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Solues de escavao e conteno perifrica intersectando
o nvel fretico
Joo Borrego Aldeias
Dissertao para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Civil
Jri
Presidente: Professor Jaime Alberto dos Santos
Orientador: Professor Alexandre da Luz Pinto
Vogal: Professor Rui Pedro Carrilho Gomes
Julho de 2011
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AGRADECIMENTOS
Quero dedicar esta pgina, a todos os que, directa ou indirectamente, prestaram a sua preciosa e
indispensvel contribuio, com a qual enriqueceram e tornaram possvel a realizao deste grande desafio.
Em primeiro lugar, ao Prof. Alexandre Pinto, pela sua disponibilidade em ser o orientador cientfico da
minha Dissertao e pela inexcedvel amabilidade e pacincia que sempre teve quando por mim solicitado. A
sua sabedoria, sentido crtico e alta capacidade para ensinar criaram em mim um gosto especial pela
Geotecnia, sendo determinantes para ter escolhido tal ramo no Curso. O meu obrigado!
Ao meu primo Carlos Aldeias e ao Eng. Ricardo Encarnao, da Mota-Engil, por toda a informao prestada
acerca da obra estudada nesta Dissertao, relativa construo do Champalimaud Centre for the Unknown.
Sem a sua extraordinria ajuda era-me impossvel ter visitado tal obra ao longo dos seus trabalhos, nem ter
recolhido a informao suficiente para ser possvel analisa-la.
Ao Eng. Hugo Nascimento, da Mota-Engil, pela sua disponibilidade, simpatia e indicaes nas duas visitas
que fui por ele acompanhado.
s professoras Laura Caldeira e Rafaela Cardozo por todos os conhecimentos transmitidos, nomeadamente
na rea dos solos no saturados. Sem a sua ajuda, esta Dissertao ficaria com certeza mais pobre. A simpatia
que sempre me demonstraram e a vontade de ajudar nunca sero esquecidas.
Ins Antunes pela grande ajuda que me deu na reviso de alguns textos.
Aos meus amigos de Curso, pelos bons anos que passei na sua companhia e que sempre me apoiaram em
tudo. Todas as memrias que ficaram guardadas fazem-me escrever este pargrafo com um sorriso nos lbios.
Maria Ensinas que, durante estes 5 anos, sempre se preocupou em ajudar em tudo o que necessitava.
E finalmente, o maior obrigado vai para os meus pais e para a minha irm, porque sem eles nada disto teria
sido possvel.
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SOLUES DE ESCAVAO E CONTENO PERIFRICA
INTERSECTANDO O NVEL FRETIVO
Joo Borrego Aldeias
Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Minas, Instituto Superior Tcnico Lisboa, Portugal
RESUMO
A rpida evoluo das tcnicas de conteno perifrica aliada grande necessidade, nos dias de hoje, de se
explorar cada vez mais o subsolo, principalmente no espao urbano, faz com que esta temtica tenha uma
enorme importncia na vida profissional de qualquer empresa ligada Engenharia Civil.
Por outro lado, o estudo da situao especfica na qual a cota final de escavao fica localizada debaixo do
nvel fretico torna-se bastante interessante por duas razes:
- Alm de suportar as tenses provocadas pelo terreno exterior escavao, a conteno perifrica ter de
garantir, ao mximo, a estanquidade da rea a escavar, para que os trabalhos decorram da melhor forma
possvel;
- esta a situao mais comum uma vez que, por razes histricas, as grandes cidades (os maiores clientes)
localizam-se no litoral (ou nas margens de rios), como acontece, por exemplo, com a cidade de Lisboa.
Deste modo, ir fazer-se inicialmente uma referncia ao comportamento dos solos no saturados, estado
caracterizado pela existncia de gua e ar nos interstcios deixados pela matriz slida. Ter como objectivo
estudar a influncia que diversos parmetros tm na capacidade de auto-estabilizao de um solo.
Outro aspecto importante aquando destes trabalhos escolher/dimensionar um adequado sistema de
drenagem, aspecto que ser abordado, enumerando-se os sistemas de drenagem mais comuns para diversas
funes.
O corpo da Dissertao ser destinado ao estudo de cinco dos mtodos mais comuns para a execuo de
contenes perifricas: Paredes Moldadas, Cortina de Estacas, Estacas Prancha, Jet Grouting e Deep Mixing.
Neste, alm de serem analisados isoladamente, haver sempre uma grande componente comparativa.
Finalmente, sero discutidas duas tcnicas de execuo (laje de fundo e ensecadeira), s quais necessrio
recorrer frequentemente. Ser estudado o Champalimaud Centre for the Unknown, um bom exemplo da
execuo de pisos enterrados praticamente dentro de gua, usando-se, neste caso, para conteno perifrica,
uma cortina de estacas. Ser posteriormente realizada uma anlise de alguns valores resultantes da
instrumentao da obra.
Palavras-chave: Conteno Perifrica; Nvel fretico; Tratamento de solos; Impermeabilizao.
