tese

Estudo da interao solo-geogrelha em testes dearrancamento e a sua aplicao na anlise e

dimensionamento de macios reforados

Sidnei Helder Cardoso Teixeira

Tese apresentada Escola de Engenhariade So Carlos, da Universidade de SoPaulo, como parte dos requisitos paraobteno do ttulo de Doutor emGeotecnia.

ORIENTADOR: Prof. Dr. Benedito de Souza Bueno

So Carlos2003

ii

Esta tese dedicada minha me,minha primeira orientadora.

iii

AGRADECIMENTOS

Ao Professor Benedito Bueno, pela amizade e excelente orientao.

Ao Departamento de Geotecnia da EESC, por oferecer a estrutura fsica e

humana necessria realizao deste trabalho.

Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de So Paulo FAPESP, pela

bolsa de estudos e outros auxlios financeiros concedidos.

Ao professor Jorge Zornberg por me receber e orientar durante o estgio na

Universidade do Colorado.

s empresas HUESKER Ltda., OBER Geossintticos e a MACCAFERRI do

Brasil, por fornecer as geogrelhas usadas nos testes.

A todos os colegas, professores e funcionrios do Departamento de Geotecnia,

pela amizade e colaborao.

Aos amigos Osvaldo, Eduardo DellAvanzi e Amaro Lins pela amizade e apoio

durante o estgio em Boulder.

A Celimar, pelos sacrifcios pessoais feitos em nome deste trabalho.

iv

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS

pg.

vii

LISTA DE QUADROS xi

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SMBOLOS xii

RESUMO xvii

ABSTRACT xviii1- INTRODUO 1

1.1- Introduo 1

1.2- Objetivos 2

1.3- Organizao do trabalho 2

2- REVISO DE LITERATURA 6

2.1- Introduo aos geossintticos 6

2.2- Geogrelhas 8

2.3- Ensaios para avaliar a interao sologeogrelha 11

2.3.1- ASPR 13

2.3.2- Cisalhamento direto com reforo inclinado 14

2.3.3- Ensaio de trao confinada com solo 15

2.3.4- O ensaio de arrancamento 15

2.3.5- Ensaios de arrancamento de grande porte e no campo 19

2.4- Interao sologeogrelha 20

2.4.1- Mecanismo de transferncia de carga geogrelhasolo 21

2.4.2- Resistncias por atrito e adeso 23

2.4.3- Resistncia passiva dos elementos transversais 24

2.4.4- Efeito das propriedades da incluso 28

2.4.5- Efeito do tipo de solo 29

2.4.6- Efeitos do confinamento e da dilatncia 33

2.5- Modelos do comportamento solo geogrelha 37

2.5.1- Mtodo de Jewell et al. (1984) 38 2.5.2- O modelo hiperblico 40

2.5.3- Modelo de Bergado & Chai (1994) 43

2.6- Taludes e muros de conteno reforados 47

3- MATERIAIS E MTODOS 52

v

3.1- Equipamento de grande porte da EESC 52

3.2- Procedimento de ensaio utilizado com o equipamento da EESC 55

3.3- Equipamento de grande porte da Universidade do Colorado 57

3.4- Procedimento de ensaio utilizado com o equipamento da Universidade

do Colorado 58

3.5- Equipamento de pequeno porte 61

3.6- Procedimento de ensaio utilizado com o equipamento de pequeno porte 63

3.7- Equipamento de ensaios em elemento 64

3.8- Procedimento de ensaio utilizado com o equipamento de ensaios emelementos 67

3.9- Solos 68

3.10- Geogrelhas 70

4- ESTUDO 1: AVALIAO EXPERIMENTAL DE FATORES QUE IN-FLUENCIAM NA RESISTNCIA AO ARRANCAMENO DEGEOGRELHAS

75

4.1- Introduo 75

4.2- Programa de testes 75

4.3- Resultados 77

4.4- Anlise dos resultados 78

4.5- Concluses 88

4.6- Anexo do captulo 4 89

5- ESTUDO 2: EFEITO DA PORO-PRESSO NO ARRANCAMENTO DEGEOGRELHAS SOB DISTINTAS CONDIES DE DRENAGEM 107

5.1- Introduo 107


5.3- Resultados 108


5.5- Concluses 120

6- ESTUDO 3: AVALIAO DAS CONTRIBUIES DOS ELEMENTOSLONGITUDINAIS E TRANSVERSAIS NA RESISTNCIA AO ARRANCA-MENTO DE GEOGRELHAS

121

6.1- Introduo 121


6.3- Compactao do solo 122

6.4- Resultados dos testes 124

6.5- Modelo numrico para ensios em elementos 126

vi

6.6- Simulaes 129


6.8- Concluses 136

7- ESTUDO 4: USO DE ENSAIOS DE ARRANCAMENTO DE PEQUENOPORTE PARA TESTAR GEOGRELHAS EM SOLOS FINOS 137

7.1- Introduo 137


7.3- Resultados 138

7.4- Modelo para testes de pequeno porte 142

7.5- Simulaes 144

7.6- Anlises paramtricas 148


7.8- Concluses 153

8- ESTUDO 5: OBTENO DE PARMETROS DE RESISTNCIA AOARRANCAMENTO 154

8.1- Introduo 154


8.3- Resultados 155


8.5- Concluses 165


9- MTODO PARA DETERMINAO DE ESFOROS DE TRAO NASINCLUSES DE MUROS EM SOLO REFORADO 185

9.1- Introduo 185

9.2- Hipteses do modelo 185

9.3- Descrio do mtodo 187

9.4- Simulaes 193

9.4.1- Programa de simulaes 193

9.4.2- Anlise das simulaes 194

9.5- Concluses 204


10- Concluses 209

Referncias bibliogrficas 211

vii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1- Elementos componentes de uma geogrelha

pg.

8

FIGURA 2.2- Monmeros dos principais polmeros dos geossintticos 10

FIGURA 2.3- Esquema ilustrativo dos ensaios de cisalhamento direto e dearrancamento

12

FIGURA 2.4- Movimentos relativos entre o solo e as incluses, em alguns caso insitu e o teste de laboratrio correspondente

13

FIGURA 2.5- Diagrama esquemtico do equipamento APSR 14

FIGURA 2.6- Esquema ilustrativo do ensaio de cisalhamento direto com reforoinclinado

14

FIGURA 2.7- Esquema do ensaio de trao confinada com solo 15

FIGURA 2.8- Representao de um ensaio de arrancamento no campo 20

FIGURA 2.9- Relao entre a fora de arrancamento e o deslocamento de vriasjunes entre elementos transversais e longitudinais

22

FIGURA 2.10- Efeito dos elementos transversais na curva fora vs. deslocamento 26

FIGURA 2.11- Mecanismo de ruptura por puncionamento 27

FIGURA 2.12- Resistncia ao arrancamento em funo da tenso confinante 30

FIGURA 2.13- Modelo do dente de serra para a dilatncia 33

FIGURA 2.14- Mecanismo de interao conceitual para elementos da geogrelhas 35

FIGURA 2.15- Variaes na tenso normal em funo dos deslocamentos duranteo ensaio de arrancamento

36

FIGURA 2.16- Correlao terica entre (b / v) e o 39

FIGURA 2.17- Ajuste do modelo hiperblico a resultados de ensaios dearrancamento

42

FIGURA 2.18- Seo transversal da geogrelha 46

FIGURA 2.19- Modos de ruptura de uma estrutura em solo reforado 48

FIGURA 2.20- Zonas ativa e passiva de um muro reforado com geossinttico 50

FIGURA 2.21- Componentes da fora de arrancamento 51

FIGURA 3.1- Equipamento de grande porte da EESC 53

FIGURA 3.2- Equipamento de ensaios de arrancamento da Universidade doColorado 57

FIGURA 3.3- Sistema para medio dos deslocamentos 60

viii

FIGURA 3.4- Caixa de testes de pequeno porte 62

FIGURA 3.5- Caixa de ensaios de arrancamento em elementos longitudinais 65

FIGURA 3.6- Caixa de ensaios de arrancamento em elementos transversais 66

FIGURA 3.7- Curvas granulomtricas dos solos utilizados 69

FIGURA 3.8- Curvas fora vs. deformao das geogrelhas Fortrac 72

FIGURA 4.1- Efeito do comprimento na resistncia ao arrancamento e nodeslocamento frontal a 95% da fora mxima 79

FIGURA 4.2- Efeito da sobrecarga aplicada na resistncia 95%, para distintosgraus de compactao do solo

80

FIGURA 4.3- Efeito da sobrecarga aplicada no deslocamento frontal, 95%, paradistintos grau de compactao do solo

81

FIGURA 4.4- Efeito do grau de compactao na resistncia 95% e nodeslocamento frontal, 95%

82

FIGURA 4.5- Curvas fora vs. deslocamento frontal das geogrelhas com e semelementos frontais

83

FIGURA 4.6- Efeito do espaamento entre elementos transversais na resistnciaao arrancamento 95%

84

FIGURA 4.7- Comparao entre os diferentes tipos de incluso 86

FIGURA 5.1- Curva fora vs. deslocamento para o ensaio n. 1 Paragrid 110/15 110

FIGURA 5.2- Curva fora vs. deslocamento para o ensaio n. 2 Paragrid 110/15 110

FIGURA 5.3- Curva fora x deslocamento para o ensaio n. 3 Paragrid 110/15 111

FIGURA 5.4- Curva fora x deslocamento para o ensaio n. 5 Paradrain 110/15 111



FIGURA 5.7- Curva fora x deslocamento para o ensaio n. 4 Paragrid 110/15 113

FIGURA 5.8- Presso neutra gerada durante o ensaio n. 4 Paragrid 110/15 114


FIGURA 5.10- Presso neutra gerada durante o ensaio n. 8 Paradrain 110/15 115

FIGURA 5.11- Presses neutras geradas durante a aplicao da sobrecarga 116

FIGURA 5.12- Medidas de suo matricial ao longo do tempo 117

FIGURA 5.13- Envoltrias de resistncia em termos de tenses totais 118

FIGURA 5.14- Envoltria de resistncia em termos de tenses efetivas 119

FIGURA 6.1- Perfil de grau de compactao de uma camada com 75 mm dealtura 123

FIGURA 6.2- Resultados do testes EL1 e EL2 125

FIGURA 6.3- Resultados dos testes ET1, ET2 e ET3 126

ix

FIGURA 6.4- Definio da geogrelha no modelo 127

FIGURA 6.5- Comparao entre o teste GP1 e a simulao 130






FIGURA 7.1- Curvas experimentais e ajustadas dos ensaios de pequenasdimenses 139

FIGURA 7.2- Tenso ultima de arrancamento em funo da tenso normal 140

FIGURA 7.3- Obteno dos parmetros adimensionais 141

FIGURA 7.4- Definio da geogrelha no modelo 143






FIGURA 7.10- Efeitos do comprimento e da rigidez da incluso sobre odeslocamento para uma tenso normal de 25kPa 149

