Avaliação de Barreira de Avanço de Umidade em Muros de Solos Reforçados com Geotêxteis Não Tecidos

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1 Avaliação de Barreira de Avanço de Umidade em Muros de Solos Reforçados com Geotêxteis Não Tecidos Fernando H. M. Portelinha EESC - USP, São Carlos, Brasil, fernando@sc.usp.br Benedito de Souza Bueno EESC - USP, São Carlos, Brasil, bsbueno@sc.usp.br RESUMO: A manutenção da não saturação do solo em muros de solo reforçado com geotêxteis favorece o comportamento a longo prazo de estruturas de faces íngremes, com valores de deslocamentos e deformações muito pequenos. Com isso, o artigo sugere a utilização de barreira de infiltração de água da chuva de modo a manter a não saturação do maciço a longo prazo, aumentando assim a vida útil das obras de contenção em estruturas de solo reforçado. Resultados de um protótipo de solo reforçado com geotêxtil não tecido são apresentados de modo a validar a aplicação da barreira, bem como mostrar o comportamento desse tipo de estrutura na condição de não saturação do solo do aterro. PALAVRAS-CHAVE: Barreira de umidade, Geotêxteis, Solo não saturado, Solo reforçado. 1 INTRODUÇÃO Dentre as estruturas de contenção e reconstituição de taludes existentes no mercado, a técnica de reforço de solo com geossintéticos tornou-se prática comum devido à versatilidade, o fácil emprego e principalmente baixo custo em comparação a soluções convencionais. Naturalmente, quando o solo de aterro apresenta-se disponíveis no local da obra, a técnica de solo reforçado passa a ser ainda mais viável. No entanto, normas internacionais tais como a norte americana AASHTO () e a europeia BS8 (1995) recomendam a utilização de solos granulares que permitam a livre drenagem da água pelo corpo do aterro, evitando assim, o desenvolvimento de pressões da água positivas. Por outro lado, a realidade brasileira é que grande parte das estruturas de solo reforçado são executadas com solo locais, geralmente solos lateríticos e/ou residuais com considerável quantidade de finos. Essa se tornou uma prática corriqueira devido à escassez de materiais granulares no território brasileiro. De fato, o transporte e manuseio de solos granulares comprometem a versatilidade e o orçamento desse tipo de solução. A grande desvantagem é que esses tipos de materiais de aterro são passíveis de geração de pressões neutras positivas no interior do maciço quando eventuais frentes de umedecimento passam a infiltrar no corpo da estrutura. Felizmente, estes solos costumam apresentar excelentes propriedades de resistência ao cisalhamento, principalmente na condição não saturada. Assim, a manutenção da condição não saturada desses materiais pode vir a contribuir significativamente no comportamento de muros de solo reforçado. Outro aspecto da prática atual de uso de geossintéticos em estruturas de contenção e reconstituição de taludes é a utilização de reforços rígidos e de elevada resistência à tração tais como as geogrelhas e os geotêxteis tecidos. Raramente tem sido utilizados geotêxteis não tecidos por apresentarem baixa rigidez em comparação aos outros tipos de reforços. Ao utilizar esse tipo de material, espera-se excessivas deformações para que a as tensões geradas no solo sejam mobilizadas pelo reforço. Assim, problemas de deformações da estrutura podem vir a prejudicar a aplicabilidade da mesma. No entanto, geotêxteis não tecidos sofrem melhorias nas propriedades de resistência e rigidez uma vez