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EXCAVATION AND PERIPHERAL RETAINING SOLUTIONS
WHEN INTERSECTING THE GROUND-WATER TABLE LEVEL
Joo Borrego Aldeias
Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Minas, Instituto Superior Tcnico Lisboa, Portugal
ABSTRACT
The fast evolution of peripheral retaining techniques allied to nowadays' great need of exploring the subsoil
even further, especially in the urban areas, is a constant concern to any Civil Engineering company. Moreover,
the study of situations where the final excavation level is below the ground-water table level turns out to be
quite interesting because:
- Not only the peripheral retaining lessens the stresses caused by the excavation's surrounding ground, but
also prevents the water from flowing in the digging pit in order to avoid unforeseen accidents;
- This is the most usual situation since, for historical reasons, metropolis are located on the coast (or on
rivers' banks), being Lisbon a good example of this.
For this purpose, a reference will be made to the waterlogged soils, which are defined by the existence of
water and air in the gaps left by the solid matrix. This reference aims to study the influence that many features
have in the self-stabilization of the ground.
Another determinant aspect is how to select a proper draining system, so the most common ones will be
mentioned.
Given this, the essay's body will focus on five of the most used methods when carrying out peripheral
retaining systems, which are: diaphragm walls, curtain with bored piles, sheet piling, jet grouting and deep
mixing. These methods will be taken into account not only individually, but also comparatively.
Finally, there will be considered two techniques of usual employment (deep slab and coffer-dam). The
Champalimaud Centre for the Unknown is an excellent example of the underground water table floors
construction using, for this matter, a curtain with bored piles as a peripheral wall. There will also be a further
analysis of some resulting values of the work's instrumentation.
Keywords: Peripheral Earth Retaining Wall; Ground-water table level; Ground improvement; Waterproofing.
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NDICE DE TEXTOS
1. Introduo ..................................................................................................................................................... 1
1.1. Estrutura do trabalho ............................................................................................................................. 2
2. Influncia do nvel fretico no solo ............................................................................................................... 3
2.1. Anlise em condies no drenadas ...................................................................................................... 5
2.2. Anlise em condies drenadas de um solo seco .................................................................................. 7
2.3. Solos no saturados ............................................................................................................................... 8
3. Trabalhos e estudos preliminares ............................................................................................................... 13
3.1. Reconhecimento Geolgico-Geotcnico .............................................................................................. 18
3.2. Prospeco Geotcnica ........................................................................................................................ 19
4. Estruturas Auxiliares .................................................................................................................................... 21
4.1. Escoramentos ....................................................................................................................................... 21
4.2. Ancoragens........................................................................................................................................... 22
4.3. Escoramentos vs Ancoragens ............................................................................................................... 23
4.4. Anel de Laje .......................................................................................................................................... 23
5. Drenagem de escavaes ............................................................................................................................ 24
5.1. Tcnicas de drenagem de escavaes ................................................................................................. 26
5.1.1. Reteno de guas superficiais ..................................................................................................... 26
5.1.2. Captao directa ............................................................................................................................ 27
5.1.3. Rebaixamento do nvel fretico ..................................................................................................... 28
5.1.4. Mtodos de Excluso ..................................................................................................................... 31
5.2. Anlise comparativa dos mtodos de drenagem ................................................................................. 33
6. Principais tipos de Contenes Perifricas .................................................................................................. 34
6.1. Paredes Moldadas ................................................................................................................................ 34
6.1.1. Campos de aplicao ..................................................................................................................... 35
6.1.2. Vantagens/Desvantagens da sua utilizao .................................................................................. 35
6.1.3. Equipamentos ................................................................................................................................ 36
6.1.4. Processo construtivo ..................................................................................................................... 37
6.1.5. Problemas de execuo ................................................................................................................. 41
6.1.6. Tipos .............................................................................................................................................. 42
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6.2. Cortina de Estacas ................................................................................................................................ 43
6.2.1. Definio e classificao ................................................................................................................ 43
6.2.2. Elementos constituintes ................................................................................................................ 44
6.2.3. Tipos de Cortinas ........................................................................................................................... 45
6.2.4. Campos de aplicao ..................................................................................................................... 47
6.2.5. Vantagens/Desvantagens da sua utilizao .................................................................................. 48
6.2.6. Processo construtivo ..................................................................................................................... 49
6.3. Cortina de Estacas-Prancha .................................................................................................................. 55
6.3.1. Campos de aplicao ..................................................................................................................... 56
6.3.2. Vantagens/Desvantagens da sua utilizao .................................................................................. 56
6.3.3. Equipamentos utilizados ............................................................................................................... 57
6.3.4. Processo construtivo ..................................................................................................................... 59
6.3.5. Problemas de execuo ................................................................................................................. 61
6.4. Jet Grouting .......................................................................................................................................... 62
