PAULO CÉSAR DE FREITAS
ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO GRAMPEADO
Monografia apresentada
junto
à Universidade
São
Francisco – USF como parte dos requisitos para a
aprovação na disciplina Trabalho de Conclusão de
Curso.
Área de concentração: Geotecnia
Orientador: Prof. Ribamar de Jesus Gomes
Itatiba SP, Brasil
Dezembro de 2004
“Comece fazendo o que é necessário,
depois o que é possível, e de repente
você estará fazendo o impossível”.
(São Francisco de Assis)
ii
Este trabalho é dedicado às pessoas que
contribuíram e que fizeram deste momento
ser possível e muito especial em minha vida,
estas que nos momentos mais difíceis foram
meu apoio e a inspiração para superá-los e
que
nas
dificuldades
não
mensuraram
esforços para eu vencê-los.
Estas pessoas que moram eternamente em
meu coração se resumem em meus pais,
que sem eles eu nada seria, Vicente e Nadir,
e a minha namorada Pricila, que divide
comigo os melhores momentos de minha
vida, sempre sendo minha companheira e o
amor da minha vida.
iii
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, por me proporcionar o dom da vida e tudo o
que conquistei, a todos que de alguma forma ajudaram em minha formação tanto
pessoal, quanto profissional.
Aos amigos da Engenharia Civil 2000, em especial ao Victor, Rafael Marson,
Rafael Augusti, Ângelo, Rômulo, Felipe, Jackson e a Thaís, que além de amigos
nesses 5 anos, nos tornamos uma família e em meu coração cada um deles ficarão
guardados, cada um com seu jeito, mas que me orgulho de tê-los como irmãos.
Agradeço também, aos amigos da Pastoral da Juventude, em especial ao
Luciano, Fábio, Mateus e João Paulo, que desde o início desta batalha estiveram
comigo e sempre me incentivaram.
Ao engenheiro Otair Rosa, que me mostrou a ética de um profissional e por
ter me dado a primeira oportunidade para desempenhar meu trabalho.
Aos professores que passaram em minha vida, e especialmente meu
orientador Ribamar de Jesus Gomes, que tive o orgulho, não apenas de ser seu
orientando, como também ser o aluno da sua primeira turma de aula na USF.
Ao meu tio Antonio de Moraes, por tudo que deixou, e representa em minha
vida (em memória).
Aos meus familiares, em especial aos meus pais, que sempre se
preocuparam em me dar o melhor e ser testemunho de uma pessoa digna,
responsável e capaz de enfrentar os maiores obstáculos.
E, finalmente, a minha namorada, por tudo que representa em minha vida, por
sua dedicação e apoio durante a conclusão deste trabalho.
iv
Sumário
Lista de Figuras..........................................................................................................vi
Lista de Tabelas.........................................................................................................vii
Resumo......................................................................................................................viii
1. Introdução...............................................................................................................01
2. Definição.................................................................................................................02
3. Histórico..................................................................................................................03
4. Campos de Aplicação.............................................................................................04
5. Funcionamento.......................................................................................................05
6. Método Construtivo................................................................................................08
6.1 - Chumbador........................................................................................................09
6.2 - Concreto Projetado............................................................................................11
6.3 - Armação do Concreto........................................................................................13
6.4 - Drenagem..........................................................................................................14
7. Critérios de Dimensionamento...............................................................................15
7.1 - Método apresentado por Falconi & Alonso........................................................16
7.2 - Comparação de Processos de Dimensionamento.............................................18
7.2.1 - Comparação das Trações...............................................................................19
7.2.2 - Comparação dos Comprimentos dos Grampos..............................................21
8. Projeto e Especificações........................................................................................22
Conclusão...................................................................................................................27
Referências Bibliográficas..........................................................................................28
v
Lista de Figuras
5.1 - Influência da rigidez do grampo nas tensões e deformações mobilizadas........07
5.2 - Contenção de talude em filito sob a fundação de viaduto ferroviário.................08
6.1 - Fases construtivas.............................................................................................08
6.2 - Detalhe dos grampos.........................................................................................10
6.3 - Barra de aço com diâmetro igual ou maior que 20 mm; (B) barra de aço com
diâmetro inferior a 20 mm...........................................................................................11
6.4 - Execução do concreto projetado........................................................................13
6.5 - Detalhe do dreno profundo.................................................................................14
6.6 - Detalhe do barbacã. ..........................................................................................15
7.1 - Perfil geotécnico perpendicular ao talude logo após a ruptura de 1995............16
7.2 - Método de cálculo..............................................................................................18
7.3 - Exemplo hipotético - Trações resultantes segundo os diferentes processos de
cálculo........................................................................................................................20
7.4 - Exemplo hipotético - Superfícies críticas de cada processo e superfície
crítica..........................................................................................................................21
7.5 - Exemplo hipotético - Comprimentos totais de grampos por metro longitudinal de
obra............................................................................................................................22
8.1 - Vista frontal típica...............................................................................................23
8.2 - Seção típica........................................................................................................24
8.3 - Detalhe da barra.................................................................................................25
8.4 - Vista frontal típica...............................................................................................25
8.5 - Vista frontal - junta de dilatação.........................................................................26
vi
Lista de Tabelas
7.1 - Trações resultantes segundo cada processo.....................................................19
vii
Resumo
Este trabalho traz um apanhado de informações sobre uma técnica de contenção denominada
“Solo Grampeado”, abordando a teoria desta técnica, seus métodos de dimensionamento,
detalhes construtivos e materiais empregados na execução de uma obra.E tem como objetivo
apresentar a técnica de contenção em solo grampeado.Como averiguado que há pouco
material sobre o assunto, vem neste enfocar as informações mais consolidadas sobre esta
técnica, visando acrescentar dados técnicos dispersos em um único material contribuindo com
a divulgação de uma técnica que traz ótimos resultados para contenções de encostas.
