ESTUDO NUMÉRICO DE DIFERENTES SOLUÇÕES DE MELHORIA PARA O SOLO DE FUNDAÇÃO DE MURO DE TERRA ARMADA

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1 ESTUDO NUMÉRICO DE DIFERENTES SOLUÇÕES DE MELHORIA PARA O SOLO DE FUNDAÇÃO DE MURO DE TERRA ARMADA Mello, L. G. R. Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil, luizmello_76@ig.com.br Camapum de Carvalho, J. Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil, camapum@unb.br Palmeira, E. M. Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil, palmeira@unb.br Farias, M. M. Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil, muniz@unb.br Resumo: A técnica em aterro reforçado para encabeçamento de viadutos em centros urbanos têm sido largamente utilizada. Na reformulação da interseção da Rodovia DF-003 com o Eixo Monumental, na cidade de Brasília, foi previsto a construção de um aterro de até 10,0 m de altura, reforçado pela técnica de Terra Armada. O solo de fundação apresentou características colapsíveis, sendo então feito um estudo, através de simulações numéricas, de alternativas de melhoramento do solo de fundação do aterro. Dentre as soluções mais usualmente empregadas, a troca de parte do solo de fundação e a utilização de estacas rígidas foram as que melhor apresentaram melhores resultados. Dependendo da altura do aterro, a troca de solo se mostrou viável, reduzindo os deslocamentos a valores aceitáveis para a estrutura. A utilização de estacas rígidas apresentou melhores resultados com relação aos deslocamentos observados. Foi estudada ainda uma alternativa para proteção de galerias de drenagem pluvial existentes no local da construção do aterro. Abstract: Reinforcement earth fills have been widely used in the transitions to viaducts in urban centers. For the intersection between the interstate road DF-003 and the Eixo Monumental avenue in Brasília, Brazil, designers decided to build a 10.0m high fill with reinforced earth walls. The foundation soil is a porous clay, which is highly collapsible, thus demanding some previous treatment. Numerical analyses were carried for different treatment alternatives. Partial substitution of the foundation soil, and foundation piles were the solutions with best performance. Depending on the height of the earth fill, partial substitution of the foundation soil may be a viable alternative to bring settlement to acceptable levels. The use of rigid piles was the best solution to reduce settlements. Alternatives for protecting pluvial water galleries were also investigated. 1 INRODUÇÃO A interseção entre a Rodovia DF-003 com o Eixo Monumental na cidade de Brasília se caracteriza pelo alto volume de tráfego diário, o que levou o Departamento de Estradas de Rodagem do Distrito Federal (DER-DF) à elaboração de um projeto de melhoramento da interseção dessas duas vias. O projeto final licitado contemplou a execução de um viaduto em concreto armado sobre a Rodovia BR- 003, sendo o aterro de encabeçamento do viaduto em ambos os lados em solo reforçado do tipo Terra Armada. Essa é a primeira obra a ser realizada com este tipo de solução na cidade de Brasília. Devido ao solo de fundação do local de construção do aterro possuir características colapsíveis, foram consideradas algumas soluções de melhoramento de solo. Estruturas subterrâneas de drenagem pluvial foram observadas no local da obra, sendo necessário um estudo para a proteção contra os possíveis danos causados pelo o acréscimo de carga do aterro. 1

2 2 DESCRIÇÃO DA OBRA O aterro a ser construído tem altura de 9,50 m no encabeçamento do viaduto e plataforma de terraplenagem de 21,0 m. O projeto básico previu a utilização de Terra Armada com comprimento de 30,0 m de um lado do viaduto e de 160,0 m no lado oposto, sendo que no ponto final o aterro possui altura de 4,0m. O grande comprimento de solo reforçado se dá pela existência de uma via auxiliar que impede a execução do aterro de maneira convencional. No local da construção do aterro foi verificada a existência de galerias subterrâneas de drenagem pluvial em funcionamento, em profundidades médias de 4,50 a 5,0 m. As estruturas em concreto armado possuem seções de 2,0 x 2,0 m e 1,65 x 1,65 m, localizadas nas Estacas 1+480,0 e 1+410,0, com alturas de aterro de 9,50 e 6,50 m, respectivamente. Foram executados 14 furos de sondagens à percussão para determinação do perfil de resistência à penetração do solo, bem como para determinar a existência de água. Os resultados dos furos foram bem uniformes como pode ser observado em alguns ilustrados na Figura 1. O lençol freático não foi observado até