2 que confinados pelo solo (Boyle et al. ). Ainda, a condição não saturada do solo de aterro favorece no comportamento de interação solo-reforço, uma vez que a sucção matricial do solo passa a absorver parte das tensões a serem transferidas aos reforços. Khoury et al. (1) mostrou que o efeito combinado da sucção matricial e confinamento melhora significativamente a compressibilidade de geotêxteis. Dentre outras vantagens da utilização de geotêxteis não tecidos em estruturas de solo reforçado apresenta-se a elevada permeabilidade. Com isso, a utilização de camadas de reforços com geotêxteis não tecidos podem vir a cumprir simultaneamente com a função de drenagem interna (Zornberg e Mitchell 199, Tan et al. 1). Muitos trabalhos relatam resultados de instrumentação de estruturas de solo locais finos reforçados com geotêxteis não tecidos (Carvalho et al., 198; Ehrlich et al., 199; Ribeiro et al., 199), sendo que estas estruturas apresentaram excelentes comportamentos mesmo após longos períodos de chuva. Ainda, piezômetros utilizados para monitorar a pressão da água no interior das estruturas apresentaram leituras estáveis e próximas de zero. Por outro lado, relatos da utilização de solo finos em estruturas de solo reforçado com reforços impermeáveis apresentaram deslocamentos associados ao desenvolvimento de pressões neutras positivas (Tatsuoka e Yamauchi, 198; Sego et al., 199), ou até mesmo a ruptura (Yoo e Jung, ). Diante disso as hipóteses sugeridas para explicar o excelente comportamento de estruturas reforçadas com geotêxteis não tecidos são: manutenção da não saturação a longo prazo e a grande influência da sucção matricial de alguns solos residuais e/ou lateríticos; e, efeito das propriedades hidráulicas de reforços permeáveis na dissipação das pressões da água no interior do maciço. Ainda, não se exclui a possibilidade da associação dessas hipóteses. O presente trabalho refere-se à parte de uma pesquisa ainda em andamento que visa avaliar o comportamento desse tipo de estrutura nos diferentes aspectos anteriormente citados. O artigo sugere a utilização de barreira de avanço da chuva de modo a manter a não saturação do maciço a longo prazo, aumentando a vida útil das obras de contenção de estruturas de solo reforçado. Resultados de um protótipo de solo reforçado com geotêxtil não tecido são apresentados de modo a validar a aplicação da barreira, bem como apresentar o comportamento desse tipo de estrutura nas condições impostas pela barreira. PROGRAMA EXPERIMENTAL O programa experimental visa testar uma barreira de avanço de infiltração da água em um protótipo de um muro de solo reforçado com geotêxtil não tecido executado em laboratório. O protótipo foi devidamente instrumentado com tensiômetros, medidores de deformações nos reforços, e medidores de deslocamentos horizontais de face..1 Materiais utilizados O solo utilizado na execução do protótipo consiste em uma areia argilosa de condutividade hidráulica de 5x1 - cm/s (NBR 139). A Tabela 1 resume as propriedades características do solo. Análise granulométrica indicou que o solo é composto praticamente de % de finos (Silte e argila). A condutividade hidráulica relativamente baixa e a quantidade de finos fazem deste material não recomendável para aplicações em estruturas de solo reforçado, de acordo com a norma internacional AASHTO (). Ensaios triaxiais resultaram em valores de coesão de 35 kpa e coeficiente de atrito de 1º na condição CU, enquanto na condição CD os valores de coesão e atrito de e 3º, respectivamente. O material de reforço utilizado na pesquisa consiste é um geotêxtil não tecido agulhado de filamentos curtos de poliéster de gramatura 93 g/m 3 (NBR 158), espessura de,9 mm (NBR 159), e resistência e deformação de ensaios de tração faixa-larga (ASTM D595) no sentido longitudinal de 1 kn/m e 83%, respectivamente.

