo transversal - campo___________________________________________________________________ 103

Figura 7.20 Anlises de estabilidade pelo mtodo de Bishop Modificado - Seo longitudinal Tmx=1290 kN/m__________________________________________ 104

Figura 7.21 Distribuio dos pontos de monitoramento da 1 etapa ____________ 107

Figura 7.22 Recalques ao longo do tempo 1 etapa lado BH_________________ 108

Figura 7.23 Recalques ao longo do tempo 1 etapa lado SP _________________ 109

Figura 7.24 Distribuio dos pontos de monitoramento da 2 etapa ____________ 110

Figura 7.25 Recalques ao longo do tempo 2 etapa lado BH_________________ 110

Figura 7.26 Recalques ao longo do tempo 2 etapa lado SP _________________ 110

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LISTA DE TABELAS

Captulo 2

Tabela 2.1 Classificao de solos baseada na compressibilidade secundria_______ 21

Captulo 3

Tabela 3.1 Classificao da Estabilidade (Sandroni e Lacerda, 2001)____________ 44

Captulo 4

Tabela 4.1 Deslocamentos e deformaes angulares dos aparelhos de neoprene ___ 49

Tabela 4.2 Valores mdios dos parmetros geotcnicos da argila mole __________ 52

Captulo 5

Tabela 5.1 Parmetros geotcnicos do solo mole de fundao__________________ 65

Tabela 5.2 Parmetros geotcnicos do solo dos aterros _______________________ 65

Tabela 5.3 Momentos fletores atuantes nas estacas __________________________ 76

Captulo 6

Tabela 6.1 Propriedades mecnicas do dreno vertical sinttico _________________ 82

Captulo 7

Tabela 7.1 Fatores de reduo para o clculo da resistncia trao de projeto (Elias e Christopher, 1997) _____________________________________________________ 92

Tabela 7.2 Propriedades geotcnicas dos solos de fundao e aterro_____________ 92

Tabela 7.3 Parmetros adotados para o projeto dos aterros reforados de encontro _ 92 Tabela 7.4 Resultados das anlises de estabilidade para a seo longitudinal ______ 94

Tabela 7.5 Resultados das anlises de estabilidade para a seo transversal _______ 98

xvii

Tabela 7.6 Resultados das anlises de compressibilidade (drenagem vertical e radial)___________________________________________________________________ 106

Tabela 7.7 Resultados das anlises de compressibilidade (drenagem acoplada) ___ 109

Tabela 7.8 Sntese dos recalques obtidos no monitoramento da 1 etapa do aterro _ 109

Tabela 7.9 Sntese dos recalques obtidos no monitoramento da 2 etapa do aterro _ 111

Captulo 1

Introduo

1.1 Importncia da Pesquisa

Na engenharia geotcnica, a execuo de aterros sobre solos moles constitui uma abordagem francamente conhecida e plenamente estabelecida em termos dos conceitos e princpios gerais do conhecimento especializado disponvel na atualidade. Isto, entretanto, no significa que a prtica da engenharia geotcnica, seja em aterros convencionais, encontros de pontes ou diques de conteno, utilize de forma sistemtica e abrangente este acervo de estudos disponveis.

Este contexto particularmente grave em projetos de aterros de encontros de ponte sobre solos moles, bastante freqentes em obras rodovirias e que so afetados, em larga escala, pelos condicionantes de prazos e cronogramas destes empreendimentos. Neste sentido, as pontes ainda so construdas antes dos aterros de encontro, gerando problemas de recalques excessivos e comprometimento da estabilidade da estrutura quando da execuo posterior dos aterros de encontro, em funo dos esforos induzidos pelos prprios aterros e pelas cargas de trfego.

Assim, torna-se imprescindvel a realizao de estudos geotcnicos especficos para obras desta natureza, em condies de execuo aps a construo da ponte propriamente dita, particularmente em termos de processos de estabilizao e reforo dos aterros e do solo mole de fundao. A aplicao de aterros reforados com elementos polimricos e de drenos verticais sintticos est, cada vez mais, assumindo as caractersticas de maior viabilidade e confiabilidade, condicionando os projetos a uma maior integralizao dos parmetros adotados com as propriedades reais dos solos moles existentes. Neste caso, procedimentos mais detalhados de investigao geotcnica dos solos locais, em termos de ensaios de campo e de laboratrio, propiciam elementos mais consistentes para uma anlise mais abrangente e mais criteriosa das condies de estabilidade e compressibilidade dos aterros de encontro.

2

1.2 Objetivos do Trabalho

Esta dissertao tem como objetivo principal avaliar o comportamento de aterros de encontro de pontes, sobre solos moles, em termos de estabilidade e de compressibilidade, considerando a aplicao de geossintticos como elementos de reforo do aterro e como dispositivos aceleradores de recalque atravs da drenagem interna do solo de fundao, para o caso especfico de uma obra dos projetos de duplicao da BR 381 (Rodovia Ferno Dias).

Entre os diversos problemas geotcnicos ocorridos na construo de encontros de pontes sobre solos moles ao longo desta rodovia federal, particularmente na regio do chamado Lote 20 (km 787,5 ao km 845,6), um dos mais relevantes ocorreu no km 832,8, no trecho correspondente transposio do Rio dos Peixes. A ocorrncia de solos moles na fundao dos aterros de encontro originou a necessidade de implementao de projetos de estabilizao e reforo, compreendendo a utilizao de drenos verticais sintticos (drenos pr-fabricados), bermas de equilbrio, aterro compactado por etapas e reforado com duas camadas de geogrelhas, bem como o reforo das fundaes da ponte com estacas-raiz.

A presente dissertao consiste, assim, na avaliao global destas solues, no contexto dos trabalhos de investigao geotcnica, critrios de projeto e metodologias construtivas, bem como a anlise das condies reais de execuo da obra.

1.3 Metodologia dos Estudos

Inicialmente, fez-se uma reviso bibliogrfica geral sobre este tipo de problema e as alternativas de projetos geotcnicos mais usuais para a sua abordagem e soluo. Esta abordagem compreendeu a contextualizao do assunto em termos dos princpios e propriedades dos solos moles, aterros de encontro de pontes sobre solos moles, tcnicas de estabilizao e reforo, mtodos de anlise de estabilidade e de compressibilidade, alm das metodologias empregadas na execuo e interpretao dos resultados de ensaios de laboratrio e de campo.

3

A seguir, fez-se o acompanhamento da execuo dos aterros de encontro da ponte sobre o Rio dos Peixes, obra sob fiscalizao do consrcio CAB-Engesolo e do prprio DER/MG. Esta fase compreendeu desde o reforo das fundaes da ponte por estacas-raiz at a execuo da primeira etapa de alteamento do aterro compactado, passando pela execuo do colcho drenante, a cravao dos drenos pr-fabricados, execuo das bermas de equilbrio e a disposio das geogrelhas em ambos os lados da ponte.

Adicionalmente, procedeu-se a retirada das amostras indeformadas, atravs de amostradores de parede fina tipo Shelby, com as quais foram realizados ensaios de caracterizao e adensamento em laboratrio. Alm destes ensaios, foram previstos ensaios triaxiais que, entretanto, no foram realizados, devido s dificuldades de obteno de amostras contnuas e representativas do solo mole local (captulo 4). Para contornar estes problemas, foi implementada uma ampla investigao atravs de ensaios de campo, que compreenderam ensaios de cone com dissipao de poropresso (CPTU), ensaios Vane Test (VT), ensaios dilatomtricos (DMT) e sondagens percusso com medidas de SPT.

