Julia Gomes Pinto Carapiá

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1 EVOLUÇÃO DE RECALQUE EM OBRA DE DUPLICAÇÃO DE ATERRO SOBRE SOLO MOLE - COMPARAÇÃO ENTRE INSTRUMENTAÇÃO E MODELAGEM BIDIMENSIONAL PELO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Julia Gomes Pinto Carapiá Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador Alessandra Conde de Freitas Marcos Barreto de Mendonça Rio de Janeiro, Março de 2018

2 Evolução de recalque em obra de duplicação de aterro sobre solo mole - comparação entre instrumentação e modelagem bidimensional pelo método dos elementos nitos Julia Gomes Pinto Carapiá PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECES- SÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL. Apresentado por: Julia Gomes Pinto Carapiá Aprovado por: Prof. Alessandra Conde de Freitas, DSc. Prof. Marcos Barreto de Mendonça, DSc. Prof. Ana Cláudia Telles, MSc. Prof. José Bernardino Borges, MSc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL Março de 2018

3 G P Carapiá, Julia Evolução de recalque em obra de duplicação de aterro sobre solo mole - comparação entre instrumentação e modelagem bidimensional pelo método dos elementos nitos/ Julia G P Carapiá. Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, xi, 87 p.: il.; 29, 7cm. Orientador: Alessandra Conde de Freitas e Marcos Barreto de Mendonça Projeto de Graduação UFRJ/Escola Politécnica/Curso de Engenharia Civil, Referências Bibliográcas: p Aterro sobre solo mole. 2. Previsão de recalques. i

4 Agradecimentos Primeiramente, devo agradecer aos meus orientadores neste trabalho de conclusão do curso, Alessandra Conde Freitas e Marcos Barreto por terem me auxiliado nas diretrizes deste projeto. Dedico aos meus pais, Eliane e Antonio, que sempre me incentivaram a valorizar a educação e o conhecimento. Também dedico aos meus avós, Regina e Antonio, que cuidaram de mim e do meu irmão durante os tempos mais tranquilos e também os mais difíceis. Agradeço a todos que me acompanharam e de alguma forma me conduziram até aqui: meus professores do curso de engenharia civil, meus professores e amigos do ciclo básico, meus colegas e amigos, Diogo e Adriano. Agradeço também áqueles que me ajudaram no processo desse projeto: Fabio Silva, Felipe, Ludmila Teixeira e Gustavo. ii

5 RESUMO Evolução de recalque em obra de duplicação de aterro sobre solo mole - comparação entre instrumentação e modelagem bidimensional pelo método dos elementos nitos Julia Gomes Pinto Carapiá Março/2018 Orientador: Alessandra Conde de Freitas, DSc. Este trabalho teve por objetivo apresentar uma análise dos recalques ocorridos durante a construção de um aterro sobre camada de solo mole. A obra consistiu na construção de um aterro de ferrovia ao lado de um aterro pré-existente. Nesse estudo foram comparados dados de deslocamento vertical obtidos pelo monitoramento de recalque com dados de deslocamento resultantes de simulação feita através do programa PLAXIS 2D. Esse programa utiliza a abordagem de cálculo pelo método de elementos nitos. Para comparação dos resultados foram avaliados a inuência do aterro antigo, variações na geometria do modelo e parâmetros do solo nos resultados obtidos. Palavra-chave: aterros sobre solos moles, previsão de recalque, PLAXIS 2D iii

6 ABSTRACT Settlement evolution in duplication work of enbankmnet over Soft Soil - comparison between instrumentation and two-dimensional modeling employing Finite Element Mehod Julia Gomes Pinto Carapiá March/2018 Advisor: Alessandra Conde de Freitas, DSc. This work aims to show a settlement analysis during an embankment construction on a soft soil. The construction was a railroad embankment next to a preexistent embankment. This study evaluated vertical displacement data of a section settlement monitoring compared to the results of PLAXIS 2D program. It uses nite elements method approach to calculate the soil behaviour. This works presents the evaluation of the pre-existent embankment inuence, model geometry variations and changes in soil's parameters in the results. Key-words: embankment on soft soils, prediction of settlements, PLAXIS 2D iv

7 Lista de Figuras Figura 1.1: Localização da ferrovia (Google,2017 [17]) Figura 2.1: Técnicas de construção de aterros sobre solos moles (LEROUEIL, 1997 [19]) Figura 2.2: Esquema da câmara de ensaio triaxial (PINTO, 2006 [22]) Figura 2.3: Envoltória de resistência obtida com resultado de ensaios de compressão triaxial (PINTO, 2006 [22]) Figura 2.4: Aparelho de Casagrande (PINTO, 2006 [22]) Figura 2.5: Método de obtenção do índice de plasticidade (MOLINA, 2017 [21]) 13 Figura 2.6: Esquema de determinação do volume dos sólidos pelo peso da água deslocada no ensaio de peso especíco dos grãos (PINTO, 2006 [22]) Figura 2.7: Exemplo de curva de distribuição granulométrica do solo (PINTO, 2006 [22]) Figura 2.8: Esquema de aplicação do ensaio edométrico [28] Figura 2.9: Gráco e x logσ vm (MARTINS, 2016 [20]) Figura 2.10: Método Pacheco Silva (MARTINS, 2016 [20]) Figura 2.11: Gráco utilizado para obtenção do coeciente de compressibilidade (FREITAS, 2016 [14]) v

8 Figura 2.12: Relação entre os parâmetros de compressibilidade na compressão connada (LAMBE e WHITMAN, 1969 [18]) Figura 2.13: Esquema de sensores de um piezocone (ALMEIDA e MARQUES, 2010 [5]) Figura 2.14: Esquema de áreas um piezocone usadas para correção da resistência de ponta (ALMEIDA e MARQUES, 2010 [5]) Figura 2.15: Fator tempo T (HOULSBY e TEH (1989) [27]) Figura 2.16: Resumo das dimensões mais comumente usadas no ensaio de palheta (CHANDLER, 1988 [10]) Figura 2.17: Resumo dos tipos mais comumente usados no ensaio de palheta (FUTAI, 2018 [15]) Figura 2.18: Exemplo de resultado de ensaio de palheta (DANZIGER, 2015 [11]) 26 Figura 2.19: Correlação do fator de correção µ com o índice de plasticidade da argila (BJERRUM, 1973 [7]) Figura 2.20: Esquema de posicionamento e detalhes de marco Figura 2.21: Esquema de posicionamento e detalhes de placa de recalque Figura 2.22: Esquema de posicionamento do perlômetro Figura 2.23: Esquema de posicionamento e cálculo de deslocamento horizontal de inclinômetro (COMMETRO, 2017 [13]) Figura 2.24: Esquema de montagem do piezômetro de Casagrande Figura 2.25: Relação hiperbólica entre deformação e tensão do modelo Hardeningsoil (ARAUJO, 2004 [6] Figura 2.26: Relação gráca de E ref oed para ensaios edométricos (ARAUJO, 2004 [6]) vi

9 Figura 2.27: Relação tensão-deformação usada no modelo Soft-Soil (ARAUJO, 2004 [6]) Figura 3.1: Sondagem na seção até 9,0 m de profundidade Figura 3.2: Sondagem na seção de 9,0 m até 27,0 m de profundidade 49 Figura 3.3: Sondagem na seção de 27,0 m até 30,45 m de profundidade 50 Figura 3.4: Resultado do ensaio de CPTu da seção Figura 3.5: Resultado do ensaio de palheta da seção / Figura 3.6: Resultado do ensaio de palheta da seção / Figura 3.7: Solução do aterro selecionado, seção Figura 3.8: Solução do aterro selecionado, seção , em detalhe Figura 3.9: Gráco de cota do aterro e progressão dos recalques pelo monitoramento Tempo Figura 4.1: Modelo utilizado na Análise Figura 4.2: Fase de pré-construção do segundo aterro Figura 4.3: Nível freático estabelecido Figura 4.4: Primeira fase, implantação dos drenos verticais Figura 4.5: Segunda fase, implantação do colchão drenante, geogrelha e alteamento de 2 metros de berma e aterro Figura 4.6: Terceira fase, alteamento de 4,7 metros de berma e aterro Figura 4.7: Quarta fase, alteamento de 0,2 metros de aterro Figura 4.8: Deslocamento totais verticais na seção Figura 4.9: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 1 de acordo com o monitoramento e de acordo com a análise numérica vii

10 Figura 4.10: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 2 de acordo com o monitoramento e de acordo com a análise numérica Figura 4.11: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 3 de acordo com o monitoramento e de acordo com a análise numérica Figura 4.12: Geometria da seção usada para a segunda análise Figura 4.13: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 1 de acordo com o monitoramento e de acordo com a segunda análise numérica.. 76 Figura 4.14: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 2 de acordo com o monitoramento e de acordo com a segunda análise numérica.. 77 Figura 4.15: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 3 de acordo com o monitoramento e de acordo com a segunda análise numérica.. 77 Figura 4.16: Diagrama de deslocamento referente a segunda análise, retirando os elementos de drenagem da Análise Figura 4.17: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 1 de acordo com o monitoramento e de acordo com a terceira análise numérica.. 79 Figura 4.18: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 2 de acordo com o monitoramento e de acordo com a terceira análise numérica.. 79 Figura 4.19: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 3 de acordo com o monitoramento e de acordo com a terceira análise numérica.. 80 Figura 4.20: Diagrama de deslocamento referente a terceira análise, diminuindo 20 vezes os valores de permeabilidade das camadas de argila da Análise viii

11 Lista de Tabelas 3.1 Resumos das sondagens (BOUCH, 2017 [8]) Resumo dos ensaios CPTU (BOUCH, 2017 [8]) Resumo dos Ensaios de Palheta (BOUCH, 2017 [8]) Resumos dos ensaios de caracterização (BOUCH, 2017 [8]) Resumos dos ensaios de adensamento (BOUCH, 2017 [8]) Soluções empregadas (BOUCH, 2017 [8]) Localização dos Piezômetros de Casagrande (BOUCH, 2017 [8]) Localização dos Piezômetros Elétricos (BOUCH, 2017 [8]) Localização dos Inclinômetros (BOUCH, 2017 [8]) Localização dos Marcos Superciais (BOUCH, 2017 [8]) Localização das Placas de Recalque (BOUCH, 2017 [8]) Parâmetros de Soft Soil utilizados na Análise Parâmetros de Hardening Soil utilizados na Análise Comparação dos parâmetros usados para modelar a seção com parâmetros resultantes de ensaio em seções próximas (BOUCH, 2017 [8]) Parâmetros de permeabilidade das argilas utilizados na Análise 3 78 ix

12 Sumário Agradecimentos ii Resumo iii Abstract iv Lista de Figuras v Lista de Tabelas ix 1 Introdução Considerações iniciais Relevância do tema Objetivos Metodologia Organização do trabalho Revisão Bibliográca Aterros sobre solos moles Aterro reforçado x

13 2.1.2 Bermas de equilíbrio Construção em etapas Redução da altura do aterro Aterros leves Colunas de brita Colunas de solo estabilizados ou colunas de cal Aterro sobre estacas Substituição parcial ou total de solos moles Pré-carregamento por vácuo Drenos verticais Sobrecarga temporária Investigações Ensaios de laboratório Ensaio de Compressão Triaxial Ensaios de Caracterização Índice de Consistência Índice de plasticidade Teor de Umidade Natural Índice de Vazios Granulometria Ensaio de adensamento Ensaios de campo Ensaio CPTu xi