FIGURA 7.11- Efeitos do comprimento e da rigidez da incluso sobre odeslocamento para uma tenso normal de 50kPa 149

FIGURA 7.12- Efeitos do comprimento e da rigidez da incluso sobre odeslocamento para uma tenso normal de 100kPa. 150

FIGURA 8.1- Correlao entre f e limite de liquidez do solo 159

FIGURA 8.2- Correlao entre os valores de f * e 160

FIGURA 9.1- Estrutura em solo reforado e movimentao da zona ativa. 186

FIGURA 9.2- Foras atuantes na cunha ativa 187

FIGURA 9.3- Polgono de foras atuantes na cunha ativa. 188

FIGURA 9.4- Definio dos valores de Tmax e crit. 190

FIGURA 9.5- Deslocamentos das pores da incluso inseridas nas zonas ativa eresistente 191

FIGURA 9.6- Comparao dos resultados obtidos pelos mtodos clssico eproposto 196

FIGURA 9.7- Efeito da coeso do solo na distribuio de esforos nas incluses 197

FIGURA 9.8- Efeito da sobrecarga aplicada na superfcie do terrapleno nadistribuio de esforos nas incluses 198

x

FIGURA 9.9- Efeito da rigidez do reforo na distribuio de esforos nasincluses 199

FIGURA 9.10- Efeito do parmetro adimensional m na distribuio de esforosnas incluses 200

FIGURA 9.11- Efeito do ngulo de atrito equivalente na distribuio de esforosnas incluses 201

FIGURA 9.12- Efeito da inclinao do muro na distribuio de esforos nasincluses 202

FIGURA 9.13- Efeito do comprimento total das incluses na distribuio deesforos 203

FIGURA 9.14- Efeito do fator de segurana da obra na determinao dos esforosdas incluses 204

Obs.: As figuras apresentadas nos anexos no fazem parte desta lista.

xi

LISTA DE QUADROS

QUADRO 2.1- Tipos de geossintticos e principais funes

pg.

7

QUADRO 2.2: Propriedades de degradao dos principais polmeros queconstituem as geogrelhas 10

QUADRO 2.3- Caractersticas de alguns dispositivos de ensaio de arrancamentoprojetado por alguns autores 16

QUADRO 3.1- Propriedades dos solos 70

QUADRO 3.2- Propriedades das geogrelhas Fortrac 71

QUADRO 3.3- Propriedades das geogrelhas da Terram. 73

QUADRO 3.4- Propriedades da geogrelha Fortgrid 73

QUADRO 3.5- Propriedades mecnicas e geomtricas da geogrelha metlica. 74

QUADRO 4.1- Programa de ensaios de grandes dimenses 76

QUADRO 4.2- Resumo dos principais dados e resultados de ensaio 77

QUADRO 5.1- Programa de testes executados 108

QUADRO 5.2- Resumo dos principais dados e resultados de ensaio 109

QUADRO 6.1- Programa de testes 122

QUADRO 6.2- Resistncias ao arrancamento medidas e calculadas 135

QUADRO 7.1- Programa de testes 138

QUADRO 7.2- Resistncias e coeficientes de interao 152

QUADRO 7.3- Resistncias e coeficientes de interao no pspico 152

QUADRO 8.1- Programa de ensaios realizados 155

QUADRO 8.2- Parmetros do modelo exponencial para testes de arrancamento 157

QUADRO 8.3- Parmetros do modelo exponencial para testes de arrancamento 158

QUADRO 8.4- Valores de f * para cada geogrelha 159QUADRO 8.5- Valores mdios de alguns parmetros 161

QUADRO 9.1- Dados de entrada adicionais usados nas simulaes e parmetrosobtidos

194

xii

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SMBOLOS

a = adeso equivalente em termos de tenses totaisa = adeso equivalente em termos de tenses efetivasas = rea superficial dos membros paralelos direo do arrancamentoa1, a2 e a3 = parmetros ajustados curva fora de trao vs. deformaoA = rea plana da geogrelha inserida na zona passivaABNT = Associao Brasileira de Normas Tcnicas

APSR = Automated Plane Strain Reinforcement cell

b = largura do corpo de provac = coeso do soloca = adesocu = resistncia no drenada do soloCTT = clula de tenso total

dcr = deslocamento para mobilizar a mxima resistncia por atrito.D = dimetro dos elementos transversais da grelhaDr = densidade relativae = ndice de vaziosE = mdulo de rigidez da geogrelhaEESC = Escola de Engenharia de So Carlos

Ei = mdulo de elasticidade inicial do soloEip = inclinao inicial da curva resistncia passiva

f = coeficiente de interao; ; relao entre tan() e tan()F = fora de trao na incluso

Far = fora de arrancamento referente ao deslocamento Fet = fora de arrancamento nos elementos transversaisFh = fora horizontalFi = fora de trao agindo na juno iFTmax = valor mximo da fora de arrancamento nos membros frontaisFr = parcela da fora de mxima de arrancamentoFS = fator de seguranah = altura de aterroG. C. = grau de compactao

xiii

h = altura da estruturaH = altura de aterroi = nmero da incluso; nmero da interaoId = ndice de rigidez flexoI = momento de inrcia do elemento transversalIGS = International Geosynthetic Society

J = rigidez do reforo; nmero do segmentoKa = coeficiente de empuxo ativok1 = coeficiente da rigidez no cisalhamento

ki = inclinao inicial da curva vs. ksf = rigidez inicial ao cisalhamentoksb = rigidez passiva iniciall = comprimento da grelhalai = comprimento da incluso i na zona ativalbi = comprimento da incluso i na zona resistenteli = comprimento da incluso iL = comprimento de reforoLa = comprimento ancorado na zona resistenteLL = limite de liquidezLP = limite de plasticidadeLr = comprimento do reforo na regio ativa ou comprimento na rea efetivaLT = comprimento efetivo da geogrelhaLVDT = Linear Variable Differencial Transformer

m1 = expoente da rigidez passivam = parmetro adimensional do modelo exponencialMIT = Massachusetts Institute of Techonogy

n = nmero de camadas de reforo; parmetro adimensional do modelo exponencialn1 = expoente da rigidez ao cisalhamentoN = fora normal na base da cunha

Nc = fator de capacidade de carga para o modo de ruptura geralNc1 = fator de capacidade de carga para o modo de ruptura por puncionamentoNBR = Norma brasileira registrada

Nq = fator de capacidade de carga para o modo de ruptura geralNq1 = fator de capacidade de carga para o modo de ruptura por puncionamento

xiv

Pa = presso atmosfricaPEAD = polietileno de alta densidade

PET = polister

Pt = resistncia total ao arrancamentoPf = parcela de resistncia por atrito na interfacePP = polipropileno

Pp = parcela de resistncia passivaPVC = Policloreto de vinila

q = sobrecarga distribuda no terraplenoq1 = coeficiente da rigidez passivaQ = resultante da cunha ativaRb = fator de ajuste da tensoRc = resultante devido a coeso do soloRio = relao entre as inclinaes iniciaisRmx = fora mxima de arrancamentoR95%.= fora de arrancamento referente a 95% da fora mxima de arrancamentoRf = razo de rupturaR = resultante devido ao atrito interno do soloS = espaamento dos elementos transversaisSv = espaamento vertical entre as camadas de reforoSt = espaamento entre elementos transversaisSl = espaamento entre elementos longitudinais,t = espessura de um elemento longitudinalTi = resistncia mobilizada na juno iT = esforo de trao no reforoTia e Tib = foras de trao nas pores da incluso i inseridas nas zonas ativa e resistenteTd = esforo na camada de reforo no ponto de mxima traoTf = resistncia ao arrancamento da camada de reforoTPP = transdutor de poropresso

u = presso neutraW = comprimento dos elementos transversais da geogrelha; peso da cunha ativawot = umidade tima de compactaoz = altura do aterro acima do reforozi = altura do aterro acima da incluso i

xv

= alongamento do segmento inicial

= fator de adeso superficial; inclinao da superfcie de deslizamento

crit = valor de equivalente a Tmax

* = fator de adeso aparente

b = frao da rea transversal da geogrelha que desenvolve resistncia passiva

s = frao slida da rea da geogrelha

= ngulo da zona de ruptura rotacional; inclinao da face do muro

= ngulo de atrito da interface; deslocamento da incluso; deslocamento da zona ativa

ia = deslocamento frontal sofrido pela poro da incluso i inserida na zona ativa

ib = deslocamento frontal sofrido pela poro da incluso i inserida na zona resistente

b = deslocamento relativo referente resistncia passiva

s = deslocamento relativo referente ao cisalhamento

95% = deslocamento frontal da incluso a 95% da fora mxima

ksb = tangente instantnea da rigidez passiva

ksf = rigidez ao cisalhamento

= deformao na incluso

= ngulo de atrito interno do solo

= ngulo de atrito aparente de interface

vc = ngulo de atrito a volume constante

e ,= ngulos de atrito equivalentes em termos de tenses totais e efetivas

= peso especfico do solo

d = peso especfico seco

w = peso especfico da gua

= densidade de elementos transversais

= relao entre adeso equivalente e coeso do solo

1 e 3 = tenses principais maior e menor

b = resistncia passiva em termos de termos de tenso normal

b = tenso horizontal nos elementos transversais

n = tenso normal na interface

= tenso normal

= tenso normal efetiva

xvi

ult = resistncia passiva deslocamento infinito

= tenso cisalhante; tenso de arrancamento

at = resistncia ao cisalhamento de interface

i = resistncia ao arrancamento mobilizada na geogrelha

md = resistncia mdia ao arrancamento

ult = tenso cisalhante a uma deformao infinita; valor mximo assinttico para afuno exponencial

95% = tenso cisalhante a 95% da fora mxima

a = somatrio das reas dos elementos normais direo do arrancamento

as = somatrio das reas superficiais dos elementos paralelos direo do arrancamento

T = somatrio das foras de trao nas incluses

Tmax = mximo valor do somatrio de foras nas incluses

xvii

RESUMO

TEIXEIRA, S. H. C. (2003). Estudo da Interao solo-geogrelha em testes de arrancamento e a suaaplicao na anlise e dimensionamento de macios reforados. So Carlos, 2003. 214p. Tese deDoutorado submetida Escola de Engenharia de So Carlos Universidade de SoPaulo.