1
1 Introdução
Através deste trabalho pretende-se apresentar uma das técnicas de reforço de solos
semi-rígidas denominadas grampos, daí então a expressão “Solo Grampeado”. A
técnica consiste na inclusão de elementos resistentes à flexão composta, instalados
sub-horizontalmente no solo.
Esta técnica apesar de ser considerada nova vem sendo muito utilizada no Brasil
desde 1970, onde me atentou a execução desta técnica em grandes contenções,
principalmente nos taludes de grandes estradas rodoviárias, apreciando sua eficácia
e grande agilidade de execução, que foram fatos marcantes para que despertasse
meu interesse em desenvolver um trabalho enfatizando esta técnica de contenção.
O solo grampeado é uma técnica bastante prática e comprovadamente
eficiente para a estabilização de taludes de escavações através de reforço do solo
“in situ”.
2
2 - Definição
Solo grampeado é um sistema de contenção aplicado a cortes, que emprega
chumbadores, concreto projetado e drenagem seja ela, superficial ou profunda. Para
sua devida aplicação é importante que o solo a ser contido apresente coesão
permanente não desprezível.
Como a técnica consiste na inclusão de elementos resistentes à flexão
composta, instalados sub-horizontalmente no solo, talvez a terminologia mais bem
empregada fosse o termo agulhamento. Pois, pode-se associar os elementos
aplicados ao solo a agulhas, o que leva a pensar que são elementos enfiados no
solo e não cravados dinamicamente como se pode pensar, no caso, da terminologia
solo pregado. Desta forma, alguns autores preferem a utilização do termo
agulhamento. No entanto, neste trabalho refere-se a técnica como solo grampeado,
nome encontrado na literatura mais freqüentemente.
Na literatura internacional pode-se encontrar ainda a utilização da tradução
em inglês, soil nailing.
A utilização da terminologia “sol cloué”, que significa solo pregado, foi
empregada pela sua primeira vez na França. Este nome talvez tenha sido adotado
para associar a marca comercial “Terre Armée” (terra armada).1
A técnica terra armada foi desenvolvida pelos franceses. Ela consiste na
utilização de tiras metálicas e paramento de placas de concreto pré-moldado, para a
execução de muros reforçados em aterros.2
A discussão sobre a terminologia da técnica de solo grampeado é extensa.
Após a denominação pioneira de solo enraizado (Utilizada na construção de túnel,
em São Paulo, em 1970), já foi chamada de agulhamento, solo pregado e solo
grampeado.
1
Toudic, apud Maurício Abramento, Akira Koshima e Alberto Casati Zirlis, Fundações: Teoria e Prática, 2ª
edição, São Paulo, Pini, 1998.
2
Clouterre, apud Maurício Abramento, et al, idem, ibidem.
3
3 - Histórico
A necessidade de estabilização rápida de escavações teve sua origem nas
minas de exploração de minérios, sendo, portanto um problema antigo e
basicamente restrito à Engenharia de Minas. A partir da década de 50, houve um
crescimento muito grande da aplicação de ancoragens curtas, tipo Perfo, SN Anker,
Berg-Jet, para utilização de emboques de túneis, na França, Alemanha e Itália.
O professor Landislau Von Rabcewicz,3 desenvolveu a partir de 1945, o
NATM (“New Austrian Tunneling Method”), para avanço de escavações em túneis
rochosos, cuja patente foi depositada em 1948. Sob efeito do peso de terras e
tensões confinantes, uma cavidade tende a se deformar, reduzindo seu diâmetro. Na
circunvizinhança da cavidade se forma a zona plástica, com tensões radiais
decrescentes. Obtém-se a estabilização dos mesmos a aplicação logo após da
escavação, de um revestimento flexível de concreto projetado metálica e
chumbadores curtos radiais na zona plástica, com controle de deformações da
cavidade. Este revestimento estará, portanto sujeito a uma carga reduzida, face às
deformações já havidas. O método evoluiu, para a aplicação num túnel em xisto
grafítico argiloso, o Túnel Massemberg em 1964. Seguiu-se com aplicações em
solos pouco competentes, como aqueles encontrados nas minas austríacas,
substituindo pesados escoramentos de madeira por finas camadas de concreto
projetado.
A técnica de reforço de taludes em cortes utilizando-se de inclusões
horizontais vem sendo utilizada no mundo deste 1970. A primeira obra no Brasil a
utilizar-se desta técnica, que se tem notícia, é a obra do túnel de adução do Sistema
Cantareira, em São Paulo em 1970.4
Nesta época, a solução de reforçar taludes empregando-se inclusões semirígidas denominadas grampos, era realizada de forma intuitiva. Atualmente a
simulação do efeito de reforço através de análises de estabilidade, tem levado a
soluções mais realistas e, portanto mais viáveis economicamente.
3
4
Apud Maurício Abramento, et al, idem, ibidem.
Apud Maurício Abramento, et al, idem, ibidem.
4
4 - Campos de Aplicação
A técnica de solo grampeado pode ser empregada tanto em taludes que ao
serem escavados não adquirirão uma geometria estável, como em taludes naturais
instáveis, em maciços rompidos e ainda para o emprego de escoramento de
escavações.
Entre as técnicas de reforço para estabilização de taludes e escavações “in
situ”, temos a aplicação de Solo Grampeado, a execução de Reticulado de Estacas
Raiz, as Estacas de Grande Diâmetro e as Cortinas Atirantadas.
Os dois primeiros sistemas são aplicáveis a taludes ou escavações muito
íngremes, até verticais, formando um maciço estável de contenção. No caso do
“Solo Grampeado” as nervuras são executadas horizontais e sub-horizontais
aumentando a resistência ao cisalhamento do solo principalmente por meio de seu
trabalho a tração. As estacas raiz são executadas paralelamente a face do talude e
com pequenas inclinações com a vertical, em que cada elemento é solicitado à
tração ou compressão, flexão e cisalhamento. As estacas de grande diâmetro são
aplicadas a taludes mais abatidos, objetivando reduzir ou estabilizar os movimentos
de um plano de escorregamento bem definido, necessitando, portanto ter grande
inércia à flexão, motivo pelo qual suas dimensões são muito superiores aos
chumbadores e estacas raiz.
