Mecânica dos Solos Não Saturados: Na Prática da Engenharia

Transcrição

1 Mecânica dos Solos Não Saturados: Na Prática da Engenharia Fernando A. M. Marinho Universidade de São Paulo Outubro 2014

2 Efeito da tensão aplicada e da sucção Areia Sucção Sucção ' ' u ( u u ) u w a a w

3 Grau de Saturação (%) Ensino de graduação? Ensino de graduação If you learn to think the way unsaturated soil behaves, then you will make wise engineering decisions Dell Fredlund

4 referências ao termo Prática Journal of Aplied Nutrition Aplied Osteopathy Yearbook Journal of Aplied Physiology Solid State Physics : Problems and Solutions Journal of Aplied Physics Theoretical and Applied Aspects of Health Psychology A Practical Guide to Groundwater and Solute Transport Modeling The Basic Practice of Statistics Counseling the Culturally Diverse: Theory and Practice The Practice of Nursing Research: Conduct, Critique & Utilization Theory and Practice of Group Psychotherapy Leadership : Theory and Practice The Practice of the Presence of God: With Spiritual Maxims Practice Makes Perfect: Spanish Pronouns And Prepositions The Practice of Programming Massage Therapy: Principles and Practice

5 O que há de diferente no enfoque não saturado? Princípio das tensões efetivas (validade) Interação com o meio ambiente

6 Grande parte das obras de engenharia são feitas em solos não saturados ou utilizam os solos no estado não saturado. Estes solos são muitas vezes interpretados como sendo problemáticos porque quando sujeitos a variações de grau de saturação eles expandem, colapsam, reduzem a resistência. Em outras palavras mudam as suas características de estado.

7 Aterro Drenagem Túnel

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10 Princípio das tensões efetivas Grau de Saturação Princípio das tensões efetivas ' u w Pressão Positiva Pressão Negativa - Sucção

11 Envoltória de Resistência de um Solo Saturado t ' c ' Aumento da pressão da água dos poros

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13 A teoria, a prática e a previsão do comportamento

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15 Perfil de pressão da água em meios porosos whw S = 100% - nível de água Solo h w S = 100% + whw

16 - Zona Ativa Perfil de Sucção Variação Sazonal N.A. +

17 Infiltração Bodman and Colman, 1948

18 Exemplos de perfis de sucções a. Pré-construção em época seca b. Pré-construção em época úmida c. Pós-construção sob área coberta d. Pós-construção acima de nível d água suspenso e. Perfil de Eqüilíbrio Terzaghi et al. (1996)

19 Perfil do subsolo Experimentos, ensaios e medições de campo Investigação de campo Idealização, modelagem, análise Empirismo Comportamento do solo Modelagem John Burland

20 A água nos materiais porosos Indústria de alimentos Indústria farmacêutica Indústria de adubos Mineração Agricultura Engenharia Civil Engenharia Geotécnica

21 A água nos materiais porosos

22 A curva de retenção de água 40 Teor de Umidade (%) (c) (d) (b) 0 (a) Sucção (kpa)

23 Degree of Saturation (%) Degree of Saturation (%) A HORIZON M2A30 20 M2A50 P1A30 10 P1A Matric Suction (kpa) Maranduba and Perequê-Mirim C HORIZON PEREQUÊ P1C250 P1C350 P1C400 P1C500 P1C650 P1C670 P1C Matric Suction (kpa) Perequê-Mirim Orlando et al. (2014)

24 A água nos materiais porosos h (solo 2) (solo 3) (solo 1) m.c.a q (%)

25 Estocagem de minério em Carajás (Brasil -PA) Carregamento de minério nos vagões em Carajás (boa drenagem) Terminal Marítimo de Ponta da Madeira Estocagem de minério em Ponta da Madeira (acumulação de água)

26 Carregamento do minério no Navio em Ponta da Madeira Minério saturado na base do porão Máquinas para auxiliar a descarga Perdas de minério

27 Solos Não Saturados na Prática Volumetric Water Content (%) Capacidade de retenção de água SFCJ Pellet FRD PFCJ PFM Sucção (kpa)

28 Solos Não Saturados na Prática Parâmetros e Modelos Permeability (cm/s) Volumetric Water Content (%) x x x x x x x x x x Sucção (kpa) Hydrus SFCJ Suction (kpa)

29 Simulação Acumulação de Água

30 Simulação Capacidade de retenção de água Sem drenagem

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32 Simulação e Previsão Depth (cm) Time (days) Column - 7days Column - 2days Volumetric Water Content