14 Coeciente de Adensamento Horizontal Ensaio de Palheta Standard Penetration Test Instrumentação Geotécnica Marcos superciais Placa de Recalque Perlômetro Extensômetro magnético (aranha magnética) Inclinômetro Piezômetro elétrico de corda vibrante Piezômetro de Casagrande Modelagens numéricas Input Calculation Output Deslocamento e deformações Tensões Curves Modelos constitutivos Modelo constitutivo para solos moles Hardening soil Soft soil xii

15 3 A Obra Estudada Investigações Geotécnicas Sondagens e ensaios SPT CPTu Ensaio de Palheta Ensaios de laboratório Soluções Empregadas Instrumentações Geotécnicas Seção Selecionada Análise Numérica Parâmetros Utilizados na Análise Numérica Análise no PLAXIS 2D Primeira Análise Segunda Análise Terceira Análise Considerações nais Conclusão Sugestão para trabalhos futuros Referências 85 xiii

16 Capítulo 1 Introdução 1.1 Considerações iniciais O controle de recalques em uma obra é um tema essencial na engenharia geotécnica. Cálculos realizados na fase de projeto e monitoramento feito em campo são partes vitais desse controle e estipulam as diretrizes e prazos do andamento da obra. Obras de aterro apresentam a dependência do comportamento do solo estruturalmente em quase toda sua totalidade, sendo então interessante de trabalhar do ponto de vista geotécnico. Para realizar este trabalho foi necessário acesso a dados de monitoramento de recalque e dados de projeto, como geometria da seção de aterro estudada e resultados de investigações. A obra em questão é a duplicação de um aterro de uma ferrovia localizada no nordeste do país. A localização da ferrovia está explicitada na gura 1.1. Foi escolhida a seção da ferrovia para ser feita uma retroanálise dos recalques. Essa região é situada acima de uma espessa camada de solo mole, o que exige decisões especícas de dimensionamento de projeto e monitoramento. A estrada de ferro tem cerca de 892 quilômetros de extensão e está localizada no Maranhão, Brasil. 1

17 Figura 1.1: Localização da ferrovia (Google,2017 [17]) 1.2 Relevância do tema Devido ao crescimento do país e à necessidade de ampliação da infraestrutura do mesmo, a engenharia se vê desaada por diversos problemas, por vezes inevitáveis. Em obras sobre solos moles, os efeitos de recalque acontecem muito lentamente e podem levar anos. Para obras de aterro ocorrerem em tais condições, foram desenvolvidas diferentes técnicas de construção compatíveis com diferentes situações encontradas em obra. Para maior segurança, também são implantados instrumentos de monitoramento e são feitos ensaios especícos para solos moles. É necessário cuidado especial com essas obras pois, devido aos recalques tardios, as falhas e acidentes podem ocorrer no período de operação pondo em risco a usabilidade do empreendimento ou até a segurança do usuário. 1.3 Objetivos Este trabalho é um estudo de caso de recalque de um aterro de duplicação de uma ferrovia sobre solos moles, utilizando comparação de dados instrumentais e 2

18 resultados de análise numérica obtidos através do programa PLAXIS 2D [24]. Os dados usados são relativos a uma determinada seção da ferrovia. Os dados de monitoramento usados neste trabalho são da fase de construção do empreendimento, portanto, a comparação entre esses resultados e o da modelagem usando o método dos elementos nitos (MEF) será feita apenas nesse período. Apesar dessa limitação, foi feita uma avaliação do modelo baseada no dimensionamento de projeto e na execução na obra, em uma tentativa de calibrar o modelo. 1.4 Metodologia Neste trabalho foram usados dados de Input do programa PLAXIS para os modelos constitutivos Hardening Soil, para os materiais de berma, aterro, areia de substituição, camada de areia na e colchão drenante, e Soft Soil para as camadas de argila mole. Os dados obtidos em campo aqui utilizados correspondem à seção e a outros de trechos próximos ou que possam ser considerados com propriedades equivalentes. Os dados de instrumentação foram utilizados tanto para o desenvolvimento da análise numérica quanto para apurar os valores efetivos dos recalques durante a obra. Na análise numérica foram levados em consideração os períodos de tempo em que foram feitos os alteamentos do aterro de acordo com os dados de topograa. Os valores efetivos de recalque foram resultados de coleta de dados das placas de recalque em 3 pontos do aterro novo. As 3 placas de recalque foram assentadas sobre a berma de equilíbrio que havia sido utilizada anteriormente como solução para a estabilidade do aterro pré-existente. 1.5 Organização do trabalho A estrutura desta dissertação foi dividida em 5 capítulos. O capítulo 1 a introdução ao tema do qual se trata este trabalho, fazendo as considerações inicias, explicitando a relevância do tema, objetivos, metodologia aplicada e organização. 3

19 No capítulo 2 foi a feita revisão bibliográca, que fornece informações sobre soluções construtivas utilizadas geralmente para aterros sobre solos moles, investigações e instrumentações utilizadas e sobre modelagens numéricas e modelos constitutivos que são utilizados no trabalho. O capítulo 3 discorreu sobre a obra estudada, seu subtrecho e alternativas que foram utilizadas para a execução da obra na seção escolhida. No capítulo 4 foi abordada a modelagem numérica feita para previsão de recalques tanto na fase de construção do aterro de duplicação quanto posteriormente a ele. Neste mesmo capítulo foram desenvolvidos os passos e considerações usadas para comparação dos resultados do PLAXIS e do monitoramento. No quinto capítulo foi elaborada a conclusão da comparação dos resultados e também ideias para futuros trabalhos envolvendo a obra. 4

20 Capítulo 2 Revisão Bibliográca 2.1 Aterros sobre solos moles Devido à origem sedimentar dos solos moles, geralmente argilosa e saturada, eles possuem grande e lenta deformabilidade, baixa permeabilidade e baixa resistência ao cisalhamento. Logo, para a realização de aterros em solos desse tipo, existem diversas técnicas que visam diminuir recalques devido ao adensamento, aumentar a estabilidade dos taludes ou interferir em ambos os fatores. Essas técnicas são enumeradas e brevemente explicadas nos métodos construtivos apresentados na Figura Aterro reforçado Os aterros reforçados são aterros que possuem um reforço estrutural através de uma malha na sua base como indicado no item (a) da Figura 2.1. Neles são utilizados geossintéticos, geogrelha ou geotêxtil. Esses polímeros de alta resistência e rigidez aumentam a capacidade de carga da fundação. A restrição da deformação do aterro e/ou reforço da resistência a tração são utilizados nesse caso (DOMINONI, 2011 [12]). 5

21 Figura 2.1: Técnicas de construção de aterros sobre solos moles (LEROUEIL, 1997 [19]) Bermas de equilíbrio As bermas de equilíbrio tem como nalidade o acréscimo do equilíbrio global do aterro em conjunto com o solo mole. Para a implantação da berma é necessário que a obra tenha disponibilidade de espaço e material para sua construção (DOMINONI, 2011 [12]). Essa solução está representada no item (b) da Figura Construção em etapas A construção de aterro em etapas (item (c) da Figura 2.1) é recomendada quando a implantação total do aterro apresenta um fator de segurança muito baixo. Um aterro alteado em etapas permite que haja um ganho de resistência da argila mole, pela dissipação do excesso de poropressão, antes de ser implementada a próxima camada de aterro. Para execução dessa técnica é fundamental o monitoramento e acompanhamento dos valores de resistência não drenada durante os alteamentos (ALMEIDA e MARQUES, 2010 [5]). 6

22 2.1.4 Redução da altura do aterro Esse método consiste em uma adaptação do projeto visando diminuir a carga do aterro sobre solos moles, aumentando tanto a estabilidade quanto o recalque. A redução da altura de recalque é ilustrada na Figura 2.1 no item (d) Aterros leves Para a execução dessa solução (item (e) da Figura 2.1), os materiais usados devem ser de pequena densidade. Entre esses materiais estão argila expandida, isopor, pneus picados e serragem. O uso desses materiais para composição do aterro visa ter um maior controle dos recalques, já que tanto os recalques primários quanto os secundários são causados por acréscimo de tensão vertical sobre o solo mole Colunas de brita No intuito de reforçar o solo é formado um conjunto estaca-solo para aumentar a resistência ao deslocamento vertical e horizontal após a aplicação da carga de aterro. Nesse método, ilustrado no item (f) da Figura 2.1, podem ser utilizados brita ou outros materiais granulares na camada de solo mole Colunas de solo estabilizados ou colunas de cal Esse método (item (f) da Figura 2.1) consiste no melhoramento do solo por meio de sua mistura com um aglutinante, geralmente calda de cimento (PINTO, 2016 [23]). Esses melhoramentos atuam nas características mecânicas (resistência e deformabilidade) e diminuição da permeabilidade do solo Aterro sobre estacas Os aterros sobre estacas (item (h) da Figura 2.1) têm como função distribuir as cargas do aterro para solos mais competentes abaixo da camada de solo mole, diminuindo assim a solicitação das tensões verticais sobre as camadas de menor 7

23 resistência. Essa transmissão de carga é feita por meio de estruturas rígidas como estacas de aço ou colunas de materiais granulares (ALMEIDA e MARQUES, 2010 [5]) Substituição parcial ou total de solos moles Este método (item (i) e (j) da Figura 2.1) visa a diminuição de recalques e aumento da resistência à ruptura. O uso dessa técnica é viável para espessuras de camadas de até 4,0 metros de solo mole (ALMEIDA e MARQUES, 2010 [5]). O material utilizado para substituição deve ter características geotécnicas adequadas à natureza da obra Pré-carregamento por vácuo Esta técnica (item (k) da Figura 2.1) utiliza sobrecarga no aterro de até 80 kpa e drenos horizontais e verticais. O vácuo é usado por meio de um sistema de bombeamento em associação com o sistema horizontal de drenos localizados em uma camada de areia drenante. É usada uma membrana impermeável de PVC até as trincheiras periféricas para manter a estanqueidade (ROZA, 2012 [25]) Drenos verticais Os drenos verticais utilizados nessa solução (item (l) da Figura 2.1) têm como objetivo acelerar o processo de adensamento através da drenagem radial combinada com a vertical. Esse processo é acelerado porque os drenos diminuem o caminho de uxo da água, não alterando o valor nal do adensamento, mas aumentando a velocidade seu processo Sobrecarga temporária Esse método (item (m) da Figura 2.1) tem como nalidade acelerar os recalques primários e fazer uma compensação total ou parcial dos secundários que não são relacionados com a dissipação de poropressão, mas com fenômenos viscosos. 8

24 2.2 Investigações Ensaios de laboratório Os ensaios de laboratório são importantes para a obtenção de vários fatores de determinação do tipo de solo e características do mesmo. Eles têm a vantagem de possibilitar maior controle da amostra, mas podem demorar mais para serem realizados, apresentar alto custo e precisar de cuidado para melhor representar as condições em campo atuantes no solo Ensaio de Compressão Triaxial O ensaio de compressão triaxial convencional é realizado através da aplicação de uma tensão connante em um corpo de prova cilíndrico e posterior adição de uma tensão desviadora ( σ 1 ou σ 1 σ 3 ) aplicada axialmente por um pistão localizado na face superior do corpo de prova (PINTO, 2006 [22]). O esquema do ensaio é demonstrado na Figura 2.2. Caso o ensaio seja de carregamento, os planos horizontais e verticais são os principais. Sendo o plano horizontal o maior (σ 1 ), e o vertical o menor (σ 3 ), pela ausência de tensões de cisalhamento nas bases e nas geratrizes do corpo de prova. Com os valores das tensões principais, é possível traçar o círculo de Mohr (Figura 2.3). Fazendo o ensaio para diferentes tensões connantes e tendo o valor das tensões desviadoras durante a ruptura, é obtida envoltória de ruptura. Os ensaios triaxiais podem ter variações referentes a condição de drenagem. A seguir serão descritos os tipos mais básicos (PINTO, 2006 [22]): Ensaio adensado drenado (CD): nesse ensaio há permanente drenagem do corpo de prova em ambas as fases do ensaio, que são as fases de adensamento e carregamento. A fase de adensamento consiste na aplicação da tensão connante, ocorrendo a drenagem do corpo de prova para a dissipação do excesso de poropressão. Após o adensamento, é feito o carregamento axial também 9

