ESTUDO DE GRAMPOS EM CORTINAS EM SOLOS TROPICAIS NA CIDADE DE GOIÂNIA CARLA DE RESENDE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOTECNIA, ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL ESTUDO DE GRAMPOS EM CORTINAS EM SOLOS TROPICAIS NA CIDADE DE GOIÂNIA CARLA DE RESENDE D0093G14 GOIÂNIA 2014

2 CARLA DE RESENDE ESTUDO DE GRAMPOS EM CORTINAS EM SOLOS TROPICAIS NA CIDADE DE GOIÂNIA Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Estruturas e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de Concentração: Geotecnia Orientador: Prof. Dr. Maurício Martines Sales D0093G14 GOIÂNIA 2014

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6 DEDICATÓRIA Aos meus pais, pelos ensinamentos e a meu marido Theobaldo, pelo apoio e incentivo.

7 AGRADECIMENTOS A Deus. Ao Prof. Maurício Martines Sales, orientador desta dissertação, exemplo de dedicação. Agradeço a todas as oportunidades concedidas, ao conhecimento transmitido, ao incentivo, motivação, paciência. Ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal de Goiás (UFG) e ao grupo de professores de Geotecnia pela oportunidade de realizar esta pesquisa. À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo apoio na bolsa concedida. A Brookfield, por disponibilizar a obra, equipe e viabilizar a realização dos trabalhos. A Engesol, pela execução dos grampos e disponibilização de equipe técnica. A BMS Engenharia pelo apoio com equipamentos e pessoal para realização dos ensaios de arrancamento. A Sete Engenharia, pelo incentivo de realizar o mestrado. Aos funcionários, colegas e professores, do Departamento de Geotecnia da Universidade Federal de Goiás, que colaboraram para a realização deste trabalho. Aos funcionários e técnicos do Laboratório de Solos do Centro Universitário de Brasília- UniCEUB, pelo apoio concedido. A minha família, grande incentivadora dos meus estudos.

8 RESUMO Estruturas de contenção com utilização de grampos têm sido cada vez mais empregadas nas últimas décadas com intuito de conter grandes escavações em diversas cidades brasileiras, incluindo Goiânia. Os grampos consistem em barras de aço introduzidas em perfurações inclinadas ou horizontais de pequeno diâmetro e posterior injeção de calda de cimento, de forma a garantir a estabilidade de escavações verticais pelas forças de atrito desenvolvidas no contato solo-grampo. Sendo assim, é fundamental o conhecimento deste atrito para o dimensionamento destas contenções. Existem vários métodos de cálculo propostos por diversos autores para o dimensionamento de grampos e verificação da estabilidade dessas estruturas. O objetivo principal deste trabalho foi o de revisar alguns desses métodos de cálculo, realizar ensaios de arrancamento em campo e também ensaios em laboratório com amostras retiradas de uma obra com múltiplos subsolos, para avaliar as metodologias de cálculo ou parâmetros que melhor se aplicam aos solos estudados da cidade de Goiânia. Dentre as diversas proposições para estimativa da tensão cisalhante média no contato sologrampo (q s ) aquelas baseadas em ensaio SPT que obtiveram melhores resultados neste trabalho foram o limite inferior do gráfico proposto por Ortigão e Palmeira (1997), Springer (2006) e uma proposição baseada no Método Décourt e Quaresma (1978) para atrito lateral em estacas, com o ajuste adequado do parâmetro β. Outras proposições baseadas no tipo e parâmetros do solo que apresentaram bons ajustes foram Wong (1995) e Juran et al. (1990). Foram feitas comparações entre q s e a tensão cisalhante do solo (τ s ) encontrando para esta razão valores entre 0,55 e 0,85. Como foram realizadas leituras de deslocamentos tanto na fase de carregamento quanto na fase de descarregamento, notou-se que para pequenas aplicações de carga já acontecem deformações plásticas no grampo sendo recomendado nos casos de análises numéricas em grampos a adoção de modelos elasto-plásticos. As previsões de deformações elásticas dos grampos, baseadas em teorias de estacas apresentou uma boa aproximação dos ensaios, que entretanto apresentaram relevante deformação plástica nos ensaios realizados. Os resultados de ensaios de cisalhamento em amostras indeformadas dos solos foram comparados com os ensaios de arrancamento, indicando que o fator de redução dos resultados de laboratório é necessário. Palavras-chave: Solo grampeado. Cortina Grampeada. Grampos. Ensaios de arrancamento. C.RESENDE Resumo

9 ABSTRAT Retaining structures with nails have been used in recent decades to contain excavation works in several Brazilian cities, including Goiânia. The nails are made of steel bars inserted in inclined or horizontal drilling, with small diameter and involved in cement grout, to ensure the stability of vertical excavations by frictional forces developed in the contact between the soil and nail. Therefore, it is important to understand this friction to design retaining structures. There are lots of calculation methods proposed by many authors to design nails and verify the stability of these structures. The main objective of this work was to review some calculation methods, conduct pullout tests in the field and laboratory tests with samples taken in situ, to evaluate calculation methodologies or parameters that best apply to the soil studied in Goiânia. Among several proposals to estimate the media shear stress in the soil-nail interface (q s ) based on SPT, that showed better results in this paper are those from graph lower limit proposed by Ortigão e Palmeira (1997), Springer (2006) and a proposal based on Décourt & Quaresma (1978) to calculate pile lateral friction, using the proper parameter β. Other propositions based on soil type and parameters of the soil that showed good fits were Wong (1995) and Juran et al. (1990). The relation between q s and the shear stress of soil (τ s ) resulted values between 0,55 and 0,85. Displacement readings were performed during loading and unloading phase, was observed that for small loads, plastic deformations occured in the nail, so is recommended in cases of nail s numerical analyzes adopt elastic-plastic models. Predictions of nail's elastic deformation, based on piles theory showed good results, however significant plastic deformation occured in nails. The results of shear tests were compared with the pullout tests, indicating that the reduction factor of laboratory results is necessary. Keywords: Soil nail. Nail. Pullout tests. C.RESENDE Abstrat

10 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Mecanismo de transferência de carga em solo grampeado (modificado, ORTIGÃO ET AL., 1993) Figura 2.2 Efeito do grampo na estabilidade: a tração e a flexão (modificado, ORTIGÃO, 1997) Figura 2.3 Efeito da flexão em grampos de vários diâmetros (modificado, ORTIGÃO ET AL., 1995) Figura 2.4 Resultados do estudo da flexão em grampos de vários diâmetros (ORTIGÃO ET AL., 1995) Figura 2.5 Aplicações do reforço de solos com grampeamento (ORTIGÃO ET AL., 1993) Figura 2.6 Detalhes de grampos mais comuns (ORTIGÃO ET AL., 1993) Figura 2.7 Correlação entre q s, P l, N spt, para areias (modificado, BUSTAMANTE; DOIX, 1985) Figura 2.8 Correlação entre q s, P l, N spt, para argilas e siltes (modificado, BUSTAMANTE; DOIX, 1985) Figura 2.9 Correlação entre q s e o índice N spt (modificado, ORTIGÃO, 1997) Figura 2.10 Correlação entre q s e o índice N spt (modificado, ORTIGÃO;PALMEIRA, 1997) Figura 2.11 Resultado dos ensaios de arrancamento (PITTA; ZIRLIS, 2000) Figura 2.12 Curvas carga x deslocamento para grampos curtos (a) e longos (b) (SILVA ET AL.,2008) Figura 2.13 Curvas carga x deslocamento para grampos com bainha (a) e bainha com injeção (b) (SILVA ET AL., 2008) C.RESENDE Lista de Figuras

11 Figura 2.14 Distribuição de carga ao longo do grampo M1-06 (SPRINGER,2006) Figura Distribuição de carga ao longo do grampo M2-01 (SPRINGER,2006) Figura Distribuição de carga ao longo do grampo M1-12 (SPRINGER,2006) Figura Distribuição de carga ao longo do grampo M1-08 (SPRINGER,2006) Figura Distribuição de carga ao longo do grampo M1-09 (SPRINGER,2006) Figura Distribuição de carga ao longo do grampo M1-10 (SPRINGER,2006) Figura Distribuição de carga ao longo do grampo AR-01 (SILVA,2005) Figura Distribuição de carga ao longo do grampo AR-04 (SILVA,2005) Figura 2.22 Distribuição de q s ao longo do grampo M1-08 (SPRINGER, 2006) Figura 2.23 Modelo de transferência proposto por Randolph e Wroth (VELLOSO;LOPES, 2010) Figura 2.24 Distribuição de tensão cisalhante na direção radial da estaca (modificado, RANDOLPH;WROTH, 1978) Figura 2.25 Formas de distribuição da carga ao longo do grampo Figura 3.1 Localização da cidade de Goiânia Figura 3.2 Localização da obra onde foram realizados os ensaios de arrancamento na cidade de Goiânia Figura 3.3 Trecho onde os grampos ensaiados foram executados Figura 3.4 Sondagem SP04 com sobreposição dos grampos Figura 3.5 Escavação dos grampos na cota +97, Figura 3.6 Vista com indicação dos grampos ensaiados Figura 3.7 Corte ilustrando a posição dos grampos ensaiados Figura 3.8 Detalhes da barra de aço utilizada no grampo GM Figura 3.9 Superfície de ruptura adotada C.RESENDE Lista de Figuras

12 Figura 3.10 Vista com grampos GM1 ao GM6 e reinjeção de calda de cimento no grampo GM Figura 3.11 Modelo para realização dos ensaios de arrancamento (modificado, ORTIGÃO, 1997) Figura 3.12 Sistema montado para ensaio de arrancamento no grampo GM Figura Sistema montado para ensaio de arrancamento no grampo GM Figura 3.14 Amostra indeformada na profundidade 8,50 m Figura 4.1 Curva Granulométrica para amostra na profundidade 3,50 m Figura 4.2 Curva Granulométrica para amostra na profundidade 8,50 m Figura 4.3 Fase de consolidação de uma amostra indeformada inundada Figura 4.4 Tensão cisalhante x Deslocamento Horizontal, condição natural (silte arenoso) Figura Tensão cisalhante x Deslocamento Horizontal, condição natural (areia argilosa) Figura Envoltória de resistência das amostras retiradas na profundidade de 3,50 m 74 Figura Envoltória de resistência das amostras retiradas na profundidade de 8,50 m 74 Figura 4.8 Gráfico Força x Deslocamento para 1ª. Linha de grampos Figura Gráfico Força x Deslocamento para 2ª. Linha de grampos Figura Gráfico Força x Deslocamento para 1ª. Linha de grampos (modificado) Figura 4.11 Extrapolação da carga de ruptura do grampo GM2 utilizando-se Van Der Veen (1953) Figura 4.12 Gráfico de Rigidez para o grampo GM2 utilizando-se Van Der Veen (1996) Figura 4.13 Gráfico Força x Deslocamento do grampo GM2 com trechos medido e extrapolado C.RESENDE Lista de Figuras

13 Figura Comparação entre resultados obtidos e estimados para q s por Bustamante e Doix (1985) Figura 4.15 Resultados dos ensaios plotados no gráfico proposto por Ortigão e Palmeira (1997) Figura 4.16 Comparação entre resultados obtidos e estimados de q s para grampo GM Figura 4.17 Comparação entre resultados obtidos e estimados de q s para grampo GM Figura 4.18 Comparação entre resultados obtidos e estimados de q s para grampo GM Figura 4.19 Comparação entre resultados obtidos e estimados de q s para grampos GM4 e GM Figura 4.20 Comparação entre resultados obtidos e estimados de q s para grampo GM Figura 4.21 Correlação entre q s e τ s para o solo estudado Figura 4.22 Deslocamento elástico e plástico do grampo GM Figura 4.23 Deslocamento elástico e plástico do grampo GM Figura 4.24 Deslocamento elástico e plástico do grampo GM Figura 4.25 Deslocamento elástico e plástico do grampo GM Figura 4.26 Deslocamento elástico e plástico do grampo GM Figura 4.27 Deslocamento elástico e plástico do grampo GM Figura B.1 Curva de calibração do manômetro C.RESENDE Lista de Figuras

