Deformações ao longo do tempo de uma estrutura de solo reforçado com geogrelha

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1 XII Conferencia Brasileira sobre Estabilidade de Encostas COBRAE a 4 Novembro Florianópolis, Santa Catarina, Brasil ABMS, 2017 Deformações ao longo do tempo de uma estrutura de solo reforçado com geogrelha João Maurício Homsi Goulart UFSCar, São Carlos, Brasil, joao.goulart@usp.br Fernando Henrique Martins Portelinha UFSCar, São Carlos, Brasil, fportelinha@ufscar.br José Orlando de Avesani Neto POLI-USP, São Paulo, Brasil, avesani@usp.br RESUMO: Os fatores de redução por fluência de reforços geossintéticos tem sido uma preocupação frequente em projetos de estruturas de solo reforçado. Normalmente, a caracterização deste fenômeno é baseada em ensaios de fluência convencional dos reforços poliméricos ou em aparatos laboratoriais que simulam a fluência com a interação do solo. No entanto, poucos são os estudos que captam as deformações pós-construtivas com vistas à fluência do solo e do reforço que compõe a estrutura. Dessa forma, este estudo investiga o comportamento dependente do tempo de um muro de 6-m de altura em solo reforçado com geossintético. O muro foi construído com uso de solo local laterítico fino (ML-MH). A face consistiu em gabião preenchido com pedras de mão e serviu como drenagem e proteção da face da estrutura. Os dados coletados do monitoramento de campo da estrutura foram durante o processo construtivo e por aproximandamente horas após a construção. As instrumentações (extensômetros mecânicos) foram criadas para obter os deslocamentos internos das linhas de reforços instalados em diferentes elevações. O estudo da fluência dos reforços geossintéticos na estrutura foi conduzido com base nas deformações calculadas. Os resultados dos deslocamentos da face foram inferiores a 10 mm. Isso indicou desempenho adequado da estrutura. A análise das máximas deformações, calculadas por ajustes sigmoidais e deslocamento relativo mostraram que os valores de deformação por fluência chegaram até 1%. Comparando os dados obtidos das deformações ao longo do tempo da obra real e do ensaio convencional de laboratório, observou-se que o ensaio convencional levou a valores de deformações muito consistentes com o de campo. PALAVRAS-CHAVE: Estrutura de solo reforçado, Comportamento dependente do tempo, Fluência, Monitoramento de campo, Geogrelha, Solo local. 1 INTRODUÇÃO Avanços em muros de arrimo e estabilidade de taludes têm direcionado ao uso de solo local e geossintético de reforços. Junto com o estado limite último (ELU), a servicibilidade (estado limite de serviço ELS) igualmente é um assunto crítico dessas estruturas, uma vez que o uso de solo de aterro granular que é o solo recomendado para essas estruturas por órgãos governamentais estrangeiros (FHWA, 1990; NCMA, 1998; Allen & Barthurst, 2002; Benjamin et al. 2007; Becker et al. 2015). Em serviço, as deformações destes tipos de estruturas são estudadas em diversas óticas. O aspecto mais relatado na literatura consiste nas deformações ocorridas durante o processo executivo, uma vez que as tensões de compactação são muitas vezes (casos de muros até 4-m) predominantes (Ehrlich e Mitchel, 1994; Dantas e Ehrlich, 2000; Riccio et al. 2014; Portelinha et al. 2014; Mirmoradi e Ehrlich, 2013). Em apoios de ponte, onde o assentamento do maciço é altamente

