Resistência ao arrancamento de grampos em solo arenoso

Resistência ao arrancamento de grampos em solo arenoso

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IPATINGA 2014

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Faculdade Presidente Antônio Carlos de Ipatinga - UNIPAC, como requisito parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia Civil.

Orientador: Marcelo de Lima Beloni

IPATINGA 2014

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade Presidente Antônio Carlos de Ipatinga – UNIPAC, como requisito parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia Civil.

Aprovada em 05 /08 /2014

Daniel Martins Junior Faculdade Presidente Antônio Carlos de Ipatinga – UNIPAC

Marcelo de Lima Beloni Faculdade Presidente Antônio Carlos de Ipatinga – UNIPAC

Sergio Antônio Pinheiro Faculdade Presidente Antônio Carlos de Ipatinga – UNIPAC

Aos familiares e todos aqueles que de alguma forma contribuíram e acreditaram na possibilidade de realização desse sonho.

Agradecemos a Deus por nos proporcionar esta oportunidade e nos conceder sabedoria, saúde e força para superar as dificuldades.

Agradecemos aos nossos pais que nos ensinaram que o maior bem que se pode dar a um filho é a educação. Agradecemos a eles por nos apoiarem ao longo do curso, por toda a dedicação e amor incondicional, que nos permitiram seguir por essa jornada com força e confiança.

Agradecemos ao nosso orientador e coordenador Marcelo Beloni por ter acreditado num sonho que agora é de todos, pela paciência e a oportunidade, por ter nos mostrado o caminho das obras científicas e que dedicação, presteza e competência conduzem sua profissão.

Agradecemos aos nossos amigos que de alguma forma contribuíram para isso acontecer.

Agradecemos aos nossos amigos de classe e com certeza futuros excelentes profissionais.

Agradecemos aos professores que desempenharam com dedicação as aulas ministradas ao longo de todo o curso de graduação, aos conhecimentos passados por eles, pois eles não se limitaram à sala de aula ou ao exercício profissional, mas por todas as experiências compartilhadas, as palavras de reflexão, formando pessoas mais conscientes e preparadas.

É difícil agradecer todas as pessoas que de algum modo, nos momentos tranquilos ou apreensivos, fizeram ou fazem parte da nossa vida, por isso agradecemos a todos de coração.

“Que os vossos esforços desafiem as impossibilidades lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia impossível” Charles Chaplin

Resumo

A técnica de solo grampeado para contenção de taludes vem sendo cada vez mais empregada nas obras devido às vantagens de execução, economia e segurança. Para implantação de grandes obras localizadas dentro do perímetro urbano normalmente são necessários recursos de contenção mais específicos, no comum cortes de taludes mais inclinados ou escavações, mas para a aplicação desses recursos é fundamental garantir a estabilidade do talude. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o atrito lateral desenvolvido no grampo pela interação sologrampo em solos arenosos, pois esse é o principal elemento de estabilidade do talude. Para obtenção dos valores de qs, foi realizado o estudo do solo pelo ensaio Standard Penetration

Test (SPT) e ensaiados cinco grampos com injeção de calda de cimento. Os valores de qs obtidos nos ensaios de arrancamento para cada grampo foram representados em gráficos de força x deslocamento e comparados com os valores encontrados por formulações empíricas com base no “Nspt” sugeridas por Ortigão (1997), Ortigão et al. (1997) e Springer (2006). Através da análise de qs conclui-se que o método de execução do grampos é a fase mais importante do projeto, para o dimensionamento dos grampos a formulação que mais aproximou dos valores encontrados foi a sugerida por Springer (2006), onde para grampos com reinjeções pode ser dispensado fatores de segurança, contudo para garantir a qualidade e segurança do reforço é indispensável a realização do ensaio de arrancamento para a comprovação dos valores de qs.

Palavras–chave: Solo grampeado. Resistência ao arrancamento.