14 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Valores típicos de tensão cisalhante solo-grampo (modificado, JURAN ET AL., 1990) Tabela 2.2 Valores estimados de q s para solos não coesivos (modificado, BYRNE ET AL., 1996) Tabela Valores estimados de q s para solos coesivos (modificado, BYRNE ET AL., 1996) Tabela Valores de β em função do tipo de estaca e solo (DÉCOURT, 1996) Tabela 2.5 Valores de q s para os grampos ensaiados por Pitta e Zilis (2000) Tabela 2.6 Resumo dos resultados obtidos nos ensaios de arrancamento (modificado, SILVA ET AL., 2008) Tabela 2.7 Valores de q s para os grampos ensaiados por Souza et al. (2005) Tabela 2.8 Valores típicos do coeficiente de Poisson (TEIXEIRA;GODOY, 1996) Tabela 2.9 Valores médios obtidos nos ensaios com calda de cimento (MAGALHÃES M., 2005) Tabela 4.1 Frações granulométricas das amostras analisadas nas profundidades de 3,50 m e 8,50 m Tabela 4.2 Limites de consistência e massa específica dos grãos Tabela 4.3 Parâmetros de resistência do solo Tabela 4.4 Comparação entre umidade e grau de saturação das amostras de areia argilosa Tabela 4.5 Valores de q s para os grampos ensaiados Tabela 4.6 Comparação entre q s e τ s C.RESENDE Lista de Tabelas

15 Tabela 4.7 Deformação elástica nos grampos Tabela A.1 Ensaio de arrancamento GM Tabela A.2 Ensaio de arrancamento GM Tabela A.3 Ensaio de arrancamento GM Tabela A.4 Ensaio de arrancamento GM Tabela A.5 Ensaio de arrancamento GM Tabela A.6 Ensaio de arrancamento GM Tabela B.1 Leituras realizadas durante calibração do manômetro C.RESENDE Lista de Tabelas

16 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABEF Associação Brasileira de Estruturas de Fundações ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AR-01 Ensaio de arrancamento 01 na cota 35m, executado por Silva (2005) AR-04 - Ensaio de arrancamento 04 na cota 17,5m, executado por Silva (2005) CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CLOUTERRE French National Project CLOUTERRE CP II-E-32 Cimento Portland do tipo composto com escória E Estaca F.S Fator de segurança GM1 Grampo 1 localizado na cota +97,43, entre estacas E221 e E222 GM2 Grampo 2 localizado na cota +97,43, entre estacas E217 e E218 GM3 Grampo 3 localizado na cota +97,43, entre estacas E211 e E212 GM4 Grampo 4 localizado na cota +94,94, entre as estacas E224 e E225 GM5 Grampo 5 localizado na cota +94,94, entre as estacas E216 e E217 GM6 Grampo 6 localizado na cota +94,94, entre estacas E212 e E213 IGU L'injection globalement unique. Injeção em um único estágio IRS - L'injection répétitive et sélective. Injeção em vários estágios Manôm. - Manômetro min - Minuto MPa Megapascal M1-06 Ensaio de arrancamento 06 na obra do Museu 1, executado por Springer (2006) M Ensaio de arrancamento 08 na obra do Museu 1, executado por Springer (2006) M Ensaio de arrancamento 09 na obra do Museu 1, executado por Springer (2006) C.RESENDE Lista de Abreviaturas e Siglas

17 M Ensaio de arrancamento 10 na obra do Museu 1, executado por Springer (2006) M Ensaio de arrancamento 12 na obra do Museu 1, executado por Springer (2006) M2-01 Ensaio de arrancamento 01 na obra do Museu 2, executado por Springer (2006) N.A Nível d água NBR Norma Brasileira ph Potencial de hidrogênio Prof. Professor PVC Policloreto de vinila RJ Rio de Janeiro SP - São Paulo SPT Standard Penetration Test UFG Universidade Federal de Goiás UniCEUB - Centro Universitário de Brasília C.RESENDE Lista de Abreviaturas e Siglas

18 LISTA DE SÍMBOLOS a/c Relação água e cimento a forma da curva carga versus recalque, Van Der Veen (1953) c Coesão do solo c n Coesão do solo para a condição natural c i Coesão do solo para a condição inundada cm - Centímetro cm 2 Centímetro quadrado cm 3 Centímetro cúbico d Diâmetro da barra de aço d g - Diâmetro do grampo f cb Resistência de aderência de cálculo entre a armadura e o concreto f ctk,inf Resistência à tração indireta do concreto f yk Resistência característica à tração do aço g - Grama kgf Quilograma força kn - Quilonewton kpa Quilopascal kpa - Quilopascal m Metro m 2 Metro quadrado m 3 Metro cúbico ml - Mililitro mm - Milímetro C.RESENDE Lista de Símbolos

19 q l Atrito lateral nas estacas, proposta por Décourt e Quaresma (1978) q s Tensão cisalhante média no contato solo-grampo r Medida radial do ponto onde se deseja conhecer o recalque r o Raio da estaca r m Máximo raio de influência da tensão cisalhante t tempo w deslocamento correspondente à carga P w i Umidade inicial da amostra de solo w f Umidade final da amostra de solo w L Limite de liquidez w P Limite de plasticidade w s Recalque do solo ao longo do fuste ou deslocamento devido atrito lateral no contato sologrampo w t Deslocamento elástico total do grampo A a Área de aço da barra A c Área da seção transversal do grampo C a Adesão solo-grampo CA Classe do aço E a Módulo de elasticidade do aço E c Módulo de elasticidade do concreto E s Módulo de elasticidade do solo F o Carga inicial do ensaio de arrancamento F t Carga de trabalho do grampo G Módulo cisalhante do solo GPa Gigapascal IP Índice de Plasticidade C.RESENDE Lista de Símbolos

20 K Fator de correção de tirante ativo para grampo L Comprimento do grampo no trecho injetado L b Comprimento da barra de aço L e Comprimento da estaca L l Comprimento livre do grampo L p Comprimento do grampo atrás da provável superfície de ruptura MPa Megapascal N spt Índice de resistência à penetração. Número de golpes do ensaio SPT P Carga aplicada P últ Carga última P l Pressão limite do pressiômetro de Ménard Q Carga total aplicada ao grampo Q s Carga transferida pela estaca ao solo através do fuste S i = Grau de saturação inicial da amostra S f = Grau de saturação final da amostra T L - Carga última/máxima de arrancamento por metro linear de grampo T máx. Carga última/máxima do ensaio de arrancamento α - Fator do modo de distribuição da carga ao longo do grampo β - Coeficiente adotado em função do tipo de estaca e tipo de solo l Alongamento da barra de aço φ - Ângulo de atrito interno do solo φ n - Ângulo de atrito interno do solo, para condição natural φ i - Ângulo de atrito interno do solo, para condição inundada γ nat Peso específico da amostra natural γ c Coeficiente de ponderação da resistência do concreto η1, η2, η3 Coeficientes para cálculo da tensão de aderência da armadura passiva C.RESENDE Lista de Símbolos

21 ϕ - Correlação entre qs e τs ρ g Massa específica dos grãos σ c - Resistência à compressão da calda de cimento σ h - Tensão horizontal contra a superfície lateral da estaca σ t - Resistência à tração da calda de cimento σ n - Tensão normal σ vg - Tensão vertical no ponto médio do grampo τ cb Tensão cisalhante na barra de aço τ l Atrito lateral nas estacas τ max Tensão cisalhante máxima τ o Tensão cisalhante máxima na direção radial τ s Tensão cisalhante do solo - Coeficiente de Poisson ς - Fator que representa a resistência da estaca receptora a recalques C.RESENDE Lista de Símbolos

22 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS DO TRABALHO ESTRUTURA DO TRABALHO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA EFEITOS DO PROCESSO DE INJEÇÃO DISTRIBUIÇÃO DE CARGA NOS GRAMPOS DEFORMAÇÃO ELÁSTICA DOS GRAMPOS METODOLOGIA DESCRIÇÃO DO LOCAL DESCRIÇÃO DO SOLO EXECUÇÃO DOS GRAMPOS ENSAIOS DE ARRANCAMENTO ENSAIOS DE LABORATÓRIO Granulometria Limites de Atterberg Massa Específica Cisalhamento direto RESULTADOS RESULTADOS DOS ENSAIOS LABORATORIAIS Granulometria Limites de Atterberg e Massa Específica Cisalhamento direto RESULTADOS DOS ENSAIOS DE ARRANCAMENTO ANÁLISE DOS RESULTADOS C.RESENDE Sumário

23 Comparação entre resultados obtidos e previstos por métodos empíricos Comparação entre resultados obtidos e de laboratório Deformação elástica dos grampos Outras análises CONCLUSÃO REFERÊNCIAS APÊNDICE A APÊNDICE B C.RESENDE Sumário

24 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO O reforço de solos é uma técnica que tem sido utilizada nas últimas décadas com o intuito de viabilizar a execução de obras geotécnicas que seriam inviáveis ou muito caras na situação original. Dentre estas obras, pode-se citar estabilização de taludes e viabilização de grandes escavações. Algumas das técnicas empregadas em obras com escavações são: aterros com geossintéticos, solos grampeados e cortinas com tirantes. Dentre estes, destaca-se o solo grampeado por sua empregabilidade apresentar-se em expansão em todo o mundo. Um projeto desenvolvido na França entre os anos de 1986 e 1990, amplamente conhecido como Projeto Clouterre, objetivou estudar o Solo Grampeado. Após 5 anos de estudos e ensaios, onde fizeram parte deste projeto órgãos do governo francês, empresas de construção, executores, laboratórios, universidades, foi editado um manual com informação sobre como projetar, calcular, construir e avaliar solos grampeados, o que facilitou a disseminação desta tecnologia para o público nacional e internacional. Já na década de 70 os franceses tinham desenvolvido técnicas de muros em aterros reforçados com tiras metálicas com face de placas de concreto pré-moldado, conhecidas como Terra Armée (Terra Armada, também conhecida por Aterro Reforçado). Ainda na década de 70, os franceses desenvolveram a técnica terre clouée, que foi denominada pelos ingleses de Soil Nailing, no Brasil esta técnica é conhecida pelo nome de Solo Grampeado. Nas últimas décadas têm-se utilizado cada vez mais o solo grampeado no Brasil. Nesta técnica, uma malha de grampos é utilizada para estabilização de escavações e taludes. Nos últimos anos, os grampos foram adaptados em estruturas de contenção tipo estacas justapostas ou perfis metálicos, onde foram interligados a estas estruturas para auxiliar na estabilidade das mesmas, sendo criada uma nova técnica de contenção denominada Cortinas Grampeadas. Esta técnica se diferencia de solos grampeados pois nela os grampos por si só não estabilizam as escavações, fazendo-se necessário sua associação a estruturas de contenção dimensionadas para esta finalidade. C.RESENDE Capítulo 1