2 prejudicial, observou-se que altos níveis de tensões induzidas de compactação do solo de reaterro reduzem as deformações de assentamento do maciço, porém acarretam maiores deformações laterais (Zheng et al. 2017). Esse aspecto onde a compactação auxilia o comportamento da estrutura de forma análoga a um pré-adensamento, relatada por Ehrlich et al. (2012), depende de novas análises para ser estendida para um melhoramento da compreensão do comportamento dependente do tempo de estruturas de solo reforçado. Assim, entende-se que o tempo pode ser protagonista nas deformações dos reforços e da estrutura como um todo, uma vez que materiais poliméricos podem apresentar significativas deformações por fluência. A fluência de reforços geossintéticos tem sido uma preocupação constante no projeto de estruturas de solo reforçado. A maioria dos estudos na literatura aborda o comportamento da fluência por meio de ensaios convencionais não confinados ou por meio de aparatos específicos que simulam a interação com o solo (McGown, 1982; Becker et al. 2015, Costa et al. 2016; França & Bueno 2011). Estes estudos indicam certo conservadorismo no projeto por conta do ensaio de fluência convencional (sem interação com o solo) estimar deformações maiores do que acontece com o reforço confinado, França et al. (2013) exibe resultados em que o ensaio não convencional confinado de solo arenoso restringiu deformações por fluência em comparação a ensaios isolados, e a partir de extrapolações de resultados de ensaio de fluência não convencional confinado de geogrelha aferiu um fator de redução por fluência de 1.9 para um período de serviço de 50 anos. Enquanto nos solos coesivos, por esses exiberem deformações dependentes do tempo, a fluência do geossintético associada à interação com o solo não deve ser negligenciada (Liu, 2012; Gustafsson e Tian, 2011). Dessa forma o comportamento dependente do tempo de estruturas de solo reforçado, bem como sua relação com o comportamento de fluência do geossintético como material de reforço precisa ser mais bem explorado. Nesse contexto, este trabalho por tratar-se de uma estrutura de contenção em solo reforçado com geossintéticos instrumentada a fim de se obter deslocamentos internos e com monitoramento se estendendo do período executivo até horas pós-construção, e também aliando ao ensaio do material usado na obra em laboratório, pode-se trazer contribuição cientifica ao comparar resultados dependentes do tempo observados em ensaio convencional de laboratório em comparação com o comportamento dependente do tempo observado no campo, na situação real de serviço. E assim, influir sobre aspectos relevantes do comportamento em longo prazo de estruturas de solo reforçado. 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Muro instrumentado A obra monitorada se situa na cidade de São José dos Campos, estado de São Paulo - SP, no km 158 da Rodovia Presidente Dutra. A estrutura estudada (Figura 1) consiste em uma contenção de solo reforçado com geossintéticos para composição de um aterro, de nivelamento de área. No topo da estrutura foi projetado sobrecarga de um estacionamento para maquinário da empresa (sobrecarga de 60 kpa). Durante todo o tempo de monitoramento pós o período executivo, o muro ficou isolado e não teve acesso por pessoas ou maquinas e nem foi solicitado de qualquer forma. Figura 1. Muro instrumentado em São José dos Campos - SP. A fundação do muro conta com uma camada de 2-m de rachão, de substituição da camada de argila mole superficial (Nspt médio igual a 2), com o nível de água aflorante.

