aterro sobre solo reforçado com jet grout

7/23/2019 Aterro Sobre Solo Reforado Com Jet Grout

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ATERROS SOBRE SOLOS MOLESREFORADOS COM COLUNAS DE

JET GROUT ENCABEADAS PORGEOSSINTTICOS

TIAGOANDR LIMA MIMOSO CARAMELO

Dissertao submetida para satisfao parcial dos requisitos do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL ESPECIALIZAO EM CONSTRUES

Orientador: Professor Doutor Jos Manuel Leito Borges

JULHO DE 2011


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MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2010/2011DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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do Porto, Porto, Portugal, 2009.

As opinies e informaes includas neste documento representam unicamente o ponto devista do respectivo Autor, no podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ououtra em relao a erros ou omisses que possam existir.

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Aterros sobre Solos Moles Reforados com Colunas de Jet Grout encabeadas por Geossintticos

O comeo de todas as cincias o espanto de as coisas serem como so

Aristteles


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AGRADECIMENTOS

Deseja o autor expressar o seu agradecimento a todos os que de algum modo contriburam para aconcretizao do presente trabalho, em especial:

- Ao Professor Jos Leito Borges, orientador desta tese, pela disponibilidade e apoio, interessee entusiasmo que sempre demonstrou durante a elaborao da mesma e que foramimprescindveis para o desenvolvimento do trabalho;

- Aos meus colegas e amigos, pelo companheirismo, amizade, nimo e partilha deconhecimentos que contriburam para tornar esta tarefa mais leve e assim poder atingir osobjectivos deste trabalho;

- Aos meus Pais pela educao, incentivo, confiana e apoio constante ao longo de todo opercurso acadmico que culmina com este trabalho. Aos meus irmos, em especial minha irmSusana pelo apoio, estmulo e disponibilidade que sempre me prestaram.


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RESUMO

A presente dissertao pretende contribuir para um melhor conhecimento da tcnica de aterros sobresolos moles reforados com colunas de jet grout encabeadas por plataforma de transferncia de cargacom geossintticos, bem como do seu comportamento evolutivo no tempo resultante do processo deconsolidao.

apresentada uma reviso bibliogrfica, que contempla a anlise de aterros sobre colunasencabeadas por geossintticos, a tecnologia de jet grouting e a caracterizao dos geossintticos.

utilizado um programa de clculo bidimensional, baseado no mtodo dos elementos finitos, quepermite proceder a anlises de consolidao atravs de uma formulao acoplada mecnica-hidrulica(extenso da teoria de Biot), na qual o comportamento do solo definido em termos de tensesefectivas. Para a modelao do comportamento do solo utiliza-se um modelo constitutivoelastoplstico no linear, baseado na Mecnica dos Solos dos Estados Crticos (modelo p-q-). Com autilizao deste modelo, estuda-se numericamente um problema base. O comportamento da obra

analisado tanto durante a fase construtiva como no perodo ps-construtivo.Posteriormente, realizam-se diversas anlises paramtricas com o objectivo de compreender ainfluncia de alguns parmetros no comportamento global da obra, designadamente a disposio emplanta das colunas de jet grout, a deformabilidade das colunas, o espaamento entre as colunas e arigidez traco do geossinttico.

Finalmente, enunciam-se algumas concluses de carcter geral decorrentes do trabalho desenvolvido.

PALAVRAS-CHAVE: Aterros sobre solos moles, colunas de jet grout, geossintticos, modelaonumrica, consolidao.


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ABSTRACT

This dissertation aims to contribute to a better understanding of the technique of embankments on softsoils reinforced with jet grout columns headed by load transfer platform with geosynthetics, as well astheir time-dependent behaviour resulting from the consolidation process.

A literature review is presented, which includes the analysis of embankments on columns, headed withgeosynthetic, the jet grouting technology and the characterization of geosynthetics.

A two-dimensional calculation program is used, based on finite element method, which allows theanalysis of consolidation through a coupled mechanical-hydraulic formulation (extension of Biottheory), in which the behaviour of the soil is defined in terms of effective stress. In order to model thebehaviour of the soil, a non-linear elastoplastic constitutive model is used, based on Critical State SoilMechanics (p-q- model). By using this model, a illustrative case is studied. The behaviour of thework is analysed both during the construction and the post-construction stages.

In addition, parametric studies are performed in order to understand the influence of several

parameters on the behaviour of the illustrative case, namely the distribution of the jet grout columns,the deformability of the columns, the column spacing and tensile stiffness of the geosynthetic.

Finally, some overall conclusions arising from the work are pointed out.

KEYWORDS: Embankments on soft soils, jet grout columns, geosynthetics, numerical modeling,consolidation.


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NDICE GERAL

AGRADECIMENTOS.................................................................................................................................. i

RESUMO................................................................................................................................................. iii

ABSTRACT.............................................................................................................................................. v

1.INTRODUO................................................................................................................... 1

2.ATERROS SOBRE SOLOS MOLES REFORADOS COMCOLUNAS ENCABEADAS POR PLATAFORMAS DE

TRANSFERNCIA DE CARGA ............................................................................... 52.1.HISTRIA DOSATERROS SOBRE COLUNAS.................................................................................. 5

2.2.ATERROS SOBRE SOLOS MOLES.................................................................................................. 7

2.3. ATERROS SOBRE SOLOS MOLES REFORADOS COM COLUNAS ENCABEADAS PORGEOSSINTTICOS................................................................................................................................... 9

2.4.TIPOS DE COLUNAS .......................................................................................................................11

2.5.PLATAFORMAS DE TRANSFERNCIA DE CARGA.........................................................................13

2.5.1.PTCCONVENCIONAL GRANULAR NO-REFORADA.........................................................................13

2.5.2.PTCEM BETO (RGIDA) .................................................................................................................14

2.5.3.PTCCOM GEOSSINTTICO FUNCIONANDO COMO MEMBRANA (CABO,CATENRIA)..............................14

2.5.4.PTCEM VIGA FLEXVEL REFORADA COM GEOSSINTTICOS (MTODO DE COLLIN)...........................14

2.6. REFORO COM COLUNAS ENCABEADAS POR GEOSSINTTICOS FUNCIONANDO COMOMEMBRANA (CATENRIA)....................................................................................................................15

2.6.1.MECANISMOS DE TRANSFERNCIA DE CARGA..................................................................................15

2.6.2.EFEITO DE ARCO............................................................................................................................16

2.7.MTODOS DEANLISE DEATERROS REFORADOS SOBRE COLUNAS....................................17

2.8. ANLISE NUMRICA DE ATERROS REFORADOS COM COLUNAS ENCABEADAS PORGEOSSINTTICOS ..................................................................................................................................18

3.JET GROUTING..............................................................................................................213.1.INTRODUO ..................................................................................................................................21

3.2.DESCRIO DA TCNICA DE JET GROUTING ...............................................................................21

3.2.1.VANTAGENS E DESVANTAGENS DA TCNICA DE JET GROUTING.........................................................22

3.2.2.PROCEDIMENTO ..............................................................................................................................22


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Aterros sobre Solos Moles Reforados com Colunas de Jet grout encabeadas por Geossintticos

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3.2.3.EQUIPAMENTOS............................................................................................................................. 23

3.3.SISTEMAS DE JET GROUTING...................................................................................................... 24

3.4.PRINCIPAIS PARMETROS INTERVENIENTES NO PROCEDIMENTO DE JET GROUTING............. 27

3.5. INFLUNCIA DOS PARMETROS SOBRE AS CARACTERSTICAS FINAIS DO MATERIALTRATADO............................................................................................................................................... 28

3.5.1.DIMENSO DAS COLUNAS............................................................................................................... 29

3.5.2.RESISTNCIA MECNICA DO MATERIAL TRATADO............................................................................ 30

3.5.3.DEFORMABILIDADE......................................................................................................................... 31

3.5.4.PERMEABILIDADE........................................................................................................................... 32

4.

