Mecanica Dos Solos II Muros e Cortinas

DISCIPLINA DE MECÂNICA DOS SOLOS II

1. Empuxos e estruturas de contenção 1.1.

Definição de Empuxo

As pressões de solo que atuam sobre as estruturas enterradas dependem do estado de deformações. Desta forma, como a relação entre deformações e tensões não é linear, a solução de problemas não é simples. Para facilitar essa análise, costuma-se enquadrar o problema em um dos três estados a seguir descritos: 1.2

Estado geostático ou de repouso

É a situação onde as deformações entre o solo e a estrutura são praticamente nulas.Costuma-se admitir que as pressões que atuam em galerias, túneis e o fuste de fundações profundas estão nessa condição.

As pressões laterais são calculadas a partir das pressões verticais de solo (tensões efetivas) onde

é a pressão lateral efetiva;

é a pressão vertical efetiva; é o coeficiente de empuxo no repouso. O coeficiente de empuxo no repouso pode ser avaliado a partir da teoria da elasticidade, mas a expressão mais utilizada é devido a JAKY:


onde

é o ângulo de atrito interno

1.3 Estado ativo

É a situação em que o solo se movimenta contra a estrutura. Nesses casos a massa de solo se plastifica por expansão lateral, mobilizando a máxima resistência ao cisalhamento. Por isso é denominado de estado “crítico” ativo.

Costuma-se admitir que as pressões que atuam no tardoz de um muro de arrimo são dessa natureza.

Uma das teorias mais empregadas para determinar d eterminar o empuxo ativo (resultante das pressões laterais) é a proposta por Rankine que admite a inexistência de atritos entre o solo e o tardoz do muro. Com o empuxo ortogonal à face do muro, pode-se calculá-lo a partir do equilíbrio de forças: onde Por analogia, as pressões laterais ativas podem ser calculadas por: ou

onde

é o coeficiente de empuxo ativo, podendo ser calculado a partir da expressão:

ou


onde

é o ângulo de atrito interno

1.3 Estado ativo

É a situação em que o solo se movimenta contra a estrutura. Nesses casos a massa de solo se plastifica por expansão lateral, mobilizando a máxima resistência ao cisalhamento. Por isso é denominado de estado “crítico” ativo.

Costuma-se admitir que as pressões que atuam no tardoz de um muro de arrimo são dessa natureza.

Uma das teorias mais empregadas para determinar d eterminar o empuxo ativo (resultante das pressões laterais) é a proposta por Rankine que admite a inexistência de atritos entre o solo e o tardoz do muro. Com o empuxo ortogonal à face do muro, pode-se calculá-lo a partir do equilíbrio de forças: onde Por analogia, as pressões laterais ativas podem ser calculadas por: ou

onde

é o coeficiente de empuxo ativo, podendo ser calculado a partir da expressão:

ou


Nos solos arenosos admite-se que c ≈ 0 e as pressões laterais são nulas para pressões verticais efetivas nulas. Nos solos argilosos, as pressões laterais são negativas quando as pressões verticais são baixas. Como o solo não aceita pressões negativas (de tração), forma-se uma trinca de tração no topo do tardoz. A profundidade de uma trinca de tração corresponde à extensão do tardoz onde atuam pressões laterais efetivas negativas e pode ser calculada, na ausência de sobrecargas acidentais no terreno como: ou É considerado prudente que, no caso de solos argilosos, considere-se a possibilidade da trinca de tração resultar saturada com água e ali atuarem pressões hidrostáticas.


1.4

Estado passivo

É a situação em que a estrutura se movimenta contra o solo. A máxima resistência que o solo pode oferecer a esse movimento se dá quando a massa de solo se plastifica. Por tal razão, denomina-se de estado “crítico” passivo.

De forma análoga ao estado ativo, as pressões passivas podem ser avaliadas a partir da formulação de Rankine, considerando que o atrito entre o solo e o muro são negligenciáveis. ou

onde

é o coeficiente de empuxo passivo e pode ser assim expresso:

ou

ou

Nos solos arenosos a pressão lateral passiva é nula para pressões verticais efetivas nulas. Já nos solos coesivos, existem pressões laterais passivas disponíveis mesmo na superfície do terreno.


2. Deformações associadas aos estados críticos

Pressões ativas e passivas são condições de plastificação do solo, isto é, situações onde as deformações se desenvolvem sem o aumento de tensões.

A condição de plastificação no estado ativo se configura com deformações pequenas. Em um muro de contenção essa condição geralmente se manifesta com deslocamento da ordem de 0,2% da altura da contenção: ≈ 0,2% x H

Já o empuxo passivo máximo só atinge esse valor com grandes deformações, algo da ordem de 4% da altura da contenção: ≈ 4% x H

Daí conclui-se que o empuxo ativo se constitui com pequenas deformações. Com essa mesma deformação, o empuxo passivo seria apenas metade da máxima resistência disponível. Também é importante observar que os empuxos ativos e passivos habitam simultaneamente as estruturas

Muro deslizando Pontos 1 e 2 com máximo empuxo passivo

Muro tombando Pontos 1 com máximo empuxo passivo Pontos 2 com empuxo próximo ao repouso

No dimensionamento das estruturas de contenção onde existem restrições às deformações, as pressões passivas devem ser consideradas com muita cautela.


3. Estados críticos e os círculos de Mohr

Os estados críticos podem ser entendidos com o auxílio dos círculos de Mohr. Observa-se que, com progressivos alívios de pressão lateral por deslocamentos da contenção, os círculos ampliam-se do repouso para a condição crítica (tangente à envoltória de Mohr-Coulomb).

Já na progressiva compressão lateral, os círculos ampliam-se do repouso para a condição crítica de forma oposta ao estado passivo.

