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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL GUILHERME DOS SANTOS PIRES USO DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO NA ESTABILIZAÇÃO DE ENCOSTAS PROJETO DE CONCLUSÃO DE CURSO I Niterói 2020 GUILHERME DOS SANTOS PIRES USO DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO NA ESTABILIZAÇÃO DE ENCOSTAS PROJETO DE CONCLUSÃO DE CURSO I Projeto de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para conclusão do curso. Orientador: Prof. Dr. ROBSON PALHAS SARAMAGO Niterói 2020 GUILHERME DOS SANTOS PIRES USO DA TÉCNICA DE SOLO GRAMPEADO NA ESTABILIZAÇÃO DE ENCOSTAS Projeto de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para conclusão do curso. Aprovada em ______ de ____________ de 2020. BANCA EXAMINADORA _____________________________________________ Prof. _____________________________________________ Prof. _____________________________________________ Prof. Niterói 2020 AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço à Deus pela oportunidade e por me capacitar a concluir este trabalho. Sou eternamente grato: Aos meus pais Regina e José Carlos, por me proporcionarem todo o apoio possível, seja emocional ou financeiro, para que eu tivesse uma educação digna. À minha namorada Sarah, por me apoiar e me incentivar, além de me ajudar na revisão da parte escrita do meu trabalho. Aos meus amigos da Igreja Presbiteriana Betânia por todo apoio e orações. Aos meus avós, tios e primos, por todo apoio e incentivo durante a minha graduação. Aos professores da Universidade Federal Fluminense, por todo conteúdo ministrado e pela dedicação em formar os futuros líderes do país. Ao professor Robson, pela paciência e vontade de transmitir todo o conhecimento possível aos seus alunos de forma educada e correta. Aos funcionários da Terrae Engenharia, por todo material e ajuda didática na elaboração deste trabalho. Aos meus colegas de turma da Universidade Federal Fluminense, por estarmos juntos nos momentos difíceis e por toda ajuda nos trabalhos realizados ao longo do curso. RESUMO Este trabalho tem o objetivo de descrever as metodologias teóricas e o processo executivo na elaboração de uma estrutura de contenção em solo grampeado. No Brasil, não existe nenhuma norma que regularize esse tipo de construção, logo não há um procedimento padrão na elaboração desse tipo de estrutura. Portanto, neste trabalho são apresentadas bibliografias, nacionais e internacionais, que apresentam metodologias de execução e dimensionamento do solo grampeado. O método do equilíbrio limite é bastante utilizado no meio geotécnico na análise da estabilidade global de taludes, porque, atualmente, existem vários programas computacionais que aplicam esse tipo de análise e não existe qualquer restrição quanto a heterogeneidade, geometria do talude ou poro pressão. Além disso, é apresentado a importância do ensaio de arrancamento na elaboração de um projeto de solo grampeado, em que é necessário conhecer qual o valor do atrito lateral do local. Por fim, foi criado um talude hipotético, onde são inseridos grampos no solo, e é feito a análise de estabilidade global por meio de 2 programas bastante utilizados no meio Geotécnico: o Geoslope e o Slide. Palavras-chave: Solo grampeado; Contenção de encostas; Estabilidade de taludes; Equilíbrio Limite. ABSTRACT This paper has the objective to describe the theoretical methodologies and the executive process in the elaboration of a containment structure in nailed soil. In Brazil, there isn’t a rule that regulates this type of construction, so there isn’t a standard procedure in the creation of this type of structure. Therefore, in this work there are bibliographies, national and international, that present methodologies of execution and desingning of the nailed soil. The limit equilibrium theory is widely used in the Geotechnical Engineering to analysis the global slope stability, because there are several computer programs that apply this type of analysis and there is no restriction on heterogeneity, slope geometry or pore pressure. In addition, the importance of pullout test is presented in the elaboration of a nailed soil project, because it is necessary to know the value of the qs. Finally, a hypothetical slope was created, where nailes are inserted in the soil and an analysis of global stability is made through 2 programs widely used in the Geotechnical Engineering: the Geoslope and the Slide. Keywords: Soil nailing; Containment Structure; Limit Equilibrium Theory; Stability slope; LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1:Túnel finalizado com a técnica NATM. (SOLOTRAT, 2011) .................................. 15 Figura 2:Aplicação dos grampos no talude: (a) na estabilização do maciço; (b) no escoramento das escavações. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) ........................... 16 Figura 3: Etapas de execução do solo grampeado. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) ......................................................................................................................................... 17 Figura 4: Utilização de bermas de equilíbrio que ajudam na estabilidade global do talude. (LIMA, 2007) ........................................................................................................................... 18 Figura 5: Detalhes de grampos mais comuns: (a) barra de aço com diâmetro igual ou maior que 20 mm; (b) barra de aço com diâmetro inferior a 20 mm. (GEORIO, 2000) .................... 20 Figura 6: Detalhe de grampo embutido no talude. (GEORIO, 2000)....................................... 20 Figura 7:Injeção dos grampos no solo. ..................................................................................... 21 Figura 8:Injeção da nata de cimento sob baixa pressão no furo. .............................................. 22 Figura 9: Concreto projetado via seca. (GEORIO, 2000) ........................................................ 23 Figura 10:Aplicação do concreto projetado por via seca. (NOTAS DE AULA, SARAMAGO 2020) ......................................................................................................................................... 24 Figura 11:Concreto projetado via úmida. (GEORIO, 2000) .................................................... 24 Figura 12: Revestimento de face em concreto projetado. ........................................................ 25 Figura 13:Detalhamento do solo grampeado com face em blocos Terrae. .............................. 26 Figura 14:Solo grampeado com face em blocos Terrae com vegetação. ................................. 26 Figura 15: Solo grampeado com face em verde utilizando Biomanta. ..................................... 27 Figura 16: Detalhe dreno barbacã. ............................................................................................ 28 Figura 17: Exemplo de canaleta em concreto armado. ............................................................. 29 Figura 18: Exemplo de descida em degrau. .............................................................................. 30 Figura 19: Detalhamento do DHP. ........................................................................................... 31 Figura 20:Contenção de taludes de emboquesem 1970; 1° corte; 2° vista frontal. (GEORIO, 2000) ......................................................................................................................................... 31 Figura 21: Contenção em corte com altura de aproximadamente 35 metros, localizada em Niterói, Rio de Janeiro. (GEORIO, 2000) ................................................................................ 32 Figura 22: Detalhe da contenção sob fundação de viaduto ferroviário. (GEORIO, 2000) ...... 33 Figura 23: Imagem da contenção sob a fundação de viaduto ferroviário. (GEORIO, 2000) ... 33 Figura 24: Detalhe de Solo grampeado em talude de 11 metros. (GEORIO, 2000) ................ 34 Figura 25: Detalhe Solo grampeado no emboque do Túnel da Covanca, Rio de Janeiro. (GEORIO, 2000) ...................................................................................................................... 34 Figura 26: Distribuição dos esforços mobilizados no solo em cortinas atirantadas e em solos grampeados, respectivamente. (GEORIO, 2000; apud BRUCE & JEWELL, 1986) ............... 37 Figura 27: Uso de tirante ancorado para controlar deformação. (CLOUTERRE, 1991) ......... 37 Figura 28: Deslocamentos máximos horizontas no solo grampeado e na terra armada respectivamente. (SCHLOSSER, 1983; apud GEORIO, 2000) ............................................... 38 Figura 29: Zona ativa, passiva e superfície crítica. (SPRINGER, 2006) ................................ 39 Figura 30:Tipos de análise em função da localização da superfície. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) .................................................................................................................. 39 Figura 31:Efeito do grampo na superfície crítica. (GEORIO, 2000) ....................................... 41 Figura 32: Exemplo de divisão das fatias na superfície crítica, neste caso foi separado em 7 regiões. ...................................................................................................................................... 