O conhecimento dos mecanismos de interao entre o solo e os geossintticos

fundamental para o dimensionamento de obras em solo reforado. Entretanto, em funo

das diferentes formas geomtricas das superfcies das incluses, a interao pode ocorrer

de maneiras distintas. Para as geogrelhas, o arrancamento representa o mecanismo de

interao que, em alguns casos, melhor retrata as situaes que ocorrem no campo. Esta

tese apresenta uma anlise dos principais fatores que influenciam na interao entre o solo

e as geogrelhas quando solicitadas ao arrancamento, utilizando equipamentos de teste de

portes grande e pequeno, bem como um equipamento que testa isoladamente os

elementos longitudinais e transversais das geogrelhas. Apresenta-se ainda dois modelos

numricos que permitem avaliar o comportamento de geogrelhas de comprimento

qualquer a partir de resultados de ensaios de arrancamento de pequeno porte ou dos

ensaios nos elementos isolados da geogrelha. Os resultados dos ensaios realizados so

comparados entre si, sugerindo a viabilidade de se utilizar equipamentos de pequenas

dimenses para executar ensaios de arrancamento em geogrelhas em meio a solos finos,

em detrimento dos testes de grande porte que demandam uma grande quantidade de solo

e de mo-de-obra para serem executados. Por fim, apresenta-se um mtodo que,

utilizando os resultados obtidos dos testes de pequeno porte, pode ser usado para

determinar os esforos de trao nas incluses de estruturas em solo reforado,

considerando aspectos como a interao soloreforo e a rigidez trao das incluses.

Palavraschave: geossintticos; geogrelhas; arrancamento; dimensionamento; taludes.

xviii

ABSTRACT

TEIXEIRA, S. H. C. (2003). A soil-geogrid interaction study on pullout tests and its application onanalysis and designing of reinforced soil structures. So Carlos, 2003. 214p. Tese deDoutorado submetida Escola de Engenharia de So Carlos Universidade de SoPaulo.

The knowledge of interaction mechanisms between soil and geosynthetics is

fundamental for designing reinforced-soil structures. However, due the variety of surface

geometry found in commercially available geosynthetics, the interaction between soil and

inclusions can occur on different ways. For the geogrids, the pullout interaction

mechanism is the one that, in some cases, best represents the field situations. This thesis

presents an analysis of the main factors influencing the soil-geogrid interaction during

pullout phenomena, using large and small-scale test boxes, as well as an device that tests

longitudinal and transversal geogrid elements isolated. Two numerical models for

evaluating the pullout behavior of large geogrid samples using small-scale and on element

tests are also presented. The results of different tests are compared, showing the viability

of using small-scale tests for testing geogrids embedded in fine soils instead of large-scale

tests, that demand large quantities of soil and labor to be done. On the penultimate

chapter, a method for evaluating the maximum tensile effort of reinforced slopes and

walls is presented. This method uses the results obtained from small-scale pullout tests

and considers some important aspects as soil-geogrid interaction and reinforcement

rigidity.

Wordkey: geosynthetics; geogrids; pullout; designing; reinforced-soil.

C a p t u l o 1

INTRODUO

1.1- INTRODUO

Taludes em solo compactado e muros de conteno so comuns em todo o

territrio brasileiro, principalmente em lugares de topografia acidentada. Estas estruturas

no raro apresentam problemas de instabilidade, fato que se intensifica nos meses mais

chuvosos do ano. Uma das formas utilizadas para solucionar estes problemas geotcnicos

consiste em melhorar as caractersticas mecnicas dos solos. H vrios mtodos de

melhoria de solos efetivamente testados, sendo que cada um se adequa melhor

determinadas situaes. Dentre os mtodos de melhoria de solos mais utilizados na

atualidade podem-se citar as misturas solocal e solocimento e as incluses de fitas de

ao ou mantas de geossintticos em meio ao solo, dentre outros.

Nas ltimas dcadas vem-se percebendo um rpido crescimento na demanda dos

geossintticos nos mercados mundial e nacional. Esse fato induz simultaneamente um

esforo contnuo dos pesquisadores para adequar as potencialidades destes novos

materiais s necessidades do mercado consumidor. Para tal, vm se desenvolvendo

esforos no sentido de caracterizar as propriedades destes materiais, de se adequar ensaios

s finalidades a que se destinam e de elaborar mtodos de dimensionamento que

consideram as caractersticas das obras e dos materiais utilizados.

As geogrelhas e os geotxteis so os tipos de geossintticos comumente

empregados como elemento de reforo de solo e se mostram eficazes principalmente

porque oferecem boa resistncia trao e por promoverem uma adequada interao com

o solo circundante.

O elemento de reforo presente no interior do macio de solo capaz de

mobilizar um adicional de resistncia ao cisalhamento do conjunto que s se torna efetivo

2

quando surge uma fora de trao na incluso. Desta forma, a resistncia ao arrancamento

dos elementos de reforo uma propriedade essencial para o funcionamento das

estruturas de solos reforados e condiciona a ao da incluso no solo.

Arrancamento e cisalhamento direto so os ensaios de laboratrio mais usados

para mensurar a resistncia da interface soloincluso. Em algumas ocasies, entretanto,

somente o ensaio de arrancamento avalia convenientemente bem o comportamento das

incluses imersas em um macio de solo. Dessa forma, importante que os resultados

obtidos destes ensaios sejam utilizados para se avaliar o comportamento de estruturas em

solo reforado de forma racional e realstica.

1.2- OBJETIVOS

Para esta tese, foram executados diversos testes de arrancamento, utilizando os

mais variados tipos de equipamento, de solo e de geogrelhas com o objetivo de se obter

informaes qualitativas e quantitativas a respeito do mecanismo de interao entre solo e

geogrelha para diversas condies possveis de ocorrerem na prtica da engenharia

geotcnica. Alm disso, a partir das observaes e resultados obtidos, foram

desenvolvidos alguns modelos numricos com o objetivo de tornar os resultados de testes

de arrancemento mais aplicveis no dimensionamento de estruturas de solo reforado do

que so atualmente.

1.3- ORGANIZAO DO TRABALHO

No Captulo 2, apresenta-se uma reviso de literatura que enfoca os principais

aspectos do comportamento mecnico de geogrelhas quando solicitadas ao arrancamento.

Este trabalho de reviso bibliogrfica divide-se em temas que tm relao direta com o

fenmeno do arrancamento de geossintticos. Inicialmente, se faz uma breve introduo

aos principais aspectos relacionados aos geossintticos. Em seguida, so apresentados os

ensaios que se prestam ao estudo do comportamento do sistema soloreforo e que

podem ser utilizados para a obteno de parmetros utilizados em projetos e,

posteriormente, os aspectos mais relevantes do mecanismo de interao soloreforo

durante o fenmeno de arrancamento so discutidos de maneira qualitativa. Alguns

modelos de previso e representao do comportamento das geogrelhas submetidas ao

arrancamento que serviram de base para o desenvolvimento deste trabalho so tambm

apresentados. Por fim, apresenta-se um mtodo classicamente utilizado para o

3

dimensionamento de muros em solo reforado, dando-se enfase etapa de verificao da

resistncia ao arrancamento das incluses presentes.

No Captulo 3, so apresentados os equipamentos de ensaios de arrancamento

utilizados no deselvolvimento deste trabalho: o primeiro deles um equipamento de

grande porte desenvolvido na EESC, por Teixeira (1999), o segundo um equipamento

de grande porte da Universidade do Colorado, o terceiro um equipamento para testar os

elementos longitudinais e transversais de geogrelha individualmente e um equipamento de

pequeno porte desenvolvido especialmente para este trabalho. So apresentados tambm

os procedimentos de ensaio utilizados, relativos a cada tipo de equipamento. Por fim, so

apresentadas as carcatersticas dos materiais utilizados na execuo dos testes de

arrancamento, que consistem de sete diferentes geogrelhas e oito solos distintos, que

foram escolhidos de modo a representar uma grande variedade de condies.

No Captulo 4, apresentam-se os resultados de uma srie de ensaios de

arrancamento que foram executados utilizando o equipamento de grande porte do

Departamento de Geotecnia da EESC. Estes testes tiveram o objetivo de avaliar fatores

que afetam o comportamento de geogrelhas submetidas ao arrancamento, dentre eles

fazem parte: o comprimento da incluso a sobrecarga aplicada, o grau de compactao do

solo, o espaamento entre elementos transversais e longitudinais da geogrelha, a presena

dos elementos transversais, o tipo de incluso e a utilizao de dupla camada de geogrelha

como elemento de reforo. Para a execuo destes testes foram utilizados quatro tipos de

geogrelha e um solo arenoso fino bastante tpico do interior do estado de So Paulo. Os

resultados obtidos permitiram a confeco de importantes concluses a respeito dos

parmetros que foram avaliados.

O estudo descrito no Captulo 5 foi realizado na Universidade do Colorado,

campus de Boulder, utilizando o equipamento de grande porte daquela universidade. Para

este estudo, foram realizados oito ensaios de arrancamento de grande porte com o

objetivo avaliar experimentalmente o efeito das presses neutras positivas e negativas no

comportamento de geogrelhas submetidas ao arrancamento. Foram utilizadas amostras de

geogrelha com e sem elementos drenantes aderidos a sua estrutura e foram consideradas

diferentes condies de saturao do solo. A partir dos resultados obtidos, foram feitas

anlises a respeito do efeito da presena dos drenos aderidos aos elementos longitudinais

4

da geogrelha na gerao e dissipao de presses neutras durante a aplicao da

sobrecarga e durante o arrancamento das amostras de geogrelha.

No Captulo 6, apresenta-se um estudo terico e experimental a respeito da

interao entre solo e geogrelha e das contribuies das parcelas de resistncia passiva e de

interface para a resistncia total ao arrancamento de geogrelhas. Para isso, alguns testes

foram realizados no equipamento de grande porte da EESC e outros foram executados

no equipamento de testes em elementos. Foi desenvolvido um modelo para predizer os

resultados de testes de grande porte a partir dos resultados de testes em elementos. Os

resultados experimentais obtidos do equipamento de grande porte e os resultados das

simulaes feitas a partir dos resultados de testes em elementos so comparados entre si.

So discutidos ainda a influncia que o mecanismo de resistncia passiva do solo exerce

sobre o mecanismo de resistncia por atrito, desenvolvido principalmente ao longo dos

elementos longitudinais.

No Captulo 7, apresenta-se um modelo numrico que permite avaliar o

comportamento de geogrelhas de comprimento qualquer a partir de resultados de ensaios

de arrancamento de pequeno porte e de um ensaio de trao no confinada. Os resultados

de ensaios realizados utilizando equipamentos de grande e pequeno porte so comparados

entre si e com os resultados dos testes em elementos, sugerindo a viabilidade de se utilizar

equipamentos de pequeno porte para avaliar o arrancamento de geogrelhas implantadas

em solos finos. So feitas, ainda, anlises paramtricas dos efeitos da tenso normal

aplicada, do comprimento ancorado e do mdulo de rigidez da incluso no mecanismo de

interao entre o solo e a incluso.

