REFORÇO DE ATERRO SOBRE SOLO MOLE COM GEOSSINTÉTICOS: COMPORTAMENTO AO LONGO DO TEMPO

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1 REFORÇO DE ATERRO SOBRE SOLO MOLE COM GEOSSINTÉTICOS: COMPORTAMENTO AO LONGO DO TEMPO Autor: Departamento Técnico - Atividade Bidim PERÍODO 2003 Revisado ABRIL Departamento Técnico.

2 1 DADOS GERAIS Assunto Reforço de aterro sobre solo mole com geossintéticos: Comportamento ao longo do tempo. Autor Sofia Júlia Alves Macedo Campos Orientador Mauricio Abramento Instituição Escola Politécnica da USP Resumo Este trabalho apresenta um estudo de estabilidade de aterros sobre solos moles reforçados com geossintéticos considerando o efeito simultâneo do incremento de resistência ao cisalhamento não-drenada no solo mole devido ao adensamento e a redução da resistência do reforço devido à fluência, objetivando um dimensionamento otimizado. A pesquisa focou a evolução do fator de segurança global (devido à ruptura global do aterro) com o tempo, analisando alturas de aterros e valores de coeficientes de adensamento usuais, para uma dada distribuição de resistência não-drenada com a profundidade. Reforços de poliolefinas (PO) e poliéster (PET) foram considerados nas análises, através de Fatores de Redução (FR) estimados a partir de curvas de resistência disponível (% Tmax). Os resultados mostram que, para as condições analisadas, o reforço na base do aterro é necessário durante toda a vida útil da obra para que se satisfaça o valor mínimo de fator de segurança global. Dependendo do tipo de polímero, da altura do aterro e do coeficiente de adensamento, a condição crítica pode ocorrer em diferentes períodos seguidos ao final da construção. Em particular, para uma combinação de reforço de poliolefina, aterros altos e baixos valores de coeficiente de adensamento, o fator de segurança pode sofre um decréscimo para longos períodos seguidos ao final da construção, demonstrando a necessidade de análise do comportamento de tais estruturas durante suas vidas úteis para que sempre se garanta um adequado nível segurança e economia quando de seus dimensionamentos. Ano da Defesa 2003 Resumo Conceitual da Dissertação 1) Reforços geossintéticos são empregados com freqüência na solução da estabilidade de aterros sobre solos moles. Algumas obras são ilustradas nos e-bidim# 71, 86, 87, 88, 110.

3 2) Há duas categorias principais de reforços geossintéticos: aqueles fabricados com Poliéster (PET), que é o caso do geotêxtil Bidim, e aqueles fabricados com Poliolefinas (PO), (Polipropileno (PP) ou Polietileno de Alta Densidade (PEAD)). 3) Todos os polímeros apresentam a peculiaridade da fluência, que é a redução da resistência à tração disponível com o tempo. Entretanto, PP/PEAD mostram uma redução mais drástica quando comparadas com o PET. Figura 1 Fluência dos polímeros ao longo do tempo. 4) A explicação para este fenômeno está na cadeia polimérica dos materiais. As regiões cristalinas (cadeias alinhadas) são as responsáveis pela fluência. Quanto mais cristalino e menos amorfo, mais susceptível à fluência é o polímero. O PET tem uma baixa porcentagem de regiões cristalinas e, portanto, é menos susceptível à fluência.

4 Figura 2 Cristalinidade dos materiais. 5) Aterros executados sobre solos moles resultam num aumento de carga ao longo da profundidade do solo mole, o que leva ao fenômeno do adensamento (diminuição progressiva do índice de vazios do solo). Este fenômeno provoca um aumento da resistência do solo mole (Su) com o tempo. Na figura abaixo são mostradas simultaneamente as curvas de fluência (Td) e de aumento de Su com o tempo (FC = Final da Construção e LP = Longo Prazo ou Operação). Figura 3 Curvas Fluência (Td) x tempo e Resistência não-drenada do solo (Su) x tempo. 6) Um argumento falaz se resume no seguinte: como a resistência do solo mole Su aumenta com o tempo, basta que o reforço instalado resista nos instantes iniciais do aterro. Assim, não importa o polímero, bastando que se disponha de resistência no período logo após o FC. A Figura 4, entretanto, mostra que o reforço pode ou não ser necessário durante toda a vida útil da obra.