Abstract

The technique of soil nailing for containment embankments is being increasingly employed in the works due to the advantages of running, economy and safety. For implementation of major works located within the city are usually necessary resources to contain more specific, the common cuts or excavations more inclined slopes, but for the application of these resources is vital to ensure slope stability. This study aimed to evaluate the skin friction developed in the clip by clip-soil interaction in sandy soils, and because this main element slope stability. To obtain the values of qs, the study was carried out by soil test Standard Penetration Test (SPT) and tested five clips with injection of cement grout. qs values obtained in pullout tests for each clip were graphed force versus displacement and compared with the values found by empirical formulations based on "NSPT", suggested by Ortigão (1997), Ortigão et al. (1997) and Springer (2006). Through analysis of qs is concluded that the method of implementation of staples is the most important phase of the project for the design of the clamp over the formulation approached the values was suggested by Springer (2006), where for staples with reinjection safety factors may be waived, however to ensure the quality and safety of reinforcement is essential to implementation of the pullout test to prove the values of qs.

Keywords: Soil clipped. Pullout resistance.

FIGURA 1 – Técnicas de execução de túneis27
FIGURA 2 – Etapas Executivas da técnica de solo grampeado28
FIGURA 3 – Centralizadores de PVC30
FIGURA 4 – Detalhe do contato do grampo para barras de aço maiores que 20 m31
FIGURA 5 – Detalhe do contato do grampo para barras de aço menores que 20 m31
FIGURA 6 – Detalhes construtivos dos grampos injetados32
FIGURA 7 – Ilustração da projeção da face de concreto3
FIGURA 8 – Detalhe da telas de aço e sombras da projeção do concreto34
FIGURA 9 – Detalhe da telas de aço comparado a fibras de aço35
FIGURA 10 – Detalhe do dreno profundo36
FIGURA 1 – Detalhe de dreno superficial37
39
FIGURA 13 – Deslocamentos horizontais de muros40
FIGURA 14 – Esforços em grampos na zona ativa e passiva41
FIGURA 15 – Zona de maior tração no grampo42
FIGURA 16 – Distribuição de tensões e deslocamentos em taludes grampeados43
FIGURA 17 – Mecanismo de ruptura45
FIGURA 18 – Ruptura por arrancamento do grampos45
FIGURA 19 – Ruptura por baixa resistência à tração46
FIGURA 20 – Ruptura na face da estrutura46
FIGURA 21 – Tipos de rupturas em tirantes47
54
FIGURA 23 – Esquema ensaio de arrancamento padrão56
FIGURA 24 – Esquema de montagem típico58
FIGURA 25 – Etapas de execução de sondagem a percussão67
FIGURA 26 – Relatório de sondagem SPT68
FIGURA 27 – Local da área de ensaio de arrancamento69
FIGURA 28 – Perfil e resultado SPT70
FIGURA 29 – Locação dos grampos71

Lista de ilustrações FIGURA 12 – Mecanismos de transferência de carga no solo grampeado e na cortina atirantada FIGURA 2 – Relação entre a tração mobilizada no grampo e a resistência ao arrancamento FIGURA 30 – Trado de diâmetro 100 m............................................................................... 71

FIGURA 32 – Tubo de PVC para garantir a centralização da barra73
FIGURA 3 – Mangueira de reinjeção73
FIGURA 34 – Barra pronta para instalação74
FIGURA 35 – Barras instaladas74
FIGURA 36 – Bomba de lançamento da calda de cimento75
FIGURA 37 – Preenchimento do furo76
FIGURA 38 – Sistema de arrancamento dos grampos7
FIGURA 39 – Sistema de arrancamento dos grampos78
FIGURA 40 – Macaco Hidráulico78
GRÁFICO 1 – Correlação qs, p1 e Nspt para areias48
GRÁFICO 2 – Correlação qs, p1 e Nspt para argilas e siltes48
GRÁFICO 3 – Correlação qs, p1 e NSPT para argilas e siltes49
GRÁFICO 4 – Correlação entre qs e o Nspt50
GRÁFICO 5 – Correlação entre qs e o NSPT para solos residual de gnaisse51
GRÁFICO 6 – Tensão normal x Fator de Carga λ1 (solo residual maduro)53
GRÁFICO 7 – Tensão normal x Fator de Carga λ1* (solo residual jovem)53
GRÁFICO 8 – Gráfico força x deslocamento65
GRÁFICO 9 – Critérios de ruptura usados nos ensaios de arrancamento65
e Zhao6
GRÁFICO 1 – Gráfico força x deslocamento do grampo 181
GRÁFICO 12 – Gráfico força x deslocamento do grampo 282
GRÁFICO 13 – Gráfico força x deslocamento do grampo 382
GRÁFICO 14 – Gráfico força x deslocamento do grampo 483
GRÁFICO 15 – Gráfico força x deslocamento do grampo 584
QUADRO 1 – Altura das etapas de escavações em função do tipo de solo29
QUADRO 2 – Métodos de análise do solo grampeado4
QUADRO 3 – Número de ensaios de arrancamento recomendado pelo Projeto Clouterre60
QUADRO 4 – Estimativa da resistência ao cisalhamento no contato solo-grampos61

