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CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA GEOTÉCNICA ATERROS SOBRE SOLOS MOLES AVALIAÇÃO FINAL PROF. HENRIQUE A. RODY AILSON RIBEIRO RODRIGUES JUNIOR JUNHO/2021 𝝈 ′ INTRODUAÇÃO Muitas vezes o solo local não possui capacidade de suporte para acesso ao local da obra, impossibilitando o trânsito de equipamentos e a instalação da infraestrutura inicial da obra. Uma solução tradicional para este problema consiste na criação de aterros de conquista com pequenas espessuras eventualmente acompanhado de geossintéticos para aumentar a resistência do aterro. Tendo em vista esta problemática, para a implantação de um conjunto de edifícios que será construído sob estacas (portanto indeslocáveis) será construído um aterro com um material de peso específico igual a 18 kN/m³ que deverá se estabilizar na cota +2,50 metros em até 24 meses após sua implantação. O subsolo onde será implantado este aterro é constituído de uma argila mole com 10 metros de espessura, peso específico de 14 kN/m³, e o nível d’água encontra-se aflorante (ou seja, coincidente com a cota do terreno). Dispõe-se apenas de ensaios SPT com medidas de umidade w. Observou-se que uma reta com w = 200% na superfície (z = 0,0 m) e w = 150% na profundidade z = 10,0 m ajusta-se bem aos dados obtidos. Sabe-se também que, para este depósito de argilas moles, pode-se adotar nos cálculos de estabilidade uma variação de resistência não drenada fornecida pela equação apresentada a seguir. 𝑺𝒖 = 𝟎, 𝟑 ∙ (𝑶𝑪𝑹)𝟎,𝟖𝟓 𝒗𝟎 O perfil de OCR (traduzido do inglês, Razão de Sobreadensamento / Over Consolidation Ratio) pode ser estimado pelo banco de dados das argilas do Rio de Janeiro conforme artigo de Almeida et. al. (2008) cujos principais resultados estão apresentados nas figuras (1) e (2), e que indicou o limite inferior de OCR pode ser fornecido por: OCR = 7,5/z para z > 5,0 m OCR = 1,5 para z > 1,5 m. Conforme este mesmo artigo, o índice de compressão 𝒄𝒄 da argila pode ser estimado por 𝒄𝒄 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟑 ∙ 𝒘, em que w é a umidade (%). Outros parâmetros representativos de toda a camada são: 𝒄𝒔⁄𝒄𝒄 = 𝟎, 𝟏𝟓 𝒄𝒗 = 𝟒 ∙ 𝟏𝟎−𝟖 𝒎²/𝒔 (normalmente adensado) Este trabalho deve ser realizado ao longo do curso acompanhando os tópicos apresentados na disciplina e através de interação dos alunos com o professor. Deve ser apresentada mais de uma solução para o problema. Os cálculos de recalques e de estabilidade devem ser realizados independentemente, ainda que na prática sejam realizados em paralelo. O MÉTODO ESCOLHIDO O método escolhido foi de coluna de material drenante: DRENO FRIBROQUÍMICO. INTRODUÇÃO AO MÉTODO Os drenos fibroquimicos (geodreno) são utilizados para estabilizar solos moles compressíveis, acelerando a velocidade de recalque através da redução do tempo necessário para a dissipação das poropressões. Estes drenos são compostos de um núcleo de plástico e um filtro de material têxtil na forma de bainha que envolve o núcleo em toda a sua extensão. A aplicação de sobrecargas sobre camadas de solos saturados moles, sem que se permita a dissipação das poropressões, cria condições favoráveis à sua ruptura. A redução desta pressão por meio de drenos eleva a resistência ao cisalhamento, eliminando a instabilidade destes solos. Normalmente, estes solos são sedimentos recentes