3 Tabela 1. Propriedades do solo Propriedades Normas Valores Argila 3% Silte NBR7181 % Areia % γ s (kn/m 3 ) NBR 58 7,51 LL (%) NBR LP (%) NBR IP (%) 18 γ dmáx (kn/m 3 ) 17,85 NBR 718 w ótim (%) 1 A barreira de umidade aqui sugerida consiste em um geocomposto drenante sanduíche de geotêxtil não tecido, núcleo de geomanta, e membrana impermeável, instalada no topo da estrutura de modo a cobrir toda a área do muro. O material apresenta permissividade baixíssima, impossível de medir em ensaios de permissividade convencional, podendo ser medido através de ensaios de permeação a vapor de água (ASTM E9M/5). Resultados de ensaios de transmissividade (ASTM D 71) é mostrado na Figura. Figura 1. Fotografia do material sugerido como barreira de avanço de umidade. Transmissividade x 1-3 (m /s) i=1 i=, Tensão normal (kpa) Figura. Transmissividade versus confinamento do geocomposto drenante.. Execução do protótipo O protótipo foi construído em laboratório e consiste em um muro íngreme de solo reforçado (inclinação da face de 9º). Para tal utilizou-se de uma caixa de ensaios existente no laboratório de geossintéticos da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. A caixa de ensaio permite que sejam construídos protótipos de dimensões 15x1x1 cm (Altura x largura x comprimento) com paredes laterais de aço reforçado de modo a garantir o estado plano de deformação. A estrutura foi construída em solo compactado manualmente na umidade ótima de compactação (Proctor normal), buscando o grau de compactação de 98%. De modo a alcançar o grau de compactação almejado, utilizou-se de camadas de compactação de 5 cm, sendo que no final de cada camada compactada de 3 cm era realizado o controle de compactação utilizando a técnica do cilindro de cravação (NBR 9813). Reforços foram espaçados verticalmente a cada 3 cm com declividade de 1% em direção à face de modo a auxiliar na drenagem de eventual infiltração de água no interior do maciço. A estrutura de solo reforçado foi construída utilizando a técnica de solo envelopado e proteção de face em solo projetado com espessura de 5 a 8 cm. A barreira de avanço de umidade consiste em um geocomposto drenante instalado no topo do muro com inclinação de % em direção à face. Na Figura apresenta-se uma fotografia do protótipo, enquanto que a seção transversal do muro é mostrada na Figura 3..3 Sistema de avanço de infiltração da água Para a realização dos ensaios simulou-se a avanço de águas da chuva de modo a avaliar a real eficácia das barreiras de umidade. Sistema de umedecimento consiste em quatro mangueiras instaladas no topo de uma camada de areia nivelada cuja função é distribuir uniformemente as águas provenientes de cada mangueira. O sistema é abastecido por um reservatório com capacidade de 1 litros onde se instalou um controlador de vazão de modo a garantir a vazão constante ao longo de todo

4 evento de chuva simulado. Medidas de vazão de água eram determinadas através de um coletor instalado na saída do geocomposto drenante. A configuração do sistema de umedecimento é ilustrada na Figura. Figura 3. Protótipo de muro de solo reforçado. Geocomposto drenante i=% Camada de areia Drenos de face Tampa de reação Camada de base (Ficha) Reforço 5 Reforço Reforço 3 Reforço Reforço 1 Figura. Seção transversal do protótipo estudado. Reservatório. Instrumentação O protótipo foi instrumentado de modo a obter informações quanto ao efeito da infiltração de água na sucção matricial do solo do aterro e o comportamento da estrutura nas condições impostas pela utilização da barreira de avanço de umidade. A instrumentação contemplou medidas de deslocamentos horizontais, face e deformações internas bem como a pressão da água em cada camada reforçada. Para medidas de deslocamentos horizontais foram obtidas por meio de tell-tales. Esse dispositivo consiste na fixação de fios inextensíveis inoxidáveis em pontos no reforço onde são requeridos os deslocamentos. A outra extremidade deve ser fixada a um peso de massa suficiente a tracionar os fios inextensíveis sem rompê-lo (5 g). Além dessa função, o peso é utilizado para a medição dos deslocamentos em relação a uma referência indeslocável. A fixação de tell tails em dois pontos relativamente próximos um ao outro permite a determinação da deformação no reforço a partir de medidas de deslocamento relativo entre um ponto e outro. O cálculo das deformações foram realizadas para os pontos a 15, 5, 75 e 15 cm em relação à face, de modo a abranger todo o comprimento dos reforços. Deslocamentos de face foram monitorados por meio de LVDTs localizados em 5 pontos da face. A Figura apresenta o posicionamento da instrumentação da estrutura ensaiada. A pressão intersticial da água no solo de aterro foi monitorada por tensiômetros elétrico, com faixa de leitura de -1 a 1 kpa, que foram instalados a 5 cm acima de cada reforço. Mangueiras Tell tails Camada 5 Camada Camada 3 LVDTs Tensiômetros Camada Camada 1 Camada de base (Ficha) Figura 5. Configuração do sistema de avanço da água. Figura. Localização da instrumentação.