os limites das sondagens. As sondagens realizadas para elaboração do projeto de fundação do viaduto mostraram o nível do lençol a 24,50 m de profundidade. A caracterização expedita do solo baseada no SPT mostrou uma camada de argila com consistência variando de muito mole à média e espessura de aproximadamente 12,0 m. Profundidade (m) SPT (N) Figura 1: Resultados do ensaio SPT. Com base nos resultados das sondagens à percussão e a pedido do DER-DF, foram realizados ensaios no Laboratório de Geotecnia da Universidade de Brasília para determinação da compressibilidade do solo. Dois poços foram executados nas Estacas 1+500,0 e 1+440,0 para retiradas de amostras indeformadas, nas profundidades 2,0, 4,0 e 6,0 m, num total de seis blocos. Com base na experiência nos solos locais, foram realizados ensaios do tipo duplo-oedométrico para determinação da colapsibilidade do solo de fundação. Os resultados mostram que o solo de fundação do aterro apresenta características colapsíveis, com coeficientes de colapso estrutural (Vargas, 1978) chegando a 9,0%. Pela experiência local, o solo possui características que se encaixam na definição de uma argila porosa colapsível, muito comum na região do Distrito Federal. 3 ALTERNATIVAS ESTUDADAS A construção de aterros reforçados pela técnica de Terra Armada, normatizada pela NBR 9286, implica na execução de aterros com taludes na vertical. Uma peculiaridade desse tipo de solução é a execução do acabamento da face vertical do muro à medida que as camadas de aterro são construídas. Devido á característica colapsível do solo de fundação, recalques imediatos e futuros poderiam acarretar danos na face do muro durante e após a construção do aterro. Dependendo da magnitude dos deslocamentos, os danos poderiam comprometer a estabilidade da estrutura. A sobrecarga do aterro poderia também ocasionar danos estruturais nas galerias de drenagem e, estando elas em pleno funcionamento, as trincas que possivelmente apareceriam poderiam facilitar a infiltração de água no solo, provocando um aumento da saturação. Esse aumento da saturação induziria a uma redução na sucção no solo, podendo levar ao colapso estrutural. Dessa forma, algumas alternativas foram analisadas para o melhoramento do solo de fundação do aterro, tais como: pré-carregamento, troca da camada de solo e utilização de estacas rígidas (Camapum de Carvalho et al. 2004). Para auxiliar o estudo das alternativas foi utilizado o programa PLAXIS (Brinkgreve & Vermeer, 1998), do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. O programa é uma ferramenta numérica que utilizada o método dos elementos finitos para análises de tensões e deformações, seja no estado plano de deformações ou por análises axissimétricas. No caso das simulações realizadas foi considerado o estado plano de deformações. As análises das alternativas foram consideradas observando as deformações e deslocamentos no aterro reforçado bem como as tensões geradas no solo de fundação e nas estruturas de drenagem pluvial. As simulações numéricas foram realizadas 2

3 Tabela 1 Parâmetros utilizados nas simulações. E M φ c ν Material (( (MPa) (MPa) )) (kpa) - Aterro Reforçado 50,0 74, ,33 Argila 0 a 3,0m 1,30 1, ,28 Argila 3,0 a 6,0 m 2,00 2, ,31 Argila 6,0 a 14,0 m 3,50 à 19,50 4,85 à 27, ,31 Silte arenoso 14,0 a 30,0 m 35,0 51, ,33 Rocha Alterada 30,0 a 50,0 m 300,0 333, ,20 A alternativa em troca de solo consiste em retirar a considerando a construção do aterro em etapas. O camada de baixa capacidade de suporte, aterro reforçado propriamente dito, construído pela técnica de Terra Armada, foi considerado estável, já que as análises estavam focadas no solo de fundação. Entretanto, pôde-se observar as tensões e deslocamentos gerados no corpo do aterro para as substituindo-a por outro material com melhores características mecânicas. Tipicamente, a retirada de uma camada de solo é viável até profundidades da ordem de 4,0 m. Pelo perfil de sondagem à percussão do local da obra, a camada de solo com diferentes análises realizadas. baixa capacidade de suporte se estende a Os módulos de elasticidade e parâmetros de resistência foram determinados por meio dos resultados de ensaios laboratoriais. Os materiais profundidades de até 12,0 m. As análises realizadas com o auxílio da ferramenta numérica levaram em conta a espessura foram considerados elásticos-perfeitamente da camada de solo substituído, considerando as plásticos, com critério de ruptura de Mohr- Coulomb. A Tabela 1 apresenta os valores utilizados nas análises numéricas. Análises do maciço reforçado na configuração