compostos por camadas argilosas moles intercaladas por lentes arenosas. Nesta condição, é marcante a diferença entre o coeficiente de permeabilidade vertical e o horizontal. Ou seja, a permeabilidade horizontal é muitas vezes superior à permeabilidade vertical. Com o objetivo de permitir esta drenagem é aplicado o geodreno à massa de solo. Crava-se o geodreno, deposita-se uma camada de areia junto à superfície para captação e escoamento das águas e também com a possibilidade sobre esta, de se executar um aterro temporário de sobrecarga. Este sistema promove o fluxo das águas no sentido horizontal, conduzindo-as aos geodrenos que as absorvem e as conduzem verticalmente ao colchão drenante no qual gera o adensamento do solo pela redução das poropressões, aumentando a resistência ao cisalhamento e, portanto, criando uma condição de estabilidade para receber as cargas definitivas da superfície. ESTIMATIVA DE RECALQUES RECALQUES POR ADENSAMENTO PRIMÁRIO Cabe ressaltar que foram fornecidos apenas os dados de resultados dos ensaios de SPT com medidas de umidade, e desta forma todos os parâmetros utilizados no presente relatório foram adotados a partir de correlações com umidade e com o OCR das subcamadas. Para projetos de construção sobre solos moles é imprescindível a realização de ensaios de palheta (Vane test), e ensaios de cone com medidas de poropressão (CPTU). Estes ensaios servem para obtenção de parâmetros fundamentais, como por exemplo, a resistência não drenada (Su) e o coeficiente de adensamento horizontal (ch), além da determinação da estratigrafia do terreno. A Tabela 1 apresenta os dados de cada subcamada. A camada de argila foi dividida em 5 subcamadas de 2 metros e os coeficientes de compressão e recompressão foram estimados a partir da umidade de cada subcamada. Observa-se também que a argila apresenta superficialmente uma camada altamente sobreadensada de aproximadamente 1,5 metros de profundidade. Abaixo da camada altamente sobreadensada, a argila apresenta camadas levemente sobreadensadas (OCR=1,5). Tabela 1 – Parâmetros das subcamadas argilosas CAMADA H1 (m) Z (m) OCR W (%) Cc Cs 10,00 m 2 1 7,50 195,00 2,54 0,38 2 3 2,50 185,00 2,41 0,36 2 5 1,50 175,00 2,28 0,34 2 7 1,50 165,00 2,15 0,32 2 9 1,50 155,00 2,02 0,30 Onde: H1 = espessura da subcamada, z = profundidade da metade da altura da subcamada. O recalque do aterro deve ser estabilizado em uma cota fixa de + 2,50 metros. Desta forma, os recalques foram estimados utilizando os conceitos de cota fixa de aterro, e também o efeito da submersão do aterro. Estes cálculos são realizados de forma iterativa até que haja convergência das iterações, ou seja, até que o recalque da iteração atual (Δhi+1) coincida com o recalque da iteração anterior (Δhi). A formula utilizada para cálculo dos recalques por adensamento primário em um solo sobreadensado é apresentada a seguir: O acréscimo de carga Δσv é calculado em função de uma parcela da espessura do aterro que não está submersa e de outra parcela da espessura do aterro que está submersa, conforme equação abaixo: Onde: I =fator de influência a partir do ábaco (Figura 1) de Osterberg (Poulos, Davis, 1974). Figura 1 – Ábaco de Osterberg Adotando um talude 3:1, pode-se estima o valor do parâmetro ‘a’ para cálculo do Fator de influência I. Os dados utilizados para estimativa dos recalques são apresentados