VIADUTOS SOBRE OS RIOS GALVÃO E REAL II: Fundações

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1 1 VIADUTOS SOBRE OS RIOS GALVÃO E REAL II: Fundações A. Sousa Coutinho Engº Civil Consultor de Geotecnia Lisboa Júlio Appleton Engº Civil A2P Consult, Lda Lisboa António Costa Engº Civil A2P Consult, Lda Lisboa Nuno Travassos Engº Civil A2P Consult, Lda Lisboa João Dias Engº Civil Tecnasol FGE Lisboa Pedro Lopes Engº Civil Tecnasol FGE Lisboa SUMÁRIO Nesta segunda comunicação acerca dos viadutos sobre os rios Galvão e Real abordam-se os aspectos mais relevantes do dimensionamento geotécnico das fundações. Palavras-chave: Fundações; Caracterização geotécnica; Ensaios de carga prévios em estacas; Características dinâmicas dos solos. 1. INTRODUÇÃO Nesta segunda comunicação acerca dos viadutos sobre os rios Galvão e Real, abordam-se os aspectos mais relevantes do dimensionamento geotécnico das fundações. Os elementos estruturais de fundação dos viadutos são estacas com 1,5 m de diâmetro. Em cada apoio existem quatro estacas, no prolongamento dos pilares do tabuleiro, afastadas 6,7 m entre eixos. A constituição geológica dos vales a vencer pelos viadutos foi estabelecida por meio de duas campanhas de sondagens. Os solos da fundação foram caracterizados essencialmente por meio de ensaios in situ. Além dos ensaios SPT, executados em ambas as fases da prospecção, foram realizados, na segunda fase, ensaios de piezocone (CPTU), ensaios com pressiómetro Ménard (MPM) e ensaios sísmicos entre furos (cross-hole). Complementarmente, sobre amostras remexidas recolhidas pelo amostrador de Terzaghi,

2 2 realizaram-se granulometrias de solos granulares e determinaram-se limites de consistência de solos finos. Seguindo a actual tendência geotécnica e filosofia dos códigos de fundações, em particular do EC7, executaram-se ensaios de carga prévios em estacas carregadas verticalmente e horizontalmente. A informação geotécnica reunida permitiu construir os modelos geológico-geotécnicos relevantes para o dimensionamento dos viadutos. 2. GEOLOGIA Para conhecer a constituição geológica dos vales a vencer pelos viadutos foram realizadas duas campanhas de sondagens. No total executaram-se 48 sondagens no vale do rio Galvão e 28 sondagens no vale do rio Real, com recolha de amostras com o amostrador de Terzaghi. O viaduto sobre o rio Galvão atravessa um vale onde afloram terrenos do Pliocénico, essencialmente areias, cobertas, na parte central do vale, por material aluvionar de natureza argilosa. Na zona central e na zona do final do viaduto, no sentido do encontro nascente, ocorrem formações jurássicas, do complexo da Dagorda, subjacentes às formações pliocénicas. O viaduto sobre o rio Real atravessa um vale onde praticamente ao longo de toda a sua extensão afloram materiais aluvionares argilo-arenosos. As formações pliocénicas afloram apenas na zona do encontro poente, aquele que fica mais perto do vale do rio Galvão, tendo uma expressão quase nula a partir do ponto onde as formações aluvionares começam a surgir. Subjacente a estas formações ocorre a formação jurássica do complexo da Dagorda, que chega mesmo a aflorar na zona do encontro nascente. A prospecção geotécnica realizada permitiu distinguir cinco grandes unidades geotécnicas fundamentais: duas nas aluviões, duas no pliocénico e uma no jurássico. Os resultados dos ensaios executados não apresentam diferenças significativas entre as unidades dos dois vales, pelo que não se considerou necessário trabalhar separadamente os seus resultados em cada unidade geotécnica detectada. 3. UNIDADES GEOTÉCNICAS FUNDAMENTAIS 3.1. Unidades aluvionares Uma primeira unidade é constituída por solos argilosos, por vezes levemente siltosos, e por solos argilosos orgânicos, por vezes arenosas, de consistência mole a média (esporadicamente apresenta valores de N SPT que indicam uma consistência dura,