42 Figura 33: Fatia genérica e as forças atuantes. (FERREIRA, 2012) ........................................ 43 Figura 34:Forças que atuam nas lamelas pelo Método de Bishop Simplificado. (FERREIRA, 2012) ......................................................................................................................................... 44 Figura 35:Forças que atuam nas lamelas pelo Método de Spencer. (FERREIRA, 2012) ........ 45 Figura 36: Detalhamento do ensaio de arrancamento. (GEORIO, 2000) ................................. 47 Figura 37: Correlações empíricas para o qs em areias. (BUSTAMANTE & DOIX, 1985; apud LIMA 2007) .............................................................................................................................. 48 Figura 38: Correlações empíricas para o qs em argilas. (BUSTAMANTE & DOIX, 1985; apud LIMA 2007) ..................................................................................................................... 49 Figura 39: Correlação entre o N(SPT) e o valor a resistência ao arrancamento. (ORTIGÃO, PALMEIRA, &ZIRLIS, 1997; apud SPRINGER 2006) .......................................................... 49 Figura 40: Correlação entre o qs e o N(SPT). (EHRLICH E SILVA, 2012; apud GEORIO 2014) ......................................................................................................................................... 50 Figura 41: Correlação entre o qs e o número de injeções de nata de cimento. (EHRLICH E SILVA, 2012; apud GEORIO 2014) ........................................................................................ 51 Figura 42: Perfil geotécnico do talude. ..................................................................................... 56 Figura 43: Modelagem no Geoslope. ....................................................................................... 57 Figura 44: Modelagem no Slide. .............................................................................................. 57 Figura 45: O Fator de segurança encontrado foi de 0,73 utilizando o Geoslope. .................... 58 Figura 46: FS no valor de 1,98 no Geoslope, com os grampos implantados. .......................... 58 Figura 47: FS no valor de 1,6 com o acréscimo sobrecarga de 20 kPa. ................................... 59 Figura 48: FS no valor de 1,45 com o acréscimo de nível de água utilizando o Geoslope. ..... 59 Figura 49:FS encontrado foi de 0,73 utilizando o Geoslope. ................................................... 60 Figura 50:FS no valor de 1,98 no Geoslope, com os grampos implantados. ........................... 60 Figura 51:FS no valor de 1,6 com o acréscimo sobrecarga de 20 kPa. .................................... 61 Figura 52:FS no valor de 1,44 com o acréscimo de nível de água utilizando o Geoslope. ...... 61 Figura 53:FS no valor de 0,73 utilizando o Geoslope. ............................................................. 62 Figura 54:FS no valor de 2,0 com a implantação dos grampos, utilizando o Geoslope........... 62 Figura 55:FS no valor de 1,6 com o acréscimo da sobrecarga, utilizando o Geoslope. ........... 63 Figura 56:FS no valor de 1,46 com o acréscimo de nível de água, utilizando o Geoslope. ..... 63 Figura 57:FS no valor de 0,73 utilizando o Geoslope. ............................................................. 64 Figura 58:FS no valor de 2,01 com a implantação dos grampos, utilizando o Geoslope......... 64 Figura 59:FS no valor de 1,61 com o acréscimo da sobrecarga, utilizando o Geoslope. ......... 65 Figura 60:FS no valor de 1,47 com o acréscimo de nível de água, utilizando o Geoslope ...... 65 Figura 61:FS no valor de 0,720 utilizando o Slide. .................................................................. 66 Figura 62:FS no valor de 2,06 com a implantação dos grampos, utilizando o Slide. .............. 66 Figura 63:FS no valor de 1,76 com o acréscimo da sobrecarga, utilizando o Slide. ................ 67 Figura 64:FS no valor de 1,496 com o acréscimo de nível de água, utilizando o Slide. .......... 67 Figura 65:FS no valor de 0,716 utilizando o Slide. .................................................................. 68 Figura 66:FS no valor de 2,078 com a implantação dos grampos, utilizando o Slide. ............ 68 Figura 67:FS no valor de 1,772 com o acréscimo da sobrecarga, utilizando o Slide. .............. 69 Figura 68:FS no valor de 1,488 com o acréscimo de nível de água, utilizando o Slide ........... 69 LISTA DE TABELAS Tabela 1:Tabela de barras usualmente utilizadas em ancoragens. (GEORIO, 2000)............... 19 Tabela 2:Metódos de análise solo grampeado. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) 40 Tabela 3:Número mínimo de ensaios de arrancamento. (CLOUTERRE, 1991) ..................... 46 Tabela 4: Breve explicação sobre os métodos de Bishop-Simplificado e Spencer. (GEORIO, 2014) ......................................................................................................................................... 52 Tabela 5: Resumo sobre os métodos de Bishop-simplificado e Spencer. (Adaptado de GERSCOVICH, 2012) ............................................................................................................. 53 Tabela 6: Critérios adotados para o qs nas análises de estabilidade global. ............................. 55 Tabela 7: Parâmetros do solo hipotético criado. ...................................................................... 55 Tabela 8: Resumo dos FS de cada tipo de análise. ................................................................... 70 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NATM New Austrian Tunnelling Method DHP Dreno Horizontal Profundo N(SPT) Número de golpes relacionados ao ensaio à percussão GEORIO Órgão daSecretaria Municipal de Obras do Rio de janeiro responsável pela contenção de encostas. LISTA DE SÍMBOLOS kN KiloNewton kPa KiloPaschal 1:10 Declividade em que representa 1 metro na horizontal e 10 na vertical 1:4 Declividade em que representa 1 metro na horizontal e 4 na vertical δ Deslocamento Tg Carregamento mobilizado no grampo Tp Resistência ao arrancamento Tr Resistência à tração máxima que o grampo suporta com o FS Tmáx Resistência à tração máxima que o reforço suporta qs Atrito unitário mobilizado pelo contato solo-grampo D Diâmetro do furo onde o reforço é inserido Le Comprimento do grampo na zona resistente fy Tensão de escoamento do aço As Área da seção transversal do aço FS Fator de segurança m Metro cm centímetro mm milímetro m² metro quadrado Ei Força normal na lamela Xi Força tangencial na lamela Zi Força resultante entre a soma de Ei e Xi N Força normal na base da lamela Ti Componente tangencial na base da lamela c Coesão do solo γ Peso específico do solo SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 14 1.1 Considerações iniciais ..................................................................................................... 14 1.2 Objetivo da pesquisa ....................................................................................................... 14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 15 2.1 Origem do solo grampeado ............................................................................................. 15 2.2 Descrição da Técnica ...................................................................................................... 16 2.3 Metodologia Executiva ................................................................................................... 16 2.3.1 Escavação ................................................................................................................ 17 2.3.2 Execução dos grampos ............................................................................................ 18 2.3.2.1 Grampos injetados ................................................................................................ 20 2.3.2.2 Grampos à percussão ............................................................................................ 22 2.3.3 Estruturas de face..................................................................................................... 22 2.3.3.1 Concreto projetado ............................................................................................... 22 2.3.3.2 Blocos pré moldados ............................................................................................ 25 2.3.3.3 Muro em face em verde com tela de alta resistência ............................................ 26 2.3.4 Drenagem ................................................................................................................ 27 2.3.4.1 Drenagem superficial ............................................................................................ 28 2.3.4.2 Drenagem profunda .............................................................................................. 30 2.4 Obras no Brasil ............................................................................................................... 31 2.4.1 Icaraí, Niterói, Rio de Janeiro .................................................................................. 31 2.4.2 Estabilização de talude de filito ............................................................................... 32 2.4.3 Avenida Automóvel Club, Rio de Janeiro ............................................................... 