COMPARAÇÃO ENTRE ESTRUTURAS DE SOLO REFORÇADO COM GEOTÊXTEIS TECIDOS E NÃO TECIDOS: CASO DE OBRA EM CAMPINAS SP

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1 ARTIGO COMPARAÇÃO ENTRE ESTRUTURAS DE SOLO REFORÇADO COM GEOTÊXTEIS TECIDOS E NÃO TECIDOS: CASO DE OBRA EM CAMPINAS SP INTRODUÇÃO Frente à problemática atual dos deslizamentos de terra frequentemente evidenciados durante os períodos chuvosos em algumas regiões do território brasileiro, há a necessidade de soluções permanentes de contenções ou reconstituição de taludes. Na década de 70, quando se iniciou a aplicação de reforços poliméricos na estabilização de maciços terrosos, função designada anteriormente aos reforços metálicos, utilizou-se muito os reforços em geotêxteis não tecidos por terem sido um dos primeiros geossintéticos aplicados na engenharia geotécnica. Posteriormente, estes foram substituídos por geogrelhas e geotêxteis tecidos, por consistirem em reforços mais rígidos. No entanto, muitos trabalhos na literatura relatam que reforços de geotêxteis não tecidos podem cumprir duas funções simultâneas: reforço e drenagem interna (Fourie; Fabian, 1987; Ling; Wu; Tatsuoka, 1992; Ling et al., 1993; Zornberg; Mitchell, 1994; Portelinha et a., 2013), além destes apresentarem melhoria significativa na rigidez quando confinado e impregnado com o solo da interface (McGown et al. 1982; Ling et al. 1992; Mendes e Palmeira 2006). Estas características fazem com que geotêxteis não tecidos possam compor estruturas definitivas, desde que devidamente projetado. Muitos são os trabalhos que mostram o bom Prof. Dr. Fernando H. M. Portelinha Departamento de Engenharia Civil UFSCAR (Universidade Federal de São Carlos) fportelinha@ufscar.br comportamento de estruturas reforçadas com geotêxteis não tecidos, destacando-se os trabalhos de Benjamim et al. (2007), Ehrlich et al (1994, 1997) e Portelinha et al (2013). Neste artigo apresenta-se um estudo comparativo entre duas seções instrumentadas de um muro reforçado com geotêxteis (não tecido e tecido), de modo a verificar as diferenças de comportamento entre estes dois reforços, bem como gerar informações para compreender o bom desempenho que geotêxteis não tecidos têm apresentado na função de reforço de solos, principalmente em solos brasileiros, cujas propriedades mecânicas são bastante vantajosas em obras geotécnicas (Futai et al., 2004; Osinubi e Nwaiwu, 2005). CASO DE OBRA A estrutura estudada consiste em um muro de solo reforçado com geotêxteis com a função de contenção de um aterro construído para nivelar a área de implantação do conjunto habitacional Bairro Novo, na cidade de Campinas SP. O sistema de contenção é composto por muros íngremes de solo reforçado (1H: 10V) com altura de até 9 metros, construído com solo local fino laterítico. A estrutura compõe o contorno do aterro do conjunto residencial, totalizando 300 metros de comprimento. Um aterro compactado não reforçado de 4,5 metros de altura foi construído no topo desta estrutura. O muro de solo reforçado foi projetado com reforços de geotêxteis tecidos, incluindo uma seção experimental construída com geotêxteis não tecidos. As seções foram construídas com altura de 5,6 metros, e instrumentadas para comparações dos deslocamentos internos e deformações nos reforços. O geotêxtil não tecido utilizado apresenta 40% da resistência à tração do geotêxtil tecido, além de rigidez à tração três vezes menor (5% de deformação). Na Figura 1 é apresentada a estrutura durante a construção. CONCEPÇÃO DE PROJETO A decisão da utilização de solos finos locais foi o aspecto primordial para tornar a solução economicamente competitiva em relação a outras soluções. O solo consiste em uma areia argilosa laterítica não plástica com 23% passante na peneira #200, peso específico aparente seco máximo de 19,2 kn/m3 e teor ótimo de umidade de 11% (Proctor modificado). Os ensaios de limites de consistência do solo resultaram em um material não plástico (NP) com limite de liquidez de 17%. De acordo com as 52 FUNDAÇÕES & OBRAS GEOTÉCNICAS

