Aula 11 Estabilização de solos moles. Eng. Civil Augusto Romanini (FACET Sinop) Sinop - MT 2017/1

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL TÉCNICAS DE MELHORAMENTO DE SOLOS Aula 11 Estabilização de solos moles Eng. Civil Augusto Romanini (FACET Sinop) Sinop - MT 2017/1

2 AULAS Aula 00 Apresentação/Introdução Parte IA Métodos Tradicionais Básicos Aula 02 Estabilização Mecânica Aula 04 Estabilização Solo Cimento Aula 06 Práticas de campo Aula 07 Estabilização Solo - Betume Aula 09 Estabilização Solo Bentonita Aula 10 Solo Reforçado com Fibras Parte I Métodos Tradicionais Básicos Aula 01 Solos Tropicais Aula 03 Estabilização Granulométrica Aula 05 Estabilização Solo - Cal Parte IB Métodos Tradicionais Básicos Aula 08 Estabilização Compostos orgânicos Parte II Métodos Especiais Aula 11 Estabilização de Solos moles 06/06/2017 Apresentação da disciplina 2

3 Conceito inicial Em decorrência da expansão urbana e a necessidade de grandes áreas para complexos industriais tem ocorrido um avanço para áreas de mangues, brejos e outras localidades marginalizadas ou antes desprezadas, por n fatores e um deles são os solos moles. A ocorrência de solos moles está sempre associada à presença de água, áreas baixas (cota) e mal drenadas (plana) e lençol freático junto à superfície Entende-se por solos moles os solos sedimentares de baixa resistência à penetração (SPT < 5), cuja principal característica é a alta compressibilidade. São em geral argilas moles ou areias argilosas fofas, de deposição recente. O número de solos argilosos com essas características é superior. Solo N-SPT Designação < 4 Fofa 5-8 Pouco compacta Areia e silte arenoso 9-18 Medianamente compacta Compacta > 40 Muito compacta < 2 Muito mole 3-5 Mole Argila e silte argiloso 6-10 Média Rija >19 Dura Consistência e resistência das argilas em função da compressão simples. Das,1985 qu (kn/m²) Consistência 0 a 24 Muito Mole Mole 48 a 96 Média ( o) 96 a 192 Rija ( o ) 192 a 383 Muito rija ( o) > 383 Dura ( o ) 3

4 Conceito inicial Definições importantes Adensamento fenômeno da expulsão lenta da água dos vazios do solo argiloso, causado por um carregamento externo; Recalque deformação devido ao carregamento vertical na superfície do terreno; Amolgamento destruição da estrutura do solo (perda de resistência), sem alteração no seu teor de umidade; Atrito negativo : Nas estacas implantadas em solos adensáveis, pode ocorrer o fenômeno de atrito negativo, pelo qual o recalque de adensamento supera o recalque da estaca. Em consequência, a camada adensável, em vez de contribuir com o atrito lateral resistente (positivo), passa a gerar acréscimo de solicitação vertical na estaca, de cima para baixo (CINTRA, 2012). Efeito Tschebotarioff Ocorrente em estacas passivas (estacas nos quais os esforços horizontais ao longo do fuste são decorrentes do movimento do solo que as envolve) e de acordo com Cintra (2010), com o processo de adensamento da camada de argila mole, sujeita a uma sobrecarga vertical assimétrica, surgem esforços horizontais nas estacas, em profundidade, capazes de produzir grandes deslocamentos e até levá-las à ruptura. 4

5 Conceito inicial Solos moles Solos saturados (recalques); Baixa resistência (NSPT) < 4 golpes (rupturas); Regiões litorâneas ou beiras de rios (geralmente); Às vezes com presença de turfas (origem vegetal, regiões pantanosas); Dificuldades em se encontrar soluções viáveis nos quesitos custo e prazo; Questões ambientais são obstáculos à adoção de soluções tradicionais. Problemas: Do ponto de vista técnico: Estabilidade dos aterros após a construção; Recalques dos aterros ao longo do tempo; Estabilidade de fundações; Recalques diferenciais entre obras de arte (pontes e viadutos). Do ponto de vista construtivo: Tráfego de equipamentos durante a obra; Amolgamento da superfície do terreno, face ao lançamento do aterro; Rupturas durante a construção. 5

