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ANÁLISE COMPARATIVA DE TRÊS SOLUÇÕES CONSTRUTIVAS EM ATERROS SOBRE SOLOS MOLES Carmo Cardoso IST, Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, carmo.cardoso@ist.utl.pt Márcio de Souza S. Almeida COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, almeida@coc.ufrj.br Maria Cascão Ferreira de Almeida Poli - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, mariacascao@poli.ufrj.br Alexandre Pinto IST, Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, alexandrepinto@tecnico.ulisboa.pt RESUMO: A expansão dos centros urbanos perto de zonas fluviais leva á necessidade de construir sobre solos compressíveis. No presente artigo é exposto um estudo do comportamento de aterros que possam ser executados no encontro de pontes, sobre o tipo de solos referido, com especial foco na respectiva fundação. Para tal desenvolveram-se algumas soluções e posteriormente analisaram-se os resultados obtidos com a modelação no software Plaxis 2D. Estipularam-se um conjunto de dados base, iguais para todas as soluções, tendo como referência os dados do aterro estudado por Magnani (2006). O aterro AE1 é um dos três aterros experimentais levados à rotura no âmbito do do mesmo estudo. Foram analisados quatro modelos de soluções, que diferem de método construtivo, indo do mais deformável – aterro convencional com georeforço na base e fundação tratada com drenos verticais e construído em etapas - ao mais rígido - aterro estaqueado - passando pelo intermédio - aterro sobre colunas granulares e aterro sobre colunas granulares encamisadas. PALAVRA-CHAVE: Solos Moles, Aterros, Drenos Verticais, Colunas Granulares e Estacas 1 INTRODUÇÃO Nas grandes metrópoles a ocupação do terreno tem-se verificado essencialmente em zonas litorais, devido à localização estratégica de comunicação e de transporte. Porém, estas áreas são cercadas por zonas essencialmente formadas por solos de sedimentação, erodidos e transportados pela água, bem como por aluviões de argila mole. A construção sobre estes solos, sempre que possível, tem sido evitada devido às suas características mecânicas, pouco propícias para fundação de estruturas e infraestruturas. A construção sobre solos argilosos moles constitui ainda hoje em dia um problema real, continuando a ser alvo de estudos, dada a necessidade de construir novas infra-estruturas urbanas e de transporte sobre estes, devido ao grande crescimento dos centros urbanos. Este artigo tem por objetivo comparar, sob os aspectos técnico e econômico, três soluções construtivas alternativas adotadas em solos muito moles no caso de encontro de pontes: aterro reforçado sobre drenos, aterro estruturado com plataforma de geossintéticos e aterros sobre colunas granulares encamisadas. 2 APRESENTAÇÃO DO ATERRO EXPERIMENTAL AE1 A base de dados aqui adotada é o aterro experimental AE1 executado, juntamente com mais outros dois, AE2 e AE3, sobre um depósito de argila mole, localizado no interior da Baía Sul da Ilha de Santa Catarina, no município de Florianópolis, Estado de Santa Catarina, localizado no sul do Brasil, Figura 1. Os aterros utilizados como referência nos estudos apresentados, foram construídos no âmbito do projeto da tese de doutoramento de Magnani (2006). Tinham como objectivo principal estudar o comportamento de aterros, reforçados executados sobre um depósito argila muito mole, em regime de construção rápida, e inseriram-se no projeto da via Expressa Sul, via que faz a ligação do centro da capital à parte sul da ilha de Santa Catarina. Figura 1 – Localização em Florianópolis, SC, Brasil[1] O aterro AE1 foi construído com reforço sintético na base e com a fundação tratada com drenos verticais. As funções principais dos reforços e dos drenos eram as de melhorar a estabilidade