2 Figura 1 Estrutura instrumentada em Campinas SP recomendações da AASHTO (2002), muros de solo reforçados com mais de 15% de material passante na peneira #200 não são recomendados para esse tipo de solução; caso contrário, um apropriado sistema de drenagem é requerido. Os resultados dos ensaios triaxiais consolidados drenados (CD) em corpos de prova saturados resultaram em coesão de 19 kpa e ângulo de atrito de 27º. O reforço selecionado pelo projetista foi um geotêxtil tecido de polipropileno com resistência à tração de 50 kn/m. Já a seção experimental foi reforçada com geotêxteis não tecidos de poliéster com resistência à tração de 20 kn/m (gramatura de 400 g/m2). A seleção de um geotêxtil não tecido relativamente mais flexível permitiu discutir sobre as melhorias deste material no comportamento mecânico devido ao efeito do confinamento do solo e da impregnação das partículas finas na estrutura do material. A geometria de projeto consistiu em linhas de reforços espaçadas verticalmente a cada 40 cm, com comprimentos de 7 metros. A seção típica de projeto, bem como a localização da instrumentação são mostradas na Figura 2. O muro foi construído utilizando a técnica de solo envelopado sem o uso de formas móveis, que foram substituídas por sacarias preenchidas com solo local e compactadas manualmente. O projeto da estrutura de solo reforça- Figura 2 Seção de projeto e instrumentação do muro de Campinas SP do com geotêxtil tecido foi baseado nas especificações da FHWA (1998). O método de equilíbrio limite utilizou as tensões de serviço de Rankine, para cálculo do coeficiente de empuxo ativo para análises das estabilidades externa e interna. A verificação da estabilidade interna consistiu nas avaliações de ruptura e arrancamento do reforço dos geotêxteis. Os fatores de redução, considerando os danos de instalação, fluência e degradação do reforço foram considerados de acordo com as recomendações da FHWA (1998), gerando um fator e redução global de 1,4. Com relação à seção de reforço não tecido, as análises de estabilidade interna segundo a FHWA (1998) mostraram que a utilização de reforços não tecidos com 40% da resistência à tração do geotêxtil tecido resultaria na ruptura dos reforços das camadas inferiores da FUNDAÇÕES & OBRAS GEOTÉCNICAS 53

3 Tabela 1 Análises de projeto da estrutura Método Considerações Geotêxtil não tecido Geotêxtil tecido FS breakage Superfície de ruptura FS breakage Superfície de ruptura Rankine Coesão zero, face vertical, ELS Rankine 30% de coesão, face vertical, ELS Spencer Coesão zero, face vertical, ELS, bilinear surface o e 64 o a 2.4 m da base o e 60 o a 1.8 m da base Spencer 30% de coesão, face vertical, ELS, bilinear surface o e 73 o a 1.8 m da base o e 56 o a 1.2 m da base Nota: ELU Estado limite último estrutura. Análises complementares foram realizadas conforme apresentado na Tabela 1, de modo a melhor explicar os comportamentos visualizados no campo. Nesta tabela inclui-se também análises de equilíbrio limite pelo método de Spencer, modificado por Wright e Duncan (1990) para considerar a força estabilizante dos reforços na estrutura. As análises de ruptura contra o arrancamento e estabilidade externa não são relevantes neste trabalho por terem apresentado elevados valores de fatores de segurança. Figura 3 Etapas de construção da estrutura de contenção: (a) execução da trincheira drenante; (b) execução das sacarias; (c) compactação pesada; (d) compactação leve na proximidade da face Figura 4 Evolução da construção do muro reforçado com geotêxteis CONSTRUÇÃO DA ESTRUTURA A estrutura de contenção em solo reforçado foi construída durante 86 dias, desde a preparação da fundação até a construção do aterro compactado não reforçado no topo do muro reforçado. A preparação da fundação e execução da trincheira drenante iniciaram-se em agosto de Inicialmente, escavou-se o solo local que compunha o talude natural existente. Durante o processo de escavação, constatou-se que águas da chuva escoavam em direção à base da estrutura promovendo um acúmulo de água na fundação. Esta foi à motivação para a execução da trincheira drenante. Uma vez executada a trincheira, a base foi compactada e nivelada para o início da execução do muro. A construção do muro reforçado (após o preparo da fundação) teve início em setembro de 2010 e foi finalizado em outubro de A estrutura completa com o aterro compactado executado acima da estrutura foi finalizada em janeiro de FUNDAÇÕES & OBRAS GEOTÉCNICAS

