Obras Geotécnicas TC 066

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1 Obras Geotécnicas TC 066 Curso de Engenharia Civil 7º Semestre Vítor Pereira Faro Março 2016 Aspetos Gerais da Execução de Aterros Escolha da Solução Construtiva Características da estrutura após a execução, designadamente em termos de segurança e de deformações máximas admissíveis Aspecto económico Compromisso entre as seguinte condicionantes: SEMPRE Duração da construção FREQUENTEMENTE Construção numa área restrita Inexistência de materiais para o aterro Inexistência de empresas especializadas para a realização de diversos tratamentos do solo de fundação do aterro POR VEZES 1

2 Tipologia dos Métodos Construtivos Resolução de Problemas de Estabilidade Assentamentos (Recalques) Deslocamentos Horizontais Métodos que conduzem à alteração do projeto (colocação de banquetas, diminuição da altura do aterro, ou simplesmente pela escolha de outro local) Métodos que não requerem empresas especializadas Métodos que requerem empresas especializadas (estacas de brita, estacas em concreto, instalação de drenos verticais,... Aspetos Gerais da Construção de Aterros em Solos Moles A elevada compressibilidade destes solos requer especiais precauções, em termos de acesso e das áreas de trabalho Nestes solos, contrariamente ao procedimento geral, não se procede à remoção da vegetação superficial, pois este constitui uma pequena crosta superficial resistente, permitindo a execução da primeira camada de aterro com o apoio de equipamento ligeiro Entre o solo de fundação e a primeira camada de aterro aconselha se a colocação de um geotêxtil, garantindo as seguintes funções: Separação Filtro Diminuição das deflexões do aterro 2

3 Aspetos Gerais da Construção de Aterros em Solos Moles Principais funções dos geotêxtis em aterros Drenagem / Reforço Separação Permitir o lançamento das primeiras camadas de solo Redução da ruptura localizada!! Aspetos Gerais da Construção de Aterros em Solos Moles Características da primeira camada de aterro Solos granulares com permeabilidade superior a ~100x k solo natural para permitirem a drenagem resultante do processo de adensamento (consolidação) Altura da camada entre 50 cm e 1,0 m Compactação ligeira, para reduzir a fissuração em resultados das elevadas deformações a que esta camada está sujeita 3

4 Aspetos Gerais da Construção de Aterros em Solos Moles Início da Construção Problemas em Aterros Sobre Solos Moles Problemas de Estabilidade Problemas de Recalques 4

5 Problemas em Aterros Sobre Solos Moles Problemas de Estabilidade + Problemas de Recalques Banquetas (Bermas) Estabilizadoras As banquetas estabilizadoras atuam como contrapeso nas potenciais superfícies de escorregamento, incrementando a segurança em relação à rotura global. 5

6 Banquetas (Bermas) Estabilizadoras Influência da largura da banqueta (L) na estabilidade de um aterro com = 35º, construído sobre uma camada homogénea de argila com resistência Su e espessura D (Leroueil et al., 1990). A estabilidade aumenta com: Aumento largura da banqueta (L) Diminuição da espessura de argila (D) Banquetas (Bermas) Estabilizadoras As banquetas podem ou não ser construídas em simultâneo com o aterro principal, devendo em qualquer caso estar instaladas antes que a altura do aterro seja crítica Se estas não forem utilizadas para passagem de veículos não necessitam de ser compactadas A parte inferior destas banquetas deve ser formada por material que permita livre drenagem proveniente do solo de fundação 6

7 Construção Faseada Tipos de Procedimentos Construtivos Construção Faseada Qual a Vantagem de se Construir o Aterro por Fases? 7

8 Construção Faseada Qual a Vantagem de se Construir o Aterro por Fases? Este processo potencia o aumento da resistência com o aumento da tensão efetiva Assim, após a colocação de cada camada de aterro é necessário esperar pela dissipação da poropressão, associada ao aumento da tensão efetiva, o que origina o acréscimo de resistência ao corte (Su) necessária para o suporte da próxima camada de aterro Construção Faseada Esquema de funcionamento 8