6 Conceito inicial Solos moles 6

7 Conceito inicial Solos moles 7

8 Conceito inicial Solos moles Sinop - MT Fonte: Assis e Benatti, 2014 Fonte: Soares e Weber,

9 Conceito inicial Fonte: Assis e Benatti,

10 10

11 Sobrecarga Temporária Drenos Verticais Alternativas: Substituição do material Bermas de Equilíbrio Colunas Agregados Aditivos Aterros Leves Brita Areia Cal Cimento 11

12 Substituição do material Camadas de solo moles, de pequenas espessuras, com cerca de 4 a 5 m, e, em alguns casos até 7 metros pode ser executável. Tal remoção pode ser conduzida principalmente com o uso de maquinário de escavação, como drag lines ou dragas, ou até mesmo por explosivos, que liquefazem os solos moles. ( Massad,2003) Não é uma técnica de melhoramento ou tratamento do solo. 12

13 Substituição do material Cria se os aterros de ponta Remoção do solo mole Preenchimento com solo melhorado Finaliza se o aterro Fonte: Almeida, 2011 Exige bota - fora Monitoramento constante Manutenção constante Costuma-se evitar! 13

14 Substituição do material O solo mole removido pode ser substituído por materiais tradicionais, ou pode se buscar a utilizar de solos estabilizados com solo cimento ou solo cal, ou ainda utilizar materiais alternativos, porém leves, como tiras de pneus ou pneus picados, argila expandida, serragem e o mais usual de todo os blocos de EPS ( este último é mais utilizado quando a camada de solo mole permanece). Materiais compósitos Aterro usual Tiras de borracha Serragem 18 kn/m³ - 20 kn/m³ 6 kn/m³ 10 kn/m³ 14

15 Bermas de Equilíbrio Solução de Fellenius A estabilidade de aterros após a construção em solo moles foi questionada por diversos autores. Fellenius ( s.d) propôs uma solução para a situação. Sua analise admite uma superfície circular e igualdade dos momentos solicitante e resistente ( c = q ). Partindo desse carregamento, tem se a resultante Qr, lembre se q = c, tem se: Q r = 5,5 2 q b Sabendo que Qr é resultante de uma carregamento de aterro, ou seja um determinado peso do aterro e sua respectiva altura Crítica, Hc, temos: γ H C = 5,5 2 q b Portanto a altura crítica para o solo mole, é : 5,5 c H C = γ A influência da espessura da camada D é relacionada com o desenvolvimento do circulo crítico, e para tal utiliza se a equação proposta Nesta análise obteve se uma equação simples que facilite a analise de camadas finitas de solos moles, com grande espessura D e coesão constante. O dado mais importante é que o ângulo central (2 α ) mede 133,5º,situado na borda do carregamento, e assim obteve se a carga que leva a ruptura do terreno. q r = 5,5 c D < b 0,758 15

16 Bermas de Equilíbrio Bermas de Equilíbrio: são aterros laterais aos taludes para equilibrar o peso exercido pelo maciço do aterro principal. Visam impedir o expurgo de solos moles além dos offset s. Não confundir com processo de retaludamento. 16

17 Bermas de Equilíbrio Partindo da proposta de Fellenius, tem se a situação do aterro com duas bermas, e duas alturas ( H). Na equação passa se aplicar um Fator de Segurança ( FS). H 1 H 2 = 5,5 c FS γ Como o objetivo é determinar a largura das bermas. Deve se definir a posição d círculo crítico ( é sempre necessário possuir o projeto geométrica e dados do solo ) e fazer com que as bermas cubram a parte sujeita de ruptura, e assim garantir a estabilidade. Como a rotina de cálculo é maçante em alguns pontos, tem se os ábacos de Jakobson (1948) e servem para realizar esta determinação com o intuito de agilizar os cálculos, em situação em que a coesão é constante e a espessura da camada de solo mole é finita ( não esquecer do princípio de Fellenius). 17

