Obras em Solos Moles. Histórico

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1 Obras em Solos Moles Profa. Andrea Sell Dyminski UFPR Histórico O homem tenta vencer terrenos difícies, mais especificamente solos moles, ao longo dos séculos No Brasil, obras pioneiras a desafiarem solos moles: início do século XX, Baixada Santista (Estradas de Ferro e de Rodagem): feitas com lançamento de aterro de ponta 1

2 Problemas envolvidos Do ponto de vista técnico: Estabilidade dos aterros logo após a construção: capacidade de suporte do solo Recalques de aterros ao longo do tempo: adensamento (primário e secundário) Problemas envolvidos Aterros de encontro com obras de arte(pontes e viadutos): Estabilidade das fundações destas obras Recalques diferenciais entre obras e arte Efeitos colaterais no estaqueamento (empuxos de terra e atrito negativo) Fonte: 2

3 Problemas envolvidos Do ponto de vista construtivo: Tráfego dos equipamentos de construção Amolgamento da superfície do terreno, devido ao lançamento do aterro; Riscos e ruptura durante a construção Fonte: Geodelft Difícil escavação Difícil manutenção de acessos Fonte: t_type=3&page_type=ct 3

4 Características dos Solos Moles Importância de se saber a sua origem, para compreendermos: As propriedades dos solos moles Suas condições de adensamento Formação das argilas moles quaternárias Solos moles: BAIXA resistência:spt não superior a 4 golpes (porém, o SPT não é a melhor forma de se estudar a resistência de solos moles em campo!!!!) Fração argila: solo coesivo e compressível Argilas moles ou areias argilosas fofas, de deposição recente Em geral com matéria orgânica: cor escura e cheiro característico 4

5 Exemplos de Boletins de sondagem SPT e CPT Campus central da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba e situado na bacia de inundação do Rio Belém (Fonte: Brandi e Nascimento, GEOSUL 2004) Sondagem SPT em solo mole: área do Porto de Navegantes com escape de gás (decomposição de matéria orgânica) Fotos: Cortesia In Situ Geotecnia 5

6 Formação das argilas moles quaternárias Ambientes de deposição: Fluvial : várzeas dos rios (planícies de inundação) Origem marinha: planícies costeiras Lagunas e baías Fatores que afetam a deposição ou sedimentação: Velocidade das águas Quantidade e composição da matéria em suspensão na água Salinidade e floculação das partículas Presença de matéria orgânica (húmus, detritos vegetais, conchas, etc.) Solos Moles de Origem Fluvial (ALUVIÕES) Várzeas de rios Podem estar intercaladas com camadas de areias finas: HETEROGENEIDADE VERTICAL Heterogeneidade horizontal também presente devido ao curso irregular (sinuoso)dos rios Fonte: Massad,

7 Solos Moles de Origem MARINHA Planície litorânea brasileira presentes praticamente em toda a costa Formados em dois ciclos de sedimentação, devido a dois episódios de ingressão do mar, no Quaternário: Pleistoceno: há anos Nível marinho: +8m ± 2 m Transgressão Cananéia, dando origem à Formação Cananéia Em geral, são fortemente SOBREADENSADAS (devido ao abaixamento do nível do mar, em 130 m, há anos) Holoceno: Há anos Nível marinho: + 4m ± 2 m Transgressão Santos: sedimentos holocênicos Solos levemente sobreadensados (com pressão de préadensamento muito pequena!!) Ciclos do Nível do Mar Há anos: grande regressão Variações dos últimos anos Fonte: Massad,

8 Estágios de formação dos solos da Planície Litorânea Fonte: Massad, 2003 Seção Geológica Litoral de SP Notar que há formações marinhas e fluviais (recentes) Fonte: Massad,

9 Perfil esquemático: argila holocênica e transicional Argila Holocênica: levemente sobreadensada Argila transicional: fortemente sobreadensada Fonte: Massad, 2003 Propriedades geotécnicas Grande HETEROGENEIDADE: muita dispersão nos valores das propriedades geotécnicas Observar a diferença dos valores entre as diferentes formações argilosas 9

