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OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO “A Faculdade Católica Paulista tem por missão exercer uma ação integrada de suas atividades educacionais, visando à geração, sistematização e disseminação do conhecimento, para formar profissionais empreendedores que promovam a transformação e o desenvolvimento social, econômico e cultural da comunidade em que está inserida. Missão da Faculdade Católica Paulista Av. Cristo Rei, 305 - Banzato, CEP 17515-200 Marília - São Paulo. www.uca.edu.br Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer meio ou forma sem autorização. Todos os gráficos, tabelas e elementos são creditados à autoria, salvo quando indicada a referência, sendo de inteira responsabilidade da autoria a emissão de conceitos. Diretor Geral | Valdir Carrenho Junior OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO SUMÁRIO AULA 01 AULA 02 AULA 03 AULA 04 AULA 05 AULA 06 AULA 07 AULA 08 AULA 09 AULA 10 AULA 11 AULA 12 AULA 13 AULA 14 AULA 15 AULA 16 COMPACTAÇÃO DOS SOLOS RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS EMPUXO DE TERRA TEORIA DE RANKINE TEORIA DE COULOMB ESCAVAÇÃO DE VALAS E ESCORAMENTOS RISCOS E SEGURANÇA NA EXECUÇÃO DE ESCAVAÇÕES TIPOS DE TALUDE E MÉTODOS DE ESTABILIZAÇÃO FORMAS DE MOVIMENTO DE MASSA CAUSAS DA MOVIMENTAÇÃO DE MASSAS E FATOR DE SEGURANÇA MÉTODOS DE ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE ATERROS SOBRE SOLOS MOLES INTRODUÇÃO ÀS BARRAGENS REBAIXAMENTO DE LENÇOL FREÁTICO TERRAPLENAGEM TIPOS DE MURO DE ARRIMO 06 17 28 37 49 60 74 83 98 109 121 134 148 162 173 41 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 4 INTRODUÇÃO Desde o início da humanidade as edificações construídas para satisfazer as necessidades das pessoas envolvem a terra. A terra é o suporte de todas as construções e que garante a estabilidade de todas as partes da obra, sejam de concreto, asfalto, aço, madeira, polímeros, solo, rocha entre outras. Muitas vezes o solo não se encontra em características ideais e satisfatórias, tornando-se necessário aumentar sua resistência. Durante este curso de Obras de Terra serão abordados conceitos, informações, métodos, exemplos, estudos de casos e exercícios práticos que os futuros engenheiros enfrentarão na sua vida profissional. São então abordados métodos e controles de compactação dos solos, ensaios de resistência ao cisalhamento dos solos que envolvem as duas principais componentes: atrito e coesão, e o empuxo de terra que é uma ação horizontal produzida pelo maciço com metodologias de cálculo: Rankine e Coulomb. A escavações são outro tipo de obra usual no dia a dia da engenharia civil sendo apresentados os métodos de escavação, as formas de proteção, os riscos e segurança para execução das escavações. Através das escavações tem-se a formação dos taludes, que são superfícies inclinadas do terreno natural ou artificial e que necessitam garantia de estabilidade após a execução de cortes e aterros. Serão apresentados os principais métodos de estabilização. O incorreto gerenciamento destes taludes pode provocar os movimentos de massas conhecidos como queda de blocos, deslizamentos, corrida de massa e rastejo. As consequências que estes movimentos podem provocar são inúmeros e por isso é importante conhecer as causas desta movimentação. A partir do entendimento das causas e formas de ruptura do solo é possível adotar métodos de análises de estabilidade dos taludes, sejam eles para ruptura circular, planar ou taludes verticais (como usualmente de escavações). O engenheiro se depara muitas vezes com problemas quanto ao tipo de solo em que será executada a obra, como por exemplo os solos moles que apresentam baixam resistência e precisam de garantia de estabilidade. Uma breve introdução às barragens é apresentada neste curso. Sendo essas estruturas já adotados há muitos anos, tendo como principais finalidades a acumulação de água, líquidos e sólidos. A água é um elemento presente em diversas execuções de obras, mas OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 5 que se apresenta como problema e impossibilita muitas vezes o trabalho. Desta forma são apresentadas as formas usuais que se tem utilizado para realizar a expulsão desta água e possibilitar a construção das obras civis, sendo uma delas o rebaixamento do lençol freático. Alinhado a todos esses fatores e exemplos que o mundo da construção civil vai de encontro, não podemos deixar de mencionar a terraplenagem que está presente em todas as obras. Já que ela envolve a movimentação do solo e sua preparação da melhor forma para receber as construções. Finalizando este curso, são apresentados os diferentes tipos de muros de arrimo que são utilizados como estruturas de contenção do solo, presentes nas diferentes obras civis. Essas estruturas também necessitam de correta estabilização e métodos de cálculo que serão vistos no próximo curso. Bons estudos! OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 6 AULA 1 COMPACTAÇÃO DOS SOLOS A compactação dos solos é uma das principais atividades que se desenvolve em obras que envolvem o solo, ou seja, a terra. A maioria das obras na engenharia civil está apoiada e construída sobre o solo ou sobre as rochas. Desta forma, é necessário garantir que o solo seja resistente para não gerar problemas futuros nestas construções. A compactação em si é a redução mais ou menos rápida do índice de vazios de qualquer solo por processos mecânicos, com a principal finalidade de aumentar a rigidez do maciço e tornar o solo impermeável. Esta redução dos vazios ocorre com a expulsão ou compressão do ar que está presente nas partículas de solo. Difere do adensamento que é um processo de densificação, ou seja, ocorre a expulsão lenta de água dos vazios do solo. Assim, é importante lembrar do conceito de compressibilidade, que é a propriedade do material/corpo em mudar de forma ou volume quando são aplicadas forças externas, forças estas aplicadas por equipamentos mecânicos, e de permeabilidade, que é a capacidade de a água fluir de um ponto de maior carga para um de menor carga por diferença de gravidade. Os principais efeitos que se deseja atingir com a realização da compactação são: • Diminuir a permeabilidade do solo. • Aumentar a resistência (capacidade de suporte do solo). • Diminuir a compressibilidade do solo, o que ocorre após ter sido realizada a compactação. • Diminuir a absorção de água. 1.1 Exemplos da compactação no dia a dia Em geral a compactação é utilizada em aterros de estradas, pois após a execução da terraplenagem é necessário realizar compactação das camadas. Estas camadas abaixo da capa asfáltica englobam as bases, sub-bases e, por fim, a capa asfáltica em si. Cada camada deve ser corretamente compactada para que futuramente não surjam patologias no pavimento. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 7 Dentre os demais exemplos de execução de compactação podem ser citados: aterros sanitários, aterros construídos, muros de arrimo, barragens de terra. A compactação é também realizada em reaterros de valas escavadas a céu aberto e também no fundo de valas. As fundações são apoiadas no solo que devem anteriormente ser compactados e garantida sua estabilidade. Muitas vezes, após o recalque, a ruptura ou desestabilização de um talude de encostas naturais deve ser feita a recomposição por meio da compactação controlada do solo. 1.2 Equipamentos mecânicos Os equipamentos mecânicos são utilizados para realizar a compactação dos solos dentre eles temos os tipos compressores, de impacto, de vibração e de amassamento. 1.2.1 Equipamentos compressores Os equipamentos compressores são aqueles que exercem uma força externa vertical para realizar a diminuição do volume de vazios do solo. São conhecidos como rolo liso e rolo liso com vibração. O rolo de aço, como pode serverificado na Figura 1 abaixo, transmite a carga aplicada para máquina e a compressão atinge pequenas profundidades, com pouco contato entre a superfície e solo. Por isso é indicado para camadas inferiores a 15 cm e também para solos arenosos, pedregulhos ou de pedra britada. Já para solos moles, este rolo não é indicado, pois está sujeito a afundamento e não compactação. Figura 1 - Rolo liso. Fonte: https://www.ecivilnet.com/dicionario/o-que-e-rolo-compactador-liso.html OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 8 1.2.2 Equipamentos de impacto Os tipos de equipamentos por impactos, como o próprio nome diz, agem na compressão através do impacto e golpes consecutivos na superfície com a finalidade de nivelar a superfície irregular e deixar o solo uniforme. Estes golpes são pesos que caem de alturas pré-definidas. Em geral, são conhecidos como compactadores manuais, sendo utilizados, principalmente, os sapos mecânicos e os soquetes simples, conforme Figura 2 e Figura 3, respectivamente. São utilizados em pequenas obras e para todos os tipos de solo. Figura 2 – Sapo mecânico. Fonte: https://www.escolaengenharia.com.br/apiloamento/ Figura 3 – Soquete manual simples. Fonte: https://www.escolaengenharia.com.br/apiloamento/ OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 9 1.2.3 Equipamentos de vibração Esses equipamentos fornecem vibração para o solo, desta forma possibilitam o ajuste das partículas, diminuindo os vazios e aumentando a densidade. Os rolos podem ser de patas (Figura 4), conhecidos como pé-de-carneiro vibratório, ou lisos (Figura 5). Para a escolha do tipo de compactador é necessário identificar o tipo de solo, pois solos coesivos contam com uma presença maior dessas partículas, exigindo o uso do rolo pé-de-carneiro. A velocidade de trabalho dos rolos compactadores vibratórios é bem lenta. 1.2.4 Equipamentos de amassamento Nos compactadores por amassamento é aplicada uma força vertical com componente horizontal proveniente de efeitos dinâmicos. Desta forma, se garante uma compactação mais rápida e com menor número de passadas. Dentre eles estão os rolos pé de carneiro e os pneumáticos. 1.2.4.1 Rolo pé de carneiro O rolo pé de carneiro (Figura 4) é assim denominado devido as peças de aço do tambor serem em formas de patas. Com o peso do tambor e estas patas, ocorre um maior entrosamento entre as partículas compactadas e o pisoteamento do rolo leva ao entrosamento dos torrões do solo. Estes compactadores são indicados para todos os tipos de solo, exceto areia. As camadas devem ter geralmente 15 cm, sendo comumente adotado de 4 a 6 passadas do rolo em solos finos e em solos grossos de 6 a 8 passadas. Figura 4 - Rolo pé de carneiro. Fonte:http://www.terraplenagemguimaraes.com.br/wordpress/equipamentos/ aluguel-de-rolo-compactador/ OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 10 1.2.4.2 Rolo pneumático Os rolos pneumáticos (Figura 5) exercem pressão na área de contato com o solo e dependem da pressão dos pneus e o peso do compressor. Indica-se esta compactação para solos de granulometria fina e arenosa. Este método é muito eficiente em capas asfálticas, bases e sub-bases. Além disso, as camadas podem ter até 40 cm. Figura 5 - Rolo pneumático. Fonte: http://topcommaquinas.com.br/produto/rolo-compactador-pneumatico-xg6262p/ Anote isso Para a execução de trabalhos de compactação no campo devem ser levados em conta os seguintes fatores: • Tipo de solo. • Teor de umidade do solo, tendo que realizar o espalhamento de água ou o uso de aeradores para umedecimento ou secagem do solo. • Energia de compactação, que é o tipo de compactador. Sendo importante compactar o solo com a umidade ótima e peso específico seco máximo do solo, pois assim não há um gasto de energia desnecessário. • Espessura da camada compactada deve ser como recomendado, para que não fique mal compactado e irregular. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 11 1.3 Curva de compactação A curva de compactação dos solos é resultante da redução de ar dos vazios, e está relacionada com a umidade dos solos, pois dependendo da quantidade de água, o ar consegue ser expulso mais facilmente ou não, podendo ficar preso na água, em forma de bolhas. Desta forma, a umidade da água é um parâmetro fundamental na compactação, assim como a energia de compactação. Para cada solo, sob uma energia de compactação, existem uma umidade ótima (hot) e um peso específico aparente seco máximo (γd) ideal para realizar a compactação em campo. Neste ponto máximo de inflexão da curva é onde o solo apresenta uma estrutura mais densa, com boa resistência, rigidez, baixa permeabilidade, solo mais trabalhável e menor teor de ar, de forma garantir o menor índice de vazios e maior massa específica seca na forma de umidade. Para se obter essa umidade ótima e o γd do solo a ser amostrado é necessário realizar o ensaio Proctor e através dos valores obtidos em pelo menos 5 amostras, deve ser plotado o gráfico conhecido como Curva de Compactação. Conforme Figura 6, no eixo y tem-se os valores de γd, que indicam o peso especifico aparente seco e no eixo x tem-se os valores de Wot, que representa a umidade ótima (hot). Figura 6 – Curva de Compactação dos Solos. Fonte: https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Curva-de-compactacao_fig1_313703122 1.3.1 Ensaio Proctor O Ensaio Proctor foi padronizado em 1933, pelo engenheiro Ralph Proctor, e no Brasil foi padronizado pela NBR 7182, com a última atualização em 2020. O ensaio é realizado com uma porção de solo adicionada de uma quantidade de água, de modo a se obter um certo valor de umidade. Em seguida homogeneíza-se para desmanchar OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 12 os torrões e distribuir bem a umidade e coloca-se o solo num molde cilíndrico, com dimensões padronizadas (1.000 cm³) até um terço da sua altura útil. O solo é compactado ao ser aplicado uma energia por impacto composto um soquete deixado cair com massa de 2,5 kg, de uma altura de 30,5 cm e por 26 vezes. O processo é repetido por mais duas vezes, totalizando três camadas. Em seguida, pesa-se o molde com o solo e obtém o peso úmido do solo e o seu peso específico natural. Já com o valor da umidade do solo obtido pode-se calcular o peso específico seco do solo. Com este resultado de peso específico seco e umidade, pode-se lançar o ponto no gráfico que resultará na curva de compactação, esta que é obtida com pelo menos mais 4 pontos variando-se a umidade. Na Figura 6 é possível identificar o formato característico da curva de Proctor, que envolve os conceitos pela quantidade de água e lubrificação. No ramo seco da curva, abaixo da umidade ótima, à medida que se adiciona água, as partículas de solo se aproximam com o efeito lubrificante da água. No ramo úmido (acima da umidade ótima), a água passa a existir em excesso, o que provoca um afastamento das partículas de solo e assim uma diminuição do peso específico seco. Na Figura 7 estão representados o soquete e o cilindro que são utilizados no ensaio de Proctor. Figura 7 - Soquete e cilindro utilizado no ensaio de Proctor. Fonte: https://alemdainercia.wordpress.com/2018/01/29/ superestrutura-rodoviaria-ensaio-cbr/ Na Tabela 1 é apresentado os diferentes tipos de ensaio de Proctor entre eles tem-se o normal variando a massa de 2,5 ou 4,5 kg, o ensaio intermediário e o Proctor modificado. A partir do tipo de ensaio realizado, na última coluna é apresentada a energia desprendida para a compactação. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 13 Designação Massa (kg) Altura de queda (cm) Número de camadas Número de golpes Volume do cilindro (cm³) Energia (kg. cm/cm³) Proctor Normal 2,5 30,5 3 26 1000 5,9 Proctor Normal 4,5 45,7 5 12 2000 6,2 Intermediário 4,5 45,75 26 2000 13,4 Proctor modificado 4,5 45,7 5 55 2000 28,3 Tabela 1 – Energias de compactação por impacto. Fonte: Faiçal (2010). 1.4 Energia de compactação A energia de compactação obtida pelo ensaio de Proctor tem como objetivo aproximar a compactação em laboratório com a realizada no campo. Desta forma, os ensaios em laboratório funcionam como ensaios de referência para a compactação de campo. Comparando diferentes tipos de solo observa-se que quanto maior a energia de compactação desprendida para um determinado tipo de solo, maior será o peso específico seco máximo do solo e menor sua umidade. Sendo o contrário verdadeiro, ou seja, quanto menor a energia de compactação, menor será o peso específico do solo e maior a umidade o solo terá. Esta energia de compactação apresentada na tabela acima é obtida através da fórmula: Em que: E = energia de compactação (Kg cm/cm3). P = peso do soquete. h = altura de queda do equipamento. N = n° de golpes (por camada). n = n° de camadas a serem realizadas. V = volume total de solo compactado. Vejamos um exemplo de aplicação referente à energia de compactação a ser adotada em campo. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 14 1.4.1 Exemplo 1 Quantas passadas de um compactador tipo “sapo” serão necessárias em uma camada de compactação com 0,20 m de espessura? Considerando que irá desenvolver uma energia de compactação igual à do ensaio Proctor Normal (soquete de 2,5 kg) em cada camada e o equipamento de compactação sapo tem as seguintes características (peso = 108,0 kg; altura de queda = 0,40 m, Φ = 0,32 m). Então, em laboratório foi realizado o ensaio de Proctor normal, com massa do soquete igual a 2,5 kg e obteve-se uma umidade ótima e peso específico seco máximo. Com estes parâmetros definidos foi determinado a energia de compactação desprendida em laboratório e que se deseja adotar em campo. Entretanto, em campo será utilizado o compactador tipo sapo com as características apresentadas e serão camadas de solo compactado de 20 cm, quantos golpes do sapo deverão ser dados para que o seja corretamente compactado como determinado em laboratório. Reorganizando os dados: E = 5,9 kg cm/cm³ (energia do Proctor normal) P= peso do soquete (sapo)= 108 kg h = 0,40 m (altura de queda do sapo) N =? (número de golpes por camada) n = 1 de 20 cm (número de camadas e espessura) V = volume que cada passada do equipamento sapo faz Deve-se obter o volume que cada passada do equipamento tipo sapo consegue compactar. Sendo: Volume = π.r².h Em que: R = raio do sapo que tem diâmetro de 32 cm, então equivale a 16cm H = altura da camada de solo a ser compactado = 20cm Volume = 3,14. (16)².20 Volume = 16.076,8 cm³ Agora podemos substituir na fórmula da energia: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 15 N = 21,95, então adotamos 22 golpes. Ou seja, será necessário passar 22 vezes o sapo para que se atinge a energia de compactação ideal, como determinado em laboratório. Isto acontece na prática Quando se compacta um solo com a umidade abaixo da ótima, com o solo seco, existe um maior atrito entre as partículas, os grãos ficam duros e porosos dificultando o arranjo entre eles e consequente difícil redução dos vazios entre os grãos. À medida que a umidade aumenta, os agregados absorvem úmida, se tornam mais moles e possibilita a aproximação entre eles. Entretanto, isto tem um limite, na umidade ótima, se ultrapassar e a umidade estiver muito alta, a compactação não consegue expulsar o ar, pois os vazios estão preenchidos por água e saturados. Assim, na linguagem do campo diz que o solo está borrachudo, pois a energia aplicada é transferida para a água e não o material. O solo sofre um processo de cisalhamento. 1.5 Controle da compactação Então, para garantir que um solo seja corretamente compactado e com as especificações de acordo com o laboratório é necessário que se tenha um controle e gerenciamento adequado da compactação. Desta forma, evita-se que uma camada seja inadequadamente compactada e coberta com outra camada de solo. Uma das formas é comparar o peso específico do solo seco dado em laboratório com o obtido em campo, assim como a umidade para ver se ambos estão dentro dos limites especificados. O controle da compactação envolve verificar se o GC (grau de compactação) e Δh (variação da umidade) estão dentro dos limites especificados. É fundamental que em toda obras os solos sejam homogêneos e deve-se manter a umidade próxima da ótima através do uso de aeradores (perda de umidade) ou pelo aumento de umidade (a irrigação), assim como deve-se garantir que a espessura de cada camada lançada seja menor que 30 cm. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 16 1.5.1 Grau de compactação e umidade O grau de compactação (GC) é utilizado para controlar a compactação em campo, sendo dado pela seguinte expressão: Em que: γs Campo = peso específico do solo seco obtido no campo, ao estar realizando a compactação. γs máx = peso específico do solo seco obtido em laboratório para determinado tipo de solo. Após esta divisão, multiplica-se o valor por 100, para obter o GC em porcentagem. Este GC deve ser comparado com o valor indicado pelo projetista de acordo com o tipo de obra e exigência, ou seja, qual a margem de porcentagem que podemos ter aceitável para a compactação. Em geral adota-se no mínimo 95% do GC. Em relação a variação de umidade (Δh) tem-se que: Δh = hcampo – hótima Em que: hcampo = umidade do solo obtido em campo. hótima = umidade do solo obtido em laboratório. A margem de variação da umidade também é determinada. Então, por exemplo, especifica- se que para a execução da compactação deve-se ter uma umidade com variação máxima de – 2% ou +2%. Ao comparar os valores do campo e com a ótima, se estiver fora desta margem deve-se realizar os ajustes de umidade. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 17 AULA 2 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS Define-se como resistência ao cisalhamento do solo a máxima pressão de cisalhamento que o solo pode suportar sem sofrer ruptura. Os carregamentos externos aplicados na superfície ou a geometria da superfície da massa de solo contribui para o desenvolvimento de tensões cisalhantes, que podem chegar a valores próximos da máxima tensão cisalhante que o solo suporte e ocasionar a ruptura. Além disso, a resistência ao cisalhamento dos solos depende de dois parâmetros: atrito e coesão. 2.1 Finalidades da resistência ao cisalhamento dos solos A resistência ao cisalhamento é uma das propriedades fundamentais de comportamento dos solos, através dela é possível solucionar problemas da engenharia geotécnica. A resistência ao cisalhamento tem aplicação direta em projetos de estabilização de taludes, barragens, muros de arrimo, em fundações como sapatas e estacas. Conforme a Figura 8, podemos visualizar exemplos de aplicação usados na engenharia. Nos exemplos são indicadas em linhas tracejadas as curvas de ruptura, ao qual o solo perde a resistência ao cisalhamento ocasionando a ruptura. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 18 Figura 8 - Exemplos de aplicação da resistência ao cisalhamento dos solos. Fonte: Adaptado de https://pt.slideshare.net/FernandoEduardoBoff/14-resistencia-ao-cisalhamento Estes problemas de perda da resistência ao cisalhamento, além dos carregamentos externos aplicados ou devido à geometria são provenientes da má execução de aterros, falta ou ineficiência do sistema de drenagem interna e sem proteção, por exemplo, com cobertura vegetal pode também levar ao movimento de massa. Isto porque os solos normalmente resistem bem às tensões de compressão, porém têm capacidade limitada de suportar tensões de tração e cisalhamento. 2.2 A ruptura devido ao cisalhamento A ruptura é caracterizada pela formação de uma superfície de cisalhamentocontínua na massa de solo. Uma camada de solo em torno da superfície de cisalhamento perde suas características durante o processo de ruptura formando a zona cisalhada. Verificar na Figura 9 o exemplo da superfície de cisalhamento e a zona fraca, ou seja, onde ocorre o cisalhamento. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 19 Figura 9 - Superfície de deslizamento. Fonte: http://www.eng.uerj.br/~denise/pdf/resistenciacisalhamento.pdf 2.2.1 Formas de ruptura Existem principalmente duas formas de ruptura: a) Forma Plástica: o corpo de prova vai se deformando indefinidamente sob uma tensão constante. Exemplos típicos: argilas moles ou medias e areias fofas ou compactas. b) Forma Brusca ou Frágil: material se desintegra quando atingida certa tensão ou deformação. Exemplos típicos: argilas rijas e duras e areias compactadas. Na Figura 10 são representadas as formas de ruptura frágil e plástico em função da aplicação da tensão (eixo vertical) e tem-se a deformação característica de acordo com o material (eixo horizontal). OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 20 Figura 10 - Gráfico de ruptura. Fonte: Elaborado pelo autor (2020) 2.3 Teoria da resistência ao cisalhamento A resistência ao deslizamento (Τ) é proporcional à força normal aplicada (N) em um corpo pode ser apresentada na Figura 11, segundo a relação: T = N x F Figura 11 - Forças aplicadas a um corpo. Fonte: https://slideplayer.com.br/slide/1612800/ Em que: F = coeficiente de atrito entre os dois materiais. N = força normal aplicada, representada pela letra grega “σ”. 2.3.1 Atrito O atrito é a interação entre duas superfícies na região de contato. A resistência devido ao atrito pode ser demonstrada por analogia com o problema de deslizamento de um corpo sobre uma superfície plana horizontal ou com inclinação. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 21 Assim, para solos a relação é descrita como: τ = σ x tg φ Em que: “φ” é o ângulo de atrito interno do solo. “σ” é a tensão normal. “τ” a tensão de cisalhamento. Se no atrito simples de escorregamento entre os sólidos o ângulo de atrito “φ” é praticamente constante, o mesmo não ocorre com os materiais granulares, em que as forças atuantes, modificando sua compacidade, mudam o ângulo de atrito “φ”, para um mesmo solo. O ângulo de atrito interno do solo depende do tipo de material e para um mesmo material, depende de diversos fatores (densidade, rugosidade, forma etc.). Assim, grande parte da resistência ao cisalhamento é devida ao atrito existente no solo. 2.3.2 Coesão Além do atrito existe uma interação/atração físico-química entre as partículas que também pode provocar resistência e varia conforme o tipo de solo. Assim, os solos argilosos e siltosos que têm essa propriedade de coesão, chamam-se coesivos. Os solos não-coesivos que são areias puras e pedregulhos, desmoronam facilmente ao serem cortados ou escavados, não apresentando esta interação. Portanto, apresenta coesão igual a 0. 2.3.3 Determinação dos parâmetros de resistência Então, para definir a resistência ao cisalhamento dos solos (Ƭ) leva-se em consideração a parcela referente ao atrito e a coesão, representado pela equação: Ƭ = c + σ.tg ø Em que: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 22 “τ” a tensão de cisalhamento. c é a coesão. “φ” é o ângulo de atrito interno do solo. “σ” é a tensão normal. Conforme a Figura 12, podemos verificar que o ângulo de atrito interno do solo é obtido pela reta paralela ao eixo x que cruza a reta de cisalhamento e a coesão é dado pelo valor de intercepto no eixo y. No eixo y temos a tensão de cisalhamento (τ) e o eixo x é a tensão vertical normal (σ). Figura 12 - Reta de cisalhamento. Fonte: Caputo (2015) Anote isso É importante notar que estes parâmetros de coesão, ângulo de atrito interno do solo e a resistência ao cisalhamento são obtidos por ensaio de laboratórios. Sendo aplicadas tensões normais máximas que ocasionam o cisalhamento, desta maneira obtém-se a resistência máxima ao cisalhamento para determinado tipo de solo. 2.4 Ensaios de resistência ao cisalhamento Para a determinação dos parâmetros de resistência ao cisalhamento, coesão e atrito é necessário realizar ensaios para cada tipo de solo. Dentre estes ensaios temos, como principais: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 23 • Compressão simples (uniaxial). • Cisalhamento direto. • Compressão triaxial. 