Muros de Contenção: Projeto e Estabilidade

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Figura 11.25
ELU-1
ELU-2
ELU-3
Empuxo induzido por compactação.
11.7 Muros enterrados Muros em balanço (ou cantiléver)
Muros desse tipo são constituídos, sobretudo, por cortinas de estacas-prancha
de aço e usados apenas quando a altura arrimada do solo for relativamente
pequena. Em areias e cascalhos, eles podem ser usados como estruturas
permanentes, mas, em geral, são usados apenas para suporte temporário. Sua
estabilidade deve-se inteiramente à resistência passiva mobilizada na sua
frente. Os estados limites principais considerados antes para estruturas de
contenção de gravidade são, então, substituídos por
Translação horizontal do muro.
Rotação do muro.
Falha estrutural de suporte do muro (agindo como uma estaca) sob a ação de seu peso
próprio e de forças cisalhantes na interface causadas pelo solo arrimado.
Os estados limites ELU-4 até ELU-6 listados para muros de gravidade (Seção
11.4) também devem ser levados em consideração, assim como os estados
limites de serviço ELS-1 e ELS-2. O modo de ruptura de um muro enterrado
é por rotação em torno de um ponto O próximo à extremidade inferior do
muro, conforme mostra a Figura 11.26a. Consequentemente, a resistência
passiva age acima de O na frente do muro e abaixo de O atrás dele, conforme
mostra a Figura 11.26b, fornecendo, assim, um momento de fixação. No
entanto, essa distribuição de pressões é uma idealização, uma vez que não é
provável haver uma mudança completa na resistência passiva da parte da
frente para a parte de trás do muro no ponto O. Para permitir escavações
posteriores, é recomendável que o nível do solo na frente do muro seja
reduzido em 10% da altura do talude a ser contido, sujeito a um valor
máximo de 0,5 m (sobre-escavação).
Em geral, o projeto se baseia na simplificação mostrada na Figura 11.26c,
admitindo-se que a resistência passiva líquida abaixo do ponto O seja
representada por uma carga concentrada R agindo em um ponto C, um pouco
abaixo de O, a uma profundidade d abaixo da superfície inferior do solo. O
ELU-1 é atendido assegurando-se que a força de empuxo passiva resultante
seja maior do que a ativa. O ELU-2 é atendido assegurando-se que o
momento restaurador (sentido horário) em torno de O, causado pela força de
empuxo passivo resultante do solo na frente do muro, seja maior do que o
momento de tombamento (sentido anti-horário) causado pela força de
empuxo ativo resultante atrás do muro. Devem ser usados os métodos
mencionados nos Capítulos 9 e 10 para verificar o ELU-3. Tendo em vista
que o muro em balanço (cantiléver) é flexível, a verificação da estabilidade
estrutural interna e do desempenho do muro (ELU-6 e ELS-2) torna-se mais
importante do que para estruturas de gravidade, por isso, é comum em
projetos determinar a distribuição de forças cisalhantes e momentos fletores
no muro para verificações estruturais subsequentes (que vão além do escopo
deste livro).
Figura 11.26 Muro de estacas-prancha em balanço.
Muros ancorados e escorados
Geralmente, estruturas desse tipo são cortinas de estacas-prancha de aço ou
paredes diafragma de concreto armado, cuja construção é descrita na Seção
11.10; entretanto, também podem ser usadas estacas secantes para formar um
muro (cortina), que seria ancorado ou escorado. O suporte adicional a muros
engastados é fornecido por meio de tirantes (ancoragens) ou escoras
próximos ao topo do muro, conforme ilustra a Figura 11.27a. Os tirantes
costumam ser de cabos ou barras de aço de alta resistência à tração,
ancorados no solo a certa distância atrás do muro. Os muros desse tipo são
usados de forma extensiva como apoio para escavações profundas e em
construções à beiramar. No caso de cortinas de estacas-prancha, há dois
modelos básicos de construção. Os muros escavados são construídos pela
cravação de uma linha de estacas-prancha, seguida de escavação ou
dragagem até a profundidade desejada na sua frente. Os muros com
retroaterro são construídos por cravação parcial, seguida de retroaterro até a
altura desejada por trás da cortina (ver a Seção 11.6). No caso de paredes
diafragma, a escavação ocorre na frente da parede após ela ter sido moldada
in situ. A estabilidade se deve à resistência passiva desenvolvida na frente da
parede somada às reações de apoio nos tirantes ou escoras.