33 Ousado (imprudente) + Aumento do FS Conservador

34 Solos Não Saturados na Prática t Redução da sucção ' c ( u u ) tg a w b Pressão positiva da água Aumento da pressão da água dos poros Pressão negativa da água

35 Solos Não Saturados na Prática Argila Aumento da sucção, aumento da resistência, diminuição da compressibilidade Areia

36 Rupturas de Taludes

37 Rupturas de Taludes

38 Forças Atuantes Forças Resistentes FS Wsen ) tan (c ' ' ' l FS Wsen ) tan ) tan ( (c ' ' ' l u u FS b w a

39 0.526 FS < Conglomerado Unit Weight 18 kn/m³ Cohesion 5 kpa Phi Argilito Unit Weight 18 kn/m³ Cohesion 0 kpa Phi

40 Por que as coisa caem? Por que as coisas não caem? Se a força resistente peso Fator de Segurança 1 Força resistente chuva peso vento

41 Desenvolvimento do Fator de Segurança de um Talude Popescu (2002)

42 Fator de Segurança Em muitos casos taludes são definidos com base na experiência local que incorpora: Conhecimento do solo da região Aspectos climáticos Variabilidade Observem os taludes nas estradas!

43 Solos Não Saturados na Prática Projetado para permanecer não saturado?

44 Proteção para redução da infiltração de água Escavação em areia (obra temporária)

45 Envoltórias de ruptura para diversas sucções Ganho de coesão Fredlund & Rahardjo. (2003) Capacidade suporte em sapata corrida em função da sucção

46 Curva de Retenção de Água Grau de Saturação t Princípio das Tensões Efetivas Sucção Pressão Positiva Pressão Negativa - Sucção

47 Solos Não Saturados na Prática Desenvolvimento de pressão da água em solos compactados - + Pressão da água dos poros

48 600 Tensiômetros Pore Water Pressure (kpa) SD-4 Unloading SD-4 Loading SD-7 Unloading SD-7 Loading Confining Pressure (kpa) Marinho et al (2003)

49 Curva tensão versus recalque de ensaios realizados em areia argilosa com medição de sucção Aumento da sucção Costa et al. (2003)

50 Solos Potencialmente Expansivos Yoshida et al., 1993).

51 Variação da pressão de expansão com o peso específico seco para solos compactados

52 Efeito das Condições Iniciais

53 Solução para Evitar a Sazonalidade

54 Outras Aplicações Barreira Evapotranspirativa Barreira Convencional Barreira Evapo-Transpirativa Precipitação Evapo-transpiração Run-off Precipitação Run-off Infiltração Infiltração Modificado de Cui & Zomberg (2005)

55 Aterros de resíduos sólidos Minimizar Infiltrações (Controlar a entrada de água) Isolar o Resíduo (minerãção ou RSU) Controlar a saída de gás Sistema Tradicional Barreira Capilar Usar os aspectos climáticos associados com características de retenção de água dos materiais porosoas (solos e resíduos) Barreira Evapotranspirativa / Vegetativa cobertura Solo fino Solo Drenagem Barreira de Argila (k > 10-9 m/s) Coletor de gás Solo granular Fundação Resíduo Sólido Resíduo Sólido Resíduo Sólido

56 Definição do problema Dificuldades A visão do problema é sempre baseada na mecânica dos solos clássica (É necessário o conhecimento!) Medição do estado de tensão A determinação da sucção pode ser uma tarefa difícil (Será que precisamos sempre da sucção?) Ensaios para obtenção de parâmetros Os ensaios levam muito tempo e são muitas vezes difíceis de analisar (Será que escolhemos os ensaios corretos para a solução de problemas?

57 Facilitadores Definição do problema Com os aspectos relativos aos fenômenos da mecânica dos solos não saturados em mente, pode-se facilmente(?) elaborar um cenário que define com precisão o problema a ser analisado Medição do estado de tensão Existem muitas técnica que permitem medir ou inferir a sucção. O uso da curva de retenção de água é um grande facilitador Ensaios para obtenção de parâmetros Cada vez mais os ensaio estão sendo simplificados e o uso da curva de retenção tem colaborado para uma avaliação rápida de diversos aspectos do comportamento dos solos não saturados Análise númerica Tem sido uma maneira rápida de se avaliar os problemas com o enfoque: o que acontece se? If you learn to think the way unsaturated soil behaves, then you will make wise engineering decisions Dell Fredlund

58 Obrigado