Solo Grampeado - Apostilas - Engenharia Area Civil, Notas de estudo de Engenharia Civil

Baixe Solo Grampeado - Apostilas - Engenharia Area Civil e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! 2 Solo Grampeado: definições, desenvolvimento e aplicações 2.1. Histórico e desenvolvimento 2.1.1. Origens do solo grampeado A técnica de solo grampeado tem origem na técnica de execução de suportes de galerias e túneis denominada NATM (“New Austrian Tunneling Method”), aplicada na engenharia de minas. Esta técnica foi desenvolvida pelo professor Landislau Von Rabcewicz, a partir de 1945, para avanço de escavações em túneis rochosos (Figura 1). O método NATM (Figura 1b) consiste na aplicação de um suporte flexível para permitir que o terreno se deforme, ocorrendo uma formação de uma região plastificada no entorno da escavação, que pode ser reforçada através de chumbadores. Logo após a escavação, a cavidade que está submetida ao efeito do peso de terras e tensões confinantes, é estabilizada com um revestimento flexível de concreto projetado (espessura entre 10 e 30 cm), tela metálica, cambotas e chumbadores curtos radiais introduzidos na zona plástica. Em geral, os chumbadores são dispostos a cada 3 a 6m ao longo da galeria (Clouterre, 1991) e são inseridos no maciço por percussão ou perfuração com posterior injeção de nata de cimento. Ao contrário, no método convencional de execução de túneis (Figura 1a), os deslocamentos do terreno são impedidos por um revestimento rígido que, por sua vez, mobiliza no maciço, esforços muito maiores, sendo portanto, uma solução mais onerosa. Pode-se afirmar, então, que uma escavação de solo grampeado está para a execução de túneis com revestimento flexível da mesma forma que a solução convencional de túneis se compara a uma cortina ancorada (Ortigão e Sayão, 2000). Após as aplicações da técnica NATM em rochas duras, novas experiências foram efetuadas em materiais menos resistentes, tais como rochas brandas e posteriormente em solos (siltes, pedregulhos e areia) com o nome de solo grampeado ou pregado (“soil nailing”, em inglês; “clouage du sol”, em francês). A técnica de solo grampeado passou a se desenvolver então a partir do início dos anos 70. Países como França, Alemanha e Estados Unidos lideraram pesquisas no sentido de se obter conhecimentos deste método de estabilização. 35 revestimento rígido chumbadores revestimento flexível zona plastificada (a) (b) Figura 1. Técnicas de execução de túneis com revestimento rígido (a) e flexível (b) (Ortigão e Sayão, 2000). 2.1.2. Definição da técnica O solo grampeado é uma técnica bastante eficaz no que diz respeito ao reforço do solo “in situ” em taludes naturais ou taludes resultantes de processo de escavação. O grampeamento do solo é obtido através da inclusão de elementos lineares passivos, semi-rígidos, resistentes à flexão composta, denominados grampos. Os grampos podem ser barras ou tubos de aço ou ainda, barras sintéticas de seção cilíndrica ou retangular. Estes elementos de reforço são posicionados horizontalmente ou inclinados no maciço, de forma a introduzir esforços resistentes de tração e cisalhamento (Ortigão et al., 1993). Sua função é minorar os deslocamentos do maciço terroso pelo acréscimo de forças internas contrárias ao sistema natural de acomodação de massa (Silva et al., 2001). A descompressão progressiva do solo, em função das sucessivas fases de escavação ou de uma configuração de ruptura do maciço, gera deslocamentos laterais no solo. Estes deslocamentos, então, induzem ao surgimento de forças internas aplicadas no sistema solo-reforço. Resultados de instrumentação de campo realizada por Unterreiner et al. (1995) confirmam este mecanismo. Geralmente, o comportamento de um sistema de reforço de solo depende da mobilização dos esforços nas inclusões. A Tabela 1 indica os esforços considerados em cada sistema de reforço (Schlosser, 1982). A aplicação e objetivo de alguns métodos são sumariados na Tabela 2 (Gässler, 1990) e ilustrados pela Figura 2 (Byrne et al., 1998). 38 (a) taludes naturais (b) escavações Figura 3. Aplicações usuais de solo grampeado (adaptado de Byrne et al., 1998; Ortigão e Sayão, 2000). 2.1.4. Metodologia executiva, equipamentos e materiais de construção A construção de uma estrutura de solo grampeado em taludes resultantes de escavações mecânicas ou manuais é realizada em fases sucessivas de cima para baixo, conforme ilustra a Figura 4. Em taludes naturais ou previamente cortados, o grampeamento pode ser efetuado de forma descendente ou ascendente, conforme a conveniência. Neste caso, a construção da estrutura em solo grampeado consistirá apenas na introdução dos grampos e execução da face de concreto projetado. Em taludes resultantes de corte, o processo construtivo é constituído por três etapas principais sucessivas: a escavação, a instalação dos grampos e a estabilização do paramento (Figura 5). Em virtude das condições do terreno, a ordem da instalação dos grampos e da estabilização do paramento pode ser invertida. 