GEOSSINTTICOS...................................................................................................... 33

4.1.INTRODUO................................................................................................................................. 33

4.2.MATERIAIS E TIPOS DE GEOSSINTTICOS................................................................................... 35

4.3.CLASSIFICAO DOS GEOSSINTTICOS...................................................................................... 36

4.4.FUNES DOS GEOSSINTTICOS................................................................................................. 41

4.4.1.DRENAGEM.................................................................................................................................... 42

4.4.2.FILTRAGEM.................................................................................................................................... 42

4.4.3.PROTECO.................................................................................................................................. 42

4.4.4.REFORO...................................................................................................................................... 43

4.4.5.SEPARAO................................................................................................................................... 43

4.4.6.CONTROLO DE EROSO SUPERFICIAL............................................................................................. 43

4.4.7.BARREIRA DE FLUIDOS................................................................................................................... 43

4.5.PROPRIEDADES DOS GEOSSINTTICOS...................................................................................... 44

4.6.COLOCAO DOS GEOSSINTTICOS EM OBRA.......................................................................... 46

5.ESTUDO BASE............................................................................................................... 475.1.INTRODUO................................................................................................................................. 47

5.2.MODELO NUMRICO..................................................................................................................... 47

5.2.1.CONSIDERAES GERAIS............................................................................................................... 47

5.2.2.CONSOLIDAO EM MEIOS POROSOS DEFORMVEIS....................................................................... 48

5.2.3.COMPORTAMENTO CONSTITUTIVO DOS SOLOS/MODELO P-Q-....................................................... 50

5.3.ESTUDO BASE............................................................................................................................... 52

5.3.1.INTRODUO................................................................................................................................. 52


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5.3.2.DESCRIO DO PROBLEMA BASE....................................................................................................52

5.3.3.ANLISE DE RESULTADOS...............................................................................................................57

5.3.3.1. Introduo.................................................................................................................................57

5.3.3.2. Deslocamentos ..........................................................................................................................57

5.3.3.3. Tenses .....................................................................................................................................67

6.ANLISES PARAMTRICAS............................................................................996.1.INTRODUO ..................................................................................................................................99

6.2.INFLUNCIA DA DISPOSIO DAS COLUNAS DE JET GROUT...................................................100

6.2.1.CONSIDERAES INICIAIS ..............................................................................................................100

6.2.2.DESLOCAMENTOS .........................................................................................................................102

6.2.3.COEFICIENTE DE EFEITO DE ARCO .................................................................................................105

6.2.4.FORA DE TRACO NO GEOSSINTTICO .......................................................................................106

6.2.5.COEFICIENTE DE EFICCIA DO SISTEMA.........................................................................................107

6.2.6.NVEIS DE TENSO ........................................................................................................................107

6.2.7.EXCESSOS DE PRESSES NEUTRAS..............................................................................................110

6.3.INFLUNCIA DO MDULO DE DEFORMABILIDADE DAS COLUNAS............................................111


6.3.2.DESLOCAMENTOS .........................................................................................................................111




6.3.6.NVEIS DE TENSO ........................................................................................................................119


6.4.INFLUNCIA DA RIGIDEZ TRACO DO GEOSSINTTICO.......................................................123


6.4.2.DESLOCAMENTOS .........................................................................................................................123




6.4.6.NVEIS DE TENSO ........................................................................................................................129



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6.5.INFLUNCIA DO ESPAAMENTO ENTRE COLUNAS................................................................... 133

6.5.1.CONSIDERAES INICIAIS............................................................................................................. 133

6.5.2.DESLOCAMENTOS........................................................................................................................ 133

6.5.3.COEFICIENTE DE EFEITO DE ARCO................................................................................................ 137

6.5.4.FORA DE TRACO NO GEOSSINTTICO...................................................................................... 137

6.5.5.COEFICIENTE DE EFICCIA DO SISTEMA........................................................................................ 138

6.5.6.NVEIS DE TENSO....................................................................................................................... 139

6.5.7.EXCESSOS DE PRESSES NEUTRAS............................................................................................. 142

6.6.CONSIDERAES FINAIS............................................................................................................ 143

7.CONSIDERAES FINAIS............................................................................... 145

8.BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................. 147


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NDICE DE FIGURAS

Fig. 2.1 - Aplicaes da plataforma de transferncia de carga sobre colunas (adaptado de Han e

Gabr, 2002) ............................................................................................................................................. 6Fig. 2.2 - Estados limites ltimos para aterros sobre estacas/colunas (adaptado de BS8006, 1995) . 10

Fig. 2.3 - Estados limites de servio para aterros sobre estacas/colunas (adaptado de BS8006,1995) ..................................................................................................................................................... 11

Fig. 2.4 - Diferentes tipos de plataformas de transferncia de carga: a) PTC granular no-reforada; b)PTC reforada em laje de beto armado; c) PTC com geossinttico funcionando como membrana (em

catenria); d) PTC em viga flexvel reforada com geossintticos (adaptado de Abdullah, 2006) ...... 13

Fig. 2.5 - Mecanismo de transferncia de carga num aterro reforado com colunas encabeadas porgeossintticos (adaptado de Han e Gabr, 2002) .................................................................................. 15

Fig. 2.6 - Vista isomtrica dos arcos formados na malha quadrada de estacas (Hewlet e Randolph,1988) ..................................................................................................................................................... 17

Fig. 3.1 - Aplicao da tcnica de jet grouting: a) furao; b) incio da injeco da calda;c) procedimento a meia altura; d) fim do processo [1] .......................................................................... 23

Fig. 3.2 - Esquema de estaleiro necessrio realizao da tcnica jet grouting (Ribeiro, 2010) ........ 23

Fig. 3.3 - Estaleiro da tcnica jet grouting [2] ........................................................................................ 24

Fig. 3.4 - Sistemas tradicionais de jet grouting: jacto simples, jacto duplo e jacto triplo [1] ................. 24

Fig. 3.5 - Pormenores da parte inferior da vara para os trs sistemas de jet grouting: a) jacto simples;

b) jacto duplo; c) jacto triplo (adaptado de Carreto, 1999) .................................................................... 26Fig. 3.6 - Limites mximos e mnimos do dimetro de colunas realizadas em solos incoerentes ....... 29

Fig. 3.7 - Limites mximos e mnimos do dimetro de colunas realizadas em solos coesivos ............ 30

Fig. 4.1 - Esquema de obras na rea de transportes onde se utilizam geossintticos (Koerner,1991) ..................................................................................................................................................... 34

Fig. 4.2 - Esquema de obras na rea de geotecnia onde se utilizam geossintticos (Koerner, 1991) 34

Fig. 4.3 - Esquema de obras na rea do ambiente onde se utilizam geossintticos (Koerner, 1991) . 35

Fig. 4.4 - Classificao dos geossintticos de acordo com a sua estrutura (adaptado de Pinho Lopes,

2005) ..................................................................................................................................................... 36Fig. 4.5 - Geoclula (Pereira, 2003) ...................................................................................................... 37

Fig. 4.6 - Geocompsito (Pereira, 2003) ............................................................................................... 37

Fig. 4.7 - Geodreno [3] .......................................................................................................................... 38

Fig. 4.8 - Estruturas das geogrelhas: a) geogrelha uniaxial em PEAD; b) Geogrelha biaxial em PP

(Ingold, 1994) ........................................................................................................................................ 38

Fig. 4.9 - Geogrelhas extrudidas, (a) unidireccional; (b) bidireccional (Sieira, 2003) ........................... 39

Fig. 4.10 - Geogrelhas soldadas (Sieira, 2003) .................................................................................... 39

Fig. 4.11 - Geogrelhas tecidas (Sieira, 2003) ....................................................................................... 39


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Fig. 4.12 - Geomembrana (Sieira, 2003) ............................................................................................... 40

Fig. 4.13 - Geotxtil (Sieira, 2003) ......................................................................................................... 40

Fig. 4.14 - Principais tipos de componentes dos geotxteis (adaptado de Koerner, 1999) .................. 41

Fig. 4.15 - Exemplos de geotxteis: a) geotxtil tecido com tira e monofilamento; b) geotxtil tecidocom tecido com multifilamento e monofilamento; c) geotxtil no tecido mecanicamente ligado(agulhado); d) geotxtil no tecido termicamente ligado (Lopes, 1998) ............................................... 41

Fig. 4.16 - Comportamento traco de diferentes geotxteis (McGown et al., 1981) ........................ 45

Fig. 4.17 - Curvas de traco-deformao genricas em geossintticos: a) Geogrelha biaxial empolipropileno (traccionado na direco principal); b) Geotxtil tecido em polipropileno; c) Geotxtil no

tecido em polister (adaptado de Marques, 2008) ................................................................................ 46

Fig. 5.1 - Elementos finitos utilizados no modelo numrico: a) 12 incgnitas-deslocamentos e3 incgnitas-excessos de presso neutra; b) 12 incgnitas-deslocamentos e 0 incgnitas-excessos de

presso neutra; c) 6 incgnitas-deslocamentos .................................................................................... 49

Fig. 5.2 - a) Superfcies de cedncia e de estados crticos do modelo p-q- no espao das tensesprincipais efectivas; b) superfcies de cedncia do modelo p-q- no referencial p-q; c) endurecimento(trajectria de tenses 1-2); d) amolecimento (trajectria de tenses 3-4) (Borges, 1995) .................. 51

Fig. 5.3 - Representao esquemtica do problema a estudar ............................................................ 52

