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Mestrado em Engenharia Civil

2011 / 2012

Jorge Almeida e Sousa

Reabilitação e Reforço de EstruturasAula 18: Melhoramento e reforço de solos.

Reabilitação e Reforço de Estruturas

Definição de Solo

� Conjunto natural de partículas minerais, podendo os espaços entre elas (vazios)

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estarem prenchidospor água e ar, separadamente ou em conjunto


Caracterização Laboratorial

� Índices físicos - grandezas que relacionam os volumes e os pesos dos diferentes constituintes de um solo e que permitem descrever o seu estado

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um solo e que permitem descrever o seu estado físico.

�Composição granulométrica - distribuição em percentagem ponderal das partículas de um solo de acordo com as suas dimensões


Índices Físicos

� Determinação experimental de três:- peso volúmico (γ = P/V)- teor em água (w = Pw/Ps)- densidade das partículas (γs/γw)

� Os outros são determinados através de

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� Os outros são determinados através de expressões matemáticas:

- índice de vazios (e = Vv/Vs)

- porosidade (n = Vv/V)- grau de saturação (S = Vw/Vv)- peso volúmico seco (γd = Ps/V)


Composição Granulométrica

30405060708090

100%

Mat

eria

l Pas

sado

5/452011/2012

0102030

0,001 0,01 0,1 1 10

Diâmetro das Partículas (mm)

% M

ater

ial P

assa

do

� Peneiração� Sedimentação


Areias – Solos Grossos

� Solos muito permeáveis

� Comportamento controlado pelas forças

� Índice de compacidade

%100max ×−

−=ee

eeID

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controlado pelas forças de gravidade, logo pelo tamanho das partículas e pela forma como elas se arrumam

%100minmax

×−

=ee

ID

emax emin calculados experimentalmente


Areias –SolosGrossos

� Classificação de acordo com a compacidade

- muito solta (0 < ID < 15)- solta (15 < I < 35)

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- solta (15 < ID < 35)- medianamente compacta (35 < ID < 65)- compacta (65 < ID < 85)- muito compacta (ID > 85)

Qual a relação entre a compacidade de uma areia e as suas características mecânicas?


Argilas – Solos Finos

� Solos muito pouco permeáveis� Comportamento controlado pelas forças eléctricas

que se manifestam à superfície das partículas de argila

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argila� Camada de água adsorvida (responsável pelo

carácter plástico destes solos)� Grande variação do índice de vazios (emax pode ser

bem maior que 1)� Determinação dos limites de consistência

(wL= limite de liquidez e wP= limite de plasticidade)


Argilas – Solos Finos

� Índice de consistência

PL

LC ww

wwI

−−=

• Classificação de acordo com a consistência

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• Classificação de acordo com a consistência- muito mole (0 < IC < 0,25)- mole (0 < IC < 0,25)- média (0 < IC < 0,75)- dura, muito dura, rija (IC > 0,75)

Qual a relação entre a consistência de uma argila e as suas características mecânicas ?


Caracterização no Campo

ENSAIOS de PENETRAÇÃO

- Dinâmica (SPT)

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- Dinâmica (SPT)

- Estática (CPT/CPTu)


Ensaio SPT


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� Colheita de amostras remexidas

Ensaio SPT


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� O resultado do ensaio traduz-se no número de pancadas necessárias para que o amostrador penetre 30 cm no terreno (N)


� AREIAS N Compacidade

0-3 Muito solta

3-8 Solta


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3-8 Solta

8-25Medianamente compacta

25-42 Compacta

>42 Muito compacta


� ARGILASN Consistência

0-2 Muito mole

2-4 Mole


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2-4 Mole

4-8 Média

8-15 Dura

15-30 Muito dura

30-60 Rija


Solos a Tratar

� Areias soltas a muito soltas- resistência baixa- compressíveis- alta permeabilidade- potencial de liquefacção

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- potencial de liquefacção

� Argilas moles a muito moles- resistência muito baixa- muito compressíveis- deformações diferidas no tempo


Melhoramento e Reforço de Solos

� FACTORES QUE TÊM CONTRIBUÍDO PARA O USO INTENSIVO DE TÉCNICAS QUE PERMITEM A MELHORIA DAS CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS

- crescente utilização de solos “pobres” para fundar estruturas cada vez mais “pesadas”

