Samuel Felipe Mollepaza Tarazona

Análise numérica da técnica “compaction grouting” aplicada a uma argila mole com

recurso a drenos verticais

Rio de JaneiroJaneiro de 2014

2

Sumário

1 Introdução 10

1.1. Objetivo 11

1.2. Estrutura 11

2 Revisão Bibliográfica 13

2.1. Descrição do Problema 14

2.2. Técnicas de Melhoramento de solos 15

2.2.1. Compactação 15

2.2.2. Reforço 21

2.2.3. Fixação 24

2.3. Fundamentos teóricos do fenômeno de Adensamento 29

2.3.1. Teoria de Biot (1941) 29

2.3.2. Adensamento Unidimensional 29

2.3.3. Adensamento Tridimensional 29

2.3.4. Efeito Mandel-Cryer 29

2.3.5. Adensamento Radial para Drenos Verticais 29

3

3 Modelagem Numérica 30

3.1. Modelos Constitutivos 30

3.1.1. Modelo Elástico 31

3.1.2. Modelo Soft Soil 31

3.2. Geometria dos modelos e Condições de Fronteira 31

3.2.1. Adensamento Vertical 32

3.2.2. Adensamento Radial com condição de Fronteira drain 32

3.2.3. Adensamento Radial com dreno de material solo 33

3.2.4. Adensamento Radial combinada com condição de fronteira drain 34

3.2.5. Adensamento Radial combinada com dreno de material solo 34

3.3. Materiais 34

3.4. Fases de Carregamento 35

4 Analise de Resultados 70

4.1. Introdução 70

4.2. Adensamento Vertical 70

4.3. Adensamento Radial 71

4.3.1. Análise de Modelos Elásticos 71

4.3.2. Análise de Modelos em Soft Soil 73

4.4. Adensamento Combinado (radial + vertical) 73

4.4.1. Verificação da influência da base rígida na eficiência da técnica 74

4.5. Comparação da análise numérica com a solução analítica 74

4.6. Limitações da análise axissimétrica 74

6 Conclusões e Sugestões 117

Referências Bibliográficas 119

10

1Introdução

O crescimento da população apresenta como consequência mediata a

expansão das áreas urbanizadas para zonas desabitadas, que apresentam na

maioria dos casos solos com teores de água e índices de vazios elevados assim

como também apresentam uma compressibilidade muito acentuada neste contexto

também estes solos encontram-se com graus de saturação elevados que quando

submetidos a carregamento experimentarão uma redução de volume assim como

uma proximidade das suas partículas solidas o que levara ao solo expulsar a água

contida nos seus vazios.

Tal conjuntura demanda a necessidade de melhorar os solos existentes com

capacidade de urbanização, desenvolvendo tecnologias sustentáveis que permitam

seu uso com estabilidade e segurança a longo prazo.

O desenvolvimento de meios tecnológicos e o aparecimento de novos

matérias de construção ao longo do século XX, entre outros fatores, viriam a

permitir encontrar varias soluções de melhoramento dos solos em profundidade

com inclusões de materiais externos.

Segundo Bergado (1996) as técnicas de melhoramento do solo dividem-se

de forma geral em duas categorias. A primeira categoria envolve técnicas usando

materiais adicionais assim como utilização de reforços, baseados no uso de

materiais de reaterro arenoso (“Stone columns”), sistema de estacas que ainda não

atingem o estrato do solo (“creep piles”) ou por uma mistura do solo in situ com

agentes químicos (“deep stabilization”). A segunda categoria inclui métodos que

incrementam a resistência do solo através da drenagem da água contida nos poros

permitindo o aumento das tensões efetivas e reduzindo seu índice de vazios assim

como a sua permeabilidade, destaca-se como exemplo desta categoria as diversas

técnicas de pré-carregamento algumas vezes combinadas com uso de drenos

verticais.

11

1.1.Objetivo

O objetivo desta dissertação é apresentar uma analise numérica da técnica

de melhoramento e reforço de solos moles, “Compaction Grouting com uso de

Drenos verticais”, a qual é amplamente usada no meio geotécnico, no entanto

carece de uma base teórica definida que aborde a execução desta técnica visando a

segurança e estabilidade do solo no uso do método.

Para tal fim serão utilizados alguns dos modelos disponíveis no programa de

calculo Plaxis 2D AE, baseado no método dos elementos finitos, para modelar

células unitárias em axissimetria e deformação plana que simulem inicialmente o

efeito isolado de cada um dos fenômenos associados e finalmente a atuação

conjunta dos mesmos, comparando os seus resultados.

1.2.Estrutura

O desenvolvimento deste trabalho está organizado em cinco capítulos. No

presente capitulo – Introdução- Procura-se situar o tema no contexto geral da

Engenharia Civil Geotécnica destacando a sua importância e os objetivos.

No capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica referente aos assuntos

que serão tratados no presente trabalho. Apresentam-se detalhes teóricos que

ajudaram como base no processamento e analise dos resultados.

No capítulo 3 descrevem-se as analises numéricas efetuadas no programa de

elementos finitos Plaxis 2D AE: características e modelos constitutivos dos

materiais utilizados, geometria, condições de fronteira, sequencia de calculo.

No capítulo 4 são apresentados e analisados os resultados obtidos, assim

como as suas validações em comparação à literatura existente.

Este capítulo também apresenta a escolha dos elementos que simularão o

sistema de drenos verticais assim como os bulbos de compactação.

Finalmente no capítulo 5 apresentam-se as principais conclusões obtidas

deste trabalho desenvolvido e são indicadas sugestões para futuros

desenvolvimentos.

13

2Revisão Bibliográfica

Investigações geotécnicas permitem identificar e analisar regiões, camadas,

ou depósitos de solos em condições desfavoráveis, onde medidas de engenharia

podem tomadas para seu melhoramento e, dessa forma, permitir a execução de

projetos de construção sobre esses solos.