na Tabela 2. Tabela 2: Dados do aterro e da argila mole DADOS LARGURA ATERRO 10,00 m Z (CAMADA) 10,00 m ATERRO 1:3 b 5,00 m a 7,50 m H. ATERRO 2,50 m ɣ ATERRO = 18,00 KN/m³ ɣ ARGILA = 14,00 KN/m³ ɣ AGUA = 10,00 KN/m³ COTA FIXA 2,50 m Adotou-se que nas duas primeiras camadas o efeito da recompressão seria considerável na estimativa dos recalques devido ao alto valor do OCR (>2) obtido. Porém, como as subcamadas inferiores são levemente sobreadensadas (OCR≤2), não foi considerada a recompressão na estimativa dos recalques. Normalmente, os recalques por recompressão acontecem tão rapidamente em argilas moles, que estes não são considerados nas estimativas, pois é praticamente impossível medi-los em campo. Desta forma para as subcamadas inferiores utilizou-se a seguinte equação para estimativa dos recalques por adensamento primário: A Tabela 3 apresenta os resultados do procedimento iterativo até a convergência dos recalques. Apresenta-se também uma estimativa do índice de vazios de cada subcamada a partir da equação de índices físicos: 𝑺. 𝒆 = 𝑮𝒔 .𝒘. Adotou-se um valor de 𝑮𝒔 = 2,7; comum para solos argilosos, e como a camada argilosa encontrava-se saturada, 𝑺 = 1. Tabela 3 – Recalque por adensamento primário COTA FIXA Hi (m) Z (m) σ'v0 (kPa ) σ'vm (kPa ) σ'vf (kPa ) Gs e0 It 1 It 2 It 3 It 4 It 5 a/z b/z I 2I 2 1 4,0 30,0 49,0 2,70 5,27 0,28 0,35 0,36 0,36 0,36 7,50 5,00 0,50 1,00 2 3 12,0 30,0 57,0 2,70 5,00 0,25 0,32 0,33 0,33 0,33 2,50 1,67 0,47 0,94 2 5 20,0 30,0 65,0 2,70 4,73 0,36 0,42 0,42 0,42 0,42 1,50 1,00 0,41 0,82 2 7 28,0 42,0 73,0 2,70 4,46 0,26 0,32 0,32 0,32 0,32 1,07 0,71 0,36 0,72 2 9 36,0 54,0 81,0 2,70 4,19 0,19 0,25 0,25 0,25 0,25 0,83 0,56 0,31 0,62 RECALQ UE 1,35 m 1,65 m 1,68 m 1,68 m 1,68 m Portanto, após a convergência dos valores, o recalque primário obtido foi de 1,68 metros. A convergência dos valores de recalque pode ser analisada através do gráfico recalque x iteração (Figura 2), onde nota-se um evidente aumento na segunda iteração quando é considerado os efeitos de cota fixa e submersão do aterro. Após a segunda iteração os valores de recalque tendem a se aproximar até a convergência. Em seguida, devemos estimar os recalques por compressão secundária para conhecer a magnitude dos recalques totais. Iteração Figura 2 – Recalque x iteração RECALQUES POR COMPRESSÃO SECUNDÁRIA Às “deformações que ocorrem principalmente ao fim do adensamento primário e que não podem ser atribuídas à dissipação dos excessos de poropressão (pequenos), ainda remanescentes no corpo de prova, dá-se o nome de adensamento secundário” (Martins, 2005). Porém, considerando-se que o fenômeno do adensamento primário está relacionado à dissipação de poropressões, mas o mesmo não ocorre com a “compressão secundária”, será utilizado esta última denominação em vez de adensamento secundário (Almeida e Marques, 2014). Neste relatório, as previsões dos recalques por compressão secundária serão realizados baseados nos experimentos laboratoriais de Martins (2005). O autor propõe que o recalque máximo por adensamento secundário é aquele que corresponde a variação de deformação vertical da condição de fim do primário (OCR=1) para a reta OCR = 1,5, para uma dada tensão efetiva vertical (σ’vf) atuante na argila mole. Os recalques por compressão secundária podem ser estimados a partir da equação subsequente: 1 ,30 m 1 ,40 