34 2.4.4 Túnel da Covanca, Linha Amarela, Rio de Janeiro ................................................. 34 2.5 Vantagens e limitações do solo grampeado .................................................................... 35 2.6 Comparação do solo grampeado com técnicas convencionais de contenção ................. 35 2.6.1 Solo grampeado e cortinas atirantadas .................................................................... 35 2.6.2 Solo grampeado e solo reforçado ............................................................................ 37 2.7 Métodos de Análise ........................................................................................................ 38 2.7.1 Método das Fatias .................................................................................................... 42 2.7.1.1 Método de Bishop Simplificado ........................................................................... 43 2.7.1.2 Método de Spencer ............................................................................................... 44 2.8 Ensaio de arrancamento .................................................................................................. 45 2.8.1 Quantidade de ensaios ............................................................................................. 45 2.8.2 Materiais utilizados ................................................................................................. 47 2.8.3 Execução do ensaio ................................................................................................. 47 2.8.4 Correlações empíricas ............................................................................................. 48 3 ANÁLISE COMPUTACIONAL .......................................................................................... 52 3.1 Metodologia .................................................................................................................... 52 3.2 Talude proposto .............................................................................................................. 55 3.3 Resultados das Análises .................................................................................................. 57 3.3.1 Resultados do Geoslope (Critério 1) ....................................................................... 58 3.3.1.1 (Método de Spencer) ............................................................................................ 58 3.3.1.1.1 Análise do Talude em seu estado natural .......................................................... 58 3.3.1.1.2 Implantação dos reforços ................................................................................... 58 3.3.1.1.3 Sobrecarga ......................................................................................................... 59 3.3.1.1.4 Nível de água ..................................................................................................... 59 3.3.1.2 (Bishop Simplificado) .......................................................................................... 60 3.3.1.2.1 Análise do talude em seu estado natural ............................................................ 60 3.3.1.2.2 Implantação dos reforços ................................................................................... 60 3.3.1.2.3 Sobrecarga ......................................................................................................... 61 3.3.1.2.4 Nível de água ..................................................................................................... 61 3.3.2 Resultados Geoslope (Critério 2) ............................................................................ 62 3.3.2.1 (Método de Spencer) ............................................................................................ 62 3.3.2.1.1 Análise do Talude em seu estado natural .......................................................... 62 3.3.2.1.2 Implantação dos reforços ...................................................................................62 3.3.2.1.3 Sobrecarga ......................................................................................................... 63 3.3.2.1.4 Nível de água ..................................................................................................... 63 3.3.2.2 (Bishop Simplificado) .......................................................................................... 64 3.3.2.2.1 Análise do Talude em seu estado natural .......................................................... 64 3.3.2.2.2 Implantação dos reforços ................................................................................... 64 3.3.2.2.3 Sobrecarga ......................................................................................................... 65 3.3.2.2.4 Nível de água ..................................................................................................... 65 3.3.3 Resultados Slide (Critério 3) ................................................................................... 66 3.3.3.1 Método de Spencer ............................................................................................... 66 3.3.3.1.1 Análise do Talude em seu estado natural .......................................................... 66 3.3.3.1.2 Implantação dos reforços ................................................................................... 66 3.3.3.1.3 Sobrecarga ......................................................................................................... 67 3.3.3.1.4 Nível de água ..................................................................................................... 67 3.3.3.2 Método de Bishop Simplificado ........................................................................... 68 3.3.3.2.1 Análise do Talude em seu estado natural .......................................................... 68 3.3.3.2.2 Implantação dos reforços ................................................................................... 68 3.3.3.2.3 Sobrecarga ......................................................................................................... 69 3.3.3.2.4 Nível de água ..................................................................................................... 69 3.4 Resumo dos resultados obtidos para o FS .................................................................. 70 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................................ 71 4.1 Objetivo do trabalho ....................................................................................................... 71 4.2 Análise dos resultados .................................................................................................... 71 4.3 Sugestões ........................................................................................................................ 71 5 REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 72 14 1 INTRODUÇÃO 1.1 Considerações iniciais O solo grampeado é uma técnica que foi empregada pela primeira vez na França (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993), com o objetivo de estabilizar taludes naturais ou aumentar a segurança em escavações de maciços instáveis. Essa técnica é amplamente utilizada no Brasil, porque possui diversos benefícios e existem diversos estudos comprovando a eficácia da mesma. O grampeamento do solo consiste em inserir reforços passivos (usualmente feitos de aço) no talude, com inclinação sub-horizontal, por meio de cravação ou injeção em furos pré executados. Por fim, é executada uma proteção superficial no talude, em que, usualmente, utiliza-se o concreto projetado. Apesar do solo grampeado ser amplamente utilizado no Brasil, diversas obras são executadas sem realizar o ensaio de arrancamento. Logo, o grampeamento do solo é executado sem qualquer conhecimento sobre qual o valor do atrito lateral (qs) do local. 1.2 Objetivo da pesquisa Este trabalho tem o objetivo de descrever a técnica do solo grampeado, sua metodologia teórica e processo executivo, suas vantagens e limitações, além dos parâmetros considerados no grampeamento do solo. No Brasil, não existe, até o momento, uma norma que regulamente a execução e o dimensionamento de estruturas em solo grampeado. Portanto, neste trabalho são apresentadas algumas metodologias publicadas por bibliografias, nacionais e internacionais, na elaboração e execução do grampeamento do solo. Por fim, no capítulo 3 são apresentados os resultados da análise da estabilidade global, pelo método do equilíbrio limite, de um talude hipotético em solo, utilizando a técnica de solo grampeado, por meio de 2 softwares computacionais bem conhecidos no meio geotécnico: Geoslope e Slide 2020. 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Origem do solo grampeado O solo grampeado tem sua origem na observação da técnica executada para a estabilização de túneis rochosos chamada New Austrian Tunnelling Method. O NATM consiste em utilizar sobre o revestimento do túnel um material flexível permitindo a deformação do maciço, gerando uma região plastificada onde pode ser utilizado chumbadores para a estabilização do solo mobilizado. Esta técnica mobiliza menos esforços e possui um custo inferior em relação ao revestimento em que é utilizada uma estrutura rígida. (SOLOTRAT, 2011; ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) Com avanços experimentais, a técnica de estabilização de um maciço rochoso, com revestimento flexível, passou a ser utilizada em solos menos resistentes como argilas, areias e pedregulhos, a qual foi dada o nome de solo grampeado. A partir da década de 70, países como França, Alemanha, Canadá, Estados unidos e Grã-Betanha passaram a usar o solo grampeado e investiram em pesquisas como forma de aperfeiçoar a técnica. