Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Alternativa à Estimativa do Efeito da Submersão na Avaliação dos Recalques Raphael Felipe Carneiro Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, raphaelfc1987@gmail.com Denise Maria Soares Gerscovich Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, deniseg@uerj.br Bernadete Ragoni Danziger Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, bernadeterd@hotmail.com RESUMO: O recalque de um solo é função direta do acréscimo de tensão efetiva. Pressupõe-se que tal acréscimo seja conhecido e, a longo prazo, igual ao acréscimo de tensão total gerado pelo carregamento – no caso da consideração de aterro infinito. Porém, estando o nível d’água próximo à superfície do terreno, o recalque fará com que o acréscimo de tensão efetiva diminua gradativamente, pois parte do aterro passará a se situar abaixo do nível d’água. Tal efeito é conhecido como submersão. Este trabalho tem como objetivo propor um método alternativo para o cálculo do recalque com o efeito da submersão, sem necessidade de cálculo iterativo, e sua evolução no tempo. Para isso, serão encontrados um acréscimo de tensão efetiva equivalente e uma porcentagem média de adensamento com submersão, relacionada à porcentagem média de adensamento de Terzaghi. Compara-se, ao longo do trabalho, esta proposta com as estimativas usuais de cálculo de recalque com submersão. PALAVRAS-CHAVE: Recalque, Submersão, Aterro, Adensamento. 1 INTRODUÇÃO O valor do recalque de uma estrutura ou aterro sobre solo compressível, como se sabe, é função dos seus parâmetros geotécnicos, da espessura da camada e do acréscimo de tensão efetiva que a obra de engenharia irá gerar a longo prazo. Tal acréscimo é considerado constante muito tempo após o fim da execução da obra, o que implica em um valor conhecido de ’v, previamente determinado. No entanto, se o nível d’água se encontra próximo ao nível do terreno, o recalque do solo fará com que a base do aterro se torne saturada, diminuindo, assim, o acréscimo de tensão esperado devido ao empuxo da água. O presente trabalho visa analisar o processo da submersão de aterros e apresentar nova proposta de cálculo, bem como sua evolução ao longo do tempo. A proposta será aplicada a um exemplo conhecido encontrado em Martins e Abreu (2002). Adicionalmente, faz-se uma comparação com os métodos usuais de cálculo. 2 O PROCESSO DE SUBMERSÃO A submersão do aterro promove uma relação de interdependência entre o recalque e o acréscimo de tensão efetiva. Enquanto o recalque total depende da variação das tensões efetivas, essa variação se altera devido à evolução do recalque no tempo. A figura 1 ilustra uma situação geral de submersão de um aterro devido ao recalque, em que h é a altura do aterro, zNA a profundidade em que se situa o nível d’água e o recalque da camada de solo mole. É possível notar que, após a ocorrência do recalque, a base do aterro passa a se situar abaixo do nível d’água. Sendo o peso específico natural do aterro e sub o peso específico submerso, a expressão para cálculo do acréscimo de tensão efetiva ao final do adensamento é descrita pela equação 1. NAsubNAvf zzh' (1) Figura 1. Representação da submersão de um aterro devido ao recalque do solo. Se o nível d’água coincidir com o nível do terreno, zNA = 0 e a equação 1 passa a ser: subvf h' (2) Se o peso específico natural do aterro for igual ao saturado, a expressão pode ser simplificada e definida em função do acréscimo de tensão efetiva inicial 'v, como mostra a equação 3. wvwvf 'h' (3) O presente trabalho adotará tanto a hipótese de nível d’água coincidente com o nível do terreno quanto a de peso específico natural do aterro igual ao saturado. 