Figura 11.27
ELU-7
ELU-8
ELS-3
Cortina de estacas-prancha ancorada: método de apoio livre (também
conhecido como método do apoio simples ou método da extremidade livre).
Os estados limites a serem considerados incluem os listados
anteriormente para muros em balanço (cantiléver). Além deles, os dois a
seguir devem ser considerados:
Falha estrutural das ancoragens/tirantes pelo arrancamento do solo (muros ancorados
com tirantes apenas tracionados). Isso é basicamente uma verificação da resistência
da interface solo–tirante.
Falha estrutural nos tirantes/escoras. Nas escoras carregadas em compressão, poderia
ocorrer a falha por flambagem; em ancoragens, poderia ocorrer a falha por ruptura.
Isso é basicamente uma verificação da resistência estrutural do tirante/escora em si.
Um estado limite de serviço adicional é
O deslocamento dos tirantes/escoras deve ser mínimo.
Esses estados limites adicionais são descritos com mais detalhes na Seção
11.8.
As consequências de não atender a esses estados limites podem ser
graves. Em 20 de abril de 2004, uma seção escorada com 33 m de
profundidade de uma escavação entrou em colapso em Cingapura (Figura
11.28). A falha estrutural da estrutura de contenção levou ao colapso de uma
região de solo com 150 m × 100 m em planta e 30 m de profundidade,
tornando a estrada adjacente (Nicoll Highway) intrafegável pelos 8 meses
Figura 11.28
seguintes. Dos trabalhadores da construção que estavam na escavação no
momento do acidente, quatro foram mortos, outros três ficaram feridos. As
causas do colapso foram identificadas como subestimativa das forças de
empuxo que atuavam na estrutura de contenção (ELU-1/2) associada ao
projeto estrutural inadequado da conexão escora–estrutura (ELU-8).
Observou-se a deformação excessiva da estrutura de contenção antes do
colapso, mas não foram tomadas providências para corrigir o problema.
Colapso da Nicoll Highway, Cingapura.
Análise de apoio livre para cortinas atirantadas/escoradas
Admite-se que a profundidade enterrada (engastamento) abaixo do nível da
escavação seja insuficiente para produzir a fixação na extremidade inferior do
muro (cortina). Dessa forma, este fica livre para girar em torno de sua
extremidade inferior, e, em consequência, o momento fletor assume a forma
apresentada na Figura 11.27b. Para satisfazer ao estado limite de rotação
ELU-2, a soma dos momentos estabilizantes ou restauradores (ΣMR
ponderados como resistências) em torno da ancoragem ou escora deve ser
maior ou igual à soma dos momentos de tombamento (ΣMA ponderados
como ações), isto é,
Figura 11.29
O ELU-1 é, então, verificado, examinando o equilíbrio das forças horizontais.
Para esse estado limite, as forças de empuxo ativas atrás do muro ainda são as
ações (fazendo com que o muro se afaste), ao passo que a força no
tirante/escora e as de empuxo passivo sejam as resistências. Isso fornece a
resistência mínima que o tirante/escora deve ser capaz de proporcionar para
satisfazer ao ELU-1. As forças nessas escoras são, assim, as ações
características nesses elementos para verificar o ELU-7 e o ELU-8. A
distribuição dos empuxos líquidos no muro usando o sistema final de
atirantamento/escoramento é determinada, então, sob as condições de carga
de serviço (todos os coeficientes de ponderação = 1,00), a fim de fornecer os
carregamentos característicos para a verificação da estabilidade estrutural do
muro (ELU-6). Por fim, se adequado, as forças verticais no muro são
calculadas e verificadas usando os métodos do Capítulo 9, sendo uma
exigência que a força dirigida para baixo (por exemplo, o componente da
força em um tirante inclinado) não seja maior do que a resistência de atrito
(dirigida para cima) existente entre o muro e o solo no lado passivo,menos a
força de atrito (dirigida para baixo) no lado ativo (ELU-3).