Para o estudo apresentado no Captulo 8, foi executada uma srie de ensaios de

pequeno porte com o objetivo de avaliar os parmetros de resistncia ao arrancamento,

definidos no Captulo 7, de trs geogrelhas com malhas bastante distintas inseridas em

solos tpicos do estado de So Paulo e que cobrem uma ampla faixa granulomtrica. Deste

estudo foi possvel obter um pequeno banco de dados referentes a resistncia ao

arrancamento e ainda algumas correlaes. Alm disso, algumas importantes concluses a

respeito do efeito da granulometria do solo e da malha das geogrelhas foram extradas dos

resultados dos testes.

5

No Captulo 9, apresenta-se um mtodo para determinao de esforos de trao

nas incluses de muros de conteno em solo reforado. Neste mtodo so considerados

aspectos importantes tais como a interao entre solo e elemento de reforo e a rigidez da

incluso. Alm disso, os resultados obtidos pela utilizao da modelagem apresentada so

comparados com os obtido por um mtodo clssico de obteno dos esforos de trao

em incluses. So apresentadas ainda algumas anlises paramtricas indicando a

versatilidade do mtodo apresentado, bem como as influncias da coeso do solo, da

sobrecarga na superfcie do terrapleno e da rigidez da incluso, dentre outros, sobre a

distribuio dos esforos nas incluses e nos deslocamentos mdios da face do muro.

6

C a p t u l o 2

REVISO DE LITERATURA

2.1- INTRODUO AOS GEOSSINTTICOS

Os geossintticos constituem uma famlia de materiais sintticos empregados em

geotecnia. O termo deriva da combinao de geo, referindo-se terra e sintticos,

relacionando-se com a matria prima com que so fabricados. A Associao Brasileira de

Normas Tcnicas, na NBR 12553, define geossintticos como produtos polimricos

(sintticos ou naturais), industrializados, desenvolvidos para utilizao em obras

geotcnicas, desempenhando uma ou mais funes, dentre as quais destacam-se: reforo,

filtrao, drenagem, proteo, separao, impermeabilizao e controle de eroso

superficial.

Os geotxteis foram os primeiros geossintticos a serem utilizados

sistematicamente em geotecnia. Durante os anos 50, na Holanda e nos EUA, os geotxteis

foram empregados como elemento de drenagem em muros de concreto, para controle de

eroso e como elemento de separao em rip-raps. Nos anos 60, a Rhne-Poulenc

(Frana) iniciou a utilizao de geotxteis em diversas situaes, como reforo de estradas

no pavimentadas, sob lastros de ferrovias e em barragens de terra. Na ocasio, as

principais funes dos geossintticos eram apenas separao e reforo.

No Brasil, os geossintticos tm sido empregados desde o inicio da dcada de 70,

principalmente em sistemas de drenagem. No incio da dcada de 80 foi executada a

primeira obra de solo reforado com geotxtil de grande porte no Brasil (Carvalho et al.

1986) na rodovia que liga Taubat a Campos de Jordo. Nos anos 80 e 90 diversas obras

de conteno foram executadas utilizando-se geotxteis como elemento de reforo.

7

Os geossintticos podem ser classificados segundo suas propriedades e funes.

O Quadro 2.1 apresenta um resumo dos principais tipos de geossintticos e as suas

correspondentes funes.

Quadro 2.1- Tipos de geossintticos e principais funes (adaptado de Koerner, 1994)

Funo

Geossinttico Separao Reforo Filtrao Drenagem Impemea-bilizao

Geotxtil 1 ou 2 1 ou 2 1 ou 2 1 ou 2 1 ou 2*

Geogrelha n/a 1 n/a n/a n/a

Georede n/a n/a n/a 1 n/a

Geomembrana n/a n/a n/a n/a 1

Geocomposto** 1 ou 2 1 ou 2 1 ou 2 1 ou 2 1 ou 2

*Quando impregnado com asfalto.** Assiciam geossintticos com vrias finalidades.Legenda: 1 - Funo principal; 2 - funo secundria; n/a - no se aplica.

Pode-se perceber do Quadro 2.1 que os tipos de geossintticos mais comumente

empregados como elementos de reforo de solo so os geotxteis e as geogrelhas. Os

geotxteis so produtos txteis flexveis e porosos, sendo um dos geossintticos mais

versteis do ponto de vista de aplicaes. As geogrelhas, por sua vez, so estruturas

rgidas, planas, vazadas em forma de grelha, compostas de elementos transversais,

longitudinais e junes entre estes elementos.

Em todo o mundo, o mercado de geossintticos vem apresentando um grande

crescimento nos ltimos anos. Os motivos geralmente apontados para este crescimento

tm sido:

os geossintticos so, de fato, necessrios em vrias obras civis;

sua instalao simples e rpida;

em geral substituem materiais naturais nobres;

em alguns casos, sua utilizao pode viabilizar a obra;

o mercado de geossintticos tem sido bastante competitivo.

No Brasil, apesar do mercado de geossintticos ser ainda modesto, o consumo

destes produtos vem aumentando significativamente nos ltimos anos. Isto pode ser

8

atribudo crescente divulgao destes produtos aos profissionais de engenharia e ao

aumento do conhecimento de suas propriedades em situao de servio.

2.2- GEOGRELHAS

As geogrelhas so estruturas planas em forma de grelha, cujas aberturas

promovem o imbricamento com o solo envolvente, conforme ilustra a Figura 2.1 Em

geral, as geogrelhas so mais resistentes que os geotxteis e seu emprego quase

exclusivamente dirigido para reforo. As primeiras geogrelhas foram fabricadas na

Inglaterra, pela Netlon, e posteriormente levadas para os EUA pela Tensar.

Figura 2.1- Elementos componentes de uma geogrelha

As principais aplicaes das geogrelhas so as seguintes:

reforo em taludes e muros de conteno;

separao / reforo em rodovias no pavimentadas e ferrovias;

em conjunto com gabies para construo de muros reforados com controle deeroso e encontros de ponte;

reforo para execuo de aterros sobre solos moles;

reforo de pavimento asfltico;

em conjunto com geotxteis ou geomembranas (formando geocompostos).

As geogrelhas podem ser produzidas atravs da perfurao de mantas polimricas,

que so posteriormente tencionadas em uma ou duas direes com o objetivo de

melhorar suas propriedades fsicas. Em geral, as geogrelhas resultantes deste processo de

9

fabricao apresentam aberturas variando de 10 a 100 mm, na forma de elipses alongadas,

quadrados ou retngulos com cantos arredondados. As geogrelhas podem ser fabricadas

tambm a partir de multifilamentos de polister envolvidos por PVC ou PE.

Existe uma tendncia mundial em se padronizar uma terminologia para se

classificar os geossintticos, e por conseqncia as geogrelhas. A terminologia apresentada

a seguir e sua respectiva definio leva em conta as recentes recomendaes feitas pela

IGS e aquelas especificadas na NBR 12553.

GG - Geogrelhas (geogrid - genrica): estrutura sinttica, fabricada em forma de

manta consistindo de uma rede de elementos integralmente conectados que podem ser

unidos por extruso, colagem ou entrelaamento. Suas aberturas so maiores que seus

elementos constituintes e so empregadas em aplicaes de engenharia geotcnica,

ambiental, hidrulica e viria.

GGE - Geogrelha Extrudada (extruded geogrid): produzida pelo estiramento

uniaxial ou biaxial de uma estrutura extrudada integralmente.

GGB - Geogrelha Ligada (bounded geogrid): produzida atravs da unio,

usualmente em ngulos retos, de dois ou mais conjuntos de fios ou outros elementos.

GGW - Geogrelha Tecida (woven geogrid): produzida pela tecelagem, geralmente

em ngulos retos, de dois ou mais conjuntos de fibras, fios, filamentos ou outros

elementos.

Os polmeros geralmente empregados na produo de geogrelhas so o

polietileno de alta densidade (PEAD), o polister (PET) e o polipropileno (PP). A Figura

2.2 mostra as estruturas dos monmeros que do origem a estes polmeros. Nestas

Figuras, n denominado grau de polimerizao e indica o nmero de vezes que o

monmero se repete no polmero. O peso molecular do polmero, que influencia

sobremaneira o seu comportamento, corresponde ao produto do peso molecular do

monmero pelo grau de polimerizao.

10

Figura 2.2- Monmeros dos principais polmeros dos geossintticos

Outro aspecto importante dos polmeros relaciona-se ao seu grau de

cristalinidade. As pores em que as macromolculas dos polmeros se alinham em

pequenas regies so denominadas cristalinas enquanto as no alinhadas denominam-se

amorfas. Os polmeros utilizados em geogrelhas possuem sempre parte de sua estrutura

amorfa e parte cristalina e, por isso, so denominados de semi-cristalinos.

O tipo de polmero afeta as diversas caractersticas de comportamento dos

geossintticos, principalmente aquelas de longo prazo. Dentre as propriedade

influenciadas pelo tipo de polmero destacam-se a resistncia degradao qumica, por

ao dos raios ultravioleta, resistncia temperatura, hidrlise, bem como os

comportamentos mecnicos. O Quadro 2.2 apresenta um resumo do comportamento de

longo prazo dos materiais em funo do polmero utilizado.

Quadro 2.2: Propriedades de degradao dos principais polmeros que constituem asgeogrelhas (adaptado de Jonh, 1987 e den Hoedt, 1988)

Polmero

Propriedade PET PP PEAD

Foto-degradao 3 3* a 1** 3* a 1**Termo-oxidao 3 1 1Hidrlise 1 2 2Degradao biolgica 3 3 3Degradao qumica a lcalis 1 2 a 3 3Degradao qumica a cidos 2 3 3Fluncia 3 2 2* com tratamento (por exemplo, negro de fumo); ** sem tratamento

Legenda: resistncia elevada (3); mdia (2) e baixa (1).

11

Nas primeiras aplicaes das grelhas como elementos de reforo de solo, foram

empregas as grelhas metlicas que eram susceptveis corroso. Essa limitao motivou a

industria ao desenvolvimento de grelhas a partir de materiais polimricos que, sendo

relativamente inertes, podem ser usados em ambientes agressivos. Alem disso, as

geogrelhas polimricas tambm oferecem uma boa interao com o solo, que resultante

de um efeito conjugado de a) atrito entre solo e superfcie da geogrelha e b) resistncia

passiva oferecida pelo solo aos seus elementos transversais.

2.3- ENSAIOS PARA AVALIAR A INTERAO SOLOGEOGRELHA

As propriedades mecnicas de interao entre solo e geogrelha so fatores

importantes para o projeto de estruturas em solo reforado. Os testes de laboratrio mais

usados para mensurar as resistncias de interface so os ensaios de arrancamento e de

cisalhamento direto, embora testes alternativos utilizados para avaliar essa interao

possam ser encontradas na literatura.