39 Figura 4. Construção de estrutura em solo grampeado em escavações com equipamentos mecânicos (Zirlis et al., 1999). (a) Escavação (b) Execução do furo e injeção do grampo (c) Execução da parede em concreto projetado Figura 5. Principais etapas construtivas em escavações grampeadas. 40 1. Escavação: Inicia-se o corte do solo na geometria de projeto. As escavações são geralmente realizadas em bancadas, com profundidades variando entre 1 a 2m, em função do tipo de solo. Em geral, os solos capazes de serem grampeados são areias consolidadas, areias úmidas com coesão capilar, argilas adensadas e rochas brandas. No caso de solos arenosos, alturas superiores a 2,0m ou inferiores a 0,5m são raras. Em argilas sobreadensadas, pode-se alcançar profundidades superiores a 2m (Bruce e Jewell, 1987). Para cortes verticais, Gässler (1990), indicou profundidades de cada estágio de escavação em função do tipo de solo (Tabela 3). Tabela 3. Altura das etapas de escavação (Gässler, 1990) Tipo de solo Incremento de escavação (Hescav) Pedregulho 0,5m (com coesão aparente) 1,5m (solo com cimentação) Areia 1,2m (medianamente compacta, com coesão aparente) 1,5m (compacta, com coesão aparente) 2,0m (com cimentação) Silte 1,2m 2,0m (função do teor de umidade) Argila 1,5m (normalmente consolidada) 2,5m (sobreadensada) Durante as etapas de escavação, o solo deve se manter estável. Assim como em outras técnicas de solo reforçado, a execução de uma estrutura em solo grampeado envolve uma fase crítica durante o processo executivo que corresponde a uma instabilidade local (função da altura de solo a ser escavada). Se o solo não se sustentar pelo período de tempo necessário, sua face recém escavada deve ser estabilizada imediatamente. Onde possível, é recomendado inclinar a face do talude. Isto reduz consideravelmente a armadura do reforço (Dringenberg e Craizer, 1992). Lima Filho (2000) recomenda uma inclinação de 5o a 10o do paramento, em relação à vertical, para obter-se um ganho na estabilidade geral do conjunto na fase construtiva. Outro procedimento que pode ser realizado para minorar os deslocamentos do talude em solo grampeado, durante as etapas construtivas, é a realização da escavação em bermas ou nichos (Figura 6). 43 No Brasil, os grampos são geralmente feitos de aço, do tipo CA-50, DYWIDAG, Incotep ou Rocsolo de 12,5mm a 41mm (Tabela 4). Na Europa, os grampos mais utilizados são feitos de aço tipo DYWIDAG ou GEWI (Tabela 5). Grampos com numeração comercial são usados na América do Norte (Tabela 6). Tabela 4. Tipos de grampos utilizados no Brasil (adaptado de Ortigão e Sayão, 2000) Tipo de aço Tipo de seção Diâmetro da barra (mm) Diâmetro mínimo recomendado do furo (mm) Carga máxima de ensaio (Tensaio) kN Carga de trabalho (Ttrabalho) kN Dywidag Gewi ST 50/55 350 200 Dywidag ST 85/105 Plena 32 100 600 350 12,5 75 55 30 20 100 140 80 25 230 130 Plena 32 100 360 200 25 190 110 CA 50 A Reduzida com rosca 32 100 260 160 Incotep-13-D Reduzida com rosca 22 100 220 125 Incotep-22-D Reduzida com rosca 30 100 380 215 22 210 125 25 280 165 28 100 360 200 38 660 375 Rocsolo ST 75/85 Plena 41 125 890 510 44 Tabela 5. Dimensões e propriedades típicas de grampos injetados em obras na Europa (Bruce e Jewell, 1987) Tipo de aço Diâmetro da barra (mm) Tensão mínima de escoamento (N/mm2) Tensão limite de escoamento (N/mm2) DYWIDAG 26,5 32,0 36,0 835 1030 DYWIDAG 26,5 32,0 36,0 1080 1230 GEWI 22,0 25,0 28,0 40,0 420 500 Tabela 6. Dimensões de grampos injetados em obras na América do Norte (Bruce e Jewell, 1987) Diâmetro da barra (mm) Número de designação da barra Polegadas mm Peso em kg/m 5 6 7 8* 9* 10* 11* 14* 18* 0,63 0,75 0,88 1,00 1,13 1,25 1,38 1,75 2,26 15,9 19,1 22,2 25,4 28,7 31,8 35,0 44,5 57,2 1,55 2,24 3,05 3,98 5,07 6,41 7,92 11,4 20,3 Tensão mínima de escoamento=415N/mm2 * Mais utilizados As técnicas mais utilizadas para a instalação dos grampos são: Grampos Injetados: As barras são posicionadas no maciço após a execução de um pré-furo (em geral de 70 a 120mm de diâmetro) e segue-se a injeção da calda do grampo. É prática comum, instalar próximo à barra um ou mais tubos de injeção, perdidos, de polietileno ou similar, com diâmetros de 8 a 15mm, providos de válvulas a cada 0,5m, a até 1,5m da boca do furo. A quantidade de tubos depende das fases de injeção previstas, e deve-se considerar um tubo para cada fase. O material constituinte da injeção (na perfuração preexistente) é nata de cimento (relação água-cimento em torno de 0,5 em peso) ou argamassa. Em alguns casos, após um mínimo de 12 horas, faz-se uma reinjeção do chumbador, por meio do tubo de injeção perdido, anotando-se a pressão máxima de injeção e o volume de calda absorvida. Não se executa a reinjeção, a não ser que haja dois ou mais tubos de injeção perdidos. 