Existem muitas tecnologias aplicáveis ao melhoramento de solos fofos (ou

moles). Estas técnicas variam desde uma simples compactação mecânica até um

sofisticado tratamento de congelamento do terreno. No entanto, um tratamento em

particular poucas vezes satisfaz todos os requerimentos de custo, qualidade ou

eficiência.

A tecnologia grouting é uma destas tecnologias de melhoramento utilizadas

frequentemente no subsolo ou sob construções de fundação. Esta tecnologia não é

recente, pois seu desenvolvimento tem sido expandido desde a primeira metade do

século XX e foram observadas como última tentativa ou de forma precipitada para

estabilizar solos em condições inadequadas. Através dos anos estas técnicas têm

experimentado um maior aperfeiçoamento no processo de execução, onde a

integração das técnicas foi um pouco demorada no tempo, porém, consistente. E

hoje em dia tem-se convertido em uma tecnologia muito difundida a ser usada,

quando requerida, em um processo de construção.

Segundo Hussin (2006), esta tecnologia é dividida em três categorias,

esquematizada na Figura 1.1

1. Compactação. - são técnicas usadas para compactar ou densificar o solo

in-situ.

2. Reforço. – são técnicas onde se implantam elementos de reforço na

massa do solo sem alterar necessariamente suas propriedades. Isto é, o

comportamento da massa de solo é melhorado mediante a inclusão de

elementos de reforço.

14

3. Fixação. – são técnicas que permitem a fixação ou ligação das partículas

de solo em conjunto, aumentando assim a resistência do solo e

diminuindo a sua compressibilidade e permeabilidade.

Figura 1.1 – Esquema conceptual da tecnologia do grouting

Algumas técnicas para o tratamento de solos fofos são apresentadas nos

itens a seguir:

2.1.Descrição do Problema

Solos argilosos moles, que no se estado natural e devido a seu ambiente de

formação (pluviais e marinhas) apresentam uma compressibilidade muito

acentuada assim como uma baixa permeabilidade que conjuntamente a seu estado

inicial de índice de vazios, geralmente saturados, quando solicitados sob

carregamento experimentam redução de volume devido à expulsão demorada da

água presente nos seus vazios, dão origem a assentamentos que se estendem por

longos períodos de tempo os mesmos que dificultam e muitas vezes impedem o

desenvolvimento de obras civis.

Quando um solo mole é carregado, à medida que a água é expulsa, processo

que é designado como Adensamento ocorre uma deformação volumétrica,

aumento da tensão efetiva e um decréscimo da pressão intersticial. No entanto

Compactação dinâmica

Vibrocompactação

Compaction Grouting

Vibrosubstituição

Microestacas

Compensation grouting

Permeation Grouting

Jet Grouting

COMPACTAÇÃO

REFORÇO FIXAÇÃO

TECNOLOGIA GROUTING

15

concluída a expulsão da água, não se verifica de fato a completa estabilização das

deformações volumétricas da argila continuando a ocorrer deformações sob tensão

efetiva constante, que resulta da fluência do esqueleto solido.

Para minimizar estes assentamentos derivados do processo de adensamento,

torna-se imperativo recorrer a processos artificiais de aceleração do adensamento

assim como o reforço do solo o que em obras de grande extensão representa uma

solução de porte econômico (Hussin, 2002).

2.2.Técnicas de Melhoramento de solos

As técnicas de melhoramento de solos têm sido situadas na categoria que

com maior frequência são utilizadas mesmo quando varias destas técnicas podem

ser catalogadas em mais de uma categoria (Hussin, 2006), dentro desse contexto

podem se determinar três principais categorias, que são:

4. Compactação. - são técnicas usadas para densificar o solo in-situ através

de métodos estáticos ou dinâmicos.

5. Reforço. – são técnicas que implantam elementos de reforço no maciço

sem alterar necessariamente suas propriedades. Isto é, melhorando-o

mediante a inclusão de elementos de reforço.

6. Fixação. – são técnicas que permitem a fixação ou ligação das partículas

de solo em conjunto, aumentando assim a resistência do solo e

diminuindo a sua compressibilidade e permeabilidade.

2.2.1.Compactação

2.2.1.1.Compactação Dinâmica

Compactação dinâmica, também conhecida como compactação dinâmica

profunda, surgiu nos meados dos anos 60 por iniciativa de Luis Menard, no

entanto existem reportes de procedimentos usados nesta técnica há mais de 1000

anos atrás. O processo envolve basicamente a queda livre de um peso sobre a

16

superfície do solo para compactar os sólidos a profundidades maiores do que

12,50 m, este método é bastante usado para reduzir recalques de fundações e

reduzir o potencial de liquefação em solos fofos colapsiveis.

2.2.1.2.Vibro Compactação

O uso de vibradores foi patenteado na Alemanha nos meados dos anos 30 como

um dos métodos de densificação do solo, a ideia de compactar solos não coesivos

acima e debaixo do lençol freático para atingir uma compactação efetiva seria

somente possível se o vibrador estivesse localizado dentro do solo na

profundidade requerida de compactação. Assim o equipamento de vibração estaria

diretamente em contato com o solo enquanto vai emitindo forças vibratórias

horizontais (Griffith, 1991).

Dentre das técnicas de vibração mais usadas encontram-se: (1) a

vibrocompactação (ou vibroflutuação) e (2) a vibrosubstituição.

a. Vibroflutuação

A técnica de vibrocompactação é uma técnica de “vibro-densificação” que

consiste na introdução de um vibrador no terreno tanto por peso próprio quanto

por vibração até uma profundidade requerida, e de ser necessário para uma melhor

penetração do vibrador, este é ajudado pelo lançamento de água a pressão através

da ponta do vibrador. As vibrações transmitidas ao solo provocam um movimento

vibratório, principalmente horizontal, de frequência igual a do vibrador e de

amplitude variável de acordo com a sua potência.