6.4.1. Processo construtivo ..................................................................................................................... 63
6.4.2. Campos de aplicao ..................................................................................................................... 64
6.4.3. Vantagens/Desvantagens da sua utilizao .................................................................................. 67
6.4.4. Os Sistemas de Jet Grouting .......................................................................................................... 67
6.4.5. Problemas de execuo ................................................................................................................. 69
6.5. Deep Mixing ......................................................................................................................................... 71
6.5.1. Campos de aplicao ..................................................................................................................... 72
6.5.2. Mtodos/Vias ................................................................................................................................ 73
6.5.3. Ferramentas de agitao ............................................................................................................... 74
6.5.4. Processo construtivo ..................................................................................................................... 75
6.5.5. Curiosidades construtivas acerca do CSM ..................................................................................... 77
6.5.6. Produto final .................................................................................................................................. 77
6.5.7. Jet Mixing....................................................................................................................................... 78
7. Tcnicas de execuo associadas realizao de contenes perifricas .................................................. 79
7.1. Ensecadeira .......................................................................................................................................... 79
7.2. Tampo de fundo ................................................................................................................................. 81
ix
8. Caso de estudo: Champalimaud, Centre for the Unknown ......................................................................... 82
8.1. Enquadramento ................................................................................................................................... 82
8.2. O Projecto ............................................................................................................................................ 82
8.3. Caracterizao geral da obra ................................................................................................................ 85
8.3.1. Faseamento ................................................................................................................................... 85
8.3.2. rea de construo ........................................................................................................................ 85
8.3.3. Valor global da obra ...................................................................................................................... 85
8.3.4. Entidades intervenientes ............................................................................................................... 85
8.4. Condicionamentos a nvel geotcnico ................................................................................................. 86
8.4.1. Solos existentes ............................................................................................................................. 86
8.5. Soluo para as fundaes ................................................................................................................... 87
8.6. Soluo para a conteno perifrica .................................................................................................... 90
8.7. Soluo para a drenagem da escavao .............................................................................................. 91
8.8. Solues de impermeabilizao e drenagem dos pisos enterrados .................................................... 91
8.9. Estimativa e anlise dos custos resultantes da cortina de conteno ................................................. 93
8.9.1. Anlise dos custos comparativamente a outras solues viveis ................................................. 93
8.10. Plano de instrumentao e observao ............................................................................................. 95
8.10.1 Equipamentos de leitura ........................................................................................................... 96
8.10.2. Plano de observao.................................................................................................................... 97
8.10.3. Anlise dos valores observados ................................................................................................... 96
9. Consideraes finais .................................................................................................................................... 98
9.1. Desenvolvimentos futuros ................................................................................................................... 99
10. Referncias bibliogrficas ........................................................................................................................ 100
ANEXOS...............................................................................................................................................................105
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NDICE DE FIGURAS
Figura 1 Estado de tenso inicial. ............................................................................................................................................ 3
Figura 2 Localizao do elemento de solo em anlise e alterao do seu estado de tenso. ................................................. 4
Figura 3 Talude vertical. .......................................................................................................................................................... 5
Figura 4 Anlise da estabilidade, atravs do teorema esttico, em condies no drenadas. ............................................... 6
Figura 5 Resultados da anlise em condies no drenadas. .................................................................................................. 6
Figura 6 Critrio de Mohr-Coulomb. ....................................................................................................................................... 7
Figura 7 Critrio de Mohr-Coulomb (c=0 kPa). ....................................................................................................................... 7
Figura 8 Experincia para se determinar o ngulo de atrito de um solo. ................................................................................ 7
Figura 9 Variao da LEC com o valor da suco instalada. ..................................................................................................... 8
Figura 10 Modelo para o clculo das tenses efectivas. ......................................................................................................... 9
Figura 11 Curva de reteno do solo em anlise. .................................................................................................................... 9
Figura 12 Modelo de clculo estudado e respectivas caractersticas. ................................................................................... 10
Figura 13 Resultados obtidos nas situaes de clculo H3.1, H3.2 e H3.3. Nestes casos o factor de segurana associado
superfcie de deslizamento mais provvel ficou aqum do mnimo para garantir a estabilidade da estrutura. ...................... 11
Figura 14 Resultados na situao H3.4. O valor do FS associado superfcie de rotura superior a 1.0, logo conclui-se que
a estrutura se encontra do lado da estabilidade. ..................................................................................................................... 12
Figura 15 Resultados situao de clculo H6.1 com um talude vertical com 6 metros de altura. ......................................... 12
Figura 16 bacos de Bishop e Morgenstern [Caputo, 1983]. Esquema das grandezas geomtricas envolvidas na superfcie