25 Figura 2.2: Esquema da câmara de ensaio triaxial (PINTO, 2006 [22]) drenado. O volume de água que sai durante o carregamento pode ser considerado como a variação de volume do corpo de prova. Para que a poropressão durante o carregamento seja praticamente nula, a velocidade de aplicação da carga deve ser compatível com a permeabilidade do solo. Alguns solos pouco permeáveis podem precisar de 20 dias ou mais de duração de ensaios e solos mais permeáveis apenas alguns minutos. Nesse ensaio é possível obter a resistência em termos de tensão efetiva. Ensaio adensado não drenado (CU): a fase de adensamento desse ensaio ocorre da mesma forma que no ensaio anterior. O carregamento é feito sem drenagem, de forma que não há variação de volume nem dissipação de poropressão no corpo de prova nessa fase. Com esse ensaio pode ser obtida a resistência não drenada e, caso a poropressão seja medida, pode ser calculada a resistência em termos de tensão efetiva. Ensaio não adensado não drenado (UU): nesse ensaio não há drenagem do 10

26 Figura 2.3: Envoltória de resistência obtida com resultado de ensaios de compressão triaxial (PINTO, 2006 [22]) corpo de prova durante a aplicação da tensão connante ou durante o carregamento. Deste modo, o teor de umidade permanece constante e não há alteração de volume se o corpo de prova esiver saturado. O ensaio é interpretado em termos de tensões totais Ensaios de Caracterização Índice de Consistência O estado físico em que as argilas se encontram pode ser relacionado com o índice de vazios da amostra. Uma vez que grande parte das amostras de argilas obtidas em campo estão saturadas, há uma relação direta entre o índice de vazios e a umidade nesses casos. Para relacionar o comportamento da argila com a umidade da mesma, foi proposto por Terzaghi o índice de consistência, com a expressão abaixo: Sendo, IC - Índice de Consistência LL - Limite de Liquidez w - Umidade LP - Limite de Plasticidade IC = LL w LL LP 11 (2.1)

27 Os limites de consistência são determinados através da fração do solo que passa na peneira número 40 (0,42 mm), já a umidade é referente a todo o solo. Logo, o índice de consistência só pode ser calculado diretamente se todo o solo passar nessa peneira. A estimativa de consistência pelo índice de consistência (IC) é mostrada abaixo (PINTO, 2006 [22]). IC = 0 Muito moles 0 < IC < 0, 5 Moles 0, 5 < IC < 0, 75 Médias 0, 75 < IC < 1, 0 Rijas IC > 1, 0 Duras Índice de plasticidade O índice de plasticidade (IP) é uma das formas de identicação do solo (PINTO, 2006 [22]). Esse índice é calculado através da expressão abaixo que utiliza os limites de Atterberg. IP = LL LP (2.2) Sendo, LL - Limite de Liquidez LP - Limite de Plasticidade O limite de liquidez (LL) é o teor de umidade do solo necessário para fechar uma ranhura nele, feita com 25 golpes em uma concha, como na Figura 2.4. O limite de plasticidade (LP) é denido pelo teor de umidade mínimo com o qual é possível moldar um cilindro de 3 mm de diâmetro, rolando-se o solo com a palma da mão (NBR7180, 2016 [4]). O procedimento é ilustrado na Figura 2.5. Para obtenção da umidade em cada método, são realizadas diversas tentativas com diferentes umidades. 12

28 Figura 2.4: Aparelho de Casagrande (PINTO, 2006 [22]) Figura 2.5: Método de obtenção do índice de plasticidade (MOLINA, 2017 [21]) Teor de Umidade Natural A umidade (w) é a razão entre o peso da água e dos sólidos da amostra. Para determinar esses valores, é medido o peso do solo em seu estado natural. Depois esse solo é seco em uma estufa a 105 C até o peso se manter constante e então pesa-se novamente. O peso da água é a diferença entre o peso do solo em seu estado natural e seu peso quando seco (PINTO, 2006 [22]). 13

29 Índice de Vazios O índice de vazios (e) é a relação entre o volume de vazios de o volume de sólidos do solo. O cálculo dele não pode ser feito diretamente, mas sim a partir de outros índices (PINTO, 2006 [22]). Podem ser usadas relações como as abaixo: ( ) γs e = 1 (2.3) γ s - Peso especíco dos grãos γ d - Peso especíco aparente seco, determinado indiretamente pela relação γ d γ d = γ n 1 + w (2.4) γ n - Peso especíco natural do solo w - Umidade Para obtenção do peso especíco dos grãos (γ s ), coloca-se um peso seco conhecido em um picnômetro, completa-se o volume do mesmo com água destilada e pesa-se o conjunto. Depois, é pesado o picnômetro com volume preenchido apenas com água. Como a densidade da água já é conhecida e o volume interno do picnômetro também, é necessário somente o conhecimento do peso de água deslocada para obter o volume ocupado pelos grãos do primeiro conjunto. O esquema da forma de obtenção é ilustrado na Figura 2.6. Figura 2.6: Esquema de determinação do volume dos sólidos pelo peso da água deslocada no ensaio de peso especíco dos grãos (PINTO, 2006 [22]) O peso especíco natural é obtido através da moldagem de um cilindro do solo 14

30 com dimensões conhecidas para que seja possível calcular o volume. O peso do solo contido no cilindro dividido pelo volume da amostra é o peso especíco natural Granulometria A análise granulométrica, conjuntamente com os ensaios para estipular os índices de consistência, é usada para identicação do solo a partir das partículas que os constituem. Para a determinação das porcentagens de grãos menores que o diâmetro estipulado, é feito o peneiramento. Com os grãos que passam de peneira n º 200 (0,075mm) é feito o ensaio de sedimentação (PINTO, 2006 [22]). Com as informações obtidas por esses dois métodos é possível construir uma curva de distribuição granulométrica deste solo. Assim, são obtidas as porcentagens de argila, silte, areia na, areia média e pedregulho presentes no solo como no exemplo da Figura 2.7. Figura 2.7: Exemplo de curva de distribuição granulométrica do solo (PINTO, 2006 [22]) 15

31 Ensaio de adensamento O ensaio de adensamento também pode ser chamado de ensaio de compressão edométrica ou ensaio de compressão connada. De acordo com a norma (NBR12007, 1991 [2]), ele consiste na compressão de um solo contido dentro de um molde cilíndrico que impede deformação lateral como mostrado na Figura 2.8. Este ensaio simula o comportamento de um solo quando comprimido pela ação do peso de novas camadas que sobre ele se depositam, ou seja, para situação de construção de aterros sobre grandes áreas (PINTO, 2006 [22]) Figura 2.8: Esquema de aplicação do ensaio edométrico [28] O ensaio é feito em um corpo de prova saturado com pedras porosas acima e abaixo dele. No ensaio são aplicadas cargas axiais por uma prensa na célula de compressão edométrica. O carregamento é feito em etapas para cada carga aplicada, primeiro registra-se a deformação a diversos intervalos de tempo, até que a mesma tenha praticamente cessado. O tempo de duração do ensaio vai de minutos para areias até dezenas de horas para argilas. Pode ser representado o índice de vazios em função das tensões verticais efetivas atuantes. A partir de grácos como o da Figura 2.9, é possível a obtenção de importantes paramêtros como índice de 16

32 compressão virgem (Cc), de descompressão (Cs) e recompressão (Cr). Figura 2.9: Gráco e x logσ vm (MARTINS, 2016 [20]) Este mesmo ensaio pode determinar a tensão de sobreadensamento do solo (σ vm) pelo método Pacheco Silva (1970). Esse método é aplicado traçando uma reta horizontal que parte do índice de vazios inicial da amostra (e 0 ). A seguir, o trecho de compressão virgem é prolongado até o ponto em que cruze a reta horizontal. Nesse ponto é traçada para baixo uma reta vertical até a curva. Deste segundo ponto é traçada uma horizontal até o prolongamento do trecho de compressão virgem. A abcissa desse último ponto de interseção é correspondente a tensão de sobreadensamento (σ vm ) do solo, em escala logaritmica. Esse método está esquematizado na Figura Também é possível obter, através desse ensaio, o coeciente de adensamento c v do solo. Esse coeciente está ligado a características como porosidade, permeabilidade e compressibilidade. A obtenção desse coeciente é feita segundo a seguinte equação (NBR 12007, 1991 [2]): Sendo, c v = 0, 197(0, 5H 50) 2 t 50 (2.5) 17

33 Figura 2.10: Método Pacheco Silva (MARTINS, 2016 [20]) c v - Coeciente de adensamento (cm/s) H 50 - Altura do corpo de prova relativa a 50% do recalque (cm) (pode ser obtida pela média da altura do corpo de prova 0% adensado e 100% adensado) t 50 - Tempo decorrente de 50% do adensamento primário (s) A permeabilidade vertical k v do solo pode ser determinada através da sua relação com c v demonstrada abaixo (PINTO, 2006 [22]). Sendo, c v = k - Permeabilidade vertical do solo (cm/s) e - Indice de vazios a v - Coeciente de compressibilidade γ w - Peso especíco da água (10 kn/m 3 ) k(1 + e) a v γ w (2.6) Para isso, é necessário também o conhecimento do coeciente de compressibilidade (a v ). Ele é obtido através do gráco índice de vazios tensão vertical efetiva 18

34 (Figura 2.11) gerado a partir do ensaio de adensamento. Figura 2.11: Gráco utilizado para obtenção do coeciente de compressibilidade (FREITAS, 2016 [14]) O coeciente de compressibilidade é denido pela equação 2.7. a v = e σ v (2.7) Sendo, e - Índice de vazios σ v - Tensão vertical efetiva (kn/m 2 ) O coeciente de compressibilidade também pode ser obtido através da relação com outros parâmetros como mostrado na Figura 2.12, onde σ v representa a tensão vertical efetiva média no intervalo. 19

35 Figura 2.12: Relação entre os parâmetros de compressibilidade na compressão con- nada (LAMBE e WHITMAN, 1969 [18]) Sendo, M (ou E oed ) - Módulo de connamento m v - Coeciente de variação volumétrica a v - Coeciente de compressibilidade C c - índice de compressão Ensaios de campo Os ensaios realizados em campo têm a vantagem de ter rápidos resultado e aplicação e reprodução fácil das condições originais de campo. Alguns parâmetros como poropressão e estatigraa do local também são exclusivamente determinados por eles Ensaio CPTu O ensaio Cone Penetration Test (CPT) ou ensaio de penetração estática consiste na penetração de um cone no solo, verticalmente, na velocidade uniforme de 2 cm/s. O instrumento, chamado de piezocone, possui uma ponteira cônica com uma abertura de 60 o e seção transversal de 19cm 2. Em solos argilosos são necessários ensaios CPTu que fornecem dados que o en- 20