Embora haja diferenças básicas na forma de trabalho dos três tipos de
reforço, ocorrerão situações em que mais de um sistema poderá ser aplicado. Devese objetivar que os elementos executados no maciço possam trabalhar aumentando
a resistência ao cisalhamento da área tratada. Decorre então que seu desempenho
será melhor, sempre que for possível atravessar o plano de escorregamento,
trabalhando cada nervura à tração.
Desta forma para taludes ou escavações íngremes em solos, a aplicação de
“Solo Grampeado” será muito provavelmente mais econômico que a estaca raiz,
considerando-se a necessidade de um número elevado destes últimos em relação
aos chumbadores.
5
5 - Funcionamento
Os solos em geral, desde que adequadamente compactados, apresentam
uma boa resistência à compressão e ao cisalhamento. No entanto, a resistência à
tração é baixa.
A introdução de reforços traz ao material composto comportamento
mecanicamente mais favorável. O grampeamento possibilita que cortes sejam
implantados em grandes desníveis e inclinações em locais que de outra forma
seriam instáveis, por exemplo, cortes verticais em solos arenosos.
O trecho reforçado pode ser entendido como um muro de gravidade,
garantindo a estabilidade da zona não reforçada. Concreto projetado comumente
compõe a face. O faceamento não tem função principal na estabilização. No solo
grampeado a face tem por objetivo garantir a estabilidade local e evitar o
desenvolvimento de processos erosivos, ao contrário do que se verifica nas cortinas
ancoradas, nas quais a face é o promotor direto da estabilidade da zona
potencialmente instável (zona ativa).
No solo grampeado a estabilidade é garantida pelas forças de atrito
desenvolvidas no contato solo grampo. Através dos grampos promove-se a “costura”
da zona potencialmente instável e da zona resistente do conjunto.
No caso de reforços flexíveis, somente a resistência à tração responde pela
estabilização. Em geral um grampo por sua rigidez pode ser solicitado à tração, à
flexão e ao cisalhamento. A eficiência máxima dos grampos dá-se quando sua
inclinação coincide com a direção principal maior de deformação da massa
reforçada. Nesta condição os grampos unicamente são submetidos à tração
independentemente da rigidez à flexão desses elementos.
Tipicamente implantam-se grampos com uma inclinação de 15% com a
horizontal. Sob a condição de fundo estável a tendência de movimentação de uma
escavação é preponderadamente horizontal e não difere, portanto, significativamente
da inclinação do grampo. Nestas condições a tração mobilizada nos grampos
preponderam como mecanismo estabilizador. Nas análises convencionais, as
contribuições da resistência à flexão e ao cisalhamento do grampo comumente são
negligenciadas.
6
O atrito mobilizado ao longo do grampo tem direções opostas nas zonas
ativas e resistentes, seguindo a tendência de movimento relativo da interface. A
forma máxima mobilizada ao longo do grampo ocorre na intercessão do grampo com
a superfície potencial de rotura. Superfície potencial de rotura separa destas duas
zonas, local no qual tem-se nula as tensões cisalhantes na interface solo-grampo.
No projeto, com base no valor dessa força máxima mobilizada deve-se definir
uma quantidade suficiente de reforços para se evitar a rotura e um comprimento de
transferência suficiente de forma a garantir que não haja arrancamento dos grampos
da zona resistente.
Sob condições de trabalho, pode-se considerar nulas as movimentações
relativas solo-reforço (Dyer & Milligan, 1984, Jewell, 1988).5 Isso significa que não
ocorre deslizamento no contato e que são as mesmas deformações no solo e no
reforço nessa interface. Assim, as deformações que ocorrem no solo são
controladas pela deformabilidade do grampo, nessas condições.
Si é o índice de rigidez relativa solo-grampo, conforme descrito por Ehrlich &
Mitchell (1994).6
Si = ArEr/KPaSvSh
Onde: Ar e Er são a área e módulo de deformabilidade dos grampos,
respectivamente;
K é o módulo tangente inicial no modelo hiperbólico de Duncan et al. (1980);7
Pa é a pressão atmosférica (constante unitária);
Sv e Sh são os espaçamentos vertical e horizontal do grampo (definam a área
de influência).
Sob deformação lateral, ε, nula tem se o solo na condição de repouso (σs = σz
Ko). À medida que as deformações ocorrem às tensões no solo diminuem tendendo
ao estado ativo. Já as tensões nos reforços crescem com as deformações, ε. As
deformações cessam quando o equilíbrio é satisfeito. Dessa forma, tem se que
grampos mais rígidos (Si)2 , (valor demonstrado na Figura 5.1)levam a menores
5
Apud Maurício Ehrlich, Solo Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e Comportamento, Sinduscon e
ABMS, São Paulo, 2003, p128.
6
Apud Maurício Ehrlich, idem, ibidem.
7
movimentações e as tensões no solo e nos reforços são mais próximas as
correspondentes ao repouso. Grampos mais deformáveis (Si)1 permitem ao conjunto
deformações suficientes para a plastificação da zona potencial instável e tem-se o
solo nesta zona num estado de tensões mais próximo ao ativo. Nestas condições as
tensões no grampo se apresentam mais baixas.
Figura 5.1 – Influência da rigidez do grampo nas tensões e deformações mobilizadas. Fonte: Solo
Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e Comportamento, Sinduscon e ABMS, São Paulo,
2003, p129.
O faceamento tem função secundária na estabilização, compreendendo
basicamente em evitar roturas localizadas. Em taludes mais verticalizados, próximo
ao pé da escavação, o comprimento de transferência ao longo da interface solo
grampo na cunha ativa é pequeno e as tensões junto à face pode-se apresentar
mais elevadas. Faces estruturalmente resistentes podem-se tornar necessárias
nestas condições. Usualmente adota-se concreto projetado de 7 a 10 cm de
espessura e malha metálica simples solidarizada aos grampos.