3 Altura do muro (metros) O sistema de contenção é composto por muro íngreme de solo reforçado (1H: 10V) com altura de 6 metros, camadas de reforço espaçadas em 40 cm e construída com solo fino local caracterizado em laboratório. O muro foi projetado com reforços de geotêxtil tecido e geogrelhas, sendo estes caracterizados em laboratório, no item 2.3 está caracterizada a geogrelha, reforço usado na seção estudada. O muro foi construído com técnica que utiliza elementos de face compostos por telas soldadas, com galvanização especial, dobradas em L, estabilizadas com barras metálicas equiespaçadas (struts). O elemento de face foi preenchido mecanicamente com pedras de mão e serviu como drenagem e proteção da estrutura. A obra teve a base drenante de rachão concluída em março de 2016, o início de abril começou com a primeira camada feita com solo de reaterro e acima da superfície do terreno, a instalação da primeira elevação da instrumentação concluiu-se em 10/04/2016 e o fim da obra com a altura de projeto do muro foi atingida em 23/05/2016 maio, e a partir de 24/06/2016 (1680h) foi considerado que todo maquinário e pessoal de serviço não tiveram mais acesso à obra (sem alteração do carregamento). A evolução da construção é apresentada na Figura Figura 2. Evolução da construção do muro. 2.2 Solo empregado no aterro Fim da construção e isolamento do muro De modo a conhecer o material utilizado na construção da obra (solo do aterro na região reforçada e não reforçada), o solo foi caracterizado conforme a Tabela 1. Tabela 1. Propriedades do solo de reaterro Propriedades Referência Valores Fração areia (%) ABNT NBR Fração silte (%) ABNT NBR ,6 Fração argila (%) ABNT NBR ,4 Peso específico seco ABNT NBR ,2 máximo (kn/m 3 ) Teor de umidade ótimo ABNT NBR ,2 (%) Limite de Liquidez (%) ABNT NBR Limite de Plasticidade ABNT NBR (%) Classificação Unificada ML-MH Os parâmetros de resistência do solo foram determinados por meio de ensaios triaxiais em corpos de prova de 50mm de diâmetro e 100mm de altura, moldados nas condições de umidade ótima (umidade e compactação), no grau de compactação de 95%. Foram conduzidos ensaios triaxiais consolidados e drenados (CD), com velocidade de cisalhamento 0,02 mm/min. Tais velocidades foram determinadas com base no ensaio de adensamento (ABNT NBR 12007, 1990) do solo, de modo a garantir a total dissipação das pressões de água. Os ensaios triaxiais do tipo CD foram conduzidos para os níveis de confinamento 50, 100 e 150 kpa. O ângulo de atrito obtido foi de 32 e o intercepto de coesão foi forçado a ir ao zero por conta do tipo de ensaio. Associadamente foram avaliados os parâmetros de resistência de ensaios de cisalhamento direto (ABNT NBR 6122, 2010). Estes foram conduzidos com taxa de deslocamento de 0,4 mm/min, em equipamento convencional de pequeno porte em amostras de altura de 2,45cm, largura e comprimento de 100mm, nas mesmas condições de umidade e compactação dos ensaios CD, e em amostras inundadas durante 3 horas. Os parâmetros de resistência obtidos foram: coesão nula, e ângulos de atrito de 30,7 ; 27,7 ; 20,1 e 20,5 nas condições umidade ótima, +2%, -2% e ótima-inundada. 2.3 Reforços utilizado Para obter os parâmetros da resistência dos geossintéticos de reforço empregados foram realizados ensaios de resistência à tração (T ult ) ABNT/NBR 12824:1993. Para os ensaios de fluência se empregou a ABNT/NBR 15226:200.