45 A calda de injeção deverá atender ao projeto, não contendo cimentos agressivos aos grampos. Como fluido de perfuração e limpeza do furo, poderá ser utilizado água ou ar. Alternadamente, pode se optar por trados helicoidais. O sistema mais comum é aquele com a utilização de ar comprimido, também utilizado para o concreto projetado. A depender da profundidade do furo, diâmetro e área de trabalho, pode-se optar por perfuratrizes tipo sonda, “crawlair”, “wagon drill”, ou até martelos manuais (Zirlis e Pitta, 1992). Se as barras dos grampos forem de aço, estas devem receber tratamento anticorrosivo (resinas epóxicas ou pintura eletrolítica). No caso da utilização de barras de plástico reforçadas por fibras, não há necessidade de tal procedimento, pois este material é imune à corrosão. Ao longo das barras, devem ser dispostos elementos centralizadores, tipicamente a cada 2 ou 3m, para evitar o contato do elemento de reforço com o solo. O elemento de reforço deve estar centrado e com recobrimento de nata totalmente assegurado. É possível o uso de grampos de diversos comprimentos e em praticamente qualquer tipo de solo. De fato, esta é uma técnica possível para grampos longos e em solos onde os grampos cravados (descritos a seguir) não podem ser executados. A instalação por grampos injetados é o tipo mais comum no Brasil. Na França, até a década de 90, mais da metade das obras em solo grampeado foram realizadas desta forma (Clouterre, 1991). Grampos Cravados: Consiste na cravação por percussão de barras ou tubos metálicos ou perfis metálicos esbeltos com auxílio de martelete, o que leva a um processo de execução mais rápido, porém com menor resistência ao cisalhamento no contato solo-grampo (valores típicos da ordem de 30 a 40kPa). Em alguns casos pode ser empregado martelete manual no processo de cravação. O tipo de instalação por cravação não é recomendado quando há ocorrência de pedregulhos, nem no caso das argilas porosas, como as de São Paulo e de Brasília, onde a resistência mobilizada é reduzida. Há também limitações no comprimento máximo, da ordem de 6m, condicionado à eficiência de cravação do grampo (Ortigão et al., 1993). Os grampos apresentam usualmente rigidez, tal que os esforços cisalhantes e momentos fletores não devem ser desprezados (Schlosser, 1982). Determinados cuidados devem ser considerados no aspecto de proteção contra a corrosão. Em 48 (a) Revestimento de concreto projetado (b) Revestimento de concreto projetado com painéis pré-fabricados (c) Revestimento da face com blocos pré-fabricados do tipo Terrae Figura 10. Revestimento da parede de solo grampeado (Ingold, 2000; Saramago et al., 2005). 49 Figura 11. Suporte circular usando a técnica de solo grampeado (Mitchell e Villet, 1987). Figura 12. Placas pré-moldadas em talude de solo residual (Sigourney, 1996). As telas eletrosoldadas têm servido como armação do concreto projetado. A partir de 1992, têm-se utilizado alternativamente, concreto com fibras metálicas de aço. Estas promovem uma redução da equipe de trabalho e espessura da parede e uma conseqüente economia de 20 a 40% por metro quadrado aplicado (Zirlis et al., 1999). A parede é destinada a evitar a desagregação do solo superficial local e, conseqüentemente, deslocamentos indesejados. A espessura da parede da estrutura depende principalmente do “layout” dos grampos. Em alguns casos uma camada 50 dupla de concreto pode ser aplicada. No Brasil, o revestimento comumente utilizado é o concreto projetado com espessura de 10cm sobre tela metálica (tela soldada de aço CA-60) do tipo Q196 ou similar (Lima Filho, 2000). No caso do revestimento em concreto projetado, sua aplicação depende do correto dimensionamento das redes de condução de ar, vazão e pressão do compressor e principalmente do ajuste da bomba e da projeção manual (Zirlis e Pitta, 1992). A aplicação do concreto projetado pode ser feita por via úmida ou seca. O usual é por via seca por ser mais prático. O trabalho pode ser interrompido e reiniciado sem perdas de material e de tempo para limpeza do equipamento. A elevada energia de projeção produz uma compactação adequada do concreto que colabora para garantir uma alta resistência, bem como o adensamento da capa superficial do solo com uma eficiente colagem. A resistência à compressão do concreto projetado, associada ao tempo de cura é apresentada na Figura 13. Mais detalhes sobre a aplicação do concreto projetado por via úmida e via seca podem ser vistos em Zirlis e Pitta (1992), Byrne et al. (1998) e Hachich et al. (1999). Figura 13. Resistência à compressão simples do concreto projetado (Byrne et al., 1998). As fases de escavação, instalação dos grampos e estabilização da face são repetidas até completar a escavação projetada. Sistemas de drenagem devem ser previstos quando se utiliza a técnica de solo grampeado. A prática usual recomenda a execução dos dispositivos convencionais de drenagem profunda e de superfície. Estes dispositivos devem ser considerados na fase de projeto, de forma a evitar o fluxo interno de água e devem ser instalados antes da construção da parede de concreto. 