4 Figura 5 Instrumentação: (a) hastes mecânicas e tensiômetro; (b) seções instrumentadas O solo foi compactado no teor de umidade ótimo de compactação (Proctor modificado), com faixa de aceitação de ± 5%, com rolo dentado vibratório DYNAPAC@. Na faixa entre a face e 150 cm desta, utilizou-se uma compactação relativamente leve com o uso de martelo vibratório evitando excessivos deslocamentos da face durante o processo construtivo. Já na execução das sacarias da face, essas foram preenchidas com solo local e compactadas manualmente com soquete. Depois de concluído o muro em solo-reforçado, iniciou-se a construção do aterro acima da estrutura que foi concluído em janeiro de A Figura 3 mostra as etapas da construção, enquanto a Figura 4 apresenta a evolução da construção da estrutura, bem como o tempo total de monitoramento. INSTRUMENTAÇÃO O programa de instrumentação foi projetado para monitorar o comportamento do muro durante e após a construção. A técnica de instrumentação envolveu medidas de deslocamentos internos, utilizando extensômetros de hastes metálicas, e monitoramento da sucção do solo com o uso de tensiômetros. O posicionamento da instrumentação é detalhado na Figura 2. As hastes metálicas lisas foram cravadas no solo abaixo e ao longo do comprimento do reforço em diferentes distâncias em relação à face da estrutura. Uma haste de referência foi fixada fora da zona reforçada de modo a se obter deslocamentos relativos em relação à Figura 6 Precipitação local em períodos durante e após a construção referência. As hastes metálicas foram fixadas em pontos distanciados a 0,90 m, 1,80 m, 3,00 m e 5,50 m da face, sendo estas engraxadas e inseridas em tubos de PVC, para permitir a livre movimentação sem interferência do atrito solo-haste. Os tensiômetros foram instalados em quatro pontos ao longo da altura do muro, distanciados a 1,50 m da face. Todos os instrumentos foram instalados em três linhas de monitoramento e três diferentes alturas, aqui designadas como E01 (0,80 m da base), E02 (1,60 m da base) e E03 (5,00 m da base), conforme ilustrado na Figura 2. Na Figura 5a são mostrados os extensômetros e um tensiômetro instalados em uma das linhas de instrumentação, enquanto na Figura 5b é apresentada a vista frontal de ambas as seções instrumentadas. PRECIPITAÇÃO Os dados de precipitações mensais durante o período em que a estrutura foi construída e monitorada (2010 e 2011) foram levantados e estão apresentados na Figura 6. A estrutura foi construída durante um período relativamente chuvoso, porém de precipitação leve. Durante o primeiro mês de construção (setembro de 2010), foram registrados 11 dias de chuva, alcançando 110 mm de precipitação. No segundo e no último mês de construção da estrutura reforçada, 13 dias de chuva ocorreram com acúmulo de água de 95 mm. O período mais chuvoso foi o período da construção do aterro compactado (acima do maciço reforçado) em que chuvas ocorreram durante 18 dias alcançando o nível de precipitação de 330 mm. Após o fim da completa construção da estrutura, registrou-se o período de precipitação mais intensa do ano com 18 dias chuvosos e 490 mm de altura precipitada. Portanto, a presença de água durante e após a construção da estrutura foi bastante evidente. FUNDAÇÕES & OBRAS GEOTÉCNICAS 55

5 Figura 8 Medidas dos deslocamentos internos da seção reforçada com geotêxteis não tecidos: (a) 500 cm da base (E01); (b) 160 cm da base (E02); (c) 80 cm da base (E01) Figura 7 Leituras dos tensiômetros no muro reforçado: (a) 760 cm da base; (b) 500 cm da base (E03); (c) 160 cm da base (E02); (d) 80 cm da base (E01) RESULTADOS Sucção Matricial Na Figura 7 são plotadas as leituras dos tensiômetros instalados na seção reforçada com geotêxtil não tecido. Leituras de sucção não foram realizadas na seção de geotêxtil tecido. Nota-se que a sucção matricial da camada instrumentada E01 diminuiu após 40 dias, mostrando que o umedecimento nesta profundidade ocorreu simultaneamente