4 O resultado do ensaio de tração não confinada (Figura 3a) com a geogrelhas adotado pelo projetista apresenta o valor de resistência a tração de 44,3 kn/m e deformação na ruptura de 11,2%. O ensaio de fluência com corpos de prova (CP) nos níveis de carga 35, 41 e 46% do valor de resistência à tração está apresentado na Figura 3b. 50 monitoramento do deslocamento horizontal foi realizado em três diferentes elevações, com nomenclatura e distâncias em relação à base do muro: E60 (60cm da base); E100 (100cm da base); E180 (180cm da base). A Figura 4 ilustra a seção instrumentada. Carga de tração (kn/m) a) b) Deformações (%) % GG 40 de - Tult cp 30% 40% Series3 de Tult Reforço 35% GG40 de - Tult cp 35% Figura 3. Ensaios da geogrelha (3a carga-deformação e 3b fluência). 2.4 Instrumentação ε = 0,0175ln(t) + 1,4261 ε = 0,0252ln(t) + 1,0578 ε = 0,0446ln(t) + 0, A técnica de instrumentação envolveu medidas de deslocamentos internos e externos. O sistema de monitoramento de deslocamentos internos horizontais consistiu em hastes lisas (tell-tales) ou extensores mecânicos que consiste em barras de aço lisa revestidas de graxa e tubos de PVC cravadas em diferentes pontos ao longo do reforço, em diferentes distâncias em relação à face da estrutura, e uma haste de referência é fixada fora da zona reforçada, considerada indeslocável, de modo a se obter deslocamentos relativos em relação à referência. As hastes metálicas foram fixadas em pontos distanciados a 0,5m, 1,0m, 1,5m e 2,0m da face, o detalhe construtivo está apresentado nas figuras na sequência. O Figura 4. Seção instrumentada. A Figura 5 traz os detalhes da instrumentação, a Figura 5a ilustra os pontos monitorados ao longo do reforço e a Figura 5b ilustra esta instrumentação em campo. Em cada visita a obra monitorada registrou-se um deslocamento (registradas como 264, 624, 912, 1680, 2904, 3648, 5496 e 6888 horas). O tempo 1680 é considerado como a conclusão da obra. a) b) Reforço Hastes metálicas Face do muro Barra de aço lisa engraxada ϕ =10 mm Vista Lateral Revestimento em tubo de PVC Figura 5. Detalhe da instrumentação. Vista Superior Revestimento em tubo de PVC Barra de aço lisa

5 3 RESULTADOS Os resultados de deslocamentos horizontais internos medidos na seção, nas distâncias 0,5, 1, 1,5 e 2m em relação a face para todas as elevações instrumentadas (60, 100 e 180 cm em relação a base) são apresentadas na Figura 6. Os deslocamentos internos, de forma geral, foram pequenos, houve um aumento mais expressivo destes deslocamentos durante o período construtivo da obra, onde esforços de compactação foram predominantes. Após o período construtivo os deslocamentos foram bem menos expressivos, consistente com resultados observados nos muros até 4m de Dantas e Ehrlich (2000) e Riccio et al. (2014). Mesmo pequenos, os deslocamentos aumentaram com o tempo, estabilizando nas últimas leituras para algumas camadas. Essa estabilização se deve por conta da pequena taxa de deformação por fluência que o material exibe nestas condições de esforço, uma vez que o muro foi dimensionado para sobrecarga de estacionamento de maquinário industrial, ou seja, os reforços estão sendo solicitados por uma parcela muito reduzida de carregamento se comparado com sua resistência. Figura 6. Deslocamentos internos medidos nas distâncias da face de 0,5, 1,0, 2,0 e 3,0 m da face: (a) a 60 cm do pé; (b) 100 cm do pé; e 160 cm do pé. Na Figura 7 são mostradas as distribuições dos deslocamentos ao longo do comprimento dos reforços instrumentados. A respeito da distribuição dos deslocamentos ao longo do comprimento do reforço, os maiores valores foram medidos em sua grande maioria na face, com a diminuição destes à medida que os pontos afastam da face. Este comportamento foi consistente com o verificado em muros construídos com solo fino por Benjamim et al. (2007) e Portelinha et al. (2014) em estruturas reforçadas com geossintéticos. Partindo da