5 .5 Execução do ensaio O ensaio consistiu no monitoramento da instrumentação instalada no protótipo durante 11 dias. A estrutura foi submetida a um carregamento de 1 kpa durante 1 dias. Após isso, uma sobrecarga de 15 kpa foi aplicada de modo a verificar as alterações no comportamento do protótipo. Chuvas aleatórias de diferentes intensidades e tempos de duração foram simuladas simultaneamente aos carregamentos (Figura ). Leituras da instrumentação foram realizadas diariamente durante 11 dias, incluindo leituras durante o processo de construção. Intensidade (mm/h) hs Chuva hs Chuva 53 hs Chuva hs Chuva 3 hs Chuva 5 3 hs Chuva Figura. Eventos de chuvas impostos durante o período de ensaio. 3 RESULTADOS 3.1 Avaliação da barreira de avanço de infiltração da água As leituras dos tensiômetros intalados nas camdas reforçadas são apresentadas na Figura 7. Foram instalados 5 tensiômetros nas proximidades de cada reforço. Pode-se notar a eficácia da barreira de avanço de umidade, uma vez que os valores de pressão da água apreseram-se negativos em todas as camadas analisadas. Ainda, pode-se notar que os valores de pressão da água intersticial diminuiram com o tempo, ou seja, aumentaram-se os valores de sucção, mesmo após os eventos de chuva aplicados. Um aspecto peculiar foram as medidas de pressão da água registradas na camada de reforço 5. Nota-se que os valores foram próximos a zero durante todo o ensaio. Tal comportamento foi resultado do processo construtivo, onde, os valores de umidade de compactação foram maiores que a prevista. De acordo com a Figura 7, pode-se concluir que a barreira de umidade apresenta-se como uma potencial solução de elemento de drenagem em projetos de estruturas de solo reforçado. Koerner and Soong (1) recomendam a utilização de elementos impermeáveis no topo de estruturas de solo reforçado que utilizam de solos finos como materiais de aterro. Dentre os materiais recomendáveis estão as geomembranas e geocélulas. No entanto, o material sugerido nesse trabalho apresenta maiores vantagens por serem de menor custo e por conduzir a água para fora da estrutura, podendo ser associado com elementos de drenagens convencionais tais como de drenos de face, ou canaletas externas. Pressão da água intersticial (kpa) Sobrecarga de 1 kpa Sobrecarga de 15 kpa Figura 7. Leituras dos tensiômetros. Na Figura 8 são apresentados os deslocamentos horizontais de face da estrutura por meio de medidas realizadas por LVDTs posicionadas no centro de cada camada reforçada. Curvas de deslocamentos com o tempo em cada camada de reforço são mostradas na Figura 8a, enquanto que a distribuição dos deslocamentos ao longo da altura do muro é ilustrada na Figura 8b. Pode-se observar na Figura 8a que os deslocamentos de face são muito pequenos, não chegando a 1 cm. Os maiores deslocamentos foram registrados dias após a aplicação da carga, o que pode estar associado ao processo

6 de adensamento do solo durante esse período. Provavelmente, os reforços passaram a ser mobilizados nesse período. Observa-se que nenhuma mudança nos níves de deslocamentos foi registrada quando o aumento de carga foi efetuado. Tal fato pode estar associado a mobilização das tensões pelo próprio solo em sua condição não saturada. Na Figura 8b mostra-se que os maiores deslocamentos ocorreram nas camadas inferiores, o que é bastante coerente com os relatos da literatura técnica. Deslocamento de face (mm) Altura do muro (cm) 15 13,5 1 1,5 9 7,5,5 3 1, Chuva 1 Chuva Sobrecarga de1 kpa Chuva 3 Chuva Chuva Chuva Vista frontal do Muro 7 dias 5 dias dias 8 dias 8 dias 111 dias 1,5 3,5 7,5 9 1,5 1 13,5 15 Deslocamento de face (mm) Figura 8. Deslocamentos horizontais de face: (a) com o tempo; (b) distribuição ao longo da altura do muro. Na Figura 9 são apresentadas as deformações nos reforços nas condições impostas pela barreira. Medidas de deformações foram realizadas os reforços das camadas, 3 e 5, à 15, 5, 75 e 15 cm em relação a face. a b Deformação no reforço (%) Deformação no reforço (%) Deformação no reforço (%) Deformação no reforço (%) Sobrecarga de 1 kpa Sobrecarga de 15 kpa (Valores em cm) Sobrecarga de 1 kpa Sobrecarga de 15 kpa Sobrecarga de 1 kpa Sobrecarga de 15 kpa (valores em cm) (valores em cm) Sobrecarga de1 kpa Sobrecarga de15 kpa (valores em cm) Figura 9. Deformações nos reforços das camadas (a) 5, (b), (c) 3, (d). a b c d