Com a diminuição da inclinação tem-se aumento do comprimento de
transferência na cunha ativa e diminuição das tensões atuantes junto à face. Dessa
forma a estabilidade próxima à face aumenta significamente e o revestimento da
face pode se tornar desnecessária quanto ao aspecto estrutural. Cobertura vegetal
pode ser adotada sem prejuízos à estabilidade neste caso e sua função objetiva
principalmente garantir o controle dos processos erosivos.
7
Apud Maurício Ehrlich, idem, ibidem.
8
Fig. 5.2 - Contenção de talude em filito sob a fundação de viaduto ferroviário. Fonte: Fundações:
Teoria e Prática, 2ª edição, São Paulo, Pini, 1998, p.668.
6 - Método Construtivo
Primeiramente inicia-se o corte do solo na geometria de projeto, ou não se o
caso for reforçar taludes. Segue-se com a execução da primeira linha de
chumbadores e aplicação do revestimento de concreto projetado. Caso o talude já
se encontre cortado pode-se trabalhar de forma descendente ou ascendente,
conforme a conveniência. Simultaneamente aos trabalhos executam-se os drenos
profundos, de paramento e as canaletas ou descidas d’água, conforme projeto.
Fig. 6.1 - Fases construtivas. Fonte: Fundações: Teoria e Prática, 2ª edição, São Paulo, Pini, 1998, p.
O método construtivo deste tipo de estrutura consiste na execução de
chumbadores (grampos), concreto projetado e drenagem visando estabilizar o
talude.
9
6.1 - Chumbador
Os chumbadores, na grande maioria dos casos, são moldados “in loco”, por
meio das operações de perfuração e fixação de armação com injeção de calda de
cimento. As perfurações são normalmente executadas por equipamentos, pesando
entre 5 e 1000 kgf, portanto leves, de fácil manuseio, instalação e trabalho sobre
qualquer talude. Como fluido de perfuração e limpeza do furo, poderá ser utilizada
água, ar, lama, ou nenhum deles e optando por trados helicoidais contínuos. O
sistema mais comum é aquele por lavagem com água. A depender da profundidade
do furo, diâmetro, área de trabalho, pode-se optar por perfuratrizes tipo sonda,
“crawlair”, “wagon drill”, ou até perfuratrizes manuais. Quando a condição de
trabalho permite alta produtividade, são utilizadas esteiras de perfuração, tipo
crawlair, cujo peso varia entre 2000 e 4000 kgf. Os chumbadores têm usualmente
inclinação abaixo da horizontal variando de 5º a 30º.
A escolha do método de perfuração deve ser tal que a cavidade perfurada
permaneça estável até que a injeção seja concluída. Caso seja utilizada lama
bentonítica, deverá ser assegurado o não prejuízo do atrito lateral, por uma lavagem
eficiente da lama com calda de cimento. Recomenda-se para estes casos uma maior
freqüência nos ensaios de arrancamento.
Concluída a perfuração, segue-se à instalação e fixação de nervuras. Estas
podem ser metálicas, de fibras de vidro resinadas, ou similares. O elemento fixado
no furo não deverá perder suas características de resistência ao longo do tempo. No
caso de peças metálicas, elas deverão receber tratamento anticorrosivo adequado,
usualmente resinas epóxicas, ou proteção eletrolítica e a calda de cimento. Ao longo
destes elementos deverão ser instalados dispositivos centralizadores, que garantam
seu contínuo e constante recobrimento com a calda de cimento. Usualmente são
utilizadas barras de aço de construção civil. A injeção poderá ser efetivada por fluido
cimentante qualquer, usualmente calda de cimento ou resinas. Normalmente se
utiliza uma calda com elevado teor de cimento para solos, reservando as resinas
para materiais rochosos. Para instalação preenche-se o furo com o material e
introduz-se a barra ou barras.
Alternativamente pode-se realizar a injeção de calda de cimento após a
instalação da barra de ferro. Por meio da tubulação acessória cuja extremidade é
posicionada na parte inferior da perfuração é injetada a calda de cimento de baixo
10
para cima preenchendo totalmente a cavidade. No caso em que se deseja uma
melhoria maior ainda da aderência lateral, após a instalação da calda de cimento é
realizada uma fase única de injeção. Por meio de tubo de injeção perdido que foi
instalado juntamente com a barra de aço, injeta-se da extremidade superior
medindo-se a pressão de injeção, o volume injetado, sem poder obviamente localizar
o ponto de injeção no solo.
Fig. 6.2 - Detalhe dos grampos. Fonte: Fundações: Teoria e Prática, 2ª edição, São Paulo, Pini, 1998,
p.658.
Esta técnica é a mais usada, pois minimiza erros operacionais, além de
promover um melhor adensamento e, portanto melhor fixação da barra ao solo.
Trata-se de um tubo de polietileno de 8 a 10 mm de diâmetro com válvulas de
injeção instaladas entre 30 e 50 cm, até 1,5 m da boca do furo. A injeção além de
promover a melhor ancoragem do chumbador, trata o maciço, adensando-o e
preenchendo fissuras. Esta técnica deve ser a escolhida para a melhor eficiência do
chumbador.
As armações normalmente têm sua extremidade superior acabada por meio
de uma dobra a 90 graus, podendo também receber placa metálica, rosca e porca,
no caso de se desejar aplicar uma carga inicial. Neste caso deve-se prever um
trecho não aderido ao solo, ou trecho livre.
Os chumbadores poderão também resultar da cravação de barras,
cantoneiras ou tubo de aço utilizando-se martelos pneumáticos ou manualmente.
Não é, entretanto a prática brasileira.
11
Para a condição onde se cravaram elementos de aço, considera-se
desnecessária a aplicação de proteção contra corrosão, devendo neste caso adotar
uma espessura de aço adicional. Se o elemento cravado for tubular, é possível a
injeção posterior desde que se crave com ponteiras.