do corpo do aterro e de reduzir os recalques pós-construtivos, respetivamente. Sobre uma camada de aterro hidráulico de e de espessura de argila mole, por sua vez assente sobre um estrato areia densa. Os drenos verticais pré-fabricados foram instalados com um espaçamento horizontal entre drenos de 1,3 m, em padrão triangular, e com comprimento de forma a atravessar toda a camada de argila. O aterro AE1 apresentava um comprimento de e taludes com a inclinação de 1,5:1,0 (H:V). O aterro só parou de crescer, em altura, quando o solo de fundação atingiu a rotura, que ocorreu aos 5,0m. Tendo apresentado o desempenho patente na Figura 2. 3 ATERROS DE ENCONTROS DE PONTES O aterro do encontro de uma ponte constitui um elemento particularmente sensível a assentamentos diferenciais, tendo por base objectivo principal permitir a ligação em condições de segurança e de conforto de duas estruturas com condições de fundação, em geral, de rigidez muito diferente. A ocorrência de assentamentos nestas infra-estruturas, em fase de utilização, não representam, por si só, riscos de atingir o Estado Limite Último, no entanto levam a grandes custos de manutenção, para garantir o Estado Limite de Utilização. Figura 2 – Desempenho do aterro AE1 A escolha do método construtivo mais adequado é condicionada por vários factores, como as características geotécnicas do depósito, utilização da área e sua vizinhança, prazos construtivos e custos envolvidos, entre outros. No estudo em questão, não foram impostas restrições quanto ao espaço disponível ou problemas com a vizinhança. Em relação ao prazo de construção foi estipulado um limite máximo de tempo de 18 meses comum neste tipo de projetos. O objectivo deste aterro era o de atingir uma altura de 5 m acima do nível do terreno, cota +6,30 m, e de largura transversal, para posterior construção da via com duas faixas, de dois sentidos cada, e suas respetivas bermas, com os taludes de igual inclinação, 2:1 (H:V), como mostra a Figura 3. Figura 3 – Seção transversal tipo (unidades em metros) Como no caso do aterro experimental, considerou-se que o corpo do aterro foi executado com a mesma areia do aterro hidráulico, com os parâmetros apresentados na Tabela 1, analisada no Software Plaxis com recurso ao modelo Hardening Soil. Tabela 1 – Parâmetros característicos da Areia Fina – modelo Hardening Soil Parâmetro Valor Parâmetros geotécnicos Peso específico γ [kN/m3] 17,5 Índice de vazios e0 0,6 OCR 1 Coeficiente de permeabilidade vertical 10 -4 Coeficiente de permeabilidade horizontal 10 -4 Parâmetros constitutivos Ângulo de atrito interno efetivo ∅’ [graus] 33,8 Ângulo de dilatancia [graus] 3,8 Coesão efectiva c’ [kPa] 0(*) Módulo deformabilidade [kN/m 2 ] 18 000 Módulo deformabilidade 52 000 (*) Na modelação do aterro não saturado foi adoptado c’ = 1 kPa. A areia do colchão drenante, aplicada na base de todos os aterros, foi também estudada com o modelo de Hardening Soil, com as características apresentadas na Tabela 2 Tabela 2 – Parâmetros característicos da Areia do colchão drenante – modelo Hardening Soil Parâmetro Valor Parâmetros geotécnicos Peso específico, γ [kN/m3] 17,4 Índice de vazios, e0 0,5 Coeficiente de permeabilidade vertical, 10 -4 Coeficiente de permeabilidade horizontal, 10 -4 Parâmetros constitutivos Ângulo de atrito interno efetivo, ∅’[graus] 33,8 Ângulo de dilatância, [graus] 3,8 Coesão efectiva, c’[kPa] 0 Módulo deformabilidade, [kN/m2] 100 000 Coeficiente de poisson, ν' 0,30 O estrato de argila foi modelado com recurso ao modelo de Soft Soil, com os parâmetros presentados na Tabela 3. Tabela 3 – Parâmetros característicos da Argila Mole – modelo Soft Soil Parâmetro Valor Parâmetros geotécnicos Peso específico γ [kN/m3] 13,7 OCR 1 Coeficiente de permeabilidade vertical 10 -9 Coeficiente de