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Mestrado em Engenharia Civil
2011 / 2012
Jorge Almeida e Sousa
Reabilitação e Reforço de EstruturasAula 18: Melhoramento e reforço de solos.
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Definição de Solo
� Conjunto natural de partículas minerais, podendo os espaços entre elas (vazios)
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estarem prenchidospor água e ar, separadamente ou em conjunto
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Caracterização Laboratorial
� Índices físicos - grandezas que relacionam os volumes e os pesos dos diferentes constituintes de um solo e que permitem descrever o seu estado
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um solo e que permitem descrever o seu estado físico.
�Composição granulométrica - distribuição em percentagem ponderal das partículas de um solo de acordo com as suas dimensões
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Índices Físicos
� Determinação experimental de três:- peso volúmico (γ = P/V)- teor em água (w = Pw/Ps)- densidade das partículas (γs/γw)
� Os outros são determinados através de
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� Os outros são determinados através de expressões matemáticas:
- índice de vazios (e = Vv/Vs)
- porosidade (n = Vv/V)- grau de saturação (S = Vw/Vv)- peso volúmico seco (γd = Ps/V)
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Composição Granulométrica
30405060708090
100%
Mat
eria
l Pas
sado
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0102030
0,001 0,01 0,1 1 10
Diâmetro das Partículas (mm)
% M
ater
ial P
assa
do
� Peneiração� Sedimentação
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Areias – Solos Grossos
� Solos muito permeáveis
� Comportamento controlado pelas forças
� Índice de compacidade
%100max ×−
−=ee
eeID
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controlado pelas forças de gravidade, logo pelo tamanho das partículas e pela forma como elas se arrumam
%100minmax
×−
=ee
ID
emax emin calculados experimentalmente
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Areias –SolosGrossos
� Classificação de acordo com a compacidade
- muito solta (0 < ID < 15)- solta (15 < I < 35)
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- solta (15 < ID < 35)- medianamente compacta (35 < ID < 65)- compacta (65 < ID < 85)- muito compacta (ID > 85)
Qual a relação entre a compacidade de uma areia e as suas características mecânicas?
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Argilas – Solos Finos
� Solos muito pouco permeáveis� Comportamento controlado pelas forças eléctricas
que se manifestam à superfície das partículas de argila
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argila� Camada de água adsorvida (responsável pelo
carácter plástico destes solos)� Grande variação do índice de vazios (emax pode ser
bem maior que 1)� Determinação dos limites de consistência
(wL= limite de liquidez e wP= limite de plasticidade)
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Argilas – Solos Finos
� Índice de consistência
PL
LC ww
wwI
−−=
• Classificação de acordo com a consistência
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• Classificação de acordo com a consistência- muito mole (0 < IC < 0,25)- mole (0 < IC < 0,25)- média (0 < IC < 0,75)- dura, muito dura, rija (IC > 0,75)
Qual a relação entre a consistência de uma argila e as suas características mecânicas ?
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Caracterização no Campo
ENSAIOS de PENETRAÇÃO
- Dinâmica (SPT)
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- Dinâmica (SPT)
- Estática (CPT/CPTu)
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Ensaio SPT
Caracterização no Campo
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Reabilitação e Reforço de Estruturas
� Colheita de amostras remexidas
Ensaio SPT
Caracterização no Campo
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� O resultado do ensaio traduz-se no número de pancadas necessárias para que o amostrador penetre 30 cm no terreno (N)
Reabilitação e Reforço de Estruturas
� AREIAS N Compacidade
0-3 Muito solta
3-8 Solta
Caracterização no Campo
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3-8 Solta
8-25Medianamente compacta
25-42 Compacta
>42 Muito compacta
Reabilitação e Reforço de Estruturas
� ARGILASN Consistência
0-2 Muito mole
2-4 Mole
Caracterização no Campo
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2-4 Mole
4-8 Média
8-15 Dura
15-30 Muito dura
30-60 Rija
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Solos a Tratar
� Areias soltas a muito soltas- resistência baixa- compressíveis- alta permeabilidade- potencial de liquefacção
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- potencial de liquefacção
� Argilas moles a muito moles- resistência muito baixa- muito compressíveis- deformações diferidas no tempo
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Melhoramento e Reforço de Solos
� FACTORES QUE TÊM CONTRIBUÍDO PARA O USO INTENSIVO DE TÉCNICAS QUE PERMITEM A MELHORIA DAS CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS
- crescente utilização de solos “pobres” para fundar estruturas cada vez mais “pesadas”
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cada vez mais “pesadas”- cada vez maior utilização dos solos como material de construção, dada a sua durabilidade, a sua abundância e o facto de ser um material económico- introdução de novos métodos e de novos materiais- avanço do conhecimento teórico dos fenómenos envolvidos na utilização de cada uma das técnicas