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cada vez mais “pesadas”- cada vez maior utilização dos solos como material de construção, dada a sua durabilidade, a sua abundância e o facto de ser um material económico- introdução de novos métodos e de novos materiais- avanço do conhecimento teórico dos fenómenos envolvidos na utilização de cada uma das técnicas


� MELHORAMENTOTécnicas que por efeito físico, efeito químico ou efeito mecânico alteram alguma ou algumas das propriedades intrínsecas dos solos

Melhoramento e Reforço de Solos

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� REFORÇOTécnicas que introduzem determinados elementos resistentes que tornam possível que o maciço suporte determinadas solicitações às quais por si só não está habilitado a resistir


Técnicas de Melhoramento

� Aceleração da Consolidação

� Rebaixamento do Nível Freático

Densificação

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� Densificação

� Tratamentos Térmicos

� Tratamentos Químicos

� Injecções


� ALGUNS FACTORES A TER EM CONTA NA ESCOLHA DA TÉCNICA

- tipo de solo e condições hidrológicas- tipo e grau de melhoramento pretendido

Técnicas de Melhoramento

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- custos previstos e tempo disponível- riscos de danificação ou de contaminação- possibilidade de controlo- experiência anterior de utilização- equipamento e materiais disponíveis


Aceleração da Consolidação

� Sobrecarga

Drenos Verticais

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� Drenos Verticais

� Electro-Osmose


Sobrecarga

Técnica de acelerar a consolidação de um estrato pouco permeável, baseada

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permeável, baseada no facto de o tempo que a consolidação demora a processar-se ser independente da carga aplicada


� A sobrecarga deverá estar aplicada o tempo necessário para que o assentamento atingido,

0

120

carg

a

Sobrecarga

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assentamento atingido, alcance o valor do assentamento final por consolidação para a carga final

0 25tempo

0

160

0 200tempo

ass

ent

am

ento


Drenos Verticais

� A instalação de drenos verticais acelera a consolidação por:- passar a haver um escoamento radial para os drenos

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radial para os drenos- o percurso que a água tem que percorrer é encurtado- a velocidade do escoamento radial é maior por os solos apresentarem, em geral, maior permeabilidade na direcção horizontal


Tipo de dreno

Instalação dos drenos

Drenos Verticais

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Instalação dos drenos


Densificação

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� Compactação de aterros� Vibrocompactação� Compactação dinâmica� Compactação com explosivos


Vibrocompactação

� O que é?- densificação do terreno que se consegue à custa da acção combinada da vibração do terreno e da sua saturação

� Como se vibra o terreno?

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� Como se vibra o terreno?- utilizando um vibrador, que é um corpo tubular de aço suspenso de uma grua móvel e dotado de uma ponta de tungsténio que transmite vibrações de frequência regulável e está preparado para injectar água pela ponteira


Vibrocompactação

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� Penetração conseguida à custa do próprio peso e da injecção da água sob pressão

� Compactação que é realizada por estágios sucessivos desde a profundidade definida até à superfície

� Adição de material por solo seleccionado (A) ou por solo local (B) de forma a fechar a depressão cónica que se vai formando à volta do vibrador


Vibrocompactação

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Por que é baixa a eficiência do tratamento em solos com finos?


Injecções

� Injecções de permeabilidade

� Injecções de compactação

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� Injecções de compensação

� Jet-gouting


Injecções de Compactação

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� Uma calda muito viscosa é bombada em fases sucessivas formando bolbos, os quais deslocam e densificam o solo envolvente� A velocidade de injecção deve ser suficientemente baixa para

permitir a dissipação dos excessos de pressão neutra � A tensão vertical no estrato a tratar deve ser suficiente para impedir o

levantamento incontrolado da superfície


Injecções de Compensação

ESTAÇÃO BAIXA-CHIADO

METRO LISBOA

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� Os assentamentos máximos resultantes da escavação da cavidade oriental ficaram próximos das previsões com modelos numéricos.� O mesmo não ocorreu com as distorções, muito

superiores ao esperado com modelos numéricos

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superiores ao esperado com modelos numéricos (cerca de 1/300).� Foi decidido implementar um processo de injecções

de compensação, que permitiu criar uma estrutura semelhante a uma laje, compensando parcialmente as deformações induzidas pela escavação da cavidade ocidental.