3 3 consequência de alguma sobreconsolidação à superfície). A Tabela 1 resume os resultados dos ensaios in situ. Tabela 1 - Unidade aluvionar argilosa N SPT q c (MPa) q med c (MPa) v s (m/s) E M (MPa) p l (MPa) 2 a 19 0,14 a 7,0 1,5 131 a 179 4,0 a 6,7 0,47 a 0,61 Uma segunda unidade é constituída por areias, areias siltosas e areias silto-arenosas, de granulometria variada, muito soltas a soltas, pontualmente compactas, e por siltes argilosos. A Tabela 2 resume os resultados dos ensaios in situ. Tabela 2 - Unidade aluvionar arenosa N SPT med N SPT q c (MPa) q med c (MPa) v s (m/s) E M (MPa) p l (MPa) 3 a ,42 a a 214 4,2 a 6,0 0,59 a 1, Unidades pliocénicas Uma primeira unidade é constituída por areias, por vezes argilosas ou silto-argilosas, de granulometria diversa, e por siltes arenosos, apresentando-se no geral medianamente compactas nos horizontes superiores, e compactos a muito compactos nos horizontes inferiores. A Tabela 3 resume os resultados dos ensaios in situ. Tabela 3 - Unidade pliocénica arenosa med N SPT N SPT q med c (MPa) v s (m/s) E M (MPa) p l (MPa) 5 a > a 390 3,3 a 7,8 0,62 a 0,96 Uma segunda unidade é constituída por argilas e argilas arenosas. Apresenta-se apenas esporadicamente. Tem valores de N SPT entre 10 e 50, sendo o seu valor médio de Unidade jurássica A unidade jurássica é constituída por solos argilo-margosos, por vezes com pequenas massas de gesso branco, margas gipsíferas e calcários jovens. Apenas foi possível caracterizar com algum rigor os fácies argilosos e margosos. A Tabela 4 resume os resultados dos ensaios in situ. Tabela 4 - Unidade jurássica med N SPT q med c (MPa) v med s (m/s) E M (MPa) p l (MPa) > a 136 3,7 a 10

4 4 4. PARAMETRIZAÇÃO DOS SOLOS Com base nos resultados dos ensaios in situ, estimaram-se os parâmetros necessários ao dimensionamento das estacas. Para o dimensionamento em relação a forças verticais de compressão, foram estimadas as resistências específicas ao logo do fuste e na ponta [1], e ainda os módulos de deformabilidade. Para o dimensionamento em relação a forças transversais, estabeleceram-se curvas de transferência de carga, denominadas p-y, para acções rápidas e acções lentas segundo a metodologia inerente a ensaios MPM (Figura 1) [2]. Foram ainda estabelecidos os parâmetros dinâmicos dos solos para estimar os coeficientes de reacção para a acção sísmica. Os valores determinados com base nos ensaios in situ foram mais tarde confrontados com os resultados dos ensaios de carga em estacas. Figura 1: Curvas p-y MPM (a) para acções rápidas e (b) para acções lentas 5. ENSAIOS DE CARGA PRÉVIOS EM ESTACAS 5.1. Objectivos Os ensaios de carga prévios têm como objectivo principal a obtenção de parâmetros de dimensionamento de deformabilidade e de resistência para as estacas de fundação. No caso presente, dado que os projectos base das fundações foram executados a partir dos resultados dos ensaios de caracterização dos solos realizados durante as fases de prospecção geotécnica, os ensaios de carga permitiram aferir a parametrização adoptada para o solo Ensaios de carga vertical Aspectos principais da execução dos ensaios De forma a caracterizar as resistências específicas dos solos no fuste das estacas, bem como as resistências específicas de ponta, foram executados 3 ensaios de carga vertical, 2 no vale do rio Galvão e 1 no vale do rio Real.

