Ensaios de Rampa para a Obtenção de Parâmetros de Interface Solo-Geossintético.

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1 Ensaios de Rampa para a Obtenção de Parâmetros de Interface Solo-Geossintético. Alessandra T. de Castro, Vinícius Roberto de Aguiar e Alberto S.F.J. Sayão. Departamento de Engenharia Civil, PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil. Anna Laura L. S. Nunes. Departamento de Engenharia Civil, COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil. RESUMO: O mecanismo de interação solo-geossintético é complexo, sendo função das propriedades dos materiais envolvidos. Para o estudo desta interação podem ser empregados ensaios de campo ou laboratório. No laboratório, destacam-se os ensaios de arrancamento, cisalhamento direto e rampa. A escolha do ensaio mais adequado será função do tipo de movimento relativo que ocorre entre o solo e o geossintético. O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados de uma campanha de ensaios em solo arenoso em contacto com dois tipos distintos de geossintéticos (geogrelha e geomembrana) em um equipamento de rampa desenvolvido na PUC-Rio. PALAVRAS-CHAVE: Interação Solo-Geossintético, Ensaios de Laboratório, Ensaio de Rampa. 1 INTRODUÇÃO A utilização de materiais geossintéticos em reforço, drenagem e recobrimento de taludes vem aumentando devido à facilidade executiva e à relação custo-benefício favorável. Nos últimos anos tem-se intensificado o estudo da interação sologeossintético, referente ao comportamento destes materiais quando inseridos na massa de solo. A interação entre o solo e geossintético é complexa sendo função das caracaterísticas dos materiais envolvidos. Ela pode ser expressa através dos parâmentros de resistência de interface: adesão (a SG ) e ângulo de atrito (φ SG ). Para determinar estes parâmetros de resistência, podem ser utilizados ensaios de campo ou de laboratório. Os ensaios de campo são mais representativos, porém apresenta custo elevado e maior dificuldade de execução.os ensaios de laboratórios têm menor custo, mas podem sofrer limitações quanto ao tamanho e a representatividade da amostra. Os ensaios normalmente empregados no estudo da interação solo-geossintético são o cisalhamento direto, o arrancamento e o plano inclinado. A escolha do tipo de ensaio depende do tipo de movimento relativo desenvolvido na interface solo-geossintético. O ensaio de plano inclinado aplica-se a casos onde o geossintético está aderido a face de um talude e a massa superior do solo pode deslizar ao longo do contacto sologeossintético. No presente trabalho, são apresentados os resultados de ensaios executados em um equipamento de plano inclinado de grandes dimensões. A análise dos resultados é baseada nas envoltórias de resistência e valores de eficiência de interface. 2 ENSAIO DE RAMPA A escolha do ensaio mais adequado para a obtenção dos parâmetros de interface sologeossintético depende do tipo de movimento relativo entre o geossintético e o solo. No caso da massa superior de solo se deslocar em relação ao geossintético posicionado em um talude (Figura 1), o ensaio mais adequado é o de rampa (ou ensaio de plano inclinado). Este ensaio é simples e consiste em confinar uma amostra de solo em uma caixa rígida que se apóia sobre a face do geossintético, o qual é fixado a uma garra metálica. O geossintético pode estar apoiado sobre uma base rígida ou sobre uma caixa inferior preenchida com solo. O conjunto encontra-se inicialmente na horizontal e a inclinação do plano vai gradualmente aumentando, até que ocorre o deslizamento da

