COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. Uso de Sistema Computacional em Projeto de Solo Grampeado Ribeiro, S. G. S. Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil, [email protected]. Franco, B. O. M. Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil, [email protected] RESUMO: O uso de sistemas computacionais em projetos de obras de reforço de solo por grampeamento (solo grampeado) vem se tornando cada vez mais presentes nos escritórios. Este trabalho visa apresentar uma abordagem seqüencial para uso destas ferramentas como peça auxiliar ou efetiva nos estudos e projetos destas obras. O sistema escolhido para aplicação foi o GeoStudio 2007 (GeoSlope, 2007), módulos Sigma e Slope. Um projeto de reforço em solo grampeado executado na duplicação da rodovia Fernão Dias, BR 381 Belo Horizonte – São Paulo foi avaliado. Os resultados do estudo mostraram o quanto eficiente e simples pode ser o uso de sistemas computacionais como ferramentas de apoio. Os resultados ratificaram a boa qualidade do projeto desenvolvido naquela época por método convencional. PALAVRAS-CHAVE: Solo Grampeado; Estabilidade de Taludes; Modelagem Numérica. 1 fazer uma avaliação da consistência do projeto executivo da obra, com base numa nova abordagem de trabalho, por meio daquelas ferramentas numéricas. INTRODUÇÃO Os sistemas computacionais voltados para projetos de obras de contenção e reforço de solo estão cada vez mais acessíveis para o uso corrente em escritórios de projeto e por instituições de pesquisa em geotecnia. O mercado oferece desde modelos convencionais, por equilíbrio limite, até modelos mais sofisticados, destacando-se as soluções numéricas por elementos finitos. Os sistemas com solução por elementos finitos permitem ainda o uso de modelos constitutivos avançados e específicos, rotinas e condições de contorno que se ajustam razoavelmente bem à maioria das condições de campo. Neste sentido, o trabalho em questão tem por objetivo avaliar a aplicação do sistema computacional GeoStudio 2007, módulos Sigma e Slope. Esta avaliação foi desenvolvida com base num projeto convencional de reforço em solo grampeado, obra já executada na duplicação da rodovia Fernão Dias, BR 381. Na Figura 1, tem-se uma vista do talude em questão, antes da execução da obra em questão. O estudo aqui desenvolvido teve como base a geometria e as dimensões utilizadas no projeto executivo do sistema em solo grampeado. Assim, o escopo deste trabalho foi Figura 1. Talude instável na BR 381. 2 PARÂMETROS Os parâmetros utilizados nos estudos foram coletados com base dados disponibilizados pelo Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de Minas Gerais – DER-MG. Cabe salientar que o foco do trabalho é apresentar uma nova abordagem para elaboração de projetos em solo grampeado, sendo esta nova abordagem pautada no uso de ferramentas computacionais disponíveis no mercado. 1 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. para obras similares. O perfil escolhido para estudo foi o de maior altura, com 35 metros, local onde foram executadas três sondagens do tipo SPT (SPT 01, 02 e 03). Com base nos resultados destas sondagens, dentre outras informações de campo, foi possível delinear o perfil do terreno da obra (Figura 2). O perfil foi caracterizado pelos solos: Silte Argiloso, Areia Siltosa, Argila Siltosa e Rocha Alterada (impenetrável). 1.065 Elevação (m) (x 1000) 1.060 Tabela 3. Parâmetros elásticos efetivos. Solo Silte Argiloso Areia Siltosa Argila Siltosa Rocha Alterada 3 SP03 Silte Argiloso E’(MPa) 10 50 10 80 ν 0,334 0,334 0,334 0,334 ENSAIO DE ARRANCAMENTO 1.055 1.050 A simulação numérica do ensaio de arrancamento é a primeira sugestão de procedimento na abordagem aqui proposta. Esta simulação foi aqui desenvolvida pelo módulo Sigma, modelo constitutivo elasto-plástico, em espaço axissimétrico. Por meio deste estudo é possível quantificar a resistência ao cisalhamento unitária de interface solo-grampo, parâmetro qs, também denominado atrito unitário por outros autores. Estudos de estabilidade preliminares dos taludes do perfil mostraram que apenas a região superior, compreendida pelo solo Silte Argiloso necessitaria de estrutura de reforço. Notifica-se, no