5 5 Os alinhamentos onde foram instaladas as estacas de ensaio foram escolhidos de forma a poder-se obter o máximo de informação possível acerca dos solos intersectados pelas estacas ao longo de ambas as obras. As estacas ensaiadas tinham um diâmetro de 0,8 m e um comprimento idêntico às estacas de obra, excepto no comprimento de penetração no estrato portante, que foi em ambos os casos de 4 diâmetros (estacas de obra: 4 1,5 m; estacas de ensaio: 4 0,8 m). A percentagem de armadura das estacas de ensaio era equivalente à prevista para as estacas da obra. A carga foi aplicada por meio de 4 macacos hidráulicos, tendo a reacção sido obtida à custa de um sistema de ancoragens. As forças aplicadas foram medidas por meio de 4 células electrónicas, colocadas em série com os macacos. A Figura 2 ilustra estes aspectos. A carga máxima, kn em todos os casos, foi atingida em 10 patamares iguais, cada um com a duração de 60 minutos. Foi seguida a norma francesa AFNOR (NF P ). Em cada patamar de carga foi medido o assentamento da cabeça por meio de 4 deflectómetros instalados na face superior da estaca, junto do contorno, dispostos segundo um quadrado inscrito no contorno da estaca. As deformações ao longo do fuste das estacas foram medidas à custa de extensómetros instalados às profundidades convenientes, de acordo com a estratigrafia determinada nas sondagens. Figura 2: Ensaio de carga vertical Metodologia de interpretação dos ensaios A ilustração da metodologia de interpretação dos ensaios será feita apresentando a interpretação de um dos ensaios realizados no vale do rio Galvão, cujo diagrama de carga/assentamento se apresenta na Figura 3.

6 6 0 Forças (kn) Assentamentos (mm) Figura 3: Curva carga/assentamento A Figura 4 apresenta o diagrama de fluência de todos os patamares de carga. Com base nestes dados pode determinar-se a carga de fluência da estaca, construindo um diagrama dos declives médios da evolução dos deslocamentos (m) em função das cargas. Trata-se de uma carga experimental crítica, acima da qual a taxa de assentamento da estaca sob carga constante ocorre a incrementos crescentes. A carga de fluência relaciona-se com a carga nominal, que é normalmente encarada como a carga máxima tolerada em serviço (num estado limite de utilização). Figura 4: Determinação da carga de fluência A Figura 5 mostra a sondagem a que corresponde o ensaio, indicando-se a localização dos extensómetros. A distribuição das extensões em profundidade permite calcular a força instalada em cada secção instrumentada. Com base na distribuição em profundidade das forças e das extensões, determina-se o diagrama de tensões/deslocamentos em cada troço em que a estaca está dividida (Figura 6a). Os patamares de tensão finais, ou os valores próximos, representam as resistências específicas médias do estrato a que cada curva corresponde.

7 7 Figura 5: Determinação da distribuição das forças em profundidade Para a ponta da estaca procede-se de modo semelhante. No caso da estaca em análise não foi alcançada a tensão máxima (Figura 6b), à semelhança do que aconteceu com o outro ensaio onde foi possível medir a resistência de ponta. No terceiro ensaio tal não foi possível por avaria dos extensómetros inferiores. Este facto não permitiu medir experimentalmente a resistência de ponta no Pliocénico. Figura 6: Tensões mobilizadas (a) no fuste da estaca e (b) na ponta da estaca Resultados dos ensaios Os resultados dos ensaios foram integrados num todo, isto é, procedeu-se a uma análise conjunta dos resultados dos 3 ensaios. A globalidade dos ensaios permite