De posse dos resultados obtidos atravs destes ensaios e, aps a definio dos parmetros a ser utilizados nas anlises, procedeu-se a verificao do comportamento do conjunto formado pelo aterro reforado com geogrelhas e o solo mole de fundao, estabilizado com drenos verticais sintticos. Deste modo, as anlises corresponderam ao estudo da estabilidade e da compressibilidade atravs de metodologias clssicas da Mecnica dos Solos e ferramentas computacionais, em duas condies distintas: projeto e campo. De acordo com os resultados fornecidos por estas anlises e com base inclusive em dados obtidos do histrico da obra nas condies de uso da rodovia, foi possvel prever e reavaliar o comportamento da estrutura projetada em condies de servio.

1.4 Estruturao do Trabalho

Este trabalho foi dividido em oito captulos, com as seguintes abordagens:

4

Captulo 1 Insero do tema no contexto geral da dissertao, caracterizando-se a importncia da pesquisa realizada, os objetivos propostos, a metodologia empregada e a estruturao do trabalho;

Captulo 2 Apresentao e identificao dos elementos envolvidos, de acordo com a reviso bibliogrfica, descrevendo-se algumas tcnicas de estabilizao e reforo para projetos e os conceitos gerais de anlises de estabilidade e de compressibilidade de aterros sobre solos moles;

Captulo 3 Neste captulo, so abordadas as metodologias mais usuais de projeto de aterros de encontro de pontes sobre solos moles com a utilizao de geossintticos, tais como os mtodos baseados nas teorias do equilbrio limite, o Mtodo de Jewell (1987), o Mtodo de Low et al. (1990), soluo analtica proposta por Jewell (1996), etc, bem como os fundamentos conceituais de drenagem combinada em drenos verticais sintticos (drenagem vertical e radial), baseadas nas teorias clssicas de Terzaghi e Barron;

Captulo 4 Descrio da obra estudada e caracterizao da geologia e estratigrafia local, histrico da obra e resultados obtidos pela investigao geotcnica, atravs de ensaios de laboratrio e de campo, em relao ao solo mole e ao solo de aterro;

Captulo 5 Apresentao dos resultados obtidos pelas anlises preliminares do projeto de aterros de encontro da ponte sobre o Rio dos Peixes, em termos das condicionantes estruturais das fundaes originais da ponte (estacas Franki), anlises da estabilidade do arranjo inicial, magnitude dos recalques e dos mecanismos de instabilizao induzidos pelos deslocamentos horizontais detectados;

Captulo 6 Neste captulo, so estabelecidos os principais critrios de projeto e as metodologias construtivas adotadas na implantao dos reforos da fundao da ponte por estacas-raiz, os procedimentos para o reforo do aterro com geossintticos e os processos de estabilizao do solo mole local com drenos verticais sintticos;

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Captulo 7 Anlises de estabilidade e de compressibilidade dos aterros de encontro da ponte sobre Rio dos Peixes com a utilizao de geossintticos e os resultados decorrentes do monitoramento da evoluo dos recalques dos aterros no perodo ps-construtivo;

Captulo 8 Concluses finais obtidas no trabalho, reavaliao global das condicionantes de estabilidade e de compressibilidade dos aterros de encontro da ponte sobre o Rio dos Peixes, bem como propostas para pesquisas adicionais, que visem complementar e dar continuidade aos estudos relacionados construo de aterros de encontro de pontes, sobre solos moles, com a utilizao de geossintticos.

Captulo 2

Aterros de Encontro de Pontes Sobre Solos Moles

2.1 - Aterros de Encontro de Pontes

Os projetos rodovirios e ferrovirios contam, em sua definio, com estruturas capazes de transpor obstculos, tais como os leitos de rio, vales ou caminhos de passagem j existentes. Entre estas estruturas encontram-se as pontes e os viadutos, de diversos tipos e tamanhos, dimensionados para resistir aos esforos impostos por diferentes cargas. Estas obras de arte especiais possuem em sua concepo quatro tipos de elementos bsicos (figura 2.1):

superestrutura

encontroencontromeso-estrutura

infra-estrutura

Figura 2.1 Elementos estruturais de ponte

Infra-estrutura: blocos, sapatas, estacas ou tubules, cuja funo captar os esforos estticos e dinmicos impostos pela estrutura e transmiti-los s camadas de solo ou rocha existentes;

Meso-estrutura: pilares de sustentao que so elementos de ligao entre a super e a infra-estrutura, responsveis pela sustentao do conjunto formado pelas vigas e lajes;

Superestrutura: vigas e lajes com a finalidade de receber o pavimento e absorver os esforos impostos pelas cargas estticas e dinmicas atuantes;

Encontros: paredes laterais que tm a funo de resistir aos empuxos de terra induzidos pelo aterro de acesso, evitando que estes esforos sejam transferidos a outros elementos.

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As pontes em concreto armado constituem estruturas rgidas capazes de suportar o peso prprio e os esforos internos causados pelas variaes de temperatura, fadiga do material, retrao e dilatao do concreto, bem como os esforos induzidos por sobrecargas externas.

Entre estes agentes externos, citam-se os carregamentos axiais, carregamentos laterais,

foras devido ao vento, impactos acidentais, empuxos de gua nos pilares, empuxos de terra e solicitaes transversais nas fundaes. Os empuxos de terra so foras geradas pelos aterros de acesso estrutura e induzem esforos horizontais nos encontros e na meso-estrutura.

Estes aterros, tambm chamados de aterros de encontro ou aterros de encabeamento, exercem sobre o solo cargas que podem gerar esforos transversais nos elementos de fundao da ponte, em funo dos deslocamentos horizontais.

Normalmente estes efeitos so desconsiderados nos clculos das estruturas por no apresentarem grande magnitude (Barker e Puckett, 1997). No entanto, em alguns tipos de solo de fundao, como os solos moles, este efeito extremamente importante. Neste caso os deslocamentos horizontais so muito representativos e influenciam drasticamente o comportamento das estacas ou tubules, com comprometimento da trabalhabilidade e da segurana de toda a obra.

Alm disso, a carga exercida pelo aterro resulta ainda em deslocamentos verticais no terreno que podem implicar em recalques diferenciais bastante acentuados, afetando a integridade do conjunto aterro-ponte-pavimento, sendo comum, nestas condies, o surgimento de trincas e/ou superfcies abauladas.

Tem-se, portanto, que o prvio conhecimento do perfil geotcnico do subsolo e das propriedades dos solos de fundao, imprescindvel para adaptar o projeto das estruturas s condies reais de campo, atentando-se particularmente para os possveis esforos resultantes dos deslocamentos horizontais e verticais, induzidos pela execuo dos aterros de encontro.

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2.2 Aterros Sobre Solos Moles

Em obras geotcnicas, comum a presena de determinadas condies inadequadas de fundao, que exigem anlises especficas e a adoo de procedimentos no convencionais para a superao dos problemas detectados.

Uma ocorrncia freqente deste tipo de material corresponde aos chamados solos moles, que se caracterizam por apresentar baixa resistncia ao cisalhamento e elevada compressibilidade.

Granulometricamente, os solos moles so formados por fraes finas, contendo propores variveis de silte e argila, em condies saturadas, pouco permeveis e, eventualmente tipificados por elevados teores de matria orgnica, responsvel pela colorao escura dos solos.

Tm sua gnese em meio aquoso, onde so favorecidas as condies anaerbicas responsveis pela elevada decomposio orgnica, como as zonas de transio entre o terreno resistente e o lenol fretico, margens e plancies prximas a rios, regies de inundao e alagados. Ocorrem ainda em plancies costeiras e faixas litorneas, onde as argilas marinhas possuem concentraes variadas de sais solveis, como os cloretos e os sulfatos.