2.1 Metodologias de Cálculo Algumas metodologias foram propostas na literatura para que o efeito da submersão dos aterros fosse considerado. Barata e Danziger (1986) adotaram, para o material do aterro, um valor médio entre o peso específico natural e o peso específico submerso. Com esse peso específico médio, calcularam novamente o acréscimo de tensão gerado pelo aterro e, assim, encontraram um novo valor de recalque total. Cruz e Saes (1972) e Cruz e Saes (1980) verificam que, como o efeito da submersão acontece gradativamente, a espessura submersa de aterro só seria igual ao recalque da camada compressível ao final do processo de adensamento. Sendo assim, a redução do acréscimo de tensão efetiva passa a ser relativa a uma fração do recalque calculado, em vez do seu valor integral. Para fins práticos, os autores recomendam adotar uma redução no acréscimo de tensão efetiva equivalente à metade daquela correspondente à submersão total, descrita anteriormente na equação 3, para o caso de (equação 4). ργ 2 1 Δσ'Δσ' wvv (4) Martins e Abreu (2002) propuseram uma metodologia de cálculo a ser realizada de forma iterativa, ou seja: i) calcula-se o recalque sem considerar a submersão do aterro; ii) a partir do valor calculado, recalcula-se o novo acréscimo de tensão, afetado pela existência de um trecho submerso e, posteriormente, o novo recalque; iii) repete-se o processo até que haja a convergência. Pode se estabelecer o término do processo de cálculo quando a diferença entre o resultado de duas iterações consecutivas for menor do que 1%, por exemplo. Os autores também recomendam uma metodologia gráfica para a estimativa da evolução do recalque no tempo (figura 2). Traçam-se duas curvas recalque x tempo, segundo a teoria de Terzaghi, sendo que a inferior considera o recalque sem submersão e a superior considera o recalque com submersão acontecendo instantaneamente. Em seguida, uma terceira curva é interpolada a partir delas, sendo seu início coincidente com a curva sem submersão e seu final coincidente com a curva com submersão. Essa curva corrigida representa o recalque com submersão ocorrendo gradativamente. Isto decorre do fato de praticamente não haver diminuição do acréscimo de tensão efetiva no início do adensamento, uma vez que o recalque ainda é muito pequeno. Ao longo do tempo, a submersão se intensifica e a curva real passa a se aproximar da curva com submersão. De uma maneira geral, a distância entre a curva corrigida e a curva sem introdução da submersão corresponde à porcentagem de adensamento naquele instante multiplicada pela distância vertical entre as curvas limites. Na figura 2, por exemplo, os pontos X e Y correspondem a uma porcentagem de adensamento de Terzaghi igual a 70%. Assim sendo, o ponto J (curva corrigida) dista do ponto X 70% da diferença entre X e Y. Figura 2. Evolução dos recalques no tempo com a consideração da submersão (adaptado de Martins e Abreu, 2002). 3 ANÁLISE DO PROBLEMA E METODOLOGIA PROPOSTA Os métodos de Barata e Danziger (1986) e Cruz e Saes (1972) podem fornecer resultados satisfatórios do ponto de vista prático, porém parecem ser fruto de base empírica. O método sugerido por Martins e Abreu (2002), apesar de bastante engenhoso, pode superestimar o efeito da submersão. O processo iterativo faz com que o recalque final seja fruto da submersão de uma espessura de aterro igual ao próprio recalque final. Porém, essa espessura só será atingida ao término do processo de adensamento. Durantetoda a evolução dos recalques, a espessura submersa de aterro sempre será menor do que o valor do recalque final. Sendo assim, o acréscimo de tensão efetiva varia de um valor máximo (início dos recalques, quando ainda não há submersão) a um valor mínimo (final dos recalques, submersão máxima). Calcular a magnitude do recalque utilizando exclusivamente o acréscimo de tensão mínimo é admitir sua validade ao longo de todo o processo de adensamento, o que não traduz a realidade. 