2 caixa superior ao longo da interface. α Figura 1 Talude esquemático, mostrando o deslizamento de um bloco de solo em plano inclinado (Aguiar, 2003). inclinação da rampa, a distribuição de σ ao longo da interface passa a ser não uniforme e o valor médio de σ também varia (Mello et al., 2003), como ilustra a Figura 2. Para a análise dos resultados, o valor médio da tensão normal pode ser definido como: W cosα σ = (1) A onde σ = tensão normal média na interface, W = peso da amostra, A = área de interface sologeossintético e α = inclinação da rampa. Apesar da simplicidade, este ensaio apresenta algumas limitações no que se refere à aplicação da tensão normal (σ). Com a Figura 2 Variação da tensão normal com a inclinação da rampa (Rezende, 2005). 3 EQUIPAMENTO O equipamento de rampa utilizado para o presente trabalho (Figura 3) foi descrito por Resende (2005). Ele consiste numa estrutura composta por perfis de aço soldados, dimensionados de forma a resistir aos esforços solicitantes. A base é constituída por perfis I de 15,24cm, com dimensões iguais a 2,50m de comprimento e 1,35m de largura. O pórtico tem altura de 2,53m e foi também construído com perfis de 15,24cm (Aguiar, 2003). Para facilitar a movimentação do equipamento, o pórtico é constituído por duas partes conectadas por parafusos. A talha responsável pela inclinação da rampa é fixada nesta estrutura. A caixa superior apresenta dimensões internas de 1m de largura por 1m de comprimento, com 0,05m de altura, permitindo ensaios em amostras de grandes dimensões. A rampa é inclinada gradativamente com o uso da talha. Os ângulos de inclinação são monitorados com um medidor de base magnética com resolução de 0,5. O monitoramento dos deslocamentos da caixa é feito nas duas extremidades, com dispositivos extensométricos do tipo tell-tale. Maiores detalhes são encontrados em Resende (2005). Para aplicar a tensão de confinamento, utilizouse a camada de solo, uma caixa de madeira e um conjunto de lajes de concreto, que representam, isoladamente, tensões de 1,0 kpa; 0,30 kpa; 1,20 kpa; respectivamente.

3 Figura 3 Equipamento de Rampa (Aguiar et al, 2006). 4 PROGRAMA EXPERIMENTAL A campanha de ensaios foi feita utilizando dois tipos de geossintéticos: uma geomembrana de PVC, texturizada em uma face, fabricada pela Cipatex, e uma geogrelha de poliéster de alta tenacidade, revestida de PVC, fabricada pela Huesker. As Tabelas 1 e 2 apresentam as principais características dos materiais, segundo os catálogos dos fabricantes. Tabela 1 Características da Geogrelha Fortrac 35/25-20/30 (Huesker, 2002) Características Valor Abertura (20 x 30) mm Resistência à Longitudinal 25 kn/m Tração Transversal 35 kn/m Alongamento na Ruptura 5 % A preparação da amostra dos materiais geossintéticos seguiu as recomendações da norma DIN EN 963. Para esta pesquisa, as amostras foram confeccionadas com 1,5m de comprimento por 1,0m de largura. Tabela 2 Características da Geomembrana Cipageo (Cipatex, 2003) Características Valor Densidade 1200 kg/m 3 Gramatura 960 g/m 2 Espessura 0,8 mm Resistência ao Rasgo 35 N Resistência à Tração 10 N/mm Alongamento na Ruptura 200 % Módulo de Elasticidade 8 MPa O solo utilizado no programa experimental foi uma areia uniforme de quartzo, obtida na praia de Ipanema, Rio de Janeiro, com partículas de dimensões que variam entre 0,074 mm e 4,76 mm. Os valores de peso específico mínimo e máximo são 16,06 kn/m 3 e 18,04 kn/m 3, respectivamente. Ensaios de cisalhamento direto feitos nesta areia, com densidade relativa de 35% e peso específico de 16,70 kn/m 3, forneceram valores de ângulo de atrito (φ) de 31,4º.O índice de vazios mínimo é 0,48 e o máximo é 0,66 (Resende, 2005).