de rotura e definio do factor de profundidade. .................................................................................................................... 13
Figura 18 Resultados do modelo computacional (FS=2.891). ................................................................................................ 14
Figura 17 Modelo de clculo estudado e respectivas caractersticas. ................................................................................... 14
Figura 19 baco correspondente s alturas de escavao em talude vertical permitidas para diferentes patamares de
suco instalada num solo com peso volmico de 20 kN/m3 .................................................................................................. 16
Figura 20 essencial, antes de qualquer tipo de trabalhos, visitar o terreno de forma a conhecer a rea a intervir, assim
como todas as suas caractersticas. Local de implantao do Champalimaud Centre for the Unknown. ............................. 17
Figura 21 A misso do Engenheiro Civil a de criar um equilbrio entre a rapidez, a qualidade e o preo. ......................... 18
Figura 22 Esquema do equipamento usado num ensaio SPT. ............................................................................................... 20
Figura 23 Escoras metlicas a apoiar uma soluo de conteno perifrica, neste caso, uma cortina de estacas. .............. 21
Figura 24 Esquema de ancoragem correctamente executada visto que o seu bolbo de selagem se encontra fora da zona de
rotura da cortina (linha azul a tracejado). ................................................................................................................................ 22
Figura 25 Sistema Top-Down. ................................................................................................................................................ 23
Figura 26 Afluncia de gua ao fundo da escavao. ............................................................................................................ 24
Figura 27 Aparecimento de manchas na face interior da parede resultado da forte presena de gua no solo. ................. 25
Figura 28 Uma ineficaz drenagem pode provocar acumulaes excessivas de gua dentro da escavao. ......................... 25
Figura 29 Desenho esquemtico de uma valeta. ................................................................................................................... 27
Figura 30 Exemplo esquemtico de um poo de recolha colocado no fundo duma escavao com as respectivas
dimenses (ilustrativas). .......................................................................................................................................................... 28
Figura 31 Poos de bombagem: esquema ilustrativo do efeito no nvel fretico e pormenor do equipamento superfcie (
direita). ..................................................................................................................................................................................... 28
Figura 32 Dois nveis de well-points, a funcionarem em simultneo. ................................................................................... 29
xi
Figura 33 Agulhas filtrantes: esquema ilustrativo do efeito no nvel fretico e pormenor do equipamento superfcie, a
ponteira que se introduz no furo e as ligaes ao tubo colector horizontal ( esquerda). ...................................................... 29
Figura 34 Esboo de um sistema ejector com um 1 tubo (esq.) e 2 tubos (dir.). .................................................................. 30
Figura 35 Electro-osmose: esquema ilustrativo do funcionamento do mtodo. .................................................................. 30
Figura 36 Ponta de um dreno horizontal com fluxo de gua drenada (esquerda); desenvolvimento do dreno ao longo
duma vala, sendo posteriormente coberto com uma camada de terreno apropriado (direita). ............................................. 31
Figura 37 Solo submetido a tratamento por congelamento. ................................................................................................ 32
Figura 38 Esquema resumido do faseamento construtivo de um painel de parede moldada. ............................................. 34
Figura 39 - Vista da parede moldada executada aquando dos trabalhos no palcio Sotto Mayor, em Lisboa. ....................... 35
Figura 40 Balde de maxilas (esq.) e trpano (dir.). ................................................................................................................ 36
Figura 41 Equipamento de produo e bombagem de lamas bentonticas. ......................................................................... 37
Figura 42 Fases da construo de um muro-guia. ................................................................................................................. 37
Figura 43 Trabalhos de escavao e de preenchimento do furo com lamas bentonticas. ................................................... 38
Figura 44 Pormenor de uma ala de suspenso num tubo-junta (esq.); esquema, em planta, do posicionamento de um
tubo-junta (dir.). ....................................................................................................................................................................... 38
Figura 45 Montagem das armaduras no estaleiro (esq.); Colocao de um painel, com reforo da armadura na zona das
ancoragens (centro); Colocao um painel sem reforos (dir.) ................................................................................................ 39
Figura 46 - Betonagem de painel com recurso a duas trmies. ................................................................................................ 40
Figura 47 Saneamento do topo dos painis. ......................................................................................................................... 40
Figura 48 Execuo da viga de coroamento. ......................................................................................................................... 40
Figura 49 Trabalhos de escavao. ........................................................................................................................................ 41
Figura 50 Problemas de verticalidade associado a uma tardia retirada do tubo-junta. ........................................................ 41
Figura 51 - Execuo de uma conteno em paredes moldadas numa rea adjacente a edifcios. ......................................... 42
Figura 52 Poo de ataque localizado no fim do percurso de uma Tuneladora, realizado atravs de uma conteno em
cortina de estacas. ................................................................................................................................................................... 43
Figura 53 Esquema representativo dos principais elementos constituintes de uma cortina de estacas. ............................. 45
Figura 54 Cortina de estacas espaadas. ............................................................................................................................... 45
Figura 55 Cortina de estacas contguas. ................................................................................................................................ 46
Figura 56 Cortina de estacas secantes. .................................................................................................................................. 46
Figura 57 Variao de profundidade ao longo da conteno (cortina de estacas secante). ................................................. 47
Figura 58 Cortina de estacas localizada numa zona com forte densidade de construes adjacentes. ................................ 47
Figura 59 Decapagem (esq.) e tubagem presentes no solo que devem ser removidas (dir.). ............................................... 49
Figura 60 Execuo de um muro-guia para estacas secantes. ............................................................................................... 50
Figura 61 Execuo de uma estaca recorrendo a tubo moldador recupervel. .................................................................... 50
Figura 62 Estrangulamento da seco da estaca provocado pela remoo fora de tempo do tubo moldador. ................... 51
Figura 63 Danificao local da estaca provocada pelo arraste de finos devido gua. ........................................................ 51
Figura 64 Execuo de uma estaca recorrendo a lamas bentonticas para estabilizao do furo. ........................................ 52
Figura 65 Pormenor da viga de coroamento, com ligao estaca, com ancoragem aplicada e com a armadura de ligao.