A figura abaixo apresenta detalhes de grampos utilizados no primeiro (Figura
6.3-A), a porca e a placa de apoio permitem a aplicação de uma pequena carga de
incorporação da ordem de 5 kN;. Isto serve para garantir contato solo-concreto
projetado, precaução importante no caso de muros com paramento vertical. O
segundo (Figura 6.3-B), empregado em taludes inclinados, à extremidade do grampo
com diâmetro de 20 mm é dobrada para a fixação ao revestimento.
(A)
(B)
Fig. 6.3 - (A) barra de aço com diâmetro igual ou maior que 20 mm; (B) barra de aço com diâmetro
inferior a 20 mm. Fonte: Ancoragens e Grampos/Coleção Manual Técnico de Encostas – Fundação
Instituto de Geotécnica do município do Rio de Janeiro – GeoRio, Rio de Janeiro (2000), 2ª Edição.
6.2 - Concreto Projetado
O concreto projetado é o resultado da aplicação de camada de concreto
armado em todo o talude. Este concreto, que em sua composição contém areia
média, pedrisco e cimento, sem adição de água, é pressurizado em equipamento
especial. Desta forma, é conduzido por mangotes até o bico de projeção, quando
então a água é adicionada à cerca de 1 m do paramento. Sua aplicação depende do
correto dimensionamento das redes de condução de ar, vazão e pressão do
compressor e principalmente ajuste da bomba de projeção. Pode-se utilizar a
aplicação por via seca ou úmida. O usual é por via seca em face da extrema
praticidade. Ou seja, pode ser interrompido e reiniciado o trabalho sem perda de
12
material e tempo para limpeza do equipamento. A elevada energia de projeção
produz uma ótima compactação do concreto que colabora sobremaneira com sua
alta resistência, bem como o adensamento da capa superficial do solo com uma
eficiente colagem.
No início de sua aplicação no Brasil, no final da década de 60, a umidificação
era feita por um anel d’água posicionado no bico de projeção. O volume de água era
controlado por um registro acionado pelo mangoteiro, cuja pressão necessária
deveria estar entre 4 e 7 kgf/cm². Esta quantidade era determinada empiricamente,
em função da sensibilidade do operador, visando obter a menor reflexão possível.
Tendo em vista a heterogeneidade da mistura obtida, surgiu a idéia, no final da
década de 70, de se instalar mais um anel d’água, distante 3 metros daquele
posicionado no bico.
A dificuldade do mangoteiro em quantificar a dosagem de água nos dois
anéis, praticamente inviabilizou o projeto. Posteriormente, no final da década de 80
surgiu a idéia de se umidificar o concreto antes de chegar ao bico, por meio de
injeção
de
água
com
pressões
elevadas,
também
a
3
m
da
saída.
Complementarmente, mantinha-se o anel d’água regulado pelo mangoteiro junto ao
bico. Conseguiu-se assim uma mistura com menor variação do fator água/cimento.
Os primeiros equipamentos trabalharam com pressões de injeção d’água de
até 60 kgf/cm², com bico de injeção projetando água no formato de um cone,
obliquamente e no sentido do fluxo, distante três metros da ponta de projeção. Este
acessório, “CP-Jet”, necessita da alimentação de água complementar de 20% junto
ao bico. Embora protegido pela patente brasileira de invenção, PI 8905365, foi
colocado em domínio público face à elevada redução da poluição que promove sua
utilização.
No ano de 1994 surgiu comercialmente o pré-umidificador “Booster”, que
projeta uma cortina de água no formato de uma “fatia de queijo”, também a três
metros da ponta de projeção, mas sem a necessidade de complementação de água
junto ao bico.
A determinação da quantidade da água com a utilização deste acessório
deixa de ser escopo do mangoteiro. Em função da vazão de água necessária, para a
produtividade do equipamento requerida, determina-se o tipo de bico a ser aplicado.
Posicionado este bico de forma a manter a “cortina d’água” oblíqua à linha de fluxo
13
do material seco, haverá uma umidificação bem uniforme sem necessidade da
complementação posterior de água, facilitando assim o trabalho do mangoteiro e
melhorando em muito a homogeneidade do concreto. As vantagens do uso do
sistema de pré-umidificação no caso de aplicação do concreto projetado são:
- melhor homogeneidade de concreto
- diminuição da poeira
- menor reflexão
- aumento da resistência
Fig. 6.4 - Execução do concreto projetado. Fonte: Zirilis, A. C., Val, E. C. do, Neme, P. A., Solo
Grampeado. Associação Brasileira de Mecânica dos Solos (ABMS), São Paulo, 1999.
6.3 - Armação do Concreto
O uso de telas eletrossoldadas confere ao concreto projetado uma armação
muito prática e eficiente. Ressalta-se que é necessária a garantia de seu cobrimento
e que cuidados especiais durante a projeção são necessários para garantir a boa
ligação entre ambos. Deve-se objetivar que o concreto receba uma perfeita
compactação, especialmente se a armação já estiver colocada, evitando que ela
funcione como anteparo. É o chamado “efeito sombra” que deixa vazios atrás da
tela.
Uma forma alternativa e mais prática de armação do concreto é sua aplicação
com fibras. Estes elementos, metálicos ou não, são misturados juntamente com o
concreto e simultaneamente aplicados na superfície. Testes recentes realizados, na
14
Barragem CHESF SE/AL, e a Barragem de Miranda CEMIG MG, concluíram que a
aplicação de fibras metálicas é prática, mais econômica que tela, e que as
características do concreto são melhoradas tanto no aspecto de resistência a tração
como de permeabilidade. A substituição de telas por fibras é uma tendência atual,
tendo em vista que projetos de túneis no exterior têm recomendado esta aplicação e
já há casos de obras realizadas no Brasil com sucesso.
6.4 - Drenagem
A prática usual recomendada à execução dos convencionais serviços de
drenagem profunda e de superfície.