36 saio CPT fornece, resistência de ponta (q c ) e atrito lateral (f s ), além de dados dos excessos de poropressão gerados. São gerados dados detalhados pois as medidas são feitas nos intervalos de 1cm. Medidas as quais são obtidas através de sensores elétricos já instalados no piezocone ou cone elétrico. Com esse ensaio é possível gerar um perl estratigráco relacionando propriedades de diferentes solos, diferenciar penetração drenada e não drenada, estimar parâmetros geotécnicos e propriedades do terreno, e métodos diretos de cálculo. As medições são feitas através de diferentes partes do instrumento, a poropressão é medida por dois elementos porosos ao longo do cone com o objetivo de avaliar a inuência da distância do transdutor de poropressão na base do cone, ou prevenção caso haja mau funcionamento de um dos transdutores. O piezocone e seus transdutores de poropressão estão ilustrados na Figura Figura 2.13: Esquema de sensores de um piezocone (ALMEIDA e MARQUES, 2010 [5]) São obtidas leituras do transdutor na base do cone, chamada u 1, e do outro transdutor, chamada u 2. A diferença dessas duas leituras se dá pelo maior efeito da 21

37 tensão normal em u 1 enquanto em u 2 é predominante o efeito da tensão cisalhante. Logo as leituras de u 2 podem ser leituras de poropressões negativas. O ensaio CPTu faz a correção da resistência de ponta em função da poropressão medida e da área corrigida. Essa correção é necessária por causa da diferença da atuação da poropressão em diferentes áreas da geometria do cone. A correção obedece a equação 2.8. q t = q c + u 2 (1 a) (2.8) Sendo, q t - Resistência de ponta medida durante o ensaio q c - Resistência de ponta corrigida a - Relação entre as áreas do cone (A n /A t ) representada na Figura 2.14 Figura 2.14: Esquema de áreas um piezocone usadas para correção da resistência de ponta (ALMEIDA e MARQUES, 2010 [5]) 22

38 Coeciente de Adensamento Horizontal A obtenção do coeciente de adensamento horizontal pode ser feita pelo ensaio de dissipação durante o ensaio CPTu. É necessário que se realize o ensaio até que dissipe a pelo menos 50% da poropressão para se estimar esse coeciente. Logo, é obtida com acurácia o valor da progressão durante o ensaio. O método HOULSBY e TEH (1989) [27] é dado por: Sendo, c h = R2 T I r t (2.9) c h - Coeciente de adensamento horizontal R - Raio do piezocone T - Fator tempo I r - Índice de rigidez (G/Su) G - Módulo de cisalhamento t - Tempo de dissipação A Figura 2.15 contêm as correlações entre as porcentagens de adensamento de acordo as progressões foram obtidas segundo HOULSBY e TEH (1989) [27]. Figura 2.15: Fator tempo T (HOULSBY e TEH (1989) [27]) Ensaio de Palheta O ensaio de palheta é realizado para obtenção da resistência não drenada (S u ) do solo in situ. Nele, uma palheta de seção cruciforme é inserida no solo na profundidade 23

39 desejada, de modo a provocar o mínimo de perturbação na estrutura do mesmo. Na Figura 2.16 está ilustrado o instrumento e suas dimensões. Figura 2.16: Resumo das dimensões mais comumente usadas no ensaio de palheta (CHANDLER, 1988 [10]) Nesse ensaio, quando realizado em argila rija de resistência não drenada acima de 50 kpa, é admitido o uso de palheta de altura de 100mm e diâmetro de 50mm. A resistência é medida durante a rotação da palheta. Essa medida é feita, primeiramente, no solo em sua estrutura original e depois com o mesmo já amolgado. Esse ensaio é aplicado em solos argilosos moles ou rijos saturados, o que permite a obtenção da resistência em condições de drenagem impedida. O equipamento pode ser inserido no solo de 4 diferentes formas, que tem objetivo de minimizar o amolgamento do solo antes do início do ensaio como mostrado na Figura

40 Figura 2.17: Resumo dos tipos mais comumente usados no ensaio de palheta (FU- TAI, 2018 [15]) 25

41 Para o cálculo da resistência não drenada (S u ) são consideradas 5 hipóteses: Não há nenhuma drenagem durante o ensaio; Isotropia e homogeneidade do solo; Superfície de ruptura cilíndrica; Diâmetro de cisalhamento D; Inexistência de ruptura progressiva. O ensaio ocorre cravando a palheta na profundidade do solo desejada 0,5 metro a frente da sapata de proteção sem rodá-la (NBR10905, 1989 [1]). Depois, a unidade de torque e medição é selecionada e os instrumentos são zerados. A palheta então deve rotacionar numa velocidade de 6±0, 6 graus por minuto, permitindo a medição de torque aplicado às hastes. O tempo decorrido entre a cravação da palheta e o início do ensaio não deve ultrapassar de 5 minutos. Durante o ensaio são desejadas leituras de 2 em 2 graus para a construção da curva torque rotação. Após a determinação do torque máximo aplicam-se 10 revoluções completas na palheta e então é refeito o ensaio para obtenção da resistência amolgada. O intervalo máximo para o término do primeiro ensaio e o começo do segundo é de 5 minutos. O resultado do ensaio deve ser similar ao formato do resultado do exemplo da Figura Figura 2.18: Exemplo de resultado de ensaio de palheta (DANZIGER, 2015 [11]) 26

42 O resultado do ensaio é relação de tempo com µ. Para obter a rotação, é multiplicado o tempo pela velocidade e µ pela constante de calibração do equipamento para obter o torque. A resistência não drenada é calculada através das equações abaixo para a amostra: Sendo, Su = 0, 86 T π D 3 (2.10) T - Torque relativo a resistência que se deseja obter, da amostra indeformada ou amolgada D - Diâmetro da palheta E a sensibilidade do solo pela razão entre a resistência da argila indeformada e da amolgada, como mostrado abaixo. S t = Su indeformada Su amolgada (2.11) Para a aproximação do resultado deste ensaio com reais rupturas ocorridas, é utilizado um fator de correção para o uso em análise de estabilidade de aterros sobre solos moles (µ) fazendo a correlação abaixo (BJERRUM, 1973 [7]). Su campo = µ Su ensaio (2.12) Sendo, µ - Fator de Bjerrum Esse fator pode ser obtido através do gráco da Figura

43 Figura 2.19: Correlação do fator de correção µ com o índice de plasticidade da argila (BJERRUM, 1973 [7]) Standard Penetration Test O Standard Penetration Test (SPT) é um método rotineiro e econômico de investigação geotécnica. Ele fornece índices de resistência a penetração conjugada a uma sondagem de simples reconhecimento, obtendo-se nível d'água e determinação de tipos de solo. O ensaio é feito de acordo com a norma (NBR6484, 1997 [3]). São coletadas amostras de solo a cada metro de profundidade por meio de amostrador padrão de diâmetro externo de 50mm. No ensaio é usado um peso de 65kg que é colocado para cair de uma altura de 750mm em relação à superfície do solo, para cravar o amostrador no fundo da escavação. O N spt é o número de golpes necessários para a cravação do amostrador 300mm após ter uma cravação inicial de 150mm. O avanço é feito a trado e quando é alcançada a profundidade do nível d'água o avanço continua com o auxílio do trépano de lavagem. Para o caso de solos moles o N spt não é representativo quando o número de golpes está entre 0 e 5, mas mesmo assim o ensaio permanece eciente para o reconhecimento da estratigraa local (SCHNAID e ODEBRECHT, 2012 [26]). O ensaio SPT pode ser usado também para obtenção de amostras deformadas para ensaios como de determinação de umidade e para encontrar os limites de Atterberg. 28

44 2.3 Instrumentação Geotécnica A instrumentação tem parte importante no monitoramento da obra e na vericação das premissas de projeto. Ela auxilia no planejamento da obra e nas vericações de segurança (ALMEIDA e MARQUES, 2010 [5]). Há dois tipos básicos de instrumentação (ROZA, 2012 [25]). Primeiro, para obtenção de características do solo ou rocha, associado a medições in situ, que são utilizadas durante a elaboração do projeto. São informações como permeabilidade e compressibilidade. Segundo, são as instrumentações com ns de monitoramento do comportamento, durante a construção e operação do empreendimento. Elas fornecem dados como poropressão, tensões totais, deformações, entre outros Marcos superciais Os marcos superciais são utilizados para o monitoramento dos deslocamentos verticais. Eles são pinos metálicos (Figura 2.20) instalados em blocos de concreto de dimensões relativamente pequenas mas suciente para ser válido considerar a posição do marco xa na superfície (ROZA, 2012 [25]). A equipe de topograa ca responsável pela leitura periódica da cota de cada marco para acompanhamento do recalque. 29

45 Figura 2.20: Esquema de posicionamento e detalhes de marco Placa de Recalque As placas de recalque são utilizadas para monitorar o deslocamento vertical de uma superfície que recebe uma grande sobrecarga, como, por exemplo, para execução de grandes aterros. Elas são placas com hastes ligadas ortogonalmente no centro da sua superfície. A placa ca horizontalmente assente na superfície da camada que recebe a sobrecarga, como demonstrado na Figura A instalação da placa de recalque é feita antes de ser iniciada a subida do aterro na superfície cujas informações de cota são desejadas. A medida é feita através de acompanhamento de medidas topográcas da cota do topo da haste, descontando o comprimento da mesma. A haste pode ser prolongada à medida que o aterro é alteado. Para não gerar dados não conáveis pelo connamento lateral da haste de metal, um tubo é instalado ao redor da haste, geralmente de PVC. 30

46 Figura 2.21: Esquema de posicionamento e detalhes de placa de recalque Perlômetro O perlômetro é um instrumento que faz medições de deslocamento vertical contínuas (GEOKON, 2011 [16]). A instalação é feita por meio de um tubo de acesso (de ferro galvanizado ou PVC/PEAD) em uma trincheira de areia na base do futuro aterro, como ilustrado na Figura O tubo deve ter uma corda guia para puxar o sensor do instrumento. Figura 2.22: Esquema de posicionamento do perlômetro 31

47 2.3.4 Extensômetro magnético (aranha magnética) Os extensômetros têm como objetivo a obtenção de dados de deslocamentos verticais no ponto do solo em que estão instalados. Existem dois tipos de extensômetro: de sonda e de haste. Extensores de sonda incluem magnéticos, SONDEX e corda vibrante. Na obra em questão, são utilizados os magnéticos, com a colocação de 3 aranhas/âncoras magnéticas por furo. O dado obtido durante a medição, é a profundidade de cada uma dessas aranhas/âncoras por meio de sonda, ligada a uma ta graduada, que emite som, ou sinal de luz, assim que passa por elas Inclinômetro O inclinômetro é um instrumento composto de um tubo guia que deve ser xado em uma camada de solo competente (rocha ou areia fortemente compactada), um torpedo e uma unidade de leitura (Figura 2.23). Esse instrumento consegue obter dados de deslocamento horizontail e, desse modo, também permite identicar a profundidade da superfície de ruptura de um talude. Esse equipamento permite a obtenção do deslocamento de duas direções ortogonais no mesmo furo, através de leituras de meio em meio metro. Sendo a direção A+ geralmente posicionada para direção com maior tendência de ruptura. É um instrumento adequado ao monitoramento a longo prazo Piezômetro elétrico de corda vibrante O piezômetro elétrico de corda vibrante é um instrumento de medição de poropressão por meio de uma unidade de leitura portátil ou um datalogger. Esse instrumento é amplamente utilizado pela vantagem da obtenção de dados de forma imediata das variações de poropressão em solos com muita baixa permeabilidade (ROZA, 2012 [25]). 32