53 considerações técnicas no projeto de sistemas de drenagens, em escavações grampeadas. Outro problema comum das obras de contenção consiste na falta de manutenção. É preciso checar, por exemplo, se as canaletas do sistema de drenagem estão trincadas, se a água está correndo por ali, se há muito sujeira e se os barbacãs estão em bom estado e/ou desobstruídos. Cuidar da proteção natural ou artificial é outro item importante de manutenção. A vegetação, por exemplo, protege a superfície do terreno contra a erosão e dificulta a penetração de águas pluviais no solo. Figura 17. Canaletas de crista em estruturas de solo grampeado (Ingold, 2000). É também conveniente executar uma pequena ficha, com o próprio paramento, abaixo do nível final da escavação, evitando a possibilidade de carreamento de finos por ação de infiltração de água, além de manter o solo confinado atrás do paramento. Garante-se assim a estabilidade no pé do talude em solo grampeado. A profundidade da ficha (f) depende essencialmente da qualidade do terreno, bem como da geometria do paramento. Para efeito de projeto, pode-se adotar f=0,20m para alteração de rocha e f=0,40m para solos em geral (Lima Filho, 2000). Não existe até o presente momento normalização brasileira que regulamente a execução de estruturas em solo grampeado. Dias (1992) apresenta uma sugestão de procedimentos básicos para a execução de estabilização de taludes com solo grampeado, estruturado nos moldes da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), com a finalidade de subsidiar a elaboração de uma futura norma sobre o assunto. O manual técnico publicado pela GeoRio (Ortigão e Sayão, 2000) sugere inúmeras recomendações para projetos em solo grampeado. Outras recomendações foram publicadas em Clouterre (1991 e 2002), Byrne et al. (1998), Gerscovich et al. (2002), Pitta et al. (2003), Lazarte et al. (2003) e Tan e Chow (2004). 54 2.1.5. Aplicação da técnica no exterior A primeira construção na França foi realizada em Versalhes em 1972. Consistiu numa estrutura temporária com alta densidade de grampos curtos, com comprimentos de 4 a 6m. O solo era constituído de arenito de Fontainbleau (φ’=33o a 40o e c’=20kPa). O espaçamento entre grampos foi de 70cm. Os reforços foram injetados em furos de cerca de 100mm de diâmetro em talude de 70o de inclinação (Figura 18). Grandes estruturas em solo grampeado na França foram realizadas em Montpellier (1985) e na construção da linha do trem de grande velocidade TGV (em 1990) (Clouterre, 1991). As Figuras 19a e 19b ilustram estas obras. Figura 18. Primeira estrutura em solo grampeado na França (Clouterre, 1991). Em 1972, nos Estados Unidos, foi realizada uma escavação de 13,7m de profundidade, gerando 2.140m2 de talude vertical a ser contido. O solo era caracterizado por sedimentos medianamente compactos a compactos de areia fina e silte (φ’=36o a 40o e c’=20kPa). Sendo uma obra pioneira, um grande número de instrumentos e estudos foram executados (Zirlis e Pitta, 1992). Mais recentemente, Armour e Cotton (2003) fizeram um relato dos avanços e da experiência americana em solo grampeado nos últimos 15 anos, descrevendo aspectos interessantes, tais como a utilização de grampos subverticais em áreas densamente construídas. O primeiro experimento em grande escala na Alemanha (Stocker et al., 1979) foi uma construção usando grampos injetados que foram carregados até a ruptura por uma sobrecarga no topo da parede da estrutura. O desenvolvimento da técnica neste país tem sido liderado pelo especialista Karl Bauer em associação com o “Institut fur Bodenmechanik und Felsmechanik” (IBF), da Universidade de Karlsruhe, 55 com o suporte financeiro do Ministério de Pesquisa e Tecnologia. Em quatro anos de programa, com início em 1975, oito programas de instrumentação de obras em solo grampeado foram realizados e analisados (Stocker et al., 1979). Em 1981, mais de 20 projetos foram desenvolvidos com sucesso, confirmando a viabilidade técnica e econômica de estruturas em solo grampeado (Gässler e Gudehus, 1981). Gässler (1990) relatou a execução de obras em solo grampeado com 23m de altura. (a) Montpellier (H=21m) (b) TGV (H=28m) Figura 19. Estruturas grampeadas na França (Ortigão e Palmeira, 1992). Shen et al. (1981) relataram a execução de inúmeras obras em solo grampeado, a partir de 1976, em diversas condições de solo no oeste do Canadá. Resultados da pesquisa e monitoramento de uma estrutura em solo grampeado, incluindo ensaios em centrífuga, modelagem numérica e instrumentação de campo foram publicados no seu trabalho. Outros resultados experimentais com a realização de ensaios em centrífuga podem ser vistos nos trabalhos de Vucetic et al. (1993), Zornberg et al. (1997) e Allersma e Bartsch (2004). O solo grampeado é atualmente, uma técnica também bastante difundida no continente Asiático, especialmente no Japão. Powell e Watkins (1990) demonstraram a eficiência da técnica de solo grampeado em diversas obras em Hong Kong. Os casos estudados comprovaram a viabilidade econômica da técnica para estabilização de taludes naturais, nos quais os grampos podem ser instalados sem grandes