18 Bermas de Equilíbrio Passo I Entrar com dados Passo VI Outros casos B b 1, P 1, h, Resistência não drenada = C, Fator de Segurança ( FS = 1,5, no mínimo) Passo II Calcular Q r,adm Q r,adm = c FS Passo III Determinar P 2 Para o Caso I verificar através de x b 2 se x < b 1 A p 2 entrar no p 1 gráfico apropriado com c adm P 1 e P 1 P 2 e determina se b 2 b 1 P 2 = P 1 5,5 Q r,adm ; P 2 < 5,5 Q r,adm Passo IV Calcular Parâmetros b 1 D P 1 P 2 Passo V Locar nográfico b Locar 2 b1 no gráfico superior à esquerda.(caso II) Se as condições indicarem ruptura no caso II, determina se b 1 deste gráfico b 2 Passo VI Outros casos A Se as condições indicarem Caso I ou Caso III, entrar no gráfico apropriado com c adm P 1 e P 1 P 2 e determina se b 2 b 1 Em caso de ausência de dados utilize a proposta de Fellenius para determina lo. Metodologia adaptado de Sousa Pinto,

19 Bermas de Equilíbrio 19

21 Colunas Para atravessar solos mole e tornar rodovias seguras, estáveis e duráveis, a escolha da solução da fundação apropriada é uma decisão de engenharia fundamental para o sucesso da construção.existem duas tecnologias econômicas aplicáveis ao tratamento de áreas com subsolos compressíveis que nos últimos 30 anos tem sido frequentemente utilizadas na Europa, Estados Unidos, Ásia, Austrália e, recentemente, também no Brasil, para a construção de rodovias. Ao longo dos anos, as normas de concepção e de execução foram desenvolvidas em vários países, e ambas estão listados no Eurocode. O primeiro método apresentado é geralmente referido como "Colunas de Brita Vibrocompactadas". Esta tecnologia envolve a construção de colunas de brita usando modernos equipamentos de auto-propulsão hidráulica. A instalação de colunas de brita em solo mole tem como objetivo permitir que o conjunto solo-coluna apresente propriedades adequadas para a fundação direta das rodovias. As colunas de brita vibrocompactadas podem ser instaladas para apoiar aterros de até 15 m de altura sobre areias fofas, siltes e também solos argilosos compressíveis. O segundo método a ser apresentado é geralmente referido como "Mistura Profunda de Solo à Seco". Esta tecnologia envolve a construção de colunas de solo-cimento executadas através de equipamentos modernos também com auto-propulsão hidráulica. Como no método de colunas de brita vibrocompactadas, executando-se as colunas a seco de mistura de solo-cimento em um solo mole, o subsolo tratado também resultará num conjunto de solo e coluna com propriedades melhoradas adequadas para fundação direta. Os típicos agentes estabilizadores são o cimento, a escória de cimento e cal. 21

22 Colunas Colunas Solo Brita A técnica de melhoramento de solo com colunas de brita foi desenvolvida no final da década de 1950 na Europa. Essa técnica consiste na formação de colunas de brita por meio de vibrosubstituição de material granular (brita) nas camadas com baixa capacidade de suporte do subsolo. Essas inclusões de brita são flexíveis com módulo de deformabilidade elevado, sem coesão e com grande capacidade de drenagem, reduzem o período de consolidação, através da concentração e redistribuição das cargas aplicadas, aumentam a capacidade de suporte do solo e diminuem os recalques As colunas granulares são colunas de areia ou brita, instaladas na camada de argila, que tal como os drenos verticais, promovem a dissipação de poropressões por drenagem radial, aumentando a resistência da argila e acelerando os recalques, e também promovem um aumento da resistência ao cisalhamento do conjunto solo-coluna, permitindo a construção de aterros mais altos com maiores fatores de segurança. (Almeida & Marques, 2010) 22