Fig. 5.4 - Representao esquemtica do sistema a estudar ............................................................... 53

Fig. 5.5 - Malha de elementos finitos (ao longo do processo construtivo) ............................................ 54

Fig. 5.6 - Resultados de 5 ensaios de traco simples (Sieira, 2003) .................................................. 56

Fig. 5.7 - Configurao das deformadas ao fim de 2,5 semanas (final da construo), 1 ano, 5 anos,10 anos (final da consolidao) ............................................................................................................. 58

Fig. 5.8 - Assentamento na base do aterro (z=0), durante a construo .............................................. 59

Fig. 5.9 - Assentamento na base do aterro (z=0), no perodo ps-construtivo ..................................... 59

Fig. 5.10 - Evoluo temporal do assentamento no centro da coluna 1 (x=0), na interface coluna-solo(x=0,6 m), no solo (x=0,7 m) e no ponto intermdio coluna 1/coluna 2 (x=2 m), para a profundidadez=0 m ..................................................................................................................................................... 60

Fig. 5.11 - Evoluo temporal dos assentamentos em pontos da rea de influncia da coluna 2 (a), dacoluna 3 (b), da coluna 4 (c) e da coluna 5 (d), para a profundidade z=0 m ........................................ 61

Fig. 5.12 - Evoluo temporal do deslocamento vertical na interface coluna 1/solo (x=0,6 m) ............ 62

Fig. 5.13 - Evoluo temporal do deslocamento vertical da coluna 5: a) na interface coluna/solo esquerda (x=15,4 m); b) na interface coluna/solo direita (x=16,6 m) ................................................. 63

Fig. 5.14 - Deslocamentos verticais no final da construo para as profundidades z=0, z=0,1 m,z=0,5 m, z=1 m, z=2 m .......................................................................................................................... 64

Fig. 5.15 - Deslocamentos verticais no final da consolidao para as profundidades z=0, z=0,1 m,z=0,5m, z=1 m, z= 2m ........................................................................................................................... 64

Fig. 5.16 - Evoluo temporal dos assentamentos superfcie do aterro (z=-2,5 m) .......................... 65


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Fig. 5.17 - Evoluo temporal dos assentamentos superfcie do aterro (z=-2,5 m) para osalinhamentos x=0 e x=12,5 m, e do assentamento diferencial entre eles ............................................ 66

Fig. 5.18 - Excessos de presso neutra durante a fase construtiva ..................................................... 67

Fig. 5.19 - Excessos de presso neutra na fase ps-construtiva ......................................................... 69Fig. 5.20 -Acrscimos de tenso efectiva vertical, y, na fase construtiva........................................ 71

Fig. 5.21 -Acrscimos de tenso efectiva vertical, y, fase ps-construtiva ...................................... 72

Fig. 5.22 - Incremento de tenso efectiva vertical na base do aterro (z=0), durante: a) a faseconstrutiva; b) a fase ps-construtiva ................................................................................................... 74

Fig. 5.23 - Incremento de tenso efectiva vertical profundidade z=0,5 m, durante: a) a faseconstrutiva; b) a fase ps-construtiva ................................................................................................... 75

Fig. 5.24 - Incremento de tenso efectiva vertical profundidade z=1 m, durante: a) a faseconstrutiva; b) a fase ps-construtiva ................................................................................................... 76

Fig. 5.25 - Tenso horizontal total nas faces coluna 5, durante: a) a fase construtiva; b) a faseps-construtiva ...................................................................................................................................... 77

Fig. 5.26 - Evoluo da tenso tangencial em profundidade ao longo da interface coluna 1/solo(x=0,6 m), no final da consolidao ...................................................................................................... 78

Fig. 5.27 - Evoluo do factor de concentrao de tenses da coluna 1 em profundidade durante:a) a fase construtiva; b) a fase ps-construtiva .................................................................................... 80

Fig. 5.28 - Evoluo temporal do factor de concentrao de tenses na base do aterro (z=0) durante:a) a fase construtiva; b) a fase ps-construtiva .................................................................................... 81

Fig. 5.29 - Evoluo temporal do factor de concentrao de tenses profundidade z=0,5 m, durante:a) a fase construtiva; b) a fase ps-construtiva .................................................................................... 82

Fig. 5.30 - Evoluo temporal do factor de concentrao de tenses profundidade z=1 m, durante:a) a fase construtiva; b) a fase ps-construtiva .................................................................................... 83

Fig. 5.31 - Evoluo do factor de concentrao de tenses em profundidade, no final daconsolidao .......................................................................................................................................... 84

Fig. 5.32 - Evoluo dos acrscimos de tenso efectiva vertical na coluna e no solo em profundidade,no final da consolidao ........................................................................................................................ 85

Fig. 5.33 - Acrscimos de tenso efectiva no solo mole no final da consolidao ............................... 85

Fig. 5.34 - Nveis de tenso durante a fase construtiva ........................................................................ 87

Fig. 5.35 - Nveis de tenso na fase ps-construtiva ............................................................................ 88

Fig. 5.36 - Evoluo temporal do nvel de tenso na base do aterro (z=0), durante: a) a faseconstrutiva; b) a fase ps-construtiva ................................................................................................... 89

Fig. 5.37 - Evoluo temporal do nvel de tenso profundidade z=0,5 m, durante: a) a faseconstrutiva; b) a fase ps-construtiva ................................................................................................... 90

Fig. 5.38 - Evoluo temporal do nvel de tenso profundidade z=1 m, durante: a) a fase construtiva;b) a fase ps-construtiva ....................................................................................................................... 91


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Fig. 5.39 - Cruzetas de tenses principais efectivas (imagem global): a) no final da construo(2,5 semanas); b) no final da consolidao (770 semanas).................................................................. 92

Fig. 5.40 - Cruzetas de tenses principais efectivas (imagem ampliada): a) no final da construo

(2,5 semanas); b) no final da consolidao (770 semanas).................................................................. 93

Fig. 5.41 - Variao dos coeficientes de efeito de arco das colunas e global, durante: a) faseconstrutiva; b) fase ps-construtiva ....................................................................................................... 95

Fig. 5.42 - Fora de traco no geossinttico para o final da consolidao, em funo da distncia aoeixo de simetria ...................................................................................................................................... 96

Fig. 5.43 - Extenso no geossinttico para o final da consolidao, em funo da distncia ao eixo desimetria .................................................................................................................................................. 96

Fig. 5.44 - Evoluo temporal do coeficiente de eficcia do sistema de reforo, durante: a) a faseconstrutiva; b) a fase ps-construtiva .................................................................................................... 98

Fig. 6.1 Representao esquemtica dos diferentes modelos analisados: a) clculo A0;b) clculo A1; c) clculo A2; d) clculo A3 .......................................................................................... 101

Fig. 6.2 - Assentamentos na base do aterro (z=0), no final da consolidao, para diferentesdisposies das colunas de jet grout ................................................................................................... 102

Fig. 6.3 - Assentamentos no topo do aterro (z=-2,5 m), no final da consolidao, para diferentesdisposies das colunas de jet grout ................................................................................................... 103

Fig. 6.4 - Assentamentos mximos na base do aterro (z=0), no final da consolidao, para diferentesdisposies das colunas de jet grout................................................................................................... 103

Fig. 6.5 - Evoluo temporal dos assentamentos mximos do solo na base do aterro, para diferentes

disposies das colunas de jet grout................................................................................................... 104

Fig. 6.6 - Evoluo temporal dos assentamentos mximos nas colunas, para diferentes disposiesdas colunas de jet grout ...................................................................................................................... 105

Fig. 6.7 - Coeficiente de efeito de arco, no final da consolidao, para diferentes disposies dascolunas de jet grout ............................................................................................................................. 105

Fig. 6.8 - Fora mxima de traco (a) e extenso mxima (b) no geossinttico, no final daconsolidao, para diferentes disposies das colunas de jet grout .................................................. 106

Fig. 6.9 - Coeficiente de eficcia do sistema do sistema de reforo, no final da consolidao, paradiferentes disposies das colunas de jet grout .................................................................................. 107

Fig. 6.10 - Nveis de tenso no final da construo, para diferentes disposies das colunas de jetgrout ..................................................................................................................................................... 108

Fig. 6.11 - Nveis de tenso no final a consolidao, para diferentes disposies das colunas de jetgrout ..................................................................................................................................................... 109

Fig. 6.12 - Excessos de presso neutra no final da construo, para diferentes disposies dascolunas de jet grout ............................................................................................................................. 110

Fig. 6.13 - Assentamentos na base do aterro (z=0), no final da consolidao, para diferentesdeformabilidades das colunas ............................................................................................................. 112