A presena de solos moles em fundaes de aterros de encontro de pontes uma situao corrente na engenharia geotcnica, demandando anlises especficas e que tem sido objeto de recentes pesquisas no pas (Marques e Franoso, 1995; Fahel, 1998; Cavalcante, 2001; Macdo, 2002;), com nfase na magnitude dos deslocamentos horizontais e das tenses atuantes nos elementos das estruturas adjacentes.

Um fator de grande relevncia nos estudos do comportamento dos aterros sobre solos moles corresponde s anlises de suas condies de estabilidade interna (aterro), estabilidade externa (fundao) e estabilidade global (aterro + fundao), cujos modelos de ruptura so ilustrados na figura 2.2 (Almeida, 1996; Silva e Palmeira, 1998).

9

aterro

instabilidade interna

aterro

instabilidade da fundao

instabilidade global

aterro

Figura 2.2 Modelos de ruptura em aterros sobre solos moles (Almeida, 1996)

Assim, tcnicas diversas tm sido desenvolvidas ou aperfeioadas, nestas ltimas dcadas, com a finalidade de excluir ou minimizar os problemas originados pela elevada compressibilidade e baixa resistncia dos solos moles. Entre estas tcnicas, citam-se os processos de estabilizao hidrulica, estabilizao fsica e reforo dos solos.

Os processos de estabilizao hidrulica interferem no regime de fluxo da gua intersticial presente no solo, ou seja, alteram as condies hdricas, tais como a posio do lenol fretico, a direo de percolao ou os teores de umidade naturais. Incluem sistemas de drenagem superficial, drenagem profunda, eletrosmose, sobrecargas de aterros compactados e drenos verticais, atravs de projetos especficos ou integrados.

Os mtodos de estabilizao fsica envolvem a alterao da geometria do sistema ou a utilizao de dispositivos auxiliares, tais como as bermas de equilbrio, que atuam como elementos laterais de compensao dos esforos induzidos pelas sobrecargas sobre o solo mole.

Os processos de reforo modificam as caractersticas do solo mediante a incluso de materiais capazes de resistir aos esforos atuantes, particularmente os geossintticos.

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O uso concomitante destes processos bastante comum na prtica da engenharia geotcnica, visto que, em muitos casos, esta interao garante uma maior resistncia e

uma menor deformabilidade do solo. A seguir, so descritos, de forma sucinta, alguns destes processos aplicados a aterros sobre solos moles.

2.2.1 Mtodos Construtivos de Aterros Sobre Solos Moles

a) Aplicao de Sobrecargas e Execuo do Aterro em Etapas

A aplicao de sobrecargas, na forma de aterros no compactados, tem a finalidade de expulsar a gua intersticial a partir de um carregamento, iniciando-se um mecanismo de adensamento, caracterizado por um processo gradual de transferncia de poropresses em tenses efetivas. Com a sada da gua, os ndices de vazios so reduzidos e o rearranjo das partculas confere maior resistncia camada, crescente com o decorrer do tempo at alcanar um nvel estvel. A atuao da sobrecarga propicia uma substancial reduo prvia dos recalques previstos (figura 2.3), de forma que a estrutura final possa absorver, sem maiores problemas, os recalques remanescentes (Hausmann, 1990).

sem pr-carregamento

Tempo

Des

loca

men

to

com pr-carregamento

Figura 2.3 Efeito do pr-carregamento na evoluo dos recalques com o tempo

A construo dos aterros compactados, bem como a utilizao de sobrecargas, fica condicionada capacidade de suporte dos solos de fundao e este requisito implica comumente a necessidade de construo do aterro em vrias etapas. Esta tcnica consiste em promover gradativamente o aumento da capacidade de suporte do solo mole, pelo acrscimo das tenses efetivas, a partir da aplicao de cargas inferiores ao carregamento final, em estgios sucessivos (figura 2.4).

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Estes procedimentos envolvem anlises detalhadas das condies de estabilidade e de compressibilidade do aterro.

aterro

solo mole

camadas compactadas

camadas a compactar

Figura 2.4 Aterro compactado em mltiplas etapas

Trata-se de uma tcnica bastante simples, mas que demanda longos perodos para a completa estabilizao dos recalques, o que em muitos casos no adequado. Na prtica comum a utilizao desta tcnica em conjunto com outros processos capazes de acelerar globalmente o processo de adensamento da camada.

b) Bermas de Equilbrio

As bermas de equilbrio so estruturas utilizadas para garantir a estabilidade global do conjunto formado pelo solo mole e pelo aterro, compensando os momentos atuantes e elevando-se o fator de segurana (figura 2.5). Consiste de uma tcnica cujo princpio de estabilizao puramente fsico, no havendo modificaes nas propriedades dos solos existentes na fundao. Os principais condicionantes do emprego de bermas de equilbrio referem-se quantidade de material de aterro necessrio e s amplas reas laterais para a sua implantao.

aterro

solo mole

berma de equilbrio

Figura 2.5 Aterro compactado com bermas de equilbrio

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c) Aterro Reforado com Geossintticos

Este mtodo consiste na incluso na base do aterro de materiais polimricos, de elevada resistncia e rigidez (figura 2.6), aumentando-se o fator de segurana do sistema em termos da estabilidade global, durante o processo executivo e nas fases subsequentes de adensamento do solo de fundao (Silva e Palmeira, 1998).

aterro

solo mole

camadas de reforo

Figura 2.6 Aterro reforado com geossintticos

Estas incluses podem ser na forma de geotxteis ou geogrelhas, que so elementos bidimensionais, diferenciados pelos mecanismos de interao solo-reforo. No caso dos geotxteis, a interao resulta basicamente do atrito gerado na interface entre o solo e a superfcie do reforo. No caso das geogrelhas os mecanismos responsveis pela condio estabilizadora do aterro reforado so resultantes do atrito e da resistncia passiva ou ancoragem. A predominncia de um ou outro, ou ainda a combinao proporcional de ambos, deve-se particularmente interdependncia existente entre a tecnologia de fabricao da grelha e da geometria do sistema formado pela grelha e pelo solo.

Outro fator relevante nas anlises do comportamento do solo reforado com geogrelha a diferenciao dos mecanismos de interao resultantes dos processos de arrancamento do reforo da massa de solo e do processo de deslizamento do material compactado ao longo dos reforos. A resistncia ao arrancamento quantificada pelo atrito solo-reforo e pelos efeitos de ancoragem dos membros transversais (resistncia passiva). Para o segundo caso, a interao condicionada por mecanismos de atrito solo-reforo, atrito solo-solo ao longo das aberturas da geogrelha e efeitos de ancoragem (Gomes, 1993).

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Deste modo, os modelos potenciais de ruptura incluem a instabilizao interna por arrancamento e por deslizamento ou escorregamento, a instabilizao atravs da fundao e a instabilizao global (figura 2.7).

Figura 2.7 Modelos de ruptura de aterro reforado sobre solos moles (Gomes, 1993)

Com base em estudos feitos sobre aterros reforados (Almeida, 1996; Silva e Palmeira, 1998; Fahel et al, 1999; entre outros), constata-se que este mtodo proporciona melhor distribuio das tenses aplicadas pelo aterro sobre o solo de fundao, minimizao dos recalques diferenciais, reduo dos deslocamentos horizontais, reduo do tempo de execuo, aumento do fator de segurana do conjunto e o aumento da vida til da obra.

d) Remoo do Solo Mole

A remoo total da camada de solo compressvel constitui a alternativa mais radical das possveis solues do problema, sendo condicionada basicamente pelas anlises de custos envolvidos. Em geral adota-se um procedimento intermedirio mediante a remoo parcial do solo mole e sua substituio por outro material com caractersticas geotcnicas adequadas natureza e especificidades da obra (figuras 2.8 e 2.9).