ao aterro compactado. Acredita-se que águas provenientes da chuva escoaram do topo para a base ao longo da face envelopada exposta, alcançado o pé da estrutura. De modo geral, as reduções dos valores de sucção matricial nas outras camadas mostram o efeito da infiltração devido ação gravitacional (de cima para baixo). Cabe ressaltar que o monitoramento do avanço do umedecimento no interior da estrutura foi evidenciado em regiões a 1.5 m da face. Pode-se observar que as perdas da sucção matricial ocorreram logo após o período construtivo, quando os maiores níveis de precipitação do ano foram registrados. Após esse período, os valores de sucção matricial chegaram a valores zero ou próximos de zero. Após 240 dias do início da construção, a sucção matricial voltou a aumentar, provavelmente devido ao período de menor precipitação do ano, entre maio e agosto de Pode-se supor, portanto, a secagem do solo do aterro durante a vida da estrutura. Deslocamentos internos Os resultados dos deslocamentos internos nas seções reforçadas com geotêxteis não tecidos e tecidos, obtidos por extensômetros de hastes metálicas fixadas em diferentes pontos ao longo Figura 9 Medidas dos deslocamentos internos da seção reforçada com geotêxteis tecidos: (a) 500 cm da base (E03); (b) 160 cm da base (E02); (c) 80 cm da base (E01) do comprimento do reforço, são apresentados nas Figuras 8 e 9, respectivamente. Na Figura 8 verifica-se que, existe uma tendência de aumento dos deslocamentos em direção à face da estrutura para todas as camadas instrumentadas. Ainda, as maiores taxas de aumento dos deslocamentos ocorreram durante o período construtivo devido ao processo de compactação, sendo 56 FUNDAÇÕES & OBRAS GEOTÉCNICAS

6 Figura 10 Distribuição das deformações ao longo do comprimento dos reforços da seção de geotêxtil não tecido nas linhas instrumentadas E01, E02 e E03 Figura 11 Distribuição das deformações ao longo do comprimento dos reforços da seção de geotêxteis tecidos nas linhas instrumentadas E01, E02 e E03 estas mais significativas em regiões mais próximas da face. Após 86 dias, período correspondente ao final da construção do muro reforçado, os deslocamentos estabilizaram-se para ambas as seções instrumentadas (Figuras 8 e 9). É importante destacar que os maiores deslocamentos durante a construção foram constatados na seção de reforço não tecido (mais flexíveis), muito embora essa diferença seja pouco significativa. Deslocamentos pós-construtivos são insignificantes, mostrando nenhum comportamento de fluência do reforço. Ainda, tratando-se de uma estrutura subdimensionada segundo a FHWA (1998) pode-se dizer que as diferenças em relação à estrutura de reforços tecidos foram muito pequenas. De modo geral, os deslocamentos máximos foram maiores na seção de geotêxtil não tecido, muito embora estes tenham se mostrado muito próximos. Ainda, estes deslocamentos são, em grande parte, decorrentes do processo de construção. Nas condições de serviço (pós-construção), estes podem ser considerados de mesmo comportamento. Figura 12 Evolução das deformações máximas dos reforços para as seções de geotêxtil tecido e não tecido: (a) 500 cm da base (E03); (b) 160 cm da base (E02); (c) 80 cm da base (E01) Deformações nos reforços As deformações nos reforços foram calculadas de acordo com a metodologia de Zornberg e Arriaga (2003). Segundo este método, a distribuição dos deslocamentos ao longo do comprimento do reforço foi suavizada por um ajuste sigmoidal que equaciona essa distribuição. A derivada dessa curva sigmoidal resulta nas distribuições das deformações ao longo dos comprimentos de reforços. Nas Figuras 10 e 11 são mostradas as distribuições das deformações nos reforços das seções de geotêxtil tecido e não tecido, respectivamente, nas três linhas instrumentadas E01, E02 e E03. Ambas as seções instrumentadas apresentaram o mesmo nível de deformações nas camadas instrumentadas E02 e E03, muito embora a rigidez à tração do geotêxtil não tecido seja significativamente menor. No entanto, as deformações na base da estrutura foram menores para o reforço mais rígido (geotêxtil tecido). Nota-se que as localizações dos picos de deformações nas camadas instrumentadas geraram superfícies reais de ruptura semelhantes para ambas as seções. Destaca-se a localização do pico de deformação da camada mais superficial ocorrendo em regiões próximas da face, possivelmente devido à elevada inclinação da face, o que pode gerar momentos adicionais durante a compactação nesta região. A evolução das deformações de pico foram plotadas na Figura 12. Para efeito comparativo, são plotadas juntamente as de- FUNDAÇÕES & OBRAS GEOTÉCNICAS 57