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xv

Fig. 6.14 - Assentamentos no topo do aterro (z=-2,5 m), no final da consolidao, para diferentesdeformabilidades das colunas ............................................................................................................. 112

Fig. 6.15 - Assentamentos mximos na base do aterro (z=0), no final da consolidao, para diferentes

deformabilidades das colunas ............................................................................................................. 113

Fig. 6.16 - Assentamentos diferenciais mximos, na base do aterro (z=0), no final da consolidao,para diferentes deformabilidades das colunas .................................................................................... 113

Fig. 6.17 - Evoluo temporal dos assentamentos mximos do solo na base do aterro (z=0), paradiferentes valores de deformabilidades das colunas .......................................................................... 114

Fig. 6.18 - Evoluo temporal dos assentamentos mximos nas colunas, para diferentes valores dedeformabilidade das colunas ............................................................................................................... 115

Fig. 6.19 - Evoluo da percentagem de assentamento mximo do solo na base do aterro (z=0) emrelao ao assentamento mximo final, para diferentes deformabilidades das colunas .................... 115

Fig. 6.20 - Coeficiente de efeito de arco, no final da consolidao, para diferentes deformabilidadesdas colunas ......................................................................................................................................... 116

Fig. 6.21 - Fora mxima de traco (a) e extenso mxima (b) no geossinttico, no final daconsolidao, para diferentes deformabilidades das colunas ............................................................ 117

Fig. 6.22 Configurao das deformadas do aterro no final da construo deste, para diferentesdeformabilidades das colunas ............................................................................................................. 118

Fig. 6.23 - Coeficiente de eficcia do sistema do sistema de reforo, no final da consolidao, paradiferentes deformabilidades das colunas ............................................................................................ 119

Fig. 6.24 - Nveis de tenso no final da construo, para diferentes deformabilidades das colunas . 120

Fig. 6.25 - Nveis de tenso no final a consolidao, para diferentes deformabilidades das colunas 121

Fig. 6.26 - Excessos de presso neutra no final da construo, para diferentes deformabilidades dascolunas ................................................................................................................................................ 122

Fig. 6.27 - Assentamentos na base do aterro (z=0), no final da consolidao, para diferentes valoresde rigidez traco do geossinttico .................................................................................................. 124

Fig. 6.28 - Assentamentos no topo do aterro (z=-2,5 m), no final da consolidao, para diferentes

valores de rigidez traco do geossinttico ..................................................................................... 124

Fig. 6.29 - Assentamentos mximos na base do aterro e nas colunas, no final da consolidao, para

diferentes valores de rigidez traco do geossinttico .................................................................... 125Fig. 6.30 - Assentamentos diferenciais mximos na base do aterro, no final da consolidao, paradiferentes valores de rigidez traco do geossinttico .................................................................... 125

Fig. 6.31 - Evoluo temporal dos assentamentos mximos do solo na base do aterro, para diferentesvalores de rigidez traco do geossinttico ..................................................................................... 126

Fig. 6.32 - Evoluo temporal dos assentamentos mximos nas colunas, para diferentes valores derigidez traco do geossinttico ....................................................................................................... 126

Fig. 6.33 - Coeficiente de efeito de arco, no final da consolidao, para diferentes valores de rigidez traco do geossinttico ...................................................................................................................... 127


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xvi

Fig. 6.34 - Fora mxima de traco (a) e extenso mxima (b) no geossinttico, no final daconsolidao, para diferentes valores de rigidez traco do geossinttico ..................................... 128

Fig. 6.35 - Coeficiente de eficcia do sistema de reforo, no final da consolidao, para diferentes

valores de rigidez traco do geossinttico ..................................................................................... 129

Fig. 6.36 - Nveis de tenso no final da construo, para diferentes valores de rigidez traco dogeossinttico ........................................................................................................................................ 130

Fig. 6.37 - Nveis de tenso no final a consolidao, para diferentes valores de rigidez traco dogeossinttico ........................................................................................................................................ 131

Fig. 6.38 - Excessos de presso neutra no final da construo, para diferentes valores de rigidez traco do geossinttico ...................................................................................................................... 132

Fig. 6.39 - Assentamentos na base do aterro (z=0), no final da consolidao, para diferentesespaamentos entre colunas ............................................................................................................... 134

Fig. 6.40 - Assentamentos no topo do aterro (z=-2.5 m), no final da consolidao, para diferentesespaamentos entre colunas ............................................................................................................... 134

Fig. 6.41 - Assentamentos mximos na base do aterro, no final da consolidao, para diferentesespaamentos entre colunas ............................................................................................................... 135

Fig. 6.42 - Evoluo temporal dos assentamentos mximos do solo na base do aterro, para diferentesespaamentos entre colunas ............................................................................................................... 136

Fig. 6.43 - Evoluo temporal dos assentamentos mximos nas colunas, para diferentesespaamentos entre colunas ............................................................................................................... 136

Fig. 6.44 - Evoluo da percentagem de assentamento em funo do tempo, para diferentes

espaamentos entre colunas ............................................................................................................... 136

Fig. 6.45 - Coeficiente de efeito de arco, no final da consolidao, para diferentes espaamentosentre colunas ....................................................................................................................................... 137

Fig. 6.46 - Fora mxima de traco (a) e extenso mxima (b) no geossinttico, no final daconsolidao, para diferentes espaamentos entre colunas .............................................................. 138

Fig. 6.47 - Coeficiente de eficcia do sistema do sistema de reforo, no final da consolidao, paradiferentes espaamentos entre colunas .............................................................................................. 139

Fig. 6.48 - Nveis de tenso no final da construo, para diferentes espaamentos entre colunas ... 140

Fig. 6.49 - Nveis de tenso no final a consolidao, para diferentes espaamentos entre colunas . 141Fig. 6.50 - Excessos de presso neutra no final da construo, para diferentes espaamentos entrecolunas ................................................................................................................................................ 142


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NDICE DE QUADROS

Quadro 2.1 - Mtodos que permitem a construo de aterros sobre solos moles (adaptado de Borba,

2007) ....................................................................................................................................................... 8Quadro 2.2 - Diferentes tipos de estacas/colunas passveis de serem usadas no reforo de aterros(adaptado de Collin, 2004) .................................................................................................................... 12

Quadro 3.1 - Equipamento utilizado nos procedimentos dos trs sistemas de jet grouting jactosimples, jacto duplo e jacto triplo (Carreto, 2000) ................................................................................. 26

Quadro 3.2 - Valores limites dos parmetros do jet grouting. Sistemas de jacto simples, duplo e triplo

(Carreto, 1999) ...................................................................................................................................... 28

Quadro 3.3 - Resistncia compresso de materiais tratados por jet grouting (adaptado de Carreto,2000) ..................................................................................................................................................... 31

Quadro 4.1 - Tipos de geossintticos e as suas principais aplicaes (adaptado de Koemer, 1998) . 42

Quadro 5.1 - Caractersticas da argila e do material de aterro ............................................................. 55

Quadro 5.2 - Coeficientes de impulso em repouso (K0) e de sobreconsolidao da argila (OCR) ..... 56

Quadro 5.3 - Caractersticas do geossinttico ...................................................................................... 56

Quadro 5.4 - Caractersticas do jet grout .............................................................................................. 57

Quadro 6.1 - Sntese dos clculos efectuados no estudo paramtrico .............................................. 100

Quadro 6.2 - Disposio das colunas de jet grout .............................................................................. 101

Quadro 6.3 - Mdulo de deformabilidade das colunas ....................................................................... 111Quadro 6.4 - Rigidez traco do geossinttico ................................................................................ 123

Quadro 6.5 - Espaamento entre colunas .......................................................................................... 133


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SMBOLOS EABREVIATURAS

LETRAS LATINAS

A(coluna) rea da coluna de jet-grout

E mdulo de deformabilidade

E50% mdulo de deformabilidade secante no ponto correspondente a 50% da resistncia ao corte

coeficiente de eficcia do sistema de reforo

H altura de aterro

J rigidez traco do geossinttico

k declive das linhas de descompresso-recompresso isotrpica

kx, ky coeficientes de permeabilidade segundo as direces x e yK0 coeficiente de impulso em repouso