25 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 23 No Brasil tem sido crescente a utilização de cortinas grampeadas nos grandes centros urbanos de forma atender as construções residenciais e comerciais com número de pavimentos cada vez maior e utilização de dois ou mais subsolos em suas obras e também para suprir a demanda por vagas de garagem. As cortinas grampeadas possuem algumas vantagens quando comparadas a obras de contenção equivalentes por apresentarem baixo custo e alta velocidade de execução pois trabalham com equipamentos leves e de fácil manuseio para perfuração e injeção, permitindo alta velocidade de execução, consequentemente uma boa produção OBJETIVOS DO TRABALHO Existem vários métodos de cálculo propostos por diversos autores para o dimensionamento de grampos e verificação da estabilidade dessas estruturas. O objetivo principal deste trabalho foi revisar alguns destes métodos de cálculo, realizar ensaios de arrancamento executados em solos tropicais na cidade de Goiânia, avaliando a aplicabilidade de cada metodologia no tipo de solo em questão. Os objetivos específicos da pesquisa são: Obter parâmetros de resistência e caracterização do solo de uma obra com cortina grampeada; Obter parâmetros de tensão cisalhante média no contato solo-grampo (q s ) e a força última/máxima do ensaio de arrancamento (T máx. ) ESTRUTURA DO TRABALHO A dissertação foi estruturada de forma a dar uma visão sobre os conceitos e métodos de cálculo utilizados para previsão do parâmetro de tensão cisalhante média no contato sologrampo (q s ), apresentação dos resultados dos ensaios de laboratório e de campo, análise dos resultados e conclusões. Os capítulos foram organizados da seguinte forma: Capítulo 1: Introdução: aborda o que será exposto no trabalho, incluindo os objetivos principais e específicos e o detalhamento da estrutura do trabalho. C.RESENDE Capítulo 1

26 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 24 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica: faz uma revisão de forma sucinta sobre as proposições de alguns autores para estimativa do parâmetro de tensão cisalhante média no contato solo-grampo (q s ). Capítulo 3: Metodologia: traz as principais informações sobre a obra analisada e os ensaios executados. Apresenta a metodologia adotada para a execução dos ensaios de arrancamento e ensaios de laboratório. Capítulo 4: Resultados: Apresentação dos resultados obtidos nos ensaios de laboratório e de arrancamento. Estudo comparativo entre os resultados obtidos e previstos para os grampos. Capítulo 5: Conclusão: conclusões e sugestões para futuros trabalhos. C.RESENDE Capítulo 1

27 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo são descritos os métodos propostos por alguns autores para os cálculos de grampos e previsão do parâmetro de tensão cisalhante média no contato solo-grampo (q s ). O grampeamento do solo, conforme relata Ortigão et al. (1993), é uma técnica de reforço obtido por meio da inclusão de elementos resistentes à flexão composta, denominados grampos, que podem ser barras de aço, barras sintéticas de seção cilíndrica ou retangular, micro estacas, ou em casos especiais, estacas, no maciço de solo. Estes grampos são instalados sub horizontalmente, de forma a introduzir esforços resistentes de tração e cisalhamento, sendo este último, resultante da consideração de flexão composta nos grampos. Kochen (2003) relata que este tipo de contenção tem sido bastante utilizado no Brasil desde o início da década de 70. Nos solos grampeados, como os grampos não possuem trecho livre, eles transferem tensões ao solo ao longo de todo o seu comprimento. A força máxima (T máx.) mobilizada ao longo do grampo, apresentada na Figura 2.1, ocorre na interface entre as zonas ativa e resistente que surge devido um pequeno deslocamento horizontal da face do maciço, causado pela escavação lateral do terreno. A zona ativa é uma região instável, sujeita a deslizamentos. Já na zona passiva ou zona resistente, o maciço não apresenta movimentações significativas. Estas zonas são delimitadas por uma superfície de ruptura, que é definida pela união dos pontos de força de tração máxima em cada grampo. (LIMA, 2009, p.16). Figura 2.1 Mecanismo de transferência de carga em solo grampeado (modificado, ORTIGÃO ET AL., 1993). C.RESENDE Capítulo 2

28 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 26 Os métodos de análise de estabilidade de taludes de solos grampeados podem ser subdivididos, segundo Ortigão (1997), em dois grandes grupos: Aqueles que empregam a tração e flexão nos grampos, caso da Figura 2.2 e; Os que só consideram a tração. Figura 2.2 Efeito do grampo na estabilidade: a tração e a flexão (modificado, ORTIGÃO, 1997). Alguns métodos de cálculo propostos para grampos se tornam bastante complexos por considerarem a flexão composta. Jewell e Pedley (1990) propuseram a não consideração deste esforço por confirmarem em seus trabalhos que a influência do cisalhamento em aplicações típicas de solos grampeados tem uma influência tão pequena quando comparada aos esforços de tração, que ignorar este esforço traz a vantagem adicional de tornar as análises mais simples. Outro trabalho onde também foi feita a comparação entre análises de estabilidade em taludes grampeados com e sem o efeito da flexão foi o de Ortigão et al. (1995). Neste trabalho, foram estudados os casos expostos na Figura 2.3 utilizando-se de vários programas franceses que incluem o efeito da flexão em seus cálculos, são eles: Clouage, Talren T, Nixesc T, Talren T&B, Nixesc T&B e dois programas onde este efeito não é considerado, Rstabl B e Restabl J. Os resultados deste estudo, apresentados na Figura 2.4, mostram que o fator de segurança obtido utilizando-se o programa Restabl B, baseado no método de Bishop, encontra valores bem próximos e aceitáveis quando comparado aos métodos que levam em consideração a flexão. Conforme exposto, a flexão tem uma importância muito pequena no fator de segurança global, podendo ser desprezada para diâmetros equivalentes ao de uma microestaca. C.RESENDE Capítulo 2

29 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 27 Figura 2.3 Efeito da flexão em grampos de vários diâmetros (modificado, ORTIGÃO ET AL., 1995). Figura 2.4 Resultados do estudo da flexão em grampos de vários diâmetros (ORTIGÃO ET AL., 1995). A Figura 2.5(a) mostra um caso em que a aplicação de solo grampeado para estabilização de taludes gera primordialmente esforços de cisalhamento no reforço. Já no caso da Figura 2.5(b), onde os grampos atuam na contenção de escavações, eles são fundamentalmente solicitados à tração, podendo haver alguma contribuição de cisalhamento. Figura 2.5 Aplicações do reforço de solos com grampeamento (ORTIGÃO ET AL., 1993). (a) (b) C.RESENDE Capítulo 2

30 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 28 Nos últimos anos, os grampos foram adaptados em estruturas de contenção tipo estacas justapostas ou perfis metálicos, onde foram interligados a estas estruturas para auxiliar na estabilidade das mesmas, sendo criada uma nova técnica de contenção denominada Cortinas Grampeadas. As cortinas grampeadas se diferenciam de solos grampeados pois nelas os grampos por si só não estabilizam as escavações, fazendo-se necessário sua associação a estruturas de contenção dimensionadas para esta finalidade. Apesar de ser uma técnica que vem sendo bastante utilizada nos últimos anos no Brasil, há poucos relatos na literatura sobre cortina grampeada. A estrutura de contenção em balanço tipo estacas justapostas grampeadas está sendo bastante utilizada em Brasília devido a agilidade, economia, eficiência e praticidade. (MEDEIROS et al., 2010, 8p). Silva e Dell Avanzi (2010) estudaram o comportamento de cortinas grampeadas a partir de modelos reduzidos por ser uma técnica que vem sendo utilizada cada vez mais na cidade de Curitiba. Alguns autores, ao trabalharem com este tipo de contenção, buscam informação sobre grampos e ensaios de arrancamento em estruturas de solo grampeado. Nas contenções em cortinas grampeadas, os grampos atuam de forma semelhante ao proposto na Figura 2.5(b). Com base no que foi exposto, os grampos serão analisados neste trabalho, como resistindo apenas a esforços de tração, sendo desconsiderados os efeitos de flexão. Ainda segundo Ortigão et al. (1993), a técnica mais comum para execução de grampos é a perfuração do terreno com diâmetro entre 50 mm a 100 mm onde introduz-se uma ou duas barras de aço com diâmetro entre 13 mm e 20 mm, ilustrado na Figura 2.6(b) ou uma barra com diâmetro maior que 20 mm, caso da Figura 2.6(a), seguido de injeção de calda de cimento com pressões baixas, inferiores a 100 kpa. C.RESENDE Capítulo 2

31 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 29 Figura 2.6 Detalhe de grampos mais comuns (ORTIGÃO ET AL., 1993). (a) (b) Uma propriedade muito importante no sistema de contenção em cortina grampeada é a tensão cisalhante média desenvolvida na interface entre o grampo e o solo circundante (q s ). A quantificação deste parâmetro, segundo Silva et al. (2008), é de extrema importância para projetos mais seguros e econômicos uma vez que estes tipos de reforços trabalham basicamente à tração. Desta forma, quanto maior o valor de q s melhor será o desempenho do grampo na estabilidade do sistema. Diversos pesquisadores têm apresentado métodos analíticos e diferentes correlações empíricas e semi empíricas baseadas em ensaios de campo e laboratório. A grande dificuldade encontrada por estes pesquisadores é a de se determinar o valor de q s, desta forma, é de extrema importância a realização de ensaios de arrancamento para previsão deste parâmetro. No Brasil não há norma que regulamente a realização dos ensaios de arrancamento em grampos. A partir destes ensaios é possível determinar o valor de q s por meio da Equação (2.1). = á... (2.1) onde: q s = tensão cisalhante média na interface solo-grampo (kpa); Tmáx. = carga última/máxima do ensaio de arrancamento (kn); d g = diâmetro do grampo (m); C.RESENDE Capítulo 2

32 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 30 L= comprimento do grampo no trecho injetado (m). Quando no ensaio de arrancamento atinge-se a ruptura no contato solo-grampo, o q s obtido neste ensaio é a tensão cisalhante média última. Nos casos de ensaios onde a ruptura do solo não é atingida, o q s obtido é a tensão cisalhante média máxima mobilizada no ensaio. Vários fatores podem influenciar a tensão cisalhante de interface, sendo os principais: Variabilidade do solo; Método construtivo do grampo (escavado, perfuração rotativa, hélice, etc.); Variações físicas e geométricas dos grampos (tipo da barra de aço, inclinação do reforço, diâmetro do grampo, injeções ou não de calda de cimento, etc); Níveis de tensões atuantes. Bustamante e Doix (1985), após a realização de diversos ensaios de arrancamento em ancoragens com somente um estágio de injeção (IGU) e vários estágios de injeção (IRS), diâmetros das ancoragens variando entre 75 mm e 242 mm, apresentam seus resultados plotados em um gráfico que correlaciona q s com a pressão limite do pressiômetro de Ménard (P l ) e com o índice de resistência à penetração N spt. Os gráficos estão separados por tipo de solo, a Figura 2.7 apresenta os resultados dos ensaios em areia e a Figura 2.8 os resultados dos ensaios em argilas e siltes. Figura 2.7 Correlação entre q s, P l, N spt, para areias (modificado, BUSTAMANTE; DOIX, 1985). C.RESENDE Capítulo 2

33 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 31 Analisando os gráficos das Figura 2.7 e 2.8 nota-se uma dispersão grande dos resultados. Esta dispersão pode ser devido a heterogeneidade dos solos onde as ancoragens foram executadas. Os autores ressaltam a importância de ensaios de arrancamento no local da obra e que as correlações propostas são válidas apenas para os solos estudados. Figura 2.8 Correlação entre q s, P l, N spt, para argilas e siltes (modificado, BUSTAMANTE; DOIX, 1985). Wong (WONG, , citado por CHU e YIN, 2005) propôs a Equação (2.2) para calcular a carga de arrancamento por metro linear de grampo. A primeira parcela da equação corresponde à resistência por adesão do grampo por metro linear e a segunda parcela à resistência ao atrito por metro linear de grampo. A adesão corresponde à resistência inicial da ancoragem antes do deslizamento e o atrito é a resistência desenvolvida após os primeiros deslizamentos. =..c+2.." #.$%&φ' ( = á. (2.2) onde: T L = carga última/máxima de arrancamento por metro linear de grampo (kn/m); d g = diâmetro do grampo (m); 1 WONG, H.Y., Soil Nails Design Manual for Slopes (with Worked Example), Architectural Services Departament, [s.l], [s.n], C.RESENDE Capítulo 2