7 significativa na rigidez global da estrutura. Portanto, as alterações na sucção do solo evidenciadas pelas leituras dos tensiômetros ocorreram. Pode-se dizer que em estruturas reais, principalmente as de maiores alturas, o efeito do avanço de umedecimento pode ser menos significativo, já que o avanço deverá alcançar profundidades relativamente grandes para implicar em alterações na rigidez global do sistema solo-reforço. Figura 13 Distribuição das deformações máximas ao longo da altura do muro: (a) seção de geotêxtil não tecido; (b) geotêxtil tecido formações máximas de ambas as seções avaliadas. Aparentemente, toda a deformação ocorrida nos reforços de geotêxteis não tecidos é decorrente do processo de construção. Já para a estrutura de geotêxteis tecidos, embora grande parte dos aumentos das deformações acontecerem durante a construção, estas também sofreram incrementos pós-construtivos. Observa-se que, a maior taxa de aumento ocorreu durante o período de precipitação mais intensa do ano (novembro a abril). Digno de nota é o fato de esses incrementos serem maiores na camada mais próxima da superfície. Essas são fortes evidências de que a resistência de interface de reforços impermeáveis pode ser prejudicada por um possível desenvolvimento de pressões neutras nas camadas, o que não acontece em reforços permeáveis, como é o caso do geotêxtil não tecido (Portelinha et al. 2013). Na Figura 13, as deformações são plotadas ao longo da altura da estrutura, na qual pode ser verificado que as deformações de pico máximas ocorreram nos reforços instrumentados inferiores para o caso da seção de geotêxteis não tecidos, enquanto estas ocorreram na linha de instrumentação superior para o caso de geotêxteis tecidos. Aparentemente, a rigidez elevada do geotêxtil tecido não permitiu deformações sob cargas mais elevadas (camadas inferiores). Deformações devido a compactação nas camadas mais superiores ocorreram igualmente em ambas as seções instrumentadas. Acredita-se que um pequeno volume de água infiltrou nesta estrutura, porém muito pouco para promover uma alteração IMPLICAÇÕES DE PROJETO Os métodos convencionais de muros de solo reforçado utilizam dos métodos de estado limite de último (ELU) ou estado limite de serviço (ELS), consideração o estado de tensões de Rankine e Coulomb para determinar a tensão requerida. Com os resultados obtidos neste monitoramento de campo e análises de projeto permitiu-se um melhor entendimento do comportamento verificado na estrutura real, principalmente para a estrutura composta por geotêxteis não tecidos. De fato, projetos que consideram o estado limite em estruturas de solo reforçado mostraram-se muito conservadores. A utilização do estado de tensões de Rankine, mostrou-se conservador em comparação as análises de limite equilíbrio segundo o método de Spencer (Tabela 1). Ainda, assumir 0 kpa de coesão consiste numa fonte significativa de conservadorismo que resulta na escolha de um reforço de elevada resistência e rigidez, ou seja, na escolha de um reforço mais caro. Para este trabalho, a consideração de 30% da coesão drenada (triaxiais CD) mostrou-se suficiente para resultar numa previsão mais realista e segura (Tabela 1). No caso de análises de projeto para a condição de serviço (ELS), o uso de ensaios confinados de fluência seriam mais representativos que métodos não confinados. Nas Figuras 10 e 11 apresentam-se a localização das deformações máximas ao longo do comprimento do reforço para seções de geotêxteis não tecidos e tecidos, respectivamente. Nestas figuras, as superfícies potenciais de ruptura dos métodos de Rankine e Spencer são comparadas com a superfície de ruptura