L comprimento da coluna de jet-grout

M declive da linha de estados crticos no referencial p-q

N parmetro do modelo (p,q,) correspondente ao volume especfico do solo sujeito a uma tenso pigual unidade

p tenso mdia efectiva

q tenso de desvio

tenso vertical sobre o geossinttico

Qc carga suportada por coluna

Qt carga total do aterro na clula unitria

s assentamento

t espessura do geossinttico

W carga uniformemente distribuda aplicada no reforo

x, y, z coordenadas cartesianas

z profundidade

LETRAS GREGAS

assentamento mdio

() acrscimo mdio de tenso vertical efectiva na coluna

() acrscimo mdio de tenso vertical efectiva no solo mole

deformao

q deformao distorcional

m extenso mdia


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xx

v deformao volumtrica

ngulo de atrito interno definido em termos de tenses efectivas

peso especfico do material

parmetro do modelo (p,q,) correspondente ao volume especfico de solo, em situao de estadocrtico, sujeito a uma tenso p igual unidade

declive da linha de consolidao isotrpica virgem no referencial (lnp, )

coeficiente de Poisson

coeficiente de Poisson definido em termos de tenses efectivas

coeficiente de efeito de arco

1, 2, 3 tenses principais efectivas (mxima, intermdia e mnima)

g tenso vertical no geossinttico

c tenso vertical no topo da coluna

s tenso vertical na superfcie do solo mole

tenso tangencial

invariante das tenses

ABREVIATURAS

A/C relao gua/cimento

FC nvel de tenso

IGS Sociedade Internacional de Geossintticos

JJGA Associao Japonesa de Jet Grouting

JET1 sistema de jacto simples

JET2 sistema de jacto duplo

JET3 sistema de jacto triplo

OCR grau de sobreconsolidao

PTC plataforma de transferncia de carga

RPTCG reforo atravs de uma plataforma de transferncia de carga com geossintticos

SL nvel de tenso


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1INTRODUO

A construo de aterros sobre solos moles sempre foi um desafio para a Engenharia Geotcnica, poisexistem vrias questes relacionadas com a sua instabilidade global e local, instabilidade de taludes,presses laterais, elevados assentamentos (totais e diferenciais) que se processam lentamente ao longodo tempo.

Enquanto que para os solos granulares, graas sua elevada permeabilidade, a alterao do seu estadode tenso total reflecte-se de imediato no estado de tenso efectiva, para os solos argilosos saturados, abaixa permeabilidade no permite a alterao instantnea do teor de gua, gerando-se assim excessosde presso de gua nos poros que se dissipam com a consequente alterao dos estados de tenso edeformao do macio. Por este efeito, o comportamento do aterro em macios argilosos apresentauma dependncia temporal, traduzindo-se em assentamentos no aterro bem como no macioenvolvente que se processam lentamente no tempo e assumem valores elevados a longo prazo. Estesefeitos diferidos no tempo dependem dos excessos de presso neutra instalados durante a construo

do aterro, que por sua vez so funo de diversos factores: das propriedades mecnicas e hidrulicasdo solo; da histria de tenso do macio; da durao do processo construtivo; da rigidez da estruturade reforo, da permeabilidade do macio e das condies de fronteira hidrulica. Assim deve-seatentar para o baixo factor de segurana durante e no final do processo construtivo, dado nestas fases ocarregamento ser mximo e a resistncia do macio de fundao ser mnima, aumentando com odecorrer do tempo.

Diversas tcnicas construtivas foram desenvolvidas com o objectivo de obviar estes inconvenientes,aumentando o factor de segurana rotura do aterro. Entre elas a introduo de bermas laterais deequilbrio, a pr-carga ou a sobrecarga temporal, a remoo/substituio do solo mole, o reforo comgeossintticos, a utilizao de drenos verticais (geodrenos ou drenos de areia), o reforo com colunas

de brita, a construo do aterro por fases, o reforo com colunas rgidas e plataformas de transfernciade carga sobre colunas, etc, podendo ou no ser combinadas.

O mtodo de reforo de solos moles atravs de plataformas de transferncia de carga (PTC), sobrecolunas tem a vantagem de para alm de reduzir os assentamentos totais e diferenciais, tanto na basecomo no topo do aterro, permitir o aumento da garantia de estabilidade do aterro (Sandroni, 2006)epossibilitar a construo deste numa nica etapa, evitando intervalos de tempo prolongados.

SegundoGangakhedkar (2004), a PTC convencional granular no-reforada necessita que as colunassejam menos espaadas e que possuam uma maior rea na base do aterro, para transferir maior cargado aterro para as colunas, evitando deformaes superficiais causadas pelos grandes assentamentosdiferenciais entre o topo das colunas. A PTC convencional granular no-reforada necessita de colunas

inclinadas nos limites do aterro para resistir s presses laterais. A PTC com geossinttico, graas


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sua maior eficincia na transferncia de todas as cargas do aterro para as colunas e sua resistncia traco (na direco horizontal), possibilita maiores espaamentos entre elas no necessitando de seexecutar colunas inclinadas nas zonas mais laterais.

Em resultado da elevada resistncia traco dos geossintticos, a introduo destes sobre solosmoles, aumenta a capacidade de carga, a estabilidade dos taludes, reduz os assentamentos diferenciaise oferece resistncia aos impulsos laterais nos limites do aterro.

Pela anlise de vrios projectos, (Han, 1999) verificou que para PTC convencional granular noreforada a percentagem de cobertura de estacas de 60-70%, enquanto que para a PTC comgeossinttico esse valor pode ser bastante mais reduzido.

Diversos tipos de colunas podem ser usados no sistema de reforo com plataformas de transferncia decarga, designadamente colunas de ao, colunas de madeira, estacas de beto pr-fabricadas, colunas dejet grout, colunas de deep soil mixing, etc.. A tcnica de jet grouting uma tcnica de injeco desolos relativamente recente, que tem encontrado nos ltimos anos uma grande aceitao um pouco por

todo Mundo em virtude da sua versatilidade e competitividade face a outras solues de colunas.As colunas e o solo comportam-se como uma fundao composta, podendo ou no as colunas atingir oestrato rgido.

Esta dissertao tem como objectivo contribuir para um melhor conhecimento do comportamento deaterros sobre solos moles reforados com colunas de jet grout encabeadas por plataforma detransferncia de carga com geossintticos.

No Captulo 2 apresenta-se uma breve reviso bibliogrfica sobre os fundamentos associados aosmecanismos de transferncia de carga desenvolvidos numa obra com esta concepo estrutural. Soapresentados os diferentes tipos de plataformas de transferncia de carga, sendo aprofundada adescrio da plataforma constituda por apenas uma camada de geossintticos funcionando comomembrana (cabo ou catenria), aplicada no caso em estudo nesta dissertao.

No Captulo 3 realizada uma sntese sobre a tcnica de jet grouting. Apresentam-se os diferentessistemas de jet grouting, os parmetros que influenciam o processo construtivo e dimensionamento,descreve-se o processo construtivo da tcnica de jet grouting e apresentam-se os equipamentosutilizados.

No Captulo 4 so descritos diversos aspectos de carcter geral relativos aos geossintticos, e suautilizao no desempenho das suas funes.

No Captulo 5 utilizado um programa de clculo automtico baseado no mtodo dos elementosfinitos (desenvolvido por Borges, 1995), que permite proceder a anlises de consolidao atravs de

uma formulao acoplada mecnica-hidrulica (extenso da teoria de Biot), na qual o comportamentodo solo definido em termos de tenses efectivas. Para a modelao do comportamento do soloutiliza-se um modelo constitutivo elastoplstico no linear, baseado na Mecnica dos Solos dosEstados Crticos (modelo p-q-).

Com o programa de elementos finitos analisa-se o comportamento de um aterro sobre solos molesreforado com colunas de jet grout encabeadas por um geossinttico. O estudo compreende a anlisedo comportamento da obra, quer durante o perodo de construo, quer durante o perodo deconsolidao, at total dissipao dos excessos de presso neutra gerados durante a fase deconstruo.

O Captulo 6 dedicado a estudos paramtricos, tendo por base a obra analisada no Captulo 5, de

forma a esclarecer a influncia de determinados parmetros no comportamento diferido do aterro


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sobre solos moles. Analisa-se a influncia da disposio em planta das colunas de jet grout, suasdeformabilidades e espaamentos transversais, bem como a rigidez traco do geossinttico. avaliada de que forma cada parmetro influencia a distribuio dos excessos de presso neutra geradosdurante a construo e a evoluo temporal dos deslocamentos do caso em estudo, as transferncias de

carga no sistema, assim como a eficcia do sistema de reforo em cada situao.Finalmente, no Captulo 7 so expostas as principais concluses julgadas pertinentes, assim comoalgumas sugestes para estudos posteriores que podero completar a presente investigao.


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2ATERROS SOBRE SOLOS MOLESREFORADOS COM COLUNASENCABEADAS POR PLATAFORMASDE TRANSFERNCIA DE CARGA

2.1. HISTRIA DOSATERROS SOBRE COLUNAS

A construo de aterros sobre estacas ocorreu pela primeira vez h aproximadamente 70 anos, naSucia, na construo de uma estrada (Marques, 2008). Nos pases Escandinavos os aterros sobreestacas eram bastante usados desde a dcada de 60 como uma alternativa construo de pontes ou utilizao de drenos de areia (Rathmayer, 1975). De facto, o Regulamento do National Swedish RoadBoard em 1983 recomendava j o uso de estacas na construo de aterros sobre solos moles com maisde 6 metros de profundidade (Holmberg, 1978).