34 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 32 c = coesão do solo (kpa); σ vg = tensão vertical no ponto médio do grampo (kn/m 2 ); φ = ângulo de atrito interno do solo ( o ); T máx. = carga última/máxima do ensaio de arrancamento (kn); L = comprimento do grampo no trecho injetado (m). A metodologia apresentada por Juran et al. (1990), conhecida como Método Cinemático, é uma proposta para o cálculo de solo grampeado. Parte desta metodologia trata da questão referente ao dimensionamento do comprimento de ancoragem do grampo. Faz-se necessário, para tanto, o conhecimento da tensão cisalhante no contato entre solo e grampo. A Tabela 2.1 fornece valores típicos de tensão cisalhante solo-grampo propostos pelos autores. Os autores afirmam que o ideal nestes casos é a realização prévia, ou no início e ao longo da obra, de ensaios de arrancamento. Tabela 2.1-Valores típicos de tensão cisalhante solo-grampo (modificado, JURAN ET AL.,1990). Método Construtivo Tipo de solo Tensão cisalhante solo-grampo (kpa) Perfuração rotativa Areia Siltosa Silte Residual (Peidmont) Coluvionar fino Coluvionar grosseiro 95 Areia/pedregulho Perfuração encamisada Areia 287 Areia/pedregulho Pedregulho Moraine densa Coluvionar Hélice Areia 383 Areia/pedregulho 957 Escavada Areia siltosa Areia siltosa fina Areia silto-arenosa Argila mole Argila dura Silte arenoso Calcário argilo-arenoso Perfuração encamisada Silte arenoso Perfuração rotativa Argila siltosa C.RESENDE Capítulo 2

35 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 33 Byrne et al. (1996) sugerem alguns valores para serem utilizados, na ausência de ensaios de arrancamento, como estimativas iniciais para o parâmetro q s, tanto para solos coesivos quanto para solos não coesivos, conforme apresentado nas Tabelas 2.2 e 2.3 respectivamente. Tabela 2.2-Valores estimados de q s para solos não coesivos (modificado, BYRNE ET AL.,1996). Tipo de solo q s (kpa) Silte não plástico 20 a 30 Areia pouco compacta e/ou Areia siltosa e Silte arenoso Areia siltosa compacta c/pedregulhos Areia siltosa muito compacta c/ pedregulho 50 a a a 240 Tabela 2.3-Valores estimados de q s para solos coesivos (modificado, BYRNE ET AL.,1996). Tipo de solo q s (kpa) Argila rija 40 a 60 Argila siltosa rija 40 a 100 Argila arenosa rija 100 a 200 A Equação (2.3) foi proposta por Ortigão (1997), com base em ensaios de arrancamento realizados em São Paulo, Rio de Janeiro e Brasília. Os grampos ensaiados foram executados em furos com diâmetros variando entre 75 mm e 150 mm com injeção de calda de cimento sem pressão. Esta proposição correlaciona os resultados dos ensaios de arrancamento com o índice N spt do ensaio SPT (Standard Penetration Test), podendo ser útil para uma estimativa preliminar do desempenho dos grampos. =50+7,5 -./ ( (1 23%) (2.3) onde: q s = tensão cisalhante média na interface solo-grampo (kpa); N spt. = número de golpes do ensaio SPT São apresentados na Figura 2.9 os resultados dos ensaios de arrancamento usados para construir a correlação em Ortigão (1997). O autor também ressalta que os resultados apresentam uma dispersão grande em função dos diferentes procedimentos empregados para execução dos grampos. C.RESENDE Capítulo 2

36 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia Figura 2.9 Correlação entre q s e o índice N spt (modificado, ORTIGÃO,1997). qs = Nspt (r 2 = 0.51) 300 Silte arenoso, SP Argila arenosa, RJ Argila porosa de Brasília qs (kpa) Relação sugerida qs = Nspt Siltes (ardósia) Águas Claras,DF Silte arenoso, SP Nspt Ortigão e Palmeira (1997), a partir de novos ensaios de arrancamento, apresentados na Figura 2.10, sugeriram uma correlação de q s com N spt, apresentada na Equação (2.4). Esta proposição é válida para estimativa de q s com base no N spt dos solos estudados em particular, devendo ser confirmados com ensaios de arrancamento realizados posteriormente. Figura 2.10 Correlação entre q s e o índice N spt (modificado, ORTIGÃO; PALMEIRA,1997) q s = ln(n spt ) (r 2 = 0,624) Argila porosa, Brasília Silte (saprólito de ardósia), Brasília q s (kpa) limite inferior sugerido % limite inferior de confiança Silte arenoso, São Paulo Silte arenoso, São Paulo Silte arenoso, Rio de Janeiro N spt = &(-./ ) (q s em kpa) (2.4) Em função da grande dispersão dos resultados apresentados na Figura 2.10, os autores sugerem as retas que delimitam o limite inferior de q s para os resultados apresentados. C.RESENDE Capítulo 2

37 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 35 Com base em retro análises de vários ensaios de arrancamento realizados em obras na região do Distrito Federal, Martins (2012) propôs a Equação (2.5) para o cálculo dos comprimentos dos grampos, com diâmetros de perfuração de 0,10 e 0,15 m. A equação proposta é baseada no Método de Teixeira, concebida para tirantes passivos. O autor propõe que a adesão sologrampo seja calculada com base em resultados do ensaio SPT, conforme apresentado na Equação (2.6).. = 7 8á9. :,;:.<.= BCD.E (2.5) onde: L p = comprimento do grampo atrás da provável superfície de ruptura (m); T máx. = carga última/máxima do ensaio de arrancamento (kn); d g = diâmetro do grampo (m); C a = adesão solo-grampo (kpa); N spt. = número de golpes do ensaio SPT; K = fator de correção de tirante ativo para grampo (K = 0,531 para d g = 0,10m e K = 0,354 para d g = 0,15m). F G =31,25+4,69 -./ (F G (1 23%) (2.6) Como nesta pesquisa a maioria das proposições estão calculadas em relação ao parâmetro q s, a equação proposta por Martins (2012) será reorganizada e apresentada na Equação (2.7), em função do cálculo deste parâmetro. = 0,90.F G.-./.J ( (1 23%) (2.7) Nos grampos os esforços são transferidos ao solo por meio do atrito desenvolvido no contato solo-grampo, esta transferência é semelhante ao atrito lateral desenvolvido nas estacas. Há na literatura métodos teóricos e semiempíricos para estimar o atrito lateral em estacas. Entre os métodos teóricos será apresentado o método proposto por Veloso e Lopes (2010). C.RESENDE Capítulo 2

38 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 36 Segundo Velloso e Lopes (2010), o atrito lateral nas estacas é analisado de forma análoga à resistência ao deslizamento de um sólido em contato com o solo. Desta forma, este atrito pode ser calculado por meio da Equação (2.8). K L =%+" M.tanO (2.8) onde: τ l = atrito lateral nas estacas (kpa); a = aderência entre a estaca e o solo (kpa); σ h = tensão horizontal contra a superfície lateral da estaca (kn/m 2 ); O = ângulo de atrito entre a estaca e o solo ( o ); Os parâmetros de coesão e ângulo de atrito podem ser determinados a partir de ensaios de resistência ao cisalhamento, realizados em laboratório. Alguns autores propuseram métodos semiempíricos para calcular o atrito lateral unitário em estacas utilizando os resultados dos ensaios SPT. Dentre estes métodos destaca-se o método proposto por Décourt e Quaresma (1978) por ser bastante difundido e utilizado na prática da engenharia. Inicialmente, Décourt e Quaresma (1978) propuseram a Equação (2.9) para o cálculo de q l de uma estaca padrão e posteriormente Décourt (1996) alterou esta equação, acrescentando o coeficiente β, a fim de estender os cálculos da estaca padrão para outros tipos de estaca. Os valores de β estão definidos na Tabela 2.4 e variam em função do tipo de estaca e tipo de solo. A nova proposta de q l está definida na Equação (2.10). L = P10.Q -./ 3 + 1RS (2.9) L = P10.Q -./ 3 + 1RS.T (2.10) onde: C.RESENDE Capítulo 2

39 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 37 q l = atrito lateral nas estacas (kpa); β = coeficiente adotado em função do tipo de estaca e tipo de solo. Tipo de solo Tabela 2.4 Valores de β em função do tipo de estaca e solo (DÉCOURT, 1996). Escavada em geral Tipo de estaca Escavada (bentonita) Hélice contínua Raiz Injetadas sob altas pressóes Argilas 0,80 0,90* 1,00* 1,50* 3,00* Solos intermediários 0,65 0,75* 1,00* 1,50* 3,00* Areias 0,50 0,60* 1,00* 1,50* 3,00* *valores apenas orientativos diante do reduzido número de dados disponíveis. Como o grampo trabalha de forma semelhante a uma estaca submetida à tração, a tensão cisalhante média desenvolvida entre o grampo e solo (q s ) é similar ao atrito lateral desenvolvido por uma estaca (τ l e q l ), sendo assim é feito na parte de Análise de Resultados uma comparação entre os resultados de q s obtidos nos ensaios e os previstos para atrito lateral por meio da Equação (2.10) EFEITOS DO PROCESSO DE INJEÇÃO Um fator importante durante a execução dos grampos é a injeção da calda de cimento. Com o intuito de estudar e avaliar o efeito desta injeção, Pitta e Zirlis (2000) executaram ensaios de arrancamento em grampos com e sem injeção em dois tipos de solo: silto argiloso e argilo arenoso. A primeira etapa de preenchimento do grampo, denominada bainha, é realizada sem pressão de injeção, apenas para preenchimento do furo com a calda de cimento e inserção da armadura. Após o início de cura desta calda, faz-se uma ou mais reinjeções de calda de cimento, sob pressão, através de válvulas que permitem a reinjeção com um fluxo, em sentido único, do fundo para a boca do furo. Os grampos ensaiados no trabalho de Pitta e Zirlis (2000) foram perfurados com diâmetro de 75mm, inclinação de 5 o com a horizontal. Tanto a bainha quanto a injeção foram executadas com calda de cimento fator água/ cimento (a/c) igual a 0,50 (em peso). A barra de aço utilizada foi CA 50 diâmetro 20 mm, com comprimentos de 4,0m no solo silto argiloso e 6,0 C.RESENDE Capítulo 2

40 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 38 m no solo argilo arenoso. Os resultados dos ensaios realizados por estes autores estão apresentados na Figura Com base nos resultados obtidos nestes ensaios, é apresentado na Tabela 2.5 os valores de qs para cada grampo. Para este cálculo foi utilizada a Equação (2.1), onde o diâmetro do furo foi considerado o nominal e o valor de T máx. o valor da carga de ruptura obtida nos ensaios. Figura 2.11 Resultado dos ensaios de arrancamento (PITTA; ZIRLIS, 2000). Tabela 2.5-Valores de q s para os grampos ensaiados por Pitta e Zirlis (2000). Solo/L Grampo Carga de q s (kpa) Média de q s Só bainha Bainha fase de injeção Só bainha Silto argiloso L=4,0m Argilo arenoso L=6,0m Bainha + 1 fase de injeção C.RESENDE Capítulo 2