FIGURA 31 – Furo com o trado de diâmetro 100 m ............................................................ 72 GRÁFICO 10 – Modelagem da curva experimental do ensaio de arrancamento pela lei de Fran QUADRO 5 – Ensaios de arrancamento em solos brasileiros ................................................. 63

TABELA 2 – Resultado de qs encontrado para os grampos84
TABELA 3 – Comparação entre os valores de qs e a quantidade de injeções85

TABELA 1 – Número de injeções dos grampos ...................................................................... 76 TABELA 4 – Comparação de qs com formulações semiempiricas .......................................... 86

Lista de abreviaturas e siglas

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ABMS – Associação Brasileira de Mecânica dos Solos ABEF – Associação Brasileira Empresas de Engenharia de Fundação e Geotecnia A/C – Fator água cimento As – área de aço CA-50 – Classe de Resistência do aço (50 MPa) D – Diâmetro da perfuração KN – Quilo Newton Kg – Quilograma KPa – Quilo Pascal

Lancorado – Comprimento ancorado MPa – Mega Pascal

NATM – New Austrian Tunneling Method NBR – Norma Brasileira Nspt – Índice de resistência à penetração SPT – Standard Penetration Test tgϕ’ – Ângulo de atrito do solo Tmáx – Carga máxima de ensaio

TLE – Força de arrancamento limite estimado Tmáx – Força axial de tração máxima no grampo qs – Resistência ao arrancamento λ1 – Fator de carga λ1* – Fator de carga para solo ca’ – Adesão da interface σn – Tensão normal aplicada ao grampo tgδ’ – Ângulo de atrito da interface α – Coeficiente de interface c’ – Coeficiente de interface σaço – Tensão de escoamento do aço τ – Carga na cabeça do grampo y – Deslocamento da cabeça do grampo kb – rigidez do grampo β – Inclinação do talude β1 – Fator de ajuste para cálculo do módulo de deformabilidade

1 Introdução23
1.1 Justificativa24
1.2 Objetivo25
1.2.1 Objetivo Geral25
1.2.2 Objetivos Específicos25
2 Revisão bibliográfica27
Solo grampeado27
Etapas construtivas da técnica solo grampeado28
2.2.1 Escavação28
2.2.2 Execução dos grampos29
2.2.3 Face de concreto projetado32
2.2.4 Sistema de drenagem35
Vantagens e desvantagens do uso da técnica de solo grampeado37
Comparação entre técnicas de estabilidade de taludes38
2.4.1 Solo Grampeado x Cortina Atirantada38
2.4.2 Solo Grampeado x Terra Armada40
Comportamento mecânico do solo grampeado41
Tipos de rupturas4
2.6.1 Ruptura externa45
2.6.2 Ruptura interna46
2.6.3 Ruptura mista47
2.6.4 Ruptura dos grampos comparada com os tirantes47
Correlações empíricas47
Ensaios de arrancamento54
2.8.1 Formas de ensaios5
2.8.1.1 Ensaio típico5
2.8.1.2 Ensaios descritos pelo projeto Clouterre57
2.8.2 Esquema de montagem58
2.8.3 Fatores que influenciam na resistência ao arrancamento59
2.8.4 Número de ensaios59
Reinjeção de grampos60

Sumário Resultados típicos de estimativas de qs .................................................................. 61