Na dcada de 60 a tecnologia mais utilizada para o reforo de aterros era a de estacas de madeira,pouco espaadas entre si, com pilares inclinados nas extremidades para fazer face ao impulso lateralinduzido pelo aterro (Abdullah, 2006).

Mais tarde, surgem as estacas com macio de encabeamento, que as dotava de uma maior rea superfcie e que permitia reduzir o intervalo de solo carregado entre colunas e, desta forma, aumentaro espaamento entre elas (Abdullah, 2006).

A ideia de usar geossintticos sob aterros apoiados em estacas adveio da dificuldade de instalao deestacas inclinadas em argilas moles at ao macio resistente. Este mtodo provou ser eficaz napreveno da instabilidade horizontal do aterro. O trabalho ento desenvolvido por Holtz e Massarsch(1976)foi pioneiro e uma referncia nesta rea, apesar de, hoje em dia, a aplicao do geossinttico no

reforo de aterros sobre colunas no se dever j dificuldade de instalao das colunas inclinadas.Reid e Buchanan (1984) documentaram que a tcnica de reforo de aterros sobre colunas comgeossintticos foi aplicada para prevenir assentamentos diferenciais entre um aterro sobre um solomole e o encontro de uma ponte sobre estacas profundas. Os trabalhos de Jones (1990) no ReinoUnido culminaram com a introduo dos aterros sobre estacas reforados com geossinttico na BritishStandard BS8006, em 1995.

Em aterros sobre solos moles, os geossintticos so geralmente o material de reforo das plataformasde transferncia de carga, contudo o reforo no limitado somente a geossintticos. Da mesmaforma, as estacas no so o nico sistema de fundao possvel; outros tipos de colunas, como ascolunas de beto, geopiers, colunas de cal/cimento, colunas de jet grout, etc., tm sido aplicados neste

tipo de obras com resultados muito satisfatrios.


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Os geossintticos mais usados so as geogrelhas, devido sua resistncia e propriedades de interacocom o solo granular. Os geotxteis de alta resistncia tambm podem ser usados.

As aplicaes mais ajustadas para as plataformas de transferncia de carga sobre colunas so:

Aterros sobre solos moles; Aterros de aproximao a encontros de pontes sobre fundaes profundas; Aterros relativamente baixos nos quais o efeito de arco no se desenvolve completamente; Novos aterros adjacentes a aterros ou estruturas j existentes; Apoio de muros de conteno em solos moles; Apoio de reservatrios de armazenamento.

A Fig. 2.1 mostra algumas situaes onde a plataforma de transferncia de carga de geossinttico usada em aterros sobre solos moles reforados com colunas.

Fig. 2.1 - Aplicaes da plataforma de transferncia de carga sobre colunas (adaptado de Han e Gabr, 2002)

Neste captulo ser apresentada uma breve reviso bibliogrfica abordando o tema de aterros sobresolos moles reforados com colunas de jet grout. So apresentados conceitos tais como o modelo deefeito de arco, mecanismo fundamental para a eficincia da soluo de aterro sobre colunas bem comoa fora de traco desenvolvida no geossinttico.

c) Reservatrio (ASCE Geo-Institute, 1997)

Camada de areia e cascalho

Solomole

Colunasde jet grout

Reservatrio GeossintticosViga defundao

Carga de trfego

d) Muro de conteno (Alzamora et al., 2000)

Silte argiloso (SPT N>10)

Silte e argilaorgnica(SPT N=0 a 1)

Colunas de jet grout

Plataformagranular reforadacom geossintticos

Geogrelhasuniaxiais

Ponte

Aterro

Solo mole

Estacasde suportedo aterro

a) Aterro sobre estacas de aproximao a ponte (Reid et al., 1984)

Estacade beto

Geossinttico

e) Alargamento de uma estrada existente

ExistenteGeossinttico Novo

Estaca

Eixo de simetria

b) Melhoramentos de fundao de pavimento (Tsukada et al., 1993)

Solo mole

Colunas de

solo-cimento Geossinttico

Pavimento

Fundao dopavimento


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2.2. ATERROS SOBRE SOLOS MOLES

A importncia do tratamento de solos na construo civil basilar porque permite a utilizao deterrenos de poucas caractersticas mecnicas, tais como os solos moles.

O termo de solo mole usualmente empregue para depsitos de solos de baixa consistncia,caracterizados por baixa resistncia ao corte, tpicos de argilas e siltes saturados. Segundo Borba(2007), apresentam em geral alguns aspectos em comum: situam-se em zonas planas, so formadospor solos finos e, consequentemente apresentam ms condies de drenagem. Os principais problemasassociados construo de aterros sobre estes solos so: a baixa capacidade de carga do solo, grandesdeslocamentos laterais, assentamentos excessivos diferidos no tempo, muitas vezes no compatveiscom os assentamentos admissveis (Abdullah, 2006;Rao, 2006).

Existem vrios mtodos que permitem mitigar o impacto dos factores que podem levar rotura pelosmodos anteriormente mencionados. Os mtodos mais comuns so (Abdullah, 2006):

Pr-carregamento, para melhoramento das propriedades do solo; Drenos verticais em conjugao com pr-carga, de modo a acelerar o processo de

consolidao do solo; Substituio de uma parte ou da totalidade do solo mole por materiais granulares; Utilizao de materiais leves no corpo do aterro, para aliviar as cargas no subsolo; Reforo horizontal do aterro atravs de geossintticos e outros elementos de reforo, de

maneira a aumentar a estabilidade; Fundaes com colunas/estacas; Fundao com colunas/estacas reforadas por uma plataforma de transferncia de carga de

geossinttico.

Existem outros mtodos, no entanto, com menor aplicao devido aos seus elevados custos, o pr-carregamento por vcuo e a electro-osmose. O pr-carregamento com vcuo, tcnica bastantedifundida na sia e Europa (Almeida e Marques, 2004), ideal para espessas camadas argilosas debaixa resistncia. Por sua vez, a electro-osmose requer grande investigao das propriedades fsico-qumicas, compressveis e permeveis do solo para se atingir adequado grau de confiabilidade natcnica (Almeida, 1996).

O mtodo mais antigo a substituio de uma parte ou da totalidade do solo mole de difcilviabilidade em grandes cidades, por falta de local adequado para a disposio deste material (Almeidae Marques, 2004). A insero de drenos verticais no solo mole com o objectivo de acelerar aconsolidao uma tcnica bastante difundida e adoptada (Almeida, 1996).

O sistema de reforo atravs de uma plataforma de transferncia de carga com geossinttico sobrecolunas considerado uma boa soluo de engenharia na garantia da estabilidade da obra. Este mtododifundido a partir dos anos 90 tem-se tornado desde ento cada vez mais popular (Almeida et al.,2007), pois combina o mtodo de reforo de aterros com estacas, que utiliza o efeito de arco domaterial granular do aterro para as colunas, com o mtodo de reforo de aterro com geossinttico, quemelhora o comportamento global da obra e permite uma melhor transferncia de cargas para ascolunas.

Os geossintticos tm uma resistncia traco muito elevada, que falta ao solo (Gangakhedkar,2004). A incluso do reforo de geossinttico na base do aterro permite uma maior transmisso dascargas para as colunas o que, consequentemente, se traduz numa reduo das cargas transmitidas aosolo de fundao; assim, os assentamentos diferenciais entre as colunas e o solo de fundao so


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tambm minimizados. Se a carga transmitida ao solo de fundao menor, o espaamento entre ascolunas que suportam o aterro pode ser maior, o que torna o custo total do sistema mais baixo(Abdullah, 2006).

No Quadro 2.1 apresenta-se uma sntese das principais solues adoptadas para a construo deaterros sobre solos moles, com a principal vantagem/desvantagem inerente e a sua adequabilidade. Asoluo mais adequada para cada situao no se resume unicamente componente tcnica,econmica ou temporal, sendo sempre o resultado da ponderao destes factores com aspectosconstrutivos e de disponibilidade de maquinaria e mo-de-obra.