As deduçõs das expressões postuladas por Rankine podem ser obtidas a partir de relações trigonométricas: No estado ativo:

No estado passivo:


4. Pressões ativas no repouso devido às sobrecargas acidentais

Cargas com aplicação em áreas restritas devem ser avaliadas com cautela, preferencialmente apoiando-se em modelos computacionais. Para situação de obras correntes, costuma-se adotar uma simplificação, transformandose cargas acidentais concentradas em distribuídas equivalentes. SITUAÇÃO PERMANENTE q1

SITUAÇÃO PROVISÓRIA q2 (kN/m2) Guindaste

30,0 60,0 90,0 120,0

10tf 30tf 50tf 70tf

O efeito da sobrecarga é estimado como:

Isto é: a carga distribuída atua como um aumento do peso próprio do solo e a carga de equipamentos é incidente sobre a crista do muro.


5. Efeitos da compactação

O efeito da compactação é considerado quando as restrições a deformações da contenção são severas. Durante a passagem de um rolo compactador, as pressões verticais são elevadíssimas e as pressões laterais são limitadas pelas pressões passivas. A influência da pressão do rolo é limitada e definida como aparece no diagrama a seguir; aplicável em condição temporária.

e

p

é a carga dinâmica do Sugestões de p

equipamento compactação.

Rolo CA-25 Rolo CA-15 Rolo CG-11 Placa CV400 Comp. CP70

p = 100 KN/m p = 75 KN/m p = 40 KN/m p = 30 KN/m p = 20 KN/m

ou

6. Escavações temporárias verticais

Por necessidades construtivas, por vezes é necessário realizar escavações verticais sem contenções. Essa prática só é possível em taludes não saturados, sem sobrecargas e em solos coesivos. A máxima altura de escavação, para respeitar o equilíbrio de pressões na direção horizontal, corresponderia ao dobro da profundidade da trinca de tração. Entretanto, aplicase um fator de redução de 1,5 como ponderação.


7. Pressões ativas em terrenos inclinados

A formulação de Rankine pode ser deduzida para terrenos inclinados, desde que o talude seja longo (maior que a cunha ativa) e o ângulo (β) inferi or ao do atrito interno.

Dessa forma têm-se:

onde

Destaca-se que a resultante das pressões (empuxo ativoEa) possui direção paralela ao talude. No caso de solos não-coesivos, têm-se:


8. Pressões passivas em terrenos inclinados e bermas de escavação parcial

Em determinadas condições, o pé de uma contenção pode estar em geometrias desfavoráveis, o que é motivo sempre de análise prudente.

No caso das bermas, o empuxo passivo só poderá ser considerado na análise se a largura da berma “bf ” for ampla o suficiente para conter a cunha passiva.

No caso de terrenos com declividade contínua no pé da contenção, as pressões passivas podem ser estimadas pela formulação de Rankine, desde que “ ” seja menor do que

o ângulo de atrito interno. Assim como nas pressões ativas, as pressões passivas atuam na direção paralela à superfície ( ).


9. Formulação de Coulomb para pressões ativas

Coulomb propôs formulações para o empuxo no estado crítico antes mesmo de Rankine. Pela teoria de Coulomb, o atrito entre o solo e o tardoz do muro não é negligenciado, mas considerado na análise com um valor igual ou menor do que “ ” . Assim, a análise de equilíbrio da cunha ativa fica a seguir demonstrada:

Como o ângulo “ρ” da cunha ativa é dependente do atrito interno no tardoz do muro,

a expressão do empuxo ativo pode ser escrita

O valor máximo de E a é definido para o ângulo “ ” crítico, ou seja:

Para um caso geral com terreno inclinado e muro com tardoz também inclinado, temse:

Obs.: A expressão original de Coulomb foi restrita a solos não-coesivos. A expressão acima é uma aproximação aceitável para solos com coesão.


O ângulo de atrito de interface entre o tardoz da contenção e o solo ( ) depende da rugosidade do muro e da granulometria do solo. Uma sugestão de valores é apresentada a seguir: Característica da face

Solo

Fino 0,6 Grosso 0,5 Fino 0,7 Concreto moldado no local Grosso 0,6 Fino 0,8 Gabiões e alvenarias Grosso 0,7 Fino Crib-wall, solo reforçado Grosso 0,9 Obs.: Solos finos são aqueles com predomínio de siltes ou argilas, enquanto que os solos grossos são aqueles com predomínio de areias e cascalhos Concreto pré-fabricado

. 10. Métodos Gráficos

Em taludes com geometrias complexas, a avaliação do empuxo ativo pode ser feita com o equilíbrio de forças, variando-se o ângulo da cunha e pesquisando-se iterativamente o máximo empuxo. Observação: Embora exista formulação de Coulomb e gráficos para pressões passivas, elas não são empregadas na prática. Por conservadorismo, admite-se =0° para a face passiva da contenção recaindo-se na formulação de Rankine.


11. Muros de Contenção

Os muros são estruturas que sustentam desníveis no terreno, equilibrando as pressões ativas pelo efeito dos seus pesos. Por essa razão são denominadas de “estruturas de gravidade”.

Os principais modelos construtivos de muros são os seguintes: Muros de alvenaria

Muros de concreto

Muros celulares

Muros de solo reforçado

Muros de solo estabilizado Essas técnicas de muros serão discutidas caso a caso em capítulo específico, destacando-se em que condições cada tipologia construtiva melhor se apresenta técnica e economicamente. Independentemente da técnica, os muros de diferenciam pelo peso específico e pela sua geometria e isso repercute na forma da análise estática.