5 Figura 4 Carga atuante no reforço durante a vida útil da obra. 7) Para estudar este comportamento foi considerada a configuração da Figura 5. O solo mole na base do aterro foi dividido em fatias (regiões) e o aumento de resistência devido ao aterro foi calculado com base na formulação apresentada no artigo anexo: a=6 m S u 1 2 reforço aterro o φ=30 γ=18 kn/m c=0 3 H=3 m S =3+1,2z (kpa) u0 argila mole LL=60% IP=40% γ =5 kn/m 3 sub -3 2 C =10 cm /s v 10 m z camada de areia Figura 5 Parâmetros utilizados no estudo de comportamento do aterro sobre solo mole, incluindo elemento de reforço. 8) Resultados: A Figura 6 mostra um resultado típico para uma altura de aterro H=6m e outras propriedades indicadas. Neste caso o reforço é sempre necessário, seja no curto ou no longo prazo. Impondo-se FS=1,2 no término da construção e FS=1,5 no longo prazo, conclui-se que os reforços de PET atendem aos valores de FS

6 para as duas situações (curva lilás), enquanto que reforços de PP/PEAD não atendem aos valores de FS para o médio e longo prazo (curva azul). Figura 6 Avaliação do comportamento de reforços para curto, médio e longo prazo. 9) Resultados-continuação: Para algumas combinações de parâmetros, como alturas de aterro elevadas (por exemplo, H=10m na figura abaixo) e valores de Cv (coeficientes de adensamento) reduzidos, os valores de FS para reforços de PP/PEAD podem ser inferiores à unidade ao longo do tempo, mostrando possibilidade de ruptura do aterro após o término da construção (curva verde no gráfico da Figura 7): 2,2 2 1,8 1,6 C v =10-2 cm 2 /s PO C v =10-2 cm 2 /s PET F S G l o b a l 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 C v =10-3 cm 2 /s PET C v =10-3 cm 2 /s PO C v =10-4 cm 2 /s PET sem reforço C v =10-4 cm 2 /s PO C v =10-2 cm 2 /s C v =10-3 cm 2 /s C v =10-4 cm 2 /s 0, tempo (dias) Figura 7 Valores de FS para diferentes Cv, com e sem a utilização do elemento de reforço.

7 Conclusões - A estabilidade de um aterro reforçado na base sobre solo mole deve ser analisada ao longo de toda a vida útil da obra, de modo a atender a níveis de segurança adequados ao término da construção, à fase de operação e ao fim da vida útil; - Um aterro sobre solo mole pode requerer um reforço na base para as condições de término de construção, médio e longo prazos, mesmo considerando que o solo mole atinge elevado grau de adensamento; - Se um reforço satisfaz o nível de segurança requerido para término de construção (curto prazo) não implica que na condição de longo prazo também seja atingido. Isto depende das propriedades do polímero do reforço, conforme apresentado neste trabalho; - Embora a execução de aterros de maiores alturas resulte valores de resistência não drenada maiores após o processo de adensamento, os esforços necessários no reforço para o curto prazo atingem valores muito elevados para que se obtenha FS=1,2 no término de construção. Para alturas maiores de aterro e principalmente para os reforços de poliolefinas, os fatores de segurança atingem valores reduzidos, próximos ao limite da estabilidade (isto é, FS=1,0) para maiores intervalos de tempo decorridos após o final da construção; - Para os reforços de poliolefinas, quanto maior a altura do aterro e menor o coeficiente de adensamento do solo mole, mais crítica a condição de estabilidade.