48 Figura 2.23: Esquema de posicionamento e cálculo de deslocamento horizontal de inclinômetro (COMMETRO, 2017 [13]) Piezômetro de Casagrande O Piezômetro de Casagrande, também chamado de standpipe, é um piezômetro de tubo aberto (Figura 2.24). Ele é constituído de um bulbo instalado no local de medição da carga de pressão e de um tubo que liga o bulbo até o local onde será feita leitura. A parte do tubo do bulbo é revestida por material drenante, que serve também como ltro para não permitir a entrada de partículas de solo, e tem furos no tubo para a entrada de água. Sobre essa camada, o tubo é revestido de material bentonítico de modo a garantir a impermeabilidade do trecho. Através de um torpedo, utilizado para medir a profundidade em que está o nível d'água do tubo, se obtém o dado da cota piezométrica, que é a carga hidráulica no ponto a partir do nível do mar. 33

49 Figura 2.24: Esquema de montagem do piezômetro de Casagrande 2.4 Modelagens numéricas A modelagem numérica utilizada neste trabalho é feita através do Método dos Elementos Finitos (MEF). Esse método havia sido desenvolvido originalmente para execução de modelos estruturais e hoje em dia é usado amplamente para ns de projetos geotécnicos (ARAUJO, 2004 [6]). A análise pelo MEF fornece uma solução de maior complexidade pois minimiza as hipóteses simplicadoras das soluções analíticas. No presente trabalho será usado o programa PLAXIS 2017 com análise bidimensional (2D). Desse modo tendo uma melhor avaliação do comportamento do solo ao passar do tempo. O PLAXIS 2D permite a implantação de diversas condições de contorno no modelo, admitindo também a adoção de várias etapas da fase construtiva. Ele tem a possibilidade de trabalhar com estado plano de deformação ou axissimétricas, sendo especialmente desenvolvido para engenharia geotécnica. 34

50 O programa utiliza uma malha de elementos nitos de 6 a 15 nós de elementos triangulares, podendo ser renada ao todo ou em áreas especícas (cluster). Ele permite estipular o tipo de análise efetuada, geometria do problema, condições de contorno, nível d'água e modelos constitutivos dos diferentes materiais, de acordo com as estruturas, camadas de solo e interfaces. O PLAXIS permite a criação de estágio de carregamento correspondente às fases construtivas, podendo ser feitas fases com período de adensamento. Ele também realiza a atualização da malha de acordo com as deformações da geometria, gerando novos valores de poropressão, fator recomendado para situações com previsão de ocorrência de grandes deformações, em solos compressíveis. Os dados obtidos ao nal da simulação são relativos a pontos contidos na geometria do aterro, os dados são referentes a variações de deslocamento, poropressão e tensão atuante durante a construção do aterro. Eles são gerados em forma de tabelas ou grácos. O programa é dividido em 4 sub-programas: Input, Calculation, Output e Curves. Os quatro serão brevemente apresentados adiante Input É a parte inicial do programa onde é feito o pré-processamento dos dados de entrada usados no problema. Nele, são colocados dados de geometria da seção, elementos como geodrenos, além dos parâmetros de cada solo usado no modelo, modelo de comportamento do solo e condições de fronteira para denir a malha de estudo. Nessa fase é possível escolher o renamento da malha sabendo que quanto mais renada, melhor a análise será, o processamento, porém, é mais demorado. Podemos também denir o tipo de processamento para o estado plano de tensões ou deformações ou uma análise axissimétrica. Nele, são também geradas as tensões iniciais do solo e inserido o nível d'água. Assim, são geradas nele as poropressões iniciais do solo. 35

51 Detalhes do input utilizado no caso estudado serão apresentados no capítulo seguinte Calculation Nessa sub-rotina do programa são escolhidos os tipos de cálculos que serão realizados em função da análise que será feita. O PLAXIS possui 3 tipos de cálculo: Plástico: usado nas análises de deformações elasto-plásticas em que não é necessário incluir os efeitos das deformações excessivas; Adensamento: usado quando se deseja analisar o desenvolvimento e dissipação dos excessos de poropressão em solos saturados ao longo do tempo; Malha atualizada: esse tipo de cálculo é menos robusto que o caso plástico, porém a análise é mais demorada. Assim, é usado somente em casos especícos em que a deformação esperada tenha grande efeito na geometria do problema. No caso estudado, serão utilizados o cálculo de adensamento em fases de construção e cálculo de adensamento em fases posteriores a subida de uma parte do aterro. O caso estudado não é adequado ao uso de K 0 na fase inicial, pois não se trata de um carregamento homogêneo nas camadas de solo, formando assim anisotropia das tensões. Assim, é necessário utilizar gravity load para o cálculo das tensões iniciais existentes no solo do primeiro aterro já construído Output Com os cálculos feitos, a sub-rotina Output mostra gracamente os resultados da sub-rotina anterior. Os resultados obtidos são listados nas sub-seções a seguir Deslocamento e deformações Malha deformada; 36

52 Deslocamentos totais; Deslocamentos horizontais; Deslocamentos verticais; Incrementos totais; Incrementos horizontais; Incrementos verticais; Deformações totais ; Incrementos de informações Tensões Tensões totais; Tensões efetivas; OCR; Pontos de plasticação; Poropressões ativas; Excesso de poropressão; Carga hidráulica; Linha de uxo; Rede de uxo. 37

53 2.4.4 Curves Para obter os resultados dessa sub-rotina, primeiro deve ser estipulado em Calculation pontos determinados. No Curves são mostrados por meio de grácos e tabelas as relações entre tempo deslocamentos e tensões deformações, por exemplo. Deve-se atentar que os pontos onde são medidos os deslocamentos são os pontos nodais, e os pontos onde são medidas as deformações são os pontos de Gauss (ROZA, 2012 [25]). 2.5 Modelos constitutivos Na fase de Input os parâmetros requisitados dependem dos modelos constitutivos que foram escolhidos para cada um deles. O PLAXIS possui cinco tipos de relações tensão-deformação: elástico-linear, o modelo de Mohr-Coulomb, o modelo Hardening Soil, o modelo Soft Soil e o modelo Soft Soil Creep Modelo constitutivo para solos moles Para simular o comportamento de solos moles é usado o modelo constitutivo de Soft Soil (comportamento dependente do tempo), que abrange o processo de adensamento primário e de recalques por compressão secundária. A compressão secundária será considerada como um percentual da compressão primária, logo, ela será calculada para longos períodos (10 a 30 anos) e em que tenha um grande recalque primário. Isso costuma ocorrer no recalque de grandes sapatas e aterros, depois de alguns anos. Nesses casos é aconselhável calcular o creep pelo método de elementos nitos pelo computador Hardening soil O modelo Hardening Soil é um modelo mais avançado que o Mohr Coulomb. Ele demanda parâmetros de módulo de elasticidade na compressão triaxial (E), o 38

54 módulo de elasticidade na descompressão triaxial (E ur ) e o módulo de elasticidade na compressão oedométrica (E oed ). Desse modo, pode-se ter uma abordagem de rigidez do sistema bem mais precisa. Ao contrário do modelo de Mohr Coulomb, o Hardening Soil admite variação de rigidez com a variação do estado de tensões no solo. Ele será usado nesse trabalho para modelagem da camada mais profunda de areia, do aterro, das bermas e das areias de substituição. Os três módulos de rigidez desse modelo são referentes a uma pressão de referência (p ref ). A seguir são citadas características do modelo: Descarregamento/ carregamento elástico; Deformações plásticas devido a um carregamento desviatório primário; Ruptura de acordo com o critério de Mohr-Coulomb; Deformações plásticas devido a compressão primária; Rigidez do solo depende de uma lei de potência. No gráco da Figura 2.25 é ilustrada a relação entre tensão deformação desse modelo. Figura 2.25: Relação hiperbólica entre deformação e tensão do modelo Hardeningsoil (ARAUJO, 2004 [6] Sendo, 39

55 q a - Resistência ao cisalhamento assíntota à curva tensão x deformação q f - Valor real da resistência ao cisalhamento E 50 - Módulo de elasticidade dependente da tensão connante para o carregamento primário, dado pela equação E 50 = E ref 50 ( ) (c cot (ϕ)) σ 3 ((c cot (ϕ)) p ref ) m (2.13) E ref 50 - Módulo de elasticidade correspondente a pressão de referência connante c - Coesão efetiva do solo ϕ - Ângulo de atrito do solo σ 3 - Tensão horizontal p ref - Pressão de referência para rigidez (kn/m 3 ) E ur - Módulo de elasticidade para descarregamento e carregamento, correspondente a uma pressão de referência p ref. Dado pela equação E ur = E ref ur σ 3 - Tensão connante do ensaio triaxial ((c cot (ϕ)) σ 3 ) (c cot (ϕ)) p ref (2.14) O próprio manual do programa recomenda, para muitos casos práticos, utilizar E ur igual a 3 vezes E 50. Os parâmetros necessários para o modelo Hardening soil são: Coesão do solo (c); Ângulo de atrito do solo (ϕ); Módulo de elasticidade secante no ensaio triaxial drenado (E ref 50 ); Módulo de elasticidade tangente para o carregamento primário edométrico (E ref oed ); Potência para a dependência nível de tensões x rigidez (m); Módulo de elasticidade ao carregamento/descarregamento (E ur ); Coeciente de Poisson no descarregamento/recarregamento (ν ur ); 40

56 Pressão de referência para o módulo (p ref ); K 0 do solo normalmente adensado (K nc 0 ); Razão de ruptura (R f = q f /q a ); Tensão de resistência a tração (σ tension ); Incremento de coesão com profundidade (c increment ). O módulo de rigidez tangente na compressão unidimensional (E oed ) também é calculado neste modelo constitutivo, embora não esteja representado na Figura Ele é denido pela equação Logo, E ref oed ( ) (c cot (ϕ)) σ E oed = E ref 3 oed ((c cot (ϕ)) p ref ) (2.15) é um módulo de rigidez para uma tensão vertical σ 1 = p ref. Ele está representado na Figura Figura 2.26: Relação gráca de E ref oed para ensaios edométricos (ARAUJO, 2004 [6]) Soft soil O Soft Soil é baseado no modelo Cam-Clay, desenvolvido para simular solos altamente compressíveis como argilas. Ele é caracterizado por: 41

57 Ruptura segundo o critério Mohr-Coulomb; Diferenciação entre carregamento primário e descarregamento-recarregamento; Capacidade de levar em conta a história de tensões; Rigidez dependente do nível de tensões. Esse modelo estipula uma relação logarítmica mostrada abaixo, relacionando a tensão média efetiva p e a deformação volumétrica Σ v, que pode ser formulada como sendo para a compressão primária. ( )) p Σ v Σ v0 = λ (ln p 0 (2.16) Sendo, λ - Índice de compressão modicado Σ v e Σ v0 - Deformações volumétricas nos pontos do gráco relativos respectivamente a p e p 0 p e p 0 - Tensões médias efetivas em dois diferentes pontos do gráco O gráco citado é o representado na Figura Figura 2.27: Relação tensão-deformação usada no modelo Soft-Soil (ARAUJO, 2004 [6]) Pode-se notar que o parâmetro λ é diferente do λ do modelo Cam-Clay pois ele relaciona Σ v com p. A equação 2.17 serviria pra simular uma possível fase de 42