entanto, que o projeto executivo da obra aplicou o solo grampeado em toda extensão do perfil. No trabalho aqui desenvolvido, o solo grampeado foi aplicado apenas na região superior, avaliada como instável (solo siltoargiloso). Assim, o arrancamento foi modelado apenas para este material. A modelagem foi realizada em espaço axissimétrico, conforme ilustração apresentada na Figura 3. De acordo com o estudo de tensões In Situ, os grampos projetados e executados com 12 metros de comprimento, estariam submetidos a tensões verticais de até 250kPa. No entanto, estes autores optaram por aplicar três níveis de tensão de confinamento distintos, 100, 200 e 400kPa, possibilitando avaliar o comportamento do parâmetro qs numa faixa mais ampla de tensão. Como mencionado, o modelo constitutivo adotado foi o elasto-plástico. O grampo estudado na simulação tem diâmetro de 0,10m e comprimento de 6m, seguindo orientação para ensaios de arrancamento em grampos (recomendações Clouterre, 1991; citado em Areia Siltosa SP02 1.045 1.040 1.035 SP01 1.030 Argila Siltosa Rocha Alterada 1.025 1.020 1.015 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Distância (m) Figura 2. Perfil do solo. O SPT médio dos materiais está apresentado na Tabela 1. Tabela 1. SPT médio dos solos. Solo Silte Argiloso Areia Siltosa Argila Siltosa SPT 8 20 6 Designação Média Compacta Média O solo Areia Siltosa foi submetido a ensaios triaxiais consolidado não-drenado. Os parâmetros dos demais solos foram estimados com base no SPT médio e na consistência. Os parâmetros de resistência utilizados estão apresentados na Tabela 2 e os parâmetros elásticos na Tabela 3. Tabela 2. Parâmetros de resistência efetivos. Solo Silte Argiloso Areia Siltosa Argila Siltosa Rocha Alterada γ(kN/m3) 18 19 19 20 c'(kPa) 14 20 15 40 φ’(º) 22 36 19 35 Ressalta-se que a qualidade dos parâmetros não reflete no escopo do trabalho, que tem como foco a apresentação de uma nova abordagem para desenvolvimento de projetos 2 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. França, 2007). Os estudos numéricos preliminares mostraram uma forte dependência da resistência ao arrancamento (Farr) com relação ao tamanho do elemento finito na proximidade do grampo. Assim, além da aplicação de elementos de interface, foram adotados elementos finitos com tamanho global de 0,05m (igual ao raio do grampo). Esta configuração gerou uma malha de 4505 nós, porém, com tempo computacional compatível. Deslocamento (m) 0,12 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0 100 200 300 400 500 600 Força de Arrancamento (kN) 100kPa 200kPa 400kPa Figura 4. Ensaio de arrancamento. Na Tabela 4 apresentam-se os valores das forças de arrancamento em função das tensões de confinamento. Com base nestas cargas e na geometria do modelo foi possível obter o parâmetro qs. Comparando sua magnitude à resistência obtida com base no critério de Mohr-Coulomb, conforme parâmetros de resistência apresentados na Tabela 2, tem-se uma majoração em torno de 60%. Esta majoração pode ser atribuída à interação soloestrutura contemplada pela análise numérica. Assim, é de se esperar que o uso isolado de parâmetros de resistência para quantificação da resistência de interface solo-grampo seja bastante conservador. De forma similar, o comportamento ilustrado sugere que o uso dos parâmetros de resistência do critério de MohrCoulomb (coesão e ângulo de atrito) poderiam ser aplicados, porém considerando, neste caso em estudo, uma maximização de 60% no diâmetro do grampo. Assim, em condições de campo o diâmetro de trabalho do grampo seria um “diâmetro equivalente” e não o diâmetro da própria ancoragem. 10 9 8 7 6 Elevação (m) 0,10 5 4 3 2 1 Tabela 4. Resultados das simulações. σc (kPa) 100 200 400 0 -1 -1 0 1 Farr (kN) qs (kPa) τr (kPa) 164,71 282,35 517,65 87,38 149,79 274,62 54,40 94,81 175,61 Fator 1,61 1,58 1,56 Raio (m) Figura 3. Modelo do ensaio de arrancamento. Com base nos resultados apresentados na Tabela 4, foi elaborada uma análise do comportamento da força de arrancamento com o nível da tensão confinante. O gráfico ilustrado na Figura 5 mostra um bom ajuste linear para a força de arrancamento versus a tensão confinante, obtida para o solo Silte Argiloso em Os resultados das simulações numéricas estão ilustrados na Figura 4. Todos os resultados mostram comportamento linear plástico com boa definição do ponto de plastificação. 