O dimensionamento dos muros é realizado interna e externamente. O dimensionamento externo determina o equilíbrio entre muros e empuxos de solo. Já o dimensionamento interno determina as propriedades e a distribuição dos materiais que constituem o muro. Neste capítulo serão discutidos apenas os aspectos do dimensionamento externo.

12. Dimensionamento Externo de Muros

Os muros são dimensionados ou verificados para que atendam os seguintes quesitos simultaneamente: Verificação ao tombamento; Verificação ao deslizamento; Verificação da capacidade de carga da fundação; Verificação de estabilidade global. a) Verificação ao tombamento

Na verificação ao tombamento, satisfaz-se o equilíbrio à rotação e torno do eixo “O” mais afastado do tardoz, agregando um controlador probabilístico das incertezas, isto é, um fator de segurança “FSt”. No início do possível movimento, o muro está apoiado na aresta externa e a reação da base (N’) é concorrente ao eixo de giro.

Como o empuxo passivo máximo só é mobilizado com grandes deformações, costuma-se ponderar a sua participação com um “fator de compatibilidade de deformações”( ).


Situação

Temporária Permanente

½ 0

O fator de segurança é admitido, minimamente, como: Situação

FSt

Não crítica Crítica

2,0 3,0

Entende-se como situação crítica aquela em que a eventual instabilidade do muro acarreta perdas econômicas desproporcionais ou riscos significativos de perdas de vida humana. Essas situações correspondem a muros que contêm platôs com estruturas de ponte, tubovias, redes de alta tensão ou vias de grande circulação, por exemplo. b) Verificação ao deslizamento

Na verificação ao deslizamento, satisfaz-se o equilíbrio à translação, segundo uma direção paralela ao plano da base do muro, agregando um controlador probabilístico das incertezas, isto é, um fator de segurança (FSd). A resistência ao cisalhamento na base do muro (S) é dependente do ângulo de atrito da interface solo-muro ( ), da coesão da interface (cb) e da reação da fundação normal ao plano da base (N’). N’ pode ser calculada pelo equilíbrio de forças normais ao plano da base.

Os valores de cb devem ser considerados com cautela, sugerindo-se: cb = ½ c para situações temporárias cb = 0

para situações permanentes


O fator de segurança ao deslizamento é admitido minimamente como: Situação

FSd

Não crítica Crítica

1,5 2,0

c) Verificação da capacidade de carga da fundação Nesta verificação, procura-se avaliar se o terreno possui condições de oferecer a reação N’ ao muro. Esse mecanismo é complexo e semelh ante à análise de estabilidade de fundações. Como simplificação, admiti-se que essa verificação está cumprida quando as tensões de contato entre a base do muro e o solo não ultrapassam a tensão admissível do terreno para uma determinada geometria de muro.

Solo perfeitamente elástico

Solo perfeitamente plástico

A tensão admissível depende dos parâmetros do solo ( , c, ) e da interface solo-base ( , Cd), além das dimensões do embutimento e da própria base (f, B, e). A tensão admissível já contempla um FS= 3,0.


Existem duas formas comumente aceitas para a verificação da capacidade de carga da fundação: uma que considera o solo um material linear-elástico (módulo de elasticidade constante) e outra que considera o solo um material perfeitamente plástico (deforma-se sem variar a tensão). Os solos não são nem elásticos nem plásticos, de forma que tem sido adotada a primeira hipótese para muros apoiados em rochas ou solos muito compactos, enquanto que a segunda tem sido empregada para os demais casos. Observa-se que todas as formulações são relaci onadas com a excentricidade “e” que pode ser obtida pelo equilíbrio à rotação em torno do eixo central da base do muro. No desenho indicado tem-se:

com o fator de compatibilidade de deformações ( ψ) já discutido anteriormente. O conceito de equilíbrio limite é válido para excentricidades positivas. Se a excentricidade for negativa, a análise do problema deve ser refeita, pois os empuxos no tardoz do muro não são mais ativos, mas superiores aos geostáticos. Para excentricidades negativas modestas, recomenda-se o seguinte procedimento: Quando e > 0

adotar ψ = 0

Adotar e = 0

se continuar e < 0

Esse procedimento é válido para excentricidades modestas onde:

│e │≤ B /6 *OBS 1.: Outra forma de determinar a excentricidade é:


13. Muros com tardozes inclinados ou escalonados

A análise de muros com tardozes inclinados ou escalonados é distinta para as formulações de Rankine e de Coulomb. A formulação de Rankine pressupõe sempre o tardoz vertical. Assim, nos casos onde essa condição não se apresenta, deve-se criar um “tardoz virtual” projetado verticalmente a partir da base do muro.

Observa-se que os muros passam a ser constituídos por dois materiais: o próprio material do muro e o solo agregado pelo tardoz virtual.

Já no caso da formulação de Coulomb, o tardoz é o plano reto mais provável e tangente ao muro.


14. Muros com fundação inclinada ou com chaves

Em algumas situações pode ser vantajoso que o plano da base seja preparado com inclinação mergulhante para o tardoz do muro. Nesses casos, o equilíbrio ao deslizamento e a verificação da capacidade de carga da fundação são efetuadas segundo um plano inclinado ( ).

Os desenhos acima indicados mostram arranjos de empuxos para bases inclinadas pela formulação de Rankine (com tardoz virtual). Observe que N’ não é vertical e o valor desta resultante pode ser obtido pelo

equilíbrio de forças normais ao plano da base. Um caso particular de base inclinada decorre do emprego de chaves.

Nesses casos, deve-se realizar a análise de duas formas: uma que cria um plano inclinado entre a chave e a borda do muro (I) e outra em que a chave agrega uma massa de solo sobre a base (II). As duas análises devem proporcionar condições satisfatórias para que o muro seja estável.