................................................................................................................................................................................................. 53
Figura 66 Alado de uma cortina de estacas com dois nveis de ancoragens........................................................................ 54
Figura 67 Escavao na face de uma cortina de estacas. ...................................................................................................... 54
Figura 68 Vista de um centro de fabrico de Estacas-Prancha. ............................................................................................... 55
xii
Figura 69 Realizao de uma cortina de Estacas-Prancha, Torre Vasco da Gama, Lisboa. Viga de guiamento. .................... 56
Figura 70 Processo de ligao entre Estacas-Prancha. .......................................................................................................... 57
Figura 71 - Da esquerda para a direita: Martelo hidrulico, Martelo a diesel, Martelo vibratrio e Prensa hidrulica. .......... 58
Figura 72 Pormenor de um capacete de proteco colocado no topo de uma estaca-prancha na altura da cravao. ....... 59
Figura 73 Esquema de um equipamento de cravao por precurso (bate-estacas). ....................................................... 59
Figura 74 Esquema representativo da fixao de uma estaca-prancha. ............................................................................... 60
Figura 75 Aplicao de uma camada de tinta anti-corrosiva nas Estacas-Prancha, antes de serem enviadas para a obra. .. 61
Figura 76 - Cabea de uma estaca metlica danificada devido a uma m execuo no processo de cravao. ...................... 61
Figura 77 Execuo de uma cortina de Jet Grouting. De notar a alta presso com que ejectada a calda de cimento. ...... 62
Figura 78 Colunas de Jet executadas e referenciadas. .......................................................................................................... 62
Figura 79 Diagrama esquemtico da tcnica de melhoramento de solos Jet Grouting...................................................... 63
Figura 80 Coluna de seco circular de solo-cimento............................................................................................................ 64
Figura 81 Tratamento de solos para execuo de tneis. ..................................................................................................... 64
Figura 82 Execuo de colunas de Jet no interior de um edifcio, com um p-direito bastante reduzido. ........................... 65
Figura 83 Desenho esquemtico de uma soluo de conteno perifrica e tampo de fundo constituda por colunas de
Jet Grouting. ............................................................................................................................................................................. 65
Figura 84 Aplicao da tecnologia hard-soft na execuo de uma conteno perifrica (esq.); esquema representativo do
mtodo (dir.) ............................................................................................................................................................................ 66
Figura 85 Tratamento do solo de fundao de uma barragem de aterro. ............................................................................ 66
Figura 86 Esquema ilustrativo da seco da vara de injeco para o JET1. ........................................................................... 67
Figura 87 - Esquema ilustrativo da seco da vara de injeco para o JET2. ............................................................................ 68
Figura 88 - Esquema ilustrativo da seco da vara de injeco para o JET3. ............................................................................ 69
Figura 89 Representao, em perfil, do modo de funcionamento de cada um dos trs sistemas existentes. ...................... 69
Figura 90 Efeito de sombra provocado pela geometria de uma cortina de Estacas-Prancha. .............................................. 70
Figura 91 Colunas de Jet Grouting descaladas. .................................................................................................................... 70
Figura 92 Introduo dos Cutters no terreno (CSM).............................................................................................................. 71
Figura 93 Equipamento de Deep Mixing a realizar o tratamento do solo de fundao de uma linha de caminho-de-ferro. 72
Figura 94 Barreira de conteno a limitar a passagem de lexiviados pelo estrato arenoso. ................................................. 72
Figura 95 Esquema ilustrativo do funcionamento do wet deep mixing. ............................................................................... 73
Figura 96 Disposies construtivas que a via hmida permite realizar. ................................................................................ 73
Figura 97 - Esquema ilustrativo do funcionamento do dry deep mixing. ................................................................................. 73
Figura 98 Ps agitadoras de um equipamento de DSM. Neste caso, trabalham trs ps em simultneo. ............................ 74
Figura 99 Equipamento de furao/agitao usado na tcnica CSM (2 rodas). .................................................................... 74
Figura 100 Sistema Quattro. .................................................................................................................................................. 75
Figura 101 Exemplo de dois tipos de rodas existentes no mercado. ..................................................................................... 75
Figura 102 Modo de rotao das rodas dentadas, na descida e na subida (CSM)................................................................. 76
Figura 103 Processo construtivo da tcnica DSM. ................................................................................................................. 77
Figura 104 Colunas de DSM (esq.) e painel de CSM (dir.). ..................................................................................................... 77
Figura 105 Esquema comparativo entre a seco de um painel de CSM e de uma cortina de colunas de DSM. .................. 78
Figura 106 Todo o processo de CSM altamente controlado atravs de um software apropriado, ligado a sensores
distribudos um pouco por todo o equipamento. .................................................................................................................... 78