58 descarregamento-recarregamento. ( ) p Σ v Σ v0 = κ ln p 0 (2.17) Sendo, κ - Índice de expansão modicado (expressa o comportamento do material durante um descarregamento, seguido de um recarregamento) Durante a fase descarregamente-recarregamento do solo, é assumido que que ele se comporta como sendo elástico, de acordo com a lei de Hooke. Logo, há uma dependência linear do módulo de deformação volumétrica com nível de tensões: Sendo, κ ur = E ur 3(1 2ν ur ) = p κ (2.18) κ e λ - Parâmetros obtidos através de ensaios oedométricos E ur - Módulo de elasticidade no descarregamento/recarregamento ν ur - Coeciente de Poisson no descarregamento/recarregamento Os parâmetros κ e λ podem ser obtidos através de correlações com os parâmetros do modelo Cam-Clay e, por conseguinte, por resultados do ensaio edométrico, Cc e Cr, através das expressões abaixo. κ = λ = κ 1 + e = Cr 2, 3(1 + e 0 ) λ 1 + e = Cc 2, 3(1 + e 0 ) (2.19) (2.20) Sendo, e 0 - Índice de vazios inicial do solo Os parâmetros necessários para o modelo Soft Soil são: c -Coesão do solo; ϕ - Ângulo de atrito do solo; 43

59 ψ - Dilatância do solo em graus; λ - Índice de compressão modicado; κ - Índice de expansão modicado; ν ur - Coeciente de Poisson no descarregamento/recarregamento; K nc 0 - Coeciente de empuxo para solos normalmente adensado; M - Parâmetro K nc 0. O valor de M representa a inclinação da linha dos estados críticos do modelo Cam-Clay. Ele não pode ter seu valor diretamente colocado no programa, pois o mesmo é calculado através da relação da equação 2.21 (BRINKGRECE, 2014 [9]). (1 k0 nc ) M = 3 2 (1 + 2k0 nc ) + (1 knc 0 )(1 2ν ur ) ( λ 1 ) κ (2.21) 2 (1 + 2k0 nc )(1 2ν ur ) λ (1 k nc κ 0 )(1 + ν ur ) Sendo, k nc 0 - Coeciente de empuxo para solos normalmente adensado ν ur - Coeciente de Poisson κ e λ - Parâmetros do modo Cam-Clay modicado O modelo do Soft Soil será usado para modelar as camadas de argila que estão abaixo do aterro. 44

60 Capítulo 3 A Obra Estudada No presente trabalho foi abordada a comparação de valores de recalque entre o resultado de análise numérica e dados coletados em campo pelo monitoramento. A solução que será abordada para a seção abrange o trecho a Já os dados de monitoramento e os parâmetros dos solos e dos materiais utilizados no modelo foram baseadas em dados apresentados no projeto para a seção Neste capítulo estão apresentados os dados que foram disponibilizados da obra entre os km e o km , de resultados de ensaios de investigação geotécnica, soluções adotadas em outras partes desse trecho e um levantamento da instrumentação instalada. Após essa visão geral, foram elucidadas com maiores detalhes as informações relativas a seção Investigações Geotécnicas O levantamento das investigações geotécnicas realizadas foi referenciado do trabalho de conclusão de curso de BOUCH, 2017 [8]. Essse mesmo autor trabalhou com uma outra seção da mesma obra estudada no presente trabalho e, portanto esse trabalho compartilha dos mesmos dados. Esses dados estão apresentados nas Tabelas 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 e

61 3.1.1 Sondagens e ensaios SPT Na Tabela 3.1 foi apresentado um resumo das sondagens e ensaios SPT realizados ao longo de todo o trecho da obra trabalhado (BOUCH, 2017 [8]). Devido a grande extensão da obra, só a sondagem realizada na seção será apresentada pois é a mais próxima da seção , a apenas 80 quilômetros de distância. A sondagem é apresentada nas Figuras 3.1, 3.2 e

62 Tabela 3.1: Resumos das sondagens (BOUCH, 2017 [8]) Sondagem Aterros existentes Solos Moles NA km Espessura (m) N SP T Espessura (m) N SP T Prof. (m) , P - 1 0, , , P 0, , , /50-3 2, , , /40-2 2, , , , /45-4 2, , , /40-4 2, /40-1 0, P ,1 P ,1 1 1,9 1 1, P ,4 P , P - 1/ P P , , , , P - 3 0, /40-2 1, ,6 1/40 5,4 1/40-4 1, ,2 1/25 5,8 1/40-3 1, ,9 1 6, ,7 1 5,3 1/45-3 1, ,3-4,7 P - 2 0, , , ,86 47

63 Figura 3.1: Sondagem na seção até 9,0 m de profundidade 48

64 Figura 3.2: Sondagem na seção de 9,0 m até 27,0 m de profundidade 49

65 Figura 3.3: Sondagem na seção de 27,0 m até 30,45 m de profundidade 50

66 Pode ser observada na Figura 3.1 a espessura de 5,0 metros da camada de argila. Oferecendo então, uma ordem de grandeza da espessura dessa camada nas proximidades. Esse ensaio, combinado a outros, pode ser usado para estimar a espessura da camada de argila da seção , de interesse para o presente trabalho CPTu Na Tabela 3.2 estão presentes os resultados de coecientes de adensamento horizontal (c h ) obtidos a partir do ensaio CPTu realizados em diferentes seções e diferentes profundidades. Esses resultados são decorrentes dos 14 ensaios realizados. Tabela 3.2: Resumo dos ensaios CPTU (BOUCH, 2017 [8]) c h CPTU km Profundidade (m) Obs. cm 2 /s m 2 /ano ,3 9,4 x , ,01 3,9 x ,3 4,11 2,8 x ,3 2,03 3,2 x , ,1 x ,9 6,54 1,8 x ,7 Areia argilosa 2,01 6,4 x , ,05 1,5 x ,7 6,01 5,3 x , ,02 3,7 x ,7 4,26 8,6 x , ,31 3,3 x ,1 4,1 2,4 x , ,26 2,1 x , ,15 1,6 x ,6 4,08 1,9 x ,8 Areia argilosa ,16 3,9 x ,31 1,8 x ,6 Areia argilosa ,05 8,3 x ,8 4,1 3,7 x ,8 Areia argilosa ,11 4,8 x ,4 4,07 2,9 x ,5 Areia argilosa ,2 7,9 x , ,02 1,3 x ,27 2,1 x ,6 Areia argilosa O ensaio CPTu da seção também pode ser usado para obter uma estimativa ainda melhor das propriedades da espessura de solo mole. Por meio dos 51

67 valores de resistência de ponta e de atrito lateral indicados na Figura 3.4 pode ser observado um aumento da rigidez das camadas que se aproximam da profundidade de 6,0 metros. Figura 3.4: Resultado do ensaio de CPTu da seção Ensaio de Palheta Os ensaios de palheta (ou Vane Test), como explicado no item , podem gerar dados de resistência não-drenada do solo não amolgado (Su) ou amolgado (Su amolgado ) e sensibilidade do mesmo (S). Na Tabela 3.3 são apresentados esses dados relativos aos ensaios realizados em 13 diferentes pontos da obra. 52

68 Tabela 3.3: Resumo dos Ensaios de Palheta (BOUCH, 2017 [8]) VT km Prof. (m) Su indeformado (kpa) Su amolgado (kpa) Sensibilidade (S) 2,5 6,2 5,2 1, ,5 24,9 3,8 6,6 4,5 47,1 19,3 2,4 5,5 39,6 16,2 2,4 2,5 26,9 4,8 5, ,5 30,1 5,1 5,9 5,5 26,2 6,9 3,8 3,5 17,9 3, ,5 20,7 3,7 5,6 5,5 26,7 9,6 2, ,5 13,8 2,6 5,3 4,5 38,4 12, ,5 10,6 1,8 5,9 4,5 55,5 23,3 2, ,5 18,5 6,4 2,9 4,5 21,2 9 2, ,5 29,4 10,8 2,7 5, , ,5 25,6 6,2 4,1 4,5 70,3 17,3 4, ,5 23,6 6,5 3,6 4,5 40,5 9,8 4,1 2,5 6,5 3, ,5 34,5 6,3 5,5 5,5 48,9 13,4 3, ,5 17,4 3,5 5 4,5 34,5 11,6 3 2,5 13,6 2, ,5 21,2 5,9 3,6 4,5 23,5 8,1 2, ,5 17,3 3,6 4,8 3,5 34,3 6,5 5,3 Foram também disponibilizadas algumas leituras de ensaio de palheta. Para ns de estimar melhor as propriedades de resistência que estão sendo usadas e analisar se há compatibilidade com o resultado do ensaio. O ensaio de palheta nas proximidades da seção é relativo a seção e os 3 ensaios nessa seção são mostrados nas Figuras 3.5 e

69 Figura 3.5: Resultado do ensaio de palheta da seção /2 Figura 3.6: Resultado do ensaio de palheta da seção /2 54

70 3.1.4 Ensaios de laboratório Para a realização dos ensaios de laboratório foram coletadas 16 amostras indeformadas através de cravação de amostrador tipo Shelby com diâmetro de 4. Foram realizados os ensaios previamente explicados no item e indicados abaixo: Granulometria; Densidade real das partículas; Determinação de índices físicos; Limites de Atterberg; Adensamento unidimensional; Compressão simples. O resumo dos resultados desses ensaios são indicados nas Tabelas 3.4 e 3.5. Tabela 3.4: Resumos dos ensaios de caracterização (BOUCH, 2017 [8]) Amostra Shelby Índices Físicos Frações Granulométricas Limites de Atterberg km Prof.(m) h(%) γ n(g/cm 3 ) e 0 Argila(%) Silte(%) Areia(%) LL(%) LP(%) IP(%) ,0 a 3,5 73,9 1,44 2,27 17,3 60,3 22, ,0 a 5,5 40,3 1,71 1,2 13,6 59,8 26, ,0 a 2,5 95,3 1,44 3,03 52,8 45,5 1, ,0 a 4,5 104,4 1,39 2,99 26,7 68,4 4, ,0 a 2,5 99,5 1,36 2,68 21,1 77,6 1, ,0 a 3,5 72,2 1,53 2,16 18,3 80,6 1, ,0 a 3, ,9 71,3 23, ,5 a 3,0 70,4 1,62 1,78 8,3 66,3 25, ,5 a 3,0 33,6 1,68 1,19 4,4 58,2 37,4 NL NP ,0 a 2,5 67,5 1,57 1,89 12,8 69,4 17, ,5 a 3, ,42 3, ,2 1, ,0 a 4,5 68,7 1,6 2,04 16,4 69,4 14, ,0 a 2, ,33 3,23 12,2 86, ,0 a 4,5 51,9 1,58 1,63 9,5 85,2 5, ,0 a 2,5 123,3 1,36 3, ,2 0, ,0 a 3,5 78,7 1,52 2,32 22,1 71,7 6,

71 Tabela 3.5: Resumos dos ensaios de adensamento (BOUCH, 2017 [8]) Amostra shelby c σ pa(kpa) V Cr Cc OCR km Prof.(m) cm 2 /s m 2 /ano ,0 a 3,5 60 0,15 1,17 2,14 1,7 x , ,0 a 5,5 44 0,05 0,41-2,8 x , ,0 a 2,5 76 0,21 1,49 2,87 5,8 x , ,0 a 4,5 41 0,2 1,34 1,06 1,5 x , ,0 a 2,5 30 0,15 1,28 1,13 8,1 x , ,0 a 3,5 28 0,06 0,72-7,2 x , ,0 a 3, ,5 a 3,0 20 0,08 0,61-1,2 x , ,5 a 3,0 40 0,07 0,29-3,2 x , ,0 a 2,5 31 0,09 0,76 1,82 1,8 x , ,5 a 3,0 36 0,18 1,45 1,71 4,3 x , ,0 a 4,5 70 0,1 0,95 2,33 9,0 x , ,0 a 2,5 41 0,23 1,47 2,28 2,1 x , ,0 a 4,5 32 0,06 0,5 1,07 2,0 x , ,0 a 2,5 20 0,22 1,46 1,11 2,0 x , ,0 a 3,5 31 0,1 0,98 1,29 2,8 x , Soluções Empregadas Devido a estratigraa e requisitos do greide de projeto ao longo do trecho construído, as soluções adotadas para diferentes pontos variam. Elas visam acelerar os recalques, objetivando a redução das deformações na ferrovia na fase operacional, e melhorando assim a estabilidade do projeto. As soluções do projeto encontram-se de forma resumida na Tabela