Os ensaios de arrancamento e de cisalhamento direto diferem entre si

basicamente pela forma com que os esforos so aplicados ao geossinttico, pelos

mecanismos de ruptura impostos e pelas condies de contorno de cada um. Os

parmetros de resistncia de interface obtidos por ambos ensaios podem,

consequentemente, variar muito de um ensaio para outro e muitas vezes fornecer

resultados conflitantes (Farrag et al., 1993). Aliado a isso, o fato de no existir uma

padronizao para os ensaios de arrancamento possa explicar parcialmente a discrepncia

de resultados e concluses encontrada na literatura.

Os ensaios de cisalhamento direto, apesar de serem convenientes para estudar a

interao sologeotxtil, no se mostraram adequados ao estudo da interao solo

geogrelha, devido s diferenas entre os mecanismos de interao do elemento de reforo

com o solo. Desta forma, verifica-se a necessidade de utilizao de outros tipos de ensaio

para avaliar de forma mais realstica o mecanismo que ocorre com as geogrelhas.

Um dos ensaios que vem se mostrando bastante promissores neste sentido o

ensaio de arrancamento, que simula bem o comportamento de geogrelhas ao serem

solicitadas em um maico de solo reforado. O ensaio de cisalhamento direto, entretanto,

simula bem situaes em que ocorram um deslizamento relativo de uma camada de solo

12

sobre a geogrelha em relao a uma camada abaixo dela. A Figura 2.3 ilustra

esquematicamente os ensaios de cisalhamento direto e de arrancamento.

a) ensaio de cisalhamento direto b)ensaio de arrancamento

Figura 2.3- Esquema ilustrativo dos ensaios de cisalhamento direto e de arrancamento.

Collios et al., (1980) sugerem que, na prtica, a escolha entre o ensaio de

arrancamento e o de cisalhamento direto para avaliar uma determinada situao possa ser

feita comparando-se os deslocamentos relativos entre o solo e a incluso. A Figura 2.4

pode ser usada para indicar o teste de laboratrio mais adequado para alguns casos tpicos.

Nessa Figura, as tenses cisalhantes nas semicaixas e nas incluses so indicadas

por setas. Considerando-se que a semicaixa inferior sempre se mantm imvel, a abcissa

do diagrama indica o deslocamento relativo u s / c do material da semicaixa superior em

relao semicaixa inferior, e nas ordenadas o deslocamento relativo u g / c entre o

geossinttico e a semicaixa superior. Assim, a abscissa representa o ensaio de

cisalhamento direto, no qual o geossinttico permanece estacionrio em relao semi

caixa superior, e a ordenada, o ensaio de arrancamento. Nos setores internos ocorrem

situaes intermedirias entre o cisalhamento direto e o arrancamento do geossinttico.

13

Figura 2.4- Movimentos relativos entre o solo e as incluses, em alguns caso in situ e oteste de laboratrio correspondente (Collios et al., 1980).

Alguns pesquisadores desenvolveram dispositivos de ensaios alternativos aos de

arrancamento e cisalhamento direto, em tentativas de se criar novos tipos de ensaio que

representasse a interao soloincluso tal qual ocorre em algumas situaes de obras

reais. Alguns destes equipamentos so capazes de gerar resultados interessantes em

relao ao comportamento das incluses de reforo, entretanto eles no vem sendo

amplamente utilizados. A seguir, so enumerados alguns destes equipamentos:

2.3.1- APSR

O equipamento denominado APSR (Automated Plane Strain Reinforcement cell), foi

desenvolvido no MIT por Larson (1992) e utilizado por Abramento (1993). Este

equipamento permite que os esforos e as deformaes que se desenvolvem no reforo

sejam monitorados medida que a massa de solo cisalhada sob condies de

deformao plana (yy = 1, xx = 3 e zz = 0), Figura 2.5.

Neste ensaio supe-se que o elemento de solo seja cisalhado sob compresso em

deformao plana, aumentando-se a tenso principal maior 1 e/ou reduzindo-se a tenso

principal menor 3. Para estas condies de carregamento, o reforo resiste s

deformaes laterais que ocorreriam na massa de solo caso ele no estivesse presente.

Consequentemente, surgem foras de trao no reforo.

Este equipamento permite que seja estudada a interao entre solo e reforo sob

condies similares s que ocorrem em estruturas de conteno, onde se desenvolve um

14

mecanismo de cisalhamento na massa de solo sob condies de deformaes planas, e

fornece resultados bastante interessantes.

Figura 2.5- Diagrama esquemtico do equipamento APSR (Abramento, 1995).

2.3.2- CISALHAMENTO DIRETO COM REFORO INCLINADO

Este tipo de ensaio foi inicialmente utilizado por Jewell (1980) bastante

semelhante ao ensaio de cisalhamento direto convencional, utilizado para se determinar os

parmetros de resistncia na interface soloincluso. A principal diferena est na posio

em que a incluso instalada. Neste ensaio, a amostra de reforo fica inclinada com

relao caixa de ensaios de tal forma que a superfcie de cisalhamento passe pelo

geossinttico, conforme mostra a Figura 2.6. A incluso, por sua vez, deve possuir um

comprimento L mnimo para mobilizar resistncia ao arrancamento na massa de solo.

Figura 2.6- Esquema ilustrativo do ensaio de cisalhamento direto com reforo inclinado(Ingold, 1983a).

Este tipo de ensaio bastante interessante e representa algumas condies que

ocorrem no campo como, por exemplo, camadas horizontais de reforo ao serem

15

solicitadas ao cisalhamento por uma superfcie potencial de ruptura de um talude ou uma

estrutura de conteno que se movimenta. Entretanto, existe uma grande dificuldade para

utilizao dos dados dele obtidos para o dimensionamento de estruturas em solo

reforado. A sua utilizao justificada basicamente para auxiliar no entendimento do

comportamento de tais estruturas quanto ao aspecto de interao soloreforo.

2.3.3- ENSAIO DE TRAO CONFINADA COM SOLO

McGown et al., (1982) apresentou este tipo de ensaio, que consiste na combinao

dos ensaios de trao e de arrancamento e se presta ao estudo do comportamento da

relao entre fora e deformao de reforos em meio a um solo e submetidos a uma

tenso de confinamento. Este tipo de teste pode ser executado em um equipamento de

ensaios de arrancamento, desde que a extremidade final da amostra de geossinttico seja

fixada em uma estrutura indeslocvel na parte posterior da caixa de ensaios. A Figura 2.7

ilustra esquematicamente o ensaio.

Figura 2.7- Esquema do ensaio de trao confinada com solo (Lo, 1990).

Os resultados dos ensaios tem aplicao principalmente quando se deseja estudar

o comportamento fora vs. deformao de alguns geossintticos, em especial geogrelhas

em meio a um solo arenoso ou pedregulhoso, onde ocorre o imbricamento de partculas

em meio aberturas da grelha. O comportamento fora vs. deformao do conjunto

sologeogrelha bastante influenciado pelo imbricamento das particulas de solo e

diferente sensivelmente do comportamento no confinado.

2.3.4- O ENSAIO DE ARRANCAMENTO

O ensaio de arrancamento foi desenvolvido para se avaliar o comportamento de

incluses embutidas em solo, quando solicitadas por uma fora de trao que possam

16

lev-las perda de aderncia com o solo circundante. considerado o ensaio mais

apropriado ao estudo da interao sologeogrelha, pois considera as parcelas de atrito de

superfcie e resistncia passiva que este tipo de incluso proporciona.

Diversos autores em todo o mundo idealizaram equipamentos capazes de realizar

ensaios de arrancamento em geogrelhas, geotxteis, etc. Algumas caractersticas dos

equipamentos reportados em recentes trabalhos publicados esto resumidos no Quadro

2.3, onde so apresentados as dimenses utilizadas, os modos de aplicao da sobrecarga e

as medidas efetuadas durante o ensaio

Quadro 2.3- Caractersticas de alguns dispositivos de ensaio de arrancamento projetadopor alguns autores.

Caractersticas dos equipamentos

Autores Altura(mm)

Larg.(mm)

Comp.(mm)

Sistema desobrecarga

Medidas efetuadas

Christopher &Berg (1990)

310 600 1220 bolsa de ar deslocamentos e fora dearrancamento

Farrag et al.

(1993)

760 900 1520 bolsa de ar deslocamentos, velocidade efora de arrancamento

Bergado e Chai.(1994)

510 750 1250 bolsa de ar deformao, deslocamentosdilatncia e fora dearrancamento

Alfaro et al.(1995)

400 600 1500 bolsa de ar deformao, deslocamentosdilatncia e fora dearrancamento

Chang et al.

(1995)

150 500 400 bolsa de ar deslocamentos, deformao efora de arrancamento

Ladeira & Lopes(1995)

600 1000 1530 cilindroshidrulicos

deslocamentos e fora dearrancamento

Miyata (1996) 220 325 660 bolsa de ar dilatncia, deslocamentos efora de arrancamento

Ochiai et al.(1996)

200 400 600 bolsa de ar deslocamentos e fora dearrancamento

Bakeer et al.,

(1998a)

152 610 610 pistopneumtico

deslocamento frontal e forade arrancamento

Teixeira & Bueno(1999)

500 700 1500 bolsa de ar fora de arrancamento,tenses no solo edeslocamentos

17

Percebe-se do Quadro 2.3 que existe uma tendncia padronizao do ensaio de

arrancamento. A grande maioria dos equipamentos utiliza uma bolsa de ar inflvel para

aplicar a carga distribuda na superfcie do solo. As medidas geralmente realizadas so:

fora de arrancamento, deslocamentos da amostra de geossinttico e deslocamentos

verticais devido dilatncia do solo. As dimenses da caixa de teste so as caractersticas

de maior discrepncia entre os tipos de equipamentos listados. Entretanto, em termos

mdios, elas se aproximam de 1000 mm de comprimento, 800 mm de largura e 500 mm

de altura.