Figura 107 Processo construtivo do Jet Mixing. .................................................................................................................... 79
xiii
Figura 108 Ensecadeira realizada atravs de uma cortina de Estacas-prancha no leito de um rio. ...................................... 80
Figura 109 Chapa com recorte do fundo. .............................................................................................................................. 80
Figura 110 Vedao de fundo constituda por sacos preenchidos com solos argilosos. ....................................................... 80
Figura 111 Soluo de Conteno e Tampo de fundo recorrendo a colunas de Jet-Grouting. ............................................ 81
Figura 112 Metodologia usada no fundo da escavao, na obra localizada na Av. Loureno Peixinho, em Aveiro. ............. 81
Figura 113 Planta do Centro Champalimaud com identificao dos dois edifcios principais. .............................................. 82
Figura 114 Interior do edifcio A (jardim tropical). ................................................................................................................ 83
Figura 115 Ligao entre os dois edifcios, atravs de um tnel de vidro. ............................................................................ 83
Figura 116 - Via pedonal ascendente no espao entre os edifcios. ......................................................................................... 84
Figura 117 Afluncia da gua cota de trabalho. ................................................................................................................. 86
Figura 118 A baixa competncia do solo de fundao foi um dos principais obstculos a contornar durante a obra. ......... 87
Figura 119 Estacas de fundao executadas. De notar a armadura de espera que foi deixada, para posterior ligao aos
restantes elementos em beto armado que iro ser construdos. .......................................................................................... 88
Figura 120 Equipamento de furao para execuo das estacas de fundao. .................................................................... 88
Figura 121 Armadura dos macios de encabeamento e das vigas de fundao pronta para ser colocada no terreno. ...... 89
Figura 122 - Vista area das fundaes: macios de encabeamento, vigas de fundao e lajes de fundo. ........................... 89
Figura 123 Vista da parte superior da cortina de estacas e respectiva viga de coroamento, aps se ter escavado cerca de
1,5 metros no interior da rea a implementar os edifcios. ..................................................................................................... 90
Figura 124 Outra vista da cortina de estacas executada. ...................................................................................................... 90
Figura 125 Sistema de drenagem utilizado para baixar o nvel fretico. ............................................................................... 91
Figura 126- Exemplos da impermeabilizao com manta bentontica: esquerda, pormenor da sua aplicao numa das
caves; ao centro, envolvimento da zona superior das estacas; direita, utilizao nos macios de encabeamento. ........... 91
Figura 127 Aplicao da manta bentontica nas lajes de fundo. ........................................................................................... 92
Figura 128 Exemplo de soluo de drenagem: enchimento com camada de material britado. ........................................... 92
Figura 129 Planta de localizao dos dispositivos de monitorizao geotcnica. ................................................................. 96
Figura 130 Equipamento de leitura de inclinmetros. .......................................................................................................... 96
Figura 131 Sonda de leitura de piezmetros. ........................................................................................................................ 97
xiv
NDICE DE TABELAS
Tabela 1 Quadro-resumo das situaes de clculo analisadas. ......................................................................... 10
Tabela 2 Clculos efectuados com vista realizao do baco da figura 19 ..................................................... 15
Tabela 3 Classificao de solos incoerentes quanto compacidade relativa. [LNEC E219] .............................. 20
Tabela 4 Classificao de solos coerentes quanto consistncia. [LNEC E219] ................................................ 20
Tabela 5 Prs e contras do uso de Escoramentos, tendo como base de comparao o uso de Ancoragens. ... 23
Tabela 6 Anlise comparativa de todos os mtodos de drenagem, excepo dos de excluso. .................... 33
Tabela 7 Vantagens e Desvantagem da execuo de paredes moldadas. ......................................................... 35
Tabela 8 Vantagens e Desvantagens do uso de cortinas espaas em relao aos outros dois tipos referidos. 46
Tabela 9 Vantagens e Desvantagem da execuo de cortina de estacas. ......................................................... 48
Tabela 10 Vantagens e Desvantagens da execuo de estacas recorrendo a tubo moldador recupervel. ..... 51
Tabela 11 Vantagens e Desvantagens da execuo de estacas recorrendo a lamas bentonticas. ................... 52
Tabela 12 Vantagens e Desvantagens do uso da tcnica das Estacas-Prancha. ................................................ 56
Tabela 13 Nveis de rudo dos equipamentos usados na cravao de Estacas-Prancha. ................................... 57
Tabela 14 Vantagens e Desvantagens do uso do Jet Grouting comparativamente a outras tcnicas mais
tradicionais. ........................................................................................................................................................... 67
Tabela 15 Estimativa dos custos inerentes construo da cortina de estacas secantes. ................................ 93
Tabela 16 Estimativa do custo da conteno caso a cortina fosse executada por Estacas-Prancha. ................ 94
Tabela 17 Estimativa do custo da conteno caso a cortina fosse executada recorrendo a paredes moldadas.
.............................................................................................................................................................................. 94
Tabela 18 Estimativa do custo da conteno caso a cortina fosse executada recorrendo s tcnicas de Deep
Mixing. .................................................................................................................................................................. 94
ANEXOS
ANEXO 1 Efeito de Arco.
ANEXO 2 Dimensionamento de uma conteno em CSM.
