Instrumentação Geotécnica para Muros de Solo Reforçado em
Escala Real
Mario Riccio
Doutorando – COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
Mauricio Ehrlich
Prof. Adjunto - COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
RESUMO: Apresenta-se neste artigo um programa de instrumentação para estudo de um muro de
solo reforçado. A instrumentação constitui-se de aparelhos que permitirão o monitoramento das
tensões e deformações no interior da massa de solo reforçado. O valor da sucção será medido por
meio de tensiômetros, verificando a influência desta sobre o comportamento da estrutura. As cargas
atuantes nos reforços serão monitoradas por meio de células de carga. As deformações internas
durante o período construtivo e pós-construtivo serão avaliadas por meio de dois inclinômetros,
placas magnéticas de recalque e extensômetros mecânicos. As deformações externas da face serão
acompanhadas por meio de topografia. Termopares permitirão conhecer a temperatura em pontos
distintos da estrutura. Um bloco de face instrumentado registrará as componentes vertical e
horizontal que atuam na fundação da face do muro. A distribuição e magnitude do carregamento na
fundação do muro serão analisadas com o auxílio de células de tensão total.
PALAVRAS-CHAVE: Instrumentação, Solo Reforçado, Muro, Sucção, Geossintético.
1
INTRODUÇÃO
Fatores importantes no comportamento de
estruturas de solo reforçado, são normalmente
negligenciados
em
procedimentos
convencionais de projeto. Tais fatores como a
rigidez relativa solo-reforço, a tensão horizontal
induzida pela compactação do solo, o efeito
estabilizador da face e sucção do solo (poropressão negativa) serão investigados por meio
da instrumentação descrita a seguir. Ehrlich e
Mitchell (1994) chamam a atenção para a
necessidade de se considerar a relação da
rigidez do reforço em relação ao solo (e não de
forma isolada), bem como a tensão horizontal
residual induzida durante o processo de
compactação. Tatsuoka (1993) apresenta estudo
sobre o efeito da face sobre as tensões atuantes
nos reforços e o incremento de resistência ao
cisalhamento do solo devido à sucção é
discutido por Fredlund et al. (1978). Outros
fatores pertinentes que podem ser destacados
são as tensões atuantes na fundação e na face da
estrutura e as deformações internas associadas à
fluência do conjunto solo-reforço (Fannin,
2001).
O muro de contenção, a ser instrumentado, será
construído utilizando-se solo local com elevada
fração de finos, de modo a permitir o
desenvolvimento da sucção matricial do solo a
níveis significativos, viabilizando a verificação
e quantificação de sua ação estabilizadora. Os
reforços a serem utilizados serão do tipo
geogrelha (fabricante Huesker). Desta forma
objetiva-se, a partir da análise dos resultados
obtidos, expor para a comunidade técnica a
relação custo-benefício das estruturas de soloreforçado construídas com uso de solo local,
prevenindo a exploração de jazidas e custos
associados ao transporte de solo. Serão
discutidos os aspectos positivos e negativos
(caso ocorram) com relação ao uso de solo com
finos na construção do muro, solos estes
abundantes nas regiões tropicais.
2
INSTRUMENTAÇÃO
Descreve-se a seguir a instrumentação
desenvolvida especificamente para cada medida
a ser efetuada na estrutura de solo reforçado.
2.1
Medida da Tração nos Reforços
GEOSSINTÉTICO
Foi projetado e confeccionado um sistema
para medição de cargas nos reforços, conforme
ilustrado na figura 1. O sistema é composto
basicamente de três partes:
(a) talas para fixação do geossintético;
(b) ligação entre as talas e as células de carga –
eliminação de esforços indesejáveis;
(c) células de carga.