Figura 2.1 – Vibrocompactação: (a) esquematização da técnica, (b) implementação em

campo. (Fonte: Hussin, 2006).

17

A compactação comumente produz uma perda de volume do material

durante a densificação (perda de vazios), a qual é preenchida por um material

arenoso de contribuição externa ou por material do mesmo terreno que causaria a

depressão da superfície do terreno. O material de preenchimento usualmente

consiste em areias com teores de silte menor a 10% e sem argila, ainda que,

pedregulhos possam ser usados para melhorarem a efetividade desta técnica. Esta

técnica é mais efetiva em solos granulares com teor de finos inferior a 10-15%,

em condição drenada, embaixo do lençol freático. A aplicabilidade deste

tratamento pode atingir até 20m de profundidade.

b. Vibrosubstituição

A vibrosubstituição é uma técnica de processo construtivo similar à

vibrocompactação, que a diferença do caso anterior, considera o melhoramento de

solos coesivos. Devido a que os solos coesivos com um teor de finos superior a

15% não respondem à vibração, a vibrosubstituição apela à construção de colunas

de pedregulho ou areias para seu melhoramento, provendo uma verdadeira

substituição nos pontos de tratamento (Wehr et al., 2010). A figura 2.2 apresenta

um esquema geral desta técnica.

Figura 2.2 – Vibrosubtituição: (a) esquematização da técnica, (b) implementação em

campo (http://www.nce.co.uk)

No caso deste sistema, o vibrador penetra até a profundidade prevista e o

furo resultante é preenchido com um material granular sem finos. Em alguns

casos o processo é ajudado por jatos de água que eliminam os finos, para meios

18

saturados; e com ajuda do ar-comprimido, para os casos de ausência de água. Em

ambos os casos o material granular de preenchimento pode ser colocado desde a

superfície ou pelo fundo.

Esta técnica é aplicável a solos finos ou orgânicos de alta plasticidade e

compressibilidade (Mc Cabe et al. 2007). O material de substituição é densificado

por vibração resultando em um elemento de reforço, que torna o solo fino em

tratamento mais rígido pelo aumento da resistência ao cisalhamento da coluna

granular.

A partir de publicações realizadas desta técnica por Datye (1982) e Mitchell

(1981), Griffith (1991) mencionou alguns dos usos da vibrocompactação, a seguir:

Prevê rupturas em fundações, ainda que possam existir recalques.

Reduz recalques em um 40% em comparação aos recalques nas áreas sem

tratamento.

Pode ser utilizado como suporte de estruturas.

Pode ser aproveitado como uma trajetória de drenagem para acelerar o

processo de adensamento.

Pode ser aplicado para propósitos de estabilidade em barragens ou taludes

devido ao aumento na resistência ao cisalhamento das colunas.

2.2.1.3.Compaction Grouting

Esta técnica densifica o solo por injeção de uma argamassa de baixa

movilidade e um baixo slump, que ao ser injetado se expande como uma massa

homogênea deslocando e compactando o solo circundante. Esta técnica

providencia o aumento da resistência ao cisalhamento e rigidez do solo mediante

um processo de aplicação de deslocamentos controlados evitando que acorra o

faturamento do solo assim como o escoamento do grout através dos vazios do

solo (Graf, 1969; Warner e Brown, 1974 e ASCE, 2010).

19

Figura 2.3 – Esquema do processo de execução da técnica compaction grouting (Fonte:

Hussin, 2006).

Esta técnica é mais efetiva em solos que podem ser facilmente densificáveis

mediante a expulsão da água e ar desde os vazios do solo através da

movimentação de suas partículas que são deslocadas pelo aumento do volume do

bulbo em expansão. Solos finos, tais como argilas de alta plasticidade,

particularmente debaixo do lençol freático não são adequados para a aplicação

desta técnica (Hussin, 2006 e ASCE, 2010).

Entre as aplicações da técnica de compaction grouting podemos mencionar

as seguintes (Graf, 1992, Warner e Brown, 1974 e ASCE, 2010):

Melhora de terreno em solos fofos ou colapsáveis, com valores de NSPT

típicos de 0 a 15-20.

Compensação de recalques em estruturas.

Mitigação do potencial de liquefação.

Melhoramento da resistência lateral de estacas ou outras fundações quando

a injeção é executada em zonas circundantes a estas.

Construções subterrâneas (túneis) na qual a densificação do solo reduz os

efeitos de recalque na superfície que ocorre durante o processo

construtivo.

Entre as aplicações mais recentes desta técnica podemos destacar a

compensação de recalques diferenciais na base militar em Pearl Harbor, Hawai,

que foi construída originariamente em 1943, como parte da Unidade de Rádio da

Frota Marina do Pacífico dos Estados Unidos (USPACFLT). Também esta técnica

foi utilizada para estabilidade de fundações nos novos prédios de ciência e

engenharia da Universidade de Califórnia, Santa Cruz, onde se aumento a

densidade do aterro de preenchimento fofo localizado nas dolinas encontradas no

solo subjacente do campus da universidade (Geraci, 2005).