permeabilidade horizontal 10 -9 Parâmetros constitutivos Índice de vazios e0 3,5 Ângulo de atrito interno efetivo ∅’ [graus] 30 Ângulo de dilatancia [graus] 0 Coesão efectiva c’ [kPa] 5 Índice de compressão modificado λ 0,1565 Índice k 0,0344 A camada de fundo foi analisada com recurso ao modelo de Mohr-Coulomb e com as características apresentadas na Tabela 4. Tabela 4 – Parâmetros característicos da Areia de fundo – modelo Mohr-Coulomb Parâmetro Valor Parâmetros geotécnicos Peso específico γ 17,5 Índice de vazios e0 0,5 Coeficiente de permeabilidade vertical 10 -4 Coeficiente de permeabilidade horizontal 10 -4 Parâmetros constitutivos Ângulo de atrito interno efetivo ∅’[graus] 33,8 Ângulo de dilatancia [graus] 3,8 Coesão efectiva c’ 0 Módulo deformabilidade 100 000 Coeficiente de poisson, ν' 0,30 4 SOLUÇÕES ANALISADAS Em todos as soluções analisadas, tal como o aterro AE1, estipulou-se a colocação de um georeforço na base do aterro. Embora sem a simulação da proximidade do encontro de uma ponte, admitiu-se que o comportamento dos aterros poderá ser extrapolado para a situação de proximidade do referido encontro de uma ponte. 4.1 Aterro Convencional A solução do Aterro Convencional previa a colocação de drenos verticais e sobrecarga, de forma a acelerar os recalques primários e antecipar os recalques secundários, sendo construído por etapas. No pré-dimensionamento, através do cálculo analítico, estimaram-se os valores dos assentamentos primários que se obteriam para a situação mais simples, i.e., não considerando a melhoria das propriedades da fundação devido à construção faseada. Para tal, aplicou-se a equação de recalques (1) para uma cota fixa de aterro considerando a submersão da camada, por Almeida & Marques (2010). ( ) (1) Tendo-se obtido uma estimativa de para um aterro de altura . No calculo dos recalques secundários aplicou-se a metodologia exposta por Cardoso (2013), tendo-se estimado a partir da equação (2) um valor de . ( ) ( )(2) Como conclusão, constata-se que seria necessário construir um aterro de altura para no final compensar todos os recalques, . A construção faseada se mostrou essencial tendo em vista a baixa resistência da argila mole em questão. A sobrecarga foi estimada de forma a que a altura do aterro mais a sobrecarga provocasse um recalque primário igual ou superior ao recalque total anteriormente estimado. Estimou- se uma sobrecarga de , com recurso a equação dos recalques por adensamento primário, equação (3), para ser retirada no fim do período construtivo, os 18 meses. [ ( ) ( )] (3) Optou-se por utilizar a mesma malha de drenos que foi utilizada no aterro AE1. O dimensionamento do colchão drenante foi realizado de acordo com a metodologia apresentada por Magnani (2006). Estimou-se o esforço de tração atuante no reforço através da metodologia proposta em 1985, por Rowe e Sodermenn, exposta por Magnani (2006), desenvolvida para se avaliar as forças de tração mobilizadas no reforço a partir do valor de deformação previsível, , função, por sua vez, do valor de um parâmetro adimensional, Ω. Através da analise foi prevista uma deformação de , o que para um georefoço apresentando um módulo de elasticidade à tração, na direcção principal, de aproximadamente , para 5% de deformação (J5% ), se conclui que a tração máxima mobilizável no reforço seria da ordem de grandeza de , muito inferior ao valor de , indicado pelo fornecedor (Heusker). Foi realizada a previsão, através de cálculos analíticos, de quanto tempo seria necessário para que ocorresse o adensamento primário devido à construção do aterro, considerando adensamento com drenagem puramente radial, , devido à existência dos drenos verticais. Não foi considerado o efeito de smear, de forma a simplificar e a compensar a não consideração da componente da drenagem