3 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. Redistribution. Os dados de entrada estão apresentados nas Tabelas 2 e 3. O resultado está ilustrado na Figura 7. 600 1.143 500 400 y = 1,1765x + 47,06 1.065 300 100 0 0 100 200 300 400 500 Tensão Confinante (kPa) Figura 5. Comportamento da força de arrancamento. 1.055 1.050 SP02 1.040 1.035 SP01 1.030 Argila Siltosa Rocha Alterada 1.025 1.015 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Distância (m) Figura 7. Estabilidade do talude superior. Como já ilustrado na Figura 1, o resultado mostra uma condição bastante desfavorável de estabilidade, com fator de segurança igual a 1,14. Na Figura 8 apresentam-se os fatores locais de estabilidade. Os resultados ratificam o quanto instável estão estas bancadas, com mais de 80% da superfície potencial de ruptura em condições de equilíbrio limite. 5 FS Local 4 3 2 1 0 Resistência Unitária (kPa) Areia Siltosa 1.045 1.020 Fazendo uma comparação entre os parâmetros qs (ensaio de arrancamento modelado numericamente) e τr (critério de Mohr-Coulomb) é possível observar que a influência na interação solo-grampo da coesão de intercepto e ângulo de atrito são diferentes. Como ilustrado na Figura 6, o intercepto aumentou de 14 para 25kPa, 78% de acréscimo; e o coeficiente angular da reta foi de 0,404 (22º) para 0,624 (32º), 54% de acréscimo. Este comportamento sugere que a aplicação dos parâmetros de resistência tradicionais em equação direta para obtenção da resistência na interface solo-grampo seja evitada. O mecanismo de resistência é mais complexo e não se estabelece apenas na interface. Como já mencionado, para o uso direto dos parâmetros de resistência seria recomendado considerar o diâmetro do bulbo maior que o diâmetro da perfuração. 0 5 10 15 20 25 30 35 Distância (m) 300 250 Figura 8. Estabilidade local. y = 0,6241x + 24,966 200 150 y = 0,404x + 14 100 5 50 FORÇAS AXIAIS NOS GRAMPOS 0 0 100 200 300 400 500 Os procedimentos a seguir, traduzem-se na segunda sugestão da abordagem aqui proposta, do uso de ferramentas computacionais no auxílio a projetos em solo grampeado. A zona potencial de ruptura foi então delimitada e criada uma nova região no modelo. Assim, foi possível avaliar os esforços que seriam transmitidos aos grampos numa situação em que um movimento gravitacional da zona ativa fosse ativado. Este artifício numérico foi desenvolvido desabilitando a zona ativa num Tensão Confinante (kPa) qs (kPa) Mohr-Coulomb (kPa) Figura 6. Influência da interação solo-grampo. 4 SP03 Silte Argiloso 1.060 200 Elevação (m) (x 1000) Força de Arancamento (kN) questão. ESTABILIDADE DO TALUDE O estudo da estabilidade do talude superior (Silte Argiloso) foi desenvolvido com apoio do módulo Slope com tensões In Situ calculadas pelo módulo Sigma, rotinas In Situ e Stress 4 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. Força Axial (kN) estudo particular de tensões In Situ e na sequência reabilitando-a, porém com a inclusão do solo denominado Silte Argiloso Ativo, com rotina tensão deformação. Neste estudo tensão deformação os grampos e o paramento em concreto projetado foram habilitados concomitantemente com o solo Silte Argiloso Ativo. Para simular o processo de plastificação da zona ativa, a coesão foi considerada nula, mantendo-se o ângulo de atrito original (22º). Para representar os grampos, foi adotado elemento de viga com diâmetro igual a 0,10m e módulo de elasticidade 35MPa. O paramento em concreto projetado foi também modelado como elemento de viga com espessura igual a 0,10m e módulo de elasticidade igual a 35MPa. Seguindo o projeto executivo, o espaçamento longitudinal entre os grampos foi de 1 metro. Os resultados desta simulação estão apresentados nas tabelas a seguir. Para maior facilidade na leitura das informações, estas foram divididas em talude superior (El. 1053 a 1063m) e talude inferior (El. 1044 a 1053m). Na Figura 9 tem-se a força de ancoragem nos grampos localizados na zona passiva do talude superior. Os grampos estão enumerados de cima para