2.4.1 Compressão simples (uniaxial) Este é o método mais simples e rápido para determinar a resistência ao cisalhamento de solos coesivos. O ensaio é realizado com o corpo de prova em uma prensa aberta, conforme mostrado na Figura 13. Figura 13 - Prensa utilizada no ensaio de compressão simples. Fonte: https://contech.eng.br/servicos/ensaios-em-solos/ensaio-de-compressao-simples Nesse ensaio é aplicada uma pressão axial (σ1), sem aplicação de pressões laterais (σ3). A carga é aplicada progressivamente, sendo traçada a curva tensão-deformação diretamente, por um dispositivo adaptado ao aparelho utilizado para esse ensaio. No mínimo são realizados três ensaios, ou seja, três repetições. 2.4.2 Cisalhamento direto Este ensaio é usado para solos arenosos e granulares. A amostra de solo é colocada em uma caixa de aço bipartida. O corpo de prova é carregado inicialmente com uma força vertical N, que corresponde a uma tensão normal (σ) na seção de área S correspondente a caixa (Figura 14). OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 24 Figura 14 - Caixa de amostra para o ensaio de cisalhamento direto. Fonte: https://alemdainercia.wordpress.com/2019/04/10/o-ensaio-de-cisalhamento-direto/ Metade da caixa inferior permanece fixa enquanto a tensão normal (σ ) é mantida constante, aplica-se uma força horizontal (T) crescente na metade superior da caixa até romper o corpo de prova por cisalhamento. O equipamento acoplado fornece o valor da tensão de cisalhamento quando o corpo de prova rompeu. Então, repete-se o ensaio com várias tensões normais. Assim, para pelo menos 3 valores de tensões normais são obtidas 3 tensões de cisalhamento. Com estes dados traça-se o diagrama no gráfico da reta de ruptura. Entre os pontos das coordenadas T e σ traça-se a reta de ruptura entre os pontos, conforme Figura 15. Figura 15 - Reta de ruptura obtida no ensaio de cisalhamento direto. Fonte: Adaptado de Caputo (2015). A partir do gráfico da Figura 15 pode-se obter os valores da coesão e ângulo de atrito interno do solo. A partir das letras indicadas no gráfico é possível obter as seguintes informações das regiões: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 25 • Região I: nesta região os pontos de tensões que estão abaixo da reta de ruptura do solo podemos concluir que o solo se apresenta estável e com as tensões abaixo da máxima resistência ao cisalhamento do solo. • Região II: nesta região ou melhor os pontos de tensões que estão na reta de ruptura do solo podemos concluir que o solo se apresenta em eminência de ruptura, pois está com a máxima tensão que o solo suporta. Se por ventura ocorrer um acréscimo de tensão o solo vai romper. • Região III: nesta região os pontos de tensões estão acima da reta de ruptura do solo podemos concluir que o solo não apresenta mais estabilidade, ou seja, já ocorreu a ruptura, pois extrapolou a máxima resistência de cisalhamento que o solo suporta. 2.4.3 Compressão triaxial O ensaio de compressão triaxial é teoricamente o mais completo e o mais utilizado. Nele, um corpo de prova cilíndrico é envolvido por membrana de látex impermeável e colocado dentro de uma câmara preenchida por água destilada. Durante o ensaio é aplicado uma pressão na água e desta forma o corpo de prova fica submetido à determinada tensão de confinamento (σ3). Conjuntamente seaplica uma tensão vertical (σ1) que aumenta constantemente. Isto induz o cisalhamento no solo levando até a ruptura ou deformação do solo. Figura 16 - Ensaio de compressão triaxial. Fonte: https://slideplayer.com.br/slide/295636/ Este ensaio obedece aos critérios de ruptura de Mohr-Coulomb. Assim, para determinada tensão confinamento σ3 (menor) há um valor de σ1 (tensão vertical maior) na ruptura. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 26 Aumentando σ3 , a σ1 aumenta também e forma um outro círculo. Cada círculo representa o estado de tensões na ruptura do ensaio, como é possível observar na Figura 17. Figura 17 - Envoltórias de ruptura no ensaio de compressão triaxial. Fonte: Adaptado de Caputo (2015). A linha tangente aos arcos é definida como envoltória de ruptura de Mohr. Frequentemente associada a uma reta deve-se a simplificação de Coulomb: τ = c + σ tg φ Em que: τ = resistência ao cisalhamento. φ = ângulo de atrito interno do solo = inclinação da reta. σ = tensão normal (vertical). c = coesão. A partir do gráfico da Figura 17 após traçar os semicírculos, nos pontos de tangência dos arcos, ao rebatê-los para o eixo y é obtido a máxima tensão de cisalhamento. Assim como pela reta de ruptura tem-se os valores da coesão e ângulo de atrito interno do solo. A partir das letras indicadas no gráfico é possível obter as seguintes informações das regiões: • Região I: se os arcos traçados correspondentes às tensões aplicadas estiverem para baixo da envoltória de ruptura, podemos concluir que o solo se apresenta estável e com as tensões abaixo da máxima resistência ao cisalhamento do solo. • Região II: se os arcos traçados estiverem tangentes à envoltória de ruptura (reta), podemos concluir que o solo se apresenta em eminência de ruptura, pois está com a OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 27 máxima tensão que o solo suporta. Se por ventura ocorrer um acréscimo de tensão o solo vai romper. • Região III: se os arcos traçados estiverem para cima da envoltória de ruptura, ou seja, cruzando a reta, podemos concluir que o solo não apresenta mais estabilidade, ou seja, já ocorreu a ruptura, pois extrapolou a máxima resistência de cisalhamento que o solo suporta. Além disso, este ensaio triaxial permite algumas variações de amostragem, onde simula diferentes condições de solicitação nos maciços. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 28 AULA 3 EMPUXO DE TERRA Empuxo de terra é a ação horizontal produzido pelo maciço de solo sobre uma estrutura de contenção que se apoie ou esteja em contato. A ação horizontal é resultante das pressões laterais exercidas ao longo da estrutura de apoio, sendo que depende da interação entre o solo-estrutura. Tanto durante todas as fases das obras que se realizam com ou nos solos e mesmo após a obra pronta, é necessário que se saiba a distribuição das forças que atuam no contato solo-elemento estrutural, pois mudanças provocadas por deslocamentos horizontais alteram a distribuição dos empuxos de terra neste contato. 3.1 Importância do empuxo O empuxo de terra é comumente encontrado em obras de contenção. As obras de contenção são construídas com finalidade de estabilizar o maciço contra a ruptura e escorregamento, causado pelo peso próprio ou carregamento no maciço, sejam elas permanentes ou temporárias. • Aplicações permanente: represar solo instável (rodovia ou ferrovia), elevar o terreno com movimento mínimo e criar espaço subterrâneo. • Aplicações temporárias: os escoramentos de escavações para passagem de tubos/ cabos ou reparar serviços. Assim, conhecer o empuxo é fundamental para a análise e dimensionamento de diversas obras de contenção ou que contenham os solos e se tenha a pretensão de estabilizar como: muros de arrimo, cortinas em estacas prancha, cortinas atirantadas, obras subterrâneas feitas em solos: túneis, garagens subterrâneas, silos enterrados, encontros de pontes, movimentos de solos sobre estradas, paredes e outras diversas obras. A partir do cálculo do empuxo é realizado o pré-dimensionamento da estrutura e posteriormente a verificação da estabilidade. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 29 3.1.1 Presença da água É importante realizar a verificação da presença da água nos maciços de solo das obras, pois com a ação da água tem-se: • Diminuição da resistência do maciço. • Deve-se considerar o efeito da pressão vertical nos cálculos. • Sem correto sistema de drenagem, pode duplicar o empuxo atuante, pois o peso específico do solo aumenta. Ao realizar as obras de terra é importante prever, dimensionar e instalar corretamente os dispositivos de drenagem. Esses dispositivos podem ser sistemas superficiais e subsuperficiais. São exemplos de sistemas superficiais as canaletas transversais, longitudinais, dissipadores de energia, caixa coletora e cobertura vegetal. Já os exemplos de sistemas de drenagem subsuperficiais: drenos horizontais, trincheiras drenantes, filtros granulares e geodrenos. Isto está na rede Para entender melhor a ação do empuxo acompanhe o vídeo: “Muro de arrimo: entenda o empuxo de terra no muro de contenção”. Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=_DWKL-tfFWg Como o exemplo do vídeo, quando se tem um talude natural e se deseja realizar uma construção, como no exemplo, uma residência, necessita-se cortar o maciço de solo. Este talude apresentava estabilidade, mas ao cortar necessita-se garantir a estabilidade através de estruturas de contenção, como o muro de arrimo. Desta maneira, é necessário entender as forças atuantes. Assim, as tensões verticais do solo exercem uma proporcionalidade no muro de arrimo em tensões horizontais. Como mostrado no vídeo, vemos que com a presença da água além do empuxo de terra exercendo no muro de arrimo tem que se levar em consideração o empuxo da água. Ao se realizar sistemas de drenagem eficientes, a água não exerce o empuxo e assim menos pressão estará agindo na estrutura de contenção. Com menos esforço atuante, o muro se torna mais barato e garante economia no dimensionamento e execução. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 30 3.2 Distribuição de tensões do empuxo Como identificado no vídeo anterior, as tensões verticais que exercem no solo provocam as tensões horizontais. Uma vez que em situação inicial o maciço de terra apresenta estabilidade, mas ao sofrer interferência do ser humano se desestabiliza e necessita ser contido. 3.2.1 Tipos de tensões Um grande problema na mecânica dos solos é a determinação das tensões induzidas no solo completamente saturado, ou seja, com os vazios do solo totalmente preenchidos com água. Existem três tipos de tensão atuando ao longo da profundidade do solo: a) Tensão total (σ) do carregamento atuante, tal como a tensão inicial do solo somada ao peso da sobrecarga. b) Poro-pressão da água (u) nos vazios induzida pelo peso da água, carga externa ou ambos. c) Tensão efetiva (σ’) entre os grãos de solo, sendo a verdadeira causa da deformação. Estas tensões são dadas pela equação: σv’=σ - u Em que: σv’= tensão vertical efetiva. σv= tensão vertical total. u = poro-pressão da água. Assim, nos cálculos do empuxo serão levados em conta as tensões efetivas quando não houver a presença do nível d’água já que ao construir tais estruturas de contenção serão instalados sistemas de drenagem eficientes garantindo maiores economias. Além disso, essas tensões verticais efetivas exercem uma proporcionalidade com as tensões horizontais, sendo estas também efetivas através do coeficiente de empuxo (k). O coeficiente de empuxo varia em função da elasticidade do material de acordo com parâmetros geotécnicos do solo, ângulo de atrito, índice de vazios entre outros. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 31 3.3 Condições de movimentaçãoTanto durante todas as fases das obras que se realizam, com ou nos solos e mesmo após a obra pronta é necessário que se saiba a distribuição das forças que atuam no contato solo-elemento estrutural, pois mudanças provocadas por deslocamentos horizontais alteram a distribuição dos empuxos de terra neste contato. Então, o plano da parede está sujeito a três tipos de interação: • Repouso. • Ativo . • Passivo. Figura 18 - Condições de movimentação da parede. Fonte: Caputo (2015) No empuxo no repouso a estrutura não se movimenta, mas nem sempre a estrutura é travada e apresenta repouso absoluto. Dessa forma, surge assim a movimentação que acionam as resistências internas de cisalhamento, na horizontal dada pelo empuxo no estado ativo e passivo. 3.3.1 Empuxo no repouso No empuxo no repouso, como pode-se ver na Figura 19, o plano de contenção da estrutura não se movimenta, estando em equilíbrio perfeito com o solo absolutamente estável. O coeficiente de empuxo no repouso é denominado como K0. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 32 As estruturas que por sua natureza essencialmente rígida não possam ou não devam sofrer deslocamentos estão engastadas ou enterradas, tal como uma parede de subsolo em edifício (Figura 19). Figura 19 - Paredes de um subsolo de um edifício. Fonte: Gerscovich (2010). As estruturas estão em repouso e não se deslocam no plano quando não sofrem grandes variações de temperatura. Segundo Caputo (2015), o coeficiente de empuxo no repouso pode ser dado pelos seguintes valores conforme a tabela 2. Tipo de solo Valor de K0 Argila pré-adensada 0,70 a 0,75 Areia natural 0,50 Areia solta 0,40 Areia compactada 0,60 a 0,75 Argila pastosa 1,0 Água 1,0 Tabela 2 – Valores do coeficiente de empuxo no repouso (K0) de acordo com o tipo de solo. Fonte: Caputo (2015). Da mesma forma, o empuxo no repouso pode ser encontrado em função do tipo de solo, dado em função do ângulo de atrito interno do solo (Φ): K0= 1 – senΦ OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 33 3.3.2 Empuxo ativo O empuxo no estado ativo desenvolve-se quando o solo age sobre a estrutura de contenção, ou seja, o solo desloca a estrutura e a parede se afasta. Esse fenômeno é chamado de distensão do solo. Desta forma, o maciço de solo se apoia sobre o muro, sofrendo uma distensão em virtude do deslocamento relativo que tende a ocorrer, conforme apresentado na Figura 20. Figura 20 - Condições do empuxo ativo. Fonte: Gerscovich (2010). Nesse caso, o maciço de solo está em situação iminente de ruptura. A tensão horizontal é dada em função da tensão vertical e o coeficiente de empuxo no estado ativo pela equação: σ h’=Ka*σv’ Em que: σh’ = tensão horizontal efetiva. Ka= coeficiente de empuxo ativo. σv’ = tensão vertical efetiva. 3.3.3 Empuxo passivo O empuxo passivo desenvolve-se quando a estrutura de contenção age pressionando o solo provocando o seu deslocamento em sentido contrário ao caso ativo. É o caso, por exemplo, da ação de tirantes executados para conter o deslocamento de um talude em OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 34 corte. O tirante “puxa” a face do talude comprimindo-o. Um exemplo é a fundação de pontes suportadas por esforços horizontais dos solos (Figura 21). Desta forma, a estrutura se movimenta ao encontro do solo causando compressão no maciço. E o maciço resiste à ação transmitida pelo muro. Figura 21 – Condições do empuxo passivo. Fonte: Gerscovich (2010). A tensão horizontal é dada em função da tensão vertical e o coeficiente de empuxo no estado passivo pela equação: σ h’=Kp*σv’ Em que: σh’ = tensão horizontal efetiva. Kp= coeficiente de empuxo passivo. σv’ = tensão vertical efetiva. 3.3.4 Empuxo Passivo x Ativo Em determinadas obras, a interação solo-estrutura pode englobar simultaneamente as duas categorias referidas: empuxo passivo e ativo. Como um muro-cais ancorado, como apresentado na Figura 22. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 35 Figura 22 - Muro-cais ancorado. Fonte: Gerscovich (2010) Outro exemplo clássico são as estacas prancha, onde uma parte da estaca está enterrada, ou seja, ancorada. Na parte inferior, ancorada, tem a ação do empuxo passivo e na parte superior, age o empuxo ativo onde o maciço de solo tende a desloca a estaca prancha para fora, note na figura abaixo. Figura 23 - Exemplo do empuxo ativo x passivo. Fonte: Gerscovich (2010) https://portalvirtuhab.paginas.ufsc.br/estaca-prancha/ OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 36 Anote isso É importante lembrar os principais fatores que influenciam na determinação do empuxo são eles: • Nível d’água. • Sobrecarga aplicada à superfície do terreno: uniformemente distribuída, linear uniforme, concentrada. • Atrito solo-muro, resistência entre a estrutura e o muro. • Fendas de tração, aberturas que desenvolvem na crista do talude, provocando a entrada de água e desestabilização do talude. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 37 AULA 4 TEORIA DE RANKINE Dando continuidade à aula anterior que foi visto sobre o empuxo de terra existem algumas metodologias de cálculo e formas para se calcular o empuxo de terra e a sua distribuição de pressões ao longo do plano de contenção. Através da Teoria de Rankine é possível admitir o plano de deslocamento da estrutura e assim determinar o empuxo atuante. 4.1 Método de cálculo A Teoria de Rankine é um método clássico de cálculo no equilíbrio-limite, ou seja, admite que o deslocamento que a parede irá desenvolver é no estado limite plástico. Assim, na ruptura do solo, ocorrem infinitos planos de ruptura e a plastificação de todo o maciço. Considerando o solo em estado de equilíbrio plástico, são adotadas algumas condições para a aplicação desta teoria: • Solo homogêneo e não-coesivo. • Ocorre deformação uniforme em todos os pontos do maciço. • Superfície plana do terreno. • A estrutura de contenção em contato com o solo é vertical. • Não considera atrito solo-estrutura, ou seja, estrutura totalmente lisa. • Obedece ao critério de ruptura de Mohr. Além disso, o ponto de aplicação do empuxo está a 1/3 da altura da contenção, isto em relação ao solo. As trajetórias do estado-limite correspondente às tensões na ruptura são obtidas através do círculo de Mohr com os parâmetros de coesão e ângulo de atrito do solo. A fórmula de tensão de cisalhamento é dada por: Ƭ= c + σ.tg ф OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 38 Em que: Ƭ = tensão de cisalhamento. c= coesão. σ= tensão normal. ф = ângulo de atrito interno do solo. 4.1.1 Movimentação do plano Conforme a Figura 24, para o caso de um solo não coesivo (coesão = 0), temos que a ruptura por cisalhamento ocorre ao longo de um plano que forma um ângulo com o plano da maior tensão: principal. Na figura representa-se então os planos de ruptura no repouso (1), estado ativo (2) e estado passivo (3). Figura 24 - Círculo de Mohr - planos de ruptura (solo não coesivo). Fonte: Caputo (2015). Observando a Figura 24, a variação do estado de tensões provoca movimentações no estado ativo e passivo a plastificação do maciço dá-se ao longo de planos definidos como nas figuras 25 e 26. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 39 Figura 25 - Plano de ruptura no estado ativo. Fonte: Caputo (2015) e https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/16427/16427_3.PDF Figura 26 - Plano de ruptura no estado passivo. Fonte: Caputo (2015) e https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/16427/16427_3.PDF. No estado ativo, Figura 25, o plano de ruptura é dado na inclinação de 45+ e conforme a aplicação da tensão vertical (σv) é constante e a tensão horizontal (σh) diminui progressivamente. No estado passivo, Figura 26, o plano de ruptura é dado na inclinação de 45- e conforme a aplicaçãoda tensão vertical (σv) é constante e a tensão horizontal (σh) aumenta progressivamente. Segundo Caputo (2015): Inicialmente observemos que no interior de uma massa de solo — considerada como um semiespaço infinito, limitada apenas pela superfície do solo e sem nenhuma sobrecarga — uma das tensões principais tem a direção vertical e o seu valor é dado pelo peso próprio do solo. A direção da outra tensão principal será, consequentemente, horizontal. Desta forma, tem-se o deslocamento horizontal em função de uma proporcionalidade da tensão vertical. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 40 Os cálculos, segundo a teoria de Rankine, não consideram o atrito entre o terrapleno e a parede, desta forma os resultados obtidos não correspondem à realidade, mas no empuxo ativo é válido adotar a teoria de Rankine pois admite maior segurança. Esta teoria é muito utilizada devido a fácil e rápida aplicação (CAPUTO, 2015). 4.2 Solos não coesivos Método clássico de cálculo atendendo as condições para a aplicação da teoria de Rankine na movimentação do estado ativo e passivo. 4.2.1 Empuxo ativo Admitindo que a parede AB afasta do terrapleno e a pressão horizontal diminui até alcançar valor mínimo, tem-se, então, que a tensão de distribuição é equivalente a (Figura 4): Ka.γ.h Em que: Ka = coeficiente de empuxo ativo. γ = peso específico do solo. h = altura da estrutura. A tensão vertical será a pressão principal maior. Continuando o deslocamento, AB deixará de apresentar continuidade e produz deslocamento na linha BC, formando um ângulo de (45°+ ) com a pressão principal menor. A partir desta relação assume-se que, para solos não coesivos, o Ka é equivalente a tg2(45- ). A expressão do empuxo ativo Ea é igual a área do triangulo ABD, que será: Ea = .γ.h 2.Ka OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 41 Figura 27 - Estado ativo. Fonte: Caputo (2015). 4.2.2 Empuxo passivo Admitindo que a parede AB produza o deslizamento, o empuxo deverá ser maior que o peso do terrapleno. Assim, a pressão horizontal é a maior e a tensão vertical é menor. Tem-se então que a tensão de distribuição é equivalente a (Figura 27): Kp.γ.h Em que: Kp = coeficiente de empuxo passivo. γ = peso específico do solo. h = altura da estrutura. Continuando o deslocamento, AB deixará de apresentar continuidade e produz deslocamento na linha BC. Que forma um ângulo de (45°- ) com a pressão principal maior. A partir desta relação assume-se que, para solos não coesivos, o Kp é equivalente a tg2. (45+ ) A expressão do empuxo ativo Ep é igual a área do triangulo ABD que será: Ep = .γ.h 2 Kp OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 42 Figura 28 - Estado passivo. Fonte: Caputo (2015). 4.2.3 Valores do coeficiente de empuxo Para diferentes ângulos de atrito do solo pode-se definir, segundo a Tabela abaixo, os valores de Ka e Kp. ф Ka Kp 0º 1,00 1,00 10º 0,70 1,42 20º 0,49 2,04 25º 0,41 2,47 30º 0,33 3,00 35º 0,27 3,69 40º 0,22 4,40 45º 0,17 5,83 50º 0,13 7,55 60º 0,07 13,90 Tabela 3 - Coeficientes de empuxo ativo e passivo. Fonte: Caputo (2015). Como se observa entre os três valores de K podemos escrever que: Ka < K0 < Kp OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 43 4.2.4 Superfície do terrapleno inclinada Em muitos casos o solo atrás do muro não está nivelado e pode apresentar inclinação acima da horizontal (Figura 29). Figura 29 - Empuxo em terrapleno com superfície inclinada. Fonte: Caputo (2015). Se a superfície livre do terrapleno tem uma inclinação β, os valores de empuxo serão dados por: Os seus pontos de aplicação ainda são no terço inferior da altura h. 4.3 Solos coesivos Como o solo não resiste a tensões trativas surgem trincas na região superior do terrapleno a uma determinada profundidade Z0. A pressão horizontal se anula, sendo negativa acima de z0 e positiva abaixo dessa profundidade. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 44 Teoricamente na profundidade da altura crítica não há empuxo (ele se anula), pois é compensado pela área de tração e compressão. Logo, pode-se fazer um corte sem necessidade de estrutura de contenção. Deve-se considerar a coesão (c) nos cálculos. Figura 30 - Empuxo em solos não coesivos. Fonte: Caputo (2015). 4.3.1 Empuxo Ativo Será dado pela expressão: Pela qual, a uma profundidade em que o empuxo se anula é denominado altura: 4.3.2 Empuxo Passivo Será dado pela expressão: E a profundidade critica pode ser encontrada como no ativo. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 45 4.4 Efeito da sobrecarga Pode ser considerado como uma altura equivalente de solo, h0, escrevendo-se h0=q/γ, sendo γ o peso específico do terreno. A pressão, numa profundidade z, será então Kγz + Kγh0. A resultante será aplicada acima do terço inferior da parede. 4.4.1 Terreno plano Para solos não coesivos adota-se a h0 = q/γ. Figura 31 - Sobrecarga em terreno plano. Fonte: Caputo (2015). 4.4.2 Solo inclinado A altura equivalente de solo é dada por: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 46 Figura 32 - Sobrecarga em terreno inclinado. Fonte: Caputo (2015). 4.5 Influência da água Na maioria dos casos se realiza sistema de drenagem no terrapleno para que a água não desenvolva pressão neutra. Mas em casos que não seja possível e tenha a presença do lençol d’água, é necessário verificar a influência sobre o cálculo das pressões. Considerando-se a pressão total a soma da pressão efetiva e da água: σv=σv’ + u Em que: u= poro-pressão, da água. Para efeitos de cálculo: Considerar a soma do Empuxo do SOLO + ÁGUA Peso específico da água (γ água): cerca de 10 kN/m3 Peso específico solo saturado: ordem de 19 kN/m3 Entretanto, considera-se o solo em condições submersas por se referir à tensão efetiva do solo. Deve-se achar peso específico solo submerso para calcular o empuxo exercido pelo solo. γ sub = γ sat - γ água OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 47 Em que: γ sat = peso específico do solo saturado, ou seja, com todos os vazios preenchidos com água. γ sub = peso específico do solo submerso, ou seja, equivalente ao peso do solo saturado – peso da água . 4.6 Exercício exemplo Considere que um muro de arrimo com 6 metros de altura está suportando um solo, cujo peso específico é de 16 kN/m³, e esta areia apresente ângulo de atrito interno de 30°. Pela Teoria de Rankine qual é o valor de empuxo ativo sobre este muro? E qual é a resultante do empuxo no muro de arrimo? Listando as informações do enunciado: Altura (h) = 6 metros Peso especifico do solo (γ) = 16 kN/m³ Ângulo de atrito interno (ф) = 30º Temos que achar o coeficiente de empuxo ativo dado pela fórmula: Ka= tg2(45- ) Então: Ka= tg2(45- ) → Ka= 0,33 E depois achar o empuxo ativo pela fórmula substituindo os dados na equação: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 48 Ea = γ h2 Ka Ea = .16.62.0,33 → 95 kN/m O ponto de aplicação é equivalente a 1/3 da altura (h), então 1/3 x 6 = 2 metros acima do solo. Resposta do exercício exemplo: o valor do empuxo ativo é 95 kN/m e o seu ponto de aplicação está localizado à 2 metros da base. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 49 AULA 5 TEORIA DE COULOMB Dando continuidade à aula anterior que foi visto sobre o empuxo de terra, existem algumas metodologias de cálculo e formas para calcular o empuxo de terra e a sua distribuição de pressões ao longo do plano de contenção. Através da Teoria de Coulomb é possível admitir uma superfície de ruptura do solo e assim determinar o empuxo atuante na estrutura de contenção. 5.1 Método de cálculo A Teoria de Coulomb é um método clássico decálculo no equilíbrio-limite e que o maciço de solo se rompe segundo superfícies curvas, os quais por conveniência admitem-se planas. Então, para a aplicação da teoria de Coulomb considera-se: • Solo homogêneo. • Existência do atrito-solo. • Esforço proveniente da pressão do peso parcial da cunha de terra, que se rompe em superfícies curvas, mas que são admitidas planas. • A estrutura de contenção não precisa ser plana. • O terreno pode ser horizontal ou inclinado. Além disso, nada se afirma do ponto de aplicação do empuxo na estrutura de contenção, na prática adota-se entre 1/3 a ½ altura da estrutura. 5.1.1 Hipóteses A linha de ruptura forma uma cunha entre a superfície do terreno e a parede interna do muro. São admitidas as hipóteses que a superfície de escorregamento é plana e o plano de ruptura passa pela base do muro no ponto A, conforme Figura 33. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 50 Figura 33 - Cunha de ruptura. Fonte: o autor (2020). Desta forma, o esforço exercido no muro é proveniente do peso parcial de uma cunha de terra que desliza pela perda de resistência ao cisalhamento (ao longo de superfície curvada). Na prática é substituída por plano de ruptura, conforme a Figura 34, em A tem-se o estado ativo e em B o estado passivo. Figura 34 - Planos de ruptura. Fonte: Gersogovich (2010). 5.1.2 Equilíbrio limite Envolve a estabilidade como um todo da cunha de solo entre muro de contenção e o plano de ruptura, onde o equilíbrio limite da cunha de solo com seção triangular. Solução de limite superior de plasticidade, ocorrendo a ruptura do maciço acima do plano de ruptura escolhido quando o muro se afasta do solo ou insere nele. Conforme o exemplo da cunha no estado ativo (Figura 35). OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 51 Figura 35 - Exemplo da cunha de ruptura. Fonte: https://images.app.goo.gl/djnRJ4yNv4u3rBAG9 5.1.3 Considerações sobre a Teoria de Coulomb Esta teoria apresenta mais amplitude de cálculos e utilizações, pois considera condições irregulares de geometria do muro e do maciço/retroaterro, sem desprezar a resistência do muro e do solo. Possibilita também a incorporação sobrecarga concentrada ou distribuída e a existência de lençol freático, ou seja, a presença da água. Abrange ainda análise da estabilidade de taludes, escavações, barragens de terra e aterros e um estudo da estabilidade de muros de arrimo. É utilizado para análise de talude íngremes, qualquer tipo de superfície superior do terreno, sobrecarga e qualquer contenção em geral. 5.1.4 Influência do atrito solo-muro Ao considerar o atrito entre o solo e o muro (estrutura), isto significa que no plano do tardoz (estrutura de contenção) há o desenvolvimento de tensões de cisalhantes que exprimem uma resistência. O atrito do solo-muro (δ) é determinado pelo ângulo de atrito do solo (φ) admite-se segundo: • Terzaghi: ≤ δ ≤ φ; • Müller Breslau: δ = φ. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 52 Segundo o manual de fundações e estruturas publicado em 1982 pela NAVFAC, temos valores típicos do ângulo de atrito na interface entre o solo e estrutura em função dos tipos de materiais conforme a Tabela 3 abaixo. Materiais de interface Ângulo de interface (δ) Massa de concreto contra Rocha sã 25 Grava limpa, mistura de areia e grava, areia grossa 29 – 31 Areia impa fina a mediana, areia siltosa mediana a grossa, grava siltosa ou argilona 24 – 29 Areia fina limpa, areia siltosa ou argila fina a mediana 19 – 24 Silte arenoso, silte não plástico 17 – 19 Concreto trabalhado contra Argila medianamente rígida, e rígida, e argila siltosa 17 – 19 Grava limpa, mistura de areia e grava, brita bem graduada com lascas 22 – 26 Areia limpa, mistura de grava e areia siltosa, brita dura de um tamanho só 17 - 22 Estacas de aço contra Areia siltosa, grava, ou areia misturados com silte ou argila 17 Silte arenoso fino, silte não plástico 14 Grava limpa, mistura de areia e grava, brita bem graduada com lascas 22 Areia limpa, mistura de grava e areia siltosa, brita dura de um tamanho só 17 Areia siltosa, grava ou areia misturados com silte ou argila 14 Silte arenoso fino, silte não plástico 11 Tabela 3 – Valores típicos do ângulo de atrito na interface solo-estrutura. Fonte: NAVAFAC (1982). 5.2 Solos não coesivos Levando-se em conta uma possível cunha de ruptura ABC para o estado ativo, em equilíbrio sob a ação de, conforme a Figura 36. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 53 Figura 36 - Forças atuantes no empuxo ativo. Fonte: Caputo (2015). Em que: P – peso da cunha, conhecido em grandeza e direção. R – reação do terreno, formando um ângulo φ com a normal à linha de ruptura BC. Ea – empuxo resistido pela parede, força cuja direção é determinada pelo ângulo δ de atrito entre a superfície rugosa AB e o solo arenoso. Podemos determinar Ea traçando-se o polígono de forças. Admitindo-se, então, vários possíveis planos de escorregamento, BCi, será considerada como superfície de ruptura aquela que corresponder ao maior valor de Ea, que é o valor procurado. Partindo das condições de equilíbrio das três forças P, R e Ea, deduzem-se as equações para os empuxos ativo (Ea) e passivo (Ep), este último correspondendo à superfície de deslizamento, também suposta plana, que produz o prisma de empuxo mínimo. A curvatura da superfície de ruptura tem aqui maior importância que no caso ativo e é tanto mais acentuada quanto maior for δ em relação a φ, o que torna admissível a aplicação da teoria de Coulomb para o cálculo do empuxo passivo, somente aos solos não coesivos, quando δ ≤ φ/3. 5.2.1 Empuxo ativo O empuxo ativo é dado pela fórmula: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 54 Em que: γ = peso específico do solo. h = altura da estrutura . Ka= coeficiente de empuxo ativo. E o coeficiente de empuxo ativo temos pela fórmula: Em que: α = ângulo de inclinação do tardoz. β = ângulo de inclinação do terreno. δ = ângulo de atrito solo-muro. φ = ângulo de atrito do solo. Lembrando que se: α = 90° e β = δ = 0°, a Teoria de Coulomb se iguala a de Rankine. 5.2.2 Empuxo passivo O empuxo passivo é dado pela fórmula: Em que: γ = peso específico do solo. h = altura da estrutura . Ka= coeficiente de empuxo passivo. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 55 E o coeficiente de empuxo passivo pela fórmula: Em que: α = ângulo de inclinação do tardoz. β = ângulo de inclinação do terreno. δ = ângulo de atrito solo-muro. φ = ângulo de atrito do solo. Levando-se em conta uma possível cunha de ruptura ABC para o estado passivo em equilíbrio sob a ação de, conforme a Figura 37. Figura 37 - Forças atuantes no empuxo passivo. Fonte: Caputo (2015). 5.2.3 Soluções gráficas Existem outras soluções gráficas (Poncelet, Culmann) na literatura procurando resolver o problema do cálculo do empuxo. O método de Culmann procura determinar a resultante de empuxo para terrapleno com geometria irregular ou com carregamento externo, aplicado originalmente para solos não coesivos e leva em consideração o ângulo de atrito entre solo e muro. O valor do empuxo é determinado fazendo-se variar o ângulo de inclinação da superfície de ruptura, admitida OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 56 plana. O maior valor deles é tomado como sendo a resultante de empuxo ativo procurada ou o menor como sendo a resultante de empuxo passivo. 5.2.4 Solos coesivos Na aplicação da teoria de Coulomb aos solos coesivos, além das forças R (atrito) e P (peso da cunha), devemos considerar ainda as forças de coesão, S, ao longo da superfície de deslizamento e de adesão, T, entre o terrapleno e a parede. 5.2.5 Empuxo ativo O problema consiste em procurar o máximo valor da força máxima, no casocomo apresentado na Figura 38 o empuxo ativo (Ea) que, com as demais, feche o polígono das forças, as quais são conhecidas em grandeza e direção – P, S e T, e apenas em direção – R e Ea. Figura 38 - Forças atuante no empuxo ativo. Fonte: Caputo (2015). Neste caso faz-se necessário o cálculo da resultante diretamente pelo desenho do polígono de forças. Não há um coeficiente de empuxo K que corresponda à situação em análise, simplificando a sua determinação, como pode haver nos casos anteriores. Para a situação de empuxo passivo o procedimento deve ser o mesmo, considerando a posição da resultante Ep como já ilustrado. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 57 5.2.6 Empuxo passivo No caso de empuxo passivo em solos arenosos quando δ ≥ φ/3 e em solos coesivos, a experiência tem mostrado que a superfície de deslizamento nas proximidades da parede tem diretriz nitidamente curva, pelo que a sua forma é suposta constituída por um arco de espiral logarítmica ou um arco de circunferência de círculo tangente a uma reta inclinada de 45 – com a horizontal. No que se segue consideraremos BC como um arco de circunferência de círculo. Figura 39 - Envoltória de ruptura no estado passivo. Fonte: Caputo (2015). 5.3 Ponto de aplicação do empuxo O ponto de aplicação do empuxo é obtido traçando-se pelo baricentro G1 da cunha ABC. Uma paralela ao plano de escorregamento BC é traçado até encontrar o paramento interno G2, que será, aproximadamente, o ponto de aplicação. Figura 40 - Ponto de aplicação do empuxo. Fonte: Caputo (2015) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 58 5.4 Exercício exemplo Considere que um muro de arrimo com 6 metros de altura está suportando um solo, cujo o peso específico é de 18 kN/m³ e esta areia apresenta ângulo de atrito interno de 30°. Além disso, o plano de inclinação da contenção faz 90° com a horizontal, e o terreno não apresenta inclinação, ou seja, faz 0° com a horizontal. O muro-solo apresenta atrito de 25 °. Pela Teoria de Coulomb, determine o empuxo ativo sobre este muro? E qual é a resultante do empuxo no muro de arrimo? Reorganizando as informações dadas do problema: α = ângulo de inclinação do tardoz → 90º β = ângulo de inclinação do terreno → 0º δ = ângulo de atrito solo-muro → 25º φ = ângulo de atrito do solo → 30º Ea= empuxo ativo ?? γ = peso específico do solo (kN/m³) → 18 kN/m³ h = altura (m) → 6metros ka= coeficiente de empuxo ativo → achar pela formula de Ka na teoria de coulomb Temos que achar o coeficiente de empuxo ativo dado pela fórmula: + OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 59 Então: Ka → 0,29 E depois achar o empuxo ativo pela fórmula, substituindo os dados na equação: Ea = γ h2 Ka Ea = 1/2.18.6 2.0,29 → 93,96 kN/m O ponto de aplicação é equivalente a 1/3 da altura (h), então 1/3 x 6 = 2 metros acima do solo. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 60 AULA 6 ESCAVAÇÃO DE VALAS E ESCORAMENTOS Para iniciar este assunto sobre escavações de valas e escoramento é importante entender alguns conceitos e definições que os englobam, conforme o glossário abaixo: • Escavação: Remoção de solo, da superfície natural do terreno até a cota de projeto. • Vala: Abertura no solo, feita mecânica ou manualmente, com seção transversal definida, para a instalação de tubulações. • Escoramento: Estrutura para manter estáveis os taludes das escavações. • Esgotamento: Retirada da água da vala, para o desenvolvimento dos trabalhos dentro dela. • Fundo da vala: Parte inferior da vala, sobre a qual a tubulação é apoiada diretamente ou através de um berço adequado. • Profundidade da vala: Diferença de nível entre o fundo da vala e a superfície do terreno. • Reaterro da vala: Recomposição de solo desde o fundo da vala até a superfície do terreno. • Rebaixamento de lençol: Operação que tem por finalidade eliminar ou diminuir o fluxo de água do lençol freático para o interior da vala, através de sistema apropriado. Então, o que seriam as escavações e com quais finalidades são executadas na engenharia civil? As escavações de valas são realizadas principalmente em obras de saneamento, drenagem para construção e passagem de redes de gás e oleodutos. Assim como englobam grandes obras, como para construção de metros, galerias de água pluvial, execução de tubulões (fundações), subsolos de edifícios e obras em geral que são enterradas. A execução deste serviço é regida pela NBR 12.266 (ABNT, 1992) que define valas para tubulações de água, esgoto ou drenagem e estabelece critérios para o posicionamento e execução dos escoramentos. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 61 6.1 Aspectos de dimensionamento Alguns aspectos geotécnicos devem ser observados ao serem realizadas as escavações e os escoramentos entre eles estão: • Propriedades do solo e/ou rocha. • Condições do nivel d’água. • Forma e dimensões das escavações. • Espaço disponível. • Situação das fundações vizinhas. • Estudo da estabilidade pela distribuição de pressões do terreno sobre as estruturas de contenção: o empuxo obtido pelas teorias de Rankine e Coulomb. Esses aspectos devem ser levados em conta tendo como principais objetivos: garantir condições para realização destes serviços e principalmente garantir a segurança dos trabalhadores. 6.2 Métodos de escavação Os métodos de escavação e técnicas dependem de alguns fatores que são regidos pela NBR 9.061/85 – Segurança de escavações a Céu Aberto (ABNT,1985). 6.2.1 Classificação dos materiais De acordo com os tipos de materiais e a sua classificação, é adotado o melhor processo para a sua escavação. Os materiais são classificados por categoria que está em função do tipo de material e o processo de escavação adequado, conforme a Tabela 4. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 62 Categoria Característica Material Processo 1a Mais fácil de ser retirado Areia, argila Escavação simples 2ª Retirado com certa dificuldade Argila rija, com predominância de pedregulho com diâmetro entre 0,15m a 1,00m Escarificação, eventualmente explosivos 3a Difícil de ser retirada Rocha ou blocos de rochas Emprego de explosivos Tabela 4 - Classificação dos materiais. Fonte: DNIT (2009). Na figura 41 abaixo pode-se verificar as características dos materiais. O primeiro da esquerda para direita é um material de primeira categoria, a imagem central representa material de segunda categoria e a última imagem, à direita um material de terceira categoria. Figura 41 - Tipos de materiais de acordo com a categoria. Fonte: https://pedreirao.com.br/o-que-sao-materiais-de-1-2-e-3-categorias-passo-a-passo/ 6.2.2 Manual A escavação manual é realizada com o auxílio de ferramentas manuais e utilizando a força braçal humana. São indicadas para profundidades até 1,50 metro. Sendo indicada para solos mais brancos. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 63 Figura 42 - Escavação manual. Fonte: http://tstetecnologias.blogspot.com/2012/01/escavacao-em-solo-e-aberturas-de-valas.html 6.2.3 Mecânica As escavações mecânicas são aquelas realizadas com uso de equipamentos motorizados, como escavadeiras, retroescavadeiras, valetaradeiras ou pneumáticos. Deve-se atentar ao risco de tombamento do equipamento, portanto deverão ser verificados os pontos de apoio. Figura 43 - Escavação mecânica: retroescavadeira. Fonte: http://tstetecnologias.blogspot.com/2012/01/escavacao-em-solo-e-aberturas-de-valas.html OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 64 Figura 44 - Escavação mecânica - valetadeira. Fonte: http://3.bp.blogspot.com/-2t94ztD00Dw/VGAR4u7ValI/AAAAAAAAAMA/ozF7vFk5NBg/s1600/100_0575.JPG 6.2.4 Taludada São escavações executadas com as paredes em taludes estáveis, podendo ter patamares (bermasou plataformas), objetivando melhorar as condições de estabilidade dos taludes. O ângulo de inclinação depende das condições geotécnicas do solo. Nas escavações a céu aberto é sempre mais econômico prever a execução de taludes (sem ou com degraus) do que paredes verticais escoradas ou ancoradas, desde que a natureza do solo e as condições locais o permitam, isto é, desde que não haja perigo de deslizamento que possa afetar a estabilidade das construções vizinhas. Figura 45 - Taludes em bermas. Fonte: ABNT (1985) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 65 Figura 46 - Escavação taludada. Fonte: http://www.alegre.es.gov.br/site/images/imagens/artigos/defesa-civil/recomendacoes-escavacoes.pdf 6.3 Proteções das escavações Além da escavação ser um método de proteção das escavações estas podem ser protegidas com estruturas denominadas de cortinas. Estas cortinas são escoramentos e materiais que protegem as paredes de valas contra os desprendimentos. Estas são denominadas conforme o método: • Cortinas com peças de proteção horizontal. • Cortinas estacas-pranchas. • Cortinas estacas justapostas. • Cortinas de concreto armado. • Cortinas de concreto armado ancoradas. As escavações podem ser protegidas também conciliando as paredes protegidas em taludes, conforme Figura 47. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 66 Figura 47 - Escavações com proteções mistas. Fonte: http://www.alegre.es.gov.br/site/images/imagens/artigos/defesa-civil/recomendacoes-escavacoes.pdf 6.4 Escoramentos Os escoramentos são estruturas utilizadas com a finalidade de manter estáveis as paredes das valas de solo com tendência ao desmoronamento, ou seja, protegendo os servidores. Isto porque os solos sem consistência têm a tendência de desmoronar provocado pelo peso próprio ou por cargas eventuais. Normalmente se usa escoramento em obras de saneamento, drenagem, construção de redes de gás e oleodutos. Deve ser aplicado para garantir a segurança dos trabalhadores e secundariamente para permitir que os solos sejam escavados até a profundidade de projeto. Na Figura 48 são indicados os principais elementos construtivos do escoramento: • Estacas-pranchas: peças verticais que recebem o empuxo de terra. • Longarinas: peças colocadas paralelamente ao eixo da vala e servem para transmitir os esforços às entroncas. • Entroncas: peças colocadas transversalmente às valas e servem para transmitir o empuxo de terra de um lado para outro. • Chapuz: peças para calçar as longarinas. • Ficha: parte do escoramento que fica cravada além da cota final de corte da vala. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 67 Figura 48 - Principais elementos do escoramento. Fonte: https://images.app.goo.gl/xXAoQqWncoiXMQRZ6 Independente da solução aplicada, a decisão para o uso do escoramento e a técnica deve levar em conta: • Profundidade da vala, de acordo com a NR 18. • Grau de estabilidade do solo, em função de estudos geotécnicos. • Cálculo das pressões máximas sobre o escoramento através do empuxo. 6.4.1 Escoramentos A NBR 12.266 - Projeto e execução de valas para assentamento de tubulação de água, esgoto ou drenagem urbana (ABNT, 1992) apresenta as especificações que devem ser obedecidas para o projeto e execução dos escoramentos, subdivididos em 4 tipos: o pontaleteamento, escoramento descontinuo, escoramento continuo e escoramento especial. 6.4.1.1 Pontaleteamento Escoramento do solo lateral da vala com tábuas na vertical, bastante espaçadas, e travadas transversalmente por estroncas. As tábuas devem ser espaçadas a 1,35 m. As estroncas de diâmetro de 20 cm, por sua vez, devem ter espaço vertical de 1 m. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 68 Figura 49 - Pontaleteamento. Fonte: http://wiki.urca.br/dcc/lib/exe/fetch.php?media=execucao_obras_esgoto.pdf 6.4.1.2 Contínuo Instalado com tábuas justapostas, sem espaçamento, esse escoramento também é travado por longarinas horizontais e por estroncas. As tábuas cobrem toda a superfície lateral da vala e são travadas umas às outras horizontalmente por longarinas em toda sua a extensão. O espaço vertical entre as longarinas é de 1 m, com estroncas espaçadas em 1,35 m entre si (deve haver uma estronca a 40 cm, pelo menos, de cada extremidade da longarina). A disposição das madeiras cobre toda a superfície lateral. O escoramento contínuo é adequado para solos arenosos e sem coesão. Figura 50 - Escoramento contínuo. Fonte: http://wiki.urca.br/dcc/lib/exe/fetch.php?media=execucao_obras_esgoto.pdf OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 69 6.4.1.3 Descontínuo Com tábuas espaçadas entre si, travadas por longarinas horizontais e por estroncas. As tábuas devem ter 30 cm de espaço entre si. São travadas horizontalmente por longarinas em toda a sua extensão, com espaço vertical de 1 m entre si. São travadas com estroncas a cada 1,35 m (nas extremidades da longarina, a primeira e a última estroncas devem estar colocadas a 40 cm de cada extremidade). A disposição das madeiras não cobre toda a superfície lateral. O escoramento descontínuo é adequado para solos coesos e em cota superior ao nível do lençol freático, tendo pouco ou nenhuma presença de água. Figura 51 - Escoramento descontínuo. Fonte: http://wiki.urca.br/dcc/lib/exe/fetch.php?media=execucao_obras_esgoto.pdf 6.4.1.4 Especial O escoramento especial é feito com tábuas justapostas encaixadas (por meio de encaixe macho-fêmea). O conjunto é completado com longarinas e estroncas. As estacas-pranchas (6 cm x 16 cm) do tipo macho-fêmea são travadas horizontalmente por longarinas (8 cm x 18 cm) em toda a sua extensão, com estroncas espaçadas de 1,35 m a menos das extremidades das longarinas, de onde as estroncas devem estar a 0,40 m. As longarinas devem ser espaçadas verticalmente a 1 m. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 70 Figura 52 - Escoramento especial. Fonte: https://images.app.goo.gl/36hpLBR9cabY6WxT9 6.4.2 Escoramento em Madeira Os escoramentos de madeira são um método tradicional que estão sendo substituídos por método mais modernos, com menores limitações operacionais e maior velocidade de instalação. Devem ser empregadas madeiras duras, resistentes à umidade (peroba, maçaranduba, angelim, canafístula etc.). E as estroncas podem ser de eucalipto. 6.4.3 Misto É possível estar utilizando como escoramento diferentes tipos de materiais. Por exemplo, a combinação da madeira com aço tipo hamburguês. Deve ser constituído por perfis “H” de aço de 10” cravados, pranchões de madeira de boa qualidade de 4 cm x 20 cm, longarinas de aço de perfil “H” de 6” e estroncas de mesma bitola. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 71 Figura 53 - Escoramento misto. Fonte: https://images.app.goo.gl/cSJD1kafLkzotRpQ6 6.4.4 Blindagem de vala É uma das técnicas mais indicadas, pois além de conferir mais segurança aos trabalhos são de manejo ágil, proporcionando maior velocidade na instalação e remoção, portanto escavações mais rápidas. As pranchas metálicas são perfis de aço laminados encaixados longitudinalmente e, pelo encaixe e cravação contínuos, se instala as paredes de contenção. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 72 Figura 54 - Blindagem de valas. Fonte: https://images.app.goo.gl/XZ44A7rTB57JaN6bA Isto está na rede Acompanhe nos vídeos indicados abaixo o processo de escavação de valas. → https://www.youtube.com/watch?v=t17fn7Z5DJk Neste outro vídeo você pode entender melhor como são os escoramentos do tipo blindagem de valas. → https://www.youtube.com/watch?v=sNF9SKGnyZQ OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 73 Isto acontece na prática É importante mencionar que soterramentos são observados em várias companhias de saneamento dopaís. O principal motivo para a ocorrência destes acidentes nas escavações é a ausência dos sistemas de contenção do solo. A principal alegação das empreiteiras é que a instalação do escoramento é demorada, atrasando a continuidade da obra e consequentemente o cronograma. Segundo das recomendações técnicas de procedimentos de escavações da defesa civil do Espírito Santo, isto não procede, pois não se deve justificar a ausência ou precariedade das medidas de segurança em função de fatores econômicos e/ou de produção. Fonte: Recomendações técnicas de procedimentos de escavações. http://www. alegre.es.gov.br/site/images/imagens/artigos/defesa-civil/recomendacoes- escavacoes.pdf. Acesso em: 16 abr.2020. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 74 AULA 7 RISCOS E SEGURANÇA NA EXECUÇÃO DE ESCAVAÇÕES Na execução de serviços de escavações e aberturas de valas é importante conhecer os riscos que este tipo de trabalho de forma a prever os possíveis problemas que possam surgir. As principais finalidades das escavações são em obras de saneamento, obras de drenagem e galerias de águas pluviais, em redes de gás, em metrôs, em obras de subsolo e em fundações como tubulões. Ao conhecer os riscos é possível admitir medidas que garantam tanto a segurança de trabalhadores como a continuidade do serviço de escavações e das obras seguintes. 7.1 Introdução às escavações O processo de escavações tanto de projeto e execução das valas é regido através de condições para a realização destes serviços pela NBR 12.266/92 – projeto e execução de valas para assentamento de tubulação de água, esgoto ou drenagem urbana. Assim como a norma estabelece critérios para o posicionamento da vala em via pública e dimensionamento do escoramento. As condições gerais abordadas pela NBR 12.266/92 são em relação ao projeto/ posicionamento das valas, dimensionamento, escavações, escoramento, esgotamento, prepara do fundo da vala, reaterro, medidas preventivas e sinalização. Todos estes direcionamentos exigíveis pela norma devem ser verificados de forma a evitar os riscos que comumente ocorrem neste serviço que são ocasionados pela ruptura do solo e rochas. 7.2 Riscos de ruptura O principal risco que o solo quando é escavado e com a abertura da vala é a ruptura do solo, ao qual ele perde sua estabilidade e acaba desmoronando para dentro da vala. Os principais fatores que levam a este desprendimento do solo e rocha são: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 75 • Operação de máquinas. • Sobrecarga de taludes. • Execução de talude inadequado. • Aumento de umidade do solo. • Vibração na obra. • Escavações abaixo do lençol freático. • Trabalhos de escavações sob condições meteorológicas adversas. • Interferência de cabos elétricos, telefone, água pluvial, água potável e esgoto. • Recalque, bombeamento, desvio de lençóis freáticos, lagos, rios. • Falta de espaço suficiente para operação de máquinas. E consequentemente que esse risco de ruptura leva à queda de pessoas, soterramento dos servidores e também o desabamento de materiais, terras, rochas. Anote isso Todas as obras mesmo que aparentemente mais simples de escavação necessitam de um responsável técnico, o engenheiro, para que seja realizado o projeto e acompanhamento da execução do serviço. Desta forma, é importante que sejam seguidas as normas exigíveis como a NBR 12.266 e a NR 18 para garantir a segurança dos servidores e o risco de ruptura do solo com desmoronamento e soterramento não ocorram. 7.3 Ações para diminuir os riscos Estes riscos de segurança dos trabalhadores devem ser evitados através das ações de diminuição dos riscos, propostas pela NR 18 – Norma regulamentadora de condições e meio ambiente de trabalho na indústria da construção. O item 6 da NR 18 aborda o tópico de ações de segurança em Escavações, fundações e desmonte de rochas. São listadas inúmeras medidas para a diminuição de riscos neste item 18.6 da NR, dentre eles destacam-se alguns listados nos subitens abaixo. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 76 7.3.1 Item 6.1 ao 6.4 da NR 18 • Primeiramente, a área de trabalho deve ser limpa, retirando árvores ou escorando-as, rochas, equipamentos, materiais e objetos de qualquer natureza quando houver risco de comprometimento da execução dos serviços. • Assim como as árvores, rochas ou qualquer material com risco de desmoronamento deve ser escorados, amarrados retirados (Figura 48). • Muros, edificações vizinhas e toda estrutura que possa ser afetada pela escavação devem ser escorados. • Os serviços devem ter responsável técnico legalmente habilitado. • Se existir cabos de energia elétrica subterrâneos devem ser desligados. Figura 70- Escoramento de árvores e limpeza do local. Fonte: http://www.alegre.es.gov.br/site/images/imagens/artigos/defesa-civil/recomendacoes-escavacoes.pdf 7.3.2 Item 6.5 ao 6.7 da NR 18 • Os taludes instáveis das escavações com profundidade superior a 1,25m devem ter sua estabilidade garantida por meio de estruturas dimensionadas para este fim. • Para elaboração do projeto e execução das escavações a céu aberto, serão observadas as condições exigidas na NBR 9061/85 - Segurança de Escavação a Céu Aberto da ABNT. • Escavações com profundidade superior a 1,25m devem dispor de escadas em rampas próximas ao local de trabalho para permitir em caso de emergência, a saída rápida dos trabalhadores. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 77 Figura 71 - Escadas de acesso às escavações. Fonte: http://www.alegre.es.gov.br/site/images/imagens/artigos/defesa-civil/recomendacoes-escavacoes.pdf 7.3.3 Item 6.8 ao 6.10 da NR 18 • Os materiais retirados da escavação devem ser depositados a uma distância superior à metade da profundidade, medida a partir da borda do talude. Figura 72 - Medidas de afastamento adotadas. Fonte: http://www.alegre.es.gov.br/site/images/imagens/artigos/defesa-civil/recomendacoes-escavacoes.pdf • Os taludes com altura superior a 1,75m (um metro e setenta e cinco centímetros) devem ter estabilidade garantida. • Quando houver possibilidade de infiltração ou vazamento de gás, o local deve ser devidamente ventilado e monitorado. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 78 7.3.4 Item 6.11 ao 6.13 da NR 18 • As escavações realizadas em vias públicas ou canteiros de obras devem ter sinalização de advertência, inclusive noturna e barreira de isolamento em todo o seu perímetro. • Os acessos de trabalhadores, veículos e equipamentos às áreas de escavação devem ter sinalização de advertência permanente. • É proibido o acesso de pessoas não autorizadas às áreas de escavação e cravação de estacas. Alguns exemplos de sinalizadores utilizados: cones, fitas, cavaletes, pedestal com iluminação, placas de advertência, bandeirolas, grades de proteção, tapumes e sinalizadores luminoso. Figura 73- Sinalizadores. Fonte: https://pt.slideshare.net/franciscodesouzafilho1/escavaes-40980397 O manual de recomendações técnicas de procedimentos de escavações da defesa civil do Espírito Santo recomenda ainda: Uso de passarelas quando há a necessidade de tráfego de pessoas e veículos entre as passarelas. Largura mínima de 0,80 m, protegida por guarda-corpos, com altura mínima de 1,20 m quando houver necessidade de circulação de pessoas sobre as escavações. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 79 Figura 74 - Passarela de pedestres. Fonte: http://www.alegre.es.gov.br/site/images/imagens/artigos/defesa-civil/recomendacoes-escavacoes.pdf Devem ser construídas passarelas fixas para o tráfego de veículos sobre as escavações, com capacidade de carga e largura mínima de 4 m e protegidas por meio de guarda corpo. Figura 75 - Passarela de veículos. Fonte: http://www.alegre.es.gov.br/site/images/imagens/artigos/defesa-civil/recomendacoes-escavacoes.pdfOBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 80 7.3.5 Item 6.23 da NR 18 A escavação de tubulões a céu aberto, alargamento ou abertura manual de base e execução de taludes deve ser precedido de sondagem ou de estudo geotécnico local. Em caso específico de tubulões a céu aberto e abertura de base, o estudo geotécnico será obrigatório para profundidade superior a 3,00m (três metros). Figura 76 - Escavação de tubulão. Fonte: https://www.totalconstrucao.com.br/tubuloes/ A exigência de escoramento/encamisamento fica a critério do responsável técnico pela execução do serviço, considerando os requisitos de segurança que garantam a inexistência de risco ao trabalhador. 7.3.6 Esgotamento A presença de água na vala compromete a estabilidade da escavação e dificulta os trabalhos de assentamentos das tubulações. O projeto deve sugerir ou indicar o processo de esgotamento a ser adotado. Entre eles estão os dispositivos de bombeamento, drenagem superficial e equipamentos de esgotamento. Assim como o rebaixamento do lençol freático através de métodos como ponteiras filtrantes ou poços filtrantes muitas vezes deve ser realizado. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 81 Figura 77 - Esgotamento da vala. Fonte: http://g1.globo.com/ro/rondonia/noticia/2013/12/obra-para-fechar-valas-abertas-ha-8-anos-e-iniciada-em-ji-parana-ro.html Isto está na rede Não são raras as notícias que vemos abordando o soterramento de pessoas e desabamento de solos em talude e morros após uma chuva forte. Assim como em obras de escavações devido ao desmoronamento ocorrem o soterramento dos trabalhadores. E muitas vezes devido a negligencia de projeto e responsável. Um acidente que ocorreu em Marilândia do Sul, cidade do norte do Paraná, no dia 30 de agosto de 2019 indicou pelo instituto de criminalística que a obra que operários foram mortos por soterramento não tinha projeto de engenharia ou um responsável técnico. A escavação estava sendo executada para a construção de uma vala de tubulação que não respeitou as orientações de segurança do trabalho como apresentadas pela NR 18. Isto porque a escavação tinha profundidade de 3,90metros, com nenhum tipo de escoramento, sem escadas ou rampas de acesso para evacuação rápida e o deposito de terra era irregular. Pelas informações apresentadas na reportagem pode-se observar que nenhuma norma foi atendida, com os conhecimentos aprendidos vamos analisar quais medidas deveriam ter sido tomadas para garantir a segurança nesta obra: • Primeiramente projeto e responsável técnico como preconizado pela NBR 12.266/92 • Segundo a NR 18: o Escoramento da vala, como preconizado pela NR 18, qualquer talude acima de 1,75 metro deve ser escorado. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 82 o Qualquer escavação com mais de 1,25 metro deve dispor de escadas ou rampas que permitam a rápida evacuação. o Os materiais retirados escavados devem ser depositados a uma distancia superior à metade da profundidade da vala, ou seja, deveriam ter sido depositados no mínimo a 2,00 metros da vala (3,90m/2=2,00m). o Além destas proposições abordadas pela reportagem, não sabemos se os veículos estavam muito próximos às valas, sendo que o mínimo de distância deve ser de duas vezes a altura da vala, equivalendo a 8 metros. Se as arvores, rochas e materiais estavam corretamente amarrados ou retirados. o Se haviam sinalizadores e medidas de proteção dos trabalhadores com o uso de EPI. Desta forma, é responsabilidade do engenheiro responsável garantir a integridade dos trabalhadores evitando estes riscos. Leia a reportagem completa no site: https://g1.globo.com/pr/norte-noroeste/ noticia/2019/09/09/instituto-de-criminalistica-conclui-que-soterramento-que-deixou- operarios-mortos-ocorreu-porque-normas-de-seguranca-deixaram-de-ser-adotadas. ghtml. Acesso em 16 abr. 2020. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 83 AULA 8 TIPOS DE TALUDE E MÉTODOS DE ESTABILIZAÇÃO Glossário do conteúdo da aula para auxilio no compreendimento do conteúdo. • Aterro compactado: estrutura de disposição de solo e/ou fragmentos de rocha, em aterro, produzindo diminuição de volume e consequente redução de porosidade, o que determina o aumento de densidade (por meio de compactação) e a redução da permeabilidade. A compactação do material de um aterro é executada para prevenir a ocorrência de erosão e escorregamento. • Corte: intervenção no meio físico efetuada geralmente em solo de alteração de rochas, por meio de equipamentos e máquinas, criando uma superfície plana e inclinada, com o objetivo de estabelecer uma situação mais estável em face de prováveis processos de instabilização produzidos por movimentos gravitacionais de massa (escorregamento). • Estabilização de solo: tratamento físico, químico ou mecânico de um solo, executado com o objetivo de manter ou melhorar suas características geotécnicas (ex.: resistência à erosão e escorregamento, capacidade de suporte, permeabilidade). • Taludes de terraplenagem: superfícies inclinadas que limitam um maciço de terra, de rocha ou de terra e rocha. São artificiais como os taludes de cortes e aterros. • Taludes naturais: formado naturalmente pela natureza, casos das encostas. • Tardoz: face posterior de um edifício, de pouca importância. Face grosseira de um elemento de revestimento que fica voltada para a parede. 8.1 Definição de talude Segundo a NBR 9061, talude é uma superfície inclinada do terreno natural, de uma escavação ou de um aterro. Subdivido nos seguintes pontos conforme a Figura 78. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 84 Figura 78 - Concepção de talude. Fonte: ABNT (1985). • Crista: parte mais alta. • Talude: refere-se à inclinação do solo. • Corpo do talude: área interna de solo. • Pé: parte mais baixa. • Ângulo de inclinação: do talude. • Terreno de fundação: parte inferior do corpo do talude, ao qual suporta o peso. • Altura: entre os níveis do corpo do corpo do talude. Desta forma, qualquer superfície inclinada de um maciço de solo ou rocha. Ele pode ser natural, também denominado encosta, ou construído pelo homem, como, por exemplo, os aterros e cortes (GERSOVICH, 2012). Além disso, os taludes podem ter diferentes possíveis inclinações, gerando fluxos preferenciais de escoamento da água superficial (Figura 78). Figura 78 - Inclinações dos taludes. Fonte: https://igorpinheiro.files.wordpress.com/2013/07/processos-erosivos-em-taludes-naturais-e-artificiais.pdf OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 85 Conforme a figura acima, vemos que os taludes se subdividem em superfícies côncava, linear ou convexa e conforme esta inclinação os taludes podem apresentar maior ou menor erosão. Em relação à natureza dos taludes são subdivididos em: natural ou artificial. 8.1.1 Taludes naturais As encostas naturais são os taludes que estão em condição natural que não sofreram nenhum tipo de intervenção humana. Sendo compostos por material em geral variável e heterogêneo, com difícil determinação do fluxo de água e geometria de difícil determinação. Os taludes naturais podem ser constituídos por solo ou rochas. Figura 79 - Talude natural. Fonte: https://images.app.goo.gl/3MCgK6D3XkXnc3tn8 Vários fatores atuam isoladamente ou conjuntamente durante o processo de formação de um talude natural entre eles: • Fatores Geológicos que dependem: • Litologia (constituintes). • Tectônica (dobras, falhas). • Geomorfologia (tendência evolutiva dos relevos). Fatores Ambientais que dependem: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 86 • Clima. • Topografia. • Vegetação. Os fatores geológicos são responsáveis pela constituição química, organização e modelagem do relevo terrestre e à ação deles soma-se os fatores ambientais. Entretanto, as paisagens naturais são dinâmicase alteram-se continuamente. Figura 80 – Acomodação de talude natural. Fonte: https://images.app.goo.gl/9wQUisnZRLTWKCRH8 8.1.1.1 Instabilidade do talude natural Os taludes naturais também estão sujeitos a instabilidade, conforme Gerscovich (2012), porque as ações das forças gravitacionais contribuem naturalmente para a deflagração do movimento. Os principais problemas são situações de escorregamentos naturais ou pela interferência humana. A instabilidade pode ser devido ao processo de evolução das encostas que tem uma tendência a planificação, as ações de intemperismo que tornam o material menos resistente e dependendo da topografia a movimentação pode levar a ruptura. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 87 Figura 81 - Ruptura característica de talude natural. Fonte: https://images.app.goo.gl/BCyry6DhKatbuSQ68 8.1.2 Taludes artificiais São taludes artificiais construídos pela ação humana que resultam de cortes em encostas, de escavação ou de lançamento e aterros. Encontram-se ainda nas minas a céu a aberto, nas barragens de reservatório de água, nas laterais de estradas e ruas. Sendo compostos por material em alguns casos homogêneo, com fluxo de água geralmente determinado e com geometria pré-definida. Figura 82 - Talude artificial. Fonte: https://images.app.goo.gl/qwMkNFSpkh7zrSPXA OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 88 8.1.2.1 Corte Os taludes de corte são aqueles que se formam como resultado de um processo de corte, de retirada de material. Os cortes devem ser executados com altura e inclinação adequadas para garantir a estabilidade da obra. Geralmente, o talude apresenta as mesmas características geotécnicas do solo escavado e o projeto depende das propriedades geomecânicas dos materiais e das condições de fluxo. Figura 83 - Talude de corte. Fonte: https://engenhariacivilfsp.files.wordpress.com/2012/11/geologia-estabilidade-talude-e-aterro1.pdf Figura 84 - Talude de corte com execução de muro de arrimo. Fonte: http://www.ebanataw.com.br/talude/casostipicos.htm OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 89 8.1.2.2 Aterro O talude de aterro é aquele que se forma como resultado da deposição, da terraplenagem e de botas-fora. Os aterros são construídos em projetos de barragem de terra e em obras viárias e de implantação de estruturas civis, quando o solo de fundação tem baixa capacidade de suporte ou para nivelamento do terreno. Como as propriedades geotécnicas do solo compactado são conhecidas, os cálculos de estabilidade envolvem menos incertezas se comparados aos dos solos naturais. Os aterros são também construídos como diques de contenção de lagos de estocagem de resíduos. Figura 85 - Talude de aterro para aumento de terreno. Fonte: http://www.ebanataw.com.br/talude/casostipicos.htm Figura 86 - Talude de aterro típico. Fonte: https://engenhariacivilfsp.files.wordpress.com/2012/11/geologia-estabilidade-talude-e-aterro1.pdf OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 90 8.1.3 Evolução dos taludes Os taludes naturais sofrem a interferência humana para a mudança da geometria, desta forma, conforme a imagem abaixo, em um mesmo talude pode-se executar o corte e aterro. Assim como muitas vezes se faz necessário à instalação de estruturas de contenção, como forma de apoio e garantir a estabilidade. 8.2 Métodos de Estabilização Existem formas de manter a estabilidade de encostas e taludes, como forma de prevenir, ou seja, aumentar o fator de segurança contra possíveis movimentos de solo ou rocha. Ou então, se o talude já sofreu a desestabilização são adotadas medidas corretivas, com intuito de diminuir e monitorar os movimentos evitando que ocorram novamente, por exemplo, o deslizamento. Para cada tipo de obras são fornecidos suas características e os cuidados para implantação. Assim como cada obra é diferente e se apresenta de uma forma, portanto deve ser tomada a solução mais adequada para cada caso por meio das características físicas e os processos de instabilidade que esteja envolvido. 8.2.1 Drenagem Segundo o Manual de Geotecnia do IPT (1991), as obras de drenagem têm finalidade de captar, direcionar as águas de escoamento superficial e a retirada da água de percolação interna do maciço. As obras de drenagem mais utilizadas para a drenagem são as superficiais e a profundas. 8.2.1.1 Superficial Tendo como objetivo realizar a captação do escoamento das águas superficiais através de canaletas, valetas, sarjetas e caixas de captação que conduzem para locais convenientes. Para grandes declividades pode ser necessário recorrer às escadas d’água e dissipadores para minimizar a energia de escoamento das águas. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 91 Figura 87 - Escadas hidráulicas. Fonte: https://images.app.goo.gl/Ab8Z8cnkWZQz3zKn7 Figura 88 - Canaletas longitudinais e verticais. Fonte: https://images.app.goo.gl/VycnnURNkvodp3nG6 8.2.1.2 Profunda Neste processo de drenagem profunda são retiradas as águas de percolação interna no maciço através da infiltração pelos poros ou fendas/fissuras. Assim como quando se tem a necessidade de abaixar o nível do lençol freático e reduzir as pressões neutras que atuam no talude. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 92 Entre eles são os drenos sub-horizontais (fluxo gravitacional), poços, ponteiras, trincheiras drenantes ou galerias. Tem-se ainda os conhecidos drenos horizontais profundos (DHP) com pequeno diâmetro e em grande número. Semelhante os conhecidos barbacãs que são tubos curtos, instalados em muros de concreto. Figura 89 - Trincheiras drenantes. Fonte: https://images.app.goo.gl/b8KrXLWtPtXV87yYA Figura 90 - Dreno horizontal profundo (DHP). Fonte: https://sites.google.com/site/naresi1968/naresi/dhp---dreno-horizontal-profundo OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 93 Figura 91 - Barbacãs. Fonte: https://images.app.goo.gl/ibssjJuCA3zYyfzD9 8.2.2 Revestimento As obras de revestimento, de proteção superficial desempenham um papel importante de estabilização com a função de impedir a formação de processos erosivos e diminuir a infiltração de água. A plantação do talude com espécies vegetais adequadas ao clima local é uma proteção eficaz do talude, sobretudo contra a erosão superficial. Esta erosão superficial depende de condições geológicas, topográficas e climáticas (como as chuvas, geometria do talude). Os materiais naturais de cobertura vegetal aumentam ainda a resistência da superfície do talude, através da ação das raízes. Figura 92 - Aplicação em grama. Fonte: https://www.engestab.com.br/revestimento-taludes#group1-5 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 94 8.2.3 Materiais estabilizantes Caracterizado pela combinação de outros materiais no maciço de solo, como alguns produtos químicos. Como a utilização de: • Terra armada constitui da associação de solo compactado e armaduras. • Composição de dois materiais: solo e mantas geotêxtis. • Imprimação asfáltica: camada delgada de asfalto diluído. • Proteção com argamassa: cimento e areia. • Concreto projetado: técnica evoluída da argamassa (areia, cimento e pedrisco). • Solo grampeado com a execução de chumbadores, concreto projeto e sistema de drenagem. • Proteção com tela metálica por meio de chumbadores. Figura 93 - Concreto projetado. Fonte: https://www.engestab.com.br/concreto-projetado-taludes Figura 94 -Solo grampeado. Fonte: https://www.solofort.com.br/ OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 95 Figura 95 - Manats geotextil com solo. Fonte: http://www.tdmbrasil.com.br/soluciones-control-revegetacion.php# 8.2.4 Muro de arrimo e ancoragens A execução de muros de arrimo convencionais, como de gravidade ou a introdução de tirantes deaço, protendidos ou não no interior do maciço, ancorando-os fora da zona de escorregamento. São estruturas de contenção e escoramentos. Entre eles tem-se os muros de gravidade que podem ser de pedra, pedra argamassada de concreto ciclópico, crib-walls, gabiões e solo-cimento ensacado; muros de concreto armado ou muros de flexão. Tem-se ainda as cortinas cravadas ou estacas cravadas no terreno, sendo as estacas- prancha ou estacas justapostas. As ancoragens que são tirantes ancorados nas massas de solo ou blocos de rocha que pela protensão transmitem os esforços. Ou chumbadores com barras de aço fixados. As cortinas atirantadas ou muros atirantados são elementos verticais ancorados com tirantes no maciço. Figura 96 - Muro de gravidade em pedra. Fonte: https://images.app.goo.gl/kH3Wurki6dgUNurc9 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 96 Figura 97 - Estaca prancha: escoramento. Fonte: https://images.app.goo.gl/BaiAQRTYEyPFug8S7 Figura 98 - Ancoragem de tirantes. Fonte: https://images.app.goo.gl/9Ep9Ytsbs9gjdfA36 8.2.5 Utilização de bermas Consiste em colocar bermas no pé do talude, isto é, banquetas de terra, em geral, do mesmo material que o do próprio talude, com vistas a aumentar a sua estabilidade. Através da diminuição da inclinação. A estabilidade de taludes através das bermas, ou então retaludamento são as mais utilizadas devido sua simplicidade, eficácia e menor custo. Entretanto, esta obra de estabilização exige uma área excessiva. Através da diminuição do ângulo de inclinação do talude, interfere-se na geometria dos taludes existentes ou a serem executados. A execução de bermas é geralmente associada com métodos de drenagem superficial e de proteção superficial, evitando a infiltração de água no terreno e direcionando o fluxo de água contra a erosão. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 97 Figura 99 - Proteção em bermas. Fonte: https://sites.uepg.br/denge/aulas/fundacao/fig34.htm OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 98 AULA 9 FORMAS DE MOVIMENTO DE MASSA Sob condições específicas uma parte de solo ou rochas (material) de um talude pode sofrer deslocamento e desencadear o processo chamado de movimento de massa. Esse processo ocorre ao longo de uma superfície chamada: superfície de ruptura. Isto ocorre se as tensões de cisalhamento ultrapassam a resistência de cisalhamento dos materiais ao longo da superfície determinada de ruptura. Esses movimentos se referem à descida de solos e rochas do ponto mais alto ao mais baixo. Sendo que estas movimentações são potencializadas pela adição de água. 9.1 Processo de movimentação de massa O processo de movimentação da massa ou então ruptura do talude também é denominado como deslizamento, escorregamento, queda de barreiras e rastejo. Nos tópicos a seguir são exemplificadas estas quatro formas de movimentação. 9.1.1 Queda / tombamentos / rolamentos Este tipo de movimentação comumente é chamado de queda, tombamento ou rolamento. Caracterizado pelo desprendimento de parte do maciço de terra ou da rocha que sai do talude e cai em queda livre, sem que haja um plano deslizamento sobre uma superfície de ruptura. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 99 Figura 100 - Rolamento, queda de blocos, desplacamento e tombamento. Fonte: http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/ead/riscos/risco11c.html Geralmente ocorrem em penhascos íngremes ou taludes de corte aproximadamente verticais. São também chamados de tombamento de blocos, solo ou rocha que despencam. Os movimentos de maneira rápida e com curta duração. Figura 101 - Talude íngreme sofrendo queda. Fonte: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2108078/mod_resource/content/2/Processos%20em%20encostas.pdf OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 100 9.1.2 Deslizamentos / escorregamentos Os escorregamentos referem-se à volumes de solos ao longo de superfícies de ruptura bem definidas sendo cilíndricas ou planares. A massa de material escoa como se fosse um fluido ou líquido viscoso. A ação conjunta da gravidade e do solo saturado levam ao deslizamento. São subdivididos em deslizamentos rotacional, translacional e em cunha. 9.1.2.1 Rotacional Ocorrem frequentemente nos casos de solos coesivos homogêneos, tipo mais comum em aterros. Conforme as figuras abaixo, observe que a superfície de ruptura é curvada, indicando um sentido de rotação em eixo imaginário na massa. Figura 102 - Deslizamento rotacional. Fonte: http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/ead/interacao/inter09c.html Figura 103 - Exemplo de deslizamento rotacional. Fonte: Highland e Bobrowsky (2008) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 101 9.1.2.2 Translacional Ocorrem em casos de maciços rochosos estratificados, onde a massa move-se para fora, em sentido para baixo ou para fora. A ruptura da superfície relativamente plana. Figura 104 - Deslizamento translacional. Fonte: http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/ead/interacao/inter09c.html Ocorre geralmente na zona mais superficial do talude, não envolvendo grandes espessuras de solo. Figura 105 - Exemplo de deslizamento translacional. Fonte: https://images.app.goo.gl/7hB27zuY4TbSNLzL6 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 102 9.1.2.3 Cunha O escorregamento em cunha é condicionado por estruturas planares de maciços rochosos que desloca o material na forma de um prisma. A massa instabilizada se destaca do maciço deslizando sobre uma superfície formada por um ou mais planos. Figura 106 - Escorregamento em cunha. Fonte: https://images.app.goo.gl/7hB27zuY4TbSNLzL6 São comuns em taludes de corte ou encostas que sofreram algum tipo de desconfinamento, natural ou antrópico. Figura 107 - Exemplo de escorregamento em cunha. Fonte: https://images.app.goo.gl/YFXVnt3XVFAq3NKA6 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 103 9.1.3 Fluxo de detritos e lama ou corrida de massa O fluxo de detritos é também conhecido como avalanches ou erosões violentas, como a corrida de massa. Estes são classificados como desastres naturais, pois tem alto poder destrutivo. O material superficial se liquefaz e escoa encosta abaixo em forma de material viscoso, composto por lama e detritos de rocha. Figura 108 - Escorregamento de massa (F) e Avalanches. Fonte: http://pubs.usgs.gov/fs/2004/3072/ Os movimentos são extremamente rápidos e que surgem devido ao fluxo intenso de água na superfície, ocasionado por chuvas fortes. A alta velocidade tende a aumentar a capacidade de erosão e destruição, transportando tudo o que tiver pela frente como galhos, troncos, blocos de rochas, areia, lama, construções. Figura 109 - Exemplo de fluxo de detrito. Fonte: http://www.cprm.gov.br/publique/Noticias/CPRM-e-JICA-promovem-semana-de-eventos-tecnicos-no-Rio-de-Janeiro-4543.html OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 104 Figura 110 - Exemplo de corrida de massa. Fontes: https://images.app.goo.gl/H1AoHMHTaq4G3MRh6 9.1.4 Rastejo O rastejo é caracterizado pelo movimento lento e contínuo de camadas superficiais sobre camadas mais profundas nas encostas. Pode ter ou não um limite definido entre a massa de terreno que se desloca e a que permanece estacionária. A velocidade de rastejo é muito pequena de alguns milímetros por ano, que acelera nas chuvas. Sinais característicos que indicam a ocorrência do rastejo em taludes: • Cisalhamento e rachaduras nas fundações. • Árvores, postes e cercas inclinados. • Trincas e ruptura em elementos rígidos. • Estruturas rochosas deformadas. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 105 Figura 111 - Exemplo de evidencias do rastejo. Fonte: https://images.app.goo.gl/3JqYSEJ1xPPWtSST9 Isto está na rede Os escorregamentos e movimentos demassas são comuns no dia a dia sendo frequentemente reportados em mídias para alertar do perigo e as consequências que tais fatos provocaram. Eles causam diversos desastres e imprevistos na sociedade. Veja o vídeo a seguir e tendo em vista as diferentes formas de movimentação visto nos itens anteriores, procure identificar as formas de ocorrência: https://www.youtube. com/watch?v=4O4nDLhfID0 9.2 Importância do conhecimento das formas de movimentação da massa É importante identificar e prever as formas de movimentação de massa nos taludes para que posteriormente seja realizada a análise de estabilidade. Desta forma, é necessário primeiramente avaliar a possibilidade de ocorrência do escorregamento de massa em determinado tipo de taludes e encostas. E posteriormente adotar os métodos de verificação da estabilidade do talude. Segundo Spink (2014), existem dois fatores considerados na análise de movimento de massa: suscetibilidade x vulnerabilidade. • Suscetibilidade: propensão de ocorrer instabilidade de solo, em função da característica geológica (constituintes do terreno) e geomórfica (evolução da geografia) + precipitação. Está ligada ao sistema NATURAL. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 106 • Vulnerabilidade: associada ao uso e ocupação, ou seja, predisposição de pessoas e construções serem afetadas pelo desastre. Ligada à ação ANTRÓPICA. 