m 1 ,50 m 1 ,60 m 1 ,70 m 1 ,80 m 1 2 3 4 5 Onde: Razão de compressão, CR = Cc/1+e0. A Tabela 4 apresenta a previsão dos recalques por compressão secundária. Observa- se que o valor do recalque foi de aproximadamente 0,60 metros, confirmando a importância dos recalques por compressão secundária. Tabela 4 – Previsão dos recalques por compressão secundária CAMADA H1 (m) Z (CENTRO) OCR W (%) Cc e0 CR Recalque (m) 10,00 m 2 1 7,50 195,00 2,54 5,27 0,40 0,121 2 3 2,50 185,00 2,41 5,00 0,40 0,120 2 5 1,50 175,00 2,28 4,73 0,40 0,119 2 7 1,50 165,00 2,15 4,46 0,39 0,118 2 9 1,50 155,00 2,02 4,19 0,39 0,116 RECALQUE SECUNDÁRIO 0,59 m RECALQUE TOTAL A magnitude dos recalques totais sofridos pela camada de argila mole é igual ao somatório entre os recalques por adensamento primário e por compressão secundária, como apresentado na Tabela 5. O valor estimado do recalque total foi de 2,28 metros. Tabela 5 – Recalques totais estimados na camada de argila mole ADENSAMENTO PRIMÁRIO - COTA FIXA 1,68 m COMPRESSÃO SECUNDÁRIA 0,59 m TOTAL 2,28 m VARIAÇÃO DO RECALQUE POR ADENSAMENTO PRIMÁRIO COM O TEMPO O cálculo da variação dos recalques por adensamento primário com o tempo, é a etapa posterior a ser realizada. Este cálculo pode ser realizado para duas condições de drenagem: drenagem unidimensional e drenagem radial. Será primeiramente apresentado o cálculo da drenagem unidimensional, para posteriormente, na seção de soluções para aceleração dos recalques, apresentar o cálculo para drenagem radial. O cálculo do recalque x tempo, para casos de drenagem vertical é baseado na Teoria de Terzaghi (Terzaghi,1943). Multiplica-se o recalque por adensamento primário pela porcentagem média de adensamento vertical Uv, conforme apresentado abaixo: Onde: Uv é função do fator tempo Tv, conforme apresentado na Tabela 6. Tabela 6 – Valores da porcentagem de adensamento Conhecendo-se o fator tempo, o coeficiente de adensamento (cv) e a distância de drenagem (hd), pode-se estimar os tempos necessários para atingir as porcentagens de adensamento, a partir da equação a seguir: A Tabela 7 apresenta os resultados do adensamento em função do tempo. Adotou-se uma condição de dupla drenagem, ou seja, hd = harg/2. O coeficiente de adensamento vertical foi fornecido, sendo igual a 4x10-8 m²/s. Tabela 7 – Adensamento e recalques em função do tempo U% Tv t (meses) t (anos) Δh (t) 0 0 0,00 0,00 0,00 10 0,0078 1,88 0,16 0,17 20 0,031 7,47 0,62 0,34 30 0,071 17,12 1,43 0,50 40 0,126 30,38 2,53 0,67 50 0,197 47,50 3,96 0,84 60 0,287 69,20 5,77 1,01 70 0,403 97,17 8,10 1,18 80 0,567 136,72 11,39 1,35 90 0,848 204,48 17,04 1,51 95 1,128 271,99 22,67 1,60 Nota-se que para atingir um grau de 95% do adensamento primário foi necessário um tempo igual a 272 meses, aproximadamente 23 anos. A Figura 3 apresenta a variação dos recalques por adensamento primário ao longo do tempo. No entanto, o cliente necessita que a obra seja concluída no prazo máximo de 24 meses, 2 anos, com o aterro estabilizado na cota +2,50 metros. Devido a isto, será necessário a utilização de técnicas que acelerem os recalques. Serão estudados a seguir a utilização de drenos verticais, sobrecarga temporária, e ambas as técnicas combinadas. , 17 0 0 , 34 0 , 50 0 , 67 0 , 84 1 , 01 1 , 18 35 1 , 51 , 1 1 , 60 , 0 00 0 , 20 , 0 40 60 0 , 0 , 80 00 , 1 1 , 20 40 , 1 60 , 1 , 1 80 0 , 00 50 , 00 