original, ou seja, sem nenhum tipo de reforço de fundação apresentaram resultados de deslocamentos verticais do aterro de 0,80 m. tensões e deslocamentos gerados no solo de fundação e no aterro, respectivamente. A Figura 2 apresenta os resultados dos deslocamentos máximos verso altura do aterro, obtidos para a alternativa em troca de solo. Foi utilizado um material com os mesmos parâmetros do aterro para simular o material de substituição. Profundidades de troca de solo maiores do que 3.1 Pré-Carregamento 4,0 m ficaram inviáveis pela instabilidade observada nos taludes da escavação, traduzidas por zonas de tração e pontos de plastificação. O fator de segurança calculado para essa profundidade apresentou valor próximo à unidade. Para minimizar os efeitos da instabilidade, seriam necessários taludes mais abatidos durante a escavação, demandando uma maior necessidade de espaços. Nos locais onde se encontram as galerias de drenagem pluvial, a profundidade de escavação para substituição do solo seria limitada à profundidade onde se encontram as galerias. A execução de pré-carregamentos (aterros) em solos moles saturados para acelerar os recalques é uma solução muito utilizada até os dias de hoje. Grande parte dos recalques gerados pela execução do carregamento podem ser mobilizados antes do término da obra, minimizando a possibilidade de novos deslocamentos futuros. No caso do tipo de solo observado no local da construção do aterro reforçado, de característica porosa, colapsível e não saturada, o acréscimo de tensão gerada pelo pré-carregamento levaria o solo a experimentar um colapso estrutural. Entretanto, pelas características da obra em questão, seria inexeqüível a execução de um aterro com intuito de acelerar o recalque já que, para isso, haveria de existir espaço suficiente para os taludes do aterro. Para a construção do muro reforçado pela técnica da Terra Armada seria necessária, também, a retirada do pré-carregamento para então iniciar a construção do aterro, um trabalho que seria inviável economicamente. Por esses motivos, a alternativa em pré-carregamento para melhoramento do solo de fundação foi descartada como alternativa de projeto. 3.2 Troca de solo Deslocamentos (m) 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Figura 2: Deslocamentos observados no aterro para várias profundidades de troca de solo. 3.3 Estaqueamento Troca_2m Troca_3m Troca_4m Altura Aterro (m) 3

4 Aterros estaqueados são soluções comuns quando há pouca demanda de tempo para execução da obra ou quando o movimento de terra, necessário em outras soluções, inviabiliza economicamente o empreendimento. Apesar de ser considerada uma solução relativamente onerosa, muitos trabalhos podem ser encontrados na literatura científica, sendo alguns, inclusive, de obras reais (Sá, 2000; Han & Gabr, 2002; Bouassida & Hadhri, 1995). A solução utilizando aterros estaqueados avaliou o espaçamento entre as estacas com os resultados obtidos em termos de deslocamentos, deformações e tensões geradas. O estaqueamento da fundação do aterro permite a construção de aterros com deslocamentos mínimos e num curto espaço de tempo. Um exemplo da utilização de aterros estaqueados para que a obra fosse finalizada dentro dos prazos estabelecidos é a ferrovia Ferro Norte- MS. Nesta etapa, a ferrovia atravessou uma região de solo muito mole, onde aproximadamente estacas do tipo Alluvial Anker (Este Engenharia, 2004) foram executadas sob o aterro, com comprimentos variando de 8,0 a 14,0 m, sem que deslocamentos fossem observados. Na literatura científica existem alguns métodos analíticos de dimensionamento de aterros estaqueados, com ou sem a utilização de reforços de geossintéticos, e uma única norma relacionada a esse assunto (Hewlett & Randolph, 1988; John, 1987; British Standard BS8006, 1995). Basicamente, os métodos consideram que toda a carga aplicada sobre o solo de fundação seja suportada pelas estacas e transmitida para uma camada competente. Os reforços previstos nos métodos são instalados sobre os capitéis com o intuito de maximizar o espaçamento e melhorar a transferência de carga para as estacas. Para determinar o espaçamento entre estacas, foi necessário determinar qual a capacidade de carga de uma estaca isolada a ser utilizada no dimensionamento. A carga resistida pela estaca foi o ponto chave da determinação do espaçamento, pela baixa capacidade de suporte do solo de fundação. Utilizando a metodologia apresentada na norma inglesa BS 8006 (1995) e considerando a capacidade de carga de uma estaca isolada de 540,0 kn (diâmetro de 0,40 