72 Tabela 3.6: Soluções empregadas (BOUCH, 2017 [8]) T recho Soluções empregadas Sobrecarga e remoções de solos moles Sobrecarga, colunas de areia encamisadas, geogrelhas e bermas de equilíbrio Sobrecarga, colunas de areia encamisadas, geogrelhas e bermas de equilíbrio Sobrecarga, drenos verticais broquímicos, geogrelhas e bermas de equilíbrio Sobrecarga, drenos verticais broquímicos e bermas de equilíbrio Sobrecarga e bermas de equilíbrio Sobrecarga e geogrelhas para pavimento e bermas de equilíbrio 3.3 Instrumentações Geotécnicas O resumo da instrumentação que foi utilizada para acompanhar a obra e suas respectivas localizações estão indicadas nas Tabelas 3.7, 3.8, 3.9, 3.10 e As colunas de Afastamento (m) são referentes ao afastamento do instrumento em relação ao eixo da ferrovia. Tabela 3.7: Localização dos Piezômetros de Casagrande (BOUCH, 2017 [8]) km Afastamento(m) Camada Profundidade(m) Quantidade Areia sob argila mole 6, Areia sob argila mole Areia sob argila mole Areia sob argila mole Areia sob argila mole Areia sob argila mole 8 1 Total

73 Tabela 3.8: Localização dos Piezômetros Elétricos (BOUCH, 2017 [8]) km Afastamento(m) Camada Profundidade(m) Quantidade Areia de substituição 3, Entre colunas 4, , Entre colunas 1, , , Entre colunas 1, , Eixo 2, , Eixo 2, , Eixo 1,5-2,5-3, Eixo 2,8-3,8-4, Eixo 3, , Eixo 1, , Eixo 1, , Eixo 1, , Eixo 1, , Eixo 1, , Eixo 1, , Eixo 1, , Eixo 1, ,5 3 Total Tabela 3.9: Localização dos Inclinômetros (BOUCH, 2017 [8]) km Afastamento(m) Camada Profundidade(m) Quantidade Pé do talude Ao lado das fundações da ponte Sobre bermas longitudinais Sobre bermas longitudinais Ao lado das fundações da ponte Pé do talude Pé do talude Pé do talude Pé do talude Pé do talude 15 1 Total

74 Tabela 3.10: Localização dos Marcos Superciais (BOUCH, 2017 [8]) km Afastamento(m) Quantidade Total

75 Tabela 3.11: Localização das Placas de Recalque (BOUCH, 2017 [8]) km Afastamento(m) Local Quantidade 20 Bordo direito Eixo 3 30 Bordo Esquerdo 20 Bordo direito Eixo 3 30 Bordo Esquerdo 20 Bordo direito Eixo 3 30 Bordo Esquerdo 20 Bordo direito Eixo 3 30 Bordo Esquerdo 20 Bordo direito Eixo 3 30 Bordo Esquerdo 20 Bordo direito Eixo 3 30 Bordo Esquerdo 17 Bordo direito Eixo 3 27 Bordo Esquerdo 10 Bordo direito Eixo 3 20 Bordo Esquerdo 6 Bordo direito Eixo 3 16 Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Eixo 3 12 Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo 4 Bordo direito Bordo Esquerdo Total

76 3.4 Seção Selecionada A seção foi a selecionada para a avaliação de desempenho através de valores medidos pelo monitoramento em campo e previstos pela análise numérica realizada com auxílio do PLAXIS. A solução de projeto utilizada na seção está esquematizada nas Figuras 3.7 e 3.8. Figura 3.7: Solução do aterro selecionado, seção

77 Figura 3.8: Solução do aterro selecionado, seção , em detalhe 62

78 As soluções para a estabilização e controle de recalque que foram utilizadas para o aterro de duplicação da seção estudada foram: Colchão drenante; Drenos verticais (8 no total espaçados 2, 7m); Sobrecarga temporária (0, 60m de altura); Sobrealtura do aterro(0, 90m) Geogrelha transversal (sob o aterro novo); Berma de equilíbrio. As instrumentações utilizadas para o monitoramento da seção foram: Marco supercial (MS) (2 no total, localizados no aterro pré-existente); Placa de Recalque (PR) (3 no total, instaladas sob o aterro novo no bordo esquerdo, direito e eixo da ferrovia); Inclinômetro (INC) (instalado na base do talude esquerdo do aterro novo); Perlômetro (PF) (instalado abaixo do aterro novo); Extensômetro (XV) (instalados ao longo das camadas de argila abaixo do aterro novo); Piezômetro Elétrico (PE) (instalados ao longo das camadas de argila abaixo do aterro novo). A construção do segundo aterro foi feita acima da berma, solução para estabilidade do aterro pré-existente, e simultaneamente foi construída uma nova berma para estabilidade do conjunto. A subida do aterro foi feita no total de 423 dias, em 2 etapas. Nos primeiros 29 iniciou-se o monitoramento do terreno, nos 29 dias seguidos foi adicionado 2, 00m de aterro e em 259 dias não houve adição expressiva. Após esse intervalo, foi adicionado 4, 7m de aterro em 37 dias e depois de 63 63

79 dias foi adicionado 0, 2m de aterro em 6 dias. No projeto é apontado um aterro de sobrecarga de 0, 6m, mas no acompanhamento da cota do terreno em campo só foi observada subida de cota de 0, 2m e não foi percebida diminuição da cota tão expressiva em um curto período, supondo assim que as diminuições de cota de aterro seriam devido ao recalque do próprio terreno e não por retirada de sobrecarga. As alterações dessas cotas podem sem observadas no gráco da Figura 3.9. Figura 3.9: Gráco de cota do aterro e progressão dos recalques pelo monitoramento Tempo No gráco da Figura 3.9 são apresentados também os valores de recalques obtidos pelo monitoramento com o tempo. Nele foram indicados, através da mudança da marcação de alguns pontos para triangulo com a borda vermelha, as leituras nas quais foram feitas "zeragens". No caso de acompanhamento de recalques por placas de recalque, eles são a diferença entre o valor atual da cota e o primeiro valor de cota da ponta da haste da placa de recalque. No campo existem alguns fatores que podem interferir nessa medição tornando a precisão do último valor de recalque calculado 64

80 duvidosa. Os fatores podem ser aumento de haste sem informação do comprimento dessa adição, vandalismo, danos provocados na obra, podendo ser causados por máquinas passando, e mudança de referencia de nível sem informar as diferenças de cota da referência anterior para a nova. Esses fatores tem maiores chances de aparecer no caso de obras de grandes dimensões, grande demanda de leituras da instrumentação, e em ambientes onde não é possível fornecer restrições do acesso de pessoas de fora a área da obra. Para evitar a imprecisão gerada por esses fatores, é realizada a "zeragem"que é, no caso do monitoramento de placas de recalque, fazer o cálculo do recalque desprezando o adicional de recalque entre a leitura atual e a imediatamente anterior. Foi importante apontar as datas em que houve esse tipo de prática para o cálculo do recalque, pois desse modo é possível ter uma avaliação mais real da comparação com os dados obtidos pela análise numérica (seção 4.2). 65

81 Capítulo 4 Análise Numérica Neste capítulo foi feita a comparação dos valores de recalque, medidos em campo pelo monitoramento das placas de recalque, com os previstos por análise numérica, gerados pelo modelo através do PLAXIS 2D. Esses resultados são relativos a seção , a qual foi apresentada no item 3.4. Na Figura 4.1 é esquematizado o modelo que foi utilizado para a Análise 1 e serviu como base para os modelos da segunda e terceira análises. Figura 4.1: Modelo utilizado na Análise Parâmetros Utilizados na Análise Numérica Os parâmetros denidos para o uso na análise numérica foram brevemente abordados no capítulo anterior. Eles foram denidos através das informações de projeto disponibilizadas para a seção As quatro camadas de argila mole foram 66

82 modeladas através do modelo Soft Soil como recomendado no item Os parâmetros relacionados a elas foram obtidos através de ensaios e estão apresentados na Tabela 4.1. Tabela 4.1: Parâmetros de Soft Soil utilizados na Análise 1 Soft Soil Argila (A) Argila (B) Argila (C) Argila (D) γ d (kn/m 3 ) 15,7 14,4 14,7 16,2 γ sat (kn/m 3 ) 15,7 14,4 14,7 16,2 k x (m/s) 5,56x10 9 2,31x10 9 1,97x10 9 1,85x10 9 k y (m/s) 2,78x10 9 1,16x10 9 9,95x ,38x10 10 Cc 0,76 1,49 1,34 0,5 Cs 0,09 0,21 0,2 0,06 e 0 1,89 0,03 2,99 1,63 c ref (kpa) φ( ) OCR 2 1,3 1,2 1,2 O peso especíco, tanto seco (γ d ) quanto úmido (γ n ), e o índice de vazios (e 0 ) puderam ser determinados através de ensaios de caracterização descritos no item Para a determinação do peso especíco saturado das camadas de argila foi estabelecido o mesmo valor do peso especíco seco, pois utilizar esse valor não representaria uma diferença expressiva nos recalques resultantes. Para a determinação da permeabilidade vertical (κ y ) foram feitas na fase de projeto correlações a partir do coeciente de adensamento do solo (c v ) e foi arbitrado no projeto que seria considerada a permeabilidade horizontal como o dobro da vertical, proporção denida em projeto. O coeciente de adensamento vertical do solo foi obtido através de ensaios de adensamento no laboratório (item ). A partir dos ensaios de adensamento foram obtidos OCR, Cc e Cs, como mostrado no item A amostra retirada para o ensaio foi feita com amostrador tipo Shelby. Os parâmetros obtidos através de ensaios triaxiais que foram usados, coesão ( c) e ângulo de atrito (φ), são de outro trecho da obra (seção ), já que não foram feitos esses tipos de ensaio em amostras do solo mais próxima à seção Esses 67