20

Andrus e Chung (1995) utilizaram este sistema aplicado à mitigação do

potencial de liquefação como foi o caso da barragem Pinópolis (South Carolina),

subjacente de camadas de areia muito fofa ou areia siltosa de 1,2 a 2,4m de

espessura, com um valor médio de NSPT de 4. Foi determinado que a camada de

areia apresentaria liquefação durante um evento sísmico e que um N1 (NSPT

corrigido por tensão efetiva de sobrecarga e por história de tensões) de 11 seria

suficiente para evitar a liquefação na base da barragem. A técnica de compaction

grouting foi executado nessa areia fofa com pressões não maiores a 2 MPa (2000

kPa) que resultou em um aumento de N1 de 11 para 17 medido na região entre as

colunas de injeção. Foi verificada também o acréscimo da resistência da areia

medida com CPT, de 2,3 para 7,9 MPa, assim como o incremento do módulo de

elasticidade medido pelo DMT que registrou um aumento de 10 para 66 MPa.

Outras aplicações registradas similares a esta foram realizadas na zona Fontvielle,

no principado de Mônaco e no Hospital Kaiser em São Francisco (Califórnia).

2.2.1.4.Pre-carregamento com Drenos Verticais

Esta técnica combina o método estático de pre-carregamento com a

utilização de drenos verticais, consistindo em colocar uma carga temporal sobre o

solo a melhorar para pre-adensar o solo antes de ser solicitado pela estrutura

planejada. O processo melhora o solo comprimindo-o, incrementando assim sua

rigidez e resistência ao cisalhamento. Em solos parcialmente saturados ou

saturados, drenos verticais pré-fabricados podem ser colocados antes de colocar o

pre-carregamento para acelerar a drenagem, reduzindo a trajetória de percorrido

da agua assim como o tempo necessário de manter o pre-carregamento in situ.

Esta técnica serve para melhorar praticamente todo tipo de terreno, sendo a mais

empregada em solos argilosos, no entanto apresenta o inconveniente de ter uma

duração muito elevada pelo que as vezes sua aplicação é imprópria para tempos de

construção estabelecidos

2.2.1.5.Outras técnicas não convencionais

21

2.2.2.Reforço

2.2.2.1.Colunas de Grava

As colunas de grava são perfurações verticais no terreno que se enchem no

sentido ascendente com brita introduzida mediante um vibrador, que vai

compactando o material colocado. O conceito de empregar inclusões granulares

no solo mole é relativamente antigo, sendo empregado pela primeira vez no ano

1836 pelo francês Burbach quem empregou este método para substituir pilotes de

madeira comumente usados em aquela época, mas que se degradavam

rapidamente em terrenos sometidos a flutuações do lençol freático.

Figura 2.4 Esquema de empleo de colunas de grava (CEDEX, 2005)

2.2.2.2.Colunas de Concreto Vibrado

A técnica de colunas de concreto vibrado (VCCs) consiste na construção de

colunas de concreto in situ, densificando solos granulares e transfere as cargas

através de solos moles e solos orgânicos. Este método es usado para reduzir

22

recalques, para incrementar a capacidade de carga, incrementar a estabilidade de

taludes, e como alternativa para estaqueamento.

Durante a elaboração dos VCCs devem ser considerados parâmetros

importantes para o monitoramento e documentação da execução destes métodos

tais parâmetros são: localização, profundidade, verticalidade, pressão de injeção e

qualidade de concreto.

2.2.2.3.Áncoras

Ancoragem é uma técnica in situ para reforçar, estabilizar e reter escavações

e cortes profundos a traves da introdução de inclusões relativamente pequenas

(usualmente barras de aço) dentro do maciço do solo. Esta técnica foi usada por

quatro décadas na Europa e mais recentemente nos Estados Unidos.

As ancoras são desenhadas para dar ao solo uma aparente coesão pela

transferência de forças tensionais resistentes geradas nas inclusões dentro do solo.

Iteração friccional entre o solo e as inclusões de aço restringem o movimento do

solo. O objetivo principal do método é assegurar que a iteração solo-inclusão seja

efetivamente mobilizada para restringir os deslocamentos do solo.

2.2.2.4.Compensation Grouting

A técnica de compensation grouting, também conhecida como “fracture

grouting” consiste na hidrofraturação deliberada do terreno mediante a injeção de

grout sob pressão, onde o grout é forçado a escoar a através das fraturas do solo

geradas pela injeção junto às possíveis fissuras naturais existentes, causando

assim, uma expansão do grout que controla o recalque produzido pelo peso da

fundação (Hussin, 2006 e Bezuijen, 2010) (Figura 2.5).

Estas descontinuidades e fissuras se produzem na direção mínima de

resistência, na qual em teoria seria a direção da tensão principal maior. Para solos

normalmente consolidados a tensão vertical é maior que a tensão horizontal,

portanto, as fraturas são inicialmente orientadas na direção vertical. Na prática,

estas direções são controladas pela anisotropia do terreno (Essler et al., 2000).

23

Figura 2.5 – Compensation grouting: (a) esquematização da técnica, (b) implementação

em campo. (Fonte: Hussin, 2006).

Desde que o solo é naturalmente um sistema fraturado, esta técnica pode ser

executada em qualquer tipo de solo (Hussin, 2006). No entanto, esta técnica tem

sido geralmente associada a uma imagem comercial de sua aplicação em solos

finos, na qual não seria possível a aplicação de tecnologias favoráveis como as

técnicas permeation ou jet-grouting (Essler et al., 2000).

O objetivo principal de todas as técnicas de grouting (permeation grouting,

jet grouting e compaction grouting) esta baseado no aumento da resistência do

terreno. No entanto, o objetivo da técnica de compensation grouting consiste no

levantamento do solo em tratamento, principalmente, por se tratar de uma técnica

de melhoramento localizada.

Esta técnica é utilizada para reduzir ou eliminar recalques prévios em

estruturas, ou prevenir recalques durante a construção de revestimentos de túneis

ou qualquer atividade construtiva dentro do subsolo. Também, pode ser utilizada

como método de reforço em terrenos com potencial de liquefação. Esslet et al.