O projeto do sistema objetivou a eliminação
de registros de esforços parasitas de torção e
flexão que vinham ocorrendo em trabalhos
deste tipo (Saramago 2002, por exemplo) e a
possível relocação de células de carga conforme
alterações de projeto, mantendo um nível de
sensibilidade adequado e prevenindo o uso
desnecessário de sensores. As talas de fixação
foram recobertas com lixa em uma de suas
faces para evitar escorregamento do
geossintético, seguindo a sugestão de Saramago
(2002). As células de carga foram
confeccionadas em aço tipo ABNT 316,
adotando-se uma seção cilíndrica de modo a
prover um aumento do momento de inércia e
conseqüentemente maior resistência a esforços
de flexão que de alguma forma não fossem
eliminados. As talas de fixação foram
construídas em aço AISI 304. O extensômetro
adotado para a confecção das células de carga
foi o modelo KFG-1-120-D16-16 do fabricante
Kyowa Eletronic Instruments Co. As células
receberam uma proteção mecânica constituída
de um tubo de poliuretano (PU 80 shore A) com
2,5mm de espessura e um recobrimento em
material termo retrátil. Observa-se também,
figura 2, que o sistema permite a introdução ou
retirada de células ao longo do comprimento do
reforço, de acordo com a distribuição de carga
prevista ao longo desse. Alguns autores como
Tatsuoka (1993) e Loiola (2001) indicam que
tal distribuição é influenciada pela rigidez da
face. A influência da rigidez dos reforços, ao
relocar a superfície potencial de ruptura, é outro
fator a afetar este padrão de distribuição,
segundo (Mitchell e Villet, 1987).
TALA
LIGAÇÃO
CÉLULA
Figura 1. Sistema para medição de carga no reforço.
B
PADÕES DE DISTRIBUIÇÃO
DE CARGA NOS REFORÇOS
A e B
PADRÃO A
CÉLULA
FACE
PADRÃO B
Figura 2. Distribuição de células ao longo do
reforço.
2.2
Tensões na Face e Fundação
Foi concebido um bloco para monitoramento
das componentes vertical e horizontal que
atuam na fundação da face do muro (bloco
inferior). Seis células foram inseridas no bloco.
Quatro das células foram posicionadas na
vertical, para monitoramento do esforço de
compressão e duas na horizontal para
monitoramento da tensão cisalhante, que
corresponde à soma dos esforços horizontais
que atuam nos blocos da base até o topo da
estrutura. O bloco foi projetado para substituir
um bloco da estrutura real e o projeto pode ser
visto na figura 3. As células são constituídas de
um corpo metálico instrumentado em aço 316
(ABNT). O corpo metálico possui uma seção
vazada com espessura reduzida, local
instrumentado. A transição entre o topo (e base)
do corpo metálico e a seção com espessura
reduzida foi suavizada, de forma a evitar
concentração de tensões.
seja a adoção de mercúrio ou óleo (Ribas, 1980)
o fluido utilizado para preenchimento da
câmara foi água deaerada, o que representou
uma simplificação operacional considerável. A
câmara da célula foi conectada a um
transmissor de pressão (WIKA – S10) por meio
de um tubo rígido. As células foram submetidas
à calibração do tipo hidrostática, verificando
que os valores da curva de calibração do
transmissor de pressão e da célula (câmara +
transmissor) apresentaram-se iguais. Este
equipamento pode ser visto na figura 4.
BORRACHA
E SILICONE
CÉLULAS
DE
CARGA
σ
Câmara
c/ Fluido
Confinado
τ
Dimensões
em cm
CÉLULAS PARA
MEDIDA DE
CISALHAMENTO
Transdutor
Solda
CÉLULAS
PARA
MEDIDA DE
COMPRESSÃO
τ
Figura 4. Célula de tensão total.
σ
Figura 3. Bloco instrumentado.
Para medição das tensões totais atuantes na
fundação, foram construídas células de tensão
total do tipo fluido confinado. Quatro células
medirão tensões verticais, enquanto uma medirá
a componente de tensão horizontal do solo
atuando próxima à face. As células foram
construídas buscando-se reduzir a razão entre a
espessura da câmara e seu diâmetro o máximo
possível. A razão obtida foi (h/φ) = 0,03, para
valores de φ = 300mm (diâmetro) e h = 10mm.
A célula de Gloetzl, por exemplo, possui uma
razão (h/φ) da ordem de 0,06. Para a confecção
das mesmas foi utilizado processo de
estamparia e solda, em chapas de aço 304 com
0,3mm de espessura. Embora a recomendação
2.3
Medida de Sucção
Foram construídos cinco tensiômetros com a
finalidade de se quantificar o valor e evolução
da sucção mátrica no interior da massa de solo
reforçado.