Método de investigação de solo - Standard Penetration Test (SPT)6
3 Metodologia69
3.1 Execução dos grampos69
3.2 Perfuração dos furos70
3.3 Preparação e inserção das barras72
3.4 Preparação e lançamento da calda de cimento75
3.5 Ensaio de arrancamento de grampos7
4 Resultados e análise81
4.1 Resultado dos ensaios de arrancamento81
4.2 Variação entre a resistência ao arrancamento e o número de injeções85
4.3 Comparação com formulações semiempíricas86
5 Conclusões89

Interpretação dos resultados .................................................................................. 64 Referências bibliográficas ..................................................................................................... 91

23 1 Introdução

As estruturas de contenções são elementos essenciais para várias obras e projetos de engenharia como rodovias, pontes, ferrovias, prédios, usinas, barragens, etc., tendo como objetivo fornecer suporte para o maciço do solo ou rocha visando impedir a ruptura ou escorregamento do mesmo, promovendo assim a estabilidade (EHRLICH E BECKER, 2009).

O solo grampeado é um tipo de estrutura de contenção que segundo Mitchell e Villet (1987) começou a ser utilizado há cerca de 5.0 anos atrás na construção de grandes templos religiosos, casas e contenções de taludes, os materiais empregados nestas obras eram esteiras de cana, cordas, galhos e varas como elementos de reforço.

Landislau Von Rabcewicz em 1945 desenvolveu a técnica conhecida como New

Austrina Tunneling Method (NATM), utilizada como suporte de túneis e galerias, estabilizando o maciço do solo, reduzindo a possibilidade de deslocamento e permitindo o avanço das escavações (ORTIGÃO E SAYÃO, 2000).

De acordo com Pierk e Azevedo (2009), a primeira grande obra com a técnica de grampeamento de solo aconteceu na Alemanha onde foi construída e rompida através da aplicação de sobrecarga em seu topo.

Em 1961 na França, a técnica foi utilizada pela primeira vez na contenção de paredes permanentes em rocha mole, e em 1972 em um processo mais moderno foi aplicada em um talude ferroviário (MAGALHÃES, 2005).

Nos Estados Unidos a primeira obra de solo grampeado foi registrada em 1976 na escavação das fundações do Good Samaritan Hospital em Oregon, mas há indícios que a técnica é aplicada desde a década de 60.

A partir de 1975, a utilização do solo grampeado tomou grande proporção e impulso na França, Alemanha e Estados Unidos, tornando-se em 1979 tema de congressos internacionais, sendo assim divulgada mundialmente (PIERK E AZEVEDO, 2009).

No Brasil, a utilização da técnica foi iniciada de forma empírica baseada nas construções de NATM, sendo que a primeira obra executada no Brasil aconteceu em 1966, onde uma empresa internacional executou a contensão de um talude na barragem Chavantes. Em 1970, a empresa SABESP utilizou o método nos emboques do túnel usando como elementos de estabilização chumbadores curtos, concreto projetado e tela metálica (ABRAMENTO et al., 1998).

Na década de 70, o desenvolvimento do solo grampeado no Brasil se difundiu em grande escala, pois ao contrário das técnicas convencionais de contenção, o solo grampeado oferece vantagens na execução como velocidade, economia e segurança. Por se tratar de uma técnica recente no país, a mesma vem sendo utilizada sem conhecimento detalhado sobre o seu comportamento, sendo ela baseada somente em teorias conservadoras (PROTO SILVA, 2005).

Atualmente a estabilização do maciço rochoso acontece devido à inserção de elementos resistentes a esforços de tração e de cisalhamento denominados grampos, sendo eles barras de aço revestidos por injeção de nata de cimento gerando uma estrutura flexível e permitindo a criação de uma zona plástica, reduzindo as tensões no maciço (ORTIGÃO et al., 1993).

O comportamento do grampo está diretamente ligado com as características mecânicas do solo, isto é, na interação que acontece entre o solo e o grampo. Para determinar a resistência da interação solo-grampo são utilizadas teorias conservadoras sugeridas por alguns autores, sendo aconselhada após a determinação da resistência uma verificação “in loco” pelo ensaio de arrancamento do grampo, analisando se a tensão máxima que o grampo resiste e o atrito lateral unitário estipulado por correlações empíricas se aproxima do real (PROTO SILVA, 2005).