(2000) reportaram aplicações desta técnica durante a construções subterrâneas

para a prevenção de recalques como o projeto do túnel St. Clair River no Canadá,

no prolongamento da Jubilee Line do metropolitano de Londres, e no projeto do

sistema de metrô Docklands Light Railway em Londres onde esta técnica se

aplicou para solos arenosos com pedregulho.

24

2.2.3.Fixação

2.2.3.1.Permeation Grouting

Esta técnica consiste na injeção de grout de baixa viscosidade através dos

poros (ou vazios) do solo fofo em tratamento sem alterar sua estrutura. A técnica é

geralmente utilizada pare reduzir a permeabilidade do terreno e controlar o fluxo

da água, mas também pode ser efetuado para aumentar a resistência do solo em

tratamento. A figura 2.6 mostra uma esquematização do uso desta técnica.

A eficiência desta técnica foi analisada por Dayakar et al. (2012) variando a

radiologia do grout para diferentes relações de água:cimento para um corpo de

prova de areia fofa, concluindo que com um incremento no teor de cimento,

incrementa-se a capacidade de resistência em um solo arenoso.

Figura 2.6 – Permeation grouting: (a) esquematização da técnica, (b) detalhe do

escoamento do grout através dos vazios do solo. (Fonte: Hussin, 2006 e Henriquez,

2007).

Nesta técnica o grout pode conter lamas de cimento fino ou soluções

químicas sendo a mais utilizada o silicato de sódio para o aumento da resistência

do solo. Excessivas pressões e taxas de injeção podem resultar no fraturamento do

solo, porém, recomenda-se que as pressões de injeção sejam mantidas em redor de

25% da pressão de fraturamento, determinada previamente em provas de campo

(Andrus e Chung, 1995).

O processo de injeção pode ser realizado mediante perfuração de um tubo

com revestimento (casing), expulsando-se o grout fluido a través da sua cavidade

25

inferior. Este processo se realiza extraindo o tubo em direção à superfície em

estágios de 0,3 a 0,9m. Adicionalmente, a injeção do grout também pode ser

realizada por meio do uso dos denominados “tubes à manchetes” (TAM) que são

tipicamente usados na técnica de compensation grouting, a ser abordada na

seguinte seção.

A aplicabilidade desta técnica é principalmente para solos permeáveis como

areias e pedregulhos com teores de silte menores a 18%, e de argila menores a

2%. A profundidade do lençol freático não é critica em solos que apresentam

drenagem livre, uma vez que a água é afastada conforme o grout é injetado

(Hussin, 2006).

Esta técnica tem sido utilizada com sucesso para controlar o fluxo da água,

estabilização de escavações em solos fofos, sustentação de fundações existentes, e

para prevenção sísmica de recalques devido à liquefação (Andrus e Chung, 1995).

De acordo com os autores, esta técnica foi empregada: a) na ribeira da ponte San

Lorenzo em Santa Cruz (Califórnia), na qual suas colunas da ponte apresentavam

recalques devido à erodibilidade do solo; b) na escola Roosevel em São Francisco

(Califórnia), onde o solo do terreno era muito fofo com teor de finos inferior a

5%.

2.2.3.2.Jet Grouting

A solução de jet grouting pode ser aplicável para todos os tipos de solo. Esta

técnica consiste na injeção de calda de cimento a altas pressões (de 20 a 40 MPa)

realizado no interior do terreno sem escavação prévia. A injeção da calda de

cimento é executada através de jatos horizontais, provenientes da transformação

de energia potencial de bombeamento da calda em energia cinética, que tem a

capacidade de desagregar a estrutura do terreno natural e assim misturar as

partículas do solo com a calda de cimento, proporcionando um material resultante

com melhores características mecânicas e de menor permeabilidade do que o

terreno original.

Esta técnica combina movimentos de rotação e de translação ascendente da

haste com os bicos jateadores, formando colunas cilíndricas de solo-cimento cujo

26

diâmetro e resistência estão em função da característica do terreno e do método de

execução (TECNOGEO). A figura 2.7 apresenta um esquema geral desta técnica.

Figura 2.7 – Jet Grouting: (a) croqui esquemático da columa de Jet grouting e (b)

Implantação do equipamento. (Fonte: Hussin, 2006).

No mercado brasileiro existem três sistemas de execução desta técnica, os

quais são denominados como Simples (CCP), Duplo (JSG ou JG) e Triplo (CJG).

A seleção do tipo de sistema de injeção terá que ser o mais favorável levando em

consideração as características do terreno, o objetivo da intervenção, o prazo de

execução da obra e dos custos associados, podendo assim obter as características

desejadas proporcionando o melhor comportamento da coluna. Estes três sistemas

se definem a seguir (Hussin, 2006; Ribeiro, 2010 e TECNOGEO):

O CCP utiliza em seu bico de injeção apenas uma haste de aço para

jateamento da calda de cimento, sem o emprego de ar-comprimido,

formando, desta maneira, colunas de diâmetros menores. Neste processo,

uma haste dupla pode ser usada para maior cobertura, porém, sem o uso de

ar-comprimido (Figura 2.8a). Geralmente é utilizado na consolidação da

abóbada de túneis, na “impermeabilização” de solos e ancoragens.

No caso do JSG ou JG utilizam-se duas hastes coaxiais: a calda de cimento

circula pela vara interior a elevada pressão, enquanto o ar comprimido,

gerado por um compressor, passa pelo espaço anelar entre as duas varas,

obtendo-se desta forma colunas de diâmetros maiores do que aquelas

obtidas sem o emprego de ar comprimido (Figura 2.8b). Este sistema é

utilizado em estabilização de solos, painéis “impermeabilizantes” e reforço

de fundações.