Esses
equipamentos
foram
construídos e calibrados segundo o exposto no
trabalho de Diene (2004) que por sua vez
baseou-se na concepção de tensiômetro
apresentada por Ridley e Burland (1993), que
consistia basicamente de um transdutor de
pressão que trabalhasse no ramo negativo
acoplado a uma pedra porosa com alta pressão
de borbulhamento (valor de entrada de ar alto).
A concepção de Ridley e Burland (1993)
diferencia-se de alguns autores como Tarantino
e Mongiovì (2002) por utilizar um transdutor de
pressão comercial, ao invés de construir
também o transdutor. Neste trabalho optou-se
por acoplar uma pedra com alto valor de
entrada de ar (15 bar) a um transdutor
comercial, o que representou uma significativa
simplificação construtiva e operacional. Um
aspecto
muito
importante
para
uma
performance satisfatória deste instrumento é a
saturação da pedra porosa e a eliminação de
núcleos de cavitação da água armazenada no
aparelho. Segundo Take e Bolton (2003) a
saturação do elemento poroso pode ser descrita
pela combinação das leis de Boyle (pressão e
volume de uma bolha) e Henry (solubilidade)
traduzida pela equação (1).
(S − Si )(1 − H )
ΔP = P ⋅
i
1 − (S − H)
entre 12000 kPa e – 85 kPa com a finalidade de
reduzir tais núcleos.
Transdutor
Cabeçote de acrílico
Pedra Porosa
(1)
onde: H = constante de Henry (0,02 ml de ar/
1,00ml de água); Si = grau inicial de saturação;
Pi = pressão inicial absoluta; ∆P = variação de
pressão necessária para saturação do elemento
poroso.
Conforme (1) é necessária a aplicação de
uma pressão de 5,0 MPa para a completa
saturação de um elemento poroso inicialmente
seco em estufa. Estes autores sugerem a
aplicação da pressão ∆P no tensiômetro, com a
pressão atuando tanto na pedra porosa quanto
na água contida no reservatório e denominam
tal operação de pré-pressurização. No entanto
ressaltam que o valor de ∆P não deve
ultrapassar a capacidade do transdutor, já que
esta pressão pode danificar transdutores que
trabalhem em uma faixa reduzida de pressão.
Desta forma a metodologia de saturação
limitou-se a aplicar uma pressão máxima
permitida para o conjunto transdutor e pedra
(tensiômetro), efetuando-se anteriormente uma
saturação inicial do elemento poroso. A
saturação inicial consiste basicamente na
aplicação de vácuo seco na pedra porosa e
posteriormente submersão desta, mantendo-se o
vácuo. A figura 5 ilustra esquematicamente um
tensiômetro.
Foram utilizados quatro transdutores de
pressão WIKA S-10 e um ASCHROFT K1 para
a construção dos aparelhos. A utilização do
WIKA S10 teve como objetivo reduzir o
volume de água no reservatório (volume entre a
pedra porosa e a membrana sensível do
transdutor), reduzindo a probabilidade da
ocorrência
de
núcleos
de
cavitação.
Pesquisadores como Guan e Fredlund (1997)
submeteram tensiômetros a ciclos de pressões
Figura 5. Esquema do Tensiômetro.
2.4
Deformações Internas e Externas
2.4.1 Internas
Foram selecionadas placas magnéticas de
recalque e inclinômetros para a avaliação das
deformações internas verticais e horizontais,
respectivamente. As placas magnéticas, foram
confeccionados para medição de recalques no
interior da massa reforçada durante e após a
construção. Um conjunto de placas abrangeu a
zona ativa e o outro a passiva. Estas placas
estão ilustradas na figura 6 e são atravessadas
por dois tubos de inclinômetro, um na zona
ativa e outro na zona passiva. A placa foi
confeccionada em polipropileno e possui um
ímã em forma de anel circundando o orifício
central. O posicionamento de tais placas é lido
por uma sonda magnética.