Considerações especiais sobre a sobrecarga

As sobrecargas variáveis (acidentais) devem ser computadas de forma a gerar o pior efeito (mais instabilizante). Dessa forma, em muros com escalonamento ou inclinação pelo lado do tardoz merecem ser investigados quanto aos efeitos da sobrecarga em diferentes posições de aplicação.

Caso 1: - Deslizamento - Tombamento

Caso 2: - Capacidade de carga -Dimensionamento da estrutura interna

- Capacidade de carga

Embora não se tenha demonstrado, a estabilidade do muro deve ser verificada de forma análoga para a condição de carregamento provisório de fases construtivas, quando for o caso (cargas do tipo q 2). Outra sobrecarga especial sobre muros são as cargas de impacto em defensas (quando estas estão associadas à contenção) ou de guarda-corpo (quando o muro contém passeio público). Nesses casos, a verificação dispensa efeitos dinâmicos (amplificação) desde que atendidos os fatores de segurança globais.

Guarda-roda isolado:

Guarda-roda vinculado:

(carga de impacto no topo da contenção)

(carga de impacto no topo na defensa)


Obs.: A carga de impacto de um veículo é considerada como equivalente a de uma das rodas. Caminhões pesados ( Caminhões médios ( Caminhões pesados (

A carga de debruçamento p1é tomada com p1=1kN/m aplicada a 1m acima do nível do passeio. Se houver trânsito exclusivamente de pedestres, a carga q1 pode ser reduzida para q1=5kN/m2 * Nota: A carga de impacto é, por natureza, concentrada. Na avaliação do equilíbrio no estado plano (muros muito longos), essa ação pode ser distribuída em uma extensão equivalente a três vezes a espessura da parede, isto é


15. Drenagem de muros

As drenagens dos muros possuem duas finalidades: diminuir a umidade na parede da contenção e eliminar a influência das pressões neutras nos empuxos. Para diminuir a umidade na parede, os drenos devem ser instalados continuamente no tardoz do muro. Já para eliminar a influência das pressões neutras, os drenos devem interceptar as águas de percolação antes de invadirem a cunha ativa.

Os drenos devem atender os quesitos de vazão (capacidade de descarga) e de filtração (retenção de finos).


16. Cortinas de Contenção

Cortinas são estruturas de contenção esbeltas, onde o peso próprio possui contribuição negligenciável na estabilidade. Sendo assim, a estabilidade dessas contenções é garantida pelo embutimento (empuxo passivo) e/ou por vínculos externos (ancoragens ou estroncas). A participação relativa entre o embutimento e os vínculos define os modelos estruturais das cortinas, a saber: •

Cortinas em balanço ou “livres”;

•

Cortinas com um nível de vínculos;

•

Cortinas com múltiplos níveis de vínculos. a) Cortina em balanço São cortinas que exclusivamente do embutimento estabilidade.

dependem para sua

Desta forma, a mobilização do estado crítico (empuxos ativos e passivos) é necessária, implicando em deformações excessivas na crista. A extensão da bacia de deformação (Ld) pode ser superior a 1,5H. Por essas razões, cortinas dessa natureza costumam ser utilizadas apenas em obras temporárias, com controle das cargas acidentais na crista e, ainda assim, com afastamento confortável de construções vizinhas e alturas de contenção modestas (H

).


Estruturalmente, essas cortinas exibem um eixo de giro no interior do embutimento. Desta forma, as pressões ativas atuam sobre o tardoz da cortina apenas acima do eixo de giro, condição que se inverte abaixo desse eixo.

Nesses sistemas, a análise do equilíbrio é realizada com o diagrama resultante das pressões, ou seja, a diferença entre pressões ativas e passivas, como indicado na figura. Um dos métodos simplificados para dimensionamento é conhecido como método de Blum e admite, conservadoramente, que o empuxo mobilizado abaixo do eixo de giro pode ser considerado concorrente ao ponto “O”. Ou se já, considera -se que “ yp2=0 Com isso tem-se:

Os fatores de segurança recomendados são: Situação

FSt

Não crítica e temporária Crítica ou permanente

1,5 2,0

Para completar a estabilidade à translação, assume-se que f 1,2 z0 Conservadoramente, recomenda-se que esse critério seja: f


b) Cortinas com um nível de vínculos São cortinas que dependem simultaneamente do embutimento e da ação do vínculo para sua estabilidade. Admitindo-se que os vínculos são indeformáveis, e neste eixo que os giros ocorrem. Assim, esse tipo de cortina gira pela base, conforme representado na figura.

A extensão da deformação da bacia de deformação é dada por: e

ou seja:

Embora com deslocamentos menores do que aqueles associados às cortinas livres, este modelo é pouco recomendável como contenção permanente, embora ela seja recorrente em obras portuárias. O comportamento da cortina depende da rigidez relativa entre o solo e a cortina. No caso de solos homogêneos e cortinas relativamente rígidas, o arranjo estrutural pode ser representado como a seguir representado:


Acima do eixo de giro (vínculos) a cortina tende a comprimir lateralmente o terreno, portanto ali se desenvolvem pressões passivas. Entretanto essas pressões são admitidas, por conservadorismo, como ativas. Quando a linha de vínculos é posicionada próxima à superfície (h v H/5) é aceitável desconsiderar a participação estabilizadora (EA2 0) Com tal simplificação é possível determinar a ficha (f) pelo equilíbrio à rotação, conforme a distribuição de pressões da “hipótese II” e com os fatores de segurança já apresentados para o modelo de cortinas livres.