41 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 39 A análise dos resultados mostra um ganho médio em torno de 50% na capacidade de aderência solo-grampo, ao comparar grampos injetados e não injetados. Nota-se também que os grampos com comprimentos menores tiveram resultados melhores que os grampos maiores, talvez em função da alteração do tipo de solo. Após os ensaios, o talude foi escavado e os grampos ficaram expostos, constatando-se que as fissuras e vazios do solo próximo ao contato foram preenchidos pela injeção, promovendo desta forma o seu adensamento. Os autores concluíram portanto, que ao injetar um grampo, além das melhorias na capacidade de aderência do mesmo, são propiciadas melhorias como adensamento do solo e colagem de fissuras. Outro estudo realizado com o intuito de analisar e estudar o efeito da injeção na aderência solo-grampo foi desenvolvido por Silva et al. (2008). Os ensaios foram realizados em um solo residual jovem na região de Santo André-SP, com N spt variando entre 3 e 9 golpes. Foi utilizado o procedimento de lavagem no furo, perfurado com 75 mm de diâmetro e inclinação média de 10º com a horizontal. As barras de aço utilizadas foram CA 50, diâmetro 25 mm com comprimentos de 3,0 m (grampos curtos) ou 6,0 m (grampos longos), já descontados os trechos livre e de arrancamento. Os autores instrumentaram os grampos com extensômetros elétricos, distribuídos ao longo dos comprimentos. No total foram executados dois grampos curtos, somente bainha (nomeados A e B), um grampo curto, bainha com uma fase de injeção (D), um grampo longo somente bainha (C) e um grampo longo com bainha e uma fase de injeção (E). As Figuras 2.12 e 2.13 apresentam as curvas carga versus deslocamento obtidas a partir dos ensaios realizados e a Tabela 2.6 um resumo dos resultados obtidos. Os resultados dos grampos curtos, Figura 2.12(a), e longos, Figura 2.12(b), estão apresentados de forma separada na Figura 2.12 para analisar a influência das duas diferentes metodologias executivas. Na Figura 2.13 as metodologias estão separadas em somente bainha, Figura 2.13(a) e bainha com uma fase de injeção, Figura 2.13(b), para avaliar o efeito do comprimento dos grampos no parâmetro q s. Os autores ressaltam que o grampo E, por limitações impostas no conjunto macaco-bomba e aparecimento de trincas ao longo da face da reação, não atingiu a carga máxima do solo até o último estágio do carregamento. C.RESENDE Capítulo 2

42 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 40 Figura 2.12 Curvas carga x deslocamento para grampos curtos (a) e longos (b) (SILVA ET AL.,2008). Deslocamento (mm) Deslocamento (mm) Figura 2.13 Curvas carga x deslocamento para grampos com bainha (a) e bainha com injeção (b) (SILVA ET AL.,2008). Deslocamento (mm) Deslocamento (mm) Tabela Resumo dos resultados obtidos nos ensaios de arrancamento (modificado, SILVA ET AL.,2008). Grampo T máx. Deslocamento q s Processo Id. Tipo (kn) (mm) (kpa) Executivo A Curto (3m) 40,7 13,1 57,6 Bainha B Curto (3m) 27,8 6,5 39,4 Bainha C Longo (6m) 127,2 16,4 90,0 Bainha D Curto (3m) 112,4 7,1 112,4 Bainha + 1 injeção E Longo (6m) 176,2 12,0 124,6 Bainha + 1 injeção Silva et al. (2008), concluíram que houve um ganho significativo quanto a carga máxima obtida nos grampos injetados, conforme visto na Figura 2.12, e que apesar do comprimento do grampo longo ser o dobro do curto, a relação entre as cargas máximas obtidas nestes grampos, apresentado na Figura 2.13, não obedece esta relação. Observou-se também que os valores de q s foram superiores na metodologia bainha com uma injeção provavelmente devido ao preenchimento dos vazios pela calda de cimento, permitindo reconstituir as condições de confinamento do solo antes da perfuração. C.RESENDE Capítulo 2

43 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 41 Souza et al. (2005), a fim de estudar o comportamento dos grampos para mais de uma fase de injeção, executaram 12 grampos na cidade de São Paulo, com as seguintes características: diâmetro de perfuração φ 0,075 m L=6,0 m, aço CA 50 diâmetro16 mm, com inclinação de 10º com a horizontal, fator a/c=0,50 em um solo residual de silte arenoso, N spt variando entre 3 e 6 golpes. Do total de 12 grampos, 04 foram executados somente com bainha, 04 com bainha mais uma fase de injeção e 04 com bainha e duas fases de injeção. Neste estudo, os grampos foram executados de forma semelhante até a fase de preenchimento das bainhas. Após a execução dos grampos, houve exumação de dois grampos de cada grupo, executados por metodologias diferentes, para verificar o comportamento dos grampos para diferentes fases de injeção. Os demais grampos foram ensaiados à tração e com base nos resultados obtidos é mostrado na Tabela 2.7 o valor de q s para cada grampo. O valor de q s foi determinado por meio da Equação (2.1), sendo o diâmetro do furo adotado o nominal e o valor de T máx, a carga total obtida em cada ensaio. Tabela Valores de q s para os grampos ensaiados por Souza et al. (2005). Grampo Injeção Carga total (kn) 7 50,1 8 Bainha 37,6 12 Bainha + 100, fase de injeção 56,4 9 Bainha + 62, fases de injeção 75,2 Carga total média (kn) q s (kpa) 43,9 31,0 78,2 55,3 69,0 48,8 Quanto à exumação dos grampos e resultados dos ensaios de tração, os autores constaram: Presença de vazios detectada em grande parte do furo onde foram executados somente bainha, em decorrência da exsudação da calda de cimento que não reconstitui totalmente o desconfinamento do solo provocado pela perfuração; Onde houve injeção, após a bainha, os vazios causados pela exsudação da calda foram preenchidos, melhorando as características geológicas-geotécnicas do maciço; C.RESENDE Capítulo 2

44 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 42 As fases de injeção resultaram em melhorias das condições do maciço que podem ser confirmadas pelos resultados dos ensaios de arrancamento, que comparados à fase de bainha, apresentaram aumentos entre 57% e 78%. Com o intuito de pesquisar a influência da reinjeção da calda de cimento, lavagem do furo e tempo de cura da calda no parâmetro q s, Springer (2006) realizou 25 ensaios de arrancamento em solo residual jovem e maduro de gnaisse na cidade de Niterói, RJ. Os grampos foram executados com inclinação de 10º, diâmetros de 75mm ou 100mm com um trecho livre de 1,0m seguido de um trecho injetado de 3m com calda de cimento fator a/c = 0,60. Com base nos resultados dos ensaios de arrancamento, Springer (2006) conclui que os grampos reinjetados em solo residual maduro apresentaram, em média, valor de q s 37% superior aos grampos sem reinjeção e em solo residual jovem este valor chegou a 27%. A lavagem do furo forneceu uma resistência maior para os grampos quando comparado como os furos secos; nos grampos reinjetados esta diferença foi 5% maior e nos grampos sem reinjeção a diferença foi maior em 27%. Com relação ao tempo de cura da calda de cimento para realização dos ensaios de arrancamento, foi constatado que não houve aumento significativo de q s para o tempo de cura de 10 dias quando comparado com os resultados de 3 dias, sendo recomendado pela autora, que o tempo para realização dos ensaios de arrancamento nas obras seja reduzido de forma a reduzir custos. Springer (2006), ao comparar os valores de q s obtidos com correlações empíricas propostas por alguns autores, encontrou resultados conservadores e outros superestimados. A Equação (2.11) é a que representa o melhor ajuste com os resultados obtidos pela autora, por apresentar uma menor dispersão em relação aos resultados encontrados. = 45,12.6&-./ ' 14,99 ( (1 23%) (2.11) 2.2. DISTRIBUIÇÃO DE CARGA NOS GRAMPOS Como os grampos neste trabalho não foram instrumentados buscou-se conhecer como é feita a distribuição de cargas nos grampos com base em pesquisas onde os mesmos foram instrumentados. C.RESENDE Capítulo 2

45 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 43 Autores como Springer (2006) e Silva (2005) instrumentaram os grampos em suas pesquisas com extensômetros elétricos que permitiram verificar a distribuição dos carregamentos durante a realização dos ensaios. As Figuras 2.14 a 2.19 apresentam os resultados das instrumentações de grampos executados em campo por Springer (2006). Estes grampos foram executados em solo residual de gnaisse e possuem 1,0m de trecho livre e 3,0m de trecho injetado (bainha e uma fase de injeção), com diâmetros de perfuração de 0,10m, com exceção do grampo M2-01 que possui diâmetro de 0,075m. Figura 2.14 Distribuição de carga ao longo do grampo M1-06 (modificado, SPRINGER, 2006). M Carga (kn) Comprimento (m) 180kN 152kN 136kN 114kN 91kN 43kN 68kN 20kN Figura 2.15 Distribuição de carga ao longo do grampo M2-01 (modificado, SPRINGER, 2006). 175 M2-01 Carga (kn) Comprimento (m) 172kN 151kN 136kN 106kN 90kN 68kN 44kN 22kN C.RESENDE Capítulo 2

46 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 44 Figura 2.16 Distribuição de carga ao longo do grampo M1-12 (modificado, SPRINGER, 2006). 140 M1-12 Carga (kn) Comprimento (m) 129kN 112kN 97kN 80kN 65kN 48kN 34kN 13kN Figura 2.17 Distribuição de carga ao longo do grampo M1-08 (modificado, SPRINGER, 2006). M Carga (kn) Comprimento (m) 208kN 184kN 157kN 132kN 106kN 54kN 23kN 81kN Figura 2.18 Distribuição de carga ao longo do grampo M1-09 (modificado, SPRINGER, 2006). 200 M1-09 Carga (kn) Comprimento (m) 201kN 176kN 150kN 125kN 99kN 68kN 53kN 23kN C.RESENDE Capítulo 2

47 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 45 Figura 2.19 Distribuição de carga ao longo do grampo M1-10 (modificado, SPRINGER, 2006). 200 M1-10 Carga (kn) Comprimento (m) 192kN 164kN 142kN 122kN 101kN 68kN 48kN 26kN Os grampos M1-06, M2-01 e M1-12 possuem curva carga versus deslocamento com ruptura bem definida. O grampo M1-08 teve o ensaio interrompido próximo de se atingir a ruptura e os grampos M1-09 e M1-10 foram interrompidos antes de atingir ruptura a fim de evitar danos à célula de carga. Analisando as Figuras 2.14 a 2.19 nota-se que a mobilização de reação máxima ao longo do grampo ocorre a partir da cabeça em direção a parte mais interna do grampo, ou seja, para os primeiros estágios de carga, apenas o trecho inicial do grampo já atingiu a tensão máxima, à medida em que se aproxima da carga de ruptura, uma extensão maior do grampo é mobilizada. Nos estágios sucessivos de carga, os trechos com resistência cisalhante já em seu valor máximo, apresentam curvas paralelas naqueles trechos. Para os casos em que foi atingida a ruptura (M1-06, M2-01, M1-12) ou que tenha chegado bem próximo a ela (M1-08) o diagrama de transferência de carga ao grampo é do tipo triangular. Nos demais casos há uma tendência de se atingir este diagrama triangular. É comum na prática da engenharia adotar que ao longo do grampo o carregamento é distribuído de forma uniforme, diferentemente do que foi exposto. Contudo, esta distribuição uniforme é igual à média do carregamento triangular. Silva (2005) ensaiou grampos injetados com diâmetros de 0,075m, sendo 1,0m de trecho livre e 3,0m de trecho injetado (bainha e uma fase de injeção), em argila arenosa (grampo AR-01) e areia argilosa (AR-04), conforme apresentado nas Figuras 2.20 e 2.21 respectivamente. C.RESENDE Capítulo 2

48 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 46 Figura 2.20 Distribuição de carga ao longo do grampo AR-01 (modificado, SILVA, 2005). 140 AR-01 Carga (kn) Comprimento (m) 117kN 102kN 92kN 70kN 56kN 49kN 30kN 15kN Figura 2.21 Distribuição de carga ao longo do grampo AR-04 (modificado, SILVA, 2005). 140 AR-04 Carga (kn) Comprimento (m) 124kN 121kN 107kN 94kN 84kN 59kN 44kN 27kN 7kN A forma de distribuição de carga observada por Silva (2005) foi a mesma observada por Springer (2006), ou seja, o diagrama de transferência de carga ao grampo é do tipo triangular. Utilizando os resultados apresentados nas Figuras 2.14 a 2.21, foram feitos estudos sobre a distribuição da tensão cisalhante média q s ao longo do grampo. Nestes estudos foram utilizadas as cargas e deslocamentos referentes a 25% 50% 75% e 100% das cargas máximas obtidas nos ensaios. De forma a exemplificar o resultado desta análise, é apresentado na Figura 2.22 a distribuição da tensão cisalhante média q s ao longo do grampo M1-08. A tensão cisalhante apresentada na Figura 2.22 é a tensão média no trecho entre duas leituras consecutivas dos extensômetros elétricos. Esta tensão média está apresentada graficamente no ponto médio do intervalo considerado. C.RESENDE Capítulo 2