baixo, sendo os grampos 1 a 5 no talude superior e 6 a 10 no talude inferior. O gráfico indica que o Grampo 1 não sofre tração. O comportamento dos demais grampos é bastante similar aos apresentados pela literatura e estudos de campo. Na borda da ancoragem temse forças baixas ou nulas de tração com aumento de magnitude na direção da superfície potencial de ruptura. O valor máximo de tração foi observado para o Grampo 4, igual a 84kN. Força Axial (kN) resultados mostram comportamento semelhante ao esperado, com valores máximos de tração próximos à superfície potencial de ruptura. Em função de a modelagem ter fixado os grampos no concreto projetado, os mesmos apresentam compressão no trecho final, próximo ao paramento. Especificamente para o Grampo 1 tem-se compressão em toda extensão do grampo. 0 1 2 3 4 5 6 7 Grampo 1 Grampo 2 Grampo 3 Grampo 4 2 3 4 5 6 7 8 Grampo 2 Grampo 3 Grampo 4 Grampo 5 Figura 10. Força na zona ativa – talude superior. Um resumo dos esforços máximos de tração e compressão nos grampos do talude superior está apresentado na Tabela 5. Tabela 5. Forças nos grampos do talude superior. Grampos Grampo 1 Grampo 2 Grampo 3 Grampo 4 Grampo 5 Tração (kN) 39,3 69,02 83,82 64,88 Compressão (kN) 20,93 89,85 100,29 83,07 37,35 De forma similar a apresentada para os grampos do talude superior, o comportamento dos grampos do talude inferior está apresentado nas Figuras 11 e 12, com o resumo dos resultados máximos na Tabela 6. Os resultados são bastante similares, com valor máximo de tração igual a 98kN quantificado para o grampo mais inferior, Grampo 10. Com o engaste dos grampos no paramento em concreto projetado, os esforços de compressão mostram-se maiores que aqueles obtidos para o talude superior. De forma 8 Comprimento Zona Passiva (m) Grampo 1 1 Comprimento Zona Ativa (m) 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 0 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 Grampo 5 Figura 9. Força no trecho ancorado – talude superior. Na Figura 10 tem-se o comportamento dos grampos na zona ativa do talude superior. Os 5 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. Argiloso, o valor de qs não alterou muito. A média obtida foi igual a 88kPa. Este valor mostra-se bastante próximo de 85kPa, valor este, encontrado em ensaios de arrancamento, realizados pela Solotrat em solo Argilo-Siltoso, no município de Guarulhos/SP (Solotrat, 2010). Na Tabela 7 também são também apresentadas a resistência por metro do trecho passivo e o comprimento de ancoragem presente na zona passiva. similar, o primeiro grampo do talude inferior, Grampo 6, não apresentou carga axial de tração. Força Axial (kN) 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 0 2 4 6 8 10 12 Tabela 7. Resistência da ancoragem. Comprimento Zona Passiva (m) Grampo 6 Grampo 7 Grampo 8 Grampo 9 Grampo Grampo 2 Grampo 3 Grampo 4 Grampo 5 Grampo 7 Grampo 8 Grampo 9 Grampo 10 Média Grampo 10 Força Axial (kN) Figura 11. Força no trecho ancorado – talude inferior. 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 0 2 4 6 8 10 Grampo 7 Grampo 8 Grampo 9 Grampo 10 Tabela 6. Forças nos grampos do talude inferior. Grampo 6 Grampo 7 Grampo 8 Grampo 9 Grampo 10 Tração (kN) 41,89 56,69 48,65 97,59 Lanc (m) 4,79 5,21 5,63 6,06 3,58 5,39 8,21 11,45 6,30 Com base na resistência de ancoragem por metro e no comprimento de ancoragem de cada grampo, foi possível quantificar a resistência de ancoragem de cada grampo no trecho passivo. Os resultados estão apresentados na Tabela 8. Figura 12. Força na zona ativa – talude inferior. Grampos Ranc (kN/m) 25,5 28,1 29,9 31,5 30,5 28,1 25,6 22,2 27,7 12 Comprimento Zona Ativa (m) Grampo 6 qs (kPa) 81,2 89,5 95,3 100,3 97,2 89,4 81,4 70,6 88,1 Compressão (kN) Tabela 8. Segurança da ancoragem passiva. Grampo Grampo 2 Grampo 3 Grampo 4 Grampo 5 Grampo 7 Grampo 8 Grampo 9 Grampo 10 Média 120,18 132,13 154,61 141,46 71,94 Tomando-se como base a equação apresentada na Figura 6 para cálculo de qs, o valor deste parâmetro foi quantificado de forma individual para cada grampo. Para este cálculo, a tensão de confinamento foi estimada com base na média das tensões do trecho passivo dos grampos, calculadas pela rotina In Situ do módulo Sigma. Os