Como drenagem profunda há os drenos sub-horizontais profundos, DHP, que
são resultantes da instalação de tubos plásticos drenantes de 1 ½” a 2” em
perfurações no solo de 2 ½ a 4”. São drenos lineares embutidos no maciço, cujos
comprimentos se situam normalmente entre 6 e 18 m.
Fig. 6.5 - Detalhe do dreno profundo. Fonte: Fundações: Teoria e Prática, 2ª edição, São Paulo, Pini,
1998, p660.
Para os drenos de subsuperfície, ou aqueles atrás e adjacentes ao
revestimento de concreto há barbacãs e o dreno de paramento. O dreno tipo
barbacã é o resultado da escavação de uma cavidade com cerca de 40 x 40 x 40 cm
preenchida com material arenoso e tendo como saída tubo de PVC drenante,
15
partindo de seu interior para fora do revestimento com inclinação descendente.
Trata-se de uma drenagem pontual.
Fig. 6.6 - Detalhe do barbacã. Fonte: Fundações: Teoria e Prática, 2ª edição, São Paulo, Pini, 1998,
p660.
O dreno de paramento, ou dreno N.G., é o resultado da instalação de calha
plástica ondulada revestida por manta geotêxtil numa escavação de 10 x 30 cm, na
direção vertical da crista até o pé do talude. Aflora na canaleta de pé, sendo
considerado um dreno linear. Considera-se ser este último a opção eficiente e
recomendável para projeto.
As canaletas de crista e pé, bem como as escadas de descida d’água são
moldadas “in loco” e revestidas por concreto projetado.
7 - Critérios de Dimensionamento
Pesquisando-se diversas referências bibliográficas notou-se a escassez de
artigos sobre o dimensionamento deste tipo de solução. Isso se dá devido à falta de
normalização.
Portanto, apresenta-se a título de demonstração o resultado de dois artigos
disponíveis, com a finalidade de apresentar as propostas que estão sendo discutidas
no meio geotécnico.
No primeiro elaborado por Falconi & Alonso (1996) os autores, consultores
renomados, apresentam a metodologia de cálculo utilizada para a solução de
estabilização do talude junto a Av. Wenceslau Brás entre as cidades de Poços de
16
Caldas e Belo Horizonte, onde houve uma ruptura de uma região do talude voltado
para esta avenida no ano de 1995.
Fig. 7.1 - Perfil geotécnico perpendicular ao talude logo após a ruptura de 1995. Fonte: Solo
Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e Comportamento, Sinduscon e ABMS, São Paulo,
2003, p175.
No segundo artigo elaborado por Hachich, W. C. e Camargo, V. E. L. B.
(1997),
comparam
os
processos
mais
usuais
no
meio
técnico
para
o
dimensionamento de estruturas de solo grampeado. Para tanto é analisada apenas
uma situação deste artigo, publicada por Juran et al (1990)8 no qual é apresentado o
seu processo de cálculo, sendo comparados às trações e os comprimentos de
grampos resultantes da aplicação de cada um dos processos de cálculo estudados.
7.1 – Método apresentado por Falconi & Alonso
Este dimensionamento de solo grampeado proposto por Falconi & Alonso
(1996) chegou a uma malha típica de 1,50 x 1,30 m (HxV), com chumbadores
17
constituídos por uma barra Ø 20mm instalada em furo de 4” de diâmetro preenchido
com calda de cimento com fator água/cimento de 0,5 (em peso). Para este
dimensionamento, utiliza-se os parâmetros de resistência citados no item 2,
complementados, para o solo residual sob o aterro, conforme abaixo:
Peso específico natural (abaixo do nível d’água):
γ = 20kN/m3
Intercepto de coesão:
c = 25kPa
Ângulo de atrito interno:
ϕ = 25º
Este procedimento de dimensionamento consiste em se obter a superfície de
ruptura crítica, sem levar em conta a ação estabilizadora dos chumbadores (Figura
9.2a). Este cálculo é feito tentativa assumindo-se valores de raio R da superfície de
ruptura até se obter FS1 = 1, usando-se, por exemplo, o método de Fellenius:
FS1 = Σci . li + Σ( Ni – u . li ) tg ϕi
Σ Ti
Tomando-se como referência esta superfície de ruptura, introduz-se a ação
das forças Fi dos chumbadores e calcula-se seu valor para se garantir um fator de
segurança FSf = 1,5.
FSf = 1,5 = Σci . li + Σ( Ni – ui . li ) tg ϕi + ΣFi . di = FS i + ΣFi . di
R . ΣTi
ΣTi
R . ΣTi
Como FS1 = 1, obtêm-se, finalmente:
ΣFi . di ≥ 0,5
(7.3)
R . ΣTi
em que Ti é a força tangencial do peso da lamela i (Figura 7.2a), Fi é a força
resistida pelo chumbador i e R o raio do círculo pesquisado (Figura 7.2b).
Conhecidas às forças atuantes nos chumbadores, seu comprimento é fixado
em função de seu diâmetro externo e da sua adesão com o solo. Neste cálculo
deve-se atender a dois requisitos:
8
Apud Waldemar Coelho Hachich, Solo Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e Comportamento,
Sinduscon e ABMS, São Paulo, 2003, p179.
18
a) o comprimento mínimo do chumbador, contado a partir da superfície de
ruptura com FS = 1, deve ser aquele que atinja, no mínimo, a superfície com FS =
1,5.
b) a armadura do chumbador será calculada admitindo-se que a mesma
poderá sofrer corrosão, analogamente a uma estaca metálica, visto que haverá
fissuração da argamassa que a envolve. Para levar em conta que este efeito, a área
de cálculo resistente será aquela resultante após se descontar 1,5 mm em toda
superfície lateral do aço do chumbador. Além disso, para se garantir a durabilidade
do chumbador, a barra deverá ter um tratamento anticorrosivo (duas demãos de tinta
base de alcatrão de hulha, por exemplo, IGOL ou similar).