100,00 150,00 200,00 250,00 tempo (meses) Figura 3 – Variação dos recalques por adensamento primário ao longo do tempo SOLUÇÕES PARA ACELERAÇÃO DE RECALQUES DRENOS VERTICAIS DRENOS VERTICAIS – PURAMENTE RADIAL A utilização de drenos verticais promove a aceleração dos recalques ao diminuir o caminho de drenagem dentro da massa de solo compressível para aproximadamente metade da distância horizontal entre drenos. Com a instalação de drenos verticais, a direção do fluxo de água no interior da massa de solo passa de predominantemente vertical para predominantemente horizontal (radial) (Almeida e Marques, 2014). Primeiramente, deve-se determinar o diâmetro de influência dos drenos, que é função do espaçamento entre os mesmos e de sua disposição em um sistema de malha quadrada ou triangular (Figura 5). A malha triangular é mais eficiente que a quadrada, pois o espaçamento entre drenos é menor, porém os gastos são mais elevados. No projeto será adotado malha triangular com espaçamento entre drenos (𝑙) de 1,5 metros. Figura 4– a) Malha quadrada; b) Malha triangular Para o caso adotado, malha triangular, o diâmetro de influência pode ser determinado a partir da equação abaixo: O diâmetro de influência estimado para o projeto foi de aproximadamente 1,58 metros. Em seguida, determina-se o diâmetro equivalente do dreno em função de suas dimensões. Em geral, drenos verticais tem formato retangular, com as dimensões a e b da ordem de 10 cm e 0,5 cm, respectivamente. Desta forma, o diâmetro equivalente de um dreno é representado por: No presente projeto, estimou-se o valor de dw = 6,70 cm. Estimados o diâmetro de influência e o diâmetro equivalente do dreno, pode-se determinar o grau de adensamento radial em função do tempo, a partir da solução de Barron (1948). O grau de adensamento médio da camada (Uh) é expresso conforme equação a seguir: Onde: ch = coeficiente de adensamento horizontal; Th = fator tempo para drenagem horizontal; F(n) = uma função da densidade de drenos; estimados conforme equações abaixo: Hansbo (1981) estudou o efeito do amolgamento ao redor dos drenos devido ao processo de cravação no solo. A região amolgada possui permeabilidade menor e desta forma a eficiência dos drenos é reduzida quando comparada a um processo ideal (sem amolgamento do solo). O amolgamento é função das dimensões do mandril utilizado durante a cravação, ou seja, sempre que possível o mandril deve ter a menor área possível. Foram adotados para o projeto as dimensões do mandril de 6 cm x 12 cm, obtendo uma área externa da ordem de 70 cm². Segundo Hansbo (1981), quando se considera o amolgamento, deve-se somar ao valor de F(n) o valor de F(s), conforme apresentado abaixo: Onde: kh = permeabilidade horizontal; k’h = permeabilidade horizontal da área afetada pelo amolgamento; ds = o diâmetro da área afetada pelo amolgamento; dm é o diâmetro equivalente do mandril de cravação (Hansbo, 1987), dado por: Onde: w e l são as dimensões do mandril. Desta forma, o grau de adensamento médio da camada (Uh) pode ser reescrito conforme equação a seguir: Para o presente projeto, adotou-se as seguintes considerações: ch = 1,5 cv, considerando um comportamento anisotrópico, ou seja, ch = 6x10-8 m²/s; espaçamento entre geodrenos (s) = 1,5 metros e uma razão de permeabilidade kh/k’h = 2,0 (valor dentro da variação sugerida por Coutinho (1976) para