83 parâmetros não chegam a ter relevância pois no modelo não se aproxima da ruptura, porém o PLAXIS exige dados desses parâmetros no Input. O modelo constitutivo Hardening Soil (explicitado no item ) foi o utilizado para a modelagem dos aterros, bermas, areia de substituição, camada de areia na compacta do solo e do colchão drenante. Os parâmetros são mostrados na Tabela 4.2. Tabela 4.2: Parâmetros de Hardening Soil utilizados na Análise 1 Hardening Soil Aterro Berma Areia de substituição Areia Fina 1 Areia Fina2 Colchão Drenante γ s(kn/m 3 ) 20, ,5 19,5 19,5 γ sat(kn/m 3 ) 20, ,5 19,5 19,5 kx(m/s) 2,00x10 5 2,00x10 5 3,00x10 5 2,00x10 5 2,00x10 5 2,00x10 5 ky(m/s) 2,00x10 5 2,00x10 5 3,00x10 5 2,00x10 5 2,00x10 5 2,00x10 5 E 50 ref (kn/m2 ) E oed ref (kn/m2 ) m 0,50 0,5 0,7 0,5 0,5 0,5 c (kpa) 2, φ ( ) ψ( ) E ur ref (kn/m2 ) p ref (kn/m 2 ) 100, ,5 288,5 100 A camada mais profunda de areia compacta foi modelada com apenas 2 metros de espessura, já que ela apresenta deslocamento bem menos expressivo que o das camadas de argila acima dela. Mesmo adotando os parâmetros de projeto neste trabalho, foi feita uma análise comparativa dos parâmetros resultantes de ensaios realizados em seções próximas à Na Tabela 4.3 são exibidos parâmetros advindos de ensaios em 3 faixas de profundidade diferentes e os parâmetros usados em projeto no modelo da seção relativos a essas camadas em termo de profundidade. Pode ser observada a maior compatibilidade dos parâmetros da seção com os de resultado de ensaios da seção No caso dessas duas seções, só aparecem divergências quanto ao parâmetro de compressibilidade (c v ) e ao OCR. Os resultados da seção chegam a se aproximar nos pesos especícos (γ n ) e no coeciente de adensamento vertical (c v ), mas não há clara proximidade dos valores 68

84 Tabela 4.3: Comparação dos parâmetros usados para modelar a seção com parâmetros resultantes de ensaio em seções próximas (BOUCH, 2017 [8]) Cc Cr c h (m 2 /ano) c v(m 2 /ano) OCR γ n(kn/m 3 ) Profundidade(m) (Projeto) (Ensaio) (Ensaio) (Ensaio) 2 a 2,5 1,49 1,49 1,28 3 a 3,5 1,49 0,72 4 a 4,5 1,34 1,34 2 a 2,5 0,21 0,21 0,15 3 a 3,5 0,21 0,06 4 a 4,5 0,2 0,2 2,01 5,68 20,2 4,05 5,68 4,7 6,01 9,46 16,7 2 a 2,5 2,84 0,18 0,26 3 a 3,5 2,84 2,27 4 a 4,5 2,84 0,47 2 a 2,5 1,3 2,87 1,13 3 a 3,5 1,3 4 a 4,5 1,2 1,06 2 a 2,5 1,44 1,44 1,36 3 a 3,5 1,44 1,53 4 a 4,5 1,47 1,39 e 2 a 2,5 3,03 3,03 2, a 3,5 3,03 2,16 4 a 4,5 2,99 2,99 dos parâmetros. A seção é a única na tabela para usar como comparativo do coeciente de adensamento horizontal (c h ) e mostrou maior compatibilidade só na profundidade 4,05 m. Os parâmetros da camada de areia compacta foram obtidos através de estudos geotécnicos realizados na região. Já os materiais de aterro, berma e areia de substituição tiveram como fonte relatórios técnicos. Para o colchão drenante não foram encontrados os parâmetros no relatório técnico, logo, foram usados valores de parâmetros estimados. Foram desconsideradas no modelo camadas subjacentes, consideradas incompressíveis. Além dos materiais citados acima, foram utilizados no modelo elementos de geogrelha e drenos. A geogrelha transversal foi estipulada no modelo com elemento com resistência a tração de 600 kn/m, valor igual ao fornecido em projeto. Os drenos verticais broquímicos foram modelados com o comportamento "normal"de drenagem. A geometria desses dois elementos no modelo obedeceu à geometria de projeto (Figura 3.8). 69

85 4.2 Análise no PLAXIS 2D Na primeira tentativa de modelagem foram estabelecidas as fases de execução, somente considerando a obra do segundo aterro como descritas no item 3.4, utilizando os parâmetros do item 4.1. Esse modelo indicou colapso do aterro na fase inicial, em que havia somente o aterro antigo. Como o aterro antigo já deveria estar estabilizado, foi considerado que os parâmetros usados para as camadas de solo foram estabelecidos previamente à construção do aterro antigo. Com o objetivo de começar a denir as fases de execução do segundo aterro só com o aterro antigo estabilizado, poropressões dissipadas, foram modeladas as fases de subida do aterro antigo. Para essas fases foram denidos intervalos de tempo e alturas de subida de aterro arbitrárias, alternando entre fases plásticas e de consolidação, e com a última fase dessa primeira etapa terminando só após a dissipação de um valor de poropressão mínimo. Depois dessa dissipação o segundo aterro foi executado de acordo com o item 3.4. Foi utilizada uma malha de elementos nitos que seguiu a geometria da seção analisada estabelecida de projeto e sua execução seguindo as informações de subida de aterro da obra. A Figura 4.1 apresenta a geometria gerada no programa para análise da seção Primeira Análise Utilizando a geometria da Figura 3.7 e as as informações de cota de aterro coletadas durante a obra, foram modeladas as diferentes fases para avaliar os deslocamentos gerados por cada carregamento, comparando em seguida com os resultados da instrumentação. Abaixo estão as fases consideradas: Implantação dos drenos verticais; Primeiro Alteamento (200 cm); Segundo Alteamento (470 cm); 70

86 Terceiro Alteamento (20 cm). O desenho de projeto aponta uma sobrecarga de 60 cm de espessura que deveria ser removida no nal da obra porém essa informação não é compatível com os dados de cota de aterro. Para designação das fases foi usada como base os dados de cota de aterro. Logo, não foi considerada a espessura de 60 cm e sim de 20 cm de sobrecarga, e ela não foi retirada no modelo. Como explicado no item 4.2, as primeiras fases foram de subida do aterro antigo e estabilização da poropressão do mesmo. A Figura 4.2 apresenta fase anterior ao começo da construção do aterro novo. Figura 4.2: Fase de pré-construção do segundo aterro A denição do nível d'água foi estabelecida nas condições iniciais como sendo no mesmo nível do terreno. Conforme apresentado na Figura 4.3. Figura 4.3: Nível freático estabelecido Após essa fase foram denidas as fases de construção do novo aterro, sendo a primeira a implantação dos drenos verticais (Figura 4.4). 71

87 Figura 4.4: Primeira fase, implantação dos drenos verticais Foi estipulado o período da primeira fase de 29 dias, pois é o período que começaram a monitorar os recalques ainda sem alteamento. Após este período houve a execução da primeira camada de berma e aterro, que durou 29 dias e resultou em 2 metros de aumento da cota de aterro. Juntamente com esse primeiro alteamento, foi construído o colchão drenante e instalada a geogrelha acima dele (Figura 4.5). Figura 4.5: Segunda fase, implantação do colchão drenante, geogrelha e alteamento de 2 metros de berma e aterro Foi dado um intervalo de 259 dias antes de começar a ser executado o segundo alteamento, o qual levou 37 dias para subir uma espessura de 4,7 metros, atingindo então a cota de 6,7 metros de aterro (Figura 4.6). Figura 4.6: Terceira fase, alteamento de 4,7 metros de berma e aterro. O aterro permaneceu 63 dias sem alteamento e após esse período foi executada uma camada de 0,2 metros de aterro em 6 dias. Como não houve uma diminuição abrupta de cota depois desse período, foi considerada que essa camada não foi usada como sobrecarga temporária e permaneceu até o m das leituras de cota de placa de 72

88 recalque 130 dias depois. Essa situação foi anteriormente explicitada no item 3.4. A conguração nal é semelhante à Figura 4.7. Figura 4.7: Quarta fase, alteamento de 0,2 metros de aterro. Os maiores recalques foram observados no bordo esquerdo do aterro novo. A Figura 4.8 apresenta os deslocamentos verticais totais, ou seja, após dissipar os excessos de poropressão. Figura 4.8: Deslocamento totais verticais na seção Por meio da Figura 4.8 podemos observar o efeito de sobreadensamento gerado pela geometria original do terreno. O maior deslocamento vertical aparece no bordo esquerdo do aterro pois à direita o solo já tinha sido submetido a um estado de tensões iniciais mais alto ganhando tendo assim ganhado mais resistência. O progresso dos recalques obtidos pelo monitoramento das três placas de recalque instaladas na seção estudada e a previsão da análise numérica ao longo das etapas da obra estão apresentados nos grácos das Figuras 4.9, 4.10 e A placa PR1 é a mais afastada do aterro antigo (esquerda), PR2 está no centro do aterro novo e PR3 é a mais próxima do aterro antigo (direita), como ilustrado na Figura

89 Figura 4.9: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 1 de acordo com o monitoramento e de acordo com a análise numérica Figura 4.10: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 2 de acordo com o monitoramento e de acordo com a análise numérica 74

90 Figura 4.11: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 3 de acordo com o monitoramento e de acordo com a análise numérica Como pode ser observado, existe uma diferença razoável entre o resultado do monitoramento e da análise numérica. Os valores são mais próximos nas primeiras fases, porém nas nais eles vão se tornando mais destoantes. A três placas apresentam recalques menores que os indicados pelo resultado do PLAXIS. Observada a maior velocidade de recalque calculada pelo PLAXIS, pode-se supor que a permeabilidade do modelo não esteja compatível com a real Segunda Análise Para o desenvolvimento de uma segunda análise foi feita a avaliação dos recalques para os caso de mau funcionamento dos elementos de drenagem ou a não implantação deles. Foi feita então uma adaptação do modelo, retirando os drenos verticais e substituindo o material do colchão drenante pelo material da berma. O modelo da seção utilizado para esta análise pode ser visto na Figura

91 Figura 4.12: Geometria da seção usada para a segunda análise Nas Figuras 4.13, 4.14 e 4.15 estão representadas as curvas de Recalque Tempo para as diferentes placas de recalque. Essas curvas foram plotadas pelo PLAXIS e obtidas por monitoramento. Figura 4.13: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 1 de acordo com o monitoramento e de acordo com a segunda análise numérica 76

92 Figura 4.14: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 2 de acordo com o monitoramento e de acordo com a segunda análise numérica Figura 4.15: Progressão dos recalques da Placa de Recalque 3 de acordo com o monitoramento e de acordo com a segunda análise numérica 77

93 Na nova análise houve uma diminuição da diferença entre os resultados de recalque nas placas PR1, PR2 e PR3 quando comparado com a primeira análise, persistindo a diferença de velocidade de recalque na últimas duas fases de alteamento. O diagrama de deformações pode ser observado na Figura Figura 4.16: Diagrama de deslocamento referente a segunda análise, retirando os elementos de drenagem da Análise 1 Pode ser observada nessa segunda análise que os deslocamentos se concentraram ainda mais no bordo esquerdo, próximo à PR Terceira Análise A terceira análise foi feita com o objetivo de promover uma retroanálise das permeabilidades das camadas de argila. Foram feitas diversas tentativas de diminuição da permeabilidade das argilas até encontrar o fator em que os recalques compatibilizassem. Para esse modelo a permeabilidade das camadas de argila foram diminuídas 20 vezes. Os valores foram mostrados na Tabela 4.4. A geometria da seção e a disposição dos elementos e materiais permaneceram as mesmas da Análise 1, a mesma da Figura 4.7. O resultado da terceira análise, as curva de Recalque Tempo previstas para as diferentes placas pelo PLAXIS, assim como as previstas pelo monitoramento estão ilustrados nos grácos das Figuras 4.17, 4.18 e Tabela 4.4: Parâmetros de permeabilidade das argilas utilizados na Análise 3 Argila (A) Argila (B) Argila (C) Argila (D) k x (m/s) 2,78x ,16x ,84x ,26x10 11 k y (m/s) 1,39x ,79x ,98x ,69x