Os tubos de inclinômetro são do fabricante
Slope Indicator, de plástico do tipo ABS. O
diâmetro externo destes tubos é de 70,0mm,
valor recomendado pelo fabricante para
monitoramento de deslocamentos de média
magnitude e a espessura da parede do tubo de
6,0 mm. Ímãs nas extremidades inferiores de
dois tubos (um locado na zona ativa e outro na
passiva) servem de referência indeslocável para
as placas magnéticas de recalque. Neste caso
um dos eixos dos inclinômetros deve ser
orientado perpendicularmente à face do muro.
Selecionou-se o comprimento de 1,5m para as
seções dos tubos, de forma a facilitar este tipo
de medida em aterros compactados.
onde: ε(1,2) = deformação média do geotêxtil na
DIMENSÕES
EM CM
região entre os pontos 1 e 2; ∆1, ∆2 = diferença entre
a leitura atual e a leitura inicial para os pontos 1 e 2;
∆L(1,2) = distância entre os pontos de leitura 1 e 2.
ESPESSURA:
2.5 CM
3
Ímã
Figura 6. Placa magnética de recalque.
2.4.2 Externas
As
deformações
externas
serão
acompanhadas por meio de topografia, o que
não constituiu um desenvolvimento de
instrumentação.
2.5
Fluência do Reforço
LOCAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO
A instrumentação a ser implantada no muro
de solo reforçado será locada em uma seção
situada no ponto médio do comprimento do
muro de contenção (seção principal), conforme
ilustra a figura 8. A localização da seção
principal tem o objetivo de que as medidas
sejam representativas de uma condição de
deformação plana, característica deste tipo de
obra geotécnica. Uma seção de redundância
será considerada, conforme recomendo por
Christopher et al., (1990). Essa seção visa
verificar se os valores lidos na seção principal
instrumentada podem ser extrapolados para
outras seções.
De modo a acompanhar as deformações dos
reforços ao longo do tempo, após o período
construtivo de uma obra em solo reforçado,
foram selecionados extensômetros mecânicos,
que se constituem de arames presos aos
reforços, em pontos que guardam certo
espaçamento, e que podem se deslocar dentro
de conduítes até a parte externa da estrutura,
transferindo as deformações dos reforços
(figura 7) para um referencial fixo externo à
estrutura. O sistema é composto por tubos de
INCLINÔMETRO
REFORÇO
TENSIÔMETRO
T
T
nylon 5,0mm de diâmetro externo e 1,0mm de
espessura e fios de aço inoxidável com 0,5mm de
diâmetro.
TERMOPAR
MEDIÇÃO DE CARGA
NO REFORÇO
BLOCO
(face)
CÉLULA DE CARGA
T
T
1
2
REFORÇO
∆L1,2
CÉLULA
T. TOTAL
EXTENSÔMETRO
Figura 7. Extensômetros mecânicos.
Figura 8. Locação da instrumentação – seção principal.
Neste caso a deformação média no reforço entre
dois pontos de medição 1 e 2 é dada por (2).
ε (1, 2 ) = (Δ 1 − Δ 2 )/∆L (1,2 )
BLOCO
INSTRUMENTADO
(2)
4
CONCLUSÕES
O
presente
trabalho
apresentou
uma
instrumentação
construída
para
o
monitoramento de uma estrutura real de
contenção em solo reforçado, as principais
conclusões são resumidas abaixo:
- O sistema para medida de tração nos
reforços mostrou-se eficiente na eliminação de
esforços indesejáveis de flexão e torção nas
células, permitindo flexibilidade conforme
alterações eventuais de projeto.
- As calibrações efetuadas nas células de carga
(tração nos reforços), tensiômetros, células de
tensão total e células do bloco de face
instrumentado mostraram confiabilidade da
instrumentação proposta.
- No caso dos tensiômetros utilizados neste
trabalho, a aplicação da pressão recomendada
por Take e Bolton (2003) danificaria os
transdutores de pressão. Desta forma, deve-se
procurar utilizar um transdutor com a maior
pressão máxima admissível, considerando a
aplicação desejada, sem comprometer a
sensibilidade do instrumento.
- Ensaios de esforços mecânicos mostraram
que a instrumentação possui resistência
adequada para uso em campo.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de registrar os seus
agradecimentos às seguintes instituições, pelo
auxílio financeiro: CNPq (Conselho Nacional
para Pesquisa), FUJB (Fundação Universitária
José Bonifácio) e HUESKER geossintéticos.
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