Já para determinar a reação nos vínculos, é necessário abandonar as margens de segurança e hipóteses conservadoras que superdimensionam o embutimento. Assim, para a verificação do equilíbrio à translação, admite-se o diagrama de pressões da “hipótese I”,

Com a ficha crítica definida, os empuxos são calculados, de forma que:


Os fatores de segurança recomendados são: Situação

FSt

Não crítica e temporária Crítica ou permanente

1,5 2,0

c) Cortinas com múltiplos níveis de vínculos São cortinas que dependem exclusivamente dos vínculos para garantir sua estabilidade.

Assim,

a

ficha

“f”

possui

participação secundária. Se os vínculos forem eficientes, as deformações são pequenas. Por isso esse modelo de cortina é aconselhado para contenções críticas ou permanentes. Para garantir um bom equilíbrio dessas estruturas, recomendam-se os seguintes critérios: Os vãos entre os níveis de vínculos não devem diferir entre si mais do que 30%; Os vãos de extremidade (hv1 e hv4 na figura) não devem ser maiores do que a metade dos vãos entre os vínculos, nem superiores a um quarto da altura H; A ficha “f” não deve ser inferior a 1m.

O dimensionamento desse modelo de cortina se baseia em diagrama semi-empírico de pressões. Uma dessas teorias de distribuição de pressões é apresentada a seguir:


Os diagramas acima consideram as pressões devidas ao peso próprio (sem sobrecarga). Quando existe sobrecarga variável, ela promove um diagrama complementar, conforme já apresentado anteriormente.

Para o cálculo das reações nos vínculos (e solicitações na cortina), trata-se como uma estrutura hiperestática. Mas, para uma aproximação, as reações podem ser calculadas por área de influência das cargas.


17. Efeitos da Pressão Neutra

Independentemente do modelo estrutural da cortina, as pressões ativas ou passivas são sempre efetivas, ou seja, as pressões neutras são tratadas separadamente. A distribuição das pressões neutras, para cálculo das pressões efetivas, é apresentada na hipótese I. A análise de estabilidade, no entanto, utiliza-se da hipótese II que significa o diagrama resultante.

É importante destacar que a existência de fluxo sob a ficha aumenta as pressões neutras do lado passivo, reduzindo as pressões efetivas e, daí, os empuxos resistentes. Já no lado ativo, as pressões neutras são reduzidas, aumentando os empuxos ativos (instabilizantes). No caso das cortinas que perpassam múltiplos aqüíferos, a distribuição das pressões neutras pode ser mais complexa.


18. Ruptura Hidráulica do fundo

Existem duas condições em que as cortinas podem apresentar problemas de instabilidade do fundo da escavação devido às pressões neutras: 

Embutidas totalmente em solos permeáveis;



Embutidas em materiais estratificados.

No caso de cortinas vulneráveis à formação de piping (areia movediça), o embutimento deve ser suficientemente longo para que o fluxo perca carga hidráulica e seja incapaz de “bombear” solos arenosos no fundo da escavação. Uma aproximação aceitável

para esta análise é dada por:


No caso de escavações onde exista uma camada permeável abaixo de uma impermeável, deve-se observar o risco de ruptura pelo alívio de confinamento gerado pela escavação. Nesses casos, pode-se analisar o equilíbrio de tensões verticais na base da camada impermeável que está no fundo da escavação.

19. Cortinas em solos argilosos plásticos e moles

Cortinas para contenção de solos moles saturados são freqüentes para situações temporárias. Esses solos podem, por possuírem resistência muito baixa, apresentar uma ruptura generalizada da cava.


válido para D>f+0,8B 20. Ancoragens passivas

Uma das alternativas para configurar vínculos é empregar cabos e vergalhões metálicos ancorados em outras estruturas embutidas no terreno e fora da cunha ativa. Entre essas estruturas, destacam-se as seguintes:

Nos mortos de ancoragem, uma viga (ou placas) são dispostas afastadas do tardoz de forma que possam mobilizar empuxo passivo sem interferir na cunha de empuxo ativo

A condição de equilíbrio é dada por

onde Sh é o espaçamento das ancoragens.


21. Ancoragens injetadas

Vínculos dessa natureza transferem a reação nos tirantes por atrito na massa de solo suficientemente afastada da cunha de mobilização dos empuxos. Uma ancoragem injetada possui três componentes básicos: Cabeça de ancoragem – peça que liga o tirante à estrutura e permite que a ancoragem seja tracionada por dispositivos hidráulicos. Trecho livre – segmento do tirante onde não é permitido o atrito com o solo, geralmente dispondo-se de uma ou mais bainhas lisas e lubrificantes (Ll) Trecho ancorado – segmento do tirante onde se proporciona o atrito com o solo, o que geralmente é feito pela injeção (em um ou mais estágios) de aglutinante de cimento portland ou resinas (La). As ancoragens injetadas são inclinadas e introduzem componentes transversais e paralelas à face da cortina. Condições:


O segmento ancorado é dimensionado em função da carga de ensaio do tirante (todos são protendidos individualmente). Onde FS=1,75 (permanente) e 1,50 (temporária) é a carga de trabalho na ancoragem (sem FS)

Assim a extensão

é definida como:

Onde

O valor de

- em rocha:

- em solo arenoso: - em solo argiloso: :

é o diâmetro da perfuração do tirante e

pode ser estimado:

é a aderência entre


onde

-

é o efeito de injeção tomado como

para ancoragens de cortinas. O dimensionamento deve levar em conta que as ancoragens injetadas introduzem forças paralelas ao plano da cortina. Estas devem ser suportadas pelo atrito no tardoz e na ficha, ou por dispositivos complementares de fundação.

onde e cb são os parâmetros de interface

W é o peso da cortina a cada Sh


Exercício 1: Verifique a estabilidade do muro de flexão indicado para uma carga variável distribuída de 10KN/m².

