Estudo da Resistência ao Cisalhamento de Interface em Fita Metálica para Soluções em Terra Armada

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1 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. Estudo da Resistência ao Cisalhamento de Interface em Fita Metálica para Soluções em Terra Armada Sérgio Barreto de Miranda Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, Brasil, Danilo Pacheco e Silva Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, Brasil, Benedito de Souza Bueno Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, Brasil, RESUMO: Avaliou-se experimentalmente o comportamento da resistência ao cisalhamento de interface em reforços unidirecionais utilizados em estruturas de contenção. Para tal, foram realizados ensaios de arrancamento em fitas metálicas, utilizadas para soluções em terra. Os ensaios em fitas metálicas, em obras executados com solos finos, mostraram que o seu uso requer um estudo mais detalhado do seu comportamento, visto que os parâmetros sugeridos pela NBR 9/ não condiz com os resultados experimentais. PALAVRAS-CHAVE: Solo Reforçado, Resistência ao Cisalhamento de Interface, Ensaios de Arrancamento. INTRODUÇÃO O emprego da técnica de reforço de solos apresenta-se como uma alternativa técnicoeconômica viável e em expansão em todo o mundo. A introdução de reforços traz ao maciço a ser estabilizado um comportamento mecanicamente mais favorável, no qual inclusões resistentes à tração são inseridas convenientemente para promover uma redistribuição de esforços nas zonas mais susceptíveis a movimentação, transformando-as em resistentes e estáveis. O processo de solo reforçado mais conhecido no Brasil para soluções em aterro ainda é a Terra Armada, que consiste na execução do maciço de solo com introdução de fitas metálicas, nervuradas ou lisas. Uma das propriedades mais importantes é a resistência ao cisalhamento desenvolvida na interface entre o reforço e o solo circundante. A quantificação deste parâmetro é importante para a realização de projetos mais seguros e econômicos. A técnica de terra armada esteve sobre proteção de patente no Brasil, entre 979 e 99. Este fato contribuiu para a interrupção de novos avanços científicos. Entretanto após a queda das patentes, particularmente na década de 9, novas empresas projetistas e construtoras surgiram, popularizando o método. Em 9, elaborou-se a NBR 9, porém com argumentos baseados apenas na experiência com aterros compactados e a experiência internacional como a necessidade da utilização de solos arenosos para a execução dos aterros. Diante da falta de aprofundamento nos critérios para solos finos na técnica de terra armada, a realização de ensaios de arrancamento é de fundamental importância para um melhor entendimento da interação solo-reforço. A partir destes ensaios, é possível determinar a curva carga vs deslocamento, bem como os parâmetros utilizados para cada uma das técnicas. Para a terra armada a NBR 9/ estabelece como critério mecânico o atrito interno, nomeado por f* (coeficiente de atrito aparente solo-fita metálica). O f*, definido pela

2 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. equação, é dependente da tensão tangencial máxima mobilizada no contato solo-fita (τmáx) e da tensão vertical efetiva média do nível considerado (σv). f*= τ max σv () Estas resistências são influenciadas por diversos fatores, entre os quais: (i) variabilidade do solo; (ii) método construtivo do elemento; (iii) variações físicas e geométricas dos elementos de reforço e (iv) níveis de tensão atuantes. Na tentativa de entender o comportamento da resistência ao cisalhamento de interface, esta pesquisa contempla a realização de ensaios de arrancamento em laboratório, na qual buscou-se avaliar a influência da tensão vertical atuante nos reforços, bem como de variações dimensionais. (a) (b) Figura. Visão geral da caixa de ensaios durante o período de construção do maciço (a) e detalhe da parede com a chapa móvel (b). Tabela. Resumo da caracterização geotécnica do solo utilizado na pesquisa. Propriedade Valor Peso específico dos sólidos, kn/m³ Limite de liquidez 9% Limite de plasticidade % Peso específico seco máximo (EN) 7,5 kn/m³ Teor de umidade ótimo (EN) % Teor de areia % Teor de silte % Teor de argila % Classificação SUCS SC MATERIAIS E MÉTODOS Para realização dos ensaios em laboratório, utilizou-se uma caixa de testes desenvolvida por Costa (5) que possui largura e a altura interna de 5 mm, e comprimento de mm (Figura -a). No centro da parede frontal, encontra-se uma chapa móvel que possui um orifício com diâmetro de mm e possibilita a realização do ensaio de arrancamento. A Figura ilustra detalhe da parede com a chapa móvel (b). As paredes laterais da caixa de ensaio foram revestidas com uma montagem de membranas de PVC superpostas com graxa entre elas. Esta medida visou reduzir o atrito entre as paredes laterais da caixa e o solo. Para aplicação da tensão vertical nos ensaios foi utilizada uma bolsa inflável de PVC reforçada com fibras de poliéster, fabricada pela Sansuy S.A.. A bolsa de reação permite aplicações de até 5 kpa. O solo utilizado nesta pesquisa, uma areia argilosa, foi coletado no município de São Carlos (SP). Na Tabela são sintétizados os resultados dos ensaios de caracterização geotécnica para este solo. Kakuda (5) faz referência a utilização deste solo, apresentando a partir de ensaios de cisalhamento direto, parâmetros de resistência de, kpa de coesão e, de ângulo de atrito para uma grau de compactação de 9%. Freitas Neto () estudou a resistência ao cisalhamento no mesmo solo utilizado nesta pesquisa, sobre diversas condições de saturação. A partir de ensaios triaxiais em condições saturadas, obteve parâmetros de resistência de 5, kpa de coesão e de ângulo de atrito para uma grau de compactação médio de 95,% ao passo que ensaios triaxiais ensaiados com teor de umidade igual à ótima, apresentou parâmetros de resistência de,5 kpa de coesão e de ângulo de atrito para uma grau de compactação médio de 95,%. As fitas metálicas utilizadas são as comumente empregadas em obras de Terra Armada, larguras de e mm. As fitas possuem ranhuras que tem por objetivo aumentar a resistência ao cisalhamento de interface. As ranhuras foram mapeadas e dispostas segundo a Figura. Para os ensaios, utilizou-se o comprimento de, m de trecho