9 Construção Faseada Este método é, do ponto de vista prático, facilmente exequível e económico Limitações / Condicionantes: duração das fases de consolidação muito longa para uma dada geometria do talude, existe uma altura máxima a partir da qual não se consegue garantir a estabilidade do aterro É imprescindível o controlo do estado de consolidação ao longo do processo construtivo, sendo necessário efetuar: medição da poropressão sob o aterro medição dos assentamentos (recalques) da camada de argila medição direta do incremento de resistência ao corte (ensaios Vane Test ) Construção Faseada - Exercício Verifique se o Método de Construção Faseada é compatível com os seguintes requisitos: garantir um fator de segurança de 1,5 garantir um recalque por adensamento primário máximo admissível após a construção de 5 cm garantir um prazo total de execução da obra de 18 meses Assuma o Ponto A como o ponto representativo do solo de fundação Admita que o aterro é de grandes dimensões 9

10 Reforço com Geossintéticos Tipos de Geossintéticos Adequados para Reforço Geotêxtis Económico, de fácil transporte e colocação em obra, dispõe de elevadas áreas de interação facilitando a transferência dos esforços para as inclusões. Apresenta elevada deformabilidade (geotêxtis não tecidos) Geogrelhas Resistência à tração e rigidez adequadas, interação solo reforço eficaz (Yeo, 1985) Reforço com Geossintéticos Geotêxtis Não Tecidos Geotêxtis tecidos Geogrelhas 10

11 Reforço com Geossintéticos Propriedades dos Geossintéticos Resistência à tração e deformabilidade adequadas Contribuem para a eficácia do reforço Fluência e relaxação adequadas Para garantir a eficácia dos reforços ao longo da vida da obra Resistência adequada nas interfaces solo geossintético Sendo nestas interfaces que se dá a transferência de tensões Resistência ao rasgamento e perfuração Para diminuir a probabilidade de ocorrerem descontinuidades físicas Flexibilidade Para garantir o bom contato solo geossintético e garantir o seu funcionamento Reforço com Geossintéticos Funções dos Geossintéticos 11

12 Reforço com Geossintéticos Comportamento à tração Geogrelhas A elevada rigidez estrutural leva a que a deformação seja praticamente coincidente com a deformação dos componentes poliméricos Geotêxtis Não Tecidos A deformação estrutural é que controla a deformação total do geossintético, sendo o material sensível a fatores externos, como por exemplo a tensão de confinamento Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) 12

13 Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) 13

14 Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) 14

15 Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) 15

16 Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) Reforço com Geossintéticos Mecanismos de Ruptura em Aterros (Koemer, 1988) 16

17 Reforço com Geossintéticos Colocação em Obra A colocação deve permitir a mobilização das tensões de tração no geossintético Orientação do Geossintético Reforço com Geossintéticos Sequência Construtiva (ideal) Este processo construtivo permite a aplicação de um estado de tensão mais uniforme e suave, reduzindo também o risco de escorregamento das laterais do geossintético, o que poderá ocorrer no caso de se colocar uma grande altura de aterro na zona central sem que as laterais estejam convenientemente carregadas (Ingold e Miller, 1988). 17

18 Reforço com Geossintéticos Instalação dos Geossintéticos (mais comum) Sobrecarga Temporária Pré-Carga 18

19 Sobrecarga Temporária Pré-Carga Funcionamento da Pré Carga Sobrecarga Temporária Pré-Carga Este método parece atrativo, no entanto, na prática é muitas vezes condicionado pela altura máxima do aterro, em função das suas condições de estabilidade Esta Pré Carga também pode ser materializada, no caso de não haver material de aterro para uma camada extra, por tanques de água, entre outros... A Pré Carga reduz ainda o adensamento por compressão secundária 19

20 Sobrecarga Temporária Pré-Carga Exercício Verifique se o Método de Construção Faseada é compatível com os seguintes requisitos: garantir um fator de segurança de 1,5 garantir um recalque por adensamento primário máximo admissível após a construção de 5 cm garantir um prazo total de execução da obra de 12 meses Admita que o aterro é de grandes dimensões Drenos Verticais Funcionamento dos Drenos Verticais Consiste na introdução no solo natural de elementos verticais de drenagem, reduzindo a distância de drenagem, o que origina a aceleração do processo de consolidação 20

21 Drenos Verticais Funcionamento dos Drenos Verticais Consiste na introdução no solo natural de elementos verticais de drenagem, reduzindo a distância de drenagem, o que origina a aceleração do processo de consolidação Drenos Verticais Drenos de Areia 21