8 8 obter os valores característicos das resistências específicas de cada formação ensaiada. Esta operação foi executada de acordo com as cláusulas pertinentes do Eurocódigo Comparação com os valores admitidos no projecto base A Tabela 5 compara os valores característicos admitidos no projecto base com os valores obtidos experimentalmente. Conclui-se que a abordagem pela via dos ensaios de caracterização mecânica é conservativa, embora os valores estejam próximos dos obtidos experimentalmente. Tabela 5 Comparação entre os valores característicos Resistência Formação Ensaios de carga Ensaios in situ Fuste Aluvião arenoso 47 kpa 39 kpa Aluvião argiloso 15 kpa Pliocénico arenoso 33 kpa 29 kpa Pliocénico argiloso 24 kpa 23 kpa Jurássico (N<60) 51 kpa 35 kpa Jurássico (N>60) 107 kpa 35 kpa Ponta Pliocénico arenoso 8,7 MPa Jurássico >> 4 MPa 11 MPa 5.3. Ensaios de carga horizontal Aspectos principais da execução dos ensaios Para caracterizar os coeficientes de reacção do solo, bem como as curvas de transferência de carga, foram executados 2 ensaios de carga prévios, 1 no vale do rio Galvão e 1 no vale do rio Real. Os 2 alinhamentos onde foram instaladas as estacas de ensaio foram escolhidos de forma a ter-se um perfil onde os solos superficiais fossem mais rígidos e outro perfil onde fossem menos rígidos. Esta escolha deveu-se à verificação, feita a partir dos resultados dos ensaios de caracterização na fase de prospecção, que ao longo do traçado de cada viaduto a estratigrafia apresentava perfis com contrastes de deformabilidades entre os solos desses perfis. Convinha, pois, obter informação necessária para avaliar o comportamento dos viadutos, tendo em conta os contrastes de comportamento na fundação mais rígidos nuns locais e menos rígidos noutros. Os ensaios foram realizados na modalidade de divergência, carregando uma estaca contra a outra. As estacas ensaiadas tinham um diâmetro de 0,8 m e um comprimento de 20 m (25 diâmetros). A percentagem de armadura das estacas de ensaio era equivalente à prevista para as estacas da obra.

9 9 A carga foi aplicada por um macaco hidráulico, tendo a reacção entre as 2 estacas sido mobilizada à custa de um dispositivo vigado. As forças aplicadas foram medidas por meio de uma célula electrónica colocada em série com o macaco. A Figura 7 ilustra estes aspectos. Figura 7: Ensaio de carga horizontal A carga máxima foi atingida em 8 patamares iguais. No ensaio realizado no vale do rio Real, em cujo perfil de ensaio afloram formações aluvionares, foi atingida uma carga máxima de 100 kn (este perfil corresponde ao perfil menos rígido, e pretendeu representar as situações onde aflorassem as formações aluvionares). No ensaio realizado no vale do rio Galvão, em cujo perfil de ensaio aflora o Pliocénico, foi atingida uma carga máxima de 160 kn (este perfil corresponde ao perfil mais rígido, e pretendeu representar as situações onde aflorasse o Pliocénico ou o Jurássico). Note-se que aquelas cargas foram deliberadamente pequenas para que as estacas se mantivessem em regime elástico, de acordo com a exigência da norma francesa AFNOR (NF P94-151), que se adoptou neste estudo. Após este ciclo elástico carregaram-se então as estacas até uma carga de 400 kn. Em cada patamar de carga foram medidos os deslocamentos transversais e as rotações das cabeças. Os deslocamentos foram medidos por meio de deflectómetros instalados na superfície posterior das estacas. As rotações da cabeça foram medidas por meio de clinómetros electrónicos, ou à custa de deflectómetros convenientemente instalados na cabeça das estacas. As extensões ao longo das estacas foram medidas por meio de extensómetros eléctricos instalados segundo duas prumadas diametralmente opostas e contidas no plano vertical de aplicação das cargas. As profundidades a que ficaram instalados os extensómetros obedeceram ao padrão conhecido da distribuição em profundidade dos momentos flectores em condições de carregamento semelhantes Metodologia de interpretação dos ensaios A ilustração da metodologia de interpretação dos ensaios será feita apresentando a interpretação do ensaio realizado no vale do rio Real.