49 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 47 Considerando a carga máxima obtida no ensaio, têm-se uma tensão cisalhante média para o grampo M1-08 de 220kPa. Analisando a Figura 2.22 nota-se que no trecho inicial do grampo essa tensão cisalhante é maior do que a média, em alguns trechos chega a 50% do valor médio, voltando a aumentar no trecho final do grampo. Conclui-se portanto, que a distribuição da tensão cisalhante q s não é uniforme ao longo do grampo. Para cargas menores a tensão cisalhante no trecho final deste grampo é cerca de 40% menor do que a tensão cisalhante no trecho inicial do grampo. Para a carga máxima mobilizada no ensaio percebe-se um aumento no valor da tensão cisalhante tanto no trecho final do grampo quanto no trecho inicial do mesmo. Figura 2.22 Distribuição de q s ao longo do grampo M1-08 (SPRINGER, 2006) M1-08 q s médio para 100% T máx. q s (kpa) Comprimento do grampo 100% Tmax. 75% Tmax 50% Tmax 25% Tmax 2.3. DEFORMAÇÃO ELÁSTICA DOS GRAMPOS Os grampos quando tracionados se comportam de forma similar a uma estaca quando submetida a aplicação de uma carga axial, mobilizando tensões cisalhantes ao longo do seu fuste. A carga nas estacas é transferida ao solo tanto pela base quanto pelo fuste e ao transferir estes esforços ao solo, geram deformações no mesmo, resultando em recalques nas estacas. C.RESENDE Capítulo 2

50 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 48 Randolph e Wroth (1978) estudaram a transferência de carga da estaca para o solo dividindo os esforços em duas partes, uma ao longo do fuste e a outra na base, conforme mostrado na Figura Figura 2.23 Modelo de transferência proposto por Randolph e Wroth (VELLOSO;LOPES, 2010) Como a intenção é estudar o deslocamento elástico de um grampo de forma similar ao recalque de uma estaca, é apresentado na Figura 2.24 apenas a distribuição das tensões cisalhantes tomadas no meio da profundidade das estacas e que geram recalques devido a estas tensões. Não será apresentado neste trabalho as formulações para o cálculo do recalque na base da estaca. Figura 2.24 Distribuição da tensão cisalhante na direção radial da estaca (modificado, RANDOLPH;WROTH, 1978). Q K V = W X W.K X L e dr dw Y= Z V [= K V Y A carga total transferida pela estaca ao solo ao longo do fuste e o recalque do fuste são calculados por meio das Equações (2.12) e (2.13) respectivamente. C.RESENDE Capítulo 2

51 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 49 a =2W X K X b (2.12) V 8 c = d Y V = d V e V 8 K X [ V e W : W V = K XW : [ ς (2.13) onde: Qs = carga transferida pela estaca ao solo através do fuste (kn); ro = raio da estaca (m); τ o = tensão cisalhante máxima na direção radial (kn/m 2 ); Le = comprimento da estaca (m); ws = recalque do solo ao longo do fuste (m); G = módulo cisalhante do solo (kn/m 2 ); As Equações (2.14) e (2.15) apresentam o cálculo de ς e a expressão que combina as Equações (2.12) e (2.13) respectivamente. ς=6&q W W X R 6&Q 2,5 b(1 W X R (2.14) a g = 2 b[ c g ς (2.15) Utilizando a Equação (2.15) pode-se calcular o deslocamento do grampo devido o atrito lateral desenvolvido no contato solo-grampo de forma semelhante ao recalque do fuste da estaca. Sendo o valor de G calculado pela Equação (2.16) proposta pela Teoria da Elasticidade. G= h 2.(1+) (2.16) C.RESENDE Capítulo 2

52 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 50 onde: E s = módulo de elasticidade do solo (kn/m 2 ); = coeficiente de Poisson Na ausência de ensaios e em etapas de anteprojeto, o valor do módulo de elasticidade do solo (E s ) pode ser definido utilizando-se a correlação proposta na Equação (2.17) que correlaciona o módulo de elasticidade do solo com o valor do N spt. Esta equação foi utilizada no trabalho de Magalhães P. (2005) e o mesmo conclui após várias retro análises numéricas de provas de carga sua aplicabilidade para os solos de Brasília e Goiânia. h = 3.-./ (E s em MPa) (2.17) Foi adotado neste trabalho o valor do coeficiente de Poisson igual a 0,3, valor este entre os valores típicos sugeridos por Teixeira e Godoy (1996) e apresentados na Tabela 2.8. Tabela 2.8 Valores típicos do coeficiente de Poisson (TEIXEIRA;GODOY, 1996) Solo Areia pouco compacta 0,2 Areia compacta 0,4 Silte 0,3-0,5 Argila saturada 0,4-0,5 Argila não saturada 0,1-0,3 A fim de obter o deslocamento elástico total do grampo devido a aplicação de uma força de tração na cabeça deste, faz-se necessário acrescentar ao deslocamento do grampo devido o atrito lateral (w s ) o alongamento da barra de aço ( l ). A relação linear entre tensão e deformação do aço segundo a Lei de Hooke, pode ser expressa pela Equação (2.18). Nos casos de grampos o valor de Qs é igual ao valor de Q. O valor do deslocamento elástico total do grampo está apresentado na Equação (2.19). " = h G.i (a.α) k G = h G. L m (2.18) C.RESENDE Capítulo 2

53 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 51 onde: Q = carga total aplicada ao grampo (kn); Aa = área de aço da barra (m 2 ); E a = módulo de elasticidade do aço (kn/m 2 ); l = alongamento do aço (m); Lb = comprimento da barra de aço (m) α = fator do modo de distribuição da carga ao longo grampo; Segundo a NBR 6118 (ABNT, 2014) na ausência de ensaios, pode ser adotado para o módulo de elasticidade do aço valor igual a 210GPa. c / = c + L (2.19) onde: wt = deslocamento elástico total do grampo (m) O fator α utilizado na Equação (2.18) é um fator que corrige a forma de distribuição do esforço normal ao longo do grampo. Conforme pode ser visto na Figura 2.25, caso esta distribuição fosse constante ao longo do grampo, ter-se-ia α = 1, caso variasse linearmente até zero na ponta, este valor seria α = 0,5 e se variasse de forma não linear, teríamos α variando entre 0,5 e 1. Figura 2.25 Formas de distribuição da carga ao longo do grampo. α=1 α=0,5 0,5 < α < 1 C.RESENDE Capítulo 2

54 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 52 Como foi visto anteriormente no item Distribuição de Carga nos Grampos que a forma de distribuição de carga no grampo se aproxima de uma distribuição triangular, foi adotado neste trabalho α = 0,5. Como não foram realizados ensaios na calda de cimento para avaliação da resistência à compressão (σ c ), resistência à tração indireta (σ t ) e módulo de elasticidade (E c ), foram utilizados os resultados obtidos no trabalho de Magalhães M. (2005). Magalhães M. (2005), realizou ensaios de compressão uniaxial em corpos de prova cilíndricos de calda de cimento com fator a/c de 0,60, o mesmo valor adotado neste trabalho. Alguns destes corpos de prova foram instrumentados para medição das deformações nas direções axial e radial nos ensaios de compressão uniaxial, porém alguns strain gages foram perdidos durante os ensaios de compressão uniaxial, impossibilitando a determinação do coeficiente de Poisson. Os valores médios obtidos nestes ensaios estão apresentados na Tabela 2.9. Tabela 2.9 Valores médios obtidos nos ensaios com calda de cimento (MAGALHÃES M., 2005). Material σ c (MPa) 10,70 Calda de cimento Fator a/c = 0,60 σ t (MPa) 0,98 E c (GPa) 2,62 C.RESENDE Capítulo 2

55 CAPÍTULO 3 METODOLOGIA Neste capítulo são descritas as principais informações sobre a obra analisada e os ensaios executados. Fez-se uma breve descrição do local selecionado para os ensaios, apresentação do solo encontrado neste local, descrição do processo executivo dos grampos, sendo apresentada as metodologias adotadas para a execução dos ensaios de arrancamento e ensaios de laboratório DESCRIÇÃO DO LOCAL Para realização dos ensaios foi escolhida uma obra de um edifício residencial, com contenções variando de 2 a 3 subsolos, em uma área no município de Goiânia estado de Goiás. As Figuras 3.1 e 3.2 ilustram esta área que localiza-se próximo as margens do córrego Vaca Brava, Rua T-51 Qd.77 lotes 20/21-23/26, Setor Bueno. O local é identificado no Sistema de Coordenadas Geográficas com latitude 16 42'4.36"S e longitude 49 16'34.41"W. Figura 3.1 Localização da cidade de Goiânia. Fonte: Google Maps (2014), acessado em 20/01/2014. C.RESENDE Capítulo 3

56 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 54 Figura 3.2 Localização da obra onde foram realizados os ensaios de arrancamento na cidade de Goiânia. Fonte: Google Earth (2013), acessado em 18/04/2013. Trata-se de uma obra residencial, com alturas de contenção até 8,0 m, empregando-se para conter as escavações estacas escavadas justapostas com diâmetro de 35 cm com utilização de grampos. O terreno foi escavado deixando-se taludes, rampas e platôs para execução dos grampos e posterior escavação final da obra. A Figura 3.3 apresenta uma foto durante as escavações indicando no talude o trecho onde os grampos ensaiados foram executados. Figura 3.3 Trecho onde os grampos ensaiados foram executados. - C.RESENDE Capítulo 3

57 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia DESCRIÇÃO DO SOLO Na área do terreno de aproximadamente 3.216,0 m 2 foi executado a partir do terreno natural, antes de qualquer escavação, um total de seis furos de sondagem à percussão Standard Penetration Test (SPT) locados no terreno de forma aleatória. Dentre estes furos, o furo SP04 é o que se encontra mais próximo do trecho ensaiado. O furo de sondagem SP04 foi executado no mês de Julho de 2011 a partir da cota +98,70. Sobrepostos ao furo SP04 estão indicados na Figura 3.4 às posições das duas linhas de grampo ensaiadas. Foram ensaiados três grampos executados na cota +97,43 e três grampos na cota +94,94. Figura 3.4 Sondagem SP04 com sobreposição dos grampos. C.RESENDE Capítulo 3

58 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 56 Conforme visto na Figura 3.4, as duas linhas de grampo estão embutidas em uma argila arenosa vermelha com N spt variando entre 2 e 6. A cota +91,85 indica o limite da escavação, cota do subsolo 3. A sondagem apresenta 9,0m de uma argila arenosa vermelha sobreposta a uma espessa camada de silte arenoso variegado. O nível d água (N.A) encontrava-se 3,45 m abaixo da cota +91,85 (cota subsolo 3), no mês de Julho de EXECUÇÃO DOS GRAMPOS Os grampos utilizados nos ensaios de arrancamento foram grampos adicionais que tinham a finalidade de serem ensaiados até a ruptura. Estes grampos foram executados em sequência aos demais grampos da obra, seguindo os mesmos padrões de escavação e concretagem. Após a execução das estacas escavadas justapostas e concretagem da viga de topo, o terreno foi inicialmente escavado até o platô na cota +96,63 para execução da 1ª linha de grampos posicionados na cota +97,43, conforme pode ser visto na Figura 3.5. Figura 3.5 Escavação dos grampos na cota +97,43. C.RESENDE Capítulo 3