Fig. 7.2 – Método de cálculo. Fonte: Solo Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e
Comportamento, Sinduscon e ABMS, São Paulo, 2003, p178.
7.2 - Comparação de Processos de Dimensionamento
Foi escolhido um exemplo para o qual Juran et al (1990)9 apresentam a
superfície de ruptura em detalhes e os esforços para cada grampo, calculados pelo
processo por eles proposto. A escavação possui geometria simples, com face
vertical, 12 m de altura, grampos com comprimento variável, inclinação igual a 15º e
ainda:
ev = eh = 1,35 m
diâmetro do furo = 10 cm
19
barras Ø 1”,fyk = 168 Mpa
c’ = 12 kPa
φ’ = 35º
γ = 20kN/m3
Sempre que exigido pelo processo de cálculo, adota-se um comprimento
preliminar para os grampos, uniforme e grande o suficiente para garantir que as
superfícies críticas estejam contidas na zona reforçada.
A maioria dos processos (exceto aquele baseado no Estável) calcula uma
tração máxima por metro longitudinal de obra e o comprimento dos grampos é
ajustado a posteriori, com base nessa tração, de modo a garantir a segurança ao
arrancamento.
Em seu artigo Juran et al (1990)10 otimizam o comprimento dos grampos com
base em um valor adotado de 120 kPa para o atrito solo-grampo, valor esse que foi
mantido para as comparações.
7.2.1 - Comparação das Trações
A Tabela 7.1 apresenta um resumo das trações resultantes segundo cada
processo. Apenas os processos de Juran e Multicritério consideram os esforços de
corte nos grampos e permitem distribuição não uniforme das trações individuais em
profundidade. Em alguns casos fez-se necessário ajustar os espaçamentos dos
grampos para garantir que não se atingisse o escoamento do material das barras.
Tabela 7.1 - Trações resultantes segundo cada processo
PROCESSO
Ti/m (kN/m
Σ Ti/m (kN/m de obra)
Corte nos grampos
809
não
412
não
352
sim
de obra)
Fellenius Mod. 2002 (*)
Davis
Juran
73,5
45,7
21,2 a 41,1
(média 39,1)
9
Apud Waldemar Coelho Hachich, idem, ibidem.
Apud Waldemar Coelho Hachich, idem, ibidem.
10
20
Jewell
32,3
291
não
Fellenius Mod. 1996 (**)
28,5
256
não
Estável
27,7
250
não
25,2 a 26,9
235
sim
Multicritério
(média 26,1)
(*) Espaçamento dos grampos: 1,1 m x 1,1 m. Calculado de acordo com o artigo publicado no primeiro CLBG (Falconi e
Alonso, 2002).
(**) Calculado de acordo com o artigo publicado no terceiro CEFE (Falconi e Alonso, 1996).
A figura 7.3 compara graficamente as trações resultantes segundo cada
processo.
(*) Processos que consideram a rigidez transversal dos grampos
(**) Fellenius modificado: calculados segundo Falconi & Alonso (1996) e Falconi & Alonso (2002)
(***) Esta média excluiu o processo de Fellenius de acordo com o artigo publicado por Falconi & Alonso (2002)
Fig. 7.3 – Exemplo hipotético – Trações resultantes segundo os diferentes processos de cálculo.
Fonte: Solo Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e Comportamento, Sinduscon e ABMS,
São Paulo, 2003, p181.
A média para os processos mencionados (excluído apenas o de Falconi &
Alonso, 2002)11 é de aproximadamente 300 kN/m. O gráfico acima mostra que os
processos de Jewell, Fellenius Mod. 1996, Multicritério e Estável fornecem
21
resultados razoavelmente próximos entre si. O processo de Juran resultou numa
tração total cerca de 20% maior do que a média. O processo de Davis resultou em
uma tração total cerca de 40% maior do que a média; este último processo é
passível de críticas quanto às expressões de equilíbrio de forças.
7.2.2 - Comparação dos Comprimentos dos Grampos
Para a comparação dos comprimentos totais de grampos por metro
longitudinal de obra foram consideradas as diferentes definições de seguranças
recomendadas por cada um dos autores. Coeficientes de segurança globais foram
adotados como sendo iguais a 1, 5, a menos de orientações explícitas do autor.
Nos processos de Fellenius Mod. 1996, Fellenius Mod. 2002, Davis e Jewell
foi necessário alterar o espaçamento entre os grampos, devido à tensão de
escoamento relativamente baixa do material das barras (Juran et al, 1990 utiliza
grampos de alumínio neste exemplo). Por essa razão não seria adequada a
comparação direta dos comprimentos dos grampos.
O comprimento dos grampos também deve atender à condição de
estabilidade global da estrutura.
A aplicação do processo de Fellenius Modificado 2002 (Falconi & Alonso,
12
2002)
resultou em trações e comprimentos muito maiores do que aqueles obtidos
com a primeira versão desse processo (Falconi & Alonso, 1996). Esse fato se deve à
não consideração, na versão de 2002, do acréscimo de resistência na base das
lamelas devido à componente normal do esforço dos grampos. Em solos com ângulo
de atrito elevado o efeito pode ser muito significativo.
As figuras 7.4 e 7.5 apresentam, respectivamente, a posição das superfícies
críticas e os comprimentos totais de grampos, calculados por metro longitudinal de
obra.
11
12
Apud Waldemar Coelho Hachich, idem, ibidem.
Apud Waldemar Coelho Hachich, idem, ibidem.
22
Fig. 7.4 - Exemplo hipotético - Superfícies críticas de cada processo e superfície crítica (sem os
grampos) com FS = 1,5. Fonte: Solo Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e
Comportamento, Sinduscon e ABMS, São Paulo, 2003, p182.