Quadro 2.1 - Mtodos que permitem a construo de aterros sobre solos moles (adaptado de Borba, 2007)

Mtodo Desvantagem Adequabilidade Observao

Drenos verticais

Menor eficincia em

solos turfosos eorgnicos Boa Rpido e caro

Pr-carregamento Tempo prolongado

Baixa seassentamentos

desejados foremreduzidos

Lento e barato

Substituio da argilaLocal de disposio do

solo extradoBoa em casos de total

substituioRpido e caro

Aterro com materiaisleves

Necessidade de

proteco de materialleve

Baixa seassentamentos

desejados foremreduzidos

Rpido e Caro

GeossintticosAssentamentos

elevadosBoa

Rpido com customoderado

Colunas/Estacas

granulares

Necessidade deequipamentos e testespreliminares de campo

Boa se associada a

testes de campoRpido e caro

Colunas/Estacas no

granulares

Necessidade deequipamentos

especiais

Boa Rpido e caro

Colunas/Estacas

reforadas comgeossinttico

Necessidade de

equipamentosespeciais

Boa Rpido e caro


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2.3. ATERROS SOBRE SOLOS MOLES REFORADOS COM COLUNAS ENCABEADAS PORGEOSSINTTICOS

A Sociedade Internacional de Geossintticos (IGS) define os geossintticos como elementos planos,

produzidos a partir de polmeros sintticos ou naturais, e utilizados em combinao com solo, rochae/ou outros materiais geotcnicos como parte integral de um projecto, estrutura ou sistema em

engenharia civil(Sieira, 2003).

Segundo Mello e Bilfinger (2004)o uso de geossintticos na base de aterros reforados com colunasmelhora o seu desempenho, permitindo optimizar as espessuras de aterro, os espaamentos entrecolunas e reduo ou at eliminao dos capitis nos topos das colunas. A insero do geossintticoneste tipo de obras permite tambm uma diminuio dos assentamentos diferenciais em aterros depequena altura (BS8006, 1995), suportando localmente as zonas de colapso. O geossinttico na basedo aterro elimina tambm a necessidade de colunas inclinadas nos limites do aterro para resistir spresses laterais (Jones et al., 1990).

No caso de plataformas de transferncia de carga, Lawson (1995), sugere que os geossintticos sousados habitualmente em duas situaes, funcionando como membrana (cabo ou catenria) e comoreforo em viga flexvel.

Dada a elevada compressibilidade dos solos moles e os consequentes elevados assentamentos diferidosno tempo dos solos moles, a utilizao de aterros reforados com colunas de jet grout encabeadas porgeossinttico tem como objectivo proporcionar a transferncia de carga do aterro directamente parauma camada mais resistente quando possvel, ou a transmisso por atrito lateral ao solo mole quandoestas no possam ter um comprimento suficiente para atingir uma camada rgida; atenuando as tensesinstaladas na base do aterro, com o intuito de assim reduzir os assentamentos verificados na base doaterro. As principais caractersticas deste mtodo de reforo so (Spotti, 2006):

Permite a rpida construo do aterro sem a necessidade de aguardar pelo processo deconsolidao;

Elimina a necessidade de solos adicionais para acelerar o processo de consolidao (pr-carregamento) ou compensar os efeitos dos assentamentos excessivos;

Reduz o impacto no meio ambiente graas aos menores volumes de material de jazidanecessrios para a construo do aterro.

Adbullah (2006) resume os procedimentos a seguir no dimensionamento de aterros reforados comcolunas encabeadas por geossintticos. Todos os mtodos de dimensionamento preconizam odimensionamento do aterro contra vrios modos de colapso, projectando o aterro para os estadoslimites ltimo e de utilizao. Os passos do dimensionamento so:

Dimensionamento da coluna, incluindo o espaamento entre colunas; Verificao da estabilidade da fundao nas extremidades do aterro, zonas onde se mobilizam

impulsos e deslocamentos horizontais; Dimensionamento da plataforma de transferncia de carga; Dimensionamento ao deslizamento lateral do aterro; Verificao da adequao do comprimento de sobreposio do reforo; Verificao da estabilidade global do aterro considerando a presena das colunas.


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Os estados limites ltimos a serem considerados no dimensionamento, segundo a BS8006 (1995), so(Fig. 2.2):

Capacidade de carga do grupo de colunas (Fig. 2.2 a); Adequada disposio das colunas nos limites laterais do aterro (Fig. 2.2b); Distribuio das cargas nos capitis (Fig. 2.2 c); Estabilidade ao deslizamento dos taludes laterais do aterro (Fig. 2.2 d); Estabilidade global do aterro (Fig. 2.2 e).

Fig. 2.2 - Estados limites ltimos para aterros sobre estacas/colunas (adaptado de BS8006, 1995)


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Para os estados limites de servio, a BS8006 (1995)considera (Fig. 2.3):

Deformao excessiva do reforo (Fig. 2.3 a); Assentamento excessivo das estacas de fundao (Fig. 2.3b).

Fig. 2.3 - Estados limites de servio para aterros sobre estacas/colunas (adaptado de BS8006, 1995)

2.4. TIPOS DE COLUNAS

As colunas so uma parte integrante do sistema de reforo atravs de uma plataforma de transfernciade carga com geossintticos (RPTCG). Recebem as cargas transferidas tanto pelo efeito de arco comoatravs do geossinttico e transferem-nas para o solo firme. O seu papel no sistema de reforo assimde minimizar o assentamento do aterro, pois se as cargas so transmitidas para as colunas no irosolicitar o solo mole (pelo menos no na totalidade), e tambm o de minimizar o deslocamento lateralpor corte no solo de fundao (Abdullah, 2006).

Os sistemas de estacas pr-fabricadas, como as estacas de madeira, ao, beto pr-fabricado, betopr-esforado, etc., podem ser usadas tanto nos sistemas convencionais de reforo de aterros como nossistemas RPTCG. Contudo, estas estacas tm sido progressivamente substitudas por sistemas de

colunas executadas in situ. A maioria destas colunas tem uma profundidade de penetrao limitada,

pelo que a sua aplicao fica reduzida aos casos em que a profundidade do estrato mole menor que12 m ou, em solos moles mais profundos, quando so admissveis assentamentos com valores elevados

(Abdullah, 2006). Estas colunas tm normalmente rigidez mais baixa que as estacas tradicionais

entre 30 e 100 MPa para as colunas e 7000 a 210000 MPa para as estacas (Collin, 2004). Em muitosdos mtodos actuais de anlise e projecto de aterros a contribuio do solo mole para suportar o pesodo aterro ignorada, pelo que nesses casos as colunas so dimensionadas para suportar a carga total doaterro. OQuadro 2.2 apresenta uma lista de tipos de colunas que podem ser usadas para o suporte deaterros reforados com o sistema RPTCG.

b) Assentamento da fundao

a) Deformao do reforo


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A opo por colunas em detrimento das estacas tradicionais tem algumas vantagens (Abdullah, 2006;Gangakhedkar, 2004;Rao, 2006):

Com a maioria das colunas no so necessrios encabeamentos pois a coluna tem partidauma rea suficiente, ou caso isso no se verifique, h a possibilidade de aumentar o dimetroprximo do topo da coluna. Isto repercute-se numa poupana de tempo e dinheiro;

Como normalmente as colunas so menos rgidas que as estacas, a distribuio de tenses e adiferena de assentamentos entre o solo de fundao e o topo da coluna no ser to elevadocomo no caso das estacas; desta forma a fora de traco e a tenso no reforo so menores;

As colunas que tm um dimetro menor podem no ser capazes de suportar grandes cargas.Neste caso, contudo, sero colocadas pouco espaadas, funcionando como um conjunto e nonecessitando de encabeamentos.

Quadro 2.2 - Diferentes tipos de estacas/colunas passveis de serem usadas no reforo de aterros (adaptado de

Collin, 2004)

ESTACA/COLUNA

INTERVALO DE

CAPACIDADE DE

CARGA (kN)

COMPRIMENTOS

HABITUAIS (m)

DIMETRO

HABITUAL (cm)

Estacas de madeira 100 - 500 5 - 20 30 55

Estacas de ao H 400 2000 5 - 30 15 30

Estacas de ao tubulares 800 - 2500 10 - 40 20 120

Estacas de beto

pr-fabricadas 400 - 1000 10 - 15 25 - 60

Cast-in-place concrete

shell (mandrel driven)400 1400 3 - 40 20 - 45

Shell driven without

mandrel500 - 1350 5 - 25 30 45

EstacasAuger cast 350 700 5 - 15 30 - 40

Microestacas 300 - 1000 20 - 30 15 - 25

Colunas Soil mix 400 - 1200 10 - 30 60 300Colunas de brita 100 - 500 3 10 45 - 120

Geotextile encased

column300 - 600 3 - 10 80 - 150

Geopier 130 - 650 3 - 8 60 - 90

Vibro concrete column 200 - 600 3 - 10 45 - 60


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2.5. PLATAFORMAS DE TRANSFERNCIA DE CARGA

De acordo com Abdullah (2006)existem quatro tipos de plataformas de transferncia de carga (PTC)para reforo de aterros sobre colunas:

PTC convencional granular no-reforada; PTC em beto (rgida); PTC com geossinttico funcionando como membrana (cabo, catenria); PTC em viga flexvel com vrios nveis de geossintticos.