23 Colunas Colunas Solo Brita 23

24 Colunas Solo Brita 24

26 Colunas Solo Brita 1 - Preparação O equipamento é instalado no ponto de penetração e estabilizado com macacos hidráulicos. A alimentação da brita é assegurada por uma caçamba elevatória. 2 - Enchimento A brita contida na caçamba é despejada na tremonha do vibrador, que é em seguida fechada. A utilização de ar comprimido permite o fluxo contínuo da brita até o orifício de saída. 3 - Penetração Por meio da insuflação de ar comprimido e da ativação sobre o vibrador, este desce até a profundidade do solo competente, comprimindo-o lateralmente. 4 - Compactação Quando a profundidade estabelecida é atingida, sobe-se ligeiramente o vibrador e a brita é colocada no espaço livre. Em seguida, volta-se a descer o vibrador para expandir lateralmente a brita contra o solo, compactando-os. 5 - Acabamento A coluna de brita é assim executada por passos sucessivos, até a superfície 26

31 Colunas Solo Areia 31

32 Colunas Solo Areia Ringtrac Criação de um dique no perímetro a ser aterrado Drenagem da água Reforço do solo com 60 mil GEC s - Estacas Aterro e utilização de geogrelhas para reforço do aterro 32

33 Colunas Solo Areia Ringtrac 33

34 Colunas Aditivo O desenvolvimento da técnica de Deep Soil Mixing (DSM) teve início na década de 60 utilizando-se cal como agente estabilizante. O DSM foi colocado em prática no Japão e nos países do Norte da Europa na década de 1970, sendo depois difundido na China, Sul da Ásia Ocidental e em outras partes do mundo, como Estados Unidos e Brasil. Em uma perspectiva mais ampla, os principais objetivos da melhoria dos solos por meio da adoção desta técnica consistem no aumento de sua resistência, na redução de sua deformabilidade e permeabilidade, sendo esta última interessante para casos de remediação de solos contaminados. (PORBAHA, 1998). Estrutura para fundações Tanques e Torres Encontro de pontes Instalações subterrâneas Estabilização de aterros Paredes de contenções Fundações de edificações Contenção de empuxo de solo Controle de escavação Deslizamento e rupturas Suportes adjacentes Ancoragem de solos Controle de Infiltrações Reabilitação de barragem Estabilização de margens de rios DSM - Aplicações Aplicações ambientais Impermeabilização Remediação Outras aplicações Mitigar liquefações Reforço para escavar túneis 34

35 Colunas Aditivo Mistura profunda de solo (Deep Soil Mixing) Mistura de solo profunda à seco ou Deep Soil Mixing refere-se ao melhoramento de solos moles, por meio de injeção de um agente ligante de estabilização, misturando-o com o solo virgem em profundidade para criar uma coluna de material composto solo-ligante. A mistura do solo virgem com ligante injetado resulta num material composto homogêneo com propriedades geomecânicas (resistência e deformação) significativamente melhores do que o solo original. Atualmente há dois processos distintos em uso comercial, o Método Seco e Método Úmido. diâmetros variando de 40 a 80 cm; consumo baixo de aglomerantes em se comparando com as colunas de Jet Grouting. possibilita a estabilização de solos moles em profundidade de até 25 metros; 35

36 Colunas Aditivo O método úmido é mais indicado para solos argilosos moles, solos arenosos de grãos finos com pouca umidade ou solos estratificados com camadas moles e rígidas intercaladas. Ele geralmente emprega calda de cimento e lama bentonítica. Como regra geral, os terrenos argilosos são fortalecidos com cal ou cimento com cal. Já os solos orgânicos são estabilizados com escórias de altoforno. O método seco é viável em solos suficientemente úmidos para que haja reação com os ligantes típicos dessa técnica. 36