Já no caso do CJG utilizam-se três hastes coaxiais (água, ar-comprimido e

grout), e dois bicos jateadores. No bico jateador superior injeta-se água a

27

pressões elevadas, envolvida por ar-comprimido, e no bico jateador inferior

injeta-se a calda de cimento a pressões relativamente mais baixas, obtendo-

se colunas de grande diâmetro (até 3 m) (Figura 2.8c).

Este método tem como principio básico a separação da duas ações, tanto de

erosão (resultante do jato de água e ar-comprimido) quanto de preenchimento (ou

mistura) da calda de cimento com o solo desagregado. Cada jato apresenta uma

função distinta neste sistema:

Jato de água. – É utilizado para erodir a estrutura do terreno.

Jato de ar. – É injetado através do mesmo bico de injeção de água para

aumentar o efeito de erosão do jato de água.

Jato de cimento. – É injetado através de um segundo bico posicionado

abaixo do bico de água e ar-comprimido, o qual se mistura com o terreno

que permanece na cavidade após a passagem do jato de água e ar-

comprimido, dando origem a um corpo solidificado.

Em geral, esta técnica se utiliza geralmente em reforço de

fundações/escavações, para a diminuição da permeabilidade e na estabilização dos

solos. Este processo, pelo elevado custo da bomba, é raramente empregado no

Brasil (TECNOGEO).

Figura 2.8 – Esquema dos três hastes existentes para a aplicação da técnica de jet-

grouting: (a) Simples (CCP), (b) Duplo (JSG ou JG) e (c) Triplo (CJG). (Fonte: Roberto,

2012).

Devido a que esta técnica está baseada no fenômeno de erosão, a

erodibilidade do solo cumpre um role importante na obtenção geométrica da

mistura resultante e na qualidade desta técnica. Os solos granulares são mais

28

erodíveis do que as argilas plásticas, e, portanto, esta técnica é mais efetiva em

solos granulares do que nas argilas plásticas. Desde que o solo é um componente

da mistura final, o solo também afeta na resistência da mistura final solo-cimento,

denominado como “soilcrete” (Hussin, 2006). Entretanto, para solos orgânicos e

turfosos ou solos contaminados, o uso desta técnica pode ser um problema, uma

vez que podem apresentar ácidos em sua composição, o que pode dificultar a

reação do cimento injetado com os solos naturais causando baixas resistências

(Nogueira, 2010).

Pereira (2008) descreve uma aplicação deste sistema como reforço em

escavação de túnel para a construção da estação Cais do Sodré em Lisboa. Andrus

e Chung (1995) apresentaram casos de aplicações para a mitigação do potencial

de liquefação no prédio Charleston (South Carolina), na estrutura da planta de

Energia em Sacramento (California) e na estação do Metro em Taipei (Taiwan),

que estão construídos sobre solos arenosos com suscetibilidade a liquefação. A

seguir, apresentam-se os vários campos de aplicação desta técnica (Figura 2X.).

Figura 2.9 – Utilização da técnica de Jet Grouting: (a) Estabilização de taludes, (b)

Reforço de fundações, (c) Aplicação sub-horitontal no reforço em escavação de tuneis, e

(d) Cortina de estanqueidade em fundações de barragens. (Fonte: Roberto, 2012).

29

2.2.3.3.Soil Mixing

2.3.Fundamentos teóricos do fenômeno de Adensamento

2.3.1.Teoria de Biot (1941)

2.3.2.Adensamento Unidimensional

2.3.3.Adensamento Tridimensional

2.3.4.Efeito Mandel-Cryer

2.3.5.Adensamento Radial para Drenos Verticais

Au et al. (2003) avaliou a eficiência desta técnica em argila na condição não

drenada por meio de testes de injeção no laboratório para examinar as

propriedades do grout e os efeitos de adensamento. Os testes demostraram que a

eficiência desta técnica diminui dramaticamente em solos normalmente adensados

devido ao extensivo cisalhamento durante a injeção. Enquanto ao efeito do

escoamento, verificou-se maior eficiência desta técnica quando não existe

escoamento do grout dentro do solo. Também se efetuou testes de re-injeção de

grout e se concluiu que re-injeções de grout por estágios não é efetivo devido aos

efeitos extra de adensamento. Finalmente, demostrou-se que a máxima eficiência

desta técnica está quando as injeções de grout ficam os mais próximas possíveis.

30

3Modelagem Numérica

O uso da técnica compaction grouting em argilas esta limitada ao uso

combinado de drenos verticais devido à alta compressibilidade dos mesmos assim

como o desenvolvimento de poropressoes elevadas nas regiões muito próximas

aos bulbos o que pode levar facilmente a ruptura do solo. Quando o bulbo é

injetado ocorre uma seria de temáticas relacionadas tanto à resposta do solo como

ao processo de injeção, atualmente não existe nenhuma metodologia que possa

abordar todos os fenômenos envolvidos no processo da aplicação da técnica pelo

que, com o propósito de modelar esta técnica, devem-se estabelecer hipóteses

simplificadoras no que diz da geometria assim como das condições de fronteira.

Neste capitulo são descritas as analises numéricas efetuadas com a

finalidade de construir um modelo numérico consistente que permita desenvolver

as hipóteses simplificadas assumidas retratando os principais fenômenos

envolvidos na aplicação do método de melhoramento dos solos argilosos com o

uso de bulbos de grout e drenos verticais.

Para tal fim foi realizada a modelagem dos modelos envolvidos no processo

de adensamento vertical, radial e combinado (deformação plana e axissimétrico)

assim como no uso de drenos verticais, considerando os efeitos das condições de

contorno bem como a resposta do modelo constitutivo escolhido.

3.1.Modelos Constitutivos

Com o propósito de validar as soluções analíticas existentes que abordam o

fenômeno de adensamento vertical, radial e combinado, foram realizadas

modelagens assumindo que o solo tem um comportamento elástico-linear, esta

primeira abordagem é de simples compreensão e permite aferir a qualidade dos

modelos feitos para a representação da realidade. Outra vantagem de realizar estas

modelagens é que para as mesmas condições de contorno os resultados deverão

coincidir com os resultados fornecidos pelas soluções analíticas.