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aterro

solo moleremoo total

Figura 2.8 Remoo total de solo mole da fundao

aterro

solo mole

remoo parcial

Figura 2.9 Remoo parcial de solo mole da fundao

e) Aterros Estaqueados

Em aterros estaqueados, as estacas atuam como elementos rgidos capazes de absorver uma parcela elevada das cargas transmitidas pelo aterro transferindo-as s camadas mais resistentes do subsolo. Comumente so utilizados materiais granulares em colunas distribudas adequadamente no solo de fundao, com ou sem a presena de capitis no topo das colunas e imediatamente sob o aterro (figura 2.10).

As estacas com capitis absorvem uma maior parcela do carregamento, devido a maior rea de contato com o aterro. Isto decorre do efeito de arqueamento do material do aterro com a deformabilidade do solo mole. Quando a fundao muito compressvel e em funo dos espaamentos entre os capitis, o efeito de arco reduzido, tornando-se necessria a insero de um geossinttico na interface do aterro-solo-capitel, de modo a corrigir a distribuio das tenses (Macdo, 2002).

De um modo geral, o estaqueamento na camada de solo mole condiciona um melhor comportamento tenso-deformao da fundao, alm de contribuir para a estabilidade global do sistema.

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aterro

solo mole

estacas com capitis

Figura 2.10 Aterro estaqueado com capitis

f) Drenos Verticais

Em associao com a aplicao de sobrecargas, empregam-se usualmente os drenos verticais, os quais tm a funo de acelerar o processo de adensamento do solo, atravs do acoplamento da drenagem vertical com a drenagem radial (figura 2.11).

aterro

solo mole

drenos verticais

Figura 2.11 Estabilizao de solo mole com drenos verticais sintticos

O princpio da teoria dos drenos verticais consiste na reduo das trajetrias de fluxo das partculas de gua, sem alterao do valor do recalque final, mas com reduo substancial do tempo necessrio para a sua estabilizao (figura 2.12) (Hausmann, 1990, Almeida et al, 1999).

com drenos

sem drenos

Tempo

De

slo

ca

me

nto

Figura 2.12 Influncia dos drenos verticais na evoluo dos recalques com o tempo

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A eficincia da tcnica dos drenos verticais pode ser comprometida por problemas de natureza diversa. A presena de camadas granulares com ndices de permeabilidade superiores ao dreno, por exemplo, pode induzir o processo de drenagem, tornando-se zonas de fuga para a gua intersticial (Lopes, 1991). Outro condicionante de grande singularidade o efeito de amolgamento (smear) do solo, causado pela instalao dos drenos, provocando uma reduo da permeabilidade do solo em torno do dreno, o que dificulta a percolao do fluido e compromete a drenagem radial (Indraratna e Redana, 1998). Alm disso, a possibilidade de dobramento e seccionamento durante o adensamento deve ser considerada, devido s influncias que causam na eficincia do dreno e s interferncias na capacidade de descarga (Almeida, 1992).

Esta tcnica envolve a utilizao de dois tipos de drenos: os drenos verticais de areia e os drenos verticais sintticos (geodrenos). Os drenos verticais de areia so constitudos por material granular de caractersticas de drenabilidade melhores que o solo a ser estabilizado e o uso deste material envolve alguns condicionantes que dificultam a sua aplicao, tais como o tempo de execuo extenso, a possibilidade de rompimento do dreno com o adensamento das camadas de solo, uma maior rea de influncia do efeito de amolgamento devido ao processo executivo e maior susceptibilidade colmatao.

Em vista destas limitaes, os drenos verticais sintticos tm sido amplamente empregados atualmente, justamente por apresentarem as vantagens de reduo do tempo de execuo, implicando em uma relao custo-benefcio aceitvel, alm de garantir a eficincia mediante a continuidade da capacidade de vazo e manter a integridade dos meios drenante e filtrante com os recalques sucessivos.

Adicionalmente, a influncia dos efeitos de amolgamento diminui consideravelmente neste caso, pois o processo de cravao menos agressivo, perturbando sensivelmente menos o solo lateral. Os drenos verticais pr -fabricados compreendem um produto geocomposto com funo de drenagem, utilizado para o adensamento de solos compressveis, cujo ncleo constitui-se de uma malha drenante sinttica, composta de polietileno, polipropileno, polister ou PVC, envolta em um geossinttico filtrante,

normalmente geotxtil no tecido, que impede a colmatao do ncleo.

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2.3 - Critrios e Parmetros de Projeto

Os critrios de projeto de aterros de encontro de pontes sobre solos moles esto condicionados ao comportamento da obra quanto sua estabilidade e sua compressibilidade, enquanto que os parmetros adotados nas anlises so caracterizados pelos ensaios de campo e de laboratrio.

A anlise de estabilidade do aterro compactado desenvolvida com base nos princpios clssicos da mecnica dos solos, a partir dos conceitos de altura crtica, inclinao dos taludes e da adoo das superfcies potenciais de ruptura, mediante a determinao do coeficiente de segurana da estrutura. Nestes estudos, so includas tambm anlises de estabilidade global do sistema incorporando mecanismos de ruptura ao longo do solo de fundao (figura 2.13).

solo mole

Hc

aterrosuperfcie de

rupturan

1

Figura 2.13 Ruptura atravs do aterro e do solo de fundao

Quanto aos estudos relativos s condies de compressibilidade das camadas de solo sob o aterro, estes envolvem a determinao dos valores dos recalques imediatos, primrios e secundrios e a previso da evoluo dos mesmos com o tempo atravs das teorias de adensamento unidimensional de Terzaghi (drenagem vertical), ou da teoria de Barron (drenagem radial) ou ainda, atravs da teoria de Carrillo que considera drenagens vertical e radial ocorrendo simultaneamente. Alm disto, os estudos de compressibilidade envolvem a verificao dos deslocamentos horizontais e sua interferncia na estabilidade dos componentes de infra-estrutura e meso-estrutura das construes adjacentes.

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2.3.1 Anlises de Estabilidade

As anlises de estabilidade de aterros sobre solos moles compreendem os seguintes casos:

- Estabilidade da fundao; - Estabilidade global; - Estabilidade interna.

Em termos de estabilidade da fundao, o problema bsico refere-se determinao da altura crtica do aterro. Esta altura pode ser determinada em funo da resistncia no-drenada do solo de fundao (equao 2.1), desconsiderando-se os efeitos da inclinao do talude, da variao da resistncia no drenada com a profundidade e a resistncia do aterro.

at

uc

c

SNH

= (2.1)

Aplicando-se um dado fator de segurana, usualmente FS = 1,5, resulta um valor da altura admissvel do aterro dado por:

at

uc

adm FSSN

H

= (2.2)

Onde: Nc fator de capacidade de carga, Nc = pi + 2;

Su resistncia no drenada do solo de fundao;

at peso especfico do material de aterro;

A obteno da resistncia no drenada pode ser feita atravs de ensaios de laboratrio de compresso triaxial, principalmente CU, ou atravs de ensaios de campo (piezocone, palheta, dilatmetro, pressimetro).

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No caso dos ensaios de laboratrio, o amolgamento das amostras pode levar obteno de valores da resistncia no drenada conservativos, induzindo a uma subestimativa da altura mxima do aterro, alm de influenciar significativamente na estimativa dos recalques de acordo com Martins e Lacerda (1994).

Em situaes onde se requer uma altura final do aterro maior que a altura admissvel, este deve ser executado em etapas, incorporando um aumento progressivo da resistncia ao cisalhamento do solo de fundao devido ao adensamento. Neste caso, a anlise de estabilidade deve ser estabelecida isoladamente para cada etapa do carregamento.