(*) Processos que consideram a rigidez transversal dos grampos
(**) Esta média exclui o processo de Fellenius de acordo co o artigo publicado por Falconi & Alonso (2002)
Fig. 7.5 - Exemplo hipotético - Comprimentos totais de grampos por metro longitudinal de obra. Fonte:
Solo Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e Comportamento, Sinduscon e ABMS, São
Paulo, 2003, p182.
O comprimento total médio dos grampos foi de 57 m por metro longitudinal de
obra (excluído apenas o resultado do processo de Falconi & Alonso, 2002). Embora
as trações resultantes chegam a apresentar dispersões de até 40% em relação à
média, em termos de comprimento total de grampos por metro longitudinal de obra
essas dispersões caem para cerca de 30%. Isto ocorre porque o comprimento total
23
do grampo é definido não só pela tração, mas também pela posição da superfície
crítica determinada em cada processo.
8 - Projeto e Especificações
Pretende-se apresentar as recomendações para a execução da técnica de
solo grampeado através da Especificação 5 - Solo Grampeado GeoRio (2000).
Algumas especificações são indispensáveis para a elaboração do projeto, como:
- Fck do concreto em Mpa;
- Fator água/cimento do concreto a ser utilizado;
- Dimensões das bitolas do aço e seu respectivo comprimento;
- Cobrimento da armadura,
- A dobragem e a emenda das barras deverão atender a NBR 611813;
A figura 8.1 mostra todos os detalhes dos grampos que durante a elaboração
de um projeto executivo seu autor deve detalhar. Apresenta-se o espaçamento dos
grampos, a locação dos tubos de drenagens (barbacãs) e seu diâmetro.
Onde: SV - espaçamento vertical entre grampos
SH – espaçamento horizontal entre grampos
13
NBR 6118 - Projeto de estruturas de concreto, 1978
24
Fig. 8.1 – Vista frontal típica. Fonte: Ancoragens e Grampos/Coleção Manual Técnico de Encostas –
Fundação Instituto de Geotécnica do município do Rio de Janeiro – GeoRio, Rio de Janeiro (2000), 2ª
Edição.
A figura 8.2 apresenta um corte típico detalhando a inclinação do talude, a
inclinação e o comprimento do talude.
Onde:
L - Comprimento do grampo
Y - Dimensão que define a inclinação do talude
∝ - Inclinação do grampo em relação a horizontal
25
Fig. 8.2 – Seção típica. Fonte: Ancoragens e Grampos/Coleção Manual Técnico de Encostas –
Fundação Instituto de Geotécnica do município do Rio de Janeiro – GeoRio, Rio de Janeiro (2000), 2ª
Edição.
As figuras 8.3 e 8.4 apresentam detalhamento da fixação dos grampos,
execução da malha de revestimento do talude e ilustração da calda de cimento onde
o projetista deve incluir como nota que a injeção da calda deverá ter pressão
equivalente à atmosférica.
Fig. 8.3 – Detalhe da barra. Fonte: Ancoragens e Grampos/Coleção Manual Técnico de Encostas –
Fundação Instituto de Geotécnica do município do Rio de Janeiro – GeoRio, Rio de Janeiro (2000), 2ª
Edição.
26
Fig. 8.4 - Detalhe de fixação do grampo e malha de revestimento do talude. Fonte: Ancoragens e
Grampos/Coleção Manual Técnico de Encostas – Fundação Instituto de Geotécnica do município do
Rio de Janeiro – GeoRio, Rio de Janeiro (2000), 2ª Edição.
As juntas serão obtidas naturalmente na região onde o desenvolvimento da
tela for interrompido. A figura 8.5 mostra o detalhamento da malha onde deverá
especificar o diâmetro do fio e o espaçamento entre as barras.
Fig. 8.5 - Vista frontal - junta de dilatação. Fonte: Ancoragens e Grampos/Coleção Manual Técnico de
Encostas – Fundação Instituto de Geotécnica do município do Rio de Janeiro – GeoRio, Rio de
Janeiro (2000), 2ª Edição.
27
28
9 Conclusão
Esta nova técnica apesar de não existir normas em nosso país para seu
dimensionamento, vem sendo muito utilizada por profissionais de geotecnia,
apresentando ótimos resultados para contenções de grandes taludes.
Esta tem como vantagem em relação às demais técnicas de contenção
grande rapidez executiva, sendo, portanto economicamente viável.
Um fator negativo para a execução desta técnica é que não vem ser
aconselhável sua aplicação em locais com forte presença do lençol freático, em
solos permeáveis, pois, poderão ocorrer freqüentes instabilizações localizadas,
dificultando a aplicação do revestimento do concreto projetado.
Técnicos da área geotécnica deveriam reunir todas as informações e
conhecimentos adquiridos, seja pela experiência construtiva ou de normas e ou
procedimentos internacionais para elaboração de normas brasileiras, com o objetivo
de elaborar uma padronização, possibilitando que todos profissionais possam
discutir as mesmas questões, as mesmas teorias e procedimentos.
Isto se faz muito necessário, pois, o solo grampeado é uma técnica que vem
se desenvolvendo muito e cada vez sendo mais divulgada e aplicada no meio
geotécnico. E, portanto havendo a normalização desta técnica seria uma grande
conquista, unindo então uma técnica econômica, de fácil execução e finalmente com
procedimentos e artigos bibliográficos normalizados.
29
10 Referências Bibliográficas
Ancoragens e Grampos/Coleção Manual Técnico de Encostas – Fundação
Instituto de Geotécnica do município do Rio de Janeiro – GeoRio, 2ª Edição,
Rio de Janeiro, 2000;
HACHICH, Waldemar. Et al. Fundações: Teoria e Prática, 2ª edição, São Paulo,
Pini, 1998;
Solo Grampeado, Projeto, Execução, Instrumentação e Comportamento,
Sinduscon e ABMS, São Paulo, 2003;
Zirilis, A. C., Val, E. C. do, Neme, P. A., Solo Grampeado. Associação Brasileira
de Mecânica dos Solos (ABMS), São Paulo, 1999.
NBR 6118, Projeto de estruturas de concreto, 1978.