1.1 Justificativa

Devido ao grande número de acidentes causados por deslizamentos de encostas nos últimos anos, como o que aconteceu na zona rural de Sardoá no estado de Minas Gerais, onde ocasionou seis mortes, houve uma preocupação maior no que se diz respeito à contenção destes maciços rochosos.

Com a procura de novas técnicas de contensão e reforço de solo houve um crescente aumento na utilização da técnica de solo grampeado e vários estudos foram feitos procurando formulações para se dimensionar estas estruturas.

Beloni (2010) rompeu 10 grampos com apenas uma injeção de calda de cimento em um terreno de solo residual de gnaisse, e obteve valor médio de resistência ao arrancamento

(qs) de 75,48 kPa. Springer (2006) rompeu 25 grampos sendo nove deles com apenas uma injeção, estes grampos foram realizados em solo residual de gnaisse, onde os grampos com apenas uma injeção obteve valor médio de qs de 128 kPa. Tendo em vista que há poucos estudos sobre a aplicação de solo grampeado em terreno arenoso e que as formulações empregadas no dimensionamento das estruturas apresentam grande variação apesar do tipo de solo serem iguais como observado nos ensaios realizados por Beloni (2010) e Springer (2006), e que esta discrepância pode ser ainda maior se as características do solo e o método de execução não forem compatíveis com os utilizados nos

podendo assim construir obras seguras e econômicas

estudos realizados, à necessidade de se estudar o comportamento dos grampos observando estas variações e avaliando qual formulação é mais recomendada para determinado tipo de solo,

1.2 Objetivo

1.2.1 Objetivo Geral

O presente trabalho tem como finalidade estudar e analisar o comportamento mecânico do grampo em interação com o solo, comparando os métodos de obtenção do valor da tensão máxima proposta por outros autores com o valor encontrado por meio do ensaio de arrancamento do grampo, analisando assim a variação entre os resultados e se os mesmos são satisfatórios, garantindo um fator de segurança mínimo para obras geotécnicas.

1.2.2 Objetivos Específicos

Para alcançar o objetivo geral desse trabalho, os seguintes objetivos específicos serão trabalhados: • Comparar o ganho de resistência obtido nos ensaios com as reinjeções;

• Comparar a resistência ao arrancamento com a dos métodos de pré-dimensionamento propostos por outros autores;

• Verificar se os valores obtidos pelos autores em estudo atendem as condições de segurança exigida para obras geotécnicas.

27 2 Revisão bibliográfica

Solo grampeado

O solo grampeado tem a função de promover a estabilidade de taludes naturais ou de processos de escavações, utilizando elemento estrutural. O grampeamento do solo é uma técnica bastante eficiente quando trata-se de reforço do solo em taludes naturais ou resultantes de processo de escavação. Para se adquirir a estabilidade do maciço do solo são inseridos elementos lineares passivos e semirrígidos, posicionados de modo que tenham resistência a esforços de tração e cisalhamento, estes elementos são denominados grampos, compostos por barras de aço envolvidas por calda de cimento, tubos, microestacas, barras sintéticas de seção cilíndrica ou retangular (ORTIGÃO et al., 1993).

O solo grampeado é uma técnica semelhante à técnica de New Austrina Tunneling

Method (NATM) desenvolvido pelo professor Landislau Von Rabcewiczem 1945, o autor utilizava essa técnica para estabilização de túneis, permitindo o avanço das escavações (ORTIGÃO, 1993).

Ao contrário do conceito convencional dos métodos de contenção que tem como base impedir os deslocamentos do solo através da criação de uma estrutura rígida, gerando gastos elevados com concreto armado, o solo grampeado utiliza a inserção de elementos resistentes à flexo-compressão denominados grampos que são barras de aço com injeção de uma nata de cimento que gera uma estrutura flexível permitindo a criação de uma zona plástica reduzindo as tensões no maciço como pode ser visto na FIG. 1 (ORTIGÃO et al., 1993).

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