31

Uma vez aferidas as soluções existentes com os modelos individuais

propostos, se realizara a modelagem real do problema utilizando o modelo

constitutivo soft soil, disponível no programa plaxis 2D AE.

3.1.1.Modelo Elástico

3.1.2.Modelo Soft Soil

3.2.Geometria dos modelos e Condições de Fronteira

No âmbito deste trabalho, foram realizados vários modelos de calculo com o

propósito de comportar os fenômenos existentes envolvidos na aplicação da

técnica, pelo que foram feitas hipóteses simplificadoras para simular um estrato de

argila de espessura variável, submetido à aplicação de injeções de grout assim

como com o uso de drenos verticais.

Excetuando os casos em que se realizam complicados analises numéricos

que envolvem a geometria real do problema, em geral, é muito custoso realizar

uma analise que considere todas e cada uma das columas de grout a ser injetadas

assim como os drenos verticais a ser utilizados, as colunas de grout são de

pequeno tamanho quando comparadas com as dimensões totais do problema, pelo

que requereriam de um complexo analise em três dimensões.

Normalmente se realizam varias hipóteses para poder passar do estudo

global a um estudo mais simples, existem evidencias em estudos similares porem

com outros materiais da conversão do solo tratado com colunas de grava num solo

homogêneo com características melhoradas (Schweiger, 1989). Outra opção seria

converter as colunas de grout em trincheiras longitudinais para passar do

problema tridimensional a um problema em deformação plana. Finalmente uma

opção interessante a ser utilizada é estudar o problema em duas dimensões com

uma única coluna de grout e o solo circundante em simetria axial. Estas duas

transformações também são habituais em drenos verticais.

Em todos os modelos realizados a malha é composta por elementos finitos

de 15 nos, podendo ser refinada dependo da geometria dos elementos a ser

32

considerados, por outro lado as condições de carregamento são aplicadas em

condições de confinamento lateral, garantindo assim apenas a ocorrência de

deformações verticais

3.2.1.Adensamento Vertical

Foi analisado um estrato com espessura igual a 1m e largura de 1m pois as

condições de borda não permitem que o estrato se deforme horizontalmente, que

representa um ensaio edométrico ou, se se pensar em grande escala, o mesmo que

simular um estrato submetido a carregamento de grandes dimensões.

Consequentemente, nos casos em que se estuda o adensamento puramente vertical

é Independiente a escolha do estado plano de deformação ou de axissimetria.

3.2.2.Adensamento Radial com condição de Fronteira drain

Este modelo é usado para simular o adensamento puramente radial, tendo

como variáveis que influenciam este modelo primeiramente o raio de influencia

do dreno assim como a largura do modelo a ser considerado. A espessura da

camada apenas influencia nos modelos em que a rigidez varia com a

profundidade.

Com a finalidade de representar o dreno recorre-se, neste modelo ao uso da

condição de fronteira drain, que simula um contorno drenante que permite o

escoamento da água e em que o excesso de poropressao é nulo. Para garantir que

o adensamento seja puramente radial todas as restantes fronteiras são consideradas

fechadas, tanto nas condições de fluxo como nas condições de adensamento.

Para garantir que os deslocamentos verticais na fronteria superior sejam

iguais, é colocada uma placa de rigidez muito elevada, isto é feito para que as

condições de contorno sejam idênticas às hipóteses da solução de Barron (1948).

As analises realizadas neste modelo foram feitas em condições de

axissimetria, pelo que apenas a metade do domínio necessita ser modelado, é por

isso que a dimensão representada na horizontal é o raio e não o diâmetro. O eixo

de simetria coincide com o contorno lateral esquerdo.

As disposições referidas acima são apresentadas na figura 3.1

33

Figura 3.1 Configuracao Geometrica do modelo com condicao de contorno

drain

3.2.3.Adensamento Radial com dreno de material solo

À semelhança do modelo anterior, este modelo pretende simular o

adensamento puramente radial, mas a grande diferencia reside que neste modelo

se materializa o dreno com um material com um coeficiente de permeabilidade

muito superior à da argila correspondente a uma areia ou cascalho. As demais

condições de contorno são iguais ao modelo anterior.

Tendo em vista que uma diferença de rigidezes faria com que se produzam

transferências de tensões no dreno materializado o que complicaria a analise assim

como o entendimento dos fenômenos envolvidos, pelo que se usara os mesmos

parâmetros da argila, mas diferindo apenas na permeabilidade.

Dentro do calculo dos excessos de poropressao desenvolvidos no modelo

com dreno de raio variável, foram desenvolvidas algumas combinações para

determinar a variação do raio do dreno no processo de adensamento puramente

radial.

Espe

ssur

a da

cél

ula

unitá

ria =

2m

Axisymmetric Axis

Periferia da célula

(Contorno Impermeável)

Base da célula (Contorno

Impermeável)

Placa RigidaCondição

de contorno tipo drain

Raio da célula unitária = 2m

Clay layer

Topo da célula(Contorno

Impermeável)

50 kN

34

Figura 3.2 Configuracao Geometrica do modelo com dreno materializado

de solo.

3.2.4.Adensamento Radial combinada com condição de fronteira drain

3.2.5.Adensamento Radial combinada com dreno de material solo

3.3.Materiais

Os parâmetros geotécnicos adotados para o solo argiloso, são apresentados

na tabela 3.1 e correspondem em geral a valores típicos de argilas normalmente

consolidadas. Nos modelos em que se usa dreno de material solo os parâmetros

considerados são iguais à argila, mudando-se unicamente a permeabilidade,

querendo com isto eliminar qualquer eventual efeito de transferência de tensões

que poderia ocorrer se o dreno apresentasse uma rigidez superior ao do solo

considerado.