vertical, nem as alterações dos valores dos coeficientes de permeabilidade devidas à construção faseada, tendo-se concluído que os 18 meses seriam suficientes. Optou-se por desenvolver uma modelação em plane strain, com recurso ao modelo indicado da Figura 4. Figura 4 – Perfil transversal do Aterro Convencional: 1 - Aterro; 2 - Colchão drenante; 3 - Aterro Hidráulico; 4 - Estrato argiloso; 5 - Estrato de areia densa No entanto para modelar em plane strain e para representar o efeito smear, fez-se a transformação do problema 3D em 2D e alterou-se a permeabilidade junto dos drenos, aplicando-se a metodologia recomendada por Indraratna (2005), indicada na Figura 5. Tendo- se obtido as permeabilidades indicadas na Tabela 5. Tabela5 – Permeabilidades da Argila Mole Parâmetro Valor Permeabilidade vertical Permeabilidade horizontal Permeabilidade horizontal com smear Permeabilidade horizontal em Plane Strain Permeabilidade horizontal em Plane Strain com smear Figura 5 – Transformação das permeabilidades, Indraratna (2005) Desta forma, após correr o modelo no software Plaxis 2D, foi possível obter os deslocamentos no topo do aterro que vem apresentado em forma de gráfico na Figura 6, onde é visível um empolamento da ordem dos no momento em que é retirada a sobrecarga. Verificou-se que o georeforço mobilizou um esforço axial máximo com o valor de . Verificou-se que a construção em etapas fez com que se obtivessem assentamentos menores do que os estimados analiticamente e que seria necessário mais tempo para estabilizar, devido ao adensamento gradual do estrato argiloso, conforme Figura 6. Figura 6 - Evolução dos assentamentos com o tempo com altura de aterro para construção faseada (em etapas). 4.2 Aterro sobre Colunas Granulares Encamisadas O aterro sobre colunas granulares tem como vantagem, face às soluções convencionais, um menor prazo construtivo e um maior controle sobre os recalques, produzindo um aumento de resistência na argila, devido à drenagem que as colunas conseguem e, consequentemente, ao aumento da capacidade resistente da fundação. Estipulou-se que as colunas teriam de comprimento, de modo a ficarem encastradas no estrato competente, diâmetro , formando uma malha quadrada de lado , de modo a assegurar a não existência de assentamentos diferenciais no topo do aterro. Para tal, aplicaram-se os critérios proposto por Filz (2012), conforme equação (4). (4) Onde é o diâmetro do topo da coluna e é a metadeda maior distância horizontal de solo contido entre colunas. Impondo a altura, , com o diâmetro obtendo uma distância entre colunas . Optou-se por estipular , valor comum neste tipo de obras, por questões de drenagem. O material granular utilizado tem as propriedades típicas de uma areia comum, modelado com o modelo de material Mohr- Coulomb e com os parâmetros característicos apresentados na Tabela 6. No âmbito da modelação recorreu-se ao conceito de célula unitária, com diâmetro equivalente , utilizando a opção de simetria, apresentada na Figura 7. Obtiveram-se então as curvas dos assentamentos no topo do aterro para os casos não encamisado e encamisado, apresentados na Figura 8 tornando-se explícito o importante contributo do encamisamento. Tabela 6 – Parâmetros característicos do material da coluna granular – modelo Mohr-Coulomb Parâmetro Valor Parâmetros geotécnicos Peso específico húmido γh [kN/m3] 18 Peso específico saturado γsat [kN/m3] 20 Coeficiente de permeabilidade vertical 1,16x10 -4 Coeficiente de permeabilidade horizontal 1,16x10 -4 Parâmetros constitutivos Índice de vazios e0 0,5 Ângulo de atrito interno efetivo ∅’ [graus] 38 Ângulo de dilatancia [graus] 12 Coesão efectiva c’ [kPa] 5 Molulo deformabilidade E’ [kN/m2] 25x103 Índice n’ 0,30 Figura 7 – Célula unitária malha de elementos finitos do aterro sobre