perturbações do maciço de solo. O emprego freqüente desta técnica, em Hong Kong, está documentado em HKIE (2003). Barley (1993) reportou sete casos de obras em solo grampeado realizadas na Grã-Bretanha, entre os anos de 1985 e 1991. A técnica foi utilizada para a estabilização de taludes naturais ou resultantes de processo de escavação. Hall 58 Zirlis e Pitta (1992) descreveram 8 casos de obras permanentes em solo grampeado em taludes resultantes de processo de escavação e em taludes naturais. Em todos os casos foram previstos sistemas de drenagem superficial (canaletas, caixas de passagem e barbacãs) e, eventualmente, drenos subhorizontais profundos. Concreto projetado Grampos 9m 6m 9m 6m 16m 14m 12m 16m 14m 17 m 16 m Concreto projetado 35 m ancoragens convencionais Figura 21. Escavação estabilizada com grampos e tirantes em Niterói - RJ (Ortigão e Sayão, 2000). Concreto projetado Grampos 0 10 m 10m 20m 25m 26 m Figura 22. Talude grampeado sob a fundação de viaduto ferroviário (Ortigão et al., 1992a). Ainda em 1992 foi realizada a primeira experiência em solo grampeado da GeoRio de caráter exclusivamente experimental, representada por uma contenção em solo grampeado com 5m de altura no Morro da Formiga (Figura 23), conforme relatado por Ortigão et al. (1992a) e Ortigão e Sayão (2000). Solo residual de gnaisse Filito alterado 59 5m Grampos φ 32mm L=3m furo φ 75mm espaçamento horizontal e vertical 1,5m inclinação dos grampos 20° Saprolito de gnaisse Figura 23. Muro experimental no Morro da Formiga (Ortigão e Sayão, 2000). A Figura 24 ilustra, em planta e seção, a primeira obra projetada e executada pela Fundação GeoRio. A obra, realizada em 1996, constituiu-se em 2.500m2 de estabilização com solo grampeado em uma encosta da avenida Automóvel Clube. Os grampos tiveram comprimentos de 4 e 6m, com barras de aço de 25mm de diâmetro. 4 m 6 m Aterro Argila siltosa de média a dura construção construção H=11 m Concreto projetado Figura 24. Talude grampeado, Av. Automóvel Clube (Ortigão e Sayão, 2000). Várias obras de contenção com solo grampeado foram executadas em encostas da Linha Amarela (RJ), construída entre 1995 e 1997. Pinto e Silveira (2001) relataram as contenções aplicadas no Lote 2, que incluíram 9.380m2 de construção em solo grampeado. Neste caso, a solução foi utilizada para a contenção de taludes de corte, que atingiram até 20m de altura em solo residual e rocha alterada (Figura 25). Em muitos casos, esta solução substituiu a cortina atirantada, sobretudo quando não havia restrições quanto à deformação na crista do talude. O 60 solo grampeado, por não ter barras protendidas, não inibe as deformações do terreno do mesmo modo que as cortinas atirantadas. Mureta Saprolito Rocha alterada 20m 0 5 m 3 m Rocha sã Concreto projetado 80mm 6 m 8 m Figura 25. Solo grampeado, Linha Amarela - RJ (Ortigão e Sayão, 2000). Reis e Costa (2001) aplicaram a técnica de solo grampeado para contenção no pé de alguns taludes, devido a algumas instabilizações localizadas, na obra de implantação do metrô de Brasília, DF. Azambuja et al. (2001 e 2003) relataram o desenvolvimento de dois projetos de contenção em solo grampeado em Porto Alegre, RS. O primeiro caso descrito apresentou uma escavação tipo caixão com 350m de extensão e alturas variando entre 3,5m a 11m. O segundo caso apresentou soluções com solo grampeado em vários taludes de até 4m de altura, totalizando 70m de extensão. Diversos projetos em solo grampeado com revestimento vegetal foram publicados por Gotlieb e Alonso (1997) e Alonso e Falconi (2003). Nesses trabalhos, foram apresentadas soluções de estabilização economicamente mais competitivas, substituindo o revestimento de concreto projetado por vegetação rasteira. Algumas aplicações da técnica de solo grampeado em restaurações e reparações de muros de arrimos rompidos podem ser vistas em Hosken (2003). 63 Tabela 8. Parâmetros típicos de maciços grampeados (solos diversos) em obras nacionais (Hachich et al., 1999; Azambuja et al., 2001 e 2003; Pinto e Silveira, 2001; Pitta et al., 2003; Hosken, 2003; Soares e Gomes, 2003; Décourt et al., 2003a e 2003b; Moraes e Arduino, 2003; Lozano e de Castro, 2003, Alonso e Falconi, 2003; Oliveira et al., 2005; Lima Filho et al., 2005; Sandroni e da Silva, 2005) Talude Grampo β altura L φaço φfuro α sh sv hparede Tipo de Material graus m m mm mm graus m m mm 90 9,7 5,0 20 - - 1,5 1,5 150 90 6,0 4,0 20 - - 1,4 1,0 70 Areia Argilosa 90 12,0 8,0 20 - - 1,2 1,2 - Areia Siltosa 90 14,0 8,0 - - - 1,3 1,3 80 Média 90 10,4 6,3 20 - - 1,3 1,2 100 Máximo 90 14,0 8,0 20 - - 1,5 1,5 150 Mínimo 90 6,0 4,0 20 - - 1,2 1,0 70 83 6,5 8,0 20 - - - - 70 90 4,7 4,0 20 - - - - 70 Argila Arenosa - - 3,5 a 6 20 - - - - - Média 86 5,5 6,0 20 - - - - - Máximo 90 6,5 8,0 20 - - - - - Mínimo 83 4,7 4,0 20 - - - - - Argila Orgânica Siltosa 90 4,8 3,0 a 6,0 20 - - 1,2 1,0 150 90 13,5 9,0 a 13,5 20 - - 1,3 1,4 80 90 12 3,8 a 10 20 - - 1,3 1,4 80 90 10,7 8,0 20 - - - - 120 90 4,2 8,0 20 - - - - 100 Argila Porosa 90 6,8 a 