ANEXO 3 Grficos das leituras inclinomtricas e piezomtricas.
xv
LISTA DE SIGLAS, SMBOLOS E ABREVIATURAS
Altura (em metros)
, Tenso normal (em kPa)
Tenso vertical (em kPa)
Tenso efectiva vertical (em kPa)
Tenso horizontal (em kPa)
Tenso efectiva horizontal (em kPa)
Tenso tangencial (em kPa)
Peso volmico (kN/m3)
Peso volmico efectivo do solo (kN/m3)
Peso volmico saturado (kN/m3)
Peso volmico seco (kN/m3)
Peso volmico da gua (kN/m3)
Peso volmico hmido (kN/m3)
Resistncia no drenada (kPa)
, Coeso aparente (kPa)
ngulo de atrito interno ()
Presso do ar (Pa)
Presso da gua (Pa)
Tenso isotrpica (Pa)
Tenso deviatria (kPa)
Suco (kPa)
LEC Linha dos Estados Crticos
Inclinao da LEC
Constante do solo
Valor da tenso isotrpica quando q = 0, valor nulo ou negativo (kPa)
Peso volmico efectivo do solo (kN/m3)
Coeficiente de impulso
Grau de saturao (%)
Teor em gua (%)
ndice de vazios (%)
Densidade das partculas slidas
Metro
Centmetro
Milmetro
Quilograma
Quilograma-Fora
SPT Standard Penetration Test
Resultado do ensaio SPT normalizado
LNEC Laboratrio Nacional de Engenharia Civil
xvi
1
1. Introduo
Ao longo dos anos, a densificao da construo tem crescido exponencialmente, nomeadamente nas
zonas urbanas. Impulsionado com tal aumento de procura, tm-se vindo a desenvolver novas tecnologias
construtivas e novos materiais com o objectivo de, por um lado, poder solucionar os mais diversos problemas
que se atravessam hoje em dia e, por outro, apresentar solues de qualidade e de baixo custo que sejam
competitivas num mercado cada vez mais agressivo e onde o cliente se apresenta mais exigente.
Tambm se tem constatado que a ocupao do espao subterrneo, materializado pela construo de
vrios pisos enterrados numa estrutura, tem vindo a ser uma consequncia desta imensa procura,
proporcionando aos novos edifcios uma srie de vantagens que anteriormente no possuam.
Um exemplo ilustrativo deste aspecto o uso dos pisos enterrados para estacionamento de veculos,
facultando um maior conforto mas tambm um nvel de segurana mais elevado, em comparao com o
estacionamento na via pblica. Outra funo importante o aproveitamento do espao para instalao de
equipamentos mecnicos necessrios para o funcionamento do edifcio, como acontece em hotis, hospitais,
evitando assim que se ocupe rea til nos pisos superiores.
Neste trabalho vai-se precisamente abordar algumas das tcnicas usadas para a construo em
profundidade e, mais especificamente, em escavaes que interceptam o nvel fretico.
A motivao para estudar este tipo de solues reside no facto das cidades, desde a idade mdia, devido
facilidade de transaces comerciais, se terem desenvolvido ou junto de canais importantes ou ao longo do
litoral, como o caso de Lisboa. Tal proximidade com o meio aqutico faz com que o nvel fretico, nas zonas
de implantao dessas cidades, seja, em geral, bastante elevado, logo qualquer tipo de trabalhos em
profundidade tem uma grande probabilidade de interceptar terrenos saturados e, muitas vezes, com
percolaes elevadas. Deste modo, e sendo a presena da gua um factor bastante condicionante como se
ver, facilmente se percebe que caso um Engenheiro disponha de competncia para escolher e dimensionar
uma soluo para conteno perifrica nas situaes anteriormente mencionadas com sucesso, capaz, com o
mesmo nvel de eficincia, de projectar algo semelhante em terreno seco.
Existem outros factores bastante importantes que condicionam a escolha do tipo de conteno perifrica,
tais como, a presena de edifcios vizinhos ou construes subterrneas j existentes nas imediaes da rea a
intervencionar, e que no podero ser afectadas, como por exemplo, o Metropolitano. Um pouco por todo o
trabalho tal aspecto vai ser discutido sendo que, aquando do exemplo tipo (Anexo 2), o estudo de uma situao
bastante adversa, vai mostrar alguns cuidados a ter nestes casos.
2
1.1. Estrutura do trabalho
Em termos de contedo, esta Dissertao ser essencialmente constituda por trs grupos:
No primeiro a abordar faz-se referncia a diversos aspectos que, directa ou indirectamente, esto ligados a
todo o processo de concepo de contenes perifricas em geral. Como tal, sero descritos genericamente
alguns trabalhos e estudos preliminares que so comuns quase totalidade das obras com componente
Geotcnica e, far-se- uma descrio e anlise comparativa de duas solues de estabilizao de paredes de
conteno, o escoramento e a ancoragem.
Entrando mais especificamente no estudo das situaes onde se intercepta o nvel fretico, ser abordado,
por um lado, a influncia deste no comportamento do solo face alterao do estado de tenso, e, por outro,
sero apresentados os sistemas de drenagem das escavaes mais comuns, sempre com uma grande
componente comparativa.
No segundo grupo apresentam-se os principais tipos de contenes perifricas que so soluo nas
condies analisadas neste trabalho: as Paredes Moldadas, Cortina de Estacas, Estacas Prancha, Jet Grouting e
Deep Mixing. Cada descrio ser sempre que possvel acompanhada dos factores principais que distinguem
determinada tcnicas das restantes e de diversos problemas de execuo que devero ser tidos em conta.
Existir tambm uma forte componente comparativa entre as solues.