AFig. 2.4 ilustra os esquemas estruturais das diferentes PTC. Segue-se a descrio de cada uma delas.

Fig. 2.4 - Diferentes tipos de plataformas de transferncia de carga: a) PTC granular no-reforada; b) PTC

reforada em laje de beto armado; c) PTC com geossinttico funcionando como membrana (em catenria);

d) PTC em viga flexvel reforada com geossintticos (adaptado de Abdullah, 2006)

2.5.1. PTCCONVENCIONAL GRANULAR NO-REFORADA

Num aterro convencional sobre estacas, a transferncia de carga realiza-se essencialmente atravs damobilizao do efeito de arco no material granular que constitui o aterro. Como no h reforo na basedo aterro, todo o peso do solo por baixo do arco suportado pelo solo mole. Em consequncia,desenvolvem-se tenses no solo mole que resultam no s em deslocamentos verticais, mas tambmlaterais nas extremidades do aterro. Para prevenir os deslocamentos laterais so instaladas estacasinclinadas nas extremidades do aterro. necessrio que o aterro tenha uma altura superior do arco,de forma a minimizar os assentamentos superfcie. A altura do arco funo da distncia livre entreos encabeamentos das estacas. Da a vantagem de colocar no topo das estacas o macio deencabeamento, pois permite aumentar o espaamento entre elas. Nos aterros convencionais sobre

Aterro

Efeito de arcono aterro Material granular

Encabeamento das estacas Material deaterro Aterro

PTC em beto armado

Aterro

PTCGeossinttico Efeito de arcono aterro

Geossinttico

Aterro Materialgranular

Efeito de arco no aterro

a)

c)

b)

d)

H

H

H

H

Colunas Colunas

Estaca

Colunas


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estacas, a percentagem de rea dos encabeamentos em relao rea plana da base do aterro variaentre 50 a 70% (Han e Gabr, 2002).

2.5.2. PTCEM BETO (RGIDA)Esta plataforma de transferncia de carga geralmente constituda por uma laje de beto armadobetonada sobre as colunas. A laje projectada como uma laje plana e rgida, sendo dada especialateno resistncia ao punoamento nos apoios nas colunas (principalmente quando se trata decolunas muito rgidas como o caso das estacas), tendo em conta que praticamente todas as cargas,incluindo o peso prprio da laje, so transmitidas directamente s colunas. Por outro lado, no sedesenvolve qualquer efeito de arco na massa de aterro, pelo que o material que constitui o aterro no importante, desde que se trate de um material adequado para o formar. A espessura da laje dada emfuno do espaamento entre colunas, da altura do aterro e de eventuais sobrecargas, assumindonormalmente valores entre os 0,30 e os 0,50 m (Abdullah, 2006).

Esta soluo pouco habitual dado os elevados custos de execuo.

2.5.3. PTCCOM GEOSSINTTICO FUNCIONANDO COMO MEMBRANA (CABO,CATENRIA)

A plataforma de transferncia de carga em catenria constituda por uma ou, no mximo, duascamadas de geossinttico, colocadas a alguma distncia sobre as colunas. A plataforma constitudapor material granular, que normalmente constitui tambm o aterro. O ngulo de atrito do material deveser maior ou igual a 30 (Abdullah, 2006).

O reforo comporta-se como um elemento estrutural. Os mtodos de dimensionamento de PTCBritnico, Alemo e Nrdico so baseados na teoria dos cabos ou mtodo da catenria. Este mtodo

baseia-se nos seguintes princpios (Marques, 2008):

O mecanismo de efeito de arco forma-se na massa de aterro; O reforo deforma-se durante a colocao da carga, se no houver deformao no haver

efeito de arco; Todas as cargas verticais so suportadas pelas colunas; A extenso inicial admissvel de 6% e a extenso por fluncia no deve exceder os 2%; O reforo deve estar o mais prximo possvel do topo das colunas (BS8006, 1995; Collin,

2004).

2.5.4. PTCEM VIGA FLEXVEL REFORADA COM GEOSSINTTICOS (MTODO DE COLLIN)O mtodo de Collin (2004) fundamentalmente diferente dos outros mtodos porque baseia-se noprincpio que vrias camadas de geossinttico (trs ou mais) formam uma viga flexvel que distribui acarga do aterro para as colunas. Neste caso o efeito de arco acentuado pela interaco com ascamadas de geogrelha. Teoricamente, esta plataforma de transferncia de carga consegue carregarmais carga com menores assentamentos diferenciais entre as colunas e o solo de fundao. Assim oespaamento entre as colunas pode ser maior, mas com uma tenso no reforo igual ou menor obtidacom o mtodo da catenria.

O Mtodo de Collin (2004)baseia-se nos seguintes princpios:

A espessura da PTC maior que ou igual a metade do vo livre entre colunas;


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Devem ser usadas pelo menos trs camadas de reforo; A distncia entre camadas varia entre 0,3 e 0,45 m; O material de preenchimento da plataforma seleccionado; A principal funo do reforo proporcionar confinamento para que o efeito de arco no aterro

se desenvolva dentro da camada de reforo; O arco faz um ngulo de 45 com a vertical e comea no topo da coluna; A funo secundria do reforo suportar a cunha de solo por baixo do arco; Toda a carga vertical do aterro sobre o arco transferida para as colunas; A extenso inicial mxima permitida no geossinttico de 5%.

2.6. REFORO COM COLUNAS ENCABEADAS POR GEOSSINTTICOS FUNCIONANDO COMOMEMBRANA (CATENRIA)

2.6.1. MECANISMOS DE TRANSFERNCIA DE CARGA

A plataforma de transferncia de carga com membrana funcionando como catenria a soluoobjecto de particular aprofundamento nesta dissertao. Na Fig. 2.5 so esquematicamenteapresentadas as interaces entre os diversos componentes do sistema de reforo, nomeadamenteinteraco entre as colunas, a fundao de solo mole, o material de aterro e o reforo de geossinttico.

Devido s caractersticas distintas de deformabilidade das colunas e do solo de fundao em redor dasestacas, verificam-se assentamentos diferenciais dentro do corpo do aterro logo aps o incio daconstruo deste. Este movimento parcialmente impedido pela resistncia ao corte, , do corpo doaterro acima das colunas. O desenvolvimento desta resistncia ao corte no corpo do aterro (), induztenses verticais nas colunas maiores do que no solo de fundao do aterro (BS8006, 1995),resultando numa distribuio no uniforme das tenses verticais ao longo do aterro. O apoio

proporcionado pelo solo mole reduz tambm a carga no geossinttico e, consequentemente, a suatenso devido carga vertical (Abdullah, 2006;Gangakhedkar, 2004; Han e Gabr, 2002;Rao, 2006).

Fig. 2.5 - Mecanismo de transferncia de carga num aterro reforado com colunas encabeadas por

geossintticos (adaptado de Han e Gabr, 2002)


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2.6.2. EFEITO DE ARCO

Terzaghi (1943) descreveu o efeito de arco de solo como um dos mais universais fenmenosencontrados em solos tanto no campo como em laboratrio.

O efeito de arco desempenha um papel significativo no comportamento de aterros suportados porcolunas. medida que o aterro construdo, o solo de fundao consolida ocorrendo assentamentosdiferenciais entre as colunas e o solo mole de fundao. Tenses de corte so desenvolvidas no corpodo aterro, transmitindo por efeito de arco as tenses verticais para as colunas, reduzindo por sua vez astransmitidas ao solo mole de fundao.

Com base em medies de campo, vrios autores (Huat et al., 1994;Ooi et al., 1987; Reid e Buchanan,1984) relataram que a carga suportada pelas colunas aumenta com o tempo, em resultado dodesenvolvimento do efeito de arco acima das colunas. O grau de arqueamento funo da distnciaentre as colunas, a altura do aterro, das propriedades do material do aterro, eda rigidez das colunas em relao ao solo de fundao circundante (Lawson, 1992).

Para reduzir os assentamentos diferenciais superfcie do aterro necessrio que o espaamento entrecolunas ou estacas no seja muito elevado. Para o efeito, BS8006 (1995)recomenda que a altura deaterro no deve ser inferior a 0,7 vezes o espaamento entre macios de encabeamento para estacasquadradas em uma matriz quadrada. Rogbeck et al. (1998)recomenda que a altura aterro deve ser pelomenos igual ao espaamento dos macios de encabeamento, e que o aterro deve ter pelo trs ps dealtura (0,914 m). C

aterro sobre solo reforçado com jet grout

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