11,8 4,0 a 10,0 16 e 20 - - 1,5 1,5 70 Média 90 9,0 8,0 20 - - 1,3 1,3 100 Máximo 90 13,5 8,0 20 - - 1,5 1,5 150 Mínimo 90 4,2 8,0 20 - - 1,2 1,0 70 75 12,5 3,6 a 7,0 20 75 15 2,0 1,5 100 90 7,5 5,0 20 - - - - 70 90 6,0 4,0 a 6,0 13 a 20 - - 1,3 1,3 80 90 5,1 4,0 20 - - 1,3 1,3 70 90 11,0 7,0 20 - - - - 70 90 4,0 4,0 20 - - 1,0 1,0 75 Silte Arenoso 90 7,0 6,0 25 - - 1,0 1,0 80 90 6,0 4,0 20 - - 1,0 2,1 100 90 12,0 10,0 - - - - - - Silte 60 7,0 a 16,0 6,0 a 10,0 25 75 30 1,5 1,5 100 Média 85 7,9 5,7 20 75 22,5 1,3 1,4 82 Máximo 90 12,5 10,0 25 75 30 2,0 2,1 100 Mínimo 60 4,0 4,0 20 75 15 1,0 1,0 70 64 Tabela 9. Parâmetros típicos de maciços grampeados (solos diversos) em obras nacionais (Hachich et al., 1999; Azambuja et al., 2001 e 2003; Pinto e Silveira, 2001; Pitta et al., 2003; Hosken, 2003; Soares e Gomes, 2003; Décourt et al., 2003a e 2003b; Moraes e Arduino, 2003; Lozano e de Castro, 2003, Alonso e Falconi, 2003; Oliveira et al., 2005; Lima Filho et al., 2005; Sandroni e da Silva, 2005) Talude Grampo β altura L φaço φfuro α sh sv hparede Tipo de Material graus m m mm mm graus m m mm 85 13,3 8,0 20 - - - - 70 74 13,0 8,0 20 - - - - 90 80 14,0 8,0 20 - - - - 90 90 4,0 10,0 20 - - - - - 90 4,0 8,0 20 - - - - 80 74 e 90 7,5 8,0 20 - - - - 100 - 3,3 3,0 20 - - - - 70 90 7,4 8,0 20 - - - - 100 90 6,7 6,0 20 - - - - 100 90 5,9 5,0 16 - - - - 70 90 7,0 5,0 16 - - - - 70 90 6,0 5,0 16 - - - - 70 90 7,9 6,0 16 - - - - 70 90 7,0 5,0 16 - - - - 70 90 7,0 7,0 16 70 Argila Silto- Arenosa 90 5,4 a 9,7 4,0 a 9,0 20 - - 1,2 1,2 70 Média 88 7,6 6,7 20 - - 1,2 1,2 80 Máximo 90 14,0 10,0 20 - - 1,2 1,2 100 Mínimo 74 3,3 3,0 16 - - 1,2 1,2 70 90 7,0 5,0 20 - - 1,5 1,5 80 90 10,2 8,0 20 - - 1,5 1,5 70 90 8,0 6,0 20 - - 1,2 1,1 70 90 8,0 6,0 20 - - 1,2 1,2 70 90 6,0 a 9,5 4,0 a 6 20 - - 1,3 1,1 70 60 13,0 7,0 20 - - - - 50 / 70 100 35 a 65 14,2 8,0 20 - - - - 70 90 7,9 8,0 20 - - - - 100 90 5,6 4,0 20 - - - - 70 80 5,0 6,0 20 - - - - 70 90 7,1 6,0 20 - - - - 100 90 6,1 5,0 16 - - - - 70 90 7,6 4,0 16 - - - - 70 90 6,0 5,0 20 - - 1,2 1,2 70 90 10,7 8,0 20 - - - - 70 84 9,8 4,0 20 - - - - 70 Argila Siltosa 70 e 90 8,3 8,0 20 - - - - 100 Média 87 8,4 6,1 20 - - 1,3 1,3 76 Máximo 90 14,2 8,0 20 - - 1,5 1,5 100 Mínimo 60 5,0 4,0 16 - - 1,2 1,1 70 65 Tabela 10. Parâmetros típicos de maciços grampeados (solos diversos) em obras nacionais (Hachich et al., 1999; Azambuja et al., 2001 e 2003; Pinto e Silveira, 2001; Pitta et al., 2003; Hosken, 2003; Soares e Gomes, 2003; Décourt et al., 2003a e 2003b; Moraes e Arduino, 2003; Lozano e de Castro, 2003, Alonso e Falconi, 2003; Oliveira et al., 2005; Lima Filho et al., 2005; Sandroni e da Silva, 2005) Talude Grampo β altura L φaço φfuro α sh sv hparede Tipo de Material graus m m mm mm graus m m mm 90 4,5 6,0 20 - - 1,1 1,1 70 90 10,0 8,0 20 - - 1,0 1,4 100 75 11,0 5,5 a 9,0 20 - - 1,5 1,3 100 90 6,0 4,0 20 - - 1,5 1,5 70 90 4,2 6,0 20 - - 1,4 1,3 100 70-90 2,0 a 7,5 6,0 20 - - 1,5 1,5 80 90 5,0 5,0 20 - - 1,2 1,3 70 75 7,0 6,0 20 - - 1,2 1,5 70 Colúvio 60 6,4 5,0 20 - - 1,2 1,3 70 Média 83 6,8 5,8 20 - - 1,3 1,4 80 Máximo 90 11,0 8,0 20 - - 1,5 1,5 100 Mínimo 60 4,2 4,0 20 - - 1,0 1,1 70 Tabela 11. Parâmetros típicos de maciços grampeados (solos diversos) em obras nacionais (Hachich et al., 1999; Azambuja et al., 2001 e 2003; Pinto e Silveira, 2001; Pitta et al., 2003; Hosken, 2003; Soares e Gomes, 2003; Décourt et al., 2003a e 2003b; Moraes e Arduino, 2003; Lozano e de Castro, 2003, Alonso e Falconi, 2003; Oliveira et al., 2005; Lima Filho et al., 2005; Sandroni e da Silva, 2005) Talude Grampo β altura L φaço φfuro α sh sv hparede Tipo de Material graus m m mm mm graus m m mm 90 11,0 3,0 a 12,0 20 100 - 1,3 a 2,0 1,3 a 2,0 120 55 25,0 4,0 25 75 35 2,0 1,5 70 75 17,0 6,0 e 9,0 25 90 15 1,5 1,5 150 50 18,5 5,0 20 75 - 2,0 2,0 50 60 12,4 5,0 20 75 30 2,0 2,0 50 60 12,0 8,5 25 75 30 2,5 2,0 70 60 15,0 7,0 20 75 30 2,5 2,5 50 75 9,0 5,0 25 50 15 1,5 1,5 100 70 10,7 4,0 25 75 20 1,5 0,8 100 70 11,1 6,0 25 75 20 2,0 2,0 70 75 10,0 4,0 16 75 15 2,0 1,5 60 60 6,0 3,0 20 75 30 1,5 1,5 70 80 10,0 5,5 20 75 10 2,0 1,5 50 75 11,5 5,5 20 75 15 2,0 1,5 100 90 8,5 6,0 20 75 - 1,5 1,5 100 70 8,0 5,5 20 75 20 1,5 1,5 70 70 8,0 4,0 20 75 20 2,0 1,5 70 90 6,0 6,0 25 100 - 1,3 1,5 100 90 4,0 3,0 20 100 - 1,5 2,0 70 Solo Residual 90 4,0 3,0 20 100 - 1,5 2,0 70 68 atirantadas. Nos Estados Unidos, grampos injetados podem custar de 10% a 30% menos que a técnica de cortina atirantada. A Tabela 12 apresenta uma faixa de valores para a execução de obras em solo grampeado nos Estados Unidos (Byrne et al., 1998). Vale ressaltar que o custo para a execução de uma contenção em solo grampeado é função de vários fatores, tais como o tipo de solo, a acessibilidade ao local, a altura da contenção, o tipo de material da face da escavação, o tratamento contra corrosão dos grampos e a vida útil da estrutura (temporária ou permanente). Tabela 12. Custo médio para execução de solo grampeado nos EUA (Byrne et al., 1998) Estruturas Custo temporárias