experimental. Embora o método de Rankine não tenha se mostrado consistente com as observações de campo, a superfície potencial de ruptura deste apresentouse mais próxima da superfície experimental em relação ao método de Spencer. No entanto, a superfície real mostra-se bastante íngreme nas camadas reforçadas superiores. Não há um entendimento claro para esta discrepância, mas a associação de tensões de compactação durante a construção e a elevada inclinação da estrutura pode ter afetado a localização das tensões máximas de tração nestes reforços. Análises pelo método de Spencer considerando de 30% da coesão drenada, mostraram um aumento na inclinação da superfície de ruptura, resultando na melhor consistência com a superfície experimental. De acordo com Ahmadabadi e Ghanbari (2009), o aumento da coesão resulta no aumento da inclinação da superfície de ruptura, o que dá suporte a discrepância entre os métodos e a superfície real. CONCLUSÕES Este estudo relata o comportamento de duas seções instrumentadas de 5.6 metros e altura de uma estrutura de contenção em solo reforçado com geotêxteis construídos com solo laterítico da cidade de Campinas SP. O compor- 58 FUNDAÇÕES & OBRAS GEOTÉCNICAS

8 tamento de duas seções idênticas de geotêxteis tecidos e não tecidos foram monitoradas, de modo que estas fossem comparáveis. O geotêxtil tecido selecionado é 3 vezes mais rígido que o geotêxtil não tecidos. Com base nos resultados e análises efetuadas neste estudo, as seguintes conclusões podem ser geradas: A seção instrumentada de geotêxtil não tecido apresentou comportamento tão apropriado quanto o comportamento da seção de geotêxtil tecido tanto durante como após a construção, e mesmo durante períodos intensos de chuva que reduziram a sucção matricial do solo. Isso pode ser explicado pelo aumento da rigidez de geotêxteis não tecidos sob confinamento do solo, bem como o excelente comportamento do solo laterítico que resultou em pequenas tensões de tração transmitidas aos reforços. O fato de o solo não apresentar comportamento de fluência e apresentar bom comportamento mecânico (resistência e rigidez) favoreceu para o sucesso da técnica. As deformações observadas em ambas as seções se desenvolverão somente durante a construção. Deformações e deslocamentos pós-construtivos são negligenciáveis, o que mostra que nenhum dos reforços sofreu fluência durante o período de monitoramento. Para a seção de geotêxtil não tecidos, as deformações máximas ocorreram na linha instrumentada mais inferior, enquanto para a seção de geotêxtil tecidos estas ocorreram na linha mais superior. No entanto, os níveis de deformações na linha instrumentada mais superior foram os mesmos para ambas seções, o que pode ser atribuído as tensões geradas durante a compactação associadas a elevada inclinação da face (90º). Aparentemente, a rigidez elevada do geotêxtil tecido não permitiu deformações sob cargas mais elevadas (camadas inferiores). Análises de estado limite último que utilizaram do estado de tensões de Rankine mostraram-se conservadoras em comparação com as análises de limite equilíbrio pelo método de Spencer. A consideração de coesão nula apresentou-se como uma fonte significativa de conservadorismo, enquanto as análises com 30% da coesão drenada foram mais realistas e ainda seguras. Isso resultaria na escolha de materiais menos rígidos e resistentes, e consequentemente, maior redução no custo total da obra. Embora a seção de geotêxteis não tecidos tenha apresentado maiores deformações e deslocamentos que a seção de geotêxteis tecidos durante a construção, as diferenças nestes valores não foram expressivas o que contrapõe as análises de projeto realizadas. Dessa forma, neste caso, a estrutura de geotêxtil não tecidos poderia cumprir a função designada aos geotêxteis tecidos. AGRADECIMENTOS O autor agradece ao professor Benedito de Souza Bueno pela orientação e suporte neste trabalho de campo, bem como sua intensa contribuição para o estudo de geossintéticos no Brasil. Agradeço também o engenheiro Victor Pimentel, da empresa Geosoluções por conceder a estrutura para monitoramento. 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