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) Figura :Túnel finalizado com a técnica NATM. (SOLOTRAT, 2011) 16 2.2 Descrição da Técnica A técnica de solo grampeado consiste em inserir no terreno reforços resistentes à tração, que podem ser barras de aço, barras sintéticas, micro-estacas ou estacas. Sua função é, principalmente, garantir a estabilidade do talude por meio do atrito lateral entre o reforço e o solo, mobilizados pela descompressão e consequentemente pela deformação do maciço, podendo também resistir a esforços de flexão e cisalhamento de forma secundária (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993). No estudo publicado por Ortigão, Zirlis e Palmeira (1993), o grampeamento do solo consiste em transferir os esforços de uma zona instável para uma zona estável, reduzindo os deslocamentos do maciço terroso. De acordo com os mesmos autores, o grampo deve ser inserido no terreno na posição horizontal ou levemente inclinado em relação à face do talude e, posteriormente, é injetada nata de cimento para preencher todo o espaço entre o grampo e o solo. No entanto, normalmente o reforço passivo é inserido no maciço com inclinação negativa em relação à face, porque facilita o preenchimento da nata de cimento nos vazios entre o grampo e o solo, com o auxílio da gravidade. Figura :Aplicação dos grampos no talude: (a) na estabilização do maciço; (b) no escoramento das escavações. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) 2.3 Metodologia Executiva A execução do solo grampeado é dividida em 3 etapas: escavação, injeção dos grampos e execução do revestimento da face. 17 Figura : Etapas de execução do solo grampeado. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) 2.3.1 Escavação A altura de escavação depende da estratigrafia do solo e da inclinação da face, geralmente é feita na faixa de 1 a 2 metros de altura e pode ser no sentido ascendente ou descendente, dependendo das condições do local. O talude deve ser estável ao longo de todo o processo de execução do solo grampeado, em quepode ser utilizado, na escavação, bermas de equilíbrio ou nichos para se garantir um maior fator de segurança no processo. (LIMA, 2007) É necessário que o material a ser escavado tenha uma resistência aparente não drenada ao cisalhamento mínima de 10 kPa, mas a maioria dos solos argilosos e arenosos possuem essa resistência devido ao efeito de capilaridade. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) Escavação Instalação do grampo Concreto projetado 18 Figura : Utilização de bermas de equilíbrio que ajudam na estabilidade global do talude. (LIMA, 2007) 2.3.2 Execução dos grampos Após a fase de escavação, os grampos são introduzidos no solo com pequena inclinação em relação à face do talude. Os reforços podem ser inseridos no maciço por meio de perfuração e de injeção do grampo, com nata de cimento, ou por percussão. (GEORIO, 2000) Os grampos usualmente são feitos de aço CA-50, DYWIDAG, Incotep e Rocsolo (LIMA, 2007). Além disso, o diâmetro da barra influencia no detalhamento junto à face do solo grampeado. (GEORIO, 2000) 19 Tabela :Tabela de barras usualmente utilizadas em ancoragens. (GEORIO, 2000) Tipo de aço Tipo de seção Diâmetro da barra (mm) Diâmetro mínimo recomendado (mm) Carga máxima de ensaio (Tensaio) kN Carga de trabalho (Ttrabalho) kN Dywidag Gewi ST 50/55 Plena 32 100 350 200 Dywidag ST 85/105 Plena 32 100 600 350 CA 50 A Plena 25 100 230 130 CA 50 A Plena 32 100 360 200 CA 50 A Reduzida com rosca 25 100 190 110 CA 50 A Reduzida com rosca 32 100 260 160 Rocsolo ST 75/85 Plena 22 100 210 125 Rocsolo ST 75/85 Plena 25 100 280 165 Rocsolo ST 75/85 Plena 28 100 360 200 Rocsolo ST 75/85 Plena 38 125 660 375 Rocsolo ST 75/85 Plena 41 125 890 510 A figura 5 mostra a interação do paramento com os grampos. Para barras de aço maiores ou iguais a 20 mm o grampo é fixado na face por meio de placa e porca, por isso pode ser aplicado uma carga de até 5 kN para fixação do reforço no solo. Para grampos de diâmetros menores que 20 mm a barra pode ser dobrada. Ademais, existe a possibilidade de embutir toda a extremidade do reforço no solo, como mostra a figura 6. (GEORIO, 2000) 20 Figura : Detalhes de grampos mais comuns: (a) barra de aço com diâmetro igual ou maior que 20 mm; (b) barra de aço com diâmetro inferior a 20 mm. (GEORIO, 2000) Figura : Detalhe de grampo embutido no talude. (GEORIO, 2000) 2.3.2.1 Grampos injetados É o processo mais usual no Brasil. Primeiramente, são utilizados equipamentos (crawlair, wagon drill, entre outros) na execução de pré-furos, com o diâmetro variando entre 50 a 100 mm. Após a perfuração, é realizada a limpeza dos furos com água ou ar comprimido. Os reforços são inseridos no terreno depois da conclusão dos serviços de limpeza e, por fim, a injeção da nata de cimento é feita com baixa pressão preenchendo os espaços vazios no contato solo-grampo. 21 A nata de cimento tem, normalmente, o fator água/cimento de 0,5 (em peso) e podem ser utilizados aditivos como forma de melhorar as propriedades do fluido e diminuir a retração. Em alguns casos, a nata de cimento é reinjetada com um intervalo de no mínimo 12 horas. (GEORIO, 2000; LIMA, 2007) Figura :Injeção dos grampos no solo. 22 Figura :Injeção da nata de cimento sob baixa pressão no furo. 2.3.2.2 Grampos à percussão Os reforços são inseridos no maciço pela cravação de barras ou perfis metálicos, com auxílio de martelete pneumático, sem o uso de nata de cimento. O processo é muito mais rápido que o convencional, porém possui algumas limitações, como: o comprimento máximo do grampo deve ter no máximo 6 metros; a resistência ao cisalhamento do contato solo- grampo é baixa e fica entre 30 a 40 kPa; é inviável em solos com predominância de pedregulhos e inconveniente no caso de argilas. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) 2.3.3 Estruturas de face 2.3.3.1 Concreto projetado O concreto projetado é o paramento mais utilizado nas obras de solo grampeado, porque pode ser utilizado para prevenir efeitos erosivos no talude e manter a umidade do local (impede a redução da sucção no terreno). Além disso, a execução do paramento possui alta velocidade e baixo custo. Usualmente, o procedimento é feito fixando uma ou duas telas 23 soldadas de aço no talude e, posteriormente, é feita a aplicação de uma camada de concreto, constituída de areia, pedrisco, cimento e água, por meio de uma bomba. (GEORIO, 2000) A água é um dos materiais que mais influenciam na mistura. Portanto, existem 2 tipos de aplicação do concreto projetado: um por via seca (Figura 9) e outro por via úmida (Figura 11) (GEORIO, 2000). Por via seca, o próprio operador controla a quantidade de água utilizada na mistura por meio do mangote, portanto é necessário que o controlador tenha experiência e uma boa avaliação visual do revestimento (Figura 10). Por via úmida, a água é misturada dentro da bomba e já sai totalmente pronta para uso (GEORIO, 2000). Figura : Concreto projetado via seca. (GEORIO, 2000) 24 Figura :Aplicação do concreto projetado por via seca. (NOTAS DE AULA, SARAMAGO 2020) Figura :Concreto projetado via úmida. (GEORIO, 2000) Em alguns casos, a armadura é substituída pela adição de fibras metálicas na mistura, uma vez que elas funcionam como agregados, aumentando a ductilidade e a resistência à tração. A utilização das fibras reduz mão de obra (pois não exige a montagem das telas), aumenta à resistência à fissuração (protege contra a corrosão) e reduz o volume de material 25 utilizado (o paramento ajusta-se ao terreno) (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993; GEORIO, 2000) Figura : Revestimento de face em concreto projetado. 2.3.3.2 Blocos pré moldados Os blocos pré moldados também são utilizados em estruturas de solo grampeado, pois eles mantêm as vantagens usuais da técnica, racionalizam o método construtivo e são mais agradáveis visualmente em relação ao concreto projetado, podendo ter vegetações em sua face (Figura 14). (SARAMAGO et al, 2005) Os blocos possuem 20 cm de altura, 40 cm de largura frontal e 40 cm de largura transversal, e as declividades usadas no paramento são de 1:10 ou 1:4 dependendo do tipo do bloco utilizado. Além do aspecto visual, os blocos pré moldados não necessitam de argamassa em sua colocação, são apenas justapostos entre si, economizando materiais como água, concreto e energia elétrica. A figura 13 mostra o detalhamento de um solo grampeado com face em blocos pré moldados do tipo Terrae. (SARAMAGO et al, 2005) 26 Figura :Detalhamento do solo grampeado com face em blocos Terrae. Figura :Solo grampeado com face em blocos Terrae com vegetação. 2.3.3.3 Muro em face em verde com tela de alta resistência Solução adotada quando é inexistente o risco de ruptura entre os grampos, sendo que a inclinação do talude deve ser menor que 60 ° (GEORIO, 2014). Podem ser usadas Biomantas no revestimento do talude para evitar erosões e proteger a vegetação do local. Esta 27 solução é muito comum em áreas que demandam valor estético e também em áreas de preservação ambiental, porque é possível manter a vegetação nativa e proteger a superfície do talude. Figura : Solo grampeado com face em verde utilizando Biomanta. 