a) Coeficientes de empuxo pela formulação de Rankine

b) Pressões verticais efetivas - sem sobrecarga

- com sobrecarga


c) Pressões laterais - sem sobrecarga

- com sobrecarga

- em ambas as condições

d) Trincas de tração e pressões hidrostáticas - sem sobrecarga

- com sobrecarga


e) Diagrama de pressões, empuxos e pesos

- sem sobrecarga

- com sobrecarga

- ambas condições


f) Verificação ao deslizamento - sem sobrecarga

onde admitindo-se condição permanente de carregamento e não-crítica, tem-se com

- com sobrecarga apenas no tardoz virtual

Como as forças resistentes não são alteradas, têm-se:

- com sobrecarga em toda extensão do terreno

g) Verificação ao tombamento - sem sobrecarga


+

com

- com sobrecarga apenas atrás do tardoz virtual


h) Verificação da capacidade de carga do terreno - sem sobrecarga

m


- com sobrecarga apenas atrás do tardoz virtual


i) Síntese dos resultados

Condição

Deslizamento

Tombamento Tensão na base

Obs.: O muro é seguro para qualquer configuração de carga acidental.


Se a obra fosse temporária, então poderia ser considerado que Os resultados obtidos seriam: Condição

1

2

3

Deslizamento

3,74

3,94

4,25

Tombamento

4,77

5,95

6,64

80,65KPa

76,53KPa

82,35KPa

Tensão na base


Exercício 2: Dimensione a ficha da cortina para uma condição temporária de carregamento

a) Coeficientes de empuxo segundo Rankine

b) Pressões verticais efetivas (fluxo desconsiderado)


c) Pressões laterais e neutras

d) Diagrama de Pressões

onde

e) Empuxos de terra e de água


f) Equilíbrio de momentos )²

Z(m)

FS

7,6

198,00 420,86 768,45 1268,49 1653,21

476,34 627,32 798,30 989,28 1113,47

0,42 0,67 0,96 1,28 1,48

7,7

1724,06

1134,87

1,52

4,0 5,0 6,0 7,0

g) Determinação da ficha

Obs.:O exercício pode ser refeito, considerando-se o fluxo sob a ficha. Para tanto as pressões verticais são calculadas independentemente das pressões verticais, utilizando-se um diagrama aproximado de distribuição de poro-pressão.


b) Pressões verticais totais:

c) Pressões neutras

d) Pressões verticais efetivas


e) Pressões laterais

f) Diagrama de pressões

onde

g) Cálculo dos empuxos


i) Equilíbrio de momentos

Z(m)

7,0 7,2

FS

0,531 0,533

j) Cálculo da ficha

k) Segurança à ruptura hidráulica com

1173,06 1288,18

827,37 858,61

1,42 1,50


Exercício 3: Dimensionar uma cortina com ancoragem injetada para a situação indicada.

a) Cálculo dos coeficientes de empuxo

b) Pressões verticais efetivas (fluxo desconsiderado)


c) Pressões laterais

d) Diagrama de Pressões e Empuxos


e) Equilíbrio de momentos

M I

49,23 6,15(2

f )

2

12,3(2

f )

1 3

(3,5 1,76)(2

f )

2

1 2

(3,5 1,76 f )( f ) 10 f

FS 4,0 3,0 2,5 2,4 2,3

1668,27 828,00 536,67 507,84 441,26

f) Equilíbrio à translação

g) Solicitação no tirante e dimensionamento

A extensão do trecho livre é dada por

1071,73 629,60 512,72 490,85 469,48

1,56 1,32 1,05 1,03 0,94

2

60 f


A extensão do trecho ancorado é dada por

Verificando-se o comprimento da ficha para suportar a carga vertical

Obs.: A bem da verdade, o cálculo da ficha crítica e da reação nos tirantes deveriam ser obtidos com uma hipótese mais conservadora, admitindo-se a mobilização do empuxo passivo no topo da cortina. f`) Diagrama de pressões críticas e empuxos


g`) Equilíbrio de momentos +59,66

52,14

M I

6,15(2

f )

2

12,3(2

f )

1 3

(3,5 17,6 f )(2

f )

2

1 2

(3,5 17,6 f )( f ) 10 f

2

FS 2,5 2,2 2,1

596,33 457,44 416,69

515,63 446,35 431,12

1,16 1,02 0,97

Adotado h`) Equilíbrio à translação

i’) Reação no tirante e dimensionamento



É recomendável empregar duas linhas de tirantes e alterar a configuração da cortina.

60 f


Exercício 4 Verifique o muro para determinar qual a maior sobrecarga uniformemente distribuída que pode ser aplicada no aterro sem comprometer a segurança.

Dados: Solo:

Rachão:

Solução a) Cálculo dos coeficientes de empuxo

b)Pressões verticais efetivas

c) Pressões laterais


]d) Diagrama de pressões laterais e empuxos

e)Pesos e sobrecargas

f) Verificação ao deslizamento


g)Verificação ao tombamento

h) Verificação da capacidade de carga

Condições


Logo

Logo i) Conclusão Os limites de sobrecarga são os seguintes Quanto ao deslizamento Quanto ao tombamento Quanto à capacidade de carga

Assim, a condição mais restritiva é o deslizamento, sendo a sobrecarga limitada a 30,81KN/m².


Exercício 5 Verifique a cortina para a condição indicada e defina se a ficha é suficiente para manter a segurança da obra como condição temporária. Dados Água Areia

Solução: a) Cálculo dos coeficientes de empuxo

b) Pressões verticais efetivas

c) Pressões laterais (formulação de Rankine)

Pressões neutras


d) Diagrama de pressões

e) Empuxos

f) Equilíbrio à rotação

g) Equilíbrio à translação e conclusão

Como

é 3,5 metros, a cortina é insegura.