Espe

ssur

a da

cél

ula

unitá

ria =

2m

Axisymmetric Axis

Periferia da célula

(Contorno Impermeável)

Base da célula (Contorno

Impermeável)

Placa Rigida

Dreno de solo

Raio da célula unitária = 2m

Clay layer

Topo da célula(Contorno

Impermeável)

50 kN

rw = 0,2m

35

Tabela 3.1 – Parâmetros geotécnicos dos materiais empreguem.

Parâmetro Unidade Argila Mole Dreno

General

Modelo - Elástico Linear Soft Soil Elástico Linear

γunsat KN/m3 15 15 15

γsat KN/m3 17 17 17

eini - 1,40 1,40 1.40

ky m/s 1E-9 1E-9 1E-1

kx m/s 1E-9 1E-9 1E-1

Parâmetros dos modelos

Eref’ KN/m2 543.20 - 543.20

Cc KN/m2 - 0.6 -

CS KN/m2 - 0.08 -

λ KN/m2 - - -

κ - - - -

cref’ KN/m2 - 1 -

ϕ' ° - 26 -

ν' - 0,3 - 0,3

3.4. Fases de Carregamento

A simulação do carregamento do solo é dividida nas seguintes fases,

primeiro é aplicado um incremento de tensão vertical igual a 50 kPa em condições

drenadas, esta fase é aplicada num intervalo de tempo instantâneo (t=0) para os

dois materiais a analisar. Na segunda fase é aplicado um novo carregamento de 50

kPa (tensão total aplicada à superfície igual a 100 kPa) num intervalo de tempo

zero e em condições não drenadas. A terceira fase e as subsequentes são fases de

adensamento, sendo apenas aplicado o tempo.

70

4Analise de Resultados

4.1.Introdução

Neste capitulo são apresentados os resultados das modelagens realizadas,

com a finalidade de compreender como os modelos estudados influenciam a

previsão do fenômeno de adensamento de maneira individual comparando-as com

as soluciones teóricas (Terzaghi, Barron). As analises foram realizadas de forma

sequencial. Primeiro analisou-se o adensamento vertical, depois a radial e por

ultimo a combinada.

4.2. Adensamento Vertical

Neste analise de adensamento vertical foi considerado a evolução de três

parâmetros ao longo do tempo, nomeadamente o excesso de pressão intersticial na

base da camada e o grau médio de adensamento.

71

4.3.Adensamento Radial

As análises numéricas realizadas para este modelo são dividas em dois sub-

capitulos. No primeiro, analisam-se somente os modelos usando o modelo

constitutivo linear elástico, verificando-se a influencia das variáveis envolvidas

tanto de geometria como das condições de contorno. No segundo, analisam-se as

implicações do adensamento considerando a não linearidade dos solos com a

utilização do modelo soft soil.

Todos os modelos realizados para o analise do adensamento radial

apresentam uma placa com elevada rigidez para garantir a ocorrência de iguais

deformações na superfície livre do solo com o propósito de compara-os com a

teoria de Barron (deformação vertical uniforme).

4.3.1. Análise de Modelos Elásticos

Neste estudo foram considerados os seguintes aspectos:

Resposta à aplicabilidade da condição de contorno drain como

elemento representativo de drenos verticais.

Resposta da modelagem de drenos verticais utilizando material

permeável e considerando a influencia do raio.

Implicações do raio de influencia.

Com o objetivo de verificar a aplicabilidade da condição de contorno drain

como um elemento dreno, foram realizadas modelagens verificando a

concordância com as soluções analíticas para diferentes valores de n (solução de

Barron).

Os resultados podem se resumir na figura XXX onde pode-se verificar que

conforme aumentam os valores de n começando com valores para n=10 até

n=5000 a solução obtida numericamente tende a se ajustar a valores muito

elevados de n, cociente do raio de influencia da célula unitária dividido entre o

raio do dreno, considerados para a modelagem do modelo.

Isto pode estar associado a que a condição de contorno drain não tem

nenhum significado geométrico e não representa nenhum efeito de escala.

72

Por outro lado com o objetivo de estudar a influencia da permeabilidade do

dreno, foram modeladas um conjunto de situações idênticas, mas variando

unicamente a permeabilidade do material dreno, as analises da figura xx se

referem às modelagens realizadas em axissimetria correspondentes a adensamento

puramente radial de uma columa de solo com 2m de raio, com um dreno de 0.2 de

raio de eixo. O material dreno foi modelado considerando uma permeabilidade

muito maior à camada de solo circundante, pudendo estabelecer o rango de

permeabilidades em que a solução numérica coincide com uma determinada

solução analítica. As soluções analíticas de 10 e 20 correspondem aos valores de

Barron.

Dos resultados da figura xx pode-se concluir que os modelos elásticos

coincidem com boa aproximação com os resultados analíticos de Barron para um

n=10, para todas as modelagens exceto quando a permeabilidade do dreno toma o

valor de 1E-8 m/s. O fato de se variar a permeabilidade do solo não influencia o

processo de adensamento desde que a permeabilidade do dreno este dentro de um

rango de permeabilidades maior a K=1E-6 m/s.

73

4.3.2. Análise de Modelos em Soft Soil

4.4.Adensamento Combinado (radial + vertical)

74

4.4.1.Verificação da influência da base rígida na eficiência da técnica

4.5.Comparação da análise numérica com a solução analítica

4.6.Limitações da análise axissimétrica

Comparação da análise axissimétrica com um modelo 3D (para uma coluna de

injeção e várias colunas de injeção).

117

6Conclusões e Sugestões

119

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