2.3.4 Drenagem Dispositivos de drenagem profunda e superficial devem ser previstos para as estruturas de contenção, pois a água é um dos fatores mais relevantes no processo de instabilização de um talude. Portanto, em alguns casos específicos, apenas um sistema de drenagem eficiente e uma proteção superficial do maciço podem ser suficientes para a estabilização do mesmo. (GEORIO, 2000) Deve existir manutenção constante nos dispositivos de drenagem, pois objetos externos como folhas, árvores, gravetos e até mesmo lixo podem obstruir os dispositivos, fazendo com que percam a suafunção. 28 2.3.4.1 Drenagem superficial O objetivo da drenagem superficial é diminuir a poro pressão atrás do paramento e captar e direcionar as águas para a rede fluvial ou para sistema de drenagem pluvial urbano mais próximo (GEORIO, 2014). Existem dispositivos que são instalados na própria estrutura de contenção, como os barbacãs, e externos à contenção, como as canaletas e descidas em degrau. Os barbacãs são executados com furos 40x40x40 cm, preenchidos com areia ou brita, ligados a um PVC drenante, partindo do interior do talude para fora do mesmo com inclinação descendente (LIMA, 2007). Figura : Detalhe dreno barbacã. As canaletas são dispositivos construídos em concreto armado, que usualmente, são executados no topo e no pé da contenção. Essas captam e escoam a água pluvial que incide no talude e também da área de contribuição a montante do mesmo. 29 Figura : Exemplo de canaleta em concreto armado. Quando existe uma grande bacia de contribuição a montante da contenção e o fluxo de água previsto possui velocidade acima do permitido, são utilizadas descidas em degrau como forma de dissipar energia e, consequentemente, reduzir as velocidades estimadas. (GEORIO, 2014) 30 Figura : Exemplo de descida em degrau. 2.3.4.2 Drenagem profunda O objetivo da drenagem profunda é diminuir o lençol freático e, consequentemente, evitar o aumento da poro pressão e diminuição da tensão efetiva do solo. Os dispositivos utilizados mais comuns são os DHPs (Drenos Horizontais Profundos), que são tubos de PVC perfurados e envoltos por tela de nylon ou BIDIM, possuindo diâmetro entre 38 a 50mm, com comprimento não superior a 40 metros e inclinação positiva em relação à face da contenção. (LIMA, 2007; GEORIO, 2000) 31 Figura : Detalhamento do DHP. 2.4 Obras no Brasil O solo grampeado foi amplamente utilizado no Brasil a partir de 1970, quando foram usados chumbadores na contenção de taludes de emboque em São Paulo. O manual da GEORIO do ano de 2000 exemplifica algumas obras realizadas em solo grampeado ao longo dos anos, demonstrando como a técnica ganhou espaço e importância no meio geotécnico. Figura :Contenção de taludes de emboques em 1970; 1° corte; 2° vista frontal. (GEORIO, 2000) 2.4.1 Icaraí, Niterói, Rio de Janeiro Em 1984, foi executado um corte de aproximadamente 35 metros de altura em solo saprolítico, onde a parte superior do talude foi estabilizada com solo grampeado. Utilizou-se barras de 6 a 9 metros de comprimento e 25 mm de diâmetro, diâmetro do furo de 90 mm e injetou-se calda de cimento sob baixa pressão. A parte inferior do maciço foi estabilizada com a solução convencional de barras injetadas protendidas como mostra a figura 21. 32 Figura : Contenção em corte com altura de aproximadamente 35 metros, localizada em Niterói, Rio de Janeiro. (GEORIO, 2000) 2.4.2 Estabilização de talude de filito Em um encontro de ponte ferroviária, foi utilizada a técnica de solo grampeado na estabilização de um talude de 26 metros de altura em filito bastante alterado. Para a contenção, foram utilizadas barras de aço de 25 mm, diâmetro do furo de 75 mm e foi injetada calda de cimento sem pressão. 33 Figura : Detalhe da contenção sob fundação de viaduto ferroviário. (GEORIO, 2000) Figura : Imagem da contenção sob a fundação de viaduto ferroviário. (GEORIO, 2000) 34 2.4.3 Avenida Automóvel Club, Rio de Janeiro Em 1996, um talude de 11 metros, em argila siltosa, foi estabilizado com a técnica de solo grampeado. Utilizaram-se barras de aço de 25 mm, com comprimento variando de 4 a 6 metros. 4 m 6 m Aterro Argila siltosa de média a dura construção construção H=11 m Concreto projetado Figura : Detalhe de Solo grampeado em talude de 11 metros. (GEORIO, 2000) 2.4.4 Túnel da Covanca, Linha Amarela, Rio de Janeiro De 1995 a 1997, diversas contenções em solo grampeado foram executadas nos taludes da Linha Amarela. Uma delas é apresentada na figura 22, em que foi executado o solo grampeado no emboque do Túnel da Covanca, com altura de 20 metros, em solo saprolito e rocha alterada. Figura : Detalhe Solo grampeado no emboque do Túnel da Covanca, Rio de Janeiro. (GEORIO, 2000) 35 2.5 Vantagens e limitações do solo grampeado Existem diversos fatores que contribuem para a popularidade da utilização do solo grampeado na estabilização de taludes. Alguns exemplos são listados a seguir: Possui custo menor quando comparado a soluções convencionais como cortinas atirantadas. Em 1986, um estudo publicado por Jewel demonstrou que em uma escavação de 10 metros de altura o solo grampeado é cerca de 10 a 30 % mais barato que soluções convencionais. Os equipamentos para a execução das diversas etapas são leves e de fácil manuseio. (SOLOTRAT, 2010) É flexível, ou seja, se adapta a diferentes geometrias do terreno. (SOLOTRAT, 2010) É deformável, suporta recalques diferenciais e totais. (SOLOTRAT, 2010) Pequena movimentação do talude é o suficiente para mobilização dos esforços nos grampos. (BRUCE & JEWELL, 1986) Todavia, o solo grampeado possui algumas limitações: Movimentação vertical e horizontal devido ao reforço da contenção atuar de modo passivo (necessita de deformação para os esforços serem mobilizados), esse fato tem importância dependendo das condições adjacentes ao solo grampeado. (LIMA, 2007) Não é recomendado quando o nível do lençol freático no terreno é alto, pois dificulta a escavação, pode causar corrosão nas barras de aço, além de poder provocar pequenas instabilidades locais que dificultam a execução do paramento. (LIMA, 2007) Em solos argilosos com N(SPT) menor que 10 não deve se utilizar o solo grampeado, pela dificuldade em se manter o talude estável durante a escavação e execução do concreto projetado. (Clouterre, 1991) A escavação deve ser feita entre 1 a 2 metros e deve se manter o talude estável até a injeção dos grampos e a execução da proteção superficial do talude. Se não forem possíveis tais condições, é necessário reforçar o solo para garantir a estabilidade do local, injetando, por exemplo, nata de cimento na região. (BRUCE & JEWELL, 1986) 2.6 Comparação do solo grampeado com técnicas convencionais de contenção 2.6.1 Solo grampeado e cortinas atirantadas As cortinas atirantadas possuem diferentes mecanismos de atuação na estabilidade de um talude quando comparadas à técnica de solo grampeado. Em geral, quando 36 a estabilidade global tem um mecanismo profundo, o método mais indicado é o de cortina atirantada. Todavia, em escavações superficiais verticais, o solo grampeado tende a ser a técnica mais apropriada (BRUCE & JEWELL, 1986). Algumas diferenças entre as 2 (duas) técnicas são descritas a seguir: Os reforços atirantados tendem a ser bem mais longos do que os grampos, logo são necessários equipamentos mais pesados para a execução dos tirantes. (BRUCE & JEWELL, 1986) Para os grampos serem mobilizados é necessária apenas uma pequena deformação no maciço, já nas cortinas atirantadas os esforços só são mobilizados após o tensionamento dos tirantes por um macaco hidráulico. (BRUCE & JEWELL, 1986) A distribuição das tensões no solo é diferente, como mostra a figura 26, pois nos reforços passivos existe mobilização de esforços ao longo de todo comprimento, e nos reforços ancorados existe uma parte em trecho livre , em que se utiliza graxa para não haver mobilização de atrito lateral com o terreno natural. (BRUCE & JEWELL, 1986) O faceamento do solo grampeado não possui função na estabilidade global do talude, já em cortinas atirantadas é construída uma estrutural vertical, que tem fator importante na estabilização do maciço, além de prevenir o efeito de punção nos tirantes. (BRUCE & JEWELL, 1986; ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) O solo grampeadoé uma solução passiva, ou seja, é necessário que o maciço se deforme para existir mobilização de cargas. Portanto, é necessário que as estruturas vizinhas sejam avaliadas porque podem sofrer recalques devido as movimentações dessa contenção. No entanto, as cortinas atirantadas são soluções ativas, o carregamento é mobilizado através do tensionamento da barra ancorada e, consequentemente, não permite que o talude tenha deformação. Clouterre (1991) apresenta uma estrutura em solo grampeado com uma construção vizinha executada sob fundação superficial, em que o deslocamento no topo da contenção foi contido por uma barra ancorada (Figura 27), evitando assim recalques diferenciais em construções adjacentes. 