Alguns autores recomendam determinadas caractersticas desejveis para os

equipamentos e procedimentos de ensaio:

O equipamento deve ter a capacidade de realizar ensaios com controle docarregamento para facilitar a investigao do comportamento do material sob

carregamentos de longa durao (Farrag et al., 1993);

Rowe & Ho (1986) demonstraram que a resistncia ao arrancamento dasgeogrelhas varia com a velocidade do teste. Lopes & Moutinho (1997) sugerem

uma velocidade de ensaio de 5,4 mm por minuto. Lopes e Ladeira (1996) indicam

que um aumento na velocidade do ensaio de arrancamento promove um aumento

na rigidez de interface sologeogrelha e uma reduo na capacidade de rearranjo

de solos granulares;

o atrito entre o solo e as paredes da caixa de ensaios pode afetar os resultados dostestes. Alguns pesquisadores inserem membranas lubrificadas ao longo das

paredes para promover a minimizao do atrito no contorno da caixa (Jewel,

1980). Farrag, et al., (1993) recomenda que seja deixado um espao mnimo de 150

mm entre a incluso e a parede da caixa para evitar os efeitos de contorno, caso o

atrito no seja minimizado por outros meios ;

a interao entre o sistema soloreforo e a parede rgida frontal da caixa podetambm influenciar os resultados. Palmeira e Milligan (1989b) utilizaram uma

parede frontal com diferentes graus de rugosidade para investigar o efeito do

atrito nos resultados de arrancamento. Christopher (1976) acoplou placas

18

envolventes abertura por onde passa o geossinttico para transferir o ponto de

aplicao da carga para traz da parede rgida. Williams & Houlihan (1987) usaram

faces frontais flexveis;

Brand & Duffy (1987) estudaram o efeito da espessura do solo no interior dacaixa de ensaios sobre a resistncia ao arrancamento de geogrelhas inseridas em

argilas. Seus resultados demostram que a medida que a espessura do solo aumenta,

a resistncia ao arrancamento decresce at um mnimo. Farrag, et al., (1993)

recomenda que uma espessura mnima de solo de 300 mm seja usada acima e

abaixo da geogrelha para eliminar a influncia desses efeitos de contorno;

diferentes procedimentos de compactao do solo no interior da caixa de testesproduzem diferenas nas propriedades do solo, principalmente no

comportamento tenso vs. deformao. Torna-se, portanto, essencial normalizar

o procedimento de compactao de amostras (Farrag et al., 1993). Isto

confirmado por Lopes & Moutinho (1997);

os equipamentos existentes, com poucas excees, monitoram apenas osdeslocamentos frontais e a fora de arrancamento. Para reforos extensveis, assim

como geogrelhas e geotxteis, essencial se monitorar os deslocamentos ao longo

da incluso, de forma a tornar possvel a interpretao dos mecanismos de

transferncia de cargas e as resistncias ao arrancamento no campo. Koerner

(1994) mostra um esquema bastante simples de fazer este acompanhamento

utilizando fios inextensveis presos s junes da grelha.

As medidas de dilatncia durante o arrancamento do reforo podem fornecerinformaes valiosas sobre o ganho de resistncia ao arrancamento quando a

dilatncia impedida. A simplicidade do monitoramento da dilatncia no

laboratrio a torna possvel de ser includa na rotina de laboratrio nestes tipos de

ensaios.

Yogarajah & Yeo (1994) advertem que, devido natureza visco-elstica dosmateriais polimricos, de grande importncia que se registre tanto os

deslocamentos quanto a fora distribuda ao longo da geogrelha, promovendo

19

dessa forma um melhor entendimento do mecanismo de transferncia de carga.

Essa tcnica pode posteriormente ser util na modelagem de estruturas em solo

reforado.

Outros autores, como Farrag et al. (1993) e Raju, et. al. (1998), fazem outras sries

de recomendaes a respeito das caractersticas dos equipamentos, visando minimizar os

efeitos de borda, e acerca dos procedimentos de execuo dos ensaios de arrancamento,

de forma a se obter, destes ensaios, dados que mais se aproximem da situao encontrada

no campo.

2.3.5- ENSAIOS DE ARRANCAMENTO DE GRANDE PORTE E NO CAMPO

O ensaio de arrancamento um ensaio de modelo no qual as respostas obtidas

parecem depender o tipo de equipamento, de forma que os resultados dos ensaios

requerem uma cuidadosa interpretao. Existe vrios fatores que guardam relao direta

com o tamanho da amostra ensaiada e as condies de contorno impostas pelo tipo de

equipamento, como por exemplo o fato de que a mobilizao da resistncia ao

arrancamento ao longo do comprimento do reforo no uniforme, num contexto em

que a maioria dos reforos so extensveis (Raju, et. al. 1998). Isso sugere que amostras de

pequenas dimenses no representam bem o comportamento de transferncia de esforos

no campo. Alm disso, as hipteses de Juran, et. al. (1988) a respeito do desenvolvimento

do fenmeno do arqueamento durante estes testes indicam que a tenso normal que age

diretamente na interface soloreforo pode ser no linear em toda a extenso da amostra.

Para superar algumas deficincias destes testes, duas linhas especficas de ensaios

de arrancamento vem sendo muito utilizadas em trabalhos de pesquisa, elas so os ensaio

de arrancamento de grande porte, realizados em laboratrio, e o ensaios executados no

campo em grandes amostras de geogrelhas.

Para que um equipamento de ensaios de arrancamento seja considerado de grande

porte, vem-se admitindo comumente que a sua caixa de ensaios deva ter pelo menos 1000

mm de comprimento por 500 mm de largura (Raju, et. al. 1998). Existem, entretanto,

incertezas com relao sua profundidade. Jonhston, (1985) recomenda que a amostra de

reforo ensaiada deva manter uma certa distncia dos contornos superior e inferior para

minimizar os efeitos de borda.

20

Alm da influncia dos efeitos de borda, os ensaios de laboratrio em pequena

escala podem no fornecer valores realsticos para as propriedades soloincluso devido

ao efeito escala (Bakeer et al., 1998b). Alm dos ensaios de grande porte, os testes de

campo tambm podem ser uma boa alternativa para superar este problema. A Figura 2.8

apresenta um esquema que ilustra a execuo de um ensaio de arrancamento no campo.

Figura 2.8- Representao de um ensaio de arrancamento no campo (Bakeer et al., 1998b).

Resultados obtidos por Raju, et. al. (1998), aps uma srie de comparaes entre

resultados de ensaios de arrancamento realizados com equipamentos de varias dimenses

com resultados de anlises numricas, via elementos finitos, indicam que os resultados de

ensaios de arrancamento so afetados pelas condies de contorno particular de cada

equipamento de uma maneira complicada. Entretanto, a comparao entre vrios

resultados de equipamentos de ensaios de arrancamento de grande porte revelam que no

existe dependncia dos parmetros de arrancamento com o tipo de equipamento. Isso

indica que os ensaio de arrancamento de grande porte e os ensaios de campo so os mais

indicados para se estudar o comportamento de geogrelhas submetidas ao arrancamento.

A principal desvantagem destes tipos de teste reside nas dificuldades de execuo,

visto que tanto os ensaios de grande porte quanto os realizados no campo requerem a

utilizao de grandes quantidades de solo. Assim, a amostragem, o controle de umidade e

de compactao do solo tornam-se bastante trabalhosos e requerem um tempo

significativo para serem feitos.

2.4- INTERAO SOLOGEOGRELHA

As questes bsicas acerca do mecanismo de interao sologeogrelha no ensaio

de arrancamento esto relativamente bem entendidas qualitativamente. Quantitativamente,

21

entretanto, ainda muito h por fazer antes que se tenha bons mtodos de previso, como

inferido por Ladeira & Lopes (1995) e por Lopes & Moutinho (1997).

A interao entre solo e geogrelha mais complexa e mais geral que a que ocorre

em tiras ou mantas. Para geogrelhas, a resistncia ao arrancamento possui duas

componentes: a) resistncia de interface e b) resistncia passiva do solo aos elementos

transversais. A resistncia de interface, por sua vez, tambm possui duas componentes: a)

resistncia de interface devido ao desenvolvimento de atrito e b) resistncia devido ao

desenvolvimento de adeso ao longo da superfcie do reforo. A preponderncia de um

ou de outro efeito sobre o valor resultante da resistncia ao arrancamento depende da

relao entre a abertura da geogrelha, do tipo de solo, mais especificamente de sua

granulometria, dentre outros, como mostrado por Jewell et al. (1984).

2.4.1- MECANISMO DE TRANSFERNCIA DE CARGA GEOGRELHA

SOLO

Como apresentado por Palmeira (1987), alguns resultados de observaes com

ajuda de fotoelasticidade, obtidos inicialmente por Dyer (1985), em ensaios de

arrancamento realizados em solo granular constitudo de particulas de vidro,

possibilitaram a obteno das seguintes concluses:

independente do nvel de carregamento aplicado, quando os elementostransversais esto afastados entre si, eles comportam-se como isolados e o esforo

de resistncia ao arrancamento fica igualmente repartido entre eles;

quando os elementos transversais esto prximos o mesmo no ocorre, havendoum desequilbrio entre as parcelas do esforo resistidas por cada elemento, sendo

mais solicitado aquele que est mais prximo ao ponto de aplicao do esforo;

no caso de grelhas com um grande nmero de elementos transversais, a medidaque se afasta do ponto de aplicao do esforo de arrancamento, a parcela

resistida por cada elemento cada vez menor.

Quando o reforo composto de material polimrico, assim como as geogrelhas,

bem mais deformvel que o ao, se observa que os elementos no se deslocam de modo

semelhante, havendo uma distribuio decrescente de deslocamentos desde o elemento

22

mais prximo ao ponto de aplicao do esforo de arrancamento at o mais afastado,

Figura 2.9. As parcelas de carga resistidas pelos elementos no sero iguais e a ruptura no

ocorre de forma generalizada, envolvendo todo o solo contido pela geogrelha, mas de

forma progressiva, iniciando no elemento de solo solicitado pelo elemento transversal

mais prximo ao ponto de aplicao do esforo de arrancamento e, em seguida, no

elemento vizinho, um aps outro, at aquele mais afastado, quando ento ocorre a ruptura

generalizada (Amorim Jr., 1992).

A Figura 2.9 mostra a fora de arrancamento aplicada em funo dos

deslocamentos em diversos ns, ou junes, de uma geogrelha submetida ao

arrancamento. Os ns esto enumerados de forma crescente a partir do ponto de

aplicao do esforo de arrancamento.

Figura 2.9- Relao entre a fora de arrancamento e o deslocamento de vrias junesentre elementos transversais e longitudinais. (Ochiai et al., 1996)

A magnitude da resistncia ao cisalhamento mobilizada ao longo da interface

soloreforo depende sobretudo do tipo de reforo. No caso de geogrelha, a resistncia

ao arrancamento primeriamente mobilizada pelos atrito e adeso superficial, que

precisam apenas de um pequeno deslocamento relativo para serem totalmente

mobilizados. A resistncia passiva mobilizada posteriormente e ocorre para maiores

deslocamentos (Farrag et al., 1993), principalmente para geogrelhas que possuem

elementos transversais com pequena rigidez flexo. O atrito de interface entre solo e

geogrelha depende do tipo de solo e da rugosidade da geogrelha enquanto a contribuio

da resistncia passiva do solo aos elementos transversais depende de muitos fatores como

23

a tenso de confinamento, geometria da geogrelha e da relao de dimetros (a razo entre

o tamanho mdio dos gros do solo e o tamanho das aberturas da geogrelha).