10 10 Em primeiro lugar estabelecem-se as relações entre os deslocamentos e as rotações na cabeça da estaca com as cargas aplicadas. A partir das extensões medidas ao longo do fuste, determinam-se as curvaturas, e com base nestas, os momentos flectores. Em seguida, por meio de um algoritmo de aproximação, estabeleceram-se funções da distribuição em profundidade das curvaturas e dos momentos [3]. A Figura 8 apresenta um exemplo, onde se representam os valores experimentais e as funções aproximadoras. Finalmente, por dupla integração da função das curvaturas, tendo em conta os valores das rotações e dos deslocamentos na cabeça, determina-se a distribuição dos deslocamentos em profundidade; por dupla derivação da função dos momentos determina-se a distribuição das reacções em profundidade [3]. Figura 8: Curvaturas e momentos experimentais e aproximados A distribuição dos deslocamentos e das reacções em profundidade permite determinar o coeficiente de reacção e permite também construir curvas p-y, pelo menos para a parte superficial. Os momentos e as curvaturas indiciam que os movimentos da cabeça da estaca não estavam totalmente impedidos. Esta situação obstou a que tivessem ocorrido maiores deslocamentos e rotações superficiais, limitando a imposição de deformações ao solo. Esta limitação teve como consequência a dificuldade em alcançar o patamar plástico do solo, facto que é evidente observando as curvas p-y obtidas para profundidades modestas (Figura 9). Para estas profundidades, a plastificação do solo

11 11 é normalmente atingida, desde que as deformações impostas, mesmo com a estaca a trabalhar em regime elástico, sejam suficientemente elevadas. No ensaio no vale do rio Galvão este efeito foi também visível. Este impedimento de movimento foi atribuído a um constrangimento imposto pela estrutura de reacção que se apoiava na cabeça das estacas. Conclui-se assim que deve ser proibida a utilização de estruturas de reacção entre estacas que se apoiem directamente nelas e não no solo. Figura 9: Curvas p-y superficiais Da curva p-y à profundidade de 1,2 m obteve-se um coeficiente de reacção da estaca de 45 MPa. Considerando que a estaca tinha 0,8 m de diâmetro, o valor do coeficiente de reacção k h do solo é de 56 MN/m 3. Este valor é extremamente elevado para uma formação argilosa, a menos que se trate de uma formação sobreconsolidada e as deformações sejam muito pequenas. Note-se que as formações argilosas à superfície exibiram invariavelmente sobreconsolidação. No caso particular deste local, atendendo a que o valor de q c valia cerca de 18 MPa a 1,2 m de profundidade, a rigidez do solo é muito elevada. Uma outra forma de interpretação do ensaio é utilizar exclusivamente as medições superficiais. O processo inicia-se tomando valores para os coeficientes de reacção em profundidade (e para os patamares plásticos), por exemplo, os admitidos para o dimensionamento antes da execução dos ensaios, e ir ajustando os valores até que se obtenham os deslocamentos e as rotações medidas. No caso desta obra, essa via foi também seguida, mas a convergência não foi muito razoável. Este facto foi atribuído ao desconhecimento do exacto grau de impedimento ao movimento que as cabeças das estacas tinham, condição que é obrigatória introduzir nos programas de cálculo (condições de fronteira das estacas). 6. AVALIAÇÃO DOS MÓDULOS DINÂMICOS DO TERRENO Os módulos dinâmicos dos solos foram avaliados com base nos resultados dos ensaios de cross-hole. A partir das velocidades das ondas p e s determinaram-se os