Em termos de estabilidade global, as anlises englobam mecanismos de ruptura combinada (aterro + fundao), avaliados atravs dos mtodos de equilbrio limite. Estes mtodos admitem o solo como material rgido, perfeitamente plstico, entre outras hipteses simplificadoras como, por exemplo, o mesmo fator de segurana em qualquer ponto da superfcie de ruptura. Entre estes citam-se o mtodo de Bishop Modificado, o mtodo do US Corps of Engineers e o mtodo de Jewell (Fahel, 1998; Silva e Palmeira, 1998). Quanto estabilidade interna, verifica-se a segurana do aterro em termos de um escorregamento lateral passvel de ser desenvolvido em funo do acrscimo das tenses horizontais.

2.3.2 Anlises de Compressibilidade

2.3.2.1 Deslocamentos Verticais

Os deslocamentos verticais compreendem os recalques imediatos ou elsticos, os recalques por adensamento e resultantes da compresso secundria. Os recalques imediatos ocorrem imediatamente aps a aplicao das sobrecargas, sob condies no drenadas, sendo usualmente desconsiderados nas anlises de compressibilidade deste tipo de estrutura. Os recalques por adensamento, ou recalques primrios, so estimados com base na curva tenso-deformao e nos parmetros de compressibilidade obtidos a partir de ensaios oedomtricos convencionais, ou mediante correlaes com resultados de outros ensaios geotcnicos.

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Estes parmetros de compressibilidade so muito influenciados pela qualidade da amostragem, ou seja, pelo efeito de amolgamento das amostras, que pode falsear o valor da tenso de pr-adensamento e subestimar ou superestimar os valores dos recalques (Kimura e Saitoh, 1984; Martins e Lacerda,1994).

A evoluo dos recalques por adensamento ao longo do tempo est condicionada ao grau de adensamento mdio da camada de argila mole e sua magnitude influenciada pela tenso de pr-adensamento. Para a condio de solos pr-adensados tem-se:

CASO I - vf < vm

)'()'(

log1 00

0v

v

e

CH frp

+= (2.3)

CASO II - vf > vm

++

+= )'(

)'(log

1)'()'(log

1 0000

m

fcmrp

v

v

e

Cv

v

e

CH

(2.4)

Para solos normalmente adensados, tem-se:

)'()'(

log1 00

0v

v

e

CH fcp

+= (2.5)

onde: p recalque por adensamento;

vm tenso de pr-adensamento;

vo tenso efetiva vertical inicial;

vf tenso efetiva vertical final;

H0 espessura da camada de fundao; e0 ndice de vazios inicial do solo de fundao; Cc coeficiente de compresso; Cr coeficiente de recompresso.

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A compresso secundria est vinculada a um potencial rearranjo das partculas slidas e sua ocorrncia est associada variao de volume sob uma tenso constante, ou seja, o solo continua a variar de volume mesmo aps a dissipao das poropresses geradas pelo carregamento aplicado. Em muitos casos, a compresso secundria desconsiderada no clculo dos recalques, devido parcela correspondente a este fenmeno ser de grandeza muito inferior ao recalque primrio. No entanto, para depsitos compostos por siltes ou argilas orgnicas, este efeito significativo e pode assumir propores considerveis nos deslocamentos das camadas (Holtz e Kovacs, 1981; Schmidt e Pacheco, 1994; Sampaio Junior, et al, 2002).

Mesri (1973), apresenta uma classificao do comportamento dos solos (tabela 2.1) baseada na compressibilidade secundria e no coeficiente de compresso secundria

(), o qual determinado pela equao 2.6 e relaciona a deformao e o tempo fornecidos pela curva x log t, tpica de ensaios de adensamento.

te

Clog1 0

=

+=

(2.6)

Tabela 2.1 Classificao de solos baseada na compressibilidade secundria

(%)6,4

mdiaalta

muito altaextremamente alta

compressibilidade secundriamuito baixa

baixa

A estimativa do recalque secundrio, atravs de um modelo proposto por Ladd et al (1977), resulta da proposta apresentada por Bjerrum (1972), que considera os recalques primrios e secundrios ocorrendo concomitantemente durante o tempo de vida da obra (tv), em dias, segundo a equao 2.7.

( )vs tCH log0 = (2.7)

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2.3.2.2 Deslocamentos Horizontais

Os deslocamentos dos solos moles podem gerar danos ou at mesmo provocar a ruptura dos elementos estruturais de fundao das pontes. Neste sentido, a estimativa criteriosa da magnitude das tenses e dos deslocamentos horizontais no solo de fundao constitui um importante critrio de projeto.

Segundo Marche e Lacroix (1972) e Tchebotarioff (1970), com base em observaes realizadas em campo, para que a influncia do movimento lateral no seja significativa, a altura do aterro deve atender a seguinte relao:

at

uSH

3

max (2.8)

Os valores de tenses analisados por Marche e Lacroix (1972), relacionados com os deslocamentos horizontais medidos em casos de diferentes obras, indicam a validade da expresso 2.8 (figura 2.14).

Figura 2.14 Relao entre a resistncia no drenada e os deslocamentos horizontais (Marche e Lacroix, 1972)

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Para o caso em que esta condio de altura mxima no se verifica, torna-se necessrio a avaliao dos esforos induzidos pelos deslocamentos horizontais sobre as estruturas adjacentes (figura 2.15). Estes esforos podem ser estimados atravs de mtodos empricos de estimativa de carregamento transversal em estacas (Tchebotarioff, 1973; De Beer-Wallays, 1977; Aoki, 1970), ou, em casos mais complexos, atravs de ferramentas numricas, como o mtodo dos elementos finitos, por exemplo.

solo mole

h

v

fundao da ponte

Figura 2.15 Distribuio dos esforos horizontais num elemento de fundao de ponte

Devido natureza especfica do comportamento dos solos moles, a execuo de aterros de encontro de pontes sobre este tipo de fundao exige um acompanhamento sistemtico da obra durante e aps a execuo.

Para monitorar e conhecer o comportamento geotcnico do solo mole e do aterro e, consequentemente, manter a segurana, a integridade e a eficincia do conjunto, faz-se uso de instrumentos geotcnicos de natureza diversa. Em aterros sobre solos moles, dispem-se usualmente de trs tipos bsicos de instrumentao, destinados s medidas de deslocamentos horizontais, deslocamentos verticais e de gerao de poropresses. Estes dispositivos incluem: placas de recalques, verticais de extensmetros magnticos (aranhas), marcos superficiais, inclinmetros, piezmetros, medidores de nvel dgua.

Captulo 3

Metodologias de Projeto de Aterros de Encontro de Pontes Sobre Solos Moles com Utilizao de Geossintticos

3.1 Introduo

Conforme exposto no captulo anterior, os projetos de aterros sobre solos moles podem incorporar diferentes concepes para a soluo dos problemas de compressibilidade e de baixa resistncia ao cisalhamento do solo de fundao.

Adicionalmente, enfatizou-se que o uso concomitante de tcnicas diferentes, associando-se as vantagens que cada alternativa apresenta, prtica corrente na engenharia geotcnica. A escolha de um dado mtodo de estabilizao, aplicado isoladamente ou no, envolve a avaliao de aspectos como disponibilidade de materiais e de recursos financeiros necessrios, prazos para a execuo da obra e especificidades do projeto.

Este captulo tem por objetivo descrever as metodologias clssicas de projeto baseadas na utilizao conjugada de aterros reforados e drenos verticais, para a estabilidade de estruturas assentes sobre solos moles, incluindo os procedimentos para a estimativa dos deslocamentos horizontais e dos esforos transferidos aos elementos estruturais da ponte.