resultados estão apresentados na Tabela 7. Por se tratar de um talude inclinado, com grampos de mesma dimensão e considerando todo o solo de ancoragem com as características do solo Silto Ranc (kN) 122,2 146,6 168,5 191,0 109,3 151,4 210,0 253,9 169,1 Tração (kN) 39,3 69,0 83,8 64,9 41,9 56,7 48,7 97,6 62,7 FS 3,1 2,1 2,0 2,9 2,6 2,7 4,3 2,6 2,8 Comparando-se as cargas máximas de tração nos grampos com as resistências de ancoragem, tem-se quantificado o fator de segurança (FS) ao arrancamento do grampo. Como pode ser concluído, os valores apresentado na Tabela 8 mostram condições bastante favoráveis de estabilidade ao arrancamento dos 8 grampos 6 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. tracionados. 6 condição estável para a encosta submetida ao reforço em solo grampeado. 1.520 ESTABILIDADE DA OBRA 1.065 Neste ponto, inicia-se a terceira sugestão da abordagem proposta neste trabalho. O estudo de estabilidade do talude grampeado foi realizado por dois métodos distintos. O primeiro por acoplamento dos módulos Sigma e Slope; e o segundo por meio do módulo Slope, método Morgenstern e Price. No primeiro método o módulo Slope utiliza as tensões quantificadas no módulo Sigma e assim quantifica a resistência local na base de cada fatia. O fator de segurança da encosta é obtido por meio da média dos fatores locais. Neste estudo, o fator de segurança da encosta, agora com os grampos, eleva-se de 1,14 para 1,65, tornando-se estável. Neste processo, a contribuição da resistência ao arrancamento dos grampos está contemplada no estado de tensões alterada pela inclusão dos elementos de viga. Elevação (m) (x 1000) 1.060 Elevação (m) (x 1000) 1.060 1.050 Areia Siltosa SP02 1.045 1.040 1.035 SP01 1.030 Argila Siltosa Rocha Alterada 1.025 1.015 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Distância (m) Figura 14. Estabilidade Morgenstern & Price. Um estudo particular foi desenvolvido com a remoção do paramento em concreto projetado. Este estudo mostrou fatores de segurança idênticos e iguais a 1,52. Este quantitativo igual ao apresentado na Figura 14 era esperado, uma vez que o modelo tradicional por equilíbrio limite não contempla a resistência do paramento. Assim, o modelo acoplado considerando o paramento, confirma sua influência e sugere um aumento de 9% na estabilidade deste caso aqui estudado (1,520 para 1,658). SP03 Silte Argiloso 1.055 1.050 1.055 1.020 1.658 1.065 SP03 Silte Argiloso Areia Siltosa SP02 1.045 1.040 7 1.035 CONSIDERAÇÕES FINAIS SP01 1.030 Argila Siltosa Rocha Alterada O uso de ferramentas computacionais, com base na abordagem proposta, em projetos de obras em solo grampeado mostrou-se bastante consistente e de fácil operação. De uma maneira geral, a análise aqui desenvolvida do projeto executado na BR 381 ratificou a boa qualidade do projeto, sendo apenas questionável o uso do grampeamento para as bancadas inferiores em solo Areia Siltosa. 1.025 1.020 1.015 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Distância (m) Figura 13. Estabilidade tensões MEF. No segundo método, considerado tradicional, a contribuição dos grampos é inserida por meio de uma força aplicada na base da fatia na qual o grampo atravessa. Esta força é quantificada para região passiva (montante da superfície potencial de ruptura) de forma individualmente, com a inserção dos parâmetros qs, fator de segurança do bulbo e dados geométricos. Neste estudo, o valor de qs foi considerado igual a média apresentada na Tabela 7, 88,1kPa. Como ilustrado na Figura 14, o fator de segurança obtido aplicando-se este método foi de 1,52, mostrando uma AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais – DERMG pela disponibilidade dos dados aqui utilizados. À FAPEMIG pelo suporte financeiro 7 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. que possibilitou o desenvolvimento deste estudo. REFERÊNCIAS França, F. A. N. (2007), Ensaios de Arrancamento em Solo Grampeado Executados em Laboratório, dissertação de mestrado, EESC-USP, 123p. GeoSlope International Ltd. (2007), GeoStudio 2007, módulos computacionais Sigma e Slope. Solotrat (2010), Nota Técnica: Ensaio de Arrancamento em Chumbadores: solo SiltoArgiloso Guarulhos, www.solotrat.com.br. 8