9.3 Consequências da movimentação de massa As consequências da movimentação de massa são inúmeras e é obvio que os escorregamentos geram custos que podem ser classificados como diretos e indiretos. • Os custos diretos correspondem ao reparo de danos, relocação de estruturas e manutenção de obras e instalações de contenção. • Pode-se dizer que os custos indiretos são ainda maiores podendo ser citados: a) Perda de produtividade industrial, agrícola e florestal, bem como potencial turístico devido aos danos locais e interrupção de sistemas de transporte. b) Perda de valor de propriedades, bem como de impostos referenciados por ele. c) Perda de vidas humanas, invalidez física ou trauma psicológico em moradores de locais afetados por escorregamentos. A figura a seguir indica que o Brasil está entre os 10 países no mundo com maior número de eventos de desastres em 2013. Figura 112 - Eventos de desastres no mundo. Fonte: https://watchers.news/2014/09/24/the-statistics-of-natural-disasters-2013-review OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 107 A partir da figura 112, observa-se que os desastres no Brasil são ocasionados por problemas hidrológicos não tendo ocorrência de desastres geofísicos como nos casos de países localizados em locais de instabilidade de placas tectônicas, como China, Indonésia, Filipinas, Japão. 9.3.1 Sinais de desestabilização A identificação de sinais precoces de desestabilização de taludes indica que condições perigosas podem vir a ocorrer. 9.3.1.1 Aparecimento de movimentos Alguns movimentos de terra podem ser observados ao longo do tempo, sendo previstos possíveis instabilidade e métodos de contenção da estabilidade. Alguns exemplos visíveis ao longo do tempo que ocorre de forma lenta são os rastejos, indicados pela inclinação de tronco de árvores de postes. Já outros movimentos ocorrem tão repentinamente que não se tem tempo de agir e conter. Como no caso de quedas e tombamentos, corridas de massa. Além disso, tem-se como sinais precoces de instabilização do talude o aparecimento de: • Abertura de fissuras/ fendas superficiais no cume ou base do talude. • Depressões no terreno. • Rachaduras nas paredes das casas e • Surgimento de minas d’água. Figura 113 - Exemplos de fendas e abertura superficial. Fonte: https://defesacivil.es.gov.br/Media/defesacivil/Capacitacao/Material%20Did%C3%A1tico/CBPRG%20-%202017/ Estabiliza%C3%A7%C3%A3o_de_Taludes.pdf OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 108 Figura 114 - Abertura de trincas e rachaduras. Fonte: https://images.app.goo.gl/t1mqdomVqazUWwQR7 Figura 115 - Surgimento de minas de água. Fonte: https://pt.slideshare.net/GiovannaOrtiz/solos-6a 9.3.1.2 Retro análises Uma forma de se prever a instabilidade dos taludes é a retro análise. Sendo realizada a verificação da instabilidade em taludes da região ou com características parecidas é possível prever e estimar a instabilidade do talude analisado. A retro análise segundo a NBR 11682:2006, é a análise de estabilidade elaborada com o conhecimento da geometria da superfície de ruptura ocorrida e outros fatores que estavam presentes no momento da ruptura, sobrecargas, posição do nível de água, sismos, e outros, visando determinar os parâmetros de resistência e poro-pressão coerente com o problema. É necessário obter parâmetros de resistência dos solos ou rochas. Assim o colapso ocorrido serve de estimativa de parâmetros de resistência e utilização em novos projetos de talude na área, de mesma região. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 109 AULA 10 CAUSAS DA MOVIMENTAÇÃO DE MASSAS E FATOR DE SEGURANÇA Antes da análise de estabilidade dos taludes é importante ter o conhecimento das causas que podem levar os taludes a escorregar e que são complexas, pois envolvem fatores que se associam. Conhecer essas causas leva o engenheiro a adotar com mais critério as soluções que se apresentam satisfatórias e prever o desempenho destas alternativas Em geral, os escorregamentos de taludes são causados por uma redução da resistência interna do solo ou devido ao aumento dos esforços atuantes no talude. 10.1 Causas dos movimentos Os movimentos de massas geram uma desestabilização do maciço e geralmente dependem: • Natureza do material • Velocidade do movimento • Natureza do movimento Além disso, os fatores que influenciam o movimento de massa podem ser causas: externas ou internas que agem no maciço. 10.1.1 Fatores externas As causas externas são caracterizadas pelo aumento das tensões cisalhantes. São exemplos: • Aumento do peso do talude (incluindo cargas aplicadas e/ou absorção de água). • Mudança da geométrica do talude (inclinação e/ou altura). • Atividades sísmicas e outras. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 110 10.1.1.1 Ação da água A água é um dos maiores responsáveis na ocorrência de muitos escorregamentos de taludes. A saturação aumenta o peso específico do solo e assim a força gravitacional que age no maciço. O excesso de umidade reduz a resistência do solo pelo aumento da pressão neutra. Explicando a ocorrência dos escorregamentos nos períodos de grande precipitação. Além disso, o escoamento da água pode adquirir velocidade que provoca a erosão dos taludes. Em função do tipo de material e a quantidade de água também influenciam na estabilidade, conforme a Figura 116. Figura 116 - Estabilidade em função da umidade dos solos. Fonte: http://home.ufam.edu.br/csilva/Geografia/(Cap%C3%ADtulo%2011_Movimento%20de%20Massa%20 %5BModo%20de%20Compatibilidade%5D).pdf Outro agravante que aciona o fator de movimentos de massa em função da água pode ser devido o lançamento de águas servidas diretamente no solo. Ocasionando erosões e deslizamentos. A ausência de serviços de esgotamento sanitário e drenagem são mais comuns em áreas de populações carentes. Conforme a Figura 117 pode-se ver um exemplo que ocorre tipicamente em regiões carentes. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 111 Figura 117 - Águas servidas lançadas diretamente em taludes. Fonte: https://pt.slideshare.net/GiovannaOrtiz/solos-6a 10.1.1.2 Sobrecarga As sobrecargas podem ser acrescentadas aos taludes como cargas concentradas ou cargas distribuídas, sendo resultante da ação tanto natural como humana. Exemplos de fenômenos naturais: • Peso da água, neve, granizo • Acúmulo natural de material (depósitos, sedimentação, carreamento pelo vento) •Vegetação Exemplos de fenômenos devido à ação humana: • Construções de aterros • Empilhamento de resíduos • Peso de estruturas e edifícios • Peso da água proveniente de tubulações, esgotos, canais e reservatórios 10.1.1.3 Remoção de massa A remoção de massa na lateral ou na base de taludes é o mais comum fator que leva a instabilidade. Esse fator provoca uma mudança na geometria do talude, influenciando na inclinação e/ou altura do talude. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 112 Um exemplo comum é a escavação próxima ao pé do talude, para implantação de uma obra. Exemplos de fenômenos que ocorrem: • Erosão por córregos e rios que aumentam o declive natural. • Escorregamentos e quedas de rochas criando novas inclinações. • Trabalhos de cortes como em pedreiras, poços e canais. • O desmatamento com retirada do material vegetal. • Irrigação excessiva e aumento da saturação do solo. Isto está na rede O corte de taludes de forma irregular e clandestinamente é comum em regiões de população desfavorecida. Assim estas pessoas constroem suas casas nestas regiões proibidas e de forma totalmente irregular, ocasionando futuramente diversos problemas devido à falta de estabilidade do talude. Acesse no link: https://g1.globo.com/rj/regiao-serrana/noticia/2019/01/05/policia- ambiental-flagra-corte-irregular-de-talude-em-um-terreno-em-nova-friburgo-no-rj.ghtml para ler mais sobre a reportagem: “Polícia ambiental flagra corte irregular de talude em um terreno em Nova Friburgo, no RJ”. Na imagem do talude desta reportagem, já pode ser verificado que devido ao corte, o talude perdeu a estabilidade com início de escorregamento e erosão. Figura 118 - Corte irregular de talude. Fonte: https://g1.globo.com/rj/regiao-serrana/noticia/2019/01/05/policia-ambiental-flagra- corte-irregular-de-talude-em-um-terreno-em-nova-friburgo-no-rj.ghtml OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 113 10.1.1.4 Pressões laterais As pressões laterais podem levar ao aumento da sobrecarga levando as instabilidades de erosões, escorregamentos, entre outros. Exemplos de fenômenos que levam a ocorrer o aumento das pressões laterais: • Água em trincas • Congelamento da água nas fendas • Inchaço de material expansivo como argila Figura 119 - Fendas e trinca no terreno. Fonte: http://www.ebanataw.com.br/talude/desastre.htm Figura 120 - Sugirmento de fendas em terrenos. Fonte: http://www.ebanataw.com.br/talude/desastre.htm OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 114 10.1.1.5 Atividades sísmicas: solicitações dinâmicas São caracterizados por efeitos sísmicos que são fenômenos que ocorrem devido a terremotos, ondas, vulcões que ocasionam a dilatação por inflação ou deflação do magma, explosões, tráfego que geram o sobrepeso, vibração e demais sismos. Figura 121 - Deslizamento induzido por terremoto. Fonte: Highland e Bobrowsky (2008) 10.1.1 Fatores internos As causas internas levam a uma diminuição da resistência interna do material do maciço. São exemplos: • Característica do material • Intemperismos e oscilações térmicas • Variação do nível d’água 10.1.1.1 Características do material As características do material dependem da textura, estrutura e geometria inerentes ao tipo de solo/rocha. Sendo sempre necessário obter as características geotécnicas do material e seu estado de tensões iniciais. Existem solos que são naturalmente fracos ou podem se tornar fraco como resultado de processos naturais como a saturação com água. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 115 Os solos fracos são caracterizados por materiais orgânicos, argilas sedimentares, materiais minerais e xisto (rochas metamórficas facilmente identificáveis por serem fortemente laminadas e as rochas decompostas em argilas tem baixa resistência natural) Além disso, o arranjo das partículas (coesão), a compressibilidade e atrito influenciam na angularidade e resistência do solo. 10.1.1.2 Fatores variáveis: intemperismo As mudanças ou fatores variáveis são alterações devido a intempéries e outra reações físico-químicas que mudam as características do material. Exemplos dos fenômenos que ocorrem e seus resultados: • O intemperismo gera a alteração das propriedades físico-química como redução da coesão, ângulo de atrito. • Elevação do nível d’água em encostas (aumento da camada úmida). • Rebaixamento rápido do nível d’água em barragens (leva a secagem). • Ação das raízes das árvores e buracos de animais levam ao aumento da infiltração e percolação da água no terreno. E que podem provocar rachaduras no talude. 10.2 Análise de estabilidade de talude A instabilidade de taludes é deflagrada então quando as tensões de cisalhantes mobilizadas se igualam à resistência ao cisalhamento como na Figura 122. Figura 122 – Instabilidade de talude e superfície potencial de ruptura. Fonte: http://professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/17430/material/GEO_II_13_ Estabilidade%20de%20Taludes.pdf OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 116 A análise de estabilidade de taludes tem como objetivo avaliar a possibilidade de ocorrência de escorregamento da massa do solo de taludes naturais ou construídos. Por isso se denomina de “métodos de equilíbrio-limite”. Existem os métodos: • Probabilísticos que expressa a analise sob a forma de uma probabilidade ou risco de ruptura: estabelecer o FS. • Determinísticos que expressa sob a forma de um coeficiente ou fator de segurança (FS): permite quantificar o FS a partir de incertezas. 10.2.1 Fator de segurança O fator de segurança é o valor numérico da relação estabelecida entre a resistência ao cisalhamento disponível do solo para garantir o equilíbrio do corpo que tende a deslizar e a tensão de cisalhamento que imobiliza, isto sob o efeito dos esforços atuantes. Ainda segundo a NBR 11.682/1991, tem-se definido como fator de segurança a relação entre os esforços estabilizantes (resistentes) e os esforços instabilizantes (atuantes) para determinado método de cálculo adotado. A fórmula do FS é: Na tabela abaixo são apresentados os coeficientes de segurança e a condição do talude. Coeficiente de segurança (FS) Condição do Talude FS < 1,0 Talude instável – não tem significado físico FS = 1,0 Condição limite de estabilidade – iminência de ruptura FS > 1,0 Talude estável Tabela 5 - Fator de segurança e condição de estabilidade. Fonte: Gerscovich (2012) Conforme a NBR 11.682/2008, são preconizados FS mínimos para escorregamentos, de forma a garantir níveis de segurança de acordo com os riscos envolvidos. Subdivididos em nível de segurança desejado contra a perda de vidas humanas (Tabela 6), nível de segurança desejado contra danos materiais e ambientais (Tabela 7) e assim os fatores de segurança mínimo para deslizamento (Tabela 8). OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 117 Nível de segurança Critérios Alto Áreas com intensa movimentação e permanência de pessoas, como edificações públicas, residenciais ou industriais, estádios, praças e demais locais urbanos, ou não, com possibilidade de elevada concentração de pessoas. Ferrovias e rodovias de trafego intenso. Médio Áreas e edificações com movimentação e permanência restrita de pessoas. Ferrovias e rodovias de trafego moderado. Baixo Áreas e edificações com movimentação e permanência eventual de pessoas. Ferrovias e rodovias de tráfego reduzido. Tabela 6 -Nível de segurança desejado contra perdas humanas. Fonte: NBR 11682 (ABNT, 2009) Nível de segurança Critérios Alto Danos materiais: locais próximos a propriedades de alto valor histórico, social ou patrimonial, obras de grande porte e área que afetam serviços essenciais. Danos ambientais: locais sujeitos a acidentes ambientais graves, tais como nas proximidades de oleodutos, barragens de rejeito e fabricas de produtostóxicos. Médio Danos materiais: locais próximos a propriedades de valor moderado. Danos ambientais: locais sujeitos a acidentes ambientais moderados. Baixo Danos materiais: locais próximos a propriedades de valor reduzido. Danos ambientais: locais sujeitos a acidentes ambientais reduzidos Tabela 7 - Nível de segurança desejado contra materiais e ambientais. Fonte: NBR 11682 (ABNT, 2009) Após classificação do projeto obtido pelas Tabelas 2 e 3, pode-se obter a análise de estabilidade a partir do FS (Tabela 4). OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 118 Nível de segurança contra danos materiais e ambientais Nível de segurança contra danos a vidas humanas Alto Médio Baixo Alto 1,5 1,5 1,4 Médio 1,5 1,4 1,3 Baixo 1,4 1,3 1,2 Tabela 8 - Fatores de segurança mínimos para escorregamentos. Fonte: NBR 11682 (ABNT, 2009) 10.2.2 Parâmetros para cálculo da estabilidade Lembrando que os parâmetros são fundamentais para o cálculo de estabilidade dos taludes. São eles geometria e tipo de solo. 10.2.2.1 Geometria do talude A Geometria do talude, ou seja, as características em relação à inclinação do talude, extensão da base e altura do talude. As hipóteses de superfície de ruptura podem ser: • Circular com tendência de superfícies de ruptura em forma circular (Figura 123) • • • • • Figura 123 - Deslizamentos circulares. Fonte: http://professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/17430/material/GEO_II_13_Estabilidade%20de%20Taludes.pdf • Planar com taludes íngremes e o talude infinito (escorregamento de massa), conforme Figura 124 tem se ainda a combinação do deslizamento planar com rotacional. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 119 Figura 124 - Deslizamento planar e composto. Fonte: http://professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/17430/material/GEO_II_13_Estabilidade%20de%20 Taludes.pdf • Geometria complexas 10.2.2.2 Tipo de solo Forças que proporcionam resistência ao cisalhamento, ou seja, as características do solo, entre eles o peso específico, coesão e ângulo de atrito. O valor numérico do FS é a relação entre a resistência ao cisalhamento disponível (S) e a tensão de cisalhamento mobilizada (T). Sendo a resistência ao cisalhamento (S) dada pelo solo: S = c + σ.tg ø Em que: “S” a tensão de resistência ao cisalhamento c é a coesão “φ” é o ângulo de atrito interno do solo “σ” é a tensão normal Devendo essa força de resistência ser superior a tensão de cisalhamento atuante no maciço, conhecida também como tensão mobilizada, para que não provoque o deslizamento. 10.2.3 Métodos de cálculos A análise da estabilidade de taludes é feita avaliando-se as condições de equilíbrio da massa de solo num estado de ruptura iminente. Desta forma, as análises de estabilidade, na sua maioria, foram desenvolvidas segundo a abordagem do equilíbrio limite. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 120 O equilíbrio limite é uma ferramenta empregada pela teoria da plasticidade para análises do equilíbrio dos corpos, sendo que os pressupostos partem de (MASSAD, 2010): a) O solo se comporta como material rígido-plástico, ou seja, rompe-se bruscamente sem deformar. b) As equações de equilíbrio estático válidas até a iminência de ruptura. c) O coeficiente de segurança (FS) é constante ao longo de toda a superfície de ruptura considerada. 10.2.3.1 Diferentes métodos de equilíbrio limite Os métodos apresentados se distinguem pelas hipóteses simplificadoras que cada uma adota, associadas à distribuição interna de esforços interlamelas. Alguns métodos são mais conservadores devido à simplificação. Método Circular Não circular Equilíbrio de Momentos Equilíbrio de Forças Talude infinito x x Fellenius x x Bishop x (x) x (x) Bishop Simplificado x (x) x Método das cunhas x x Janbu Simplificado (x) x x Spencer x (x) x x (X) Significa que o método pode ser adaptado para a situação Tabela 9 - Características dos métodos de análise de estabilidade de taludes. Fonte: Adaptado de Freulund e Krahn (1977) apud Strauss (1998) A Figura 125 indica os escorregamentos típicos planar e circular em taludes. Figura 125 - Escorregamentos típicos: circular e planar. Fonte: Massad (2010) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 121 AULA 11 MÉTODOS DE ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE Existem diferentes métodos de cálculo para análise de estabilidade de taludes. Sendo estes métodos de equilíbrio limite que podem ser subdivididos em sua maioria como circular ou não circular. 11.1 Método não circular: planar 11.1.1 Método do talude infinito Um talude é denominado infinito quando a relação entre as suas grandezas geométricas, com grande extensão e reduzida espessura do manto de solo. • Nestes taludes a linha potencial de ruptura é paralela à superfície do terreno. • O talude se move como uma massa única • Eles podem ser maciços homogêneos ou estratificados, neste caso, porém os estratos devem ter os planos de acamamento paralelos à superfície do talude. Esse tipo de ruptura é comum em encostas naturais com manto de intemperismo e alterações naturais ou induzidas que provocam desequilíbrio de forças. Assim como o desmatamento é um dos agentes que provocam este tipo de escorregamento. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 122 Figura 126 – Representação das forças atuantes numa lamela genérica. Fonte: Massad (2010) Os escorregamentos são translacionais ao longo de taludes de inclinação uniforme. Os movimentos são caracterizados de corpos rígidos com superfície definida de ruptura e as linhas de fluxo. As linhas de fluxo ocorrem caso haja movimento de água em seu interior, paralelos à superfície superior do talude. A análise deste problema através do método do equilíbrio limite admite que a cunha potencial de deslizamento se movimenta como um corpo rígido. Para uma análise das forças que atuam sobre um elemento de solo do interior deste corpo, considere o talude sendo infinito com geometria de rede de fluxo e esforços sobre uma lamela isolada. Figura 127 - Forças sobre um elemento do solo no interior do talude. Fonte: do próprio autor. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 123 As tensões induzidas pelo peso da cunha sobre a face têm como força resultante W, que atua verticalmente no ponto médio do segmento CD. A esta força se opõe a reação do resto do maciço sobre a cunha, que por ser a única força vertical deve ter também o mesmo ponto de aplicação de W. As forças do empuxo, lateral QD e QE, devem ser iguais e ter linha de ação coincidente. O Fator de Segurança é FS = Forças Resistentes (S)/ Forças Atuantes (T), tem-se que: Em que: C = coesão do solo γ‘ = peso especifico do solo efetivo, sendo equivalente a γ‘ = γsat - γw h = altura da lâmina de solo i = inclinação do talude Φ= ângulo de atrito do solo γsat= peso especifico do solo saturado (com os vazios preenchidos de água) γw = peso específico da água (equivalente a 10kN/m³) 11.1.1 Dedução da fórmula Lembre-se de que a água nos poros de um solo saturado possui uma pressão chamada “poro pressão” ou “pressão neutra” e é designada pela letra U. Esta pressão pode elevar o nível da água acima da superfície do terreno, ou manter o nível freático no interior do solo. • Pressão neutra → U= γw.h.cos2.i Sendo: i= declividade do talude; h= espessura (altura) do talude; γw = peso específico da água. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 124 • Peso da lamela (W) → W = γsat .A Sendo: A = área da lamela → b.h b= comprimento da lamela obtido pelo comprimento inclinado do talude: l . cos i • Força N, age perpendicular ao talude = decomposição de W N= W . cos i = γsat . b . h . cos i • Tensão normal (σ) = N/l = γsat . h . cos² i Sendo esta tensão normal equivalente a de resistênciado maciço que será substituída na fórmula de resistência ao cisalhamento do solo: S = c + σ . tg ø Lembrar que os solos não coesivos c = 0 e sempre considerar o peso especifico do solo efetivo (γ‘), descontando a água. γ’= γsat - γw Deve-se considerar: • O peso do solo saturado (γsat) para as forças atuantes • O peso específico do solo efetivo (γ‘) para as forças resistentes. • Força T, age na paralela do talude = decomposição de W T= W . sen i = γsat . b . h . sen i • Tensão de cisalhamento (T) = T/l = γsat . h . sen i . cos i Será esta a tensão atuante, levando em conta o solo saturado γsat. Então, das tensões N e T substitui-se na formula do FS= OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 125 11.1.1.1 Exercício exemplo 1 Classificar a estabilidade do talude ao determinar o fator de segurança (FS), segundo o método do talude infinito. Dados as propriedades do talude: Ângulo de atrito do solo (ø) = 15º Inclinação do talude (i) = 25º Peso especifico do solo (γ’) = 1,7 tf/m³ Coesão do solo (c) = 2 tf/m³ Altura da lâmina de solo (h) = 2,5m Observação: não comentou a presença da água Então γ’= γsat= 1,7 tf/m³ Resolução: Sendo FR = forças resistentes do solo FA = forças atuantes Substituindo na fórmula temos: O que isto quer dizer quanto a estabilidade do talude? Que ele está estável, pois FS > 1,0. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 126 11.1.1.2 Exercício exemplo 2 Com base no exercício exemplo dado acima 1, considere que o solo esteja saturado após uma forte chuva, apresentando peso especifico saturado de 1,9 tf/m³. Organizando os dados: Ângulo de atrito do solo (ø) = 15º Inclinação do talude (i) = 25º Peso específico do solo saturado (γsat) = 1,9 tf/m³ Coesão do solo (c) = 2 tf/m³ Altura da lâmina de solo (h) = 2,5m Com a presença da água deve-se considerar o peso especifico efetivo para FR = força resistente γ’= γsat - γw γ’= 1,9 – 1,0 = 0,90 tf/m³ Pois γw = peso especifico da água = 10kN/m³ = 1,0tf/m³ Substituindo: O fator de segurança diminuiu devido à presença da água, mas o talude permanece estável, pois FS > 1,0. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 127 11.2 Método circular 11.2.1 Método de Fellenius Este método foi desenvolvido pelo engenheiro sueco Fellenius em 1936, e é conhecido como método sueco ou das fatias. Baseia-se na análise estática do volume de material situado acima de uma superfície potencial de escorregamento de secção circular onde este volume é dividido em fatias verticais. O equilíbrio das forças é feito na direção na normal (N) à base da lamela. Considerações do método: • A massa de solo é dividida em fatias verticais e as equações de equilíbrio englobam cada fatia e o conjunto de todas as fatias. • Considera-se o equilíbrio de forças em cada fatia segundo a direção do raio que passa pelo meio da base. • Existe um equilíbrio de momentos de todas as fatias em relação ao centro da superfície de deslizamento. • O FS é a relação entre resistência máxima ao longo da superfície e tensão mobilizada média. No caso de haver percolação de água no maciço é necessário calcular o diagrama de pressões neutras sobre a superfície de escorregamento. Em cada lamela é computado o valor da resultante das pressões neutras que age sobre ela, sendo u (poro-pressão) o valor médio da pressão neutra. Na Figura 1 tem-se o princípio do método de cálculo de Fellenius. Onde o talude é dividido em lamelas, representado pela rachura. E assim calcula-se o peso da lamela (W), obtendo as tensões normal (N) e a tensão cisalhante (T). Como no método do talude infinito, N = tensão de resistência do solo + poropressão (U), se houver e T= tensão atuante. Ao somar todos os pesos resistentes e atuantes, divide-se para obter o FS. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 128 Figura 128 - Princípio do método de Fellenius Além disso, o método considera que não há influência de uma lamela sobre outra. Das considerações, resulta: Em que: N= tensão resistente U= poro pressão W= peso da lamela = γsat . Δx . h h = altura da lamela θ = ângulo que raio da envoltória de ruptura faz com a normal c’ = coesão do solo l = comprimento da lamela (inclinado) Δx= distância da lamela Para a obtenção do FS deve-se dispor dos parâmetros de resistência do solo: coesão e ângulo de atrito, e o peso específico do solo natural e saturado. Os demais dados são obtidos desenhando o perfil em escala (B), obtendo a largura de cada lamela, altura da lamela (h), ângulo, comprimento L e a poro-pressão de cada lamela (u). OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 129 11.2.1.1 Roteiro de cálculo 1- Arbitrar uma superfície de ruptura potencial, com centro O e raio R. 2- Dividir o talude em fatias verticais (10 a 15 fatias). As seções verticais. devem passar pelos pontos: - Mudança de geometria do talude. - Cruzamento entre a superfície de ruptura e a linha de fluxo superior. - Cruzamento entre a superfície de ruptura e planos de estratificação. 3- Medir a largura Δx de cada fatia e os ângulos θ, entre a horizontal e a corda que une as extremidades de cada fatia. θ1 será positivo quando tiver o mesmo sentido do ângulo de inclinação do talude. 4- Calcular o peso Wi, de cada fatia (W= γ.A). 5- Calcular a poropressão media de ui na base de cada fatia. 6- Calcular FS. 7- Arbitrar outras superfícies de ruptura potenciais com diferentes centros O e raios R, e repetir os procedimentos. 8- Com o FS calculados, traçar linhas de igual fator de segurança. Adotar o FS mínimo. 11.2.1.1 Considerações do método O método de Fellenius pode induzir a graves erros, em face do tratamento que dá às pressões neutras. A rigor, as forças resultantes das pressões neutras atuam também nas faces entre as lamelas. Como são forças horizontais elas têm componentes na direção da normal à base das lamelas que é a direção de equilíbrio das forças. A determinação do FS é por tentativas, com diferentes séries de círculos. Para cada centro diferente do círculo deve-se calcular também os FS para diferentes raios A pesquisa do centro do círculo é feita considerando-se uma malha de pontos equidistantes, que permitem o traçado de curvas com igual FS que são concêntricas em torno do valor mínimo. O menor valor do coeficiente de segurança corresponderá a superfície crítica de ruptura. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 130 Figura 129 - Malha de pontos FS. Fonte: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2100229/mod_resource/content/1/An%C3%A1lise%20de%20estabilidade%20de%20taludes%20A. pdf 11.2.2 Método de Bishop Simplificado O método de Bishop Simplificado também considera a superfície de ruptura cilíndrica e subdivide o corpo livre em lamelas. Considera ainda as forças laterais entre lamelas. Considera as forças laterais entre as lamelas, diferente de Fellenius. No caso de Bishop Simplificado, o equilíbrio de forças é feito na direção vertical. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 131 11.2.2.1 Roteiro de cálculo Os passos para executar o cálculo são: 1- Iguais aos propostos pelo método de Fellenius 2- Arbitrar um FS 3- Calcular as forças atuantes entre as fatias 4- Equilíbrio de forças em cada fatia, segundo as direções horizontal e vertical 5- Equilíbrio de momentos de todas as fatias, em relação ao centro da superfície de deslizamento 6- FS = relação entre resistência máxima ao longo da superfície e tensão mobilizada media e relação entre momento resistente e momento mobilizado 11.2.3 Método de Fellenius x Bishop Simplificado A diferença entre métodos de Fellenius e Bishop Simplificado está na direção da resultante das forças laterais E e X, que atuam nas faces verticais das lamelas. Fellenius a resultante é paralela à base das lamelas eem Bishop Simplificado ela é horizontal. Isto está na rede Como visto na aula anterior existem diferentes métodos de cálculo para a estabilidade dos taludes. Entretanto, estes métodos são gráficos e interativos, ou seja, por tentativas. Realizá-los mecanicamente é possível, entretanto atualmente existem diversos softwares que atingem complemente o objetivo do cálculo. Dentre eles, estão os seguintes: • SLOPEW • GEO5 • Rocscience Slide • GGU - Stability 11.3 Estabilidade de taludes verticais Os taludes verticais são comumente realizados em escavações onde a parede do maciço faz 90º com o terreno, ou seja, perpendicular. Existem alguns métodos de cálculo a partir OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 132 das propriedades do solo, como coesão, peso específico e ângulo de atrito para se obter a altura crítica, ou seja, máxima altura que se pode escavar garantindo a estabilidade. Lembrando que isso não anula a exigência da NR 18 para a execução de escoramentos, que protegem a segurança dos servidores. 11.3.1 Ruptura planar 11.3.1.1 Solos coesivos No caso de taludes verticais supondo que a ruptura produza segundo uma superfície plana de ruptura, a altura crítica é dada por: Em que: γ=peso especifico do solo c= coesão Φ = ângulo de atrito Isto quer dizer que é a máxima altura que o solo possa ser cortado como talude vertical e não sofrer a ruptura. 11.3.1.2 Solos puramente coesivos No caso de solos puramente coesivos, o ângulo de atrito do solo é igual a 0. Em que: R = força a resistêcia à compressão simples 11.3.2 Ruptura curva Supondo que o escorregamento ocorra ao longo de superfícies curvas, mais próximo da realidade e como Fellenius demonstra, tem-se que: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 133 11.3.3 Aparecimento de fendas de tração Levando em conta o aparecimento de fendas de tração no topo do talude isto geralmente ocorre em solos coesivos, a altura crítica terá um valor menor: 11.3.4 Exercício exemplo 3 Considere que um talude vertical de uma escavação seja realizado em um solo coesivo, ou seja, sujeito ao aparecimento de fendas de tração, e deseja-se verificar qual é a máxima altura crítica que este talude suporte? Dado que: γ solo= 1,8 tf/m³ Φ = 10º Coesão = 0,3 kg/cm² Deixar os dados na mesma unidade, então para coesão= 0,3 kg/cm² = 3 tf/cm² Então, a altura crítica é 5,30 metros. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 134 AULA 12 ATERROS SOBRE SOLOS MOLES Os solos moles são definidos quanto a sua formação proveniente de argilas moles que apresentam baixa resistência à penetração com valores de SPT igual ou menos que 4 golpes. Segundo a Figura 130, representa a designação do solo em relação à resistência de penetração obtido no ensaio de SPT conforme NBR-6484/01- Solo – “Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos”. Figura 130 - Tabela dos estados de compacidade e de consistência. Fonte: NBR 6484 (2001) Outra característica quanto à origem dos solos moles ser fluvial (aluviões), ou seja, da deposição de sedimentos nas planícies de inundação ou várzeas dos rios, regiões alagáveis pelas cheias dos tios. Além disso, ocorre a decantação dos sedimentos mais finos (argilas e siltes), podendo haver estratificações e intercalações com areias finas. Outra origem ainda dos solos moles pode ser por deposição marinha, verificando a presença deste tipo de solo em regiões costeiras. A Figura 131 mostra uma seção geológica do terreno do campus da USP, próxima ao rio Pinheiros em São Paulo, na qual verifica-se a distribuição dos sedimentos superficiais de aluviões. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 135 Figura 131 - Seção geológica na várzea do rio Pinheiros, São Paulo. Fonte: Massad (2010) Os solos moles apresentam envoltórias de Mohr-Coulomb praticamente horizontais, ou seja, tensão de cisalhamento (T) = coesão (c). Quanto à resistência ao cisalhamento em termos de tensões totais, por se tratar de solos saturados ou quase saturados, a coesão cresce linearmente com a profundidade, isso deve- se ao adensamento do solo sob ação do peso próprio da camada. 12.1 Problemas característicos de obras de solos moles Os problemas gerados por solos moles são comuns e podem originar problemas sérios para a construção civil, pois têm alta compressibilidade e baixa resistência ao cisalhamento. Os problemas característicos do ponto de vista técnico são: • Estabilidade dos aterros logo após a construção. • Recalques dos aterros ao longo do tempo. • Interferência dos recalques do solo nos elementos estruturais. Em encontros de pontes e viadutos merecem atenção do engenheiro, pois surgem problemas de: • Estabilidade das fundações. • Recalques diferenciais. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 136 • Efeitos colaterais no estaqueamento. Do ponto de vista construtivo influenciam nos problemas: • Tráfego de equipamentos de construção. • Amolgamento da superfície do terreno: perda da resistência do solo pela formação de lama. • Riscos de ruptura durante a construção. 12.1.1 Obras em solos moles • Abertura de valas. • Escavação de túneis: métodos construtivos. • Travessias subterrâneas. • Fundações em solos moles: edifícios construídos em cidades litorâneas ou que apresentam subsolo com argila mole. • Aterros sobre solos moles: construção. Por isto os aterros que são obras de terras construídos sobre estes solos precisam receber tratamento diferenciado quanto a questões de estabilidade, pois qualquer construção executada sobre solo mole ou instável traz consigo a possibilidade de recalques. 12.2 Parâmetros para projeto de aterros Devem-se obter os parâmetros para cálculo da resistência: coesão, espessura do aterro, superfície de ruptura momentos atuantes e resistentes e peso específico do solo. Além disso, para cada tipo de obra e métodos construtivos mais adequados depende dos fatores: características geotécnicas do deposito, profundidade do nível de água, possibilidade de utilização da área e sua vizinhança, prazos construtivos e custos envolvidos. Através da coesão dos solos moles é usualmente obtida pelos ensaios de compressão simples em laboratório ou pelo Vane test que é em campo. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 137 12.2.1 Vane Test Conhecido como o ensaio de palheta é empregado na determinação da resistência ao cisalhamento de argilas moles saturadas, submetidas à condição de carregamento não- drenado. Normatizado pela NBR 10905-89 – Solo ensaio de palheta in situ. O ensaio consiste na cravação estática de palheta de aço com secção transversal em formato de cruz, dimensões padronizadas e inseridas até a posição desejada para o teste. A ponteira é cravada e quando posicionada aplica torque. O torque máximo permite obter o valor de resistência não-drenada do terreno, nas condições de solo natural indeformado. Obtém-se o gráfico torque x rotação: Figura 132 – Resultado Vane test. Fonte: https://pt.slideshare.net/engdidi/apresentao-ensaios-de-palheta-vane-tests Assim a resistência ao cisalhamento não-drenado* será: Em que: M=torque máximo medido (KNm) D= diâmetro da palheta (65mm) *O significado de carregamento não drenado: a água não flui para dentro nem para fora, logo o carregamento muda a pressão da água. Desta forma, a drenagem é impedida e ocorrem variações de tensões totais, que geram excessos de poro-pressão. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 138 12.2.2 Análise de estabilidade dos aterros após a compactação A análise de estabilidade de aterros sobre solos moles é feita aplicando os métodos de equilíbrio limite, com considerações da resistência ao cisalhamento em termos de tensões totais, através das soluções de Fellenius ou bermas de equilíbrio. 12.2.2.1 Solução de Fellenius Na análise de Felleniusé admitido uma superfície circular de ruptura e assim iguala-se os momentos atuantes e resistentes. • Para carregamentos uniformemente distribuídos e flexíveis é dado à carga que leva o terreno a ruptura (Figura 133): qr= 5,5 x c Figura 133 - Solução de Fellenius para carregamento uniforme. Fonte: MASSAD (2010) • Quanto à altura crítica de aterros, que podem ser lançados sem que haja ruptura do terreno de fundação: Onde: Hc = altura crítica de aterros c = coesão γ at = peso específico do aterro OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 139 • Em relação à altura admissível esta é designando por FS o coeficiente de segurança, pode -se escrever como: Hadm = altura admissível do aterro pós-fator de segurança Hcr = altura crítica do talude FS = fator de segurança • Quanto à influência da espessura da camada de solo mole (D), da posição do terreno firme subjacente, tendo: b= metade do raio 12.2.2.2 Bermas de equilíbrio Imagine-se uma camada de argila mole com c= 10kPa. A máxima altura de aterro que se pode lançar, com peso especifico de 20 kN/m³ é: Caso haja a necessidade de o aterro ter altura maior, por exemplo, 4 metros, lançam-se as bermas. Considerando 4,00-2,75 = 1,25m, seria a altura da berma. Conforme a Figura 134 abaixo: Figura 134 - Bermas em aterros de solo mole. Fonte: Massaqd (2010) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 140 12.3 Metodologias para construção Quando houver sobrecarga sobre o solo natural ou qualquer construção executada sobre solo mole e instável traz consigo a possibilidade de recalque. Desta para a construção destes aterros pode-se proceder em geral por 3 formas: Lançar aterros em ponta sobre o terreno natural, como ele se encontra na natureza. Convivendo com problemas de estabilidade durante construção e recalque na fase operacional. Remover o solo mole, total ou parcial. Lançar aterros em ponta após tratamento do solo mole, melhorando suas propriedades. 12.3.1 Lançamento de aterros em ponta O deslocamento de solos moles pode ser realizado com o peso próprio do aterro, ou seja, com o avanço de uma ponta de aterro em cota mais elevada que a do aterro projetado. Com isso, a camada mole do solo é empurrada e expulsa, dando lugar a um aterro embutido. O aterro de ponta deve ser executado forçando o material de substituição contra o solo compressível, provocando seu deslocamento. Figura 135 - Aterro de ponta. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAABV44AJ/execucao-aterros 12.3.2 Remoção de solos moles A remoção total de solos moles é possível para espessuras relativamente pequenas, cerca de 4 a 5 metros. Pode ser feita com escavação mecânica, dragas, explosivos para liquefazer os solos moles. A remoção parcial de uma camada de solo mole pode ser adotada também. Substituindo- se a argila mole por uma camada de colchão de areia, que permite que os equipamentos de terraplenagem transitem. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 141 Segundo Floriano (2016), se a espessura de solos moles ultrapassar determinada profundidade (em torno de 3,5 m) deixa de ser viável a remoção desse material e parte- se para alternativas que visam ou a aceleração dos recalques para que eles cheguem ao valor final. Ou também se as espessuras são muito grandes ou mesmo quando o impacto ambiental é importante deve-se construir estruturas como viadutos. Essas obras estão cada vez mais frequentes. Figura 136 - Situação típica em aterros sobre solos moles: recalque. Fonte: Floriano (2016) 12.3.3 Tratamento de solo mole Entende-se por tratamento do solo mole um conjunto de procedimentos para melhorar as propriedades geotécnicas, quer dizer, as características de resistência e deformabilidade. Estando listadas nos subitens abaixo. 12.3.3.1 Construção por etapas São aterros construídos em etapa que garantem o assentamento do solo frágil. Neste tipo de aterro deve-se temer a chuva, pois é quando o material está espalhado e pulverizado, antes da compactação que uma pancada de chuva poderia transformá-lo em lamaçal. Para evitar a camada deverá ser compactada com rolos lisos para o adensamento e impermeabilização. Deve se manter as beiradas mais altas para evitar escoamentos superficiais com erosão, aumentando a segurança. Deve-se iniciar o aterro nas cotas mais baixas, em camadas horizontais. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 142 Figura 137 - Aterro em etapas. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAABV44AJ/execucao-aterros 12.3.3.2 Em bermas laterais Executam-se bermas laterais, únicas ou gradualmente decrescentes em altura, de sorte que a distribuição das tensões se faz em área bem mais ampla do que aquela que resultaria da utilização de um aterro convencional. Ocorre uma melhor distribuição das tensões faz com que, efetivamente, o sistema “flutue” sobre a camada mole. Figura 138 - Aterro em bermas. Fonte: https://seer.imed.edu.br/index.php/revistaec/article/view/1865/1277 12.3.3.3 Sobrecarga temporária A sobrecarga temporária é uma pré-crompressão o solo mole é submetido a um carregamento maior que aquele que atuará durante a vida útil da obra. Em geral com este OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 143 carregamento aceleram-se os recalques. Existem duas variantes através da aplicação de vácuo sob membrana de borracha e outra aplicação do vácuo em poços abertos no solo mole. Figura 139 - Variantes de aplicação de sobrecarga. Fonte: Massad (2010) Figura 140 - Exemplo da sobrecarga. Fonte: http://infraestruturaurbana17.pini.com.br/solucoes-tecnicas/32/artigo300049-1.aspx 12.3.3.4 Aterros reforçados Aplicar elementos resistentes em um maciço terroso não melhora as características do solo, mas melhora o comportamento mecânico global da estrutura, pois ocorre transferência de esforços do solo para o reforço. Entendem-se por técnicas de reforço todas as técnicas que através da introdução de elementos resistentes aumentem a capacidade resistente e diminuem as deformações através do encaminhamento de esforços para estes elementos, o que, no final, se traduz num melhoramento do comportamento global. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 144 Drenos verticais Quando o solo é muito mole e muito espesso ou seu coeficiente de adensamento baixo, a pré-compressão (sobrecarga temporária) torna-se ineficiente. Os drenos encurtam as distancias de drenagem e aceleram o adensamento. Os drenos verticais são elementos que são colocados na vertical atravessando a massa de solo compressível. Geralmente utilizado dreno vertical de areia, com a instalação de tubos metálicos com ponta aberta até a cota desejada. Figura 141 - Drenos verticais de areia. https://sites.google.com/site/naresi1968/naresi/37-drenos-verticais-de-areia-e-fibroquimicos Estacas de distribuição Os aterros sobre elementos de estaca ou estruturados são aqueles que em parte ou totalidade do carregamento devido ao aterro é transmitida para o solo de fundação mais profundos do subsolo. Esse tipo de solução minimiza ou elimina a necessidade de utilizar recalques e melhora a estabilidade do aterro. Além disso, diminui o tempo de execução do aterro, já que o alteamento pode ser realizado em uma só etapa. Vários tipos de estacas podem ser usados para fundação de aterros: estacas de concreto cravadas ou moldadas no local, colunas de concreto ou de brita, colunas “injected grout”, estacas de areia. Assume-se que toda a carga do aterro será transferida para as estacas, instaladas numa camada resistente. O número de estacas e o custo envolvido são elevados. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 145 Figura 142 - Aterro estaqueado. Fonte: http://igsbrasil.org.br/wp-content/uploads/2017/12/CCO-2016-GEOGRELHAS-TECIDAS-BI-DIRECIONAIS-EM-ATERRO-ESTAQUEADO-PARA- REFOR%C3%87O-DE-SOLO.pdfColunas de pedras Processo que são abertos furos na camada de solo mole, espaçados entre si de 1 a 2,5 e com 70 a 90cm de diâmetro. Os furos são preenchidos com pedras ou brita e submetidos à vibração. As colunas de pedra têm a função de transferir a carga dos aterros a profundidades maiores e também como função de dreno vertical, permitindo a percolação da água. Figura 143 - Metodologia de execução da pedra vibrada. Fonte: Caputo (2015) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 146 Geossintéticos O geossintético é um material sintético com um leque de aplicações, em obras de caráter geotécnico. Como desempenhar funções de drenagem, filtragem, separação, proteção, reforço e ainda combinação destes. Será, também, aplicado geossintético com a função de encamisamento das colunas granulares que lhe vão conferir maior confinamento e maior eficácia de drenagem devido ao efeito de filtro. Figura 144 - Reforço com geossintéticos. Fonte: https://images.app.goo.gl/zjHUbR4DcGu7B4mGA Aterros leves Esta técnica consiste no uso de materiais leves no corpo de aterro, sendo o poliestireno expandido conhecido como isopor. O uso dele reduz a magnitude dos recalques e tem uma longa vida útil. Tendo como vantagem alta resistência que melhora as condições de estabilidade desses aterros. Além disso, permite uma implantação mais rápida da obra, tem-se uma economia na colocação de solo, movimentação e terraplenagem. Desta forma, diminui o custo obra. Figura 145 - Aterro com material leve. Fonte: http://piniweb17.pini.com.br/construcao/tecnologia-materiais/metodo-utiliza-blocos-de-isopor-no-aterro-de-viaduto-em-293984-1.aspx OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 147 A primeira etapa de execução do aterro é a construção de base de concreto sobre o solo. Após isso, os blocos de EPS de 23 kg por m³ são encaixados e depois revestidos por mantas de polipropileno, geomembranas para garantir a durabilidade necessária. Em seguida, mais uma camada de solo cimento é feita e, após esta etapa, uma camada de concreto projetado finaliza o processo. Essa solução tem restrição quanto à força da subpressão causada por lençol freático. Por isso, deve-se executar sondagens para aferição do nível do lençol freático para descartar as possibilidades de ocorrência desse efeito. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 148 AULA 13 INTRODUÇÃO ÀS BARRAGENS Segundo Queiroz (2016), as barragens são obras de engenharia civil constituídas de estruturas projetadas e construídas com a finalidade de acumular água, resíduos líquidos ou sólidos, proteger contra enchentes entre outras finalidades. 13.1 Características principais As barragens se caracterizam e distinguem das demais obras na engenharia sendo elas: • O acúmulo de grandes massas de solo e água em uma determinada região limitada. • A ação continua de água sobre o maciço e as fundações da estrutura geram esforços que atuam na barragem, sendo eles: peso próprio, peso da água, ação de empuxo, percolação, possível erosão interna e externa e ação do vento. No Brasil de menor ocorrência estão os abalos sísmicos, atividades tectônicas, efeito do gelo, terremotos entre outros. • Ocupação de área relativamente grande, por exemplo, em vales que têm interação com características litológicas locais e problemas ambientais provocados pelas inundações de áreas de vegetação ou ocupação humana. Desta forma para projetos e construção de barragens exigem estudos ambientais, hidrológicos, geológicos e geotécnicos detalhados. Além disso, concepção e execução rigorosa, para evitar falhas de projetos ou implicações de perdas materiais e de vida. Na Figura 146 são apresentados os elementos básicos de uma barragem de terra genérica, em que: • Crista é a parte superior. • Talude de montante onde a água ou resíduo incide. • Talude de jusante contrário a ação do peso. • Núcleo que pode existir ou não, composto de material diferente. • Fundação que o suporta, os drenos de pé para percolação da água. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 149 • Desarenador que tem função de permitir a saída de resíduos depositados no fundo da barragem. Figura 146 - Representação esquemática dos elementos básicos de uma pequena barragem de terra. Fonte: https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/ handle/10183/148751/001002365.pdf?sequence=1 13.1.1 Tipos de barragens 13.1.1.1 Barragens de acumulação A água acumulada pode ser utilizada para abastecimento de cidades, para irrigação, piscicultura ou geração de energia. 13.1.1.2 Barragens de enrocamento São constituídas de maciços construídos com blocos de rochas e cascalhos compactados com rolos vibratórios. Ou ainda construídas com diversos tipos de materiais, por exemplo, concreto ciclópico, concreto armado, concreto compactado com rolo, gabiões, pedra argamassada, enrocamento e solos compactados. 13.1.1.3 Barragens de rejeitos São barragens com a finalidade de reter os resíduos sólidos e água, em sua maioria contaminados, provenientes de processos de extração e beneficiamento de minérios. Ou OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 150 então de resíduos sólidos industriais ou em geral para a disposição e tratamento de águas residuárias. 13.1.1.4 Barragens de solo ou de terra São geralmente maciços artificiais (aterros) de seção trapezoidal construídos em um vale para acúmulo de água. Essas estruturas têm que ser impermeáveis e seguras para evitar a perda de água. 13.2 Métodos construtivos de barragens 13.2.1 Concreto As barragens em concreto podem ser por gravidade, onde este tipo de barragem funciona em função do peso e requer fundações em rocha. Tipo de barragem mais resistência e menor custo de manutenção, entretanto maior custo de execução. Podem ser por concreto estrutural com contrafortes, exigindo mais forma e armação. Em arco de dupla curvatura são mais raras, pois o comprimento deve ser pequeno em relação à sua altura. Mais comuns na Europa, onde os vales são profundos e fechados, já que é necessário da encosta para suportar os esforços (Figura 147). Figura 147 - Barragem de concreto com contraforte. Fonte: Massad (2010) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 151 13.2.2 Terra É possível se construir estas barragens sobre quaisquer tipos de solos. Pode ser de solos homogêneos, assim a inclinação dos taludes de montante e jusante é fixada de modo a garantir estabilidade. Um dos problemas mais preocupantes nas barragens de terra é o pipping ou erosão regressiva tubular, no corpo da barragem ou nas fundações. Esse fenômeno é chamado de erosão interna, ou seja, o carreamento das partículas de solo pela água em fluxo, de jusante para montante. E que com passar dos tempos forma um tubo de erosão que pode evoluir e gerar o colapso. Para evitar o pipping é necessário um controle de percolação tanto na fundação como no corpo da barragem através de filtros. Figura 148 - Barragem de terra homogênea. Fonte: Massad (2010) Figura 149 - Formação do pipping em barragens. Fonte: https://sites.google.com/site/medioquestoesambientais/algumas-notas-sobre-barragens-de-rejeitos-de-mineracao 13.2.3 Terra-enrocamento É a mais estável dentre as barragens de terra, pois o material de enrocamento, as pedras, apresentam elevado ângulo de atrito e garantem a estabilidade dos taludes de montante e jusantes. Assim como o núcleo argiloso imprime a estanqueidade. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 152 Figura 150 - Exemplos de barragens de enrocamento: a) com núcleo central e b) inclinado para montante. Fonte: Massad (2010) 13.2.4 Particularidades das barragens de terra-enrocamento 13.2.4.1 Tipo de seção Existe uma variabilidade no tipo de barragem de terra em relação ao tipo de seção: homogêneo ou zonado, com materiais mistos. Ambaspodem ser em terra ou em enrocamento. As homogêneas são inteiramente do mesmo material. Figura 151 - Barragem homogênea. Fonte: Caputo (2013) E as barragens zonadas são com diferentes números e disposições de material. Figura 152 - Barragem zonada. Fonte: Caputo (2013) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 153 13.2.4.2 Tipo de solo Os solos empregados na construção de uma barragem de terra e enrocamento podem ser classificados em duas grandes categorias: A) Os materiais permeáveis (areias e cascalhos), caracterizados por uma resistência ao cisalhamento elevada. B) Os materiais pouco permeáveis (argilas, areis e siltes argilosos), caracterizados por uma resistência ao cisalhamento mais fraca. 13.2.4.3 Perfis típicos O perfil de uma barragem depende de sua finalidade, da disponibilidade de materiais nas proximidades, das características topográficas e geotécnicas, do custo envolvido e das técnicas construtivas. Na Figura 153 são apresentas alguns tipos de barragens de enrocamento ou de terra. Figura 153 - Perfis característicos de barragens de terra e enrocamentos. Fonte: Queiroz (2016) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 154 13.2.5 Barragem de enrocamento com membrana de concreto O concreto colocado em placas sobre o talude de montante impermeabiliza o talude. Apresentam como grande vantagem no cronograma construtivo, pois podem ser construídos independentemente do clima. Figura 154 - Barragem de enrocamento com membrana de concreto. Fonte: Massad (2010) 13.2.6 Barragem em aterro hidráulico Método de construção do aterro, por processo hidráulico, como solo transportado com água por meio de tubulações. Ao ser despejado, o material segrega-se, separando as areias e os finos (siltes e argilas) acabam constituindo o núcleo da barragem. Tendo como vantagem o baixo custo. Figura 155 - Barragem em aterro hidráulico. Fonte: Massad (2010) O método hidráulico é mais econômico devido à alta capacidade produtiva diária, permite a execução de aterros submersos, os mecanismos de construção são relativamente simples em comparação com os métodos tradicionais, menor exigência de mão de obra e menor custo unitário da obra. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 155 13.3 Escolha do tipo de barragem A escolha técnico-econômica do tipo de barragem mais indicado para um determinado local depende de vários fatores sendo eles: • Disponibilidade na região do material de construção. • Topografia. • Condições geotécnicas, geológicas: recalque, percolação, rochas fraturas, rochas granulares. • Considerar os problemas construtivos e econômicos garantindo a segurança. Como um desvio temporário do curso d’água no período de construção da obra. • Condições do meio e climáticas: restrições ambientais. • Condições climáticas: região chuvosa que venha dificultar compactação, escavação e transporte. • Custo da obra em função de preço e disponibilidade de material. 