59 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 57 Os grampos GM1, GM2 e GM3 foram escavados no dia 02 de Julho de 2013, com diâmetros de 10cm, utilizando-se circulação de água, leve inclinação de 20º em relação à horizontal, com comprimento total perfurado de 9,00m. Uma vista e um corte neste trecho estão apresentados nas Figuras 3.6 e 3.7 respectivamente. Figura 3.6 Vista com indicação dos grampos ensaiados. E206 E207 E208 E209 E210 E211 E212 E213 E214 E215 E216 E217 E218 E219 E220 E221 E222 E223 E224 E225 E226 E227 GM6 GM5 GM4 G184 G185 G186 G187 G188 G189 G190 G191 G192 G193 G194 G44 GM3 G47 GM2 GM1 G** G43 G45 G46 G48 G49 G50 G51 G52 G53 Foram ensaiados grampos localizados em duas alturas distintas, sendo três grampos na cota +97,43 que foram nomeados GM1, GM2, GM3 e outros três grampos da cota +94,94 nomeados GM4, GM5, GM6. O grampo GM1 estava inicialmente previsto para ser executado na posição G**, entre as estacas E225 e E226, porém por problemas executivos este grampo foi descartado e a execução dos grampos seguiu a sequência apresentada na Figura 3.6. Os grampos foram escavados e preenchidos no mesmo dia. A primeira etapa do preenchimento, denominada bainha, foi realizada sem pressão de injeção. Transcorrida 24 horas desta 1ª etapa, fez-se uma reinjeção de calda de cimento, sob pressão variando entre 0,8 e 1MPa, por meio das válvulas de reinjeção. Os grampos GM1 ao GM3 possuem sete válvulas espaçadas a cada metro e os grampos GM4 ao GM6, nove válvulas espaçadas também a cada metro, conforme mostra a Figura 3.7. C.RESENDE Capítulo 3

60 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 58 Figura 3.7 Corte ilustrando a posição dos grampos ensaiados. Os grampos GM1 e GM3 foram concretados com uma barra reta de diâmetro 20 mm de aço CA50, sendo 9,0 m desta barra embutidos em calda de cimento (fator a/c= 0,60 em peso), e 1,0 m livre. O grampo GM2 diferencia-se dos demais quanto ao trecho de armação embutido em calda de cimento. Descontando-se o trecho de 1,0 m livre, dos 9,0 m de grampo embutidos em solo, houve contato entre a calda de cimento e a barra de aço CA 50 diâmetro de 20 mm, apenas nos 6,5 m finais. Os primeiros 2,5 m foram engraxados e o contato entre a barra e a calda de cimento isolado por meio de tubo de PVC 40mm vedado nas extremidades com massa epóxi, conforme pode ser visto na Figura 3.8. Finalizada a execução desta 1ª linha de grampos, o terreno foi escavado novamente até o platô na cota +94,14 para execução da 2ª linha de grampos posicionados na cota +94,94. C.RESENDE Capítulo 3

61 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 59 Figura 3.8 Detalhes da barra de aço utilizada no grampo GM2. Tubo auxiliar para reinjeção de calda de cimento Os grampos GM4, GM5 e GM6 foram escavados e concretados no dia 11 de Julho de 2013, com diâmetros de 10 cm, utilizando-se circulação de água, leve inclinação de 20º em relação à horizontal, com comprimento total perfurado de 11,0 m. Os grampos GM4 e GM6 foram concretados com uma barra reta de diâmetro 25 mm de aço CA50, sendo 11,0 m desta barra embutidos em calda de cimento (fator a/c=0,60 em peso), e 1,0 m livre. O grampo GM5 diferencia-se dos demais quanto ao trecho de armação embutido em calda de cimento. Descontando-se o trecho de 1,0 m livre, dos 11,0 m de grampo embutidos em solo, houve contato entre a calda de cimento e a barra de aço CA50 diâmetro de 25 mm, apenas nos C.RESENDE Capítulo 3

62 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 60 9,5 m finais. Os primeiros 1,5 m foram engraxados e o contato entre a barra e a calda de cimento isolado por meio de tubo de PVC 40 mm vedado nas extremidades com massa epóxi. Nas cortinas grampeadas os grampos estão ligados a um paramento bastante rígido quando comparado aos grampos nas estruturas de solos grampeados, onde o fechamento do paramento é feito com tela soldada e concreto projetado, gerando uma estrutura bastante flexível que permite o deslocamento do maciço. Sendo assim, é esperado que nas contenções em cortinas grampeadas, os deslocamentos horizontais na face da contenção sejam bem menores do que aqueles que acontecem em solos grampeados. Desta forma, a cunha ativa formada atrás das contenções grampeadas estará no intervalo entre a cunha ativa dos solos grampeados e o estado de repouso, em uma situação hipotética de não haver deformação na cortina. Como não foram encontradas pesquisas sobre o comportamento das cunhas ativas em cortinas grampeadas, foram estudados grampos onde o comprimento do mesmo está inserido parte na cunha ativa e parte na zona resistente, caso dos grampos GM1, GM3, GM4, GM6 e outros onde o trecho injetado está inserido além da superfície de ruptura que delimita as zonas ativa e resistente, caso dos grampos GM2 e GM5. Espera-se que o comportamento real dos grampos quanto à tensão cisalhante média no contato solo-grampo (q s ) e a carga última/máxima do ensaio de arrancamento (T máx. ), estejam no intervalo entre as duas situações estudadas para cada linha de grampo. Para definir o trecho livre dos grampos GM2 e GM5 foi considerado o modelo da superfície de ruptura adotado Steward et al. ( citado por Abramento et al. 1996), apresentado na Figura 3.9. L L Figura 3.9 Superfície de ruptura adotada. Superfície potencial de ruptura 45 + φ/2 L P L L = Comprimento livre L P = Comprimento do grampo atrás da provável superfície de ruptura φ = ângulo de atrito interno do solo 2 STEWARD, J.E., WILLIAMSON, R.E., MOHNEY, J. Earth Reinforcement. Guidelines for Use of Fabrics in Construction and Maintenance of Low Volume Roads, U.S. Forest Service, Portland, C.RESENDE Capítulo 3

63 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 61 A Figura 3.10 apresenta o instante em que o grampo GM6 estava sendo reinjetado com calda de cimento e uma vista com os grampos a serem ensaiados. Figura 3.10 Vista com grampos GM1 ao GM6 e reinjeção de calda de cimento no grampo GM ENSAIOS DE ARRANCAMENTO Clouterre (1991) ressalta que o resultado da força máxima de arrancamento será o mesmo tanto para o ensaio com controle de deslocamento quanto para o ensaio com controle de força, desde que para as mesmas condições de solo. O procedimento adotado nesta pesquisa será o ensaio de arrancamento com controle de força, técnica usualmente mais adotada no país. Como no Brasil não há normatização para ensaios de arrancamento em grampos, eles foram realizados seguindo-se os critérios da NBR 5629 (ABNT, 2006) que define os procedimentos para ensaios de arrancamento em tirantes, porém com algumas modificações nos intervalos de tempo entre leituras e períodos de estabilização dos deslocamentos. Os deslocamentos foram medidos tanto na fase de carregamento quanto na fase de descarregamento. A instalação dos equipamentos para realização dos ensaios baseou-se no proposto por Ortigão (1997), apresentado na Figura C.RESENDE Capítulo 3

64 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 62 Para montagem dos ensaios de arrancamento foram utilizados: macaco hidráulico com capacidade para até 600 kn, deflectômetros com até 8,0cm de curso, chapas de aço, barras metálicas para apoio bases magnéticas utilizadas para fixação dos deflectômetros. Figura 3.11-Modelo para realização dos ensaios de arrancamento (modificado, ORTIGÃO, 1997). Conforme visto na Figura 3.12, foram utilizados deflectômetros com precisão de 0,01 mm para leitura dos deslocamentos na cabeça do grampo. Estes equipamentos foram fixados por meio dos braços magnéticos aos perfis metálicos que foram mantidos estáveis durante todo o ensaio. Adotou-se a média das leituras realizadas nos deflectômetros como as medidas de deslocamento. O intuito de trabalhar com quatro deflectômetros foi o de minimizar erros de leitura devido a possíveis desalinhamentos entre o eixo de aplicação da carga e o eixo do grampo. Para realização do primeiro ensaio, grampo GM1, foi possível o apoio da chapa metálica (largura de 30 cm) diretamente sobre as estacas concretadas, viabilizando desta forma a montagem de todo o sistema. Isto foi possível devido as estacas terem sido erroneamente executadas com espaçamento um pouco menor do que o projetado. Para a realização dos demais ensaios, exceto GM1, foi necessária a execução de um bloco no trecho inicial dos grampos para apoiar a chapa de aço e viabilizar a montagem do sistema. De forma a ilustrar o que foi comentado, seguem as Figuras 3.12 e 3.13 mostrando o sistema montado no grampo GM1(sem bloco) e nos demais grampos respectivamente. O trecho da barra dentro do bloco, foi isolada da calda com tubo de PVC 40mm vedado na extremidade com massa epóxi, de forma similar ao que foi executado nos grampos GM2 e GM5. O cimento utilizado na calda dos grampos é do tipo Portland CP II E-32 e todos os ensaios de arrancamento foram realizados após o tempo mínimo de sete dias para a cura da calda. Há trabalhos, como o de Springer et al. (2008), que sugerem que este intervalo de tempo mínimo C.RESENDE Capítulo 3

65 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 63 para realização dos ensaios possa ser reduzido pois, ao compararem resultados de ensaios de arrancamento em grampos com tempos de cura de 3 e 10 dias, concluíram que não houve aumento significativo da resistência ao arrancamento para os dois períodos de cura analisados. Figura 3.12-Sistema montado para ensaio de arrancamento no grampo GM1. Deflectômetro Placa de aço apoiada diretamente nas estacas (inclinação de 20º) Macaco Braço magnético Figura 3.13-Sistema montado para ensaio de arrancamento no grampo GM4. Bloco de concreto utilizado para apoio da placa de aço (inclinacão de 20º) C.RESENDE Capítulo 3

66 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 64 O carregamento adotado para execução dos ensaios obedeceu a seguinte sistemática: O ensaio parte de uma carga inicial (F o ) e segue em estágios 0,4 Ft; 0,75 Ft; 1,0 Ft; 1,25 Ft; 1,5 Ft, 1,75 Ft e 2,0 Ft, onde Ft corresponde à carga de trabalho. O valor inicial Fo está definido na Equação (3.1); r X = 0,1 t uv k G (3.1) onde: f yk = resistência característica à tração do aço (kgf/cm 2 ); A a = Área de aço da barra (cm 2 ); Após cada estágio de carga, faz-se o alívio até F o, seguindo os mesmos estágios do carregamento, com medições de deslocamentos da cabeça, para obtenção dos deslocamentos permanentes; A carga máxima do ensaio corresponde à carga de trabalho (Ft), multiplicada pelo fator de segurança, neste caso foi adotado F.S = 2,0, e no máximo igual a 0,9.f yk.a a. Os intervalos entre aplicações de carga obedecem: Imediatamente após a aplicação do carregamento, são feitas leituras de deformação com intervalos de cinco minutos entre uma leitura e a subsequente; O critério adotado para passar para o próximo estágio de carregamento, é que entre duas leituras comparativas em um tempo t e t/2, não ocorra diferença maior que 0,01 mm ou se não houver estabilização de deslocamentos em um intervalo de até 30 min. As comparações são feitas entre leituras de 5 min e imediatamente após a aplicação da carga, entre as leituras de 10 min e 5 min, entre 20 min e 10 min, entre 30 min e 15 min ENSAIOS DE LABORATÓRIO Próximo ao local definido para realização dos ensaios de arrancamento e antes de se proceder a escavação no terreno, foram retiradas amostras de solo para ensaios em laboratório. C.RESENDE Capítulo 3