3.1 Metodologia Proposta Ao se dividir a curva de recalque () x tempo, sem considerar submersão, em n parcelas de mesmo recalque (d), obtém-se intervalos de tempo (dt) diferentes, uma vez que a relação entre recalque e tempo é não linear, como mostra a figura 3. Figura 3. Evolução do recalque (sem consideração de submersão) para n = 5. O somatório das n parcelas equivale ao recalque total. Sendo assim, tem-se que: n ρ dρdρdρdρ n321 (5) onde n é o número de parcelas. Como não há submersão, neste caso, o acréscimo de tensão efetiva ’v, a longo prazo, é igual ao acréscimo de tensão total v, constante, gerado pelo aterro. Havendo o efeito da submersão, cada parcela de recalque interferirá na seguinte, pois o aterro terá submergido uma altura equivalente àquela parcela, somada às parcelas anteriores. Assim, para os mesmos intervalos de tempo descritos no caso de recalque sem submersão, as parcelas de recalque (d) deixam de ser iguais e sua magnitude vai reduzindo quanto maior for o tempo, como mostra a figura 4. Figura 4. Evolução do recalque (considerando a submersão) para n = 5. Em outras palavras, o acréscimo de tensão efetiva deixa de ser constante e passa a diminuir ao longo do processo de adensamento. Desse modo, tem-se que: n321 dρdρdρdρ (6) O somatório de todas as parcelas é igual ao recalque total com submersão sub. n 1i isub dρρ (7) A comparação entre as figuras 3 e 4 mostra que os efeitos da submersão vão se acentuando ao longo do tempo; isto é, a diferença entre as curvas é muito pequena no início do processo (d) e, para tempos maiores, as parcelas de recalque tornam-se cada vez menores (d). Como resultado, a curva (figura 4) aparenta ter sofrido um “achatamento” na região final do processo de adensamento. A partir desses conceitos, propõe-se uma metodologia a partir das considerações a seguir. Sejam p e s os recalques primário e secundário, respectivamente, e o recalque total sem submersão. Pode se escrever que: spρ (8) Sendo n o número de parcelas no qual o recalque será subdividido, definem-se as seguintes equações: dρ n ρ (9) dp n p (10) ds n s (11) Dada a inexistência de submersão, os termos d, dp e ds são constantes, por representarem a divisão do recalque correspondente por n. Admitindo-se mv constante, tem-se a parcela de recalque total calculada como: n 1 sΔσ'mHdsdpdρ vv0 (12) onde ’v é o acréscimo de tensão efetiva. A equação 12 representa, portanto, o valor de qualquer uma das n parcelas iguais de recalque sem submersão, mostradas na figura 3. Na consideração de submersão (figura 4), os valores de d e dp reduzem ao longo do tempo. Por sua vez, os valores de ds se mantêm inalterados, já que a magnitude do recalque secundário não depende do acréscimo de tensão efetiva vertical. A equação 12 só valerá para a primeira parcela de recalque d1, para a qual se supõe que a submersão ainda não tenha se manifestado. Com isso: n ρ n 1 sΔσ'mHdρ vv01 (13) A partir de d2, o acréscimo de tensão será menor que ’v, já que a(s) parcela(s) de recalque anterior(es) configura(m) a submersão. As parcelas d2, d3 e dn, por exemplo, ficam estabelecidas pelas seguintes equações: n 1 sγdρΔσ'mHdρ w1vv02 (14) n 1 sγdρΔσ'mHdρ w 2 1j jvv03 (15) n 1 sγdρΔσ'mHdρ w 1-n 1j jvv0n (16) As equações para cada termo podem ser reescritas, como mostrado a seguir: 1wv012 dρ n 1 γmHdρdρ (17) 2wv023 dρ n 1 γmHdρdρ (18) 1-nwv01-nn dρ n 1 γmHdρdρ (19) De uma maneira geral, o incremento de recalque pode ser definido conforme a equação 20, passando a ser função de um coeficiente (C), denominado coeficiente de imersibilidade: 1i11-ii nC1dρnC1dρdρ (20) Sendo C adimensional e descrito por: v w wv0 Δσ' γρ γmHC (21) O somatório de 1 a n, como descrito na equação 7, resultará no recalque total com submersão sub: n 1i 1i 1sub n C 1dρρ (22) O termo 1in 1i n C1 representa o somatório de uma progresão geométrica (P.G.). Com isso: n C n C11 n C 1 n 1in 1i (23) Substituindo as equações 13 e 23 na equação 22, chega-se a: C n C11 ρ n C n C11 n ρ ρ nn sub (24) onde é o recalque total (p+s) sem submersão e sub é o recalque total (psub+s) com submersão. Admitindo que n tenda ao infinito: Cn n e n C1lim (25) Substituindo na equação 24, chega-se a: a C sub Rρ C e1 ρρ (26) Chega-se, assim, a uma expressão que relaciona os recalques com e sem submersão através de um fator de redução Ra, aqui denominado razão de submersão aparente. Embora o desenvolvimento seja consistente do ponto de vista matemático, o resultado obtido pode superestimar os efeitos da submersão, devido à variação do coeficiente de variação volumétrica (mv), já que mv cresce com a redução da tensão efetiva. Assim sendo, considerar mv constante implica