37 Figura : Distribuição dos esforços mobilizados no solo em cortinas atirantadas e em solos grampeados, respectivamente. (GEORIO, 2000; apud BRUCE & JEWELL, 1986) Figura : Uso de tirante ancorado para controlar deformação. (CLOUTERRE, 1991) 2.6.2 Solo grampeado e solo reforçado As 2 (duas) técnicas possuem praticamente o mesmo mecanismo na estabilidade, mas as grandes diferenças estão na execução das contenções. Os aspectos em comum são descritos a seguir: Ambas as técnicas mobilizam seus esforços a partir do deslocamento do maciço. (BRUCE & JEWELL, 1986) Zona passiva Zona ativa Revestimento Concreto armado máxT Ancoragens 38 Ambas as técnicas possuem uma região estável que sustenta uma região instável a partir do atrito entre o reforço e o solo. (BRUCE & JEWELL, 1986) O paramento de ambas não possui função estrutural e, usualmente, possuem pequena espessura. (BRUCE & JEWELL, 1986) Contudo, existem diferenças executivas de enorme importância quanto ao uso do solo grampeado. Algumas destas são listadas a seguir: No solo grampeado os reforços estão em contato com o terreno natural, enquanto no solo reforçado os reforços são inseridos em camadas de solo com rigoroso controle de compactação e umidade. (BRUCE & JEWELL, 1986) Como citado anteriormente, ambas as contenções necessitam do deslocamento do talude para a mobilização dos esforços, no entanto no solo reforçado o maior deslocamento ocorre próximo ao pé da contenção, devido a sua metodologia executiva de baixo para cima com sucessivas camadas de aterro compactado, enquanto no solo grampeado o maior deslocamento está na crista da contenção, como mostra a figura 28. (SCHLOSSER, 1993; apud GEORIO 2000) A injeção dos grampos é geralmente feita com nata de cimento, já no solo reforçado os reforços ficam diretamente em contato com o solo sem qualquer tipo de interface entre eles. (BRUCE & JEWELL, 1986) Figura : Deslocamentos máximos horizontas no solo grampeado e na terra armada respectivamente. (SCHLOSSER, 1983; apud GEORIO, 2000) 2.7 Métodos de Análise O estudo de Ortigão, Zirlis e Palmeira (1993) descrevem várias metodologias utilizadas na análise de estruturas de solo grampeado (Tabela 2). A mais comum entre elas é a 39 análise por equilíbrio limite, onde o terreno é dividido em 2 regiões: zona ativa e passiva, separadas por uma superfície crítica (Figura 29). A zona ativa é a região instável situada entre a face e a superfície crítica de ruptura, enquanto a zona passiva é a área estável onde se incorpora os esforços dos grampos para a análise da estabilidade global da região. Além disso, essa metodologia é bastante utilizada, pois permite considerar tanto a estabilidade interna quanto a externa (Figura 30), heterogeneidades do maciço e o nível de água (GEORIO, 2014). Figura : Zona ativa, passiva e superfície crítica. (SPRINGER, 2006) Figura :Tipos de análise em função da localização da superfície. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) 40 Tabela :Metódos de análise solo grampeado. (ORTIGÃO, ZIRLIS, & PALMEIRA, 1993) CARACTERÍSTICAS MÉTODOS Alemão Davis Multicritério Cinemático Cardiff Escoamento Referência Stocker et al., 1979 Shen et al., 1981 Schlosser,1983 Juran et al., 1988 Bridle, 1989 Anthoine, 1990 Análise Equilíbrio limite Equilíbrio limite Equilíbrio limite Tensões internas Equilíbrio limite Teoria de escoamento Divisão da massa de solo 2 cunhas 2 blocos Fatias - Fatias Bloco rígido Fator de segurança Global Global Global e local Local Global Global Superfície de ruptura Bi-linear Parabólica Circular ou poligonal Espiral log espiral log espiral log Grampos resistem a: Tração Cisalhamento Flexão x X x x x x x x x x x x Inclinação da parede Vertical ou inclinada Vertical Qualquer Vertical ou inclinada Vertical ou inclinada Vertical ou inclinada N. de camadas de solo 1 1 Qualquer 1 1 1 41 O manual técnico de encostas da Georio (2014) indica que, primeiramente, determina-se o valor máximo da tensão mobilizada nos grampos, após isso é definido a seção e o espaçamento dos reforços, para não haver o rompimento por tração das barras de aço. Por fim, é definido o comprimento necessário na zona passiva para se evitar o arrancamento. O efeito da carga do grampo (Tg) utilizado na superfície crítica é determinado pelo menor valor entre Tp (resistência ao arrancamento) e Tr (resistência à tração máxima que o grampo suporta). Tais correlações são listadas a seguir: Tg= Tp se Tp<Tr Tr se Tr<Tp Onde, Tp=qsπDLe/Fs Tr=Tmáx/Fs Tmáx=0,9fyAs O qs é o atrito unitário mobilizado pelo contato solo-grampo, D diâmetro do furo, Le é o comprimento da parcela do reforço que se encontra na zona resistente, fy é a tensão de escoamento do aço utilizado, As a área da seção transversal da barra de aço utilizada e o Fs o fator de segurança utilizado para minorar a tensão de arrancamento. Apesar de não existir uma norma ABNT sobre o solo grampeado, a Georio indica que o Fs seja maior que 1,5. Figura :Efeito do grampo na superfície crítica. (GEORIO, 2000) 42 2.7.1 Método das Fatias O método das fatias é umas das metodologias mais utilizadas no meio geotécnico, porque não restringe o terreno quanto à geometria do talude, estratigrafia do solo ou influência do nível de água. A análise é feita baseada no equilíbrio limite, onde a massa mobilizada é dividida em várias regiões e, em cada uma dessas, são aplicadas as equações da estática (FERREIRA, 2012; GERSCOVICH, 2012): ΣFx=0 ΣFy=0 ΣM=0 Figura : Exemplo de divisão das fatias na superfície crítica, neste caso foi separado em 7 regiões. Segundo Gerscovich (2012), as seguintes etapas devem ser feitas na análise da superfície escolhida por meio do método das fatias: Define-se que a base de cada fatia é linear e não pode existir 2 solos distintos na base de cada lamela. Não pode existir descontinuidade no topo das fatias. O equilíbrio das forças deve ser feito em cada fatia, assumindo-se que as tensões normais na base das fatias sejam geradas pelo peso do solo contido na fatia. O equilíbrio dos momentos é feito em relação ao centro do círculo da superfície analisada, considerando o peso e as forças tangenciais na base de cada fatia. O somatório dos momentos das forças entre lamelas é considerado nulo. Superfície crítica 43 Figura : Fatia genérica e as forças atuantes. (FERREIRA, 2012) As forças atuantes em cada fatia são discretizadas na figura 33, em que Ei e Xi representam a força normal e tangencial, respectivamente, Ni representa a força normal na base da lamela, Ti a tangencial na base da lamela e Zi a resultante entre as forças de interação entre as fatias (FERREIRA, 2012). O número de equações da estática não satisfaz a quantidade de incógnitas do problema, logo existem metodologias que destoam entre si devido as premissas simplificadoras adotadas no cálculo do FS da superfície analisada. Os métodos que não satisfazem as 3 equações da estática são classificados em não rigorosos e os que satisfazem sãoclassificados como rigorosos. 2.7.1.1 Método de Bishop Simplificado O método de Bishop Simplificado despreza as forças tangenciais entre lamelas (Xi=0), portanto não existe contribuição dos esforços horizontais no cálculo do FS da superfície, porque as forças normais (Ei) se anulam (Figura 34). Portanto o equilíbrio estático é feito somente no somatório das forças verticais e dos momentos, por isso esse método é considerado não rigoroso. (FERREIRA, 2012; GERSCOVICH, 2012) 44 Figura :Forças que atuam nas lamelas pelo Método de Bishop Simplificado. (FERREIRA, 2012) 2.7.1.2 Método de Spencer Neste método as forças tangenciais e normais entre as lamelas (Xi e Ei respectivamente) são substituídas por uma única resultante equivalente estaticamente (Qi) aplicada no centro da base da fatia, com inclinação θ constante. Todas as equações da estática são satisfeitas, portanto esse método é classificado como rigoroso. A figura 35 mostra as forças consideradas no cálculo do Fs da superfície crítica. (FERREIRA, 2012) Segundo Gerscovich (2012), existem algumas condições gerais adotadas na utilização do método de Spencer: O método admite trinca de tração. A resultante Qi é definida incorporando a parcela efetiva do solo e a poro pressão atuante. Sendo a inclinação θ constante, a seguinte relação é válida: tg(θ) =cte. Para existir equilíbrio, a força Qi passa pelo ponto de intersecção entre as demais forças atuantes (W, N, T). 45 Figura :Forças que atuam nas lamelas pelo Método de Spencer. (FERREIRA, 2012) 2.8 Ensaio de arrancamento O ensaio de arrancamento é realizado para determinar o valor do atrito lateral(qs) entre o solo e o grampo. O ensaio consiste em aplicar um carregamento no reforço até gerar um movimento de cisalhamento entre o solo e o grampo. Contudo, nenhum dos grampos ensaiados pode ser reutilizado ou ser contabilizado no dimensionamento da estrutura de contenção (CLOUTERRE, 1991). Apesar de não existir norma técnica que regulamente esse ensaio, algumas bibliografias são utilizadas como parâmetros para a interpretação dos resultados e execução do mesmo. 2.8.1 Quantidade de ensaios Em relação à quantidade de ensaios, Clouterre (1991) divide o procedimento em 3 etapas: Ensaios de arrancamento preliminares: Tem como objetivo determinar a tensão máxima de arrancamento. São realizados antes de qualquer estrutura de contenção permanente ser executada, e sua principal função é auxiliar o projetista com qual valor de qs será projetado o solo grampeado. Clouterre (1991) determina que o número mínimo de reforços a serem ensaiados deve estar relacionado com a variação do tipo de solo encontrado e suas respectivas áreas de face da contenção que elas representam, como mostra a tabela 3. 