3.2 Concepo de Projeto e Arranjo Estrutural

Basicamente, um sistema aterro reforado fundao com drenos pr-fabricados envolve o emprego conjugado de drenos pr-fabricados para acelerar o processo de adensamento da camada compressvel e de geossintticos como elementos de reforo na base do aterro, a fim de garantir a estabilidade do conjunto (figura 3.1).

25

aterro

solo mole

camadas de reforo

drenos verticais

Figura 3.1 Aterro reforado sobre solo mole com utilizao de drenos verticais na fundao

Assim os princpios de projeto compreendem anlises de estabilidade e de compressibilidade do solo mole de fundao ao longo do tempo. No primeiro caso, os estudos incluem a determinao da altura crtica do aterro, a definio dos mecanismos potenciais de ruptura, a determinao do fator de segurana do conjunto formado pelo aterro e fundao e o nmero e o comprimento das camadas de reforo na base do aterro, estabelecido em funo do tipo e da resistncia trao do geossinttico a ser utilizado. No segundo caso o arranjo estrutural do sistema estabelecido a partir da determinao do espaamento entre os drenos pr-fabricados, sua profundidade de cravao e a rea de atuao dos drenos.

3.2.1 Anlises de Estabilidade de Aterros Reforados de Encontros de Ponte Sobre Solos Moles

3.2.1.1 Mtodos Convencionais

Os mtodos convencionalmente adotados para as anlises de estabilidade de aterros reforados com geossintticos sobre solos moles so baseados nos princpios de equilbrio limite ou em solues da teoria da plasticidade. Nestes mtodos, a contribuio do reforo, propiciando o aumento do coeficiente de segurana do sistema contra a instabilizao global, expressa em termos da fora de trao mobilizada nos reforos (Palmeira et al, 1998; Silva e Palmeira, 1998; Fahel et al, 1999).

26

Nos mtodos de equilbrio limite, os procedimentos correntes consistem na adaptao dos mtodos convencionais a taludes reforados, mediante a incorporao da fora de trao no geossinttico. A orientao desta fora pode ser qualquer, sendo usuais as hipteses de uma fora horizontal ou tangencial superfcie de deslizamento (Silva et al., 1999)

A figura 3.2 ilustra o processo, admitindo-se uma superfcie de ruptura circular e o

reforo com orientao qualquer (definida pelo ngulo indicado). O fator de segurana determinado atravs da diviso do domnio de ruptura em fatias, considerando-se o equilbrio esttico das foras que atuam em cada fatia genrica i. (figura 3.3).

fatia i

solo mole

TR H

Figura 3.2 Mecanismo de ruptura circular com a fora TR no reforo

E i+1

E i

W i

bi

li TRi

NiTi

Figura 3.3 Geometria e sistema de foras atuantes numa dada fatia

27

sendo: b largura da fatia;

- ngulo de inclinao da base da fatia;

- ngulo de inclinao da fora no reforo; W peso de solo da fatia; Ei foras laterais na fatia;

N fora normal resultante na base da fatia; T fora tangencial resultante na base da fatia; TR fora de trao no reforo; l comprimento da base da fatia.

Considerando-se o equilbrio global dos momentos em relao ao ponto O, a uma distncia r do centro da base da fatia, vem:

( ) 0cossen = rTTrWr R (3.1) sendo

mm

tgcFS

'''+== e

lT

m = , tem-se que:

=

FSl

T

ou ( )

+=

TNtglc

FS'''

(3.2)

Substituindo T na expresso 3.1, resulta que:

[ ]( )[ ]

+=

cossen

'

RTWNtglc

FS (3.3)

Portanto: ( )[ ] = cossen RTWT (3.4)

Admitindo-se por exemplo, a soluo do problema pelo mtodo de Bishop Simplificado, o qual considera a resultante das foras laterais nas fatias com direo horizontal e, assim, adotando-se o equilbrio de foras na direo vertical, resulta que:

sensencos RTTNW ++= (3.5)

28

ou sensen''sen'coscos' RTFStgN

FSlc

ulNW ++++= (3.6)

Portanto: sensen'cossen'cos' RTFSlc

ulWFS

tgN =

+= (3.7)

ou

M

TF

lculW

NR sensen

'

cos'

= (3.8)

Em que:

+=

FStgtgM 1cos (3.9)

Substituindo-se o valor de N na equao 3.3, obtm-se para o valor do fator de segurana para aterro reforado:

( )[ ]( )

+

=

M

tgTubwbcTW

FS R 'sen'cossen

1 (3.10)

Mtodos mais sofisticados de anlise (Janbu, Spencer, etc.) tambm podem ser utilizados, podendo ocorrer, entretanto, maiores problemas de convergncia dos resultados.

Outras formulaes analisam a contribuio dos reforos de forma mais simplificada, em termos apenas de um momento resistente adicional aumentando as foras estabilizadoras do sistema aterro solo mole de fundao, entre os quais os mtodos de Jewell (1987) e Low et al (1990), descritos a seguir (Palmeira, 1992; Palmeira, 1999).

3.2.1.2 Mtodo de Jewell (1987)

Este mtodo se aplica para as condies de geometria dadas na figura 3.4 e assume uma superfcie de ruptura circular totalmente confinada no solo de fundao. A influncia do aterro considerada mediante a ao do peso do solo (W) e do empuxo lateral (E). A fora horizontal T a fora requerida no reforo, com brao de alavanca dT e a anlise consiste em determinar a superfcie de deslizamento crtica.

29

O

solo mole

R

EWT

Q dE dT

dQdW

Su

1

Legenda:R - raio do crculo crtico;

- ngulo central da superfcie circular em radianos;W - peso do aterro no domnio da superfcie de ruptura, brao de alavanca dw;E - empuxo de terra,brao de alavanca dE;Q - resultante da sobrecarga,brao de alavanca dQ;T - fora de trao requerida no reforo, brao de alavanca dT;Su - resistncia no drenada do solo de fundao; - taxa de variao da resistncia no drenada com a profundidade.

Figura 3.4 Geometria e sistemas de foras consideradas no mtodo de Jewell (Palmeira, 1992)

No caso do aterro sem reforo:

a

r0 M

MF = (3.11)

Sendo: F0 Fator de segurana do aterro sem reforo; Mr somatrio dos momentos das foras resultantes; Ma somatrio dos momentos das foras atuantes.

Calculando-se estes momentos em relao ao ponto O, centro da superfcie circular de ruptura, vem:

QWEa QdWdEdM ++= (3.12)

( )ur SfM = (3.13)

30

O autor desenvolveu expresso para Mr para os casos da resistncia no drenada do solo de fundao constante (equao 3.14) e variando linearmente com a profundidade com uma taxa (equao 3.15), sendo Su0 o valor da resistncia no drenada superfcie do terreno de fundao.

= 2RSM ur (3.14)

+

=

2sen2

2cos0

2 RRSRMr u (3.15)

No caso do aterro com reforo:

aTr

r MTdFM

=+ (3.16)

Onde Fr o fator de segurana para o aterro reforado e T a fora de trao requerida no reforo (brao de alavanca dT), portanto:

ra

T

FF

MdT 01= ou

T

a

r dM

FF

T

=

01 (3.17)

3.2.1.3 Mtodo de Low et al (1990).

A anlise proposta para o caso de superfcies circulares de ruptura e tangentes a uma dada horizontal, localizada em uma profundidade genrica z (figura 3.5). Este mtodo aplicado principalmente para geometrias mais simples, onde no ocorre a presena de bermas de equilbrio e onde o aterro pode ser considerado com comprimento infinito com plataforma horizontal e sem sobrecarga (Palmeira, 1992).

Os clculos devem ser repetidos para diferentes profundidades, at a determinao do valor mximo da fora T, que compreende a superfcie crtica e para a qual o fator de segurana mnimo.