4 A seqüência de preparação do corpo de prova de areia iniciou-se pela deposição do solo na caixa inferior, com o volume necessário para obtenção do peso específico desejado, até atingir a altura de 5cm. Foi feito então um nivelamento da superfície da areia. Em seguida, uma das faces do geossintético foi esticada e ancorada na garra metálica. A caixa superior foi assentada no trilho da caixa inferior, preenchida com a amostra de areia, nivelando-se a superfície. Os medidores de deslocamentos e ângulos foram instalados na seqüência. No caso de tensões confinantes maiores que a conferida pelo solo, utiliza-se a caixa de madeira, assenta-se sobre a superfície da areia da caixa superior, já regularizada, que contém as lajes de concreto. O procedimento do ensaio de rampa não apresenta dificuldades. Primeiramente aciona-se gradualmente a talha, de forma a inclinar o conjunto (rampa e caixas). A cada 1º de incremento da inclinação, os deslocamentos são medidos, até ocorrer a ruptura na interface. Os resultados são apresentados na forma de ângulo de inclinação de rampa (α) versus deslocamento da caixa ( l), conforme indica a Figura 4. As envoltórias de resistência são obtidas com, no mínimo, três tensões confinantes diferentes, de forma a permitir a determinação dos parâmetros de resistência de interface (a SG e φ SG ). Inclinação da rampa a ( ) ,5 1 1,5 2 Deslocamento médio da caixa Δl (mm) Figura 4 Curva Δl (mm) x α (graus) da interface sologeogrelha sob tensão confinante de 1,3kPa. 5 RESULTADOS E ANÁLISE Os parâmetros que expressam a resistência de interface solo-geossintético são a adesão (a SG ) e o ângulo de atrito (φ SG ). A equação da envoltória de resistência pode ser escrita como: τ = a + σ tanφ (2) SG sg onde τ = resistência ao cisalhamento entre solo e reforço. A Tabela 3 apresenta os ensaios utilizados neste trabalho e os reportados de Resende (2005). As envoltórias de resistência das três interfaces estão apresentadas na Figura 5. A envoltória da interface areia-geogrelha tem o ângulo de atrito maior quando comparado com as outras duas interfaces e a envoltória da interface areia-geomembrana tem o menor Tabela 3 Resumo dos resultados dos ensaios Interface Tensão Normal Inicial (kpa) Ângulo de Rampa na Ruptura (α) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (1) (2) (3) (4) (5) (6) Solo-solo ~ ~ 2,1 ~ 3,3 5,1 ~ ~ 29 ~ Areia-geogrelha 1,0 1,3 2,1 2,5 3,3 5, Areia-geomembrana 1,0 1,3 2,1 2,5 3,3 5, Obs.: (1), (2) e (4) = resultados do presente trabalho, (3), (5) e (6) = resultados de Rezende (2005). Tabela 4 Resultado dos ensaios Interface Tensão Normal na Ruptura (kpa) Tensão Cisalhante na Ruptura (kpa) Parâmetro (1) (2) (3) (4) (5) (6) (1) (2) (3) (4) (5) (6) φ SG a Solo-solo ~ ~ 1,8 ~ 2,9 4,5 ~ ~ 1,1 ~ 1,7 2,5 27,4 0,2 Areia-geogrelha 0,9 1,1 1,8 2,3 2,8 4,6 0,5 0,6 1,2 1,1 1,8 2,4 27,6 0,10 Areia-geomembrana 0,9 1,2 1,9 2,3 3,0 4,7 0,4 0,5 0,9 1,1 1,4 2,1 24,4 0 Obs.: (1), (2) e (4) = resultados do presente trabalho, (3), (5) e (6) = resultados de Rezende (2005).