Reabilitação e Reforço de Estruturas
� MELHORAMENTOTécnicas que por efeito físico, efeito químico ou efeito mecânico alteram alguma ou algumas das propriedades intrínsecas dos solos
Melhoramento e Reforço de Solos
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� REFORÇOTécnicas que introduzem determinados elementos resistentes que tornam possível que o maciço suporte determinadas solicitações às quais por si só não está habilitado a resistir
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Técnicas de Melhoramento
� Aceleração da Consolidação
� Rebaixamento do Nível Freático
Densificação
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� Densificação
� Tratamentos Térmicos
� Tratamentos Químicos
� Injecções
Reabilitação e Reforço de Estruturas
� ALGUNS FACTORES A TER EM CONTA NA ESCOLHA DA TÉCNICA
- tipo de solo e condições hidrológicas- tipo e grau de melhoramento pretendido
Técnicas de Melhoramento
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- custos previstos e tempo disponível- riscos de danificação ou de contaminação- possibilidade de controlo- experiência anterior de utilização- equipamento e materiais disponíveis
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Aceleração da Consolidação
� Sobrecarga
Drenos Verticais
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� Drenos Verticais
� Electro-Osmose
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Sobrecarga
Técnica de acelerar a consolidação de um estrato pouco permeável, baseada
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permeável, baseada no facto de o tempo que a consolidação demora a processar-se ser independente da carga aplicada
Reabilitação e Reforço de Estruturas
� A sobrecarga deverá estar aplicada o tempo necessário para que o assentamento atingido,
0
120
carg
a
Sobrecarga
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assentamento atingido, alcance o valor do assentamento final por consolidação para a carga final
0 25tempo
0
160
0 200tempo
ass
ent
am
ento
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Drenos Verticais
� A instalação de drenos verticais acelera a consolidação por:- passar a haver um escoamento radial para os drenos
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radial para os drenos- o percurso que a água tem que percorrer é encurtado- a velocidade do escoamento radial é maior por os solos apresentarem, em geral, maior permeabilidade na direcção horizontal
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Tipo de dreno
Instalação dos drenos
Drenos Verticais
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Instalação dos drenos
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Densificação
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� Compactação de aterros� Vibrocompactação� Compactação dinâmica� Compactação com explosivos
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Vibrocompactação
� O que é?- densificação do terreno que se consegue à custa da acção combinada da vibração do terreno e da sua saturação
� Como se vibra o terreno?
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� Como se vibra o terreno?- utilizando um vibrador, que é um corpo tubular de aço suspenso de uma grua móvel e dotado de uma ponta de tungsténio que transmite vibrações de frequência regulável e está preparado para injectar água pela ponteira
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Vibrocompactação
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� Penetração conseguida à custa do próprio peso e da injecção da água sob pressão
� Compactação que é realizada por estágios sucessivos desde a profundidade definida até à superfície
� Adição de material por solo seleccionado (A) ou por solo local (B) de forma a fechar a depressão cónica que se vai formando à volta do vibrador
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Vibrocompactação
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Por que é baixa a eficiência do tratamento em solos com finos?
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Injecções
� Injecções de permeabilidade
� Injecções de compactação
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� Injecções de compensação
� Jet-gouting
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Injecções de Compactação
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� Uma calda muito viscosa é bombada em fases sucessivas formando bolbos, os quais deslocam e densificam o solo envolvente� A velocidade de injecção deve ser suficientemente baixa para
permitir a dissipação dos excessos de pressão neutra � A tensão vertical no estrato a tratar deve ser suficiente para impedir o
levantamento incontrolado da superfície
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Injecções de Compensação
ESTAÇÃO BAIXA-CHIADO
METRO LISBOA
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Reabilitação e Reforço de Estruturas
Injecções de Compensação
� Os assentamentos máximos resultantes da escavação da cavidade oriental ficaram próximos das previsões com modelos numéricos.� O mesmo não ocorreu com as distorções, muito
superiores ao esperado com modelos numéricos
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superiores ao esperado com modelos numéricos (cerca de 1/300).� Foi decidido implementar um processo de injecções
de compensação, que permitiu criar uma estrutura semelhante a uma laje, compensando parcialmente as deformações induzidas pela escavação da cavidade ocidental.