m e 12,0 m de profundidade), o espaçamento resultante foi de 1,50 m. A norma ainda permite o cálculo da carga aplicada em um reforço instalado sobre os capitéis, sendo nesse caso obtido o valor de 14,0 kn/m. A situação real de uma linha de estacas leva a uma distribuição tridimensional de estados de tensões (Farias & Assis, 1996). As estacas e capitéis foram simulados através dos elementos de viga disponíveis no programa. Por ser uma análise em deformação plana, os elementos são simulados como se fossem paredes, com comprimento perpendicular à seção estudada. Dessa forma, foi preciso determinar uma rigidez equivalente para as estacas e capitéis em função da rigidez à flexão (EI), rigidez normal (EA) e do espaçamento entre estacas. Os capitéis foram simulados sem engastamento com o elemento da estaca, minimizando assim os esforços de flexão. As tensões calculadas nas camadas superficiais do solo de fundação, com a utilização das estacas, foram reduzidas para valores próximos àqueles na condição geoestática (K 0 ), como pode ser observado na Figura 3. A solução utilizando estaqueamento mostrou um melhor desempenho na redução dos deslocamentos no aterro reforçado (Tabela 2). Profundidade (m) 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Tensões (kpa) Tensão Vertical Inicial Tensão Vertical Final Tensão Vertical com Estaqueamento Figura 3: Distribuição das tensões verticais ao longo de uma seção vertical no solo de fundação. Tabela 2 Resultados dos deslocamentos do aterro nas simulações numéricas. Altura do Aterro Espaçamento entre Estacas (m) (m) 1,5 2,0 2,5 3,0 6,0 0,065 0,073 0,079 0,089 8,0 0,086 0,083 0,107 0,121 10,0 0,116 0,128 0,144 0,164 Um comportamento típico em aterros estaqueados, descrito inicialmente por Terzaghi (1943), e também visível nas simulações numéricas, foi o efeito de arqueamento das tensões no solo. O arqueamento se dá pela concentração de tensões no elemento de maior rigidez, no caso a estaca. A Figura 4 apresenta a distribuição das tensões principais entre duas estacas com capitéis, com e sem a utilização de uma camada rígida acima dos capitéis. Essa camada tem a finalidade de maximizar o efeito de arqueamento das tensões. Com o aumento do espaçamento entre as estacas (a partir de 2,5 m), a camada rígida simulada como um 4

5 material de rigidez elevada embora com baixo valor de coesão, apresentou uma grande quantidade de pontos de plastificação, principalmente pelas tensões cisalhantes desenvolvidas. Para absorver essas solicitações, foi simulado uma camada de geossintético com rigidez à tração de J = 1500,0 kn/m, para espaçamento de 2,50 m, e J = 3700,0 kn/m para espaçamento de 3,0 m. A utilização de reforço geossintético sobre estacas com capitéis é bastante comum e tem o objetivo de melhorar a transferência de carga para as estacas quando maiores espaçamentos são utilizados. Os valores das cargas nas estacas cresceram com o aumento do espaçamento. Dessa forma, seria necessário determinar qual diâmetro e comprimento as estacas deveriam ter para suportar tais cargas. (a) O reforço consiste na instalação de estacas ao longo do corpo da galeria com o objetivo de absorver a carga aplicada pelo aterro. Coube às análises numéricas realizadas verificar a quantidade de linhas de estacas e o espaçamento necessário para absorver a carga do aterro, sem comprometer estruturalmente as galerias. A Figura 5 mostra a configuração adotada para a proteção da galeria, com duas linhas de estacas espaçadas de 1,5 m e com uma distância de 0,80 m da parede da galeria. Foi incluída nas simulações a mesma camada rígida utilizada nas análises do estaqueamento da fundação do aterro, com o objetivo de melhorar a transferência de carga para as estacas. O efeito de arqueamento das tensões foi também observado entre as estacas, como pode ser observado na Figura 6. A eficiência das estacas pode ser visualizada na redução dos esforços na laje superior da galeria onde, antes da construção do aterro, o momento fletor máximo existente era de 20,11 kn.m. Com a sobrecarga do aterro e sem o reforço com as estacas, a laje experimentaria momento fletor máximo de 76,34 kn.m. A instalação das estacas reduz o valor do momento fletor para 29,17 kn.m, uma redução de 62,0%. Os deslocamentos máximos da galeria sem a utilização das estacas seriam de aproximadamente 30,0 cm. Tal magnitude poderia vir a danificar a estrutura, comprometendo o funcionamento da mesma podendo, ainda, causar um aumento de saturação indesejado no solo de fundação (b) Figura 4: Tensões principais: (a) sem a utilização e (b) com a utilização de uma camada rígida sobre os capitéis REFORÇO NAS GALERIAS DE DRENAGEM Na região de interseção das estruturas de drenagem com o aterro a ser construído foi previsto um reforço do solo com o intuito de minimizar as tensões atuantes, reduzindo, dessa forma, o risco de danos e infiltrações. A construtora responsável pela obra e o DER-DF concluíram que as proteções das galerias de drenagem seriam indispensáveis, independentemente da solução adotada para o reforço de fundação do aterro Figura 5: Configuração adotada para proteção da galeria de seção 2,0 x 2,0 m, e aterro de 9,50 m de altura CONCLUSÕES