46 Ensaios de arrancamento de conformidade: Esses ensaios são realizados no início da execução da obra, com o objetivo de comparar os parâmetros utilizados com os ensaios anteriores. São realizados novos ensaios para cada tipo de solo que se encontra no talude, podendo ser usado o paramento como placa de reação. O ensaio de arrancamento de conformidade tem uma importância maior e deveria ser obrigatório quando o executor da obra não realizar os ensaios preliminares. A quantidade de ensaios a serem realizados deve ser adotada de acordo com o mesmo critério dos ensaios preliminares, conforme a tabela 3. Tabela :Número mínimo de ensaios de arrancamento. (CLOUTERRE, 1991) Área da face [m²] Ensaios preliminares ou de conformidade Até 800 6 800 a 2000 9 2000 a 4000 12 4000 a 8000 15 8000 a 16000 18 16000 a 40000 25 Ensaios de arrancamento de inspeção: Esses ensaios têm o objetivo de comprovar a resistência ao arrancamento dos reforços durante a execução da obra. Os grampos a serem ensaiados devem ser previstos entre os grampos permanentes e executados durante a construção da obra. A quantidade de ensaios desse tipo esta relacionada à estratigrafia do talude e à área de face do solo grampeado, e devem ser realizados 5 ensaios para cada tipo de solo com área de face menor que 1000 ². Todavia, para áreas maiores, deve ser realizado um ensaio para cada 200 m² adicionados. Já o manual da Georio (2000) não divide o ensaio de arrancamento em etapas como Clouterre (1991). A Georio indica que o ensaio de arrancamento deve ser feito durante a obra em pelo menos 2 reforços ou em 1% dos grampos executados para a realização do ensaio, pois, de acordo com o resultado, alterações no projeto podem ser realizadas. 47 2.8.2 Materiais utilizados Para a execução do ensaio de arrancamento, A Georio (2000) indica as ferramentas necessárias pro ensaio (Figura 36) que são: Placas de reação que distribuem as cargas do macaco hidráulico Macaco hidráulico para a aplicação do carregamento no reforço Barra de aço superdimensionada para que o grampo sofra ruptura pelo arrancamento e não pela tração. Célula de carga para medir a carga transmitida ao grampo Deflectômetro para medir os deslocamentos do reforço O grampo deve ter um pequeno trecho livre próximo a sua face, pois a aplicação do carregamento no reforço pode causar esforços de compressão no paramento e no solo ao redor da cabeça do grampo. Figura : Detalhamento do ensaio de arrancamento. (GEORIO, 2000) 2.8.3 Execução do ensaio Segundo a Georio (2000), o aço a ser utilizado no ensaio de arrancamento deve ser superdimensionado, pois o objetivo é que o grampo não sofra ruptura por tração, e sim por arrancamento. As cargas devem ser aplicadas em pequenos intervalos sem exceder 20% da carga máxima (Tmáx). Após a aplicação do esforço de tração no grampo, esperam-se 30 minutos para a estabilização das deformações. Durante este tempo, são medidos os deslocamentos do grampo nos intervalos de 0,1,2,4,8,15 minutos. Deverá ser feito pelo menos um ciclo de carga- descarga, com início quando o carregamento for igual a . 48 2.8.4 Correlações empíricas Em situações em que é negligenciado o ensaio de arrancamento, alguns estudos correlacionam o qs com o resultado de outros ensaios, usando dados experimentais. Bustamante e Doix (1985) correlacionam o valor da resistência ao arrancamento em areias e argilas (Figura 37 e 38 respectivamente) com o valor da pressão limite(p1) em ensaios obtidos pelo pressiômetro de Ménard. Esse estudo também relaciona o p1 com o índice NSPT(N). (apud LIMA, 2007) Figura : Correlações empíricas para o qs em areias. (BUSTAMANTE & DOIX, 1985; apud LIMA 2007) 49 Figura : Correlações empíricas para o qs em argilas. (BUSTAMANTE & DOIX, 1985; apud LIMA 2007) Ortigão, Zirlis e Palmeira (1997) publicaram um estudo analisando ensaios de arrancamento em obras localizadas em 3 estados Brasileiros, sendo estes: Rio de Janeiro, São Paulo e Brasília. Os dados experimentais foram obtidos por meio de grampos executados com furos de 75 e 150 mm, com injeção de calda de cimento sob baixa pressão. A figura 39 relaciona o NSPT com o valor do qs. (apud SPRINGER, 2006) Figura : Correlação entre o N(SPT) e o valor a resistência ao arrancamento. (ORTIGÃO, PALMEIRA, &ZIRLIS, 1997; apud SPRINGER 2006) 50 Em 2012, Ehrlich e Silva elaboraram gráficos com dados de diversas publicações, de autores distintos, correlacionando a resistência ao arrancamento ao N(SPT) (Figura 40) e ao número de injeções de calda de cimento (Figura 41). (apud GEORIO, 2014) Figura : Correlação entre o qs e o N(SPT). (EHRLICH E SILVA, 2012; apud GEORIO 2014) 51 Figura : Correlação entre o qs e o número de injeções de nata de cimento. (EHRLICH E SILVA, 2012; apud GEORIO 2014) 52 3 ANÁLISE COMPUTACIONAL 3.1 Metodologia Neste capítulo, foi analisada a estabilidade global de uma estrutura de contenção, em solo grampeado, pelo método do equilíbrio limite. Serão comparados os resultados com a utilizaçãode 2 (dois) softwares de grande aceitação no meio técnico: Geoslope e Slide. Foram utilizados 2 tipos distintos de análise, pelo equilíbrio limite, na estabilidade global de um talude, estes são: método de Bishop Simplificado e Spencer. A Georio (2014) e Gerscovich (2012) apresentam um breve resumo sobre a diferença entre os 2 (dois) métodos utilizados neste trabalho, tais explicações se encontram nas tabelas 4 (quatro) e 5 (cinco), respectivamente. Tabela : Breve explicação sobre os métodos de Bishop-Simplificado e Spencer. (GEORIO, 2014) Métodos Características principais Bishop- simplificado A superfície analisada é circular. A resultante das forças entre as lamelas é horizontal, onde o equilíbrio estático é satisfeito com o somatório das forças verticais e dos momentos. Spencer A superfície analisada pode ter qualquer forma. Tem como hipótese simplificadora que a resultante das forças laterais possui a mesma inclinação em todas as fatias, onde todas as equações da estática são satisfeitas. 53 Tabela : Resumo sobre os métodos de Bishop-simplificado e Spencer. (Adaptado de GERSCOVICH, 2012) S p en cer B ish o p - S im p lific ad o M éto d o N ão circu lar C ircu lar S u p erfície S atisfaz to d as as eq u açõ es d a estática. C o n sid era o eq u ilíb rio d e fo rças e m o m en to s en tre as fatias. A resu ltan te v ertical en tre as lam elas é n u la. C o n sid era çõ es V alo res d e F S m ais realístico s. M éto d o sim p les, seja p o r m eio d e cálcu lo s m an u ais o u so ftw ares co m p u tacio n ais. V a n ta g en s C álcu lo s co m p lex o s. A p licação im p recisa em so lo s estratificad o s, além d e ser u m m éto d o in terativ o . L im ita çõ es U tilizad o em an álises co m p lex as e p ara talu d es co m restrição d e g eo m etria. M éto d o b astan te u tilizad o n o m eio g eo técn ico , e é reco m en d ad o p ara p ro jeto s sim p les. A p lica çã o 54 Todas as metodologias listadas na tabela 4 (quatro) e 5 (cinco) foram utilizadas na análise da estabilidade global de um talude (figura 42), seguindo as seguintes etapas: Análise da estabilidade global do Talude em seu estado natural (sem incluir os grampos). Análise da estabilidade global do Talude com os grampos inseridos, em que foram utilizados 4 (quatro) reforços feitos de Aço CA-50, com diâmetro da barra de 20 mm, comprimento de 5 metros, diâmetro dos furos de 85 mm, inclinação com a horizontal de 15°, espaçamento horizontal e vertical de 1,5 m. Para o Tr da barra foi adotado FS de 1,75 (80 kN), esse valor é o mesmo utilizado na norma de tirantes (NBR 5629:2018), a Georio indica um FS≥1,5. Para as considerações do qs foram adotadas premissas diferentes para os 2 programas computacionais (Tabela 6). No Geoslope foram feitas análises baseadas nos critérios 1 e 2, porém no Slide os resultados foram obtidos usando o critério 3. Para todos os critérios foi considerado um FS de 1,5 para a resistência ao arrancamento, como indica o manual da Georio (2014). Análise da estabilidade global do Talude com sobrecarga mínima de 20 kPa, como determina a NBR 11682:2009. Análise da estabilidade global do Talude com nível de água com altura de 1/3 da altura do talude. Em nenhuma das análises foi considerado esforços de cisalhamento e flexão nos reforços. Foram considerados na análise somente superfícies críticas circulares. 55 Tabela : Critérios adotados para o qs nas análises de estabilidade global. Critério Programa Valor de qs 1 Geoslope Foi adotado um qs constante ao longo da barra, no entanto se o grampo estava em contato com mais de uma camada o qs utilizado foi o menor dentre as camadas. 2 Geoslope Foi adotado um qs constante ao longo da barra, porém foi feito uma média ponderada entre o comprimento do reforço e a resistência ao arrancamento da respectiva camada em contato com o grampo. 3 Slide O qs utilizado foi variável, ou seja, a resistência ao arrancamento foi discretizada em trechos de acordo com o solo que estava em contato com o grampo. 3.2 Talude proposto Foi criado um caso hipotético em solo, onde o talude possui altura de 6 metros, inclinação de 70° em relação à horizontal, e sua estratigrafia é composta por três tipos diferentes de solos Figura (42). Tabela : Parâmetros do solo hipotético criado. Solo Φ(graus) c’ γ (kN/m³) Altura da camada(m) qs (kPa) Cor 1 28 3 17 3 100 2 30 6 18 3 120 3 32 9 19 5 150 56 Figura : Perfil geotécnico do talude. 