leitura de deslocamento dos telltales e a fim de maior percepção do desempenho da estrutura estudada, foram propostos dois métodos de cálculo (ajustes sigmoidais e deformação relativa) para obter a deformação que encontra o geossintético ao longo do seu comprimento. As deformações ao longo do reforço foram calculadas com uso de ajustes sigmoidais aos deslocamentos internos distribuídos ao longo dos reforços, conforme a metodologia de Zornberg e Arriaga (2003). Enquanto o método da deformação relativa seria expresso como a diferença entre o deslocamento das barras entre dois pontos, dividido pela distância entre esses pontos, essa metodologia traz consigo ótimo valor de magnitude da deformação, porém apresenta limitação quanto ao local que realmente ocorre à deformação entre esses dois pontos. No caso, assume-se que está deformação ocorre no ponto médio entre as duas medidas, logo este procedimento seria bastante preciso no caso de a distância entre os pontos medidos fosse a menor possível. O resultado das deformações ao longo do tempo por ajustes sigmoidais foi ajustado conforme os deslocamentos observados no monitoramento. A Figura 7 traz um gráfico típico da análise, onde a Figura 7a representa o ajuste da equação sigmoidal aos pontos observados do deslocamento da estrutura. A Figura 7b ilustra a derivação desta curva ajustada, indicando a magnitude e o local da ocorrência das deformações, e também são observados os resultados da deformação relativa, onde os pontos representam o valor de

6 deformação entre cada trecho medido pelos telltales. a) Deslocamento relativo (mm) b) hrs 5496 hrs 6888 hrs Distancia da face (mm) 1.2 E180 E180 Ajuste sigmoidal 634 hs 912 hrs 1680 hrs 2904 hrs 6888h 5496h 3648h 0.8 Sigmóides 2904h 1680h h 624h 6888h h 0.2 Deslocamento relativo 3648h 2904h 1680h 912h Distância da face (mm) Figura 7. Curva típica para cálculo das deformações (Elevação 180cm). De modo a comparar o espaçamento entre níveis de deformações das primeiras curvas, ao espaçamento entre as ultimas curvas, observa-se que as primeiras curvas apresentam-se mais afastadas entre si. Pode-se dizer que as curvas mais espaçadas entre um tempo e outro do monitoramento são por conta do processo construtivo, que muda a magnitude de esforços entre uma visita e outra. Já as curvas mais próximas entre si apresentam o comportamento da fluência, uma vez que, a magnitude dos esforços nos reforços não mudou de uma visita para outra após o tempo 1680h (considerado como fim da obra), então qualquer incremento de deformação a partir desta hora atribui-se a fluência. Para melhor ilustrar a evolução das deformações observadas em campo é plotado a Figura 8, onde se pode observar as deformações ao longo do tempo e analisar o coeficiente de inclinação da reta deste comportamento. Analogamente a mesma análise realizada para elevação de 180 cm foi realizada para as outras elevações e os resultados são exibidos pela Figura 8a, 8b e 8c. a) b) c) y = 796ln(x) y = 22ln(x) Sigmóide y = ln(x) y = 471ln(x) Sigmóide y = ln(x) Sigmóide Def. relativa Def. relativa Def. relativa y = 289ln(x) Figura 8. Deformações ao longo do tempo (A-E60, B- E100 e C-E180cm). Outra análise realizada é a observação do comportamento dependente do tempo de campo dos reforços atuando em conjunto da estrutura e o comportamento dependente do tempo observado do material usado como reforço em laboratório. Via análise comparativa observa-se que a tendência (coeficiente de inclinação da reta) vista pela deformação relativa no campo muitas vezes apresentou valores muito próximos da tendência de deformação vista pelos ensaios de fluência convencional com o material do reforço em laboratório. Os ensaios de fluência convencionais de laboratório foram conduzidos por 00 horas e o monitoramento de campo obteve dados de mais de horas pós construção, sendo o comportamento das deformações pós construtivas atribuída ao fenômeno da fluência.