Apesar do grande nmero de parmetros que influenciam na resistncia ao

arrancamento de geogrelhas, de uma forma simplificada, a capacidade do geossinttico

resistir ao arrancamento comumente calculada usando-se a seguinte equao emprica:

tg2 fAT (2.1)

em que: T a resistncia de arrancamento, A a rea plana da geogrelha inserida no solo,

f o coeficiente de interao sologeogrelha, a tenso normal efetiva na geogrelha e o

ngulo de atrito efetivo do solo.

O valor de f depende de: a) porcentagem de rea aberta da geogrelha; b)

coeficiente de atrito na interface sologeossinttico; c) nmero, comprimento e altura dos

elementos trasversais; d) rigidez flexo dos elementos transversais da geogrelha; e)

relao entre dimetro dos gros do solo e a abertura da malha da geogrelha e f)

comprimento enterrado.

A Equao 2.1 muito simplista e considera as parcelas de resistncia passiva e de

interface empiricamente; no permite que se faa uma avaliao destes fatores

separadamente. Entretanto essa equao de utilizao muito comum na prtica da

engenharia.

2.4.2- RESISTNCIAS POR ATRITO E ADESO

A resistncia ao arrancamento de geogrelhas, como mencionado, composta das

parcelas de adeso, atrito e resistncia passiva oferecida pelo solo aos elementos

transversais. As duas primeiras parcelas so as que esto mais entendidas do ponto de

vista de previso e comportamento, devido maior simplicidade que elas apresentam para

serem modeladas e terem seus comportamentos verificados experimentalmente.

A parcela de resistncia ao arrancamento devido ao atrito na interface solo

reforo, Tf, segundo a proposta de Jewell (Jewell et al. 1984), desenvolvida para o

dimensionamento de estruturas de conteno em solos granulares, pode ser apresentada

da seguinte forma:

24

tg2 sf AT (2.2)

sendo: A a rea de uma das faces ancoradas da geogrelha; a tenso normal atuante ao

nvel da incluso; s a relao entre rea cheia e a rea total de uma face da geogrelha e o

ngulo de atrito da interface soloincluso. A constante 2 aparece no incio da equao

para considerar que a resistncia por atrito de desenvolve nos dois lados da incluso.

Solos finos, que tambm apresentam coeso, podem fornecer um adicional de

resistncia devido adeso de suas partculas na superfcie da geogrelha. A Equao 2.2

pode ser incrementada de mais uma parcela para considerar a adeso na interface solo

geossinttico e assumir a seguinte forma:

tg2 sf AT (2.3)

sendo a adeso sologeogrelha

Os parmetros de resistncia de interface podem ser obtidos a partir de ensaios de

cisalhamento direto na interface soloincluso. Para determinar esses parmetros,

importante que a superfcie cisalhada, que representa a interface sologeogrelha, seja

completamente coberta pelo geossinttico.

2.4.3- RESISTNCIA PASSIVA DOS ELEMENTOS TRANSVERSAIS

A avaliao da resistncia passiva oferecida pelos elementos transversais das

geogrelhas mais complexa que a da parcela de resistncia de interface, mas a pode ser

feita considerando os elementos transversais como uma srie de sapatas alongadas,

sucessivas e que fazem 90 com a direo do arrancamento (Bergado et al., 1994). A

resistncia passiva depende fundamentalmente da geometria de grelha e do tipo de solo

que a envolve.

Chang et al. (1995), com base em dados de testes, afirmam que a resistncia

passiva do solo o principal contribuinte para a resistncia ao arrancamento de geogrelhas

polimricas em solos granulares e pedregulhos, sob confinamento mediano, devido ao

imbricamento promovido pelas aberturas da grelha. Em solos com granulometria fina sob

25

confinamento mediano, entretanto, a parcela de resistncia ao arrancamento composta

pela resistncia passiva pode ser bem diferente.

Bergado et al. (1993) mostram que o mecanismo de ruptura por arrancamento

uma funo da relao S/D (espaamento dos elementos transversais / dimetro destes

elementos), do teor de umidade do solo e da rigidez do solo quando comparada com a

dos elementos transversais. Aumentos do teor de umidade, da tenso normal vertical ou

da relao S/D conduzem a mecanismos de ruptura que se aproximam de uma ruptura

geral. Esses autores ensaiaram geogrelhas de ao com elementos transversais bastante

espessos e obtiveram que a carga resistida pelos elementos transversais de grelhas

constituem entre 85% a 90% da resistncia total ao arrancamento, enquanto a resistncia

de interface dos elementos longitudinais contribui com o restante.

Com geogrelhas polimricas extensveis, entretanto, a relao entre resistncia

passiva e resistncia de interface pode ser diferente daquelas encontradas para grelhas de

ao. A Figura 2.10 apresenta os resultados de ensaios de arrancamento realizados em

geogrelhas com e sem elementos transversais. Os resultados aparentemente fornecem

uma idia da contribuio da resistncia passiva dos elementos transversais para a

resistncia ao arrancamento total. Esta anlises, entretanto, deve ser feita cuidadosamente,

visto que ao se retirar os elementos transversais da geogrelha se obtm uma incluso com

outra geometria. Assim, a configuraes de tenses normais no interior do solo pode ser

bastante diferente nos dois casos.

Apesar disso, verifica-se que a resistncia oferecida pela geogrelha sem elementos

transversais bem prxima da oferecida pela geogrelha com estes elementos. Nota-se

tambm que o pico de resistncia ao arrancamento das geogrelhas com elementos

transversais ocorre para nveis de deslocamentos maiores que para geogrelha sem

elementos trasversais. O nvel de deslocamento necessrio para mobilizar a resistncia

passiva dos elementos transversais pode variar com uma grande diversidade de fatores

como o tipo de geogrelha, o tipo de solo, a presso confinante, etc.

Dados experimentais de Lopes & Moutinho (1997) mostram que ao dos

elementos transversais produz curvas fora de arrancamento versus deslocamento da

26

geogrelha com um pico de ruptura caracterstico de materiais de comportamento do tipo

frgil, para o que contribuem tambm o tipo de solo e seu grau de compactao.

Figura 2.10- Efeito dos elementos transversais na curva fora vs.deslocamento (Farrag et al., 1993)

Mineiro (s/d) apresenta um modelo para clculo de tirantes ancorados por um

elemento tridimensional que pode ser utilizado para simular um elemento transversal de

geogrelha submetido ao arrancamento. Ele considera o elemento de ancoragem como

uma sapata assente em profundidade e sugere que se utilize uma formulao convencional

para o clculo da capacidade de carga da sapata para esse caso.

Outros modelos tericos de previso da resistncia passiva so tambm

encontrados na literatura. Dentre eles cita-se o de Jewell et al. (1984) estabelecido para

geogrelhas trabalhando em condies drenadas. Dois modos de ruptura associados ao

mecanismo de resistncia passiva foram propostos para estimar a mxima resistncia ao

arrancamento, e so chamados de modo de ruptura geral e modo de ruptura por

puncionamento, os quais fornecem os limites superior e inferior para os valores obtidos

experimentalmente nos testes de arrancamento.

A expresso de resistncia passiva para o primeiro mecanismo baseada nas

equaes de capacidade de carga de Terzaghi - Buisman, para o segundo, no modo de

ruptura por puncionamento de fundaes rasas. A resistncia passiva Tp para o primeiro

mecanismo dada por:

27

qcp NcNDWN

T

(2.4)

em que N,W e D so respectivamente o nmero, o comprimento e espessura dos

elementos transversais da grelha, c o intercepto de coeso do solo, a tenso normal

vertical e Nq e Nc so os fatores de capacidade de carga dados por:

)2/45(tge 2tg qN (2.5)

cotg)1( qc NN (2.6)

sendo o angulo de atrito interno do solo.

Estas equaes fornecem uma envoltria superior para a resistncia passiva

oferecida pelo solo aos elementos transversais das geogrelhas (Palmeira & Milligan, 1989b;

Jewell, 1990 e Shivashankar, 1991). A equao para o clculo da resistncia para o segundo

mecanismo, Figura 2.11, tem a mesma forma da equao anterior, mas os fatores Nq e Ncso substitudos por.

)2/45tg(e tg)2/(1

qN (2.7)

cotg)1( 11 qc NN (2.8)

Figura 2.11- Mecanismo de ruptura por puncionamento (Jewell et al., 1984).

28

Estas equaes fornecem uma envoltria inferior para a resistncia ao

arrancamento de elementos transversais de geogrelhas submetidos ao arrancamento

(Palmeira & Milligan, 1989a; Jewell, 1990; Shivashankar, 1991).

2.4.4- EFEITO DAS PROPRIEDADES DA INCLUSO

Na atualidade, a maioria das geogrelhas utilizadas so fabricadas com polmeros,

sendo bastante restrito o uso das metlicas. Os distintos mtodos de fabricao das

polimricas: elementos termosoldados, tecidas, mantas perfuradas com posterior distenso

uni ou bi axial, etc., promovem diferenas na geometria da geogrelha que influenciam mais

acentuadamente na interao sologeogrelha do que o tipo de material que a compem

(metal, polipropileno, polister ou outro polmero). Resultados de ensaios de uma srie de

pesquisadores (Bergado et al. 1993; Palmeira, 1987; Lopes & Moutinho 1997) vem

mostrando que a espessura dos elementos transversais o fator de maior influncia da

resistncia ao arrancamento seguido de outros fatores como a rigidez da grelha trao, a

rugosidade do material, etc.

Com o avanar da qumica dos polmeros e tecnologia de fabricao, hoje j se

dispem de geogrelhas com resistncias trao superiores a 3.000 kN/m, cujos os

elementos longitudinais so tiras de polmeros com largura superior a 80 mm e os

espaamentos entre elementos transversais ultrapassa 400 mm. O comportamento destes

produtos em ensaios de arrancamento pode se mostrar ligeiramente diferente do

comportamento de geogrelhas convencionais. Amorim Jr., (1992) recomenda que, nestes

tipos de materiais, no sejam executados ensaios de arrancamento usando corpos de prova

com menos de 1000 mm de comprimento.