Exercício 6 Dimensionar a cortina para uma condição temporária de obra mecanizada e para a condição permanente de trânsito de caminhões pesados.

guindaste de 30tf

Dados dos solos

a) Cálculo das propriedades equivalentes - solo 1:

- solo 2:

b) Coeficientes de empuxo


c) Avaliação da ficha para evitar “piping” e D = 4m

d) Pressões neutras após a construção (com fluxo)

e) Pressões neutras após a construção (sem fluxo)

-É recomendável que a soleira (soalho do subsolo) seja estanque. Isso mantém a condição hidrostática (sem fluxo) da cortina.


f) Pressões verticais totais devidas ao solo (máximas)

g) Pressões verticais efetivas devidas ao solo - Condição temporária

- Condição permanente

h) Pressões laterais devidas ao solo - Condição temporária


i) Pressões laterais devidas às sobrecargas - Condição temporária



j) Diagrama de pressões


22. Solo reforçado, terra armada e Terramesh 22.1. Introdução

São técnicas de construção de muros de gravidade em que se utiliza o solo como material de construção, armando-o com reforços flexíveis e resistentes à tração. Enquanto que as geogrelhas constituem os principais reforços nos muros de solo reforçado, as fitas metálicas são os reforços da Terra Armada e as telas metálicas, do sistema Terramesh. O dimensionamento de muros desse tipo é realizado à semelhança dos demais sistemas de muros, exceto pelo fato que segue: 

Como é um muro de solo, o tardoz do muro é capaz de mobilizar atrito de interface, ou seja



Como é um muro de solo, o dimensionamento interno pode ser realizado a partir das mesmas teorias sobre empuxos.

Entre essas três técnicas, o que existe de distinto são os faceamentos e a rigidez dos reforços.

22.2. Dimensionamento externo

No dimensionamento externo considera-se o contorno dos reforços como geometria do muro, dimensionando-se os empuxos e procedendo-se a verificação do muro em sua altura total e frações de sua altura.


Os fatores de segurança para todas as verificações (deslizamento, tombamento e capacidade de carga das fundações) são os mesmos adotados para muros convencionais de gravidade. Embora os muros de solo reforçado e seus afins possuam atrito plenamente desenvolvido no tardoz virtual, tem sido empregada com mais frequência a formulação de Rankine para a determinação dos empuxos ativos e desconsiderada a participação dos empuxos passivos. Como são obras incrementais, isto é, o muro é construído em camadas juntamente com o retroaterro, o efeito da compactação pouco interfere na estabilidade externa. O peso próprio do muro, embora possa ser influenciado pelos elementos de face, é admitido como exclusivamente constituído por solo, o que acaba conduzindo a bases maiores do que nos muros de concreto, por exemplo. 22.3. Dimensionamento interno

O dimensionamento interno do muro consiste em organizar os reforços para que mantenham equilibrado o solo no interior do muro. Para tanto, admite-se a seguinte hipótese: Na massa de solo reforçado é mobilizada uma cunha ativa de solo que deve ser mantida estática pela ação dos reforços. Assim têm-se que

Onde FS é o fator de segurança EAh é a componente horizontal do empuxo Rd,h é a resistência de cálculo dos reforços por unidade de comprimento de muro, tomados na direção horizontal (KN/m).


Na maioria dos sistemas, os reforços são contínuos. Mas, naqueles em que os reforços são descontínuos, deve-se tomar em consideração o espaçamento longitudinal (S h):

Como a pressão ativa cresce com a profundidade, a análise do equilíbrio local tem sido preferida no dimensionamento desses reforços. Para tanto, verifica-se o equilíbrio de cada camada de reforço em sua área de influência:

Simplificando o problema, pode-se admitir se as espessuras entre reforços não forem grandes, o que segue: )

onde

é o ângulo do talude;

é a pressão vertical efetiva na posição do reforço analisa e no limite da cunha ativa;

é o coeficiente de empuxo ativo pela formulação de Rankine. Então, a verificação de cada reforço fica:

Os fatores de segurança utilizados tipicamente para esses reforços são os seguintes: - Condições temporárias e não críticas FS = 1,3 - Condições permanentes e/ou críticas FS = 1,5


A resistência de cálculo dos reforços é determinada pela aplicação de fatores de ponderação sobre a resistência característica:

Onde: Tk,t = é a resistência característica para um tempo de carregamento da estrutura. f d = é o fator de dano mecânico f q = é o fator de degradação química f b = é o fator de degradação biológica f v = é o fator de variabilidade

Tipo de reforço Vergalhões Fitas metálicas Tela metálica Tela metálica revestida Geogrelha leve Geogrelha pesada Geotêxtil

Tipo de reforço Aço galvanizado Aço pintado Poliéster Poliaramida e PVA Polipropileno e PEAD

Fatores de dano mecânico (f d) Material de aterro Pedregulhoso Arenoso 1,10 1,05 1,10 1,05 1,25 1,10 1,20 1,05 1,50 1,20 1,25 1,10 2,00 1,30 Fatores de degradação química (f q) Condição ambiental Oxidante/ácida Redutora/alcalina 1,10 1,00 1,15 1,05 1,05 1,25 1,03 1,04 1,02 1,02