7 Pode-se observar que as deformações máximas nos reforços foram de %, sendo que grande parte destas ocorreram durante o processo de construção do protótipo. No entanto, se considerarmos as deformações nas condições de serviços, estas seram de aproximadamente zero. Portanto, está claro de como a sucção matricial do maciço contribui significativamente no processo de interação solo-reforço. Se a condição não saturada do solo for mantida em longo prazo, certamente teremos uma estrutura rígida e sem deslocamentos por longos períodos de trabalho. Outro aspecto que mostra a grande vantagem de se manter a condição não saturada do maciço foi observado quando o imcremento de carga de 15 kpa foi aplicado. Observou-se que nenhuma alteração nas deformações. Com a utilização do geotêxtil não tecido utilizado como reforço da estrutura avaliada, era de se esperar elevadas deformações da estrutura e deslocamentos até a mobilização do mesmo, ou até mesmo a ruptura. No entanto, fica evidente a influência do confinamento e da condição não saturada do solo nas propriedades de resistência e rigidez dos reforços. Cabe salientar que as analises de equilibrio limite realizado para a configuração avaliada nesse protótipo mostrou ruptura dos reforços mesmo quando coesão de kpa foi considerada. O fato é que as análises de estababilidade interna utlizadas atualmente consideram os parâmetros de reforço obtidos de ensaios de tração faixa larga, porém, ficou evidente quão conservador são os métodos quando não consideram a real condição de aplicação dos reforços. Ainda, se a condição não saturada do solo é garantida, há a possibilidade de contar com essa resistência adicional nos projetos de estruturas de solo reforçado. Cabe salientar que o presente artigo trata-se de uma pesquisa em andamento. Outros protótipos estão em fase de teste, dos quais irão avaliar outros tipos de drenos, além da influência do avanço de umidade no comportamento da estrutura. Pode-se dizer até agora, que deslocamentos de face da estrutura alcançou valores na ordem de 1 mm e deformações máxima no reforço de 5 % nas condições de serviço e avanço de umidade bastante evidente devido a redução drástica da sucção matricial. Comparando com os valores aqui relatados pode-se dizer que os deslocamentos de face tem sido 3 vezes maiores e deformações 1 vezes maiores, sendo que estes ainda podem aumentar com o tempo.. CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos nesse artigo, pode-se observar a eficiência da barreira de avanço de infiltração de água na manutenção da condição não saturada do solo, podendo potencialmente vir a ser uma alternativa viável de elemento de drenagem em projetos de estruturas de solo reforçado, quando integrados a outros componentes do sistema. Dentre os benefícios promovidos pela manutenção da condição não saturada do solo estão: rigidez da estrutura, onde deslocamentos e deformações mostraram-se praticamente nulos nas condições de serviço; alterações nas propriedades dos geotêxteis devidas o confinamento do solo; melhorias no comportamento de resistência de interface solo-reforço; grande parte das tensões mobilizadas pela elevada resistência do solo não saturado. REFERÊNCIAS American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) (). Standard Specifications for Highway Bridges, seventeenth ed.. American Association of State Highway and Transportation Officials,Washington, DC, USA. American Society for Testing Materials. ASTM: D- 595/5. Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextile by the Wide-width Strip Method. American Society of Testing Materials. West Conshohocken, Philadelphia, USA. American Society for Testing Materials ASTM E 9M/5. Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. American Society of Testing Materials, 11p. American Society for Testing Materials. ASTM: D- 71/8. Standard Test Method for Determining the (In-plane) Flow Rate per Unit Width and Hydraulic Transmissivity of a Geosynthetic Using a Constant Head. American Society of Testing Materials. West Conshohocken, Philadelphia, USA. Associação Brasileira de Normas Técnicas.

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