10 Parâmetros de Projeto Coesão (em geral, resistência não drenada) deve ser obtida com o solo local usando geralmente: Em laboratório: ensaio de compressão simples (valor menor) ou ainda triaxial não drenado Em campo: Vane Test (ensaio de palheta) (valor maior) Pode-se dizer que o valor real da coesão estaria entre o resultado da CS e do Vane Ensaio de Compressão Simples e Vane Test 10

11 Parâmetros de Projeto Sugestão de Bjerrum (1973): Onde: c projeto = µ. c VT µ = 0,6 a 1,0, depenendo do IP do solo c VT = coesão do Vane Test Ex: Baixada Santista, com IP médio de 60%, µ = 0,7 Mesri (1975), baseado nos estudos de Bjerrum, propôs estimar a coesão através da pressão de pré-adensamento (σ a ): c projeto = 0,22. σ a c projeto = 0,15. σ a (Baixada Santista) Skempton (em Souza Pinto, 2000), coesão de ensaios: c/ σ a = 0,11 + 0,37. IP Parâmetros de Projeto Quanto ao coeficiente de adensamento: C v (primário) e C αε (secundário) de laboratório é diferente do C v de campo (ou real) 11

12 Estabilidade de Aterros após a construção Análise de estabilidade feita usando métodos de equilíbrio limite, considerando resistência ao cisalhamento igual `a coesão: s u = c Solução de Fellenius Carga distribuída na superfície de um solo mole, com coesão constante e de grande espessura Com Carreg. Unif. Distrib. e flexível, a carga que leva à ruptura é: q r = 5,5. c Círculo crítico passa pela borda da área carregada Fonte: Massad,

13 Solução de Fellenius Para carregamento flexível qualquer: Q r = 5,5. 2b. C Círculo crítico tem centro AB Fonte: Massad, 2003 Solução de Fellenius Observações importantes: Altura crítica de aterros (H c ): máxima altura de aterro que pode ser lançada sem que haja ruptura do solo mole de fundação H c = 5,5.c/γ at onde γ at = peso esp. do aterro Influência da espessura da camada de solo mole (D): se esta espessura for D<b/0,758, o círculo de ruptura associado ao coef. de seg. mínimo pode não se desenvolver, podendo-se lançar aterros com alturas maiores que Hc. 13

14 Bermas de equilíbrio Se a altura de aterro a ser lançado for maior que Hc, pode-se utilizar as bermas de equilíbrio, onde os aterros laterais funcionam como contrapeso. Assim: Fonte: Massad, 2003 H 1 H 2 = (5,5. c)/(f. γ at ), onde F = coef. de segurança Determinação de b 2 : ábacos de Jakobson (1948) Caso com coesão lin. crescente com a profundidade Sousa Pinto (1966): aterros com altura H projeção d do talude no eixo horizontal c 0 coesão na superfície do terreno N co fator de carga Pressão de Ruptura: N co q r = N co. c o N co Fonte: Massad,

15 Consideração da Resistência do Aterro A ruptura dos aterros pode acontecer com a formação de trincas (solos coesivos) ou sem elas (solos granulares). Formas usuais de melhorar a estabilidade dos aterros: bermas ou geossintéticos Fonte: Massad, 2003 A força de tração no geossintético deve ser pequena, para que as deformações da mesma também o sejam (da ordem de 2 a 3%), evitando-se assim a formação de trincas no aterro. Fonte: 15

16 Recalques Vão acontecer principalmente devido ao adensamento da argila mole (porém a mesma vai ficando mais rija). Assim: Estabilidade do aterro: em geral é um problema na fase de construção Recalque: problema na fase operacional da obra Deve-se determinar: Recalques finais Tempo necessário para que uma parte significativa dos mesmos ocorram Em geral: utiliza-se a teoria do Adensamento para tal estimativas Estimativa dos recalques Cálculo do recalque por adensamento: Onde: Cr=Índice de recompressão, Cc= Índice de Compressão (primário), Cαε = Índice de Compressão (secundário) Recalque imediato (Teoria da Elasticidade): σ 0 = pressão unif. distr. na superfície B = Largura da área carregada Solo confinado result. de ensaios de adensamento - OK Considerar efeitos 2D 16