31

n

Vertical mdia

R

solo mole

T1 H

z

Legenda:R - raio do crculo crtico;H - altura do aterro;z - profundidade da superfcie de ruptura no solo de fundao;n - inclinao do talude do aterro;T - fora de trao requerida no reforo;Su - resistncia no drenada do solo de fundao; - taxa de variao da resistncia no drenada com a profundidade.

Figura 3.5 Superfcie de ruptura, mtodo de Low et al (Palmeira, 1992)

O valor da fora de trao do reforo determinado em funo do fator de segurana do

aterro no reforado F0, do peso especfico do material do aterro , da altura do aterro H e do chamado nmero de estabilidade para o aterro reforado IR (figura 3.6). Assim:

Rr IH

FF

T2

01

= (3.18)

O fator de segurana mnimo (F0) determinado a partir dos valores dos parmetros N1, N2 e que so obtidos de grficos apresentados pelos autores (figura 3.7), sendo expresso por:

++= 'tan

'

210 HcN

HS

NF ueq (3.19)

32

Figura 3.6 Nmero de estabilidade para aterro reforado

Figura 3.7 Nmeros de estabilidade para aterro no reforado (Palmeira,1992)

O mtodo admite um perfil de resistncia no drenada do solo de fundao do tipo indicado na figura 3.8, adotando-se um valor de resistncia no drenada equivalente Sueq, dado por:

0

1,1

'35,065,0'35,0 ucuzuoueq Sz

zSSS

++= (3.20)

Onde Su0 a interseo, na superfcie do solo de fundao, do prolongamento do trecho linear da variao de Su com a profundidade e Suz a resistncia no drenada do solo de fundao na profundidade z de tangncia ao crculo.

33

S'u0 S'u0

SuZ

z

zc

Figura 3.8 Perfil da variao da resistncia no drenada do solo de fundao (Palmeira, 1992)

3.2.1.4 Soluo Analtica.

Jewell (1996) apresenta ainda uma soluo analtica para a anlise de estabilidade de aterros sobre solos moles baseada na teoria da plasticidade, de acordo com a geometria do problema definida na figura 3.9 (Palmeira et al, 1998).

Figura 3.9 Soluo Analtica, Jewell (1996)

onde: Su0 resistncia no drenada inicial na base do aterro;

taxa de variao da resistncia no drenada do solo mole; n inclinao do talude do aterro; H altura do aterro;

peso especfico do material de aterro; D espessura da camada do solo de fundao;

34

As solues so desenvolvidas para resistncia no drenada do solo de fundao constante e variando linearmente com a profundidade, sendo aplicveis desde que seja verificada a seguinte relao:

6S

HF

u

r (3.21)

Onde Fr corresponde ao fator de segurana do aterro reforado.

Esta sistematizao da soluo apresenta um valor que relaciona a tenso de

cisalhamento mobilizada pelo aterro e a resistncia no drenada da fundao. Palmeira

et al. (1998), indicam = 1 para aterros reforados, logo, as equaes a seguir determinam Fr e T (fora requerida no reforo) para esta situao, em dois casos distintos.

CASO I: Resistncia no drenada constante com a profundidade

+=

DnH24

HS

F ur (3.22)

+

+=

2k

nH2D4nDHT a2 (3.23)

CASO II: Resistncia no drenada varivel com a profundidade

++=

0u0u

0ur S

nH42SnH4

HS

F

(3.24)

+=

2k

HFnSHT a

r

0u2

(3.25)

35

3.2.3 Anlises Complementares de Aterros Reforados Sobre Solos Moles

Alm do fator de segurana global da obra, determinado pelas anlises de estabilidade, h a necessidade de ser verificados o fator de segurana quanto expulso do solo mole de fundao e o comprimento de ancoragem do reforo.

3.2.3.1 Expulso do Solo Mole

Uma anlise adicional engloba a possibilidade de expulso do solo mole de fundao pelo prprio peso do aterro (figura 3.10). A anlise feita considerando o equilbrio de massa de solo ABCD, submetida aos esforos horizontais representados pelos empuxos Ea e Ep e esforos resistentes RT e RB mobilizados ao longo do topo e da base da zona do solo compressvel (Palmeira, 1992; Palmeira 2001).

D

B

A

C

n1

z

RT

1

H

EAEP

RB

D

q

f

Su0 Su

Figura 3.10 Expulso do Solo Mole (Palmeira, 2001)

Para uma condio da resistncia no drenada do solo de fundao variando linearmente

com a profundidade (taxa de variao ) o fator de segurana Fe contra a expulso do solo mole pode ser quantificado pela seguinte expresso:

( )( )DSDqH

nHSSDSDF

uf

ubuufe 25,0

)25,0( 0++

+++=

(3.34)

36

Onde: D espessura da camada de solo mole; H altura do aterro;

uS resistncia no drenada mdia do solo de fundao;

Su0 resistncia no drenada do solo de fundao na superfcie da camada compressvel;

Sub resistncia no drenada do solo de fundao na base da camada; q sobrecarga;

- peso especfico do solo do aterro;

f peso especfico do solo de fundao; n fator de inclinao do talude do aterro;

- relao entre a tenso cisalhante mobilizada na interface solo-reforo e a resistncia no drenada do solo mole (0

37

Nestas hipteses o fator de segurana do aterro contra a ruptura por ancoragem do reforo (Fanc) dado por:

( )T

tgWaSlF sratrsufrancanc

++=

0 (3.35)

Onde: lanc comprimento de ancoragem do reforo em relao ao ponto de interseo entre a superfcie de deslizamento e o reforo;

fr fator de reduo da resistncia no drenada na superfcie do solo mole de

fundao (0 < fr 1); Su0 resistncia no drenada na superfcie do solo mole de fundao; asr adeso entre o material de aterro acima do trecho de ancoragem considerado;

sr ngulo de atrito entre o solo do aterro e reforo; Wat peso do material de aterro acima do trecho de ancoragem considerado. T esforo de trao requerido no reforo.

3.2.2 Anlises de Compressibilidade de Solos Moles com Drenos Verticais

As anlises de compressibilidade de aterros de encontro de pontes sobre solos moles com a utilizao de drenos verticais envolve o estudo da magnitude dos deslocamentos verticais e seu tempo de adensamento, bem como a magnitude dos deslocamentos horizontais e sua influncia sobre as estruturas prximas.

3.2.2.1 Deslocamentos Verticais

O estudo dos deslocamentos verticais em solos estabilizados com drenos verticais, tem como premissa a determinao dos recalques na camada de solo mole de fundao e o tempo de adensamento da camada, considerando-se o efeito conjugado da drenagem vertical e da drenagem radial (figura 3.12)

38

aterro

solo moledrenos verticais

colcho drenante

Figura 3.12 Processo conjugado de drenagem vertical e drenagem radial

No caso de fluxo vertical apenas (teoria de Terzaghi), a equao governadora do processo consiste em:

2

2

z

uCt

uv

=

(3.36)

No caso de fluxo radial apenas (teoria de Barron), a equao governadora do processo consiste em:

+

=

r

u

rr

uCt

uh

12

2

(3.37)

Para fluxo acoplado (drenagem vertical e radial), tem-se ento que:

+

+

=

r

u

rr

uCz

uCt

uhv

12

2

2

2

(3.38)

Sendo Cv o coeficiente de adensamento vertical e Ch o coeficiente de adensamento horizontal. A relao entre os respectivos graus de adensamento mdio do solo U (drenagem vertical e radial), Uv (drenagem vertical) e Ur (drenagem radial) expressa por:

( )( )rv UUU = 11 (3.39)

39

sendo Uv = f(Tv) e Ur = f(n, Tr), onde n corresponde relao entre o raio de influncia e o raio do dreno vertical (

wrRn = ) e Tv e Tr so respectivamente os fatores tempo para

drenagem vertical e radial, tais que:

2dtCT vv = (3.40)

24RtCT hr = (3.41)

O domnio de influncia de um dado dreno vertical funo do arranjo adotado para o sistema de drenos, que pode ser em malha quadrada (figura 3.13) ou triangular (figura 3.14).