5 ângulo de atrito. Este resultado era o esperado, pois com a inserção da geogrelha no solo, a resistência aumenta garantindo sua função de reforço. A presença da geomembrana diminui a resistência do solo, isto porque sua aplicação não é de reforço e sim de impermeabilização. Os resultados podem ser também analisados em função dos parâmetros de adesão e ângulo de atrito da interface, determinando-se a eficiência de interfaces. A eficiência pode ser definida em função da adesão (E c ), ou em função do ângulo de atrito (E φ ), conforme expresso nas Equações 3 e 4. asg E c = (3) as tg SG E = φ φ tgφ (4) S onde E c = eficiência da interface em função da adesão, a SG = adesão da interface sologeossintético, a s = coesão do solo, E φ = eficiência da interface em função do ângulo de atrito, φ SG = ângulo de atrito da interface sologeossintético, φ s = ângulo de atrito do solo. O valor de φ s (27,4º) utilizado para o cálculo de E φ foi obtido em ensaios de plano inclinado por Resende (2005) e não no ensaio de cisalhamento direto. Os valores de φ SG estão apresentados na Tabela 4. Para a interface areiageogrelha, obteve-se E φ = 1,01 e E c = 0,50. Para areia-geomembrana, E φ = 0,88 e E c = 0. Os resultados das eficiências de cada interface foram diferentes. A interface areiageomembrana teve valor menor que a areiageogrelha. Isto pode ser explicado pelo tipo de estrutura do geossintético, já que a geomembrana perde resistência pelo fato de possuir uma superfície lisa, ao contrário da geogrelha que conta com o efeito do embricamento do solo com as aberturas da malha da geogrelha (Rezende, 2005). 6 CONCLUSÕES Este trabalho apresenta os resultados de ensaios de rampa, com uma avaliação do comportamento de duas interfaces: areiageomembrana e areia-geogrelha, sob baixas tensões confinantes. O equipamento se mostrou como uma excelente ferramenta para análise do comportamento destas interfaces. Foram determinadas as envoltórias de resistência de cada interface e calculadas os respectivos valores de eficiência. Observando os resultados, 3 Tensão Cisalhante na Ruptura (kpa) 2,5 2 1,5 1 0,5 asg = 0,1kPa φsg = 27,6 Solo-Geogrelha asg = 0kPa as = 0,2kPa φs = 27,4 Solo-Solo φsg = 24,4 Solo-Geomembrana Tensão Normal na Ruptura (kpa) Figura 5 - Envoltórias de resistência.

6 pode-se concluir que a inserção da geogrelha causa um aumento do ângulo de atrito do conjunto, comprovando sua função de reforço. Por sua vez, a geomembrana apresenta valores de ângulo de atrito e eficiência menores, quando comparados com o solo. A justificativa para este comportamento reside no fato de a estrutura da geomembrana apresentar uma superfície lisa. Aguiar, V. R. (2003) Ensaios de Rampa para Estudo da Resistência de Interface Solo-Geossintéticos, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil, 105p. Aguiar, V.; Sayão, A.S.F.J.; Nunes, A.L.L. (2004). Equipamento para a Determinação das Propriedades de Interação Solo-Geossintético, 1o. GeoJovem - Simpósio Brasileiro de Jovens Geotécnicos, ABMS, São Carlos, Brasil, pp Cipatex. Especificações Técnicas de Geomembrana Cipageo. São Paulo, Deutsche Norm. DIN EN 963 (1995). Geotextiles and geotextiles-related products: Sampling and preparation of test specimens. Girard, H., Fisher, S.; Alonso, E. (1990). Problems of Friction Posed by Use of Geomembranes on Dam Slopes - Examples and Measurements. Geotextiles and Geomembranes, vol. 9, pp Mello, L.G., Lima Junior N., Palmeira, E. M. (2003). Estudo da Interação entre Interfaces de Solos e Geossintéticos em Taludes de Áreas de Disposição de Resíduos. Revista Solos e Rochas, vol. 26 (1), pp Huesker Ltda. (2002). Especificações Técnicas da Geogrelha Fortrac. São Paulo, Brasil. Izgin, M. e Wasti, Y. (1998). Geomembrane-Sand Interface Frictional Properties as Determined by Inclined Board and Shear Box Tests. Geotextiles and Geomembranes, vol. 16, pp Rezende, E. S. (2005). Estudo da Resistência de Interação Solo-Geossintético Utilizando o Equipamento de Rampa. Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brasil, 149p. Sayão, A.S.F.J., Sieira, A.C.F., Castro D.C. (2002). Metodologia para Determinação de Parâmetros de Interação Solo-Geogrelha. Revista Solos e Rochas, ABMS / ABGE, vol. 25, no. 3, pp Wasti, Y. e Özdüzgün, Z. B. (2001). Geomembranegeotextiles Interface Shear Properties as Determined by Inclined Board and Direct Shear Box Tests. Geotextiles and Geomembranes, vol. 19, pp AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Capes e ao CNPq pelas bolsas de pesquisa e à Huesker Ltda. pelo apoio ao projeto de pesquisa. REFERÊNCIAS