12 12 coeficientes de Poisson dinâmicos, e a partir das velocidades das ondas s os módulos de distorção dinâmicos, cujas relações derivam da teoria da elasticidade. Estes módulos de distorção podem ser considerados os módulos de distorção máximos, e são função de distorções da ordem dos Sucede que as distorções impostas aos solos pelas acções sísmicas estão em regra compreendidas no intervalo de 10-4 a Assim, foram avaliados os módulos de distorção correspondentes com base nas relações propostas em [4] e [5]. Conhecidos os módulos de distorção máximos e mínimos para a acção sísmica, determinam-se em seguida os módulos de deformabilidade correspondentes, E s. Ainda dentro da teoria da elasticidade, pode demonstrar-se que E s toma valores próximos de k h B, onde B é o diâmetro da estaca. Para as argilas aluvionares obtiveram-se para E s os valores de 105 e de 63 MPa. Considerando uma estaca com 0,8 m de diâmetro, têm-se os valores de k h de 130 e de 78 MN/m 3. Estes valores são maiores do que os obtidos pelo ensaio estático no nível superior da argila. 7. CONSIDERAÇÕES ACERCA DOS VALORES DOS COEFICIENTES DE REACÇÃO A avaliação do coeficiente de reacção dos solos é das matérias mais controversas da Mecânica dos Solos. É hoje geralmente aceite que esta grandeza não é um parâmetro intrínseco do solo, antes dependendo de múltiplos factores e da própria obra em questão. Assim, não é de estranhar que por vezes se obtenham valores que se afastam, para mais ou para menos, daqueles que são geralmente aceites. Faz-se notar que não existe nenhuma forma exacta de determinar esse coeficiente por via analítica, sendo consensual que a via experimental é a desejável. Acresce que mesmo na literatura da especialidade se encontram muitos métodos para resolver pelo método dos coeficientes de reacção o problema da estaca carregada lateralmente, mas uma muito diminuta informação acerca dos valores a adoptar para tais coeficientes [3]. Em face da discussão anterior, é bastante claro que a assunção de valores para k h deve passar por uma cuidadosa reflexão sobre toda a informação geotécnica disponível. Neste caso, é ainda possível estimar esse coeficiente por uma outra via, a dos ensaios de MPM. Considerando E M =5,1 MPa (valor médio das argilas aluvionares), e uma estaca com 0,8 m de diâmetro, obtém-se k h =25 MN/m 3 para acções rápidas, e k h =12 MN/m 3 para acções lentas. No caso da presente obra, para as acções dinâmicas, os valores assumidos foram os que resultaram dos ensaios de cross-hole. Para as acções estáticas, e no que respeita às argilas aluvionares, tomou-se para os 2 metros superiores o valor do ensaio de carga; e para as restantes profundidades da formação, os valores resultantes dos ensaios MPM.

13 13 8. INTERACÇÃO CINEMÁTICA DAS ESTACAS COM O SOLO Para avaliar os esforços das estacas resultantes dos movimentos dos solos em caso de sismo, recorreu-se a um processo simplificado. Assim, utilizando o programa EERA, e tendo em conta os várias modelos estratigráficos adoptados ao longo do traçado das obras, e as propriedades dinâmicas dos solos interessados, avaliaram-se os deslocamentos da massa de solo em campo livre. Verificou-se que os deslocamentos não excediam os 4 cm no topo das camadas. Tendo em conta que as estacas teriam 1,5 m de diâmetro, considerou-se desnecessário passar à fase seguinte, que consistia em impor a deformada do perfil à estaca e verificar os esforços induzidos. 9. CONCLUSÕES A campanha de prospecção complementar planeada permitiu definir as propriedades mecânicas principais dos solos interessados. Verificou-se que o modelo adoptado para a verificação dos ELU das estacas em relação a forças verticais de compressão, em conjunto com os resultados da campanha de prospecção, permitiu avaliar com grande aproximação as resistências específicas dos solos ao longo dos fustes. Determinaram-se também os parâmetros dinâmicos dos solos, o que permitiu modelar o comportamento dinâmico das fundações para avaliar a resposta dos viadutos às acções sísmicas. Os ensaios de carga prévios em estacas permitiram aferir o comportamento esperado das fundações. Estes ensaios devem ser sempre realizados, desde que, como era o caso, a dimensão da obra o justifique. Devem ainda ser retidas as lições do insucesso parcial dos ensaios de carga horizontal. 10. REFERÊNCIAS [1] Bustamante, M.; Gianeselli, L. "Prévision capacité portante des pieux isolés sous charge verticale. Règles pressiométriques et pénétrométriques". Bull. Liasion des LPC, nº113, Mai-Juin, Paris, 1981 [2] Ministère de l'equipement du Logement et des Transports. "Règles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de génie civil". CGTG, Fascicule No. 62 Titre V, Paris, 1993 [3] Sousa Coutinho, A. G: F. Comportamento de estacas carregadas lateralmente à superfície do terreno. Dissertação de doutoramento, IST, Lisboa, 1995 [4] Seed, H. B. et al. Moduli and damping factors for dynamic analyses of cohesionless soils. Report UCB/EERC-84/14, 1984 [5] Sun, J. et al. Dynamic moduli and damping ratios for cohesive soils. Report UCB/EERC-88/15, 1988