-20

0

20

17 D

ez

05 F

eb

26 M

ar

15 M

ai

04 J

u l

23 A

go

12 O

ut

01 D

ez

[mm]

Tempo

33/452011/2012

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

-5

-10

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-120

-100

-80

-60

-40

Assentamento esperadosem tratamento

Assentamento comcompensação


Jet-grouting

� O que é?- técnica de melhoria dos solos realizada directamente no interior dos terrenos, utilizando para tal um ou mais jactos horizontais de grande velocidade (cerca de 250 m/s) que aplicam a sua elevada energia cinética na desagregação do terreno natural e na mistura da calda

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desagregação do terreno natural e na mistura da calda de cimento com as partículas de solo desagregado, dando origem a um material de melhores características mecânicas e praticamente impermeável.

� A que tipo de solos se aplica?- contrariamente ao que acontece com as injecções tradicionais, esta técnica é aplicável a todos os tipos de solos


Jet-grouting

� ETAPAS DO PROCESSO FÍSICO- Corte : a estrutura inicial do solo é destruída e as partículas ou fragmentos do solo são dispersos pela acção de um ou mais jactos horizontais- Mistura e substituição parcial : uma parte das partículas ou

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- Mistura e substituição parcial : uma parte das partículas ou fragmentos do solo é substituída e a outra parte é misturada com a calda injectada- Cimentação : as partículas ou fragmentos do solo são aglutinadas entre si pela acção auto-endurecedora da calda, formando um corpo consolidado


Jet-grouting

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� Introduz-se a vara no terreno através de um movimento rotacional e com a ajuda de um jacto de água vertical� Imprime-se à vara um movimento rotacional e inicia-se a

bombagem de calda no seu interior, ao mesmo tempo que a vara é elevada através do furo com uma velocidade constante� Concluída a execução da coluna, retira-se a vara do furo,

preenchendo este de calda por gravidade até ao seu topo


Jet-grouting

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� Jet 1 – um ou mais jactos de calda de cimento (apenas utilizado nos solos mais soltos ou mais moles)� Jet 2 – ar comprimido envolve o jacto de calda, fazendo aumentar o

seu alcance (utilizadas 2 varas coaxiais)� Jet 3 – jacto de ar comprimido envolvendo um jacto de água,

utilizado para destruir a estrutura do terreno, e jacto de calda injectado num 2º bico posicionado abaixo do bico injector de ar e água (utilizadas 3 varas coaxiais)


�Factores que afectam o diâmetro e as propriedades mecânicas das colunas- tipo de solo- pressão e caudal do fluído aglutinante

Jet-grouting

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- pressão e caudal do fluído aglutinante- número e diâmetro dos bicos de injecção- relação água/cimento do fluído aglutinante- velocidade de subida e de rotação da vara- pressão e caudal do ar comprimido- pressão e caudal da água


ALGUMAS APLICAÇÕES

Jet-grouting

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Aplicação na Estação do Terreiro do Paço

Jet-grouting

40/452011/2012


A

A

frenteda escavação

betãoprojectado

perfil teóricoda escavação

SECÇÃO LONGITUDINAL

Aplicação em Túneis

Jet-grouting

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colunassub-horizontais

sub-verticaiscolunas

CORTE A-A


Técnicas de Reforço

REFORÇO Aplicações mais comunsESTACAS Estabilização de taludes naturais e

encostas

MICROESTACAS Reforço de fundações de estruturas e estabilização de taludes naturais

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COLUNAS DE BRITA Reforço de fundações de estruturas e de aterros

TERRA ARMADA Estruturas de suporte de terras e encontros de pontes

PREGAGENS Contenção de escavações e estabilização de taludes naturais

GRELHAS PLÁSTICAS Estruturas de suporte de terras. Reforço de fundações de estruturas e de aterros.

Reforço de aterrosMANTAS GEOTEXTEIS


Colunas de Brita

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- penetração do vibrador - que tem na sua extremidade superior um crivo e uma tremonha para a alimentação da brita - é feita de forma idêntica à vibrocompactação

- subida ligeira do vibrador ficando a brita colocada no espaço livre, seguida da sua descida para expandir a brita contra o solo, compactando-os

- a coluna é assim feita por troços sucessivos


Colunas de Brita

� A utilização das colunas de brita- reduz o assentamento da fundação- aumenta a sua capacidade de carga- reduz o risco de liquefacção

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- reduz o risco de liquefacção- acelera a consolidação

� Qual o mecanismo de interacção solo-reforço?


Geossintéticos

Qual o mecanismo de interacção solo-reforço?

Aplicação como reforço de fundações

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B

D

H

Compactedgranular fill

Weak subgrade

1

2

3 With geosynthetic

Without geosynthetic

H/B

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