67 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 65 As amostras foram coletadas no dia 12 de Abril de 2013, nas profundidades de 3,50 m e 8,50 m à partir da cota +99,60 do levantamento topográfico. A primeira amostra foi coletada nesta profundidade por estar em uma região próxima à primeira e segunda linha de grampos. Após detectar que aos 7,00 m de profundidade houve alteração do tipo de solo, foi coletada nova amostra de solo a 8,50 m, situada próximo à terceira de linha de grampos. Nas profundidades definidas, foram retiradas amostras deformadas para ensaios de caracterização e 01 (um) bloco indeformado para ensaios de cisalhamento direto. As amostras foram retiradas conforme recomendações da NBR 9604 (ABNT,1986). Os blocos indeformados foram parafinados e transportados para o laboratório em caixa de madeira, conforme mostra a Figura 3.14, com os espaços vazios preenchidos por serragem. Os blocos receberam identificação no topo e foram etiquetados contendo informações sobre data, profundidade e local da obra. Figura 3.14-Amostra indeformada na profundidade 8,50m. Todos os ensaios de caracterização e os ensaios cisalhamento direto nas amostras do bloco extraído na profundidade de 3,50 m foram realizados no Laboratório de Geotecnia da Escola de Engenharia Civil da UFG. Por questões de otimização do tempo, optou-se por realizar os ensaios de cisalhamento direto referentes ao bloco na profundidade de 8,50 m no Laboratório de Solos do Centro Universitário de Brasília-UniCEUB. C.RESENDE Capítulo 3

68 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 66 Posterior a extração das amostras indeformadas, houve necessidade de alterar o trecho onde os grampos seriam ensaiados. Neste novo trecho, há apenas duas linhas de grampo, posicionadas no trecho inicial onde foi coletado a primeira amostra indeformada. Foram realizados os ensaios de caracterização e cisalhamento direto para a amostra coletada a 8,50 m de profundidade porém estes resultados não foram utilizados na análise dos grampos Granulometria O ensaio de granulometria é utilizado para determinar a distribuição granulométrica do solo, ou em outras palavras, a porcentagem em peso que cada faixa especificada de tamanho de grãos representa na massa seca total utilizada para o ensaio. O ensaio foi realizado seguindo os critérios estabelecidos pela NBR 7181 (ABNT,1984a). Com os resultados obtidos desse ensaio, é possível a construção da curva de distribuição granulométrica, que possui fundamental importância na caracterização geotécnica do solo, principalmente no caso dos solos grossos. Nos ensaios foi utilizado como defloculante a solução de hexametafosfato de sódio (45,7 g), tamponado com carbonato de sódio (6,0 g), com ph entre 8 e 9, na proporção de 125 ml de solução em 875 ml de água destilada Limites de Atterberg Os solos podem apresentar vários tipos de consistência a depender da quantidade de água que possuam. Existem valores de teor de umidade que separam um estado de consistência de outro, são os limites de consistência. Esses limites são determinados empiricamente e são utilizados nos diversos sistemas de classificação do solo e refletem uma série de propriedades dos solos finos, como tipo do argilo-mineral, sua atividade, estrutura, superfície específica, etc. O teor de umidade que separa o estado plástico do estado líquido é chamado de limite de liquidez (w L ), é o valor de umidade abaixo do qual o solo tem comportamento plástico. A umidade que delimita o estado semi-sólido do plástico é conhecido como limite de plasticidade (w P ). Abaixo desse valor o solo começa a fissurar ao tentar ser moldado. C.RESENDE Capítulo 3

69 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 67 Os limites de Atterberg foram determinados de acordo com a NBR 6459 (ABNT, 1984b) e NBR 7180 (ABNT, 1984c) Massa Específica Os solos são constituídos de três fases: sólida (minerais e matéria orgânica), líquida (solução do solo) e gasosa (ar). Essas fases podem ser encontradas em diferentes proporções, dependendo de fatores como tipo de solo e forma de utilização. Para que se possa ter conhecimento das propriedades de determinada amostra de solo normalmente torna-se necessário encontrar relações entre os materiais que os compõem. Para estabelecer estas relações é necessário achar o teor de umidade, o tamanho dos grãos e a massa específica dos grãos. Para determinação da massa específica dos grãos, os ensaios foram realizados seguindo os critérios estabelecidos pela NBR 6508 (ABNT,1984d) Cisalhamento direto Este ensaio é utilizado basicamente para se determinar os parâmetros de resistência do solo, como ângulo de atrito interno e o intercepto coesivo, por meio de interpretação de uma envoltória linear. O ensaio consiste basicamente em se moldar um corpo de prova da amostra indeformada, colocá-la na caixa bi-partida para adensamento e posterior cisalhamento. O ensaio é feito com no mínimo três amostras, sendo que para cada amostra de solo é aplicada uma tensão normal específica. Após o cisalhamento do solo, são plotados os pontos onde as abcissas correspondem às tensões normais e as ordenadas correspondem às respectivas tensões cisalhantes. Uma linha de tendência linear é traçada entre os pontos e seu intercepto no eixo das ordenadas corresponde ao intercepto coesivo e o ângulo de inclinação da reta ao ângulo de atrito. Os ensaios foram realizados segundo recomendações do manual proposto por Head (1986). Algumas particularidades dos ensaios realizados: Tamanho da amostra: 5,95 cm x 5,98 cm; C.RESENDE Capítulo 3

70 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 68 Altura inicial das amostras: 20,40 mm; Velocidade do cisalhamento: 0,042 mm/min; Foram cisalhadas amostras naturais e inundadas. C.RESENDE Capítulo 3

71 CAPÍTULO 4 RESULTADOS Neste capítulo são apresentados os resultados dos ensaios de laboratório e de arrancamento RESULTADOS DOS ENSAIOS LABORATORIAIS Granulometria No ensaio de Granulometria, após o peneiramento, foram realizadas sedimentações com e sem defloculante para o material com diâmetro menor que 0,075 mm. As Figuras 4.1 e 4.2 apresentam os resultados obtidos nos ensaios para as profundidades de 3,50 m e 8,50 m respectivamente. Figura 4.1-Curva Granulométrica para amostra na profundidade 3,50 m ,002 0,075 Peneira #200 % que passa Com defloc. Sem defloc Diâmetro das partículas (mm) Ao analisar as Figuras 4.1 e 4.2 percebe-se pela diferença encontrada entre curvas com e sem defloculante, tratar-se de um solo tropical, que segundo relata Cardoso (2010), são solos peculiares que apresentam constituição e comportamento geotécnico diferente dos demais solos e devido aos aspectos lateríticos do mesmo, comentados no item 4.1.2, eles apresentam C.RESENDE Capítulo 4

72 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 70 concreções formadas pela cimentação das partículas menores, fazendo-se necessário o uso do defloculante para que estas cimentações sejam quebradas. O defloculante permite a sedimentação isolada das partículas, isto porque, promove a quebra das ligações cimentícias separando as partículas que estavam agregadas umas às outras formando grãos maiores, falseando os valores reais dos diâmetros que deveriam ser apenas das partículas individuais. Desta forma, o ensaio com defloculante permite uma distinção melhor das partículas com diâmetros menores que 0,075 mm. Figura 4.2-Curva Granulométrica para amostra na profundidade 8,50 m ,002 0,075 Peneira #200 % que passa Com defloc. Sem defloc Diâmetro das partículas (mm) A diferença entre as curvas com e sem defloculante, mostrado nas Figuras 4.1 e 4.2 deixa claro que alguns grãos mais finos estavam agregados uns aos outros no ensaio sem defloculante e tiveram esta ligação quebrada com o uso do defloculante. Na Tabela 4.1 é mostrado as frações granulométricas para os dois solos estudados. Tabela 4.1-Frações granulométricas das amostras analisadas nas profundidades de 3,50 m e 8,50 m. Prof. (m) Com defloculante Pedregulho Areia Silte Argila Sem defloculante Pedregulho Areia Silte Argila (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) 3,50 0,87 28,32 52,25 18,56 0,87 42,07 53,20 3,86 8,50 6,07 51,92 18,94 23,07 6,07 60,70 33,27 0,00 C.RESENDE Capítulo 4

73 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 71 Conforme visto na Tabela 4.1, nos ensaios sem defloculante, a presença da fração de argila é discreta, ao se utilizar o defloculante, há um aumento desta fração e uma redução das frações de areia e silte, evidenciando assim, que a presença do defloculante permitiu que as ligações cimentícias nas partículas menores fossem desfeitas. Foi adotado neste trabalho a classificação dos solos baseado nos ensaios com defloculante. Sendo assim, o solo na profundidade de 3,50 m é classificado como silte arenoso e na profundidade de 8,50 m classificado como areia argilosa Limites de Atterberg e Massa Específica Os limites de consistência e massa específica dos grãos para os solos estudados, estão apresentados na Tabela 4.2. Tabela 4.2-Limites de consistência e massa específica dos grãos. Profundidade Limite de Liquidez (w L ) Limite de Plasticidade (w P ) Índice de Plasticidade (IP) Massa Específica dos Grãos (ρ g ) 3,50 m silte arenoso 8,50 m areia argilosa 38,80 % 24,69 % 14,11 % 2,81 g/cm 3 47,30 % 27,60 % 19,70 % 2,91 g/cm 3 Os valores obtidos de massa específica são maiores do que os valores médios encontrados no Brasil, porém são valores próximos ao que geralmente se encontra na região de Goiânia. Alguns autores como Silva (2010), Borges (2010) e Cardoso (2010) obtiveram massas específicas nos valores 2,74 g/cm 3, 2,72 g/cm 3 e 2,94 g/cm3 respectivamente, para solos estudados na região e proximidades de Goiânia. Estes valores elevados de massa específica são característicos de solos bastante laterizados, com presença de ferro e óxido de alumínio. Carvalho (2008) após realizar microscopia eletrônica de varredura e análises por difração de Raio X, visualizou a presença destes minerais em solos de Goiânia. A concentração preponderante de ferro e alumínio em relação aos demais constituintes dos solos é uma característica dos solos tropicais lateríticos, que pelas propriedades e comportamento particulares é de importância relevante para as obras de engenharia. (CARVALHO, 2008, p129). C.RESENDE Capítulo 4

74 D0093G14: Estudo de grampos em cortinas em solos tropicais na cidade de Goiânia 72 Em relação aos valores apresentados na Tabela 4.2, não era esperado que uma areia tivesse valores de limite de plasticidade e índice de plasticidade maiores que um silte, porém, o teor de argila presente neste material agrega plasticidade e coesão a esta areia Cisalhamento direto Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados nas amostras para as condições de umidade natural e com amostras inundadas, conforme visto na Figura 4.3. Esta figura mostra o equipamento de cisalhamento direto sendo utilizado durante a fase de consolidação de uma amostra indeformada inundada. Figura 4.3-Fase de consolidação de uma amostra indeformada inundada. Durante a fase de consolidação das amostras elas foram mantidas durante 24 horas sobre tensões verticais constantes. Após este período, foram calculadas as velocidades dos ensaios de cisalhamento direto com base no ensaio de consolidação e de modo a garantir a dissipação das pressões neutras geradas. As amostras foram submetidas ao cisalhamento por aplicação de velocidade de deformação constante de 0,042 mm/min. Este valor de velocidade foi adotado e é menor do que os valores de velocidade calculados. São apresentados nas Figuras 4.4 e 4.5 os resultados dos ensaios de cisalhamento para as amostras na condição natural nas profundidades de 3,50 m e 8,50 m, respectivamente. Analisando a Figura 4.4 nota-se que os valores de pico da tensão cisalhante não ficaram bem definidos para as amostras coletadas na profundidade de 3,50 m. As tensões de ruptura para este caso foram adotadas como sendo os valores correspondentes ao deslocamento de 8 mm. C.RESENDE Capítulo 4