Cortina de estacas–prancha ancorada: distribuição de pressões sob condições
de serviço.
Ao aplicar a análise de apoio livre no projeto de ELU, os empuxos ativos
(efetivos) que resultam em momentos de tombamento são considerados ações
e ponderados de acordo (da mesma forma que para estruturas de contenção
de gravidade). Os empuxos passivos que agem na frente do muro e que
originam momentos restauradores são tratados como resistências. Os
coeficientes de ponderação para a resistência do empuxo γRe = 1,00 para os
conjuntos R1 e R3 e 1,40 para o conjunto R2. Esses coeficientes estão
presentes na folha de referência rápida do EC7 no site da LTC Editora que
complementa este livro. A distribuição da poropressão líquida em um muro
enterrado sempre será um momento de tombamento e, portanto, é tratada
como uma ação.
Deve-se observar que a resistência passiva completa só é desenvolvida
sob condições de equilíbrio limite, isto é, quando a estrutura está prestes a
entrar em colapso. Em condições de serviço, trabalhos analíticos e
experimentais indicaram a possibilidade de que a distribuição de pressões
laterais seja da forma mostrada na Figura 11.29, com a resistência passiva
sendo mobilizada por completo nas proximidades da superfície inferior. A
profundidade extra de cravação exigida para fornecer a segurança adequada
resulta em um momento parcial de fixação na extremidade inferior do muro
e, como consequência, em um momento fletor máximo menor do que o valor
no equilíbrio limite ou em condições de colapso. Em face das incertezas a
respeito da distribuição de pressões em condições de serviço, recomenda-se
que os momentos fletores e a força do tirante ou escora em condições de
equilíbrio limite sejam usados no projeto estrutural do muro. Dessa forma, a
força calculada no tirante ou escora deve ser aumentada em 25% a fim de
permitir a possível redistribuição de pressões em virtude do arqueamento
(veja a seguir). Os momentos fletores devem ser calculados da mesma forma
que o caso de muros em balanço (cantiléver).
O comportamento de um muro ancorado também sofre influência de seu
grau de flexibilidade ou rigidez. No caso de cortinas flexíveis de estacas-
prancha, resultados experimentais e analíticos indicam que ocorre a
redistribuição da pressão lateral. As pressões nas partes do muro que se
deslocam (entre o tirante e o nível da escavação) são reduzidas, e aquelas nas
partes que não se deslocam (nas vizinhanças do tirante e abaixo do nível da
escavação) são aumentadas em relação aos valores teóricos, conforme ilustra
a Figura 11.30. Essas redistribuições de pressão lateral são o resultado do
fenômeno conhecido como arqueamento (ou efeito de arco). Não ocorrem
tais redistribuições no caso de muros rígidos, como paredes diafragma de
concreto (Seção 11.10).
Figura 11.30 Efeitos de arqueamento.
O efeito de arco foi definido por Terzaghi (1943) da seguinte maneira:
Se parte do suporte de uma massa de solo se deslocar enquanto o
restante permanece no lugar, o solo adjacente à parte deslocada se
afastará de sua posição original entre as massas de solo adjacentes
estacionárias. O movimento relativo dentro do solo encontra oposição
da resistência ao cisalhamento dentro da zona de contato entre as
massas que se deslocam e as estacionárias. Como a resistência ao
cisalhamento tende a manter a massa que se desloca em sua posição
original, a pressão na parte do suporte que se desloca é reduzida, e
aquela nas partes estacionárias é aumentada. Essa transferência de
pressão de uma parte que se desloca para as adjacentes de uma massa
de solo que não se movem é chamada efeito de arco ou arqueamento.
Este também ocorre quando uma parte de um suporte se desloca mais
do que as adjacentes.
As condições para o arqueamento estão presentes nas cortinas de estacas-
prancha ancoradas quando elas se curvam. Se ocorrer o deslocamento da
ancoragem (ELU–7), os efeitos de arco são reduzidos a um certo valor que
depende da grandeza do deslocamento. No lado passivo do muro, a pressão é
aumentada logo abaixo do nível da escavação em consequência de maiores
deformações no interior do solo. No caso de muros com retroaterro, o
arqueamento é efetivo apenas em parte até que o aterro esteja acima do nível
do tirante. Os efeitos do arqueamento são muito maiores em areias do que em
siltes ou argilas e maiores em areias compactas do que em areias fofas.