13.3.1 Estudos preliminares Os estudos preliminares mais importantes são entre eles avaliar a topografia local e a formação geológica. 13.3.1.1 Topografia local Um dos primeiros estudos para o projeto de barragem é o mapeamento topográfico da região a ser construída. Delineando-se assim a sua bacia de acumulação. 13.3.1.2 Geologia A investigação geológica refere-se, em particular, ao estudo das rochas, com classificação dos maciços. Com os possíveis planos de falhas, dobramentos e fraturas. Além do tipo de solo que receberam a fundação para suportar a construção da barragem. Sendo importante investir as propriedades quanto a resistência, permeabilidade e compressibilidade. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 156 13.3.2 Fases de projeto 13.3.2.1 Levantamento topográfico Primeiro por meio de fotografias aéreas e em seguida por levantamentos topográficos planialtimétricos diretamente no campo. Os resultados dos mapeamentos fornecem plantas cotadas com curvas de nível. 13.3.2.2 Dados hidrológicos De grande importância visam a conhecer o regime de águas da região e envolve toda a bacia de contribuição, considerando o tempo de recorrência adequado e as vazões máximas, mínimas e médias na seção ao longo da vida útil da barragem. 13.3.2.3 Mapeamento do subsolo Reconhecimento tanto na área de aterro como na região ocupada pelo lago. Os processos de reconhecimento englobam sondagens diretas. Além disso, devem ser coletadas amostras para ensaios de caracterização e identificação dos solos, ensaios de compactação, ensaios de permeabilidade e ensaio de cisalhamento. 13.3.2.4 Planejamento e orçamento A partir das informações obtidas será permitido o planejamento do tipo de barragem mais adequado. E após o planejamento, estima-se o custo. 13.3.2.5 Considerações Lembrando que além de serem projetadas e construídas as barragens, estas devem ser monitoradas periodicamente para que medidas preventivas ou reparadores possam ser tomadas a tempo. Para a determinação da inclinação do talude de montante e jusante, devem ser feitas análises utilizando métodos analíticos e numéricos para cálculo de talude. Dispondo dos parâmetros de resistência e peso específico do solo compactado, além disso, a atuação da água. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 157 13.4 Análise de estabilidade de taludes de uma barragem de terra A programação dos estudos de estabilidade exige obedecer a uma sequência de atividades com grande importância para que os projetos sejam bem elaborados e apoiados sobre analises de estabilidade detalhadas. Se não bem executados podem causar sérios problemas por omitir ou subestimar determinados aspectos importantes. Desta forma são listados os fatores que devem ser criteriosamente analisados. 13.4.1 Condições de carregamento Deve-se analisar durante e após a construção da barragem e durante e após o primeiro enchimento do reservatório. 13.4.2 Seções mais críticas Essa escolha exigirá a elaboração prévia de seções geotécnicas longitudinal e transversais para que as condições de equilíbrio sejam verificadas. A verificação é embasada em prévio condicionamento geotécnico dos maciços. 13.4.3 Parâmetros de resistência Um dos mais importantes e complexos fatores envolve a relação e seleção dos valores dos parâmetros de resistência ao cisalhamento. Antes de se proceder à análise deste problema, o qual deve ser estudado separadamente para cada tipo de solicitações são considerados em geral as análises em termos das tensões totais e das tensões efetivas. 13.4.3.1 Análises por tensões totais São realizadas as verificações admitindo as pressões neutras de cisalhamento, considerando as condições de carregamento no campo e ensaiadas no laboratório. 13.4.3.2 Análises por tensões efetivas São realizadas as verificações admitindo as tensões efetivas, ou seja, partindo da hipótese que a resistência efetiva dos solos é conhecida pode prever as pressões intersticiais. Essas OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 158 pressões podem ser determinadas pelo traçado de percolação (pressão neutra, da água) e através de ensaios de laboratórios. 13.4.4 Fatores de segurança mínimos Os fatores de segurança devem cobrir as incertezas relacionadas com: • Resistências de diferentes horizontes • Pressões neutras construtivas • Grandeza e subpressões nas fundações • Vazões de percolação • Eficiência de sistema de drenagem interna • Imprecisões de cálculo • Eventuais falhas construtivas • Configuração geométrica dos taludes internos e externos. 13.5 Serviços especiais 13.5.1 Construção de filtros Os filtros são definidos em relação a sua posição no interior da barragem. Geralmente constituído de tapete drenante, localizado na horizontal, e filtros em chaminé na vertical. Os filtros são constituídos por camadas de materiais como um sanduichede geralmente areia, pedregulho e areia. O sistema de drenagem interna constitui o elemento vital na segurança de uma barragem de terra tendo como objetivos: • Reduzir a poropressão na área de jusante da barragem e, portanto, aumentar a estabilidade de jusante contra o deslizamento. • Controlar a percolação da água na face de jusante da barragem de tal modo que a água não carregue qualquer partícula do maciço, isto é, que não se desenvolva o fenômeno de “pipping”. Evitando que a linha freática onde o solo se encontra totalmente saturado avance e atinja a superfície do talude de jusante. Desta forma, leva a instabilidade e ruptura do maciço. Na figura 156, tem-se o exemplo de uma barragem de acumulação de água permeável, OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 159 indicando a infiltração. Sendo a última de cima para baixo a representação da linha freática em barragens. Figura 156 - Barragem permeável. Fonte: https://images.app.goo.gl/zgX3zp7bw44SSaP37 Os tapetes drenantes geralmente ficam apoiados sobre a superfície de fundação e são constituídos de camadas múltiplas de materiais, com elevada permeabilidade para permitir o escoamento das águas drenadas através da fundação e do maciço de barragem. Figura 157 - Exemplo de barragem com filtro e tapete drenante. Fonte: http://www.ebanataw.com.br/terrapleno/barragem.htm Os filtros em chaminé podem ser verticais ou inclinados e geralmente são constituídos de um único material, na maioria das barragens, de areia natural. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 160 Figura 158 - Exemplo de barragem com filtro chaminé e tapete drenante. Fonte: https://images.app.goo.gl/jtnLTbTpHXMmCx419 13.5.2 Transições As transições entre enrocamento e aterros são construídas com técnicas semelhantes às utilizadas na execução dos filtros em chaminé, em camadas concomitantes, apoiadas sobre a face do aterro ou do enrocamento. Figura 159 - Filtro de transição em barragem. Fonte: https://images.app.goo.gl/5T1pM2JznC6DnaWx7 13.5.3 Rip - rap Os projetos de rip-rap preveem a inclusão de uma ou mais camadas de transição entre as pedras e o aterro. As camadas de transição do rip-rap são lançadas depois de uma certa espessura de aterro, com a função de proteger o talude de montante contra a ação erosiva que se forma no reservatório. Os tipos são de enrocamento lançado, empedramento manual, solo-cimento, concreto e concreto betuminoso. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 161 Figura 160 - Sistema rip-rap em barragem e detalhamento. Fonte: https://images.app.goo.gl/MNWeF2FB1f1xHXpV7 Isto está na rede No Brasil, a grande maioria de barragens disponíveis são as de acumulação de água, seja para o abastecimento urbano ou para a geração de energia elétrica. Já que grande parte no país é gerado através das usinas hidrelétricas. Desta forma, as barragens devem ser construídas e monitoradas de forma a garantir a estabilidade e segurança, pois a ruptura de uma barragem de água pode liberar em segundos uma enorme quantidade de água e provocar grandes prejuízos. Assista ao vídeo institucional da ANA, Agência Nacional de Águas aos quais são apresentadas a principais barragens, ações estratégicas de regulamentação das barragens e os órgãos responsáveis pela política nacional de segurança de barragens no país. Segurança de Barragens no Brasil: https://www.youtube.com/watch?v=If57BMOy5Xk Isto acontece na prática Muitos acidentes catastróficos aconteceram e continuam acontecendo na história da humanidade. Com estes fatos, pode-se observar lições e extrair informações que levaram a ruptura. Tornando -se assim um progresso para a engenharia. Por isso são importantes que sejam feitas as análises de estabilidade corretamente das barragens e além disso a realização de sistemas de drenagens eficientes. Veja o vídeo exemplo de um rompimento de barragem por perda de estabilidade do talude devido à infiltração. https://www.youtube.com/watch?v=vRdTL9Tcv2w OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 162 AULA 14 REBAIXAMENTO DE LENÇOL FREÁTICO Nas instalações de redes subterrâneas e no preparo de terreno para execução de fundações de edifícios, pontes, barragens entre outros, ocorre com frequência a presença do nível d’água acima da cota em que estas obras deverão ser construídas. Essa água apresenta muitos inconvenientes, pois não só dificulta como impossibilita o trabalho e modifica o equilíbrio do solo provocando a instabilidade do fundo da vala de escavação e desmoronamento dos taludes. Com a presença da água as escavações devem apresentar escoramentos mais reforçados já que o empuxo será maior. Por isso, deve-se reduzir ou eliminar a presença da água nas cotas acima do fundo da escavação. E este rebaixamento pode ser temporário ou permanente de acordo com cada tipo de necessidade da obra. Desta forma, é necessário conhecer os processos de drenagem e rebaixamento do lençol d’água. Para melhor definição dos procedimentos é necessário esclarecer sobre as águas subterrâneas. 14.1 Águas subterrâneas A água subterrânea é originada predominantemente da infiltração das águasdas chuvas que é direcionada para o subsolo. Segundo Chiossi (1989), o interior da Terra que é composto de diferentes rochas funciona como um vasto reservatório subterrâneo para a acumulação e circulação das águas que nele se infiltram. As rochas presentes no subsolo da terra, raras vezes, são totalmente sólidas e maciças. Na verdade, elas contêm numerosos vazios (poros e fraturas) denominados também de interstícios, que variam dentro de uma larga faixa de dimensões e formas, dando origem aos aquíferos (região de acúmulo de água entre rochas profundas). A água também pode se acumular nos horizontes mais superficiais do subsolo, ou seja, nas formações dos solos, principalmente quando estes se formam em terrenos mais baixos do que aqueles do seu entorno. Denominando-se presença de “lençol freático”. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 163 14.1.1 Lençol freático O lençol freático é então definido como um reservatório de água natural no subterrâneo da terra, onde a chuva se infiltra no solo a uma profundidade relativamente pequena até atingir uma região praticamente impermeável. Os lençóis podem ser livres ou artesianos. O nível atingido pela água em um poço artesiano define o nível piezométrico do aquífero artesiano, enquanto em um poço situado num aquífero livre, a água se eleva somente até o nível freático. É importante saber como as águas subterrâneas se comportam: livres ou artesianos, pois isto interfere no método adotado para rebaixamento do lençol freático. A figura abaixo podemos ver a presença do aquífero livre, primeira camada subsuperficial, sendo o nível freático e a presença dos aquífero confinado que pode ter a presença de poço não artesiano, e o artesiano jorrante ao qual a água atinge o nível do solo. Figura 161 - Aquíferos livre e confinado. Fonte: https://sites.google.com/site/aquiferos2011/aquiferos/reabastecimento-e-descarga 14.1.1.1 Livres Estão mais próximos à superfície e suas águas estão submetidas à pressão atmosférica. Nestes aquíferos a zona saturada dos solos e rochas tem contato direto com a zona não saturada. São estes que ocorrem normalmente em obras civis. 14.1.1.2 Artesianos São limitados no topo e na base por camadas de rocha de baixa permeabilidade. A água encontra-se com pressão maior que a atmosférica, pois está aprisionada entre duas camadas impermeáveis. Não há zona saturada. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 164 Como a água está pressurizada, o nível da água pode se elevar acima do nível do terreno, às vezes até uma dezena ou mais de metros; são os chamados poços surgentes. 14.2 Rebaixamento do lençol freático É indicado em todos os casos que seja necessáriaa construção de qualquer obra civil que esteja parcialmente ou total abaixo do lençol freático, ou seja, que possa gerar interferência direta ou indireta na operação. Se faz necessário nos casos em que novas obas serão construídas ou obras já existentes serão reformadas. Para o estabelecimento de um projeto de rebaixamento deve-se ter conhecimento do tipo da obra empregada, escavações rasas ou profundas, o tipo de solo e sua permeabilidade, a altura do rebaixamento com a quantidade de água a ser bombeada e os efeitos do rebaixamento em estruturas adjacentes. Assim, será possível definir os seguintes parâmetros: 1. Vazão que se pretende extrair de cada sistema de drenagem (poço, ponteira ou drenos). 2. Tipo de rebaixamento (métodos adotados). 3. Quantidade de ponteiras, drenos ou poços a serem construídos. 4. Espaçamento entre os dispositivos de drenagem. 5. Profundidade dos dispositivos de drenagem. 6. Diâmetro dos dispositivos de drenagem. Dentre os métodos existentes serão citados abaixo alguns que permitem o rebaixamento temporário do lençol freático. 14.2.1 Bombeamento direto Este processo é conhecido também como esgotamento de vala abertas no fundo de escavação, onde é recalcado para fora da área de trabalho a água por meio de bombeamento sujo sistema é dimensionado conforme a necessidade da obra. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 165 Figura 162 - Bombeamento de fundo de vala. Fonte: Caputo (2015) Este método só deve ser adotado em obras de pouca importância devido aos fatores: • Se adotado em escavações com paredes suportadas por sistemas impermeabilizantes, geram elevados gradientes hidráulicos, sob risco de rompimento do fundo da escavação e taludes. • Carreamento de partículas finas do solo pela água, levando o solapamento e recalque de fundações vizinhas. Isto pode ser evitado através da instalação de filtros ou drenos sub- horizontais profundos. • Pode ocorre o fenômeno de areia movediça, a areia do fundo da escavação eleva-se e não pode mais receber cargas de uma fundação direta. Na figura abaixo pode-se observar um estudo de um caso, ao qual pelo SPT, teste de sondagem identificou-se a presença da água na cota 725 e a escavação a ser realizada até a cota 721. Para continuidade do serviço, faz-se necessário o esgotamento através do bombeamento desta água. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 166 Figura 163 - Estudo de um caso de esgotamento de vala. Fonte: https://images.app.goo.gl/CeJh19s3AbNuZ1Ct8 14.2.2 Sistema de poços filtrantes (wellpoints) Este sistema é aplicado a escavações rasas a pouco profundas, onde os tubos com ranhuras são espaçados conectadas a ponteiras filtrantes, com proteção de tela de nylon, para possibilitar a circulação da água. O princípio geral consiste em envolver a área que se pretende secar com linha coletora ligada à bomba aspirante. Devem ser vedadas todas as tomadas de água para evitar entrada de água, criando o vácuo. Na prática, é impossível obter o vácuo absoluto, por isso o rebaixamento máximo conseguido é aproximadamente 5 metros. Principais características do método: • São descidos por cravação ou lançamento os tubos, geralmente de 1 ½’’, terminados por ponteiras especiais que tem um cano de cobre perfurado, envolto com uma rede de telas. • Essas ponteiras devem descer com profundidade um pouco maior do que se necessita escavar. • Esses tubos são conectados a coletores que a bomba aspira a água do solo para evacuar essas águas. • Devido grande número de poços filtrantes distribuídos é rápido e uniforme o rebaixamento. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 167 Figura 164 - Rebaixamento do lençol com ponteiras filtrantes. Fonte: https://www.wyde.com.br/rebaixamento-lencol-freatico#group1-5 Em casos de rebaixamento mais profundo devem ser utilizados vários estágios. Como na figura abaixo: Figura 165 – Rebaixamento do lençol com ponteiras filtrantes multiestágios. Fonte: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/9948/9948_4.PDF Isto está na rede Acompanhe no vídeo abaixo um sistema de rebaixamento de lençol freático realizado por ponteiras a vácuo executado pela empresa Itubombas. Pode-se verificar pelo vídeo os condutores submetidos ao vácuo e encaminhamento da água retirada através de bomba. https://www.youtube.com/watch?v=pQhzHYo3eoU OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 168 14.2.3 Sistema a vácuo O sistema a vácuo é empregado em solos com coeficiente de permeabilidade de 10-7m/s, ou seja, que tem baixa permeabilidade como as argilas. Este método por meio de bombas adicionais a vácuo ligas à instalação, ao mesmo tempo que utilizam poços filtrantes com drenos de areias. Com a rarefação no interior da instalação, a água está sujeita à pressão atmosférica, fazendo com que a água percole na direção dos poços filtrante e daí para o coletor, onde é esgotada. As tensões efetivas, sem a água, aumentam e proporcionam melhor estabilidade do maciço. Figura 166 - Sistema de rebaixamento a vácuo. Fonte: https://slideplayer.com.br/slide/1847265/ 14.2.4 Poços profundos São utilizados em profundidades superiores a 5 metros. Este tipo de sistema pode ser realizado por meio de dois processos distintos. 14.2.4.1 Rebaixamento com injetores Com o objetivo de superar as limitações do sistema de ponteiras foi concebido o sistema de rebaixamento por injetores. Neste sistema, os poços atingem profundidades de até 30metros com diâmetros que varia de 20 a 30cm. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 169 A perfuração dos poços pode ser executada com sistema Strauss ou por perfuratriz e o espaçamento entre os poços varia de 4 a 8 metros. Este sistema consiste na circulação de água através de um bocal. O circuito é semifechado em que a água é impulsionada por uma bomba centrífuga através de uma tubulação horizontal de injeção. O injetor possui saídas para conexões verticais com tubos de injeção, que levam a água até o injetor no fundo do poço. Após a perfuração, coloca-se o tubo ranhurado de PVC ou aço envolto com nylon ou tubo filtrante. Figura 167 - Sistema de rebaixamento por injetores. Fonte: http://techne17.pini.com.br/engenharia-civil/139/artigo286546-2.aspx 14.2.4.2 Rebaixamento com bombas submersas Consiste em recalcar a água por meio de bombas, submersas colocadas no fundo de um tubo filtrante. Indicado para quando se deve executar um rebaixamento a uma grande profundidade. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 170 Existem bombas deste tipo que recalcam a água até mais de 100m e com descarga de 60m³/h. A escolha do tipo e outras características dependem da vazão necessária, profundidade e duração. O poço filtrante é revestido por um tubo de aço fechado na base e perfurado ao longo de certa altura. A parte perfurada é envolta com tela, de maneira impedir a passagem de partículas do solo. A altura da parte filtrante depende do nível do lençol freático. Na parte inferior é colocada uma bomba de recalque, que é uma bomba centrifuga no eixo vertical, acoplado com motor elétrico, também submerso ou situado na superfície do solo. A água é recalcada em tubo terminado por um coletor de evacuação. Figura 168 – Poço artesiano. Fonte: Caputo (2015) e http://www.flfiltros.com.br/portfolio-items/monitoramento-de-poco-artesiano/ 14.2.5 Drenagem por eletrosmose Após a passagem de uma corrente elétrica contínua entre dois eletrodos instalados em um solo saturado, a água contida nos vazios percolará no sentido do ânodo (polo positivo) para o cátodo (polo negativo), daí sendo coletada e esgotada por meio de bomba. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 171 Figura 169 - Processo de drenagem por elestrosmose. Fonte: Caputo (2015) Entretanto, este sistema utiliza muita energia, sendo maisindicado como processo de estabilização do solo de talude e fundo de poço. Na figura abaixo observe as ponteiras (cátodos) colocadas perifericamente à escavação, o uso do método inverterá os sentidos das linhas de fluxo e, consequentemente, as forças de percolação passarão a ser favoráveis à estabilidade do talude, ao contrário do que normalmente ocorre. Figura 170 - Eletrosmose em taludes. Fonte: Caputo (2015) OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 172 Isto acontece na prática Recalques provocados por rebaixamento do nível d’água O rebaixamento do nível d’água provoca, no solo, em consequência do aumento do seu peso específico aparente e um acréscimo de pressão entre as partículas constituintes do terreno. Do acréscimo da pressão resulta um aumento de carga e, em consequência, o aparecimento de recalques. Se o solo é constituído por uma camada de areia ou pedregulho, o recalque se produz simultaneamente com o rebaixamento do nível d’água e é, em geral, de pouca importância. O mesmo já não acontece quando se encontra camadas de argila moles ou areias fofas no terreno. A sobrecarga decorrente do rebaixamento provocará o adensamento desta camada, podendo assim dar lugar a recalques e aberturas de fissuras nas fundações das obras vizinhas. Por isso deve-se monitorar os níveis de água durante o rebaixamento do lençol para comparar com o previsto em projeto. Outro problema da sobrecarga decorrente do rebaixamento do NA é provocar o adensamento da camada compressível, poderá gerar “atrito negativo” nas estacas ou tubulões das fundações vizinhas. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 173 AULA 15 TERRAPLENAGEM A terraplenagem consiste na técnica construtiva que visa aplainar e aterrar um terreno para que seja executado uma obra civil no local. Como exemplos projetos estruturais, quadras poliesportivas, pavimentação de ruas e rodovias, aterro entre outros. Além disso, a terraplenagem engloba um conjunto de operações como: • Escavação. • Carga do material escavado. • Transporte. • Descarga e espalhamento do solo. Além disso, posteriormente a terraplenagem é realizado a compactação e acabamento do solo removido de um local que se encontra em excesso para outro que esteja em falta. É uma atividade da engenharia quase que corriqueiramente presente e define a situação do terreno natural para as cotas em projeto, pode-se dizer também que é um serviço de movimento de terras. O movimento de terra contempla basicamente o corte e aterro, onde no corte é retirado o material de terra e o aterro é realizado o acréscimo de material de solo existente. Desta forma, para se garantir uma economia na obra é importante garantir o equilíbrio entre o corte e aterro para reduzir a movimentação total de terras. A terraplenagem pode ser realizada de forma manual ou mecanizada. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 174 Figura 171 - Execução de serviços de terraplenagem. Fonte: https://pt.slideshare.net/alesmeraldo/unidade-iii-projeto-de-terraplenagem-alunos Anote isso Vale lembrar o que é realizado antes: a fundação ou terraplenagem? Esta resposta depende. Por exemplo, em obras de grande porte geralmente são realizadas fundações profundas, então recomenda-se executar as fundações antes de escavar o terreno, pois será removido grande volume de solo que pode interferir no serviço posterior de terraplenagem. Nos casos de escavações a céu aberto é mais vantajoso efetuar primeiro a escavação e depois a fundação. Desta forma, as informações técnicas necessárias como cota de fundo, nível do pavimento, nível de vizinhança são ajustados para a execução da fundação. 15.1 Etapas da terraplenagem 15.1.1 Serviços preliminares Os serviços preliminares englobam a instalação do canteiro de obras, a construção de desvios e caminhos de serviços, a consolidação dos terrenos de fundação de aterros, locação topográfica e a preparação do terreno. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 175 Antes de se iniciar o movimento de terra é necessário preparar o terreno, de acordo com a situação inicial de cada local. Realizando primeiramente o desmatamento de grandes vegetações, o destocamento de vegetações de pequeno porte, a limpeza do terreno com a retirada de vegetação rasteira e a remoção da camada vegetal. Além dessas operações pode ser necessário executar outros serviços como remanejamento de postes, cercas, estruturas de madeira, demolição de muros e estruturas de alvenaria. 15.1.2 Serviços de escavação e transporte Assim com base no projeto inicia-se a escavação de solo em locais onde há em excesso, sendo realizada a carga do solo, denominado de transporte. O transporte descarrega o material no local que há falta para que se realize o espalhamento e regularização do material. Após ser espalhado é necessário realizar a compactação para que garantir a estabilidade do solo. 15.1.3 Máquinas e equipamentos necessários São utilizados para realização dos serviços de escavação as escavadoras e retroescavadeiras são tanto para empurrar como transportar material ou carregar. As niveladoras para o espalhamento da camada de material. As unidades de transporte são os caminhões. E finalmente entram os compactadores e seus equipamentos auxiliares. 15.1.4 Execução de cortes e aterros Os cortes são executados após a locação topográfica com marcação dos pontos que serão escavados. Os aterros são também locados topograficamente através da marcação e para que assim recebam o material a compor o aterro. Após o espalhamento do material é realizado a regularização e a compactação das camadas. Lembrando que a escolha do equipamento de compactação é em função do tipo de material. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 176 Figura 172 - Tipo de compactadores em função do material. Fonte: http://files.labtopope.webnode.com/200000285-30596324bf/Terraplenagem%20A.pdf 15.1.5 Controle topográfico O controle topográfico envolve a verificação da locação dos eixos ou linhas-base estão corretamente posicionados os cortes e aterros com marcações. Assim como a inclinação de taludes, larguras, declividades para escoamento de água. Faz-se então a conferência de cotas, conferência de camadas, do levantamento planialtimétrico das áreas de bota-fora e empréstimo. Assim como o nivelamento para medição de volumes de aterros, cortes e empréstimos. 15.1.6 Controle geotécnico A partir do controle geotécnico são verificados os parâmetros de compactação e umidade do solo. Além disso, os projetos podem exigir o controle com os ensaios CBR (índice de suporte Califórnia) caracterizado pela relação entre pressão e um corpo de prova, LL (limite de liquidez) teor em água eu o solo adquire característica liquida, LP (limite de plasticidade) com o teor de umidade que o solo passa do estado plástico para o semi-sólido e granulometria. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 177 15.1.7 Controle ambiental Deve-se atentar aos estudos ambientais e projetos que levam em consideração a legislação especifica com resoluções, recomendações de órgãos ambientais e normas e instruções do DNIT (para obras de pavimentação). 15.2 Projetos de terraplenagem O principal objetivo do projeto de terraplenagem é de efetuar o menor movimento de massas possível, claro que isto se torna mais expressivo em grandes obras, como de traçado de estradas. Já que o movimento de terra gera um custo expressivo, na maioria dos projetos, em relação ao custo total da execução da estrada, por exemplo. Desta forma, tende-se a minimizar os empréstimos e ou/ bota fora. Em pequenas obras é importante também prever o uso da terra, já que se for realizado o corte do terreno tem que se destinar corretamente o material, aonde este será deixado, chamado de bota fora. E no caso de falta de material seránecessário realizar o empréstimo, ou seja, a busca de solo. E estes procedimentos envolvem custo. O estudo da geometria do terreno é realizado através de levantamentos topográficos, constituindo o projeto geométrico. O projeto geométrico de rodovias engloba a planta, vista de cima, o perfil longitudinal e as seções transversais. Figura 173 - Detalhe de uma seção transversal de projeto de terraplenagem. Fonte: https://www.feb.unesp.br/Home/Departamentos343/EngenhariaCivil/gustavogarciamanzato/ a9_p2_terraplenagem.pdf OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 178 15.2.1 Áreas As áreas envolvem as dimensões de materiais que nas construções são cortados e aterrados. No corte é feita retirada de material e no aterro necessita-se o incremento. Figura 174 - Exemplo de corte e aterro em plataformas de estradas. Fonte: https://pt.slideshare.net/alesmeraldo/unidade-iii-projeto-de-terraplenagem-alunos Após a conclusão do projeto em planta e perfil que deve ter sido elaborado de modo a ter- se o mínimo possível de movimento de terra, será verificado o estudo da distribuição mais conveniente dos volumes escavados. Quando não se atinge o volume necessário compensado entre o corte e aterro denomina-se empréstimos e bota-foras. 15.2.1.1 Empréstimos Os empréstimos são escavações efetuadas em locais previamente devidos para a obtenção de materiais destinados a complementação de volumes necessários para aterros, quando não for suficiente o volume de cortes. Isto devido a insuficiência do volume de corte ou por razoes técnicas e econômicas. 15.2.2.2 Bota-foras Os bota-foras são os volumes em excesso de materiais ou por condições geotécnicas insatisfatórias são escavados nos cortes e destinados para depósitos em áreas externas da construção, ou seja, não são utilizados esses volumes na terraplenagem. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 179 15.2.2 Volumes Na movimentação de terra é ideal que se realize a compensação de volumes gerando assim mesmo custo cm transporte. A figura abaixo indica a movimentação do volume de corte sendo utilizado para o aterro. Figura 175 - Volume de corte e aterro. Fonte: https://pt.slideshare.net/alesmeraldo/unidade-iii-projeto-de-terraplenagem-alunos Os volumes de terra medidos pela topografia são diferentes dos que precisam ser carregados no caso de aterros ou cortes no terreno, e isto influência também no transporte e quantidade de caminhões e caçambas que estarão realizando o serviço de terraplenagem. 15.2.3 Coeficiente de empolamento O empolamento é caracterizado como a mudança de estado do solo. Em um terreno natural, a terra se encontra num certo estado de compactação, devido ao seu processo de formação, mas tende a aumentar o volume após a escavação. Chamando-se assim coeficiente de empolamento que é dado pela seguinte expressão: Em que: E= coeficiente de empolamento DL= densidade máxima do material em laboratório DI = densidade em campo. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 180 Ou representando em termos percentuais, o incremento de volume resultante após a escavação de um material de corte é dado por: E= fator de empolamento (%) Vcorte= Volume de corte Vsolto= Volume solto após escavar Então pode-se dizer segundo a figura abaixo que o volume de aterro (após compactar) é menor que o volume de corte que é menor que o volume solto. Figura 176 - Representação do movimento de massa. Fonte: https://pt.slideshare.net/alesmeraldo/unidade-iii-projeto-de-terraplenagem-alunos Em se tratando da mesma massa podemos concluir em relação à densidade ou massas específicas aparentes (γ) é dado por: γ aterro < γ corte < γ solto e o fator de empolamento igual a: Em que: E= fator de empolamento (%) γ corte = Volume de corte γ solto = Volume solto após escavar Além disso, tem-se o fator de conversão (Φ) que é exatamente o inverso do empolamento. Representa a relação entre o volume de corte e o volume solto ou peso especifico de corte e solto. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 181 Em que: Φ= fator de conversão Vcorte= γcorte=Volume ou peso específico de corte Vsolto=γsolto = Volume ou peso específico solto após escavar Figura 177 - Empolamento e fator de conversão. Fonte: Mattos (2006) Segundo Mattos (2006), o empolamento e fator de conversão é dado para alguns tipos de material segundo a tabela abaixo: Material Empolamento (E) Fator de Conversão(Φ) Rocha detonada 50% 0,67 Solo argiloso 40% 0,71 Terra comum 25% 0,80 Solo arenoso seco 12% 0,89 15.2.4 Fator de retração ou contração O fator de retração ou contração do solo é dado pela redução volumétrica, causada pela aproximação dos grãos, o que ocorre durante a compactação. Dada pela fórmula: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 182 Em que: C (%) = contração Vaterro= volume compactado no aterro Vcorte= volume medido no corte 15.2.5 Empolamento x retração Por exemplo, ao escavar o solo a terra fica solta e passa a ocupar mais espaço. Esse efeito é conhecido como empolamento e é expresso em porcentagem. Se ao escavar 1 m3 de solo ele aumenta para 1,3 m3, o empolamento é de 25%. O oposto do empolamento é a contração. Ou seja, o quanto a terra ocupa a menos de volume quando compactada. Nesse caso, o volume final é inferior ao que a terra ocupava no corte. Assim, para executar um aterro com 1 m3, será preciso mais que 1 m3 de terra. É importante conhecer esse fenômeno para planejar os equipamentos, principalmente de transporte, e também a produtividade. Caso o volume de corte do solo seja de 100 m3, o total a ser transportado será de 125 m3, graças ao empolamento. 15.2.6 Capacidade de carga É a carga útil que o veículo ou a combinação de veículos pode transportar. A capacidade de carga depende da configuração do veículo. Deve ser informada no caso de caminhões unitários e no caso de carretas. Em caminhões caçamba, tipo basculante, esta capacidade vai de 5m³ a 32m³. 15.2.7 Distância econômica de transporte A distância econômica de transporte representa a distância a partir da qual é mais econômico fazer empréstimos e bota-fora, do que transportar o solo dos cortes para aterros. Isto porque em grandes obras como rodovias, pode-se desprender muito tempo para realizar esta movimentação da terra. A distância econômica de projeto é dada pela seguinte fórmula: Em que: OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 183 det = distância econômica de transporte (km) dBF = distância média de bota-fora (km) dEMP = distância média de empréstimo (km) Ce= custo de escavação (R$/m³) Ct= custo de transporte (R$/(m³.km)) 15.3 Exercícios exemplos 15.3.1 Exemplo de empolamento Vamos imaginar uma obra que necessite escavar 50 m3 de terra, medido pelo serviço de topografia. O objetivo é descobrir o Vs (volume de terra solta) para definir o transporte, de uma terra comum com empolamento de 30%. Sabendo que o caminhão que irá transportar este material tem capacidade de 6m³, quantas viagens serão necessárias? Parte-se o cálculo da seguinte fórmula: Em que: Vs = volume de terra solta Vc = volume medido no corte = 50m³ E = empolamento = 30% (dado no enunciado) A conta fica então: Vsolto= 65m³ 1 viagem= 6m³ Então: 65/6= 10,83 RESPOSTA: depois da escavação, o volume de terra, que era de 50 m3 no corte, aumentará para 65 m³. Serão necessárias 11 viagens deste caminhão. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 184 15.3.1 Exemplo de retração A contração ocorre quando o volume final é inferior ao que havia no corte. Se 1 m3 de solo (medido no corte) contrai para 0,9 m3 no aterro após compactação, a redução volumétrica é de 10%. Para saber quanto de terra será necessário cortar para fazer um aterro com 50 m3 - e considerando redução volumétrica de 10%. Após determinar o volume de solo necessáriopara corte, ache o volume solto considerando o empolamento de 30% Vamos utilizar a seguinte fórmula: Onde: Vcorte = volume de terra medido em corte → enunciado pede Va = volume compactado no aterro → 50m³ c = contração → se a redução volumétrica é de 10% a contração é de 90%. Vcorte necessário será de 55,55m³ Se também quiser saber o volume de terra solta a ser transportada - usando a mesma taxa de empolamento de 30% basta utilizar, novamente, a fórmula: Vsolto = 72,21m³ Conclui-se, portanto, que para fazer um aterro com volume final de 50 m³ é necessário escavar 55,55 m3 e transportar 72,21 m3 de terra. 15.3.3 Exemplo de distância econômica de transporte Qual a distância econômica de transporte de um serviço de terraplenagem se o custo de escavação for de R$ 2,6/m³, o custo de transporte R$ 1,3/m³.km e as distâncias médias de bota-fora e de empréstimo 0,2km e 0,3km, respectivamente? OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 185 Aplicando a fórmula: Em que: det = distância econômica de transporte (km) → ? dBF = distância média de bota-fora (km) → 0,2 dEMP = distância média de empréstimo (km) → 0,3 Ce= custo de escavação (R$/m³) → 2,6 Ct= custo de transporte (R$/(m³.km)) →1,3 det= 2,5 km Distância econômica de transporte é 2,5 km. Isto quer dizer que se tiver uma distância maior que 2,5 km para buscar terra não se torna economicamente viável. Isto está na rede Veja no vídeo abaixo da web a execução de terraplenagem completo, com os processos de escavação, corte, aterro, espalhamento até a compactação. https://www.youtube.com/watch?v=FUgd9jbyVYc OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 186 Isto acontece na prática Estudo de caso apresentado por Mattos (2006) no livro “Como preparar orçamentos de obras: dicas para orçamentistas, estudos de caso, exemplo”. Em uma obra de edificação predial havia um grande volume de escavação de terra para a construção dos pavimentos de garagem no subsolo de um edifício. O engenheiro responsável precisava ter noção da produtividade da escavação por dia, a fim de verificar se o cronograma proposto iria ser obedecido. E o setor de orçamentos da construtora estava cobrando da obra a produtividade real da escavação, para uso no estudo de outras obras. O material escavado era terra comum seca, ou seja, com empolamento de 25%. Como ficava impraticável obter topograficamente o volume escavado, o engenheiro optou por colocar um apontador controlando a quantidade de viagens de caminhão efetuadas no dia. Os cálculos obtidos pelo engenheiro foram: • Quantidade de viagens até a data= 160 unidades • Volume do caminhão = 8m³, entretanto de volume solto transportado era de 160x8 = 1280m³ • Fator de conversão, considerando 25% empolamento = 0,80, e o volume de corte = 1280x0,80 = 1024m³ • Sabendo que as escavadeiras trabalhavam 16 horas por sai, qual é a produtividade horaria então da escavadeira? É de 1024m³/16h = 64m³/h, escavou-se 64m³ por hora. A importância de conhecer o fator de empolamento que altera o volume de transporte e consequentemente no custo final da obra. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 187 AULA 16 TIPOS DE MURO DE ARRIMO Os muros de arrimo são estruturas corridas de contenção em parede vertical ou quase vertical que são apoiadas em uma fundação do tipo rasa ou profunda. Esta é uma forma adotada na engenharia para contenções de solo, garantindo uma maior estabilidade nas cargas atuantes e chegando mais próximo ao valor do empuxo para que o solo-estrutura permaneçam em repouso. Para prevenir assim que o solo sofra inclinação. Sua aplicação é muito encontrada principalmente em áreas urbanas, estradas, pontes e de estabilidade de encosta e taludes. São adequados para locais em que há falta de espaço disponível, comparado às técnicas naturais de estabilização de taludes, como a diminuição da inclinação do talude com suavização em, por exemplo, bermas. Lembrando que assim como na estabilização de taludes se faz necessário o controle da água prevendo técnicas eficientes de drenagem, a fim de evitar que o peso da água exerça a poro pressão no solo e aumente o empuxo atuante. O muro de arrimo pode ser constituído de vários tipos: • Gravidade: construídos em alvenaria (tijolos ou pedras) ou concreto (simples ou armado), gabiões, pneus etc. • De flexão: com ou sem contraforte e com ou sem tirantes. • Confira na figura abaixo a nomenclatura adotada neste tipo de construção de muros de arrimo. Figura 178 - Nomenclatura de muro de arrimo. Fonte: https://www.slideshare.net/GuilhermeBerlato/aula-2-1murosdearrimo OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 188 16.1 Muro de Gravidade Os muros de arrimo de gravidade têm a característica de apresentarem grande espessura, além de promover equilíbrio das pressões laterais que provocam o empuxo, como o peso próprio. Geralmente adotado em solo que apresenta elevada capacidade de suporte. São também chamados muro de peso, pois os muros por gravidade resistem ao empuxo do terreno por efeito do seu peso próprio. Desta forma, surge uma força atrito na sua interface com o solo que evita o deslizamento e impede o seu desmoronamento. Devem ser pesados e de grande dimensão. Os muros de gravidade são estruturas corridas utilizadas em geral para conter os baixos desníveis, em torno de 5 metros. Essa estrutura se opõe aos empuxos horizontais pelo peso próprio. Podem ser construídos em pedra ou concreto ciclópico (simples ou armado), gabiões, pneus usados e demais tipos variados de materiais. 16.1.1 Muro de arrimo de pedra Este tipo de muro de arrimo são os mais antigos e numerosos, contudo atualmente apresentam elevado custo e foram substituídos por demais métodos. Figura 179 - Muro de pedra. Fonte: https://images.app.goo.gl/SxfGZtkGFFw1hfdY9 A resistência do muro se dá pelo embricamento e ajuste dos blocos de pedra. Este é um método simples e que não necessita sistema drenagem, já que o próprio material do muro é drenante. Se usado somente a pedra, sem argamassa recomenda-se alturas de até 2 metros, com base de largura mínima de 0,5 a 1,0 m e deve ser apoiado à uma cota inferior da superfície do terreno. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 189 Figura 180 - Perfil de um muro de pedra. Fonte: https://www.slideshare.net/GuilhermeBerlato/aula-2-1murosdearrimo Talude com maiores alturas (acima de 3 metros) é recomendado empregar a argamassa de cimento e areia para preencher os vazios dos blocos de pedra. A argamassa provoca maior rigidez, porém elimina a capacidade drenante. Sendo necessário adotais dispositivos de drenagem. Sistema de drenagem recomendado: drenos de areia ou geossintético, tubos barbacãs. Figura 181 - Muro de pedra preenchido com argamassa. Fonte: https://images.app.goo.gl/MokZ5umJjFbicLbR6 16.1.2 Muro de concreto ciclópico ou concreto gravidade O muro é construído com o preenchimento de uma forma com concreto e blocos de rocha com dimensões variadas e tipicamente são a pedra de mão. São em geral economicamente viáveis para estruturas abaixo de 4 metros. É estritamente necessário a adoção de sistemas de drenagem. A seção transversal é usualmente trapezoidal com largura e base equivalente a 50% da altura do muro. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 190 Figura 182 - Muro de concreto ciclópico. Fonte: https://www.slideshare.net/GuilhermeBerlato/aula-2-1murosdearrimo Sistema de drenagem recomendado: drenagem na face posterior do tardoz com aplicação de manta geotêxtil, furos de drenagem. 16.1.3 Muro de gabião Os muros de gabiões são constituídos por gaiolas metálicas preenchidas com pedras britadas arrumadas manualmente, o que garantem que a estrutura seja drenante. Além disso, as gaiolas são construídas com fios de aço galvanizado com dupla torção. As gaiolas têm dimensõesusuais de 2 metros de comprimento, seção transversal quadrada com 1 metro de aresta. Para muros extensos são utilizados gabiões com comprimento de até 4 metros. Figura 183 - Tela e preparo das gaiolas de gabião. Fonte: https://www.slideshare.net/GuilhermeBerlato/aula-2-1murosdearrimo Muitas vezes o arame é revestido com PVC que é eficiente contra a ação de intempéries, da água e solos agressivos. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 191 Sua concepção estrutural dispensa esgotamentos e tem sido utilizada como estruturas definitivas em contenções com até 6 metros de altura. Figura 184 - Muro de gabião. Fonte: https://images.app.goo.gl/MfepGSDXXE6MDe4GA São utilizados para proteção de margens de cursos de água, controle de erosão e obras de emergência. Apresentam como vantagens alta permeabilidade e grande flexibilidade. 16.1.3 Muro de Crib wall São estruturas formadas por elementos pré-moldados de concreto armado ou de madeira ou aço que são montados no local. Esse método surgiu para melhorar o uso de concreto e aço, barateando o processo. Figura 185 - Muro de crib wall de madeira. Fonte: https://images.app.goo.gl/rQ5Cr1nkbVkp1cEVA OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 192 Figura 186 - Muro de crib wall de concreto. Fonte: https://images.app.goo.gl/rvEuzdEuFCjvKc3dA O espaço interno das peças é preenchido com material granular graúdo. E as peças de concreto que se encaixam, formam uma gaiola. Figura 187 - Estrutura de Crib wall preenchida com material. Fonte: https://images.app.goo.gl/vBz5CkqYakUWRkiu8 16.1.4 Muros de Saco-cimento Os muros são constituídos por camadas formadas por sacos de poliéster ou similares que são preenchidos com uma mistura de cimento-solo (1:10 a 1:15). Este material é alternativo e de baixo custo. A massa compactada úmida endurece com o tempo e em poucos dias ganha consistência e durabilidade suficiente para diversas aplicações na construção civil. No local da construção os sacos são arrumados em camadas posicionados horizontalmente e cada camada do material é compactada para reduzir os vazios. As camadas são posicionadas em desencontro para melhor intertravamento. O processo consiste no empilhamento do solo ensacado em alturas que chegam a 6 metros. A base respeita uma altura que varia entre 0,4 a 0,7 da altura. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 193 Figura 188 - Muro de solo-cimento revestido com concreto magro. Fonte: https://images.app.goo.gl/PnqY8M3RFy2Q8aJY8 As faces do muro podem ser compostas por argamassa de concreto magro para prevenir ações erosivas do vento e águas superficiais. Por isso é indispensável o uso de drenos e barbacãs para o recolhimento da água. Figura 189 - Perfil de talude com muro de solo-cimento. Fonte: https://www.slideshare.net/GuilhermeBerlato/aula-2-1murosdearrimo 16.1.5 Muros de pneu A utilização de muros de pneus viabiliza uma relação de custo e meio ambiente, dando uma alternativa técnica muito importante. Além de geotecnicamente apresentar elevada resistência mecânica. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 194 Figura 190 - Muro de pneus. Fonte: https://images.app.goo.gl/b8HbJSXb3qFZK7ox8 As camadas horizontais de pneus são amarradas entre si com corda ou arame e preenchidos com material como solo, rocha basáltica e resíduo de construção. As camadas devem ser posicionadas em camadas horizontais descasado, de forma a minimizar os espaços vazios. Os muros são limitados a alturas inferiores a 5 metros e necessitam disponibilidade de espaço para a construção de uma base larga. Uma observação que o muro solo-pneus está sujeito a deformações laterais e verticais não sendo recomendável o uso dele para suporte de fundações. A face externa deve ser revestida para evitar o carreamento de solo de enchimento do pneu, sendo adotados alvenaria em blocos de concreto, concreto projetado sobre tela metálica e placas pré-moldadas ou vegetação. Figura 191 - Muro de pneus revestidos. Fonte: http://www.agenciaaddress.com/?p=11369 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 195 16.2 Muro de Flexão Segundo Gerscovich (2010), os muros de arrimo de flexão utilizam parte do peso próprio do maciço que se apoia sobre a base para manter-se em equilíbrio. Os muros de arrimo de flexão são estruturas mais esbeltas com seção transversal em forma de “L” que resistem aos empuxos por flexão utilizando parte do peso próprio do maciço que se apoia sobre a base do “L” para manter-se em equilíbrio. Podem ser em paredes simples, com contraforte entre outros métodos. Figura 192 - Muro de flexão típico. Fonte: http://sinop.unemat.br/site_antigo/prof/foto_p_downloads/fot_14361aula_12_-_pdf_Aula_12_-.pdf Em geral são construídos em concreto armado ou protendido tornando- se pouco econômicos para alturas acima de 5 a 7m, já que podem contabilizar esforços resistentes de flexão garantindo a estabilidade no peso da estrutura. Figura 193 - Muro de arrimo de flexão. Fonte: https://www.slideshare.net/GuilhermeBerlato/aula-2-1murosdearrimo OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 196 A laje de base em geral apresenta largura entre 50 e 70% da altura do muro. Necessitam ser implantados em terrenos com boas características de fundação ou sobre fundações profundas. Agem como muros convencionais, apresentando mesma proporção entre base e altura. Geralmente aplicados em aterro ou reaterros. Figura 194 - Muro de flexão sem contraforte. Fonte: https://images.app.goo.gl/zjKQuRjCm2reZ5Sy7 16.2.1 Muros de arrimo com contrafortes Os muros de arrimo com contrafortes possuem o esquema estrutural diferente dos muros simples. Sendo utilizados para alturas superiores à 5 metros é conveniente adotar contraforte ou nervuras para aumentar a estabilidade contra o tombamento. Sua parede vertical é apoiada por dois contrafortes adjacentes e pelas vigas deitadas, superior e inferior. Os contrafortes devem ser armados para resistir à tração. Figura 195 - Seção típica de contraforte. Fonte: https://images.app.goo.gl/5Lzb8N4QEa1CaC8b6 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 197 Assim, como as vigas, os contrafortes servem de apoio para a laje, e recebem a carga distribuída das paredes verticais e as cargas concentradas das vigas deitadas. No caso de laje externa ao retroaterro, o contraforte trabalhará na compressão. Sendo menos usual devido à perda de espaço útil. Figura 196 - Muro de arrimo com contraforte. Fonte: https://www.slideshare.net/jbrasileirojr/apresentao-mec-solos-2/4 16.2.3 Muros de arrimo atirantados O muro de flexão também pode ser ancorado na base com tirantes ou chumbadores para melhorar a condição de estabilidade. São construídos em terrenos com altura de talude de 4m a 6m. Esta solução é aplicada em projetos que a fundação ocorre a presença de materiais como rocha sã ou alterada e quando há limitação de espaço disponível para que a base do muro apresente as dimensões necessárias de estabilidade. Figura 197 - Muro de arrimo atirantado. Fonte: https://images.app.goo.gl/LPVvMiz4nq1yv9787 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 198 O topo do muro é preso por meio de tirantes fixados a uma placa de ancoragem, esta placa está rigidamente fixada em uma rocha ou solo resistente, a fim de evitar seu deslocamento. Atualmente o muro atirantado vem sendo substituído pelas cortinas atirantadas que apresenta maior facilidade e rapidez na construção. Figura 198 - Cortina atirantada. Fonte: https://images.app.goo.gl/a1Hrirg27Qm5WEkP7 16.3 Métodos construtivos A escolha do melhor método construtivo deve levar em conta diversos fatores que garantam a estabilidade, segurança e menor custo. Pode-se citar entre eles: • Os métodos de sistema de drenagem devem ser adequados ao tipo de solo. •O espaço físico a ser utilizado deve ser analisado, assim como as condições de acesso do material e equipamentos. • Muitos métodos são viáveis tecnicamente, mas pouco competitivos em relação ao material. • Deve-se verificar se o método construtivo é estável devendo ser investigado as condições de: tombamento, deslizamento da base, capacidade de carga da fundação e ruptura global. • Analisar preços e prazos faz-se extremamente necessário para conciliar a necessidade construtiva. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 199 CONCLUSÃO Ao final deste curso foi possível atingir uma parte das principais obras de terra que envolvem o mundo da engenharia. Desta forma, os futuros engenheiros adquiriram conhecimentos de situações e problemas que enfrentarão na futura vida profissional. Com estes exemplos e metodologias apresentadas o conhecimento é aberto e com possibilidades diárias de expansão, já que estamos vivendo em uma sociedade que está sempre buscando a evolução, aprimoramento, economia e qualidade. Espera-se que ao finalizar este curso vocês alunos tenham a capacidade e autonomia de se encontrar com estas e tantas outras situações do mundo da engenharia civil que sempre começa no solo. Entender o solo conhecer suas propriedades, resistência e metodologias é muito importante e garantia de estabilidade, para que assim sejam evitadas consequências que muitas vezes apresentam danos irreparáveis, ou seja, englobam vidas humanas. Por isso o conhecimento das NBR’s e das NR’s é tão importante na vida profissional de um engenheiro, mantendo-o responsável pela execução do serviço. Não se esqueça o engenheiro deve dar o exemplo deve cobrar segurança e deve se responsabilizar pela execução da construção. Portanto, as obras de terra não envolvem somente o solo, indo muito além. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 200 ELEMENTOS COMPLEMENTARES LIVROS Autor: CAPUTO, H. P.; CAPUTO, A.N. Título: Mecânica dos solos e suas aplicações, volumes 1, 2 e 37.ed. - Rio de Janeiro: Editora: LTC, 2015. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 201 Autor: FIORI, A. P. Título: Fundamentos de Mecânica dos Solos e das Rochas: aplicações na estabilidade de taludes. São Paulo: Editora: Oficina de textos, 2015. Autor: GERSCOVICH, D. M. S. Título: Estabilidade de taludes 2. ed. São Paulo: Editora: Oficina de Textos, 2016 OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 202 Autor: Faical Massad. Título: Obras de Terra. Subtítulo, Curso Básico de Geotecnia 2. ed. Editora: Oficina De Textos. Ano, 2010. OBRAS DE TERRA ME. BETINA LUDWIG NAVARRO FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 203 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9061:1985 - Segurança de escavação a céu aberto – Procedimento. Rio de Janeiro: ABNT,1985. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 11682:2009 – Estabilidade de encostas. Rio de Janeiro: ABNT, 1991. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12266: 1992 - Projeto e execução de valas para assentamento de tubulação de água esgoto ou drenagem urbana – Procedimento. Rio de Janeiro: ABNT,1992. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR-6484:2001- Solo – “Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos”. Rio de Janeiro: ABNT, 2001. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7182:2016 - Solo - ensaio de compactação. Rio de Janeiro: ABNT,2016 CAPUTO, H. 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