57 3.3 Resultados das Análises As figuras 43 e 44 representam o talude modelado no Geoslope (2007) e Slide (2020), respectivamente. Figura : Modelagem no Geoslope. Figura : Modelagem no Slide. Distância 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 E le v a ç ã o 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 58 3.3.1 Resultados do Geoslope (Critério 1) 3.3.1.1 (Método de Spencer) 3.3.1.1.1 Análise do Talude em seu estado natural Figura : O Fator de segurança encontrado foi de 0,73 utilizando o Geoslope. 3.3.1.1.2 Implantação dos reforços Figura : FS no valor de 1,98 no Geoslope, com os grampos implantados. 0.73 Distância 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 E le v a ç ã o 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1.98 Distância 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 E le v a ç ã o 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 59 3.3.1.1.3 Sobrecarga Figura : FS no valor de 1,6 com o acréscimo sobrecarga de 20 kPa. 3.3.1.1.4 Nível de água Figura : FS no valor de 1,45 com o acréscimo de nível de água utilizando o Geoslope. 60 3.3.1.2 (Bishop Simplificado) 3.3.1.2.1 Análise do talude em seu estado natural Figura :FS encontrado foi de 0,73 utilizando o Geoslope. 3.3.1.2.2 Implantação dos reforços Figura :FS no valor de 1,98 no Geoslope, com os grampos implantados. 0.73 Distância 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 E le v a ç ã o 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1.98 Distância 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 E le v a ç ã o 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 61 3.3.1.2.3 Sobrecarga Figura :FS no valor de 1,6 com o acréscimo sobrecarga de 20 kPa. 3.3.1.2.4 Nível de água Figura :FS no valor de 1,44 com o acréscimo de nível de água utilizando o Geoslope. 62 3.3.2 Resultados Geoslope (Critério 2) 3.3.2.1 (Método de Spencer) 3.3.2.1.1 Análise do Talude em seu estado natural Figura :FS no valor de 0,73 utilizando o Geoslope. 3.3.2.1.2 Implantação dos reforços Figura :FS no valor de 2,0 com a implantação dos grampos, utilizando o Geoslope 63 3.3.2.1.3 Sobrecarga Figura :FS no valor de 1,6 com o acréscimo da sobrecarga, utilizando o Geoslope. 3.3.2.1.4 Nível de água Figura :FS no valor de 1,46 com o acréscimo de nível de água, utilizando o Geoslope. 64 3.3.2.2 (Bishop Simplificado) 3.3.2.2.1 Análise do Talude em seu estado natural Figura :FS no valor de 0,73 utilizando o Geoslope. 3.3.2.2.2 Implantação dos reforços Figura :FS no valor de 2,01 com a implantação dos grampos, utilizando o Geoslope 65 3.3.2.2.3 Sobrecarga Figura :FS no valor de 1,61 com o acréscimo da sobrecarga, utilizando o Geoslope. 3.3.2.2.4 Nível de água Figura :FS no valor de 1,47 com o acréscimo de nível de água, utilizando o Geoslope 66 3.3.3 Resultados Slide (Critério 3) 3.3.3.1 Métodode Spencer 3.3.3.1.1 Análise do Talude em seu estado natural Figura :FS no valor de 0,720 utilizando o Slide. 3.3.3.1.2 Implantação dos reforços Figura :FS no valor de 2,06 com a implantação dos grampos, utilizando o Slide. 67 3.3.3.1.3 Sobrecarga Figura :FS no valor de 1,76 com o acréscimo da sobrecarga, utilizando o Slide. 3.3.3.1.4 Nível de água Figura :FS no valor de 1,496 com o acréscimo de nível de água, utilizando o Slide. 68 3.3.3.2 Método de Bishop Simplificado 3.3.3.2.1 Análise do Talude em seu estado natural Figura :FS no valor de 0,716 utilizando o Slide. 3.3.3.2.2 Implantação dos reforços Figura :FS no valor de 2,078 com a implantação dos grampos, utilizando o Slide. 69 3.3.3.2.3 Sobrecarga Figura :FS no valor de 1,772 com o acréscimo da sobrecarga, utilizando o Slide. 3.3.3.2.4 Nível de água Figura :FS no valor de 1,488 com o acréscimo de nível de água, utilizando o Slide 70 3.4 Resumo dos resultados obtidos para o FS Tabela : Resumo dos FS de cada tipo de análise. Condição Programa Critério Forma FS (Bishop- simplificado) FS (Spencer) Talude Natural Geoslope 1 Circular 0,73 0,73 Implantação dos reforços Geoslope 1 Circular 1,98 1,98 Sobrecarga Geoslope 1 Circular 1,60 1,60 Nível de água Geoslope 1 Circular 1,44 1,45 Talude Natural Geoslope 2 Circular 0,73 0,73 Implantação dos reforços Geoslope 2 Circular 2,01 2,00 Sobrecarga Geoslope 2 Circular 1,61 1,60 Nível de água Geoslope 2 Circular 1,47 1,46 Talude Natural Slide 3 Circular 0,72 0,72 Implantação dos reforços Slide 3 Circular 2,08 2,06 Sobrecarga Slide 3 Circular 1,77 1,76 Nível de água Slide 3 Circular 1,49 1,50 71 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS 4.1 Objetivo do trabalho Foram apresentados os tipos dos reforços que podem ser utilizados no grampeamento do solo, os diferentes tipos de paramento, o ensaio de arrancamento para se obter o qs, a importância e os dispositivos utilizados na drenagem, superficial e profunda, além de ter sido criado um talude hipotético em solo, em que foi feito a análise da estabilidade global, pelo método do equilíbrio limite, através de 2 programas computacionais famosos no meio geotécnico. 4.2 Análise dos resultados A tabela 8 resume os fatores de segurança obtidos através das análises de estabilidade global do talude hipotético em solo (Figura 42), adotando diferentes premissas. Devido aos diferentes critérios adotados para o qs, os valores de FS foram variáveis em alguns casos. Para o mesmo critério, as análises de Bishop-Simplificado e Spencer tiveram uma variação menor que 1% nos FS obtidos para todos os casos analisados. No entanto, para critérios distintos, a maior variação encontrada foi na comparação do critério 1 com 3, quando adicionada a sobrecarga, utilizando o método de Spencer, onde a variação entre o FS foi de aproximadamente 9 %. Portanto, é extremamente importante a realização do ensaio de arrancamento no dimensionamento e execução do solo grampeado, pois é necessário saber qual o valor do qs no local e assim determinar os parâmetros a serem utilizados. 4.3 Sugestões Como sugestões para novos estudos, algumas propostas são apresentadas a seguir: Estudo de caso real sobre a aplicação do solo grampeado em solo. Comparação do qs utilizado no dimensionamento de uma estrutura em solo grampeado, sem instrumentação geotécnica, com o qs obtido através do ensaio de arrancamento, no local, após a obra concluída. Criação de norma que regulamente a aplicação do solo grampeado. Estudo demonstrando quando considerar, nos grampos, os esforços de cisalhamento e flexão. Estudo de caso real sobre o solo grampeado em rocha. 72 5 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Estabilidade de taludes; NBR- 11682: 2009. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Tirantes ancorados no terreno:Projeto e execução; NBR-5629: 2018. BRUCE, D. A., & JEWELL. R. A. Soil nailing : application and practice – part I, Ground Engineering, (1986).19(8), pp. 15. CLOUTERRE. Soil Nailing Recommedations for designing, calculating, constructing and inspecting earth support systems using soin nailing, French National Project Clouterre, English Language Translation, 1991. 302p FERREIRA, J. L. Análise de estabilidade de taludes pelos métodos de Janbu e Spencer, Dissertação de mestrado, Universidade do Porto, 2012, 122p. GEORIO. Manual técnico de encostas ancoragens e grampos, 2000, 2° edição, Rio de janeiro, v IV,184p. GEORIO.Manual técnico de encostas Drenagem e proteção superficial, 2000, 2 ° edição, Rio de janeiro, v II, 122p. GEORIO. Manual Técnico de Encostas, 2014, Rio de Janeiro, 499p. GERSCOVICH, D. M. Estabilidade de Talude, 2012, Oficina dos textos, São Paulo, 166p. GERSCOVICH, D. M. Estruturas de Contenção. Fonte: Engenharia Uerj, Disponível em :http://www.eng.uerj.br/~denise/pdf/muros.pdf, Acesso em : 15 de set. de 2020 LIMA, A. P. Comportamento de uma escavação grampeada, Tese de Doutorado, PUC RIO, 2007, Rio de janeiro, 431p. ORTIGÃO, J., ZIRLIS, A., & PALMEIRA, E. (1993). Experiência em solo grampeado no Brasil, 1970-1993 Solos e Rochas, 1993, v.16 no.4, pp 291-304. SARAMAGO, R. Notas de aula Estabilidade de Encostas, 2020. http://www.eng.uerj.br/~denise/pdf/muros.pdf 73 SARAMAGO, R., MENDONÇA, M., BRUGGER, P. J., & FERREIRA JR, J. Muro em solo grampeado com face em blocos pré-moldados, IV COBRAE, ABMS (2005), Salvador, pp 827-833. SILVA, J. P. Os métodos de equilíbrio limite e dos elementos finitos na análise de estabilidade de taludes, Dissertação de mestrado, Universidade do Porto, 2011, 149pp. SOLOTRAT. Solo Grampeado: A Arte de Estabilizar, uma Técnica Moderna e eficaz, 2010, 13pp, Disponível em :< http://www.solotrat.com.br/assets/pdf/2010-solo-grampeado-a- arte-de-estabilizar-uma-tecnica-moderna-e-eficaz.pdf>, Acesso em 10 de set. de 2020. SOLOTRAT. Túneis, Uma solução de engenharia inteligente, 2011, 10pp, Disponível em: < http://www.solotrat.com.br/assets/pdf/2011-tuneis-uma-solucao-de-engenharia- inteligente.pdf>, Acesso em 12 de set. de 2020. SPRINGER, F. O. Ensaios de arrancamento de grampos em solo residual de gnaisse, Tese de doutorado, Puc-Rio, 2006, Rio de Janeiro, 257pp. http://www.solotrat.com.br/assets/pdf/2010-solo-grampeado-a-arte-de-estabilizar-uma-tecnica-moderna-e-eficaz.pdf http://www.solotrat.com.br/assets/pdf/2010-solo-grampeado-a-arte-de-estabilizar-uma-tecnica-moderna-e-eficaz.pdf http://www.solotrat.com.br/assets/pdf/2011-tuneis-uma-solucao-de-engenharia-inteligente.pdf http://www.solotrat.com.br/assets/pdf/2011-tuneis-uma-solucao-de-engenharia-inteligente.pdf
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