3 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. Compactação, bem como de variações dimensionais, utilizando fitas com larguras de e mm. Para tanto é apresentado, na Tabela, características dos ensaios realizados. ancorado e, m para utilização durante o arrancamento. (a) Figura. Mapeamento das ranhuras ao longo das fitas metálicas. A construção do maciço foi divido em etapas que compreendem a preparação e lançamento do solo, seguida da compactação. Para as construções com fita metálica utilizou-se de dois valores distintos de GC, e 95%. Assim a caixa foi dividida em camadas de 5 cm de altura para permitir um controle que atingisse o grau de compactação desejado. As fitas metálicas foram instaladas durante o processo de compactação do maciço na caixa de testes. Os ensaios foram realizados de maneira similar e com velocidade constante da ordem de,5 kn/min. Para a realização dos ensaios de arrancamento foram utilizados os seguintes equipamentos e acessórios: () Placa de reação de aço; () Suportes metálicos com furo central para apoio do cilindro hidráulico; () Macaco Hidráulico; () Adaptador entre o macaco hidráulico e a célula de carga; (5) Célula de carga de capacidade de 5 kn; () Pino de travamento; (7) Placa de referência; () Haste metálica para fixação dos transdutores a partir de bases magnéticas; (9) Dois transdutores de deslocamento LVDT ( mm); () Bomba hidráulica. Os ensaios foram conduzidos com um estágio único e contínuo de carregamento até atingir o final do curso do LVDT ( mm). A Figura apresenta uma vista geral dos equipamentos e da estrutura de reação utilizados nos ensaios. Tabela. Características dos Ensaios Realizados. Incremento médio de Tensão Vertical 7, 9,7,9 Ensaio Grau de Compactação (%) Largura da Fita Metálica (mm) 79, 9, 9,7 Seguindo a metodologia de construção do maciço, a Figura ilustra a variação do teor de umidade (eixo vertical direito), bem como da variação do grau de compactação (GC) (eixo vertical esquerdo), obtido para cada camada em cada ensaio realizado., 9,5 RESULTADOS E ANALISES, 7,5 5, -,5 Umidade (%) Grau de Compactação (%) Figura. Equipamento utilizado nos ensaios de arrancamento -, -,5 Os resultados obtidos a partir dos ensaios de arrancamento realizados em fitas metálicas são apresentados em termos de curvas carga vs deslocamento. São realizadas comparações entre a influência da tensão vertical atuante nos reforços, para dois diferentes Graus de -, 5 Camada 7 GC (%) - GC (%) - GC (%) - w (%) - w (%) - w (%) - 9 Figura. GC e Variação do Teor de umidade para as camadas. A partir da Figura, observa-se que a faixa de variação do teor de umidade, foi inferior a