SR

R = 0,564 S

R - raio de influncia do dreno S - espaamento entre os drenos

Figura 3.13 Espaamento entre os drenos, malha quadrangular

R = 0,525 S

R - raio de influncia do dreno S - espaamento entre os drenos

R

S

Figura 3.14 Espaamento entre os drenos, malha triangular

40

Na teoria de Barron (1948), admite-se que a deformao da camada compressvel induz recalques uniformes ou desiguais e que, para a condio de recalques uniformes, a soluo expressa por:

=

n

rTUr

8exp1 (3.42)

onde 75,0ln =dD

n , sendo D o dimetro de influncia e d o dimetro do dreno.

A execuo dos drenos verticais de areia pode ser realizada por trs tcnicas distintas, quais sejam: cravao de tubos de ponta aberta, cravao de tubos de ponta fechada e jateamento de gua em alta presso. Os dois primeiros mtodos utilizam revestimento metlico nas paredes do furo, os quais so retirados aps o preenchimento com areia. No terceiro mtodo, o empuxo provocado pela gua mantm as paredes do furo abertas e, teoricamente, constitui-se a tcnica mais eficiente, uma vez que, o amolgamento

provocado sensivelmente menor (DNER/IPR, 1990).

Para a execuo do sistema de drenagem com o uso de drenos pr-fabricados, o processo torna-se bem mais simples e tambm menos agressivo ao solo de fundao, devido ao equipamento utilizado para a cravao das tiras. Este equipamento consiste em uma haste metlica (mandril), onde o dreno inserido e fixo na extremidade por uma pequena pea, tambm metlica, em forma de v, a qual funciona como um mecanismo de ancoragem do dreno no interior do subsolo e impede a entrada de material no mandril durante o processo de cravao (Almeida, 1992).

Como o processo de cravao dos drenos verticais de areia e sintticos no evita o amolgamento do solo lateral, a abordagem deste efeito considera uma zona de solo amolgado (dimetro ds e coeficiente de permeabilidade ks) na regio circunvizinha ao dreno (dimetro dw e coeficiente de permeabilidade kw), de acordo com o sistema indicado na figura 3.15, sendo D o dimetro de influncia e kh o coeficiente de permeabilidade do solo intacto (Hansbo, 1996).

41

dsdw

ks

kh

z

l

l

kw

D

Figura 3.15 Esquematizao da implantao dos drenos verticais no solo

Hansbo (1979) e Hansbo et al. (1981) introduziram a influncia do amolgamento no dimensionamento do sistema de drenos, mediante a incorporao de um fator adicional

s ao valor de n da equao 3.42, tal que:

+=+=

w

s

s

h

s

sn dd

kk

dD ln75,0ln (3.43)

No caso de drenos verticais pr-fabricados, adota-se o conceito de dimetro equivalente para as tiras plsticas proposto por Hansbo (1979), onde b largura do dreno e t espessura:

( )pi

tb2deq+

= (3.44)

Outro condicionante a ser verificado para a utilizao dos drenos pr-fabricados corresponde capacidade de descarga (qw), relacionada s tenses laterais atuantes no dreno, ao dobramento, infiltrao de partculas menores e durabilidade (Almeida, 1992). Hansbo et al (1981), considerou a influncia desta propriedade na funo atravs do comprimento de drenagem (l) e da distncia da fronteira drenante (z):

42

( )w

hw

s

s

hs q

kzlz

dd

kk

dD

+

+= 2ln75,0ln pi (3.45)

A influncia da capacidade de descarga no dimensionamento do sistema de drenagem pode ser determinada em funo da resistncia hidrulica (equao 3.46) a qual relevante apenas para valores maiores ou iguais a 0,1, sendo, neste caso, desprezada a parcela adicional descrita acima (Orleach, 1983).

22 lqkW

w

hr

= pi (3.46)

3.2.2.2 Deslocamentos Horizontais

Neste caso de aterros reforados de encontro de pontes assentes sobre um depsito de solo mole estabilizado com drenos verticais, a geometria complexa do arranjo inviabiliza a adoo de metodologias simplificadas para a avaliao criteriosa dos deslocamentos horizontais induzidos. Com efeito, os solos moles raramente so homogneos e, assim, o problema de plastificao tende a iniciar em uma determinada regio da camada e se propagar de forma aleatria para as demais zonas de ruptura. Nestas condies, solues empricas podem apresentar resultados francamente equivocados e devem ser desconsideradas.

As anlises so comumente baseadas em simulaes numricas atravs do mtodo de elementos finitos (Ratton 1985; Goh et al., 1997; Macdo, 2002), ou atravs da teoria da elasticidade (Poulos e Davis, 1980; Chen e Poulos. 1997). As anlises tambm podem ser feitas com base em resultados de instrumentao geotcnica, particularmente de inclinmetros, utilizando-se o conceito de distoro angular, atravs dos deslocamentos

horizontais () induzidos s profundidades (z) do solo compressvel (Cavalcante, 2001):

=

21

21

zzarctgd hh (radianos ou %) (3.47)

43

Mediante a instalao de inclinmetros prximos zona de plastificao da camada compressvel (potencialmente prximas saia do aterro reforado), o processo poderia ser avaliado ao longo do tempo atravs da taxa de variao da distoro angular com o tempo Vd (Almeida, 2001) tal que:

t

dVd

= (%/dia) (3.48)

A anlise conjunta dos valores de d e Vd permitem quantificar a estabilidade ou no do arranjo. Almeida et al. (2001) rescindem os seguintes procedimentos de anlise:

Vd 1,5 %/dia: plastificao e possibilidade de ruptura, neste caso adotam-se a

paralisao do carregamento e o monitoramento contnuo do aterro;

0,5 Vd 1,5 %/dia: potencial zona de plastificao no solo mole, recomendando-se

maior freqncia das leituras ou instalao de outros inclinmetros; Vd < 0,5 %/dia: carregamento em condies controladas e monitoramento padro.

A anlise de estabilidade de aterros sobre solos moles por meio da quantificao dos deslocamentos horizontais compreende outras variantes e tem sido razoavelmente proposta na literatura tcnica.

Por exemplo, Bourgues e Miessens (1979), relacionaram o fator de segurana do talude do aterro (equao 2.2) com a relao max/D , onde max o deslocamento horizontal mximo obtido pelos inclinmetros, correspondente condio de final de construo e D a espessura da camada compressvel.

Os autores apresentam resultados sistematizados para 32 aterros diferentes, em funo da posio especfica dos inclinmetros, da relao X/L e do fator de segurana

( )atat

u

HSf

+=

pi 2

(figura 3.16).

44

Figura 3.16 baco de max/D em funo de f (Bourgues e Miessens, 1979)

Uma outra alternativa consiste em uma correlao com os volumes vertical (Vv) e horizontal (Vh) do solo deslocado durante a construo (figura 3.17) (Leroueil et al, 1990). Sandroni e Lacerda (2001), por exemplo, estabeleceram limites para esta relao em termos de condio estvel, de condio alerta e de condio instvel do aterro, conforme tabela 3.1.

VhVvVh

camada resistente

aterro

solo mole

Figura 3.17 Variao de volume vertical e volume horizontal durante a construo (Modificado de Johnsthon, 1973)

aterro estaqueado, como funciona

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