U$200 – U$300 / m2 permanentes U$300 – U$600 / m2 Em comparação com a técnica de micro-estacas em solos homogêneos arenosos, a técnica de solo grampeado mostra-se mais econômica. Bruce e Jewell (1986) concluem que, para uma mesma geometria do talude, em solo arenoso, a densidade de inclusões horizontais (grampos horizontais) é bem mais reduzida que a de inclusões verticais (micro-estacas). Comparações com a técnica de solo reforçado mostram que estruturas em solo grampeado podem apresentar custos menores (Ingold, 1995). Tozatto (2000), em estudos sobre 7 estruturas de contenção de baixa altura (H=3m), aponta a solução em solo grampeado, como sendo bastante atraente, com custo superior apenas ao da solução de muro de gravidade em solo-cimento (Figura 27); Figura 27. Classificação em ordem crescente de custos das estruturas de contenção estudadas (Tozatto, 2000). 69 2. Adaptabilidade às condições locais. Devida à utilização de equipamentos de pequeno e médio porte, que permitem a execução do solo grampeado em locais de difícil acesso (Moraes e Arduino, 2003; Soares e Gomes, 2003; Erhlich, 2003; Lima Filho et al., 2005). Em grampos injetados, as perfurações são realizadas com equipamentos pesando entre 50 e 1000 kgf (Zirlis e Pitta, 1992); 3. Flexibilidade. Estruturas em solo grampeado são flexíveis e compactas, apresentando adequada resistência a esforços dinâmicos. Conseqüentemente, esta técnica mostra-se interessante em regiões sujeitas a terremotos (Shen et al., 1981); 4. Redução da quantidade de equipamentos e materiais de construção. A execução de solo grampeado requer apenas o uso de equipamentos leves de uma máquina para escavação de terra, uma máquina perfuradora e um equipamento de injeção. A bancada para o posicionamento do equipamento de perfuração/cravação deve ter pelo menos 6m de comprimento (Bruce e Jewell, 1987); 5. Rapidez de construção. Os trabalhos de escavação, perfuração e injeção podem ser realizados simultaneamente em posições diferentes da frente de trabalho; 6. Adaptabilidade a solos heterogêneos. Apesar da utilização dominante da técnica em solos homogêneos, uma estrutura em solo grampeado pode ser executada em solos heterogêneos, observando-se que a densidade, espaçamento, orientação e comprimento dos grampos variará conforme a resistência. Experiências bem sucedidas têm sido reportadas em taludes grampeados em solos residuais (Sigourney, 1996; Wong et al, 1997; Pinto e Silveira, 2001; Tozatto et al., 2001; Bernardes et al., 2004; Sayão et al., 2005); 7. Possibilidade de ajuste do projeto. Com o avanço das escavações e o conhecimento do material exposto durante a escavação, o sistema de solo grampeado permite adaptações do projeto. Essa dinâmica do projeto em meio à obra é, talvez, um dos grandes méritos do sistema de contenção em solo grampeado (Azambuja et al., 2001); 70 Por outro lado, a técnica de solo grampeado apresenta certas desvantagens, tais como : 1. Movimentações lateral e vertical inerentes à técnica. Deslocamentos laterais e verticais constituem uma limitação que é particularmente importante em áreas urbanas devido à presença de estruturas vizinhas. Em geral este limite é de 0,30% a 0,50%H, onde H é a altura da escavação. Em casos onde estas distorções são inaceitáveis, o projeto pode incluir ancoragens pré-tencionadas no topo do talude em solo grampeado. Devem-se medir os deslocamentos em todas as fases de construção e os manter dentro dos limites de tolerância pré- definidos; 2. Uso não recomendado em solos abaixo do nível d’água, tendo em vista a dificuldade de escavação. Neste tipo de situação pode-se manter o NA rebaixado, no entanto a presença do NA “a posteriori” poderia acarretar a problemas de instabilidade do talude, assim como, de durabilidade dos grampos; 3. Uso pode ser dificultado em certas condições de solo: areias sem coesão aparente, ou em solos contendo uma alta porcentagem de argila, onde o teor de umidade poderia aumentar depois da construção, devido ao possível ingresso de água que acarretaria uma perda da resistência do solo e, conseqüentemente, uma significativa redução da resistência ao cisalhamento solo/grampo (Bolton e Stewart, 1990; Davis e Morgan, 2005). Um decréscimo nos valores de resistência ao cisalhamento na interface solo-grampo pode se tornar evidente se, depois da construção, o solo se tornar saturado (Schlosser e Unterreiner, 1990). Em solos não-coesivos, não é possível garantir a estabilidade de escavações verticais (estas escavações, com cerca de 1 a 2m de altura, devem se manter estáveis por um ou dois dias, em média). A eficácia do solo grampeado pode não ser comprovada em solos argilosos de menor consistência, com N(SPT) inferior a 10 golpes, pela dificuldade de se manter a face da escavação estável antes da execução do concreto projetado (Clouterre, 1991); 4. Vida útil em ambientes agressivos ou sujeitos à fluência. Considerando tanto estruturas temporárias quanto permanentes, particular atenção deve ser dada ao tempo que os grampos serão