colunas granulares encamisadas Figura 8 – Evolução no tempo dos recalques no topo do aterro, em função da altura construída de aterro para a 1 - Coluna Granular não encamisada e 2 - Coluna Granular encamisada 4.3 Aterro sobre Estacas Considerou-se nesta solução o aterro sobre estacas cravadas em concreto armado, com comprimentos e diâmetro ∅ , com capitéis circulares de diâmetro , formando uma malha quadrangular de lado , dimensão que garante a não existência de assentamentos diferenciais no topo do aterro, tal como no projeto do Aterro sobre colunas granulares, respeita os critérios propostos por Kempfert em 2004, apresentado por Magnani (2006), e assegura que as tensões no reforço são admissíveis. Tal como no caso do aterro sobre colunas granulares, a modelação do aterro sobre estacas recorre a uma célula unitária. Contudo, a modelação axissimétrica não considera a anisotropia do georeforço, nem permite verificar a concentração de tensões nos vértices dos capitéis. De forma a solucionar esta limitação, foi prevista a construção de capitéis circulares sem zonas angulosas. A malha de elementos finitos adotada para o caso é mostrada na Figura 9. Modelou-se a estaca de concreto com um comportamento linear elástico, com as propriedades apresentadas na Tabela 7. Todos os outros materiais tiveram suas propriedades e modelos inalterados. Verificou-se que a estaca mobiliza um deslocamento vertical máximo de 10 cm e que não são mobilizados assentamentos diferenciais no terreno à cota do topo da estaca. Tabela 7 – Parâmetros característicos do concreto Parâmetro Valor Peso específico, γ [kN/m3] 25,0 Módulo deformabilidade, [kN/m2] 30x106 Coeficiente de poisson, ν' 0,00 Coeficiente de permeabilidade vertical, 10 -8 Coeficiente de permeabilidade horizontal, 10 -8 Figura 9 – Célula unitária e malha de elementos finitos do caso de aterro sobre estacas. 5 ANÁLISE ECONÓMICA COMPARTATIVA Na Tabela 8 estão descritas as principais características técnicas de cada uma das soluções apresentadas na Figura 10. As quantidades apresentadas estão contabilizadas por metro longitudinal de aterro e como consequência, também os preços finais se referem a valores por metro longitudinal de aterro. Os valores dos preços unitários aplicados a cada tarefa são representativos dos valores médios de mercado (de Portugal). Na proposta apresentada para o Aterro convencional não foi introduzido o preço da construção da laje de transição, uma vez que essa contabilização não era viável por metro longitudinal de aterro. Com os valores obtidos para cada proposta apresentada é possível concluir que a solução mais flexível - Aterro Convencional - é a mais barata, com um custo de cerca 3.000,00€, por metro longitudinal de aterro. No entanto é também a solução que necessita de maior espaço de tempo - 18 meses - para obter a estabilização do estrato compressível. O fator tempo deve ser analisado em conjuntos com outros factores, como por exemplo, o tempo de construção de outras infra- estruturas ou ainda outras intervenções que aquela área poderá sofrer. Poderá suceder que o tempo de espera entre etapas de construção seja utilizado, na íntegra, para a construção das outras infra-estruturas. A solução mais onerosa é a proposta de Aterro sobre Colunas Granulares Encamisadas, com um custo de cerca 5.700,00€, por metro longitudinal de aterro, não apresentando nenhuma vantagem para a solução do Aterro Estaqueado. A proposta de Aterro Estaqueado é a solução mais rígida e com maior fiabilidade. Nas várias soluções estudadas não se alterou a inclinação dos taludes, 1:2 (vertical : horizontal) por ter sido uma condicionante inicial. No entanto é plausível que nas soluções mais rígidas se possam executar taludes com inclinações mais acentuadas, eventualmente reforçados com georeforços, o que