22 Drenos Verticais Drenos de Areia A execução de drenos de areia por furação e posterior injeção produz os drenos mais eficientes Drenos executados por deslocamento do solo (por exemplo por vibropenetração) conduz a drenos menos eficientes (aumento do tempo de consolidação em cerca de 20 40%), mas têm a vantagem de reduzir significativamente o assentamento do solo de fundação Durante a colocação da areia é importante garantir que a coluna de areia é contínua ao longo de todo o dreno Drenos Verticais Drenos Pré Fabricados (Geossintéticos) A maior parte dos drenos pré fabricados são revestidos por geotextis possuindo uma forma alongada com cerca de 10 cm de largura e alguns milímetros de espessura. 22

23 Drenos Verticais Drenos Pré Fabricados (Geossintéticos) Noção de Diâmetro Equivalente (d w ) Drenos Verticais Drenos Pré Fabricados (Geossintéticos) Método Construtivo 23

24 Drenos Verticais Drenos Pré Fabricados (Geossintéticos) Método Construtivo Drenos Verticais Drenos Pré Fabricados (Geossintéticos) Sequência Construtiva 24

25 Drenos Verticais Drenos Pré Fabricados (Geossintéticos) Método Construtivo Drenos Verticais Drenos Pré Fabricados (Geossintéticos) Método Construtivo 25

26 Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos Verticais Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos Verticais 26

27 Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos Verticais Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos Verticais Bru (1981) 27

28 Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos Verticais Relação entre o factor tempo (Tv, Tr) e o grau de consolidação (Uv, Ur) Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos Verticais Capacidade de Carga dos Drenos é infinita? 28

29 Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos verticais Capacidade de Carga dos Drenos é infinita? Verificar especificações técnicas dos geodrenos Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos verticais 29

30 Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos verticais Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos verticais 30

31 Drenos Verticais Dimensionamento dos Drenos verticais Barreiras Drenantes Drenos Verticais Barreiras Drenantes 31

32 Barreiras Drenantes As barreiras drenantes são geralmente executadas por escavação da vala e posterior enchimento com areia. A profundidade máxima destas trincheiras é de 5 a 7 m, condicionado em geral pela estabilidade das paredes da trincheira Grau de consolidação do solo entre as barreiras U vh, 1 U vh =(1 U v )(1 U h ) Deve se monitorizar a evolução do processo de consolidação entre as trincheiras drenantes, bastando para o efeito instalar placas de recalque e um piezómetro no ponto médio da camada Barreiras Drenantes As barreiras drenantes são geralmente executadas por escavação da vala e posterior enchimento com areia. A profundidade máxima destas trincheiras é de 5 a 7 m, condicionado em geral pela estabilidade das paredes da trincheira Grau de consolidação do solo entre as barreiras U vh, 1 U vh =(1 U v )(1 U h ) Deve se monitorizar a evolução do processo de consolidação entre as trincheiras drenantes, bastando para o efeito instalar placas de recalque e um piezómetro no ponto médio da camada 32

33 Diminuição do Peso do Aterro Características dos Materiais a Utilizar (OECD 1979, Delmas et al. 1987): reduzido peso específico boa resistência mecânica, química e a baixas temperaturas reduzida compressibilidade de fácil compactação não corrosivo não poluente Diminuição do Peso do Aterro Materiais Usuais resíduos de madeira ( = 8 10 kn/m 3 ) resíduos industriais (cinzas, escórias) ( = kn/m 3 ) pneus usados, com ou sem materiais de enchimento ( = 6 8 kn/m 3 ) concreto de baixa densidade ( = 5 10 kn/m 3 ) argila expandida ( = 5 10 kn/m 3 ) poliestireno expandido ou extrudido ( = 1 kn/m 3 ) polipropileno extrudido ( = 8 10 kn/m 3 ) 33

34 Diminuição do Peso do Aterro Os resíduos das indústrias de madeira são dificilmente compactáveis e, além de se poderem desintegrar com o tempo, existe um risco agravado de poluir os aquíferos Os resíduos industriais são pouco atractivos, em relação a outros materiais mais leves. Além disso, estes materiais são geralmente afectados pela água, só devendo ser utilizados acima do nível freático, exibindo também propriedades químicas que podem ser agressivas para as estruturas circundantes Os quatro últimos materiais citados são os mais caros, sendo o mais promissor e mais difundido o poliestireno expandido, devido ao seu reduzido peso específico Diminuição do Peso do Aterro Incorporação de Vazios no Aterro (tubos metálicos, de concreto,...) 34