utilizados em solos corrosivos (ambientes agressivos) e para movimentos a longo prazo na estrutura, particularmente associado ao fenômeno de “creep” nos solos. Em argilas moles, com LL maior que 20% e resistência não-drenada (Su) menor que 50kPa, não se 73 grampos. Ao contrário, na terra armada, as tiras de reforço são completamente flexíveis e opõe-se apenas a esforços de tração (Schlosser, 1982; Bastick, 1990). Com relação à natureza do solo, em reforços com terra armada, o tipo de solo do reaterro é um solo granular, homogêneo, com predominância de partículas de diâmetro reduzido. Seu teor de umidade é mantido controlado e com valores relativamente baixos. Ao contrário, em paredes de solo grampeado, o solo é aquele do terreno natural. Muitas vezes são heterogêneos, apresentando teor de umidade elevado (Schlosser, 1982). Com relação às similaridades entre as duas técnicas, deve-se citar: • O elemento de reforço é introduzido no solo sem pré-tensão; as forças desenvolvidas nos reforços surgem quando da ocorrência de deformações no solo; • As forças desenvolvidas nos reforços são sustentadas pelo atrito entre o solo e o elemento de reforço; • A face de ambas as estruturas (concreto projetado para solo grampeado e elementos pré-fabricados para terra armada) não apresentam função estrutural; • As estruturas em solo grampeado e terra armada são sistemas consistentes e flexíveis. Por esta razão, elas oferecem vantagens em situações de terremotos. Em ambas as estruturas, verifica-se uma alta resistência das mesmas em relação a esforços dinâmicos (efeitos sísmicos) (Choukeir et al., 1997; Jones, 1998; Tufenkjian e Vucetic, 1992). solo grampeado x cortina atirantada Podem-se citar algumas comparações entre as duas técnicas, tais como: • As ancoragens são tencionadas após a instalação no terreno e idealmente evitam os movimentos na estrutura. Em contraste, estruturas em solo grampeado não são pré-tensionadas e requerem uma pequena deformação no solo para trabalharem. Sendo assim, os mecanismos de transferência de carga também apresentam diferenças marcantes, conforme mostra a Figura 30. Basicamente, os grampos são intervenções com um trabalho inicial passivo, enquanto os tirantes começam a trabalhar ativamente. Ao contrário do preconizado na teoria clássica de empuxos de terra, os termos “ativo” e “passivo” referem-se à forma de mobilização dos esforços nos grampos. • Os grampos estão em contato com o terreno em todo o seu comprimento (tipicamente de 3 a 10m) enquanto que as ancoragens transferem a carga ao longo do comprimento de ancoragem; 74 • A densidade de grampos é tipicamente mais elevada que a de tirantes (1 grampo a cada 0,5 a 5m2); • As cargas elevadas aplicadas nos tirantes durante a execução exigem a instalação de placas de ancoragens para evitar o puncionamento. Nos grampos são colocados, eventualmente, pequenos suportes apenas (placas metálicas); • Os tirantes são geralmente mais longos (15 a 45m) que os grampos e deste modo, necessitam de equipamentos mais pesados; • A cortina atirantada apresenta um maior grau de confiabilidade em função da fixação de critérios para execução e controle através de ensaios aos quais os tirantes devem ser submetidos (NBR 5629/96). No caso de solo grampeado, raríssimas vezes os grampos são testados e, quando o são, o número de ensaios é insignificante em relação à área estabilizada (Falconi e Alonso, 1996); Zona passiva Zona ativa RevestimentoConcreto armado máxT Ancoragens Cortina Atirantada Solo Grampeado Figura 30. Mecanismos de transferência de carga (Ortigão e Sayão, 2000). Maiores detalhes sobre as diferenças conceituais e a prática de execução de contenções de taludes com tirantes ou grampos, podem ser vistos no trabalho de Dias et al. (2006). Estruturas mistas Estruturas mistas são estruturas de contenção nas quais o reforço do solo “in situ” combina a técnica de solo grampeado com outros métodos de contenção (cortina atirantada, muros de peso, terra armada, sistemas de contraventamento, etc.). A Figura 31 ilustra alguns exemplos típicos. Em geral, o objetivo de uma estrutura mista é limitar os deslocamentos laterais do maciço reforçado ou a instabilidade em estruturas de altura elevada. 75 Podem ser utilizadas em casos de alturas de escavação elevadas ou quando se confronta com problemas de instabilidade devido à presença de fluxo d’água. (a) 1 tirante + grampos (b) 3 tirantes + grampos (d) 2 tirantes + grampos (d) 2 tirantes superiores + grampos Figura 31. Estruturas mistas (Bastick, 1990; Clouterre, 1991). 2.1.9. Durabilidade de estruturas grampeadas A corrosão é um dos mais importantes fenômenos associados à durabilidade de obras em solo grampeado. Em estruturas permanentes, a proteção contra o efeito de corrosão nos grampos deve ser considerada. Algumas medidas podem e devem ser tomadas para a proteção das barras de aço (grampos) da corrosão: • Aumento da seção dos grampos; • Proteção com pintura ou revestimentos especiais; • Proteção com separadores/obstáculos de plásticos;