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Injecções de Compensação
-20
0
20
17 D
ez
05 F
eb
26 M
ar
15 M
ai
04 J
u l
23 A
go
12 O
ut
01 D
ez
[mm]
Tempo
33/452011/2012
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
0 10 20 30 40 50 60 70 80
-120
-100
-80
-60
-40
Assentamento esperadosem tratamento
Assentamento comcompensação
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Jet-grouting
� O que é?- técnica de melhoria dos solos realizada directamente no interior dos terrenos, utilizando para tal um ou mais jactos horizontais de grande velocidade (cerca de 250 m/s) que aplicam a sua elevada energia cinética na desagregação do terreno natural e na mistura da calda
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desagregação do terreno natural e na mistura da calda de cimento com as partículas de solo desagregado, dando origem a um material de melhores características mecânicas e praticamente impermeável.
� A que tipo de solos se aplica?- contrariamente ao que acontece com as injecções tradicionais, esta técnica é aplicável a todos os tipos de solos
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Jet-grouting
� ETAPAS DO PROCESSO FÍSICO- Corte : a estrutura inicial do solo é destruída e as partículas ou fragmentos do solo são dispersos pela acção de um ou mais jactos horizontais- Mistura e substituição parcial : uma parte das partículas ou
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- Mistura e substituição parcial : uma parte das partículas ou fragmentos do solo é substituída e a outra parte é misturada com a calda injectada- Cimentação : as partículas ou fragmentos do solo são aglutinadas entre si pela acção auto-endurecedora da calda, formando um corpo consolidado
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Jet-grouting
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� Introduz-se a vara no terreno através de um movimento rotacional e com a ajuda de um jacto de água vertical� Imprime-se à vara um movimento rotacional e inicia-se a
bombagem de calda no seu interior, ao mesmo tempo que a vara é elevada através do furo com uma velocidade constante� Concluída a execução da coluna, retira-se a vara do furo,
preenchendo este de calda por gravidade até ao seu topo
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Jet-grouting
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� Jet 1 – um ou mais jactos de calda de cimento (apenas utilizado nos solos mais soltos ou mais moles)� Jet 2 – ar comprimido envolve o jacto de calda, fazendo aumentar o
seu alcance (utilizadas 2 varas coaxiais)� Jet 3 – jacto de ar comprimido envolvendo um jacto de água,
utilizado para destruir a estrutura do terreno, e jacto de calda injectado num 2º bico posicionado abaixo do bico injector de ar e água (utilizadas 3 varas coaxiais)
Reabilitação e Reforço de Estruturas
�Factores que afectam o diâmetro e as propriedades mecânicas das colunas- tipo de solo- pressão e caudal do fluído aglutinante
Jet-grouting
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- pressão e caudal do fluído aglutinante- número e diâmetro dos bicos de injecção- relação água/cimento do fluído aglutinante- velocidade de subida e de rotação da vara- pressão e caudal do ar comprimido- pressão e caudal da água
Reabilitação e Reforço de Estruturas
ALGUMAS APLICAÇÕES
Jet-grouting
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Reabilitação e Reforço de Estruturas
Aplicação na Estação do Terreiro do Paço
Jet-grouting
40/452011/2012
Reabilitação e Reforço de Estruturas
A
A
frenteda escavação
betãoprojectado
perfil teóricoda escavação
SECÇÃO LONGITUDINAL
Aplicação em Túneis
Jet-grouting
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colunassub-horizontais
sub-verticaiscolunas
CORTE A-A
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Técnicas de Reforço
REFORÇO Aplicações mais comunsESTACAS Estabilização de taludes naturais e
encostas
MICROESTACAS Reforço de fundações de estruturas e estabilização de taludes naturais
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COLUNAS DE BRITA Reforço de fundações de estruturas e de aterros
TERRA ARMADA Estruturas de suporte de terras e encontros de pontes
PREGAGENS Contenção de escavações e estabilização de taludes naturais
GRELHAS PLÁSTICAS Estruturas de suporte de terras. Reforço de fundações de estruturas e de aterros.
Reforço de aterrosMANTAS GEOTEXTEIS
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Colunas de Brita
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- penetração do vibrador - que tem na sua extremidade superior um crivo e uma tremonha para a alimentação da brita - é feita de forma idêntica à vibrocompactação
- subida ligeira do vibrador ficando a brita colocada no espaço livre, seguida da sua descida para expandir a brita contra o solo, compactando-os
- a coluna é assim feita por troços sucessivos
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Colunas de Brita
� A utilização das colunas de brita- reduz o assentamento da fundação- aumenta a sua capacidade de carga- reduz o risco de liquefacção
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- reduz o risco de liquefacção- acelera a consolidação
� Qual o mecanismo de interacção solo-reforço?
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Geossintéticos
Qual o mecanismo de interacção solo-reforço?
Aplicação como reforço de fundações
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B
D
H
Compactedgranular fill
Weak subgrade
1
2
3 With geosynthetic
Without geosynthetic
H/B