7 4 CONCLUSÕES O presente trabalho apresentou uma investigação das deformações dependente do tempo de uma estrutura real de solo reforçado com geogrelha e pode-se comparar com as deformações da geogrelha em ensaio convencional. Foi constada uma congruência dos valores observados de deformações por fluência entre os resultados de campo e o ensaio convencional de laboratório, o que contraria conservadorismo de ensaios convencionais sugeridos por Becker et al. (2015), Costa et al. (2016) e França e Bueno (2013). Entretanto, atribui-se ao comportamento reológico do solo coesivo do aterro, comportamento esse onde não há grande restrição de deformações, assim sugere-se que o confinamento da geogrelha na situação de fluência, concordando com o observado em Helmany et al. (1999) e Liu et al. (2009), onde o reforço foi induzido à deformação por conta da alta taxa de deformação do solo usado no reaterro. No entanto, sugere-se que esse comportamento deva ser mais bem investigado. Os entendimentos da metodologia dos ajustes sigmoidais propostos em Zornberg e Arriaga (2003), que distribuem a magnitude de deformações que o reforço enfrenta ao longo de seu comprimento, devem ter suas condições de uso refinadas para sua maior acurácia com o observado pelo monitoramento de campo. Adicionalmente, pode se considerar o método da deformação relativa um valor deformação com grau maior de integridade, pela proximidade dos coeficientes angulares das retas de comparações do comportamento de fluência, e além da congruência dos resultados observados esse método advém do direto cálculo de variação de comprimento dos pontos englobados na captação dos dados pela instrumentação proposta. Com base nestes dados pode-se considerar como adequados os ensaios convencionais de fluência em laboratório para estimar o comportamento de fluência do reforço no campo. REFERÊNCIAS FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION (1990). Reinforced Soil Structures Volume I. Design and Construction Guidelines. FHWA-RD , McLean, VA, USA. NATIONAL CONCRETE MEASONRY ASSOCIATION (1998). Segmental retaining wallseismic design manual, 1 ed., Barthurst, Herndon, Virginia, EUA. Allen, T.M. e Bathurst, R.J. (2002). Observed Long-Term Performance of Geosynthetic Walls and Implications for Design, Geosynthetics International, Vol. 9, Nos. 5-6, pp Becker, L.D.B. e Nunes, A.L.L.S. (2015) Influence of soil confinement on the creep behavior of geotextiles, Geotextiles and Geomembranes, 43 (4), Benjamim, C.V.S. (2006). Avaliação experimental de protótipos de estruturas de contenção em solo reforçado com geotêxtil Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. Ehrlich, M; Mitchell, J.K. Working stress design method for reinforced soil walls. Journal of Geotechnical Engineering, v. 120, n.4, p , Dantas, B. T., Ehrlich, M. Método de Análise de Taludes Reforçados sob Condições de Trabalho. Rio de Janeiro: Dissertação de Riccio, M.; Ehrlich M.; Dias, D. (2014). Field monitoring and analyses of the response of a block-faced geogrid wall using fine-grained tropical soils. In: Geotextiles and Geomembranes 42, Portelinha, F.H.M.; Zornberg, J.G.; Pimentel, V. (2014). Field performance of retaining walls reinforced with woven and nonwoven geotextiles. Geosynthetics International, Mirmoradi, S.H. e Ehrlich, M. (2013). Numerical evaluation of the behavior of reinforced soil retaining walls. Proc., 18th Int. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. London: International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE). Zheng, Y.; Fox, P.J.; McCartney, J.S. (2017) Numerical Study of the Compaction Effect on the Static Behavior of a Geosynthetic Reinforced Soil- Integrated Bridge System, Geotechnical Frontiers. p Ehrlich, M.; S.H. Mirmoradi; Saramago, R.P. (2012). Evaluation of the effect of compaction on the behavior of geosynthetic-reinforced soil walls, Geotextiles and Geomembranes, McGown, A.; Andrawes, K.Z.; Kabir, M.H. (1982). Load-extension testing of geotextiles confined in soil. In: International Conference on Geotextiles, 2nd Proceedings. Las Vegas, v. 3, p Costa, C.M.L.; Zornberg, J.G.; Bueno, B.S.; Costa, Y.D.J. (2016). Centrifuge evaluation of timedependent behaviour of geotextile-reinforced soil walls. Geotextiles and Geomembranes 44 (2), França, F.A.N.; Avesani, B.M.; Bueno, B.S.; Zornberg, J.G. (2013). Tensile and creep behaviour of geosynthetics using confined-accelerated tests. In:

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