35 Diminuição do Peso do Aterro A adopção destes tubos apresenta uma vantagem extra em áreas sujeitas a inundações, dado permitirem o contato hidráulico entre ambas as laterais do aterro, evitando assim possíveis desníveis de nível freático, que poderiam comprometer a estabilidade do aterro Neste processo deve ser dada especial atenção à compactação do aterro na envolvente dos tubos Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno Diminuição da pressão aplicada pelo aterro no solo de fundação Diminuição dos impulsos de terras sobre o encontro do viaduto 35

36 Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno Este material é geralmente utilizado na forma de blocos (3m x 1m x 0,5m) consultar fornecedor Para diminuir a influência nefasta dos hidrocarbonetos, este material deve ser protegido superficialmente com uma manta de polipropileno, com espuma de propileno (10 cm) ou com uma camada de betão armado (10 cm) Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno Redução do peso na aproximação do aterros a estruturas, de modo a reduzir as pressões horizontais tanto nas estruturas como nas suas fundações Alargamento de aterros antigos Redução do peso em aterros muito altos Redução do peso de aterros antigos que continuam a ter elevados assentamentos, em particular junto a estruturas fixas (estruturas sobre estacas, por exemplo) 36

37 Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno Resistência do EPS em função da densidade (consultar fornecedor) Densidade Mínima > 20 Kg/m 3 (Leovaldo Martins, 2005) Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno 37

38 Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno 38

39 Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno Diminuição do Peso do Aterro Utilização de Blocos de Poliestireno 39

40 Substituição Total/Parcial de Solos Moles Metodologias geralmente utilizadas Escavação e posterior enchimento No caso da substituição ser efetuada por escavação, esta pode ser total ou parcial, dependendo a sua secção transversal da geometria do aterro e das propriedades mecânicas dos materiais do aterro e do solo de fundação Deslocamento direto do solo mole Económico, mas pode existir contaminação do solo substituído, levando ao incremento dos custos de manutenção deste tipo de obras Substituição Total/Parcial de Solos Moles Deslocamento Direto Utilização Zonas de águas calmas com pequena profundidade Solos moles de fraca resistência e reduzida espessura 40

41 Substituição Total/Parcial de Solos Moles Deslocamento Direto Repulsão Total Repulsão Parcial Substituição Total/Parcial de Solos Moles Deslocamento Direto 41

42 Aterro Sobre Estacas de Concreto Técnicas de Execução O aterro apoia se diretamente sobre a cabeça das estacas (a) Instala se uma laje em concreto entre as estacas e o aterro (b) Aterro Sobre Estacas de Concreto Técnicas de Execução Instalação de Geogrelhas sobre as estacas 42

43 Aterro Sobre Estacas de Concreto Mecanismo de transferência da carga para as estacas Aterro Sobre Estacas de Concreto 43

44 Aterro Sobre Estacas de Concreto Aterro Sobre Estacas de Concreto 44

45 Aterro Sobre Estacas de Concreto Aterro Sobre Estacas de Concreto 45

46 Estacas de Brita Suportar uma parte do peso do aterro Aumento da capacidade de carga Estacas de Brita Suportar uma parte do peso do aterro Aumento da capacidade de carga Acelerar a consolidação Funcionamento como um dreno vertical 46

47 Estacas de Brita Suportar uma parte do peso do aterro Aumento da capacidade de carga Acelerar a consolidação Funcionamento como um dreno vertical Ajuda a densificação do solo circundante Diminui o potencial de liquefação Reduz o assentamento Estacas de Brita 47

48 Estacas de Brita Processo Executivo Método Não Vibratório Estacas de Brita Processo Executivo Método Vibratório Enchimento pelo Topo ( Top feed method ) 48

49 Estacas de Brita Processo Executivo Método Vibratório Enchimento pela Base ( Bottom feed method ) Estacas de Brita Processo Executivo Método Vibratório 49

50 Estacas de Brita Processo Executivo Método Vibratório Deep Mixing 50

51 Deep Mixing Deep Mixing 51

52 Deep Mixing Trecho Experimental Deep Mixing Casos de Obras 52

53 Deep Mixing Barreiras de Colunas Deep Mixing Barreiras de Colunas Casos de Obras 53