Bergado et. al., (1993) realizaram testes de arrancamento de grande porte para

investigar a interao entre diferentes tipos de reforo e um solo atritivo e coesivo. Os

reforos usados foram grelhas de ao, de bambu e geogrelhas polimricas. Os resultados

mostram que os reforos inextensveis, como os de ao e bambu, se movimentam como

um corpo rgido durante o teste de arrancamento e a resistncia mxima obtida para

pequenos deslocamentos. Para reforos extensveis, como as geogrelhas polimricas, o

grau de mobilizao da resistncia varia ao longo do reforo e a mxima resistncia

controlada pela rigidez do reforo. Para grelhas de ao, a resistncia por atrito e adeso

dos elementos longitudinais contribuem com cerca de apenas 10% da resistncia total. A

29

resistncia a arrancamento de grelhas polimricas e de bambu sem elementos transversais

corresponde de 80 a 90% da resistncia ao arrancamento total da geogrelhas com

elementos longitudinais e transversais.

Bauer & Shang, (1993), fazendo referncia ao tipo de incluso, recomendam que

tanto a capacidade do reforo promover uma boa ancoragem quanto a sua rigidez trao

devem ser considerados na verificao da ruptura por arrancamento e na ruptura do

material no sistema soloreforo durante o dimensionamento de estruturas em solo

reforado.

2.4.5- EFEITO DO TIPO DE SOLO

O estudo do efeito do tipo de solo no comportamento de geogrelhas submetidas

ao arrancamento geralmente feito considerando-se duas classes extremas de solos: os

granulares e os argilosos. A maioria dos solos empregados na engenharia geotcnica se

situa numa classe intermediria, apresentando caractersticas comuns aos solos argilosos e

aos granulares, devendo ser encarados como possuindo as propriedades de ambos,

diferenciando-se pela ponderao das caractersticas de uma ou outra classe.

Alguns resultados de ensaios de arrancamento em geogrelhas inseridas em

diferentes tipos de solo, obtidos por Chang et. al., (1995), mostram que as discrepncias

encontradas entre solos granulares em comparao aos solos finos se devem

principalmente ao tamanho dos gros que preenchem os vazios das geogrelhas.

A Figura 2.12 compara a resistncia total de duas grelhas sob diferentes tenses

normais e em diferentes solos. A resistncia ao arrancamento das grelhas aumenta com o

aumento do confinamento, mas as taxas de crescimento so diferentes dependendo do

tipo de solo. Os solos arenosos fornecem maiores taxas de crescimento enquanto o solo

fino as menores. O atrito sologeogrelha, o atrito interno do solo e os fatores de

capacidade de carga esto intimamente relacionados com a resistncia ao arrancamento.

Os fatores de capacidade de carga crescem com o aumento do ngulo de atrito interno do

solo e, consequentemente, a resistncia ao arrancamento tambm cresce (Chang et. al.,

1995).

30

Figura 2.12- Resistncia ao arrancamento em funo da tenso confinante, para vriossolos (Chang et. al., 1995).

a- Solos granulares

A anlise da resistncia ao arrancamento de solos granulares sempre feita

considerando-se uma condio drenada, sendo mais simples e mais geral que para os solos

argilosos, pois so consideradas apenas as parcelas devido ao atrito e resistncia passiva

do solo, desprezando-se a adeso de interface e as poropresses.

Para o caso de solos granulares, a abertura das geogrelhas pode permitir que

partculas de solo encaixem-se entre as nervuras, aumentando assim sua resistncia ao

arrancamento. A resistncia da interface sologeogrelha depende do tipo de solo, da

rugosidade da superfcie da geogrelha e do confinamento, enquanto que a contribuio da

resistncia passiva do solo para a resistncia ao arrancamento global depende de muitos

fatores assim como a tenso de confinamento, a geometria da geogrelha, a razo de

dimetros (a razo entre o tamanho mdio dos gros do solo e o tamanho das aberturas

da geogrelha), etc. (Farrag et al., 1993).

Solos granulares bem graduados oferecem, ainda, uma resistncia maior que os

solos mal graduados, pois alm dos solos bem graduados apresentarem um melhor

intertravamento entre os seus gros, os gros maiores deslizam com maior dificuldade

quando empurrados pelos elementos transversais. Os gros maiores movimentam-se de

encontro os gros menores formando progressivamente uma massa firme de solo em

frente aos elementos transversais, o que promove uma maior resistncia passiva e, por

conseqncia, uma maior resistncia ao arrancamento.

31

Lopes & Moutinho, (1997) realizaram ensaios de arrancamento em geogrelhas

utilizando dois tipos de solos granulares: um arenoso e um arenopedregulhoso e

verificaram que o solo arenopedregulhoso promove uma resistncia ao arrancamento na

ordem de 50% maior que a do solo arenoso. Verificaram ainda que, quando se aumenta a

densidade do solo, a sua resistncia ao arrancamento tambm aumenta, o que pode ser

traduzido como a possibilidade de reduo do comprimento de ancoragem do reforo em

estruturas de solo reforado.

b- Solos coesivos

Em solos coesivos saturados, o surgimento e a dissipao de presses neutras na

interface soloincluso tem influncia direta na resistncia ao arrancamento. Os

parmetros de projeto para as condies de curto prazo, no drenadas, e de longo prazo,

drenadas, devem ser convenientemente avaliados para que se desenvolvam projetos

racionais.

Christopher & Berg (1990) estudaram o arrancamento de geogrelhas em

diferentes solos coesivos em condies drenadas e no drenadas. Seus resultados indicam

que a variao do teor de umidade resulta significativas variaes na resistncia ao

arrancamento. Os autores fazem ainda uma srie de inferncias a respeito do

arrancamento de geogrelhas em solos finos:

necessrio mensurar os deslocamentos ao longo do comprimento do reforopara se obter uma exata interpretao dos resultados do ensaio de arrancamento

em argilas, especialmente para testes de longo prazo, visto que as presses neutras

ao longo da incluso variam com o tempo;

a dissipao das presses neutras ao longo do comprimento da geogrelha ensaiadadeve ser medida para avaliao exata dos parmetros de arrancamento e;

os mtodos usuais de projeto so aparentemente conservativos na avaliao doarrancamento em solos finos, pois se despresa a coeso do solo.

Ingold (1980) admitiu que a resistncia ao arrancamento de uma geogrelha em

condies no drenadas poderia ser expressa por uma equao de formato similar

32

postulada para resistncia ao arrancamento em condies drenadas. Entretanto, Ingold

(1983b) mostra que para uma anlise em termos de tenses totais, necessrio se

considerar os efeitos de adeso na rea superficial da grelha paralela direo da fora de

arrancamento. Assim, a fora T de arrancamento pode ser expressa como:

suuc acacNT (2.9)

sendo a o somatrio das reas dos elementos normais direo do arrancamento e aso somatrio das reas superficiais dos elementos paralelos direo do arrancamento. O

coeficiente o fator de adeso superficial.

O fator de adeso aparente *, definido como a relao da tenso de

cisalhamento na superfcie total (rea cheia mais vazios) e a resistncia no drenada ao

cisalhamento, pode ser determinado experimentalmente e tem a seguinte forma:

)(2*

ucAT

(2.10)

sendo A a rea total da geogrelha embutida no solo podendo-se tambm, pela

combinao das equaes, ser dado por:

A

aaN sc

2*

(2.11)

O valor de * obtido pelas Equaes 2.10 e 2.11 um limite superior para o fator

de adeso. O autor admite, entretanto, que a teoria apresentada muito bsica e

negligencia uma srie de pontos importantes como, por exemplo, o efeito da tenso

confinante quando o espaamento dos elementos transversais est abaixo de um valor

crtico e tambm o espaamento entre elementos longitudinais, que devem estar coerentes

com a resistncia da grelha, suficiente para transmitir altas cargas de arrancamento.

Apesar da aparente simples obteno do parmetro , o seu uso no

dimensionamento de estruturas em solo reforado requer pesquisas adicionais. Ingold

(1983b) investigou os parmetros de cisalhamento de geogrelhas segundo trs tipos de

ensaios: arrancamento, cisalhamento direto e cisalhamento com o reforo inclinado em

33

relao ao plano de corte. Seus resultados indicam que os fatores de adeso so altamente

dependentes do mtodo do teste, sendo que o ensaio de arrancamento fornece os

menores valores.

2.4.6- EFEITOS DO CONFINAMENTO E DA DILATNCIA

A resistncia ao cisalhamento dos solos granulares altamente influenciada pela

densidade e confinamento. Sob confinamento elevado, os solos tendem a apresentar uma

ruptura tipo plstica, caracterstica de solos fofos, que se contraem ao serem cisalhados.

Sob baixo confinamento, os solos compactos dilatam-se ou tendem a dilatar-se. Para

dilatar, precisam realizar um trabalho adicional em relao ao esforo normal aplicado. A

Figura 2.13 ilustra o modelo do dente de serra para a dilatncia dos solos.

Figura 2.13- Modelo do dente de serra para a dilatncia (Houlsby , 1991).

Considerando o deslizamento em um plano rugoso que tem ngulo de atrito de

interface vc, representado pelos dentes de serra que fazem um ngulo com a horizontal,

pode-se dizer que a relao entre as tenses normais e cisalhantes dada por:

)tan('tan

vc

n

(2.12)

sendo o ngulo de atrito aparente da interface, dado por (vc + ) e vc o ngulo de

atrito da interface na situao de cisalhamento a volume constante. Assim, verifica-se que

o ngulo de atrito aparente de interface maior que o ngulo de atrito a volume constante.

Solos coesivos compactos tambm dilatam a baixas e mdias tenses de

confinamento. Se a dilatncia restringida, a tenso de confinamento ao longo da

interface incrementada at um estado no qual ocorre ruptura sem variao de volume

chamado de estado crtico (Farrag et. al., 1993).

34

Da mesma maneira, quando as incluses em um macio de solo denso so

solicitadas ao arrancamento, sob tenses de confinamento moderadas, o solo tende a

dilatar-se medida que os deslocamentos so mobilizados ao longo do reforo. Nessa

situao, o solo envolvendo a interface soloreforo pode ser impedido de se dilatar, de

forma a se promover um aumento na tenso de confinamento. A magnitude da restrio

dilatncia depende do tipo de teste (deformao controlada ou carga controlada), da

densidade do solo, da espessura do solo e da tenso de confinamento. O resultado da

dilatncia impedida um aumento na parcela de resistncia por atrito e,

consequentemente, na resistncia total.

O efeito da dilatncia impedida dos solos na interao soloreforo sob condies

de campo foi observado inicialmente por Guilloux et al., (1979) baseado em ensaios de

arrancamento em incluses metlicas inseridas em um aterro de areia. Alfaro et al., (1995)

posteriormente props um modelo conceitual da interao soloreforo baseado na

dilatncia impedida do solo. Neste modelo, a resistncia total ao arrancamento de uma

geogrelha inextensvel est relacionada a um mecanismo de interao bidimensional

combinado com um tridimensional. Este modelo conceitual do mecanismo de interao

est ilustrado na Figura 2.14 e pode ser estendido para ensaios de arrancamento em

elementos transversais de geogrelhas rgidas.

Um

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