Em geral, as redistribuições de empuxos de terra resultam em momentos
fletores menores do que aqueles obtidos pelo método de análise de apoio
livre; quanto maior a flexibilidade do muro, maior a redução do momento.
No entanto, para muros rígidos, como paredes diafragma, formados por
escavação em solos com alto valor de K0 (no intervalo 1–2), como argilas
sobreadensadas, Potts e Fourie (1984, 1985) mostraram que tanto o momento
fletor máximo quanto a força na escora podem ser muito maiores do que
aqueles obtidos usando o método do apoio livre.
Distribuição da pressão neutra
Os muros enterrados costumam ser analisados em termos de tensões efetivas.
É importante, por isso, ter cuidado ao decidir a distribuição apropriada da
pressão neutra (poropressão). Várias situações diferentes estão ilustradas na
Figura 11.31.
Se os níveis do lençol freático forem os mesmos em ambos os lados do
muro, as distribuições de pressões neutras serão hidrostáticas e irão se
equilibrar (Figura 11.31a); dessa forma, elas podem ser eliminadas dos
cálculos, uma vez que os empuxos e momentos resultantes causados pela
água dos poros em ambos os lados do muro irão se equilibrar.
Se os níveis de lençol freático forem diferentes e se forem desenvolvidas
e mantidas condições de percolação permanente, as distribuições nos dois
lados do muro estarão desequilibradas. Em cada um, elas podem ser
combinadas em uma única distribuição de pressão líquida, porque não há
coeficiente de empuxo envolvido. A distribuição líquida na parte de trás do
muro poderia ser determinada a partir da rede de fluxo, conforme ilustrou o
Exemplo 2.2, ou usando a planilha do método das diferenças finitas (MDF)
que acompanha o Capítulo 2. No entanto, em muitas situações, pode-se obter
uma distribuição aproximada, ABC na Figura 11.31b, ao admitir que a carga
total se dissipa de maneira uniforme ao longo das superfícies traseira e
dianteira do muro entre os dois níveis de lençol freático. A pressão líquida
máxima ocorre no lado oposto ao do nível mais baixo de lençol freático e,
com base na Figura 11.31b, é dada por
Figura 11.31
Em geral, esse método aproximado subestimará a pressão neutra líquida, em
especial, se a base do muro estiver mais ou menos próxima do limite inferior
da região de fluxo (isto é, se houver grandes diferenças nos tamanhos dos
quadrados curvilíneos na rede de fluxo próxima à base do muro). A
aproximação não deve ser usada no caso de uma escavação rasa entre duas
linhas de estacas-prancha na qual os quadrados curvilíneos sejam
relativamente pequenos (e a pressão de percolação seja relativamente alta) e
se aproximem da base da escavação. Nesses casos, deve-se usar a planilha do
método das diferenças finitas (MDF) ou uma rede de fluxo.
A Figura 11.31c mostra uma lâmina d’água na frente do muro, com o
nível d’água estando abaixo do lençol freático que atua atrás daquele. Nesse
caso, deve-se usar a distribuição aproximada DEFG em combinações
adequadas, sendo a pressão líquida em G dada por
Se c = 0, a Equação 11.69 se reduz à Equação 11.68.
Várias distribuições de pressão neutra.
A Figura 11.31d mostra um muro construído, sobretudo, em um solo de
permeabilidade relativamente alta, mas penetrando uma camada de baixa
permeabilidade (geralmente, argila). Isso pode ser feito para reduzir a
quantidade de percolação embaixo do muro, usando o solo de baixa
permeabilidade como uma barreira natural para a percolação. Se as condições
não drenadas forem válidas dentro da argila, a pressão da água nos poros do
solo sobrejacente será hidrostática, e a distribuição depressões líquidas será
HJKL, de acordo com o ilustrado, em que
	Parte 2 - Aplicações em engenharia geotécnica
	11 Estruturas de contenção
	11.7 Muros enterrados