4 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. % para todas as camadas, nos três ensaios. Para o ensaio, onde desejava-se um GC de %, obteve-se 79,% em média e 5,5 de média de umidade. Para os ensaios, onde desejava-se um GC de 95%, os valores foram de 9, e 9,7%, respectivamente, obtendo-se ainda umidade média de, e,% para as duas caixas respectivamente. A Figura 5 apresenta a curva carga vs deslocamento obtida a partir dos ensaios, e, realizado para a fita metálica, e, respectivamente. ) N (k a r g a C Carga (kn) Carga (kn) Fita Metálica Deslocamento (mm) (a) Fita Metálica Deslocamento (mm) (b) Fita Metálica Deslocamento (mm) (c) Figura 5. Curva carga vs deslocamento para fita metálica (a), (b) e (c). O comportamento observado para as fitas metálicas é típico de ruptura plástica, visto que a curva não apresenta pico. O valor de carga máxima foi de, kn, para um deslocamento de, mm no ensaio, de carga máxima de 9, kn, para um deslocamento de,9 mm, no ensaio e,7 kn, para um deslocamento de 5,5 mm, no ensaio. Para efeito de comparações com valores sugeridos pela Norma Brasileira, foi tomado como referência o item 5... Características dos materiais para o cálculo, da NBR 9/9 (Terra Armada). Segundo a Tabela da referida norma, página, para armaduras nervuradas, o solo é classificado como Grupo C, ou seja, que apresentam granulometria com D <,5 mm e D,5 mm e φ (ângulo de atrito interno do solo). É valido ressaltar que na maioria das estruturas executadas com a solução em terra armada, são utilizados solos do Grupo A ou B. Este tipo de solo, portanto é considerado nãoconvencional para os casos de obras, porém previsto em norma. O valor da tensão vertical efetiva atuante na fita metálica é cerca de 7,9 kpa, de 75, kpa para a fita metálica, e 7, kpa para a fita. Na Tabela é apresentado o resumo dos valores obtido para os ensaios realizados com fita metálica. Tabela. Resumo dos valores obtidos nos ensaios realizados com fita metálica. Ensaio Largura (mm) Tensão Vertical Efetiva Grau de Compactação (%) Carga Máxima (kn) 7,9 79,, 75, 95, 9, 7, 9,7,7 Com estes resultados foi realizado o cálculo da altura de solo equivalente (hequiv), a partir da tensão vertical efetiva e do peso especifico do solo, e da tensão tangencial máxima (τmáx), a partir da área de contato solo-reforço e da carga máxima. A Tabela apresenta os valores para as três situações. Com estes resultados calculou-se segundo a equação, o valor de f*.

5 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. Tabela. Resumo dos parâmetros calculados a partir dos ensaios realizados. Ens. Larg. (mm) Tensão Vertical Efetiva h equiv (m) Carga Máxima (kn) τ máx 7,9,, 9,,9 75,, 9, 5,,79 7,,7,7 9,,9 Avaliando os resultados obtidos para os ensaios e, que possuem tensão vertical efetiva de mesma ordem, o valor da carga máxima do ensaio foi superior ao do ensaio, como era esperado, visto que a área de contato para o ensaio era maior e o valor do GC foi também superior. Entretanto, o valor da tensão tangencial para o ensaio foi inferior ao ensaio, contrariando as expectativas que correspondiam a valores próximos. Os ensaios e, realizados com fita de mesma geometria, apresentaram um comportamento dentro do esperado, ou seja, uma tensão tangencial crescente com o aumento da tensão vertical. Do ponto de vista do coeficiente de atrito, f*, observa-se uma variação no valor calculado para o ensaio com os demais ensaios. A fim de comparar com o valor proposto pela norma (Tabela 5), procedeu-se o cálculo da tensão tangencial, obtida para as alturas equivalentes em questão. Nos cálculos para o ensaio, executado com GC de %, foi suposto o mesmo ângulo de atrito interno obtido para GC de 9 % no cálculo do coeficiente de atrito, f*, de, obtido por Kakuda (5). Tabela 5. Valores teóricos obtidos a partir da norma. Lar Tensão g. Vertical hequi Ens. f* (m Efetiva v (m) m) f* τmáx 7,9,,99* 5, 75,,,97 7, 7,,7,9 7,9 A comparação entre os resultados obtidos nas Tabelas e 5 é mais bem interpretada a partir da Figura. Profundidade (m) f*,5,,7,,9,,,,,,5, 5 7 Teórico Teórico Teórico Ensaio Ensaio Ensaio Figura. Comparação de resultados dos ensaios com valores sugeridos por norma. Analisando a Figura, observa-se que os ensaios e apresentaram coeficiente de atrito acima do previsto. Em relação ao ensaio, este valor apresenta-se excessivamente abaixo do previsto. Para solução em terra armada, o uso de solos considerados não convencionais requer um estudo mais detalhado do seu comportamento como material de aterro, visto que a distribuição sugerida pela norma em função da profundidade não condiz com os resultados obtidos experimentalmente. CONCLUSÕES A partir dos resultados obtidos com os ensaios de arrancamento, podem ser extraídas as seguintes considerações: De acordo com os ensaios em fitas metálicas em solos finos, mesmo que, adotando os coeficientes de segurança, o valor de resistência ao cisalhamento de interface sugerido pela norma não atinge os resultados obtidos experimentalmente. Para solução em terra armada, o uso de solos finos, considerados não convencionais requer um estudo mais detalhado do seu comportamento. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Departamento de Geotecnia da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC- 5

6 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. USP) pelo suporte técnico a esta pesquisa, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela bolsa de estudos concedida ao primeiro autor e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo auxílio à pesquisa concedido ao terceiro autor. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9 Terra Armada. Rio de Janeiro, 9. COSTA, Y. D. J. Modelagem física de condutos enterrados sujeitos a perda de apoio ou a elevação localizada. Tese de Doutorado. SGS-USP/SC, 5, p. FREITAS NETO, O. Resistência ao cisalhamento de um solo não saturado com medida direta de sucção. Dissertação de Mestrado, SGS-USP/SC, São Carlos,, 7p. KAKUDA, F. M. Estudos de Ensaios de Arrancamento de Geogrelha com Utilização de um Equipamento Reduzido. Dissertação de Mestrado, SGS-USP/SC, São Carlos, 5, p.

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