17 Estimativa da Velocidade de Desenvolvimento dos Recalques Teoria do Adensamento de Terzaghi Fator tempo (T) relacionado com a taxa de adensamento (U) T = C v. t / H d 2 Forma aproximada: T = (π/4). U para U<60% T=-0,933. log(1-u) - 0,085 para U>60% U x T 17

18 Observações Em alguns casos, deve-se considerar o tempo de construção (carregamento gradual imposto ao solo) No caso de se utilizarem drenos verticais (para aceleração de recalques), o fluxo será radial Processos Construtivos Construção de aterros em solos moles: Lançar aterros em ponta sobre o terreno natural: conviver com problemas de estabilidade (fase construtiva) e recalques (fase operacional) Remover o solo mole: total ou parcialmente Lançar os aterros e ponta após tratamento do solo mole (melhoramento do solo) 18

19 Lançamento de aterros em ponta Lança-se o lastro inicial (de preferência de areia material drenante) Pode-se colocar uma manta geotêxtil (sobre o lastro inicial), ao longo do eixo do aterro, melhorando a resistência, tendo função drenante e evitando contaminação entre diferentes camadas de solos Remoção de Solos Moles Possível para pequenas espessuras: 4 a 5 m (máx. 7m) Pode ser feita por: Dragas Meio de explosivos : liquefazem o solo mole Fonte: 19

20 Tratamento do Solo Mole Melhoramento de suas propriedades geotécnicas: resistência e deformabilidade Algumas técnicas empregadas: Construção por etapas Aplicação de sobrecargas temporárias Instalação de drenos verticais Execução de colunas de pedra (colunas de brita) Estacas de distribuição Fonte: 20

21 Construção por etapas Há um enrijecimento gradual do solo OBS: Necessita-se de um prazo maior para a construção do aterro Fonte: Massad, 2003 Aplicação de sobrecargas temporárias Realizar uma pré-compressão do solo Antecipação dos recalques com ganho de resistência Pode ser feita com uma camada adicional OBS: Cuidado para não ultrapassar a altura crítica de aterros! Fonte: 21

22 Período com sobrecarga Retirada da sobrecarga Aqui, atinge-se o recalque final (do aterro permanente) usando-se a sobrecarga Fonte: Massad, 2003 Aplicação de sobrecargas temporárias Aplicação de vácuo sob membrana impermeável, ou em poços abertos Gera diminuição de poro-pressão e consequente aumento de pressão efetiva, adensando a camada de solo Fonte: 22

23 Instalação de drenos verticais Aceleração dos recalques Dimensionamento: escolha do diâmetro dos drenos (d w ) e seu espaçamento (d e ) Em geral: drenos de areia com 20 a 60 cm de diâmetro e espaçamento de 2 a 6 m Colchão drenante Drenos verticais Fonte: Dreno Vertical (geodreno fita) Fonte: _geo_a.html 23

24 Drenos verticais - Geodrenos Fonte: esources.cfm?copyid=91&id=geo&type =case Colunas de pedra Funções: Transferir a carga dos aterros para maiores profundidades Dreno vertical: porém, se não tiver revestimento, após algum tempo há colmatação. Também pode haver bulking 24

25 Vibrosubstituição Colunas de brita Fonte: Equipamento Vibro-substituição Fonte: 25

26 Estacas de distribuição Transferir a carga para camadas mais profundas do terreno (e com maior resistência) Em geral, envolvem muitas estacas e, com isso, seu custo é elevado Bibliografia básica Massad, F., 2003 Obras de Terra: curso básico de geotecnia Ed. Oficina de Textos, São Paulo. Outras fontes: citadas nos slides 26