37 Colunas Aditivo Método úmido 37

38 Colunas Aditivo Método úmido Equipamento Spray de água Perfuração Elemento Final 38

39 Colunas Aditivo Método úmido 39

40 Colunas Aditivo Método Seco 40

41 Colunas Aditivo Método Seco Equipamentos Spray de aditivo Hélices 41

42 Colunas Solo Cal 42

43 Colunas Solo Cal Estudos realizados na Suécia, em larga escala em um campo experimental sobre soles moles de origem pós glacial. O estudo composto por duas áreas ( 8m x 15m) carregas por um aterro que aplica 10 kpa, com intuito de representar uma residência unifamiliar. Em uma das áreas foram construídas estacas de cal com 6 metros de comprimento e espaçadas a cada 1,4 metros, totalizando 120 elementos. Na outra área nadafoi realizado. Foram acompanhados os recalques ( ou assentamentos) durante 5 anos, onde na área constatou se que o recalque ocorreu de maneira lenta e o grau de consolidação ( adensamento) ficou próximo de 100%. É visível na figura ao lado que os recalques ocorridos na área não estabilizada ficam próximo de 120 mm, ou 12 cm, enquanto da área estabilizada não ultrapassam os 40 mm, ou 4 cm. Traduzido e Adaptado de Stabilization of Soil whit Lime Columns Bengt B. Broms In: Foundation Engineering Handbook H.Y.Fang,

44 Bermas de Equilíbrio Exemplo 01 Foi solicitada a construção de um aterro em uma camada de solo mole que se inicia no encontro de uma ponte e tem extensão aproximada de 300,00 metros. Este trecho foi licitado como um lote especifico da licitação. Adotou se como referência a cabeceira da ponte, sendo lá a estaca 0,00; Foram realizados diversos ensaios para obter principalmente a espessura media da camada de solo mole e a resistência da mesa. Na estaca 1 a camada tem espessura média de 67,00 metros, na estaca 8 a espessura média da camada é de 13,35 metros e na estaca 12 a espessura média da camada é de 5,00 metros. A coesão média obtida é de 18,00 kpa para o solo que semelhante em toda a extensão. O aterro deve atingir a altura útil de 5,00 metros em todo o trecho e o órgão regulamentador indica que o talude tenha inclinação de 2:1 (h:v). O material disponível para a execução do aterro possui peso de 20,00 kn/m³. Para as bermas pode-se optar por utilizar o mesmo material do aterro ou o material proveniente da remoção do subleito de outro lote da obra, que tem peso de 17,00 kn/m³. 44

45 Bermas de Equilíbrio Exemplo 02 Foi solicitada a construção de um aterro em uma camada de solo mole que se inicia no encontro de uma ponte e tem extensão aproximada de 300,00 metros. Este trecho foi licitado como um lote especifico da licitação. Adotou se como referência a cabeceira da ponte, sendo lá a estaca 0,00; Foram realizados diversos ensaios para obter principalmente a espessura media da camada de solo mole e a resistência da mesa. Na estaca 2 a camada tem espessura média de 60,00 metros, na estaca 9 a espessura média da camada é de 10,95 metros e na estaca 11 a espessura média da camada é de 4,00 metros. A coesão média obtida é de 24,00 kpa para o solo que semelhante em toda a extensão. Utilize FS = 1,50 O aterro deve atingir a altura útil de 5,50 metros em todo o trecho e o órgão regulamentador indica que o talude tenha inclinação de 2:1 (h:v). O material disponível para a execução do aterro possui peso de 20,00 kn/m³. Para as bermas pode-se optar por utilizar o mesmo material do aterro ou o material proveniente da remoção do subleito de outro lote da obra que tem peso de 11,00 kn/m³. 45

48 AULAS Aula 00 Apresentação/Introdução Parte IA Métodos Tradicionais Básicos Aula 02 Estabilização Mecânica Aula 04 Estabilização Solo Cimento Aula 06 Práticas de campo Aula 07 Estabilização Solo - Betume Aula 09 Estabilização Solo Bentonita Aula 10 Solo Reforçado com Fibras Parte I Métodos Tradicionais Básicos Aula 01 Solos Tropicais Aula 03 Estabilização Granulométrica Aula 05 Estabilização Solo - Cal Parte IB Métodos Tradicionais Básicos Aula 08 Estabilização Compostos orgânicos Parte II Métodos Especiais Aula 11 Estabilização de Solos moles 06/06/2017 Apresentação da disciplina 48

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