em subestimar as parcelas de sub. Desse modo, os autores consideram mais adequado buscar uma forma de introduzir a correção dos efeitos da submersão diretamente na parcela de acréscimo de tensão efetiva ’v, e não no recalque. Para tal, correlacionando a razão de submersão aparente (Ra) e ocoeficiente de imersibilidade (C), verificou-se, como mostra a figura 5, um ajuste linear. Nesta figura foram utilizados valores usuais de módulos de elasticidade (E) para argilas muito moles (Bueno, 1985) e de espessuras de camadas argilosas, resultando numa faixa de variação de C entre 0,0 e 0,5. Com isso, admitiu-se a que: C0,441Ra (27) Figura 5. Curva Ra x C para valores usuais de C. Substituindo esta expressao na equação 26, chega-se a: ρC0,44ρC0,441ρρsub (28) ou ργmH0,44ρρ wv0sub (29) Considerando que o recalque total com submersão é a soma das parcelas de recalques primário (psub) e secundário (s), tem-se que: wv0sub γρmH0,44spsp (30) ou wvv0sub γρ0,44Δσ'mHp (31) ou eqvv0sub Δσ'mHp (32) A equação 32 sugere que os efeitosda submersão possam ser introduzidos no cálculo do recalque primário corrigindo-se o termo relativo ao acréscimo de tensão efetiva. Com isso, para fins práticos, calcula-se o recalque total (p+s), sem a consideração da submersão, e depois se recalcula o recalque primário utilizando o acréscimo de tensão efetiva equivalente ’v eq, ou melhor: wveqv γρ0,44Δσ'Δσ' (33) Onde érecalque total (p+s). A equação 33 é bastante similar à proposta de Cruz e Saes (1972), que sugere adotar, para a correção da tensão efetiva, a redução da metade do valor da submersão provocada pelo recalque total sem submersão (ver equação 4). 3.2 Evolução no Tempo Uma vez definida a expressão para cálculo do incremento de recalque (equação 22), o somatório de m parcelas, sendo m ≤ n, dividido pelo recalque total fornece a porcentagem média de adensamento com submersão, denominada Usub, para um intervalo de tempo t correspondente a m parcelas. sub m 1i i sub ρ dρ U (34) ou sub m 1i 1i 1 sub ρ n C 1dρ U (35) No caso de recalque sem submersão (figura 3), m é o número de parcelas de mesmo incremento de recalque em um determinado tempo e n é o total de parcelas. Assim, a razão m/n equivale à porcentagem média de adensamento (U), definida por Terzaghi. Sendo assim, conforme a equação 23, pode-se reescrever a equação acima da seguinte forma: sub Un sub m sub ρ C n C11 ρ ρ C n C11 ρ U (36) O limite para n tendendo ao infinito, conforme explicitado na equação 25, é dado pela equação 37: 1 C e1 C e1 C e1 ρ C e1 ρ U C CU C CU sub UR UR a a (37) A equação 37 mostra que a razão de submersão aparente Ra varia ao longo do processo de adensamento. Cabe ressaltar, portanto, que o valor definido na equação 26 corresponde ao valor máximo de Ra, que ocorre ao final do adensamento – quando U = 100%. Analisando-se a curva de Ra em função de C (figura 6), verifica-se novamente uma tendência linear, com diferentes inclinações para cada valor de U. O coeficiente linear das retas é a própria porcentagem de adensamento U, enquanto o coeficiente angular é uma função f(U) que segue uma relação aproximadamente parabólica, como indica a figura 7. Assim, Ra pode ser escrito sob a forma: UCUfRa (38) Figura 6. Curva Ra x C para valores usuais de C. Figura 7. Curva que representa a variação dos coeficientes angulares da equação da reta de Ra em função de U. Para U = 100%, o valor da função f(U) deve coincidir com o coeficiente angular adotado na equação 27. Sendo assim, pode-se reescrever a equação 37 do seguinte modo: C0,441 UCU0,44 U 2 sub (39) Finalmente, com base na equação 28, pode- se reescrever a equação 39 da seguinte forma: 2 subsub sub U1 ρ ρ U ρ ρ U (40) No caso de não haver submersão, sub = e, consequentemente, U sub = U. 3.2.1 Comentários sobre a proposta de Martins e Abreu (2002) De acordo com a figura 2, os pontos X e Y correspondem a 70% dos recalques sem submersão e com submersão instantânea, respectivamente. O ponto J corresponde ao recalque com submersão ocorrendo no tempo. Pode-se expressar o valor dos recalques parciais X, Y e J da seguinte forma: ρUX (41) subρUY (42) subsub