argilas moles brasileiras). Neste relatório será apresentado a aceleração dos recalques para a condição sem amolgamento e com amolgamento (devido a cravação dos drenos verticais). No Anexo 1 são apresentadas as tabelas de recalque ao longo do tempo para a condição com e sem amolgamento. Na Figura 6 são apresentados a evolução dos recalques ao longo do tempo para as condições sem drenos e para a drenagem puramente radial (com e sem amolgamento). A Tabela 8 apresenta a comparação dos tempos necessários para atingir 95 % do grau de adensamento primário para as três condições. Tabela 8 – Tempo necessário para atingir 95 % do adensamento primário Condição Tempo (meses) Sem drenos 272 Com drenos (amolgamento) 21 Com drenos (sem amolgamento) 15 Pode-se observar que a utilização dos drenos verticais acelerou o de grau de adensamento para um tempo de 21 meses. Caso não ocorresse amolgamento da camada ao redor do dreno, este tempo seria de apenas 15 meses. Porém, neste relatório todas as análises levarão em consideração o efeito do amolgamento causado pelo mandril de cravação. ESTABILIDADE DO ATERRO RUPTURA DA FUNDAÇÃO: ALTURA CRÍTICA DO ATERRO A ruptura da fundação do aterro é um problema de capacidade de carga. Nesse caso, para a estabilidade, o aterro participa apenas como carregamento, mas não com a sua resistência. A altura crítica do aterro será estimada a partir de três diferentes metodologias: ábacos, equações clássicas e software de computador. Todos os métodos são função da resistência não drenada da argila (Su) que neste relatório foi determinada a partir da equação abaixo: A Tabela 9 apresenta o perfil da resistência não drenada ao longo da profundidade da camada argilosa. Nota-se, como já era esperado, que a resistência não drenada aumenta com a profundidade. A Figura 5 apresenta o perfil do Su ao longo da profundidade utilizando um ajuste linear para a curva. Alguns métodos foram propostos para perfis de resistência não drenada constantes, enquanto outros consideram a resistência crescente com a profundidade. Tabela 9 – Variação da resistência não drenada com a profundidade Z (m) OCR σ'v0 (kPa) Su (kPa) 0,5 15,00 2 6,0 1 7,50 4 6,7 1,5 5,00 6 7,1 2 3,75 8 7,4 2,5 3,00 10 7,6 3 2,50 12 7,8 3,5 2,14 14 8,0 4 1,88 16 8,2 4,5 1,67 18 8,3 5 1,50 20 8,5 5,5 1,50 22 9,3 6 1,50 24 10,2 6,5 1,50 26 11,0 7 1,50 28 11,9 7,5 1,50 30 12,7 8 1,50 32 13,6 8,5 1,50 34 14,4 9 1,50 36 15,2 9,5 1,50 38 16,1 10 1,50 40 16,9 Total 200,9 Média 10,0 Su (kPa) Figura 5 – Perfil da resistência não drenada ao longo da profundidade ÁBACO DE PINTO (1966) Os ábacos desenvolvidos por Pinto (1966) para a resistência crescente com a profundidade são de fácil uso. Após determinação da altura crítica, adotou-se um valor de 1,3 para o fator de segurança para estimar a altura admissível. A Figura 6 introduz o ábaco de Pinto, o qual utiliza de dados de geometria e de resistência para determinação do parâmetro Nco. A Tabela 10 apresenta os dados de entrada e os resultados do método gráfico. y = 0,84x - 3 , 43 R² = 0,93 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 , 0 5 , 0 , 0 10 15 , 0 20 , 0 Figura 6 – Ábaco de Pinto (1966) Tabela 10– Dados de entrada e resultados do ábaco de Pinto (1966) q = Nco . co Hcrit = Nco . co/ɣ c0 4 kPa c1 0,84 Kpa/m D 10 m H 2,5 m m 3,6 m d 9 m c1*D/c0 2,1 c1*d/c0 1,89 Nc0 9,8 Hcrit 2,18 m Hadm 1,68 m