6 O estudo numérico de algumas soluções para melhoramento do solo de fundação de um aterro em solo reforçado pela técnica da Terra Armada apresentou alguns aspectos importantes: Figura 6: Efeito do arqueamento das tensões nas estacas de proteção das galerias de drenagem. Para algumas alturas de aterro, a troca de solo se mostra viável, sendo necessário no entanto avaliar em campo o módulo da camada de fundo para, através de simulações numéricas, determinar as deformações que vierem a ocorrer; Caso a solução em troca de solo seja executada, será necessário reavaliar o projeto de proteção das estruturas de drenagem, embora se espere que esse venha a ser menos robusto, já que a camada de solo que será reconstruída tenderá a absorver parte das solicitações do aterro; Para a maior altura do aterro, a solução em estaqueamento se mostrou a mais favorável em termos de deslocamentos. Os resultados mostraram que, dependendo do espaçamento entre estacas, os deslocamentos são mínimos e facilmente absorvidos pela estrutura do aterro. As simulações também mostraram o mecanismo de transferência de tensões provindas do aterro para a região onde as estacas estavam assentadas; A camada de material projetada acima dos capitéis melhorou a transferência de carga entre as estacas, ou seja, dependendo do valor de sua rigidez, aumentou ou diminui o efeito do arqueamento do solo; O aumento do espaçamento entre estacas levou a um acréscimo dos valores de carga axial nas mesmas. Para espaçamentos maiores que 2,50 m, foi necessário a inclusão de um elemento de geossintético, com rigidez tal que absorvesse as tensões existentes na camada acima dos capitéis. Vale lembrar que grandes espaçamentos podem levar a uma perda da eficiência entre os capitéis; A proteção das estruturas de drenagem pluvial se mostrou eficiente, uma vez que reduziu de maneira significativa os esforços e deslocamentos observados nas simulações. Os autores agradecem ao DER-DF e à empresa TORC Ltda pela disponibilidade dos dados referentes à obra. 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bouassida, M. & Hadhri, T. (1995). Extreme Load of Soils Reinforced by columns: The Case of an Isolated Columns. Soils and Foundation, Vol.1, Japonese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Rotterdam, p. Brinkgreve, R.B.J. & Vermeer, P.A. (1998). Finite element code for soil and rock analyses. plaxis Manual. Balkema, Rotterdam, Netherlands. BS 8006 (1995). Code of pratice for strengthened/reinforced soils and other fills. British Standard Institution, London, UK, 162 p. Camapum de Carvalho, J., Farias, M.M., Palmeira, E.M., Mello, L.G.R. (2004). Apresentação da análise de alternativas e definição do projeto de fundações do aterro de acesso ao viaduto situado na interseção do eixo monumental com a DF-003 Relatório Preliminar. Publicação G.RE.C. 20B/04, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília/DF, 26 p. Este Engenharia (2004). Este Engenharia Alluvial Anker. Folder Comercial, 14 p. Farias, M.M. & Assis, A.P. (1996). Trincas de tração em aterro sobre argila mole e colapsível. 8 Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia, Rio de Janeiro/RJ p. Han, J. & Gabr, M.A. (2002). Numerical analysis of geosynthetic-reinforced and pile-supported earth plataforms over soft soil. Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering, Vol. 28, N 1, p. Hewlett & Randolph (1988). Analysis of Piled Embankments. Ground Engineering, Vol. 21, n 3, 12-18p. John, N. W.M. (1987). Geotextiles. Blackie & Sons Ltda. London, UK, 347 p. Sá, C.T. (2000). Análise numérica de aterros estaqueados reforçados com geossintéticos. Dissertação de Mestrado, Publicação G.DM- 070A/2000, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília/DF, 134 p. Terzaghi, K. (1943). Theorical Soil Mechanics. New York. John Wiley and Sons, p. Vargas, M. (1978). Introdução à Mecânica dos Solos. McGraw-Hill do Brasil Ed. Da Universidade, São Paulo/SP, 107 p. 6 AGRADECIMENTOS 6