Argiloso 1,00 1,00 1,05 1,00 1,10 1,05 1,15

Neutra 1,05 1,10 1,05 1,00 1,00

Fatores de degradação biológica (f b) - Clima tropical

= 1,03

- Clima temperado

= 1,01

Fatores de variabilidade (f v) - Reforços metálicos ( )= 1,10

- Reforços sintéticos ( )= 1,05


A resistência característica para um determinado tempo de carregamento (Tk,t) é avaliada de acordo com a sensibilidade do reforço à fluência. Quando o tempo de carregamento for curto e o fabricante do reforço dispuser de funções da resistência em relação à duração de carga (isócronas), é possível avaliar o caso especifico. Do contrário é prudente adotar a seguinte relação:

onde

Tk é a resistência característica de ensaio (curto-prazo) f f é o fator de fluência. Fatores de fluência (f f) Vida útil da estrutura Material do reforço >50 anos <50 anos Aço carbono 1,01 1,00 Poliaramida 1,01 1,00 PVA 1,50 1,30 Poliéster 1,70 1,40 Polipropileno 2,50 2,00 PEAD 3,50 3,00

22.4. Ancoragem dos reforços

Para equilibrar as cunhas ativas internas, os reforços, além de resistirem à tração, não podem ser arrancados do terreno, nem podem ser desconectadas do faceamento. Por isso, a ancoragem dos reforços deve ser verificada, a partir da posição teórica das cunhas ativas internas. Nesse aspecto, há uma diferença entre a forma da cunha ativa interna nos reforços rígidos (metálicos e poliaramida) e flexíveis (outros polímeros e telas metálicas de dupla torção).


22.4.1. Reforço Flexível (Solo reforçado e Terramesh)

A solicitação máxima no reforço genérico “i” é calculada pela pressão vertical que é calculada como:

Onde:

A ancoragem do reforço além da cunha ativa é verificada quando:

(


A aderência

é dada por

Considera-se que FS=1,5

O valor de

é arbitrado como

22.4.1. Reforço rígido (Terra Armada)

Nesses casos, só é alterada a forma da cunha ativa em função da menor deformação horizontal do terreno reforçado.

Assim sendo o comprimento de ancoragem disponível é determinado pelo seguinte: Para

Para

onde

e

são os coeficientes de empuxo de Rankine.


Todos os demais procedimentos são idênticos aos empregados para sistemas de solo reforçado, exceto que:

Obs: A ancoragem da solicitação

na face do sistema de contenção é mérito de avaliação

experimental e, por isso, deve ser realizada pelo fabricante. Os parâmetros de aderência solo-reforço são calculados de forma a contemplar as diferentes rugosidades dos reforços. Simplificando, sugere-se:

Reforço

Geotêxteis Geogrelhas e telas Fitas e barras

0,7 1,0 0,9

0,5 0,7 0,5


Exercício: Verifica a estabilidade do muro de solo reforçado com geogrelha e blocos segmentais para uma condição de longo prazo indicada na seção transversal. Sobrecarga: q = 20 KN/m² Dados do solo: = 32° c = 4 KPa = 19 KN/m³ = 200 KN/m² Dados do reforço: adm

Tk = 55 KN/m (PETP)

I – Estabilidade externa

Ia) Coeficientes de empuxo (formulação de Coulomb)

195

Ib) Pressões verticais

Ic) Pressões laterais ativas (admitindo =0)


Id) Diagrama de pressões, pesos e empuxos

Ie) Verificação ao deslizamento (sem Q)

cos(

If) Verificação ao tombamento


Ig) Verificação da capacidade de carga da fundação - Sem a presença de Q

- Com a presença de Q

II- Estabilidade Interna IIa) Coeficientes de empuxo

IIb) Solicitações

para


para

Reforço 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0,8 1,4 2,0 2,6 3,2 3,8 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,94 1,51 2,07 2,64 3,21 2,72 1,97 1,48 0,99 0,49 0

37,86 48,69 59,33 70,16 80,99 51,68 37,43 28,31 18,81 9,31 0

13,55 9,58 12,55 15,57 18,59 10,41 5,36 2,60 0,83 0 0

IIc) Ancoragem e comprimento mínimo do reforço

IId) Verificação da tensão de cálculo do reforço

1,24 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,50 0,40 0,40 0,40 0,20

0,26 0,14 0,16 0,17 0,17 0,15 0,10 0,06 0,03 0 0

1,86 1,56 1,39 1,22 1,03 0,82 0,59 0,43 0,28 0,12 0


22. Solo Grampeado (Soil Nailing) 22.1. Introdução

É um sistema de contenção em solo reforçado com reforços rígidos (semelhante a Terra Armada) que é construído de forma descensional, isto é, escavando-se o terreno em estágios. Os reforços, aqui denominados de “grampos” são introduzidos no terreno em

perfurações, sendo que a sua aderência com o solo obtida, geralmente, pela injeção de pasta de cimento, à semelhança dos tirantes. A seqüência construtiva de um solo grampeado é a seguir representada:

Como os grampos são perfurados e injetados, ficam em uma certa inclinação em relação ao plano horizontal. Também por exigirem a perfuração e injeção, são reforços mais robustos do que os da terra armada e, por isso, mais espaçados. Os sistemas de solo grampeado são uma espécie de transição entre as cortinas e os muros e a verificação é semelhante àquelas adotadas para muros de solo reforçado, adotando conceitos de cortinas com múltiplos vínculos.


22.2. Estabilidade Externa

A estabilidade externa é verificada como se a região compreendida pelos grampos configurasse um muro de gravidade. Nesses casos é costume empregar a formulação de Coulomb para determinar o empuxo ativo. A estabilidade interna é verificada como se a distribuição das pressões ativas seguisse a hipótese do diagrama retificado para cortinas com múltiplos vínculos em solo granulares. Assim, empregando a formulação de Rankine, tem-se:

onde

é a resistência de cálculo do grampo.

A ancoragem de cada grampo é verificada com onde

é idêntico aos valores adotados em tirantes.

Mecanica Dos Solos II Muros e Cortinas

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