se iria traduzir em menores volumes de aterro, com provável reflexo no custo final da solução. Tabela 8 – Análise comparativa técnico-econômica entre as soluções estudadas, Cardoso (2013) Designação Aterro reforçado sobre drenos Aterro sobre Colunas Granulares Encamisadas Aterro Estaqueado com reforço Quantidades 1.Estimativa de altura de aterro necessária 7,15m 5,5m 5,1m 2. Estimativa de assentamento (recalque) 1,8m 0,5m 0,0m 3. Estimativa de custo global de cada solução (por metro longitudinal de aterro) 3.000,00 € 5.700,00 € 4.200,00 € Figura 10 – Seção tipo de cada solução: A – Aterro convencional ; B – Aterro sobre colunas granulares encamisadas ; C –Aterro sobre estacas. 6 PRINCIPAIS CONCLUSÕES Aterros sobre solos moles podem ser construídos com sucesso caso a solução tenha tido em consideração o comportamento complexo dos solos argilosos, Sonney (2013), em particular quando executados junto a encontros de pontes, onde a transição de rigidez deverá ser a mais gradual possível, conforme já referido por . A solução do aterro convencional, como o aterro experimental AE1, explora ao máximo o benefício da consolidação acelerada pela combinação dos drenos e sobrecarga. Com a modelagem, verificou-se ainda que o estrato de argila obtinha melhorias significativas, com a construção faseada, resultando em assentamentos menores e, consequentemente, reduzindo o coeficiente de permeabilidade, o que determinou a necessidade de mais tempo para a dissipação da poro-pressão, ou seja, mais tempo para a estabilização. Comparativamente com as soluções de aterro sobre colunas granulares e sobre estacas, estas últimas embora mais onerosas, permitem a realização da obra num menor intervalo de tempo e, sobretudo, com maior previsibilidade de comportamento, fator extremamente importante em aterros a executar em zonas sensíveis, que, como já referido, são os encontros de pontes. A análise económica comparativa foi realizadacom a intenção de estimar o custo de cada solução, tendo, para tal, sido utilizado os valores médios praticados no mercado europeu, em particular de Portugal. No entanto, será importante ter em consideração que os preços de mão de obra mais qualificada são na maioria dos países da Europa, em geral, ainda superiores aos aplicados na maioria dos países da América do Sul, o que significa que na análise comparativa o fator tempo de construção poderá requer uma atenção especial. REFERÊNCIAS Almeida, M. S., & Marques, M. E. (2010) Aterros sobre solos moles: Projeto e desempenho. São Paulo. Oficina de texto. Cardoso, M. C. (2013) Análise de Soluções de Projetos de Aterros Sobre Solos Moles. Tese de Mestrado – IST – UTL, Lisboa, Portugal, em parceria com a COPPE – UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil. Filz, G. (2012) Column-Supported Embankments: Settlement and Load Transfer. Geotechinical Engineering State Of The Art And Practice - Keynote Lectures From Geocongress. HUESKER. (s.d.). Stabilenka - Woven Fabrics for Reinforcement and Separation. Indraratna, B., Rujikiatkamjorn, C., Sathananthan, I., Shahin, M. A., & Khabbaz, H. (2005) Analytical and numerical solutions for soft clay consolidation using geosynthetic vertical drains with special reference to embankments. Proceedings of the Fifth International Geotechnical Engineering Conference, Cairo, pp. 55- 86. Magnani, H. O. (2006) Comportamento de aterros reforçados sobre solos moles levados à rutura. Tese de Doutoramento, COPPE - UFRJ. Rio de Janeiro, Brasil. Sonney, R. (2013) Numerical analysis of 3 test embankments on soft ground: effect of basal reinforcement and prefabricated vertical drains. Master thesis, ETH Zurich, Switzerland, em parceria com a COPPE – UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil
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