ρUJ (43) As correlações entre os pontos ficam, portanto, definidas como: YXUJX (44) Substituindo: subsubsub ρUρUUρUρU (45) ou sub 2 subsub ρρUρUρU (46) E, finalmente: 2 subsub sub U1 ρ ρ U ρ ρ U (47) A equação 47 é idêntica à equação 40, encontrada pelos autores. Isto significa que tanto a interpolação das curvas, proposta por Martins e Abreu (2002), quanto o cálculo da porcentagem média de adensamento com submersão, proposto neste trabalho, resultam na mesma curva de evolução de recalque no tempo, se aplicadas para o mesmo valor de sub. 4 APLICAÇÃO DO MÉTODO PROPOSTO Será apresentada, a seguir, a aplicação da metodologia de cálculo do recalque total e de sua evolução com o tempo, proposta neste trabalho. Será utilizado o caso ilustrativo apresentado por Martins e Abreu (2002), envolvendo um aterro de 7m de altura sobre uma camada de argila de 10 m de espessura. Neste exemplo não será considerada a parcela de recalque secundário, ou seja, o recalque primário será admitido como total. A figura 8 apresenta a geometria do problema e os parâmetros geotécnicos. A figura 9 mostra a curva de compressibilidade. Figura 8. Características do aterro e da camada mole (adaptado de Martins e Abreu, 2002). Figura 9. Relação εv x σ’v (Martins e Abreu , 2002). 4.1 Recalque total Considerando um ponto no centro da camada de argila, calcula-se inicialmente o recalque total (p+s) sem submersão, e depois o recalque primário utilizando o acréscimo de tensão efetiva equivalente ’v eq. a) Recalque sem submersão: ’vo = 15 kPa v = 2% (figura 9) ’vf = 15+ 133= 148kPa v = 42% (figura 9) = Ho v = 4,00m b) Recalque com ’v eq: ’veq =7 x 19 – 0,44 x 4 x 10 = 115,6kPa ’vf = 15 + 115,6 = 130,6 kPa v = 39,9% (figura 9) v = 39,9 – 2 = 37,9% sub = 3,79m A Tabela 1 compara os 3 métodos. Para estimar o recalque por Martins e Abreu (2002) foi necessária a realização de 3 iterações. Caso o critério de convergência fosse uma diferença de 1% entre 2 iterações consecutivas, seria necessária a realização de mais uma iteração (sub = 3,54m). Houve, portanto, uma diferença da ordem de 7% entre ambos os métodos. A proposta de Cruz e Saes (1972), similar à do presente trabalho, previu recalque muito próximo. O método proposto é bastante simples e considera a submersão de forma gradual. Acredita-se, portanto, que atinge-se uma melhor estimativa de recalque. Tabela 1. Comparação dos métodos Método m Martins e Abreu (2002) 3,55 Cruz e Saes (1972) 3,75 Presente trabalho 3,79 4.2. Evolução do recalque com o tempo Na metodologia proposta, basta aplicar a equação 40. Por exemplo, para uma porcentagem de adensamento média (U) de 70% e sub igual a 3,79m, tem-se: %2,717,01 3,79 4,0 7,0 3,79 4,0 U 2sub Para a mesma condição, Martins e Abreu (2002) obtiveram, para recalque total (sub) igual a 3,54m, Usub = 72,7% 5 CONCLUSÕES Este trabalho apresentou uma metodologia de previsão de recalques, considerando os efeitos graduais que o processo de submersão produz na redução dos esforços transmitidos aos grãos. O método foi comparado às propostas de Cruz e Saes (1972) e Martins e Abreu (2002) e mostrou-se consistente no desenvolvimento matemático e adequado na incorporação dos aspectos do processoda submersão de aterros ao longo do tempo. Por fim, o método proposto neste trabalho se mostrou prático e de fácil emprego. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPERJ e ao CNPq pelo apoio financeiro ao projeto. REFERÊNCIAS Cruz, P.T. e Saes, S.L. (1972) Problemas de Mecânica dos Solos, Escola Politécnica da USP – Depto Pub. Cruz, P.T. e Saes, S.L. (1980) Mecânica dos Solos: Problemas Resolvidos, Escola Politécnica da USP – Departamento de Publicações. Barata, F. E. e Danziger, B. R., Argilas sedimentares Marinhas Moles Brasileiras, VIII Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações, Porto Alegre, 1986. Martins, I.M. e Abreu, F. (2002) Uma Solução Aproximada para o Adensamento Unidimensional com Grandes Deformações e Submersão de Aterros. Solos e Rochas, 25, 3-14. Bueno, B.S. (1985). Capacidade de Carga de Fundações Rasas. Universidade Federal de Viçosa – Imp. Pub.
Compartilhar