Por fim, existir um terceiro grupo onde, em primeiro lugar, se far referncia a trs tcnicas de execuo
que so frequentemente utilizadas neste tipo de obras, nomeadamente, a Ensecadeira, o Tampo de Fundo e o
Anel de Laje. De seguida, ser analisada a componente Geotcnica do caso de estudo Champalimaud Centre
for the Unknown, uma obra que dada a sua localizao possua um terreno de fundao bastante mau e que,
como estava previsto em projecto, para a construo de um nvel de caves enterrado foi necessrio proceder a
uma conteno perifrica materializada em Cortina de Estacas. Existir tambm uma pequena anlise de
custos quer da soluo utilizada, quer de outras solues que tambm poderiam ser viveis. Por fim iro ser
analisados os valores resultantes da instrumentao associada cortina e ao nvel fretico.
Em Anexo ser exemplificado, atravs de um exemplo-tipo, o dimensionamento de uma cortina em CSM,
assim como alguns cuidados a ter em situaes onde as condies externas so bastante exigentes.
3
2. Influncia do nvel fretico no solo
O solo um material trifsico, ou seja, composto por uma fase slida (minerais e matria orgnica), uma
fase lquida (caracterizada pela presena da gua) e por uma fase gasosa (ar). Estas duas ltimas localizam-se
nos interstcios deixados pelas partculas slidas e, de acordo com a sua presena, pode-se caracterizar um solo
em relao quantidade de gua que apresenta:
a) Solo Seco Se tomarmos como referncia que a gua no terreno usualmente entendida como aquela
que este pode perder quando submetido a uma secagem, em estufa, a 105 3C, at se atingir peso constante,
poder-se- dizer que para um solo seco essa quantidade de gua muito reduzida, sendo no limite zero. Assim,
o solo apenas apresenta nos seus interstcios uma fase, a fase gasosa.
b) Solo no saturado quando nos interstcios entre partculas slidas se encontram as fases lquida e
gasosa. a caracterizao mais realista para a esmagadora maioria dos solos com que a engenharia tem de
lidar e, como tal, uma anlise atravs de modelos de clculo para este tipo de solos ir dar-nos resultados
muito mais prximos da realidade. Um dos modelos utilizados para a anlise de solos no saturados o
Barcelona Basic Model (BBM).
c) Solo Saturado o estado completamente oposto ao do solo seco. So terrenos que apenas apresentam
duas fases, a slida e a lquida. Por outras palavras, os espaos vazios entre as partculas slidas encontram-se
completamente preenchidos por gua.
Como se sabe, o comportamento de um solo sujeito alterao do seu estado de tenso depende, de entre
outros factores, da forma como a gua interage com o esqueleto slido. Este tipo de alterao ocorre, por
exemplo, quando se executa uma escavao.
Admitamos, a ttulo ilustrativo, a seguinte poro de solo submetida ao estado de tenso indicado (Figura
1):
Figura 1 Estado de tenso inicial.
4
Caso esta fraco de solo se encontre exactamente no limite da escavao, como se apresenta de seguida
(Figura 2), ir sofrer uma alterao no seu estado de tenso exterior.
Figura 2 Localizao do elemento de solo em anlise e alterao do seu estado de tenso.
Ao existir este tipo de desequilbrios (alteraes do estado de tenso), o esqueleto slido ir ser obrigado a
mudar de forma com o objectivo de se obter uma nova posio de equilbrio. Esta alterao da estrutura das
partculas poder provocar, no mnimo, assentamentos no topo da escavao e, em ltima instncia, a
instabilidade global do talude vertical criado, com o consequente desmoronamento da superfcie de terreno
instvel.
Logicamente, que as consequncias de uma escavao descuidada so indesejveis em qualquer tipo de
trabalhos, e onde podero resultar estragos quer a nvel material quer mesmo a nvel humano.
Ora vejamos, se a rea a escavar for adjacente a um edifcio centenrio (estrutura muito frgil), qualquer
tipo de assentamentos verificado no seu solo de fundao pode provocar srios problemas, tanto a nvel
funcional, como estrutural. Este tipo de raciocnio pode igualmente ser efectuado para um edifcio moderno,
mais dctil, no qual os assentamentos diferenciais podem ser tais, que poder haver incumprimento dos
estados limites de servio: estes assentamentos diferenciais podem resultar, se o edifcio for fundado em
sapatas, do assentamento do solo de fundao ou, no caso o edifcio ser fundado em estacas, da perda de
atrito lateral ou do esgotamento da capacidade de carga da base da estaca.
Em relao aos prejuzos pessoais basta pensar que, aquando dos trabalhos de escavao, se existir a queda
do terreno podero ficar trabalhadores soterrados, causando a sua morte. No que diz respeito ao aspecto
econmico tambm importante evitar este tipo de acidentes uma vez que atrasam os prazos de concluso da
obra e fazem com que seja necessrio tomar medidas complementares de compensao, o que far aumentar
obrigatoriamente o custo final do projecto.
5
Fonte: adaptado de Guerra, 2008.
Com base no que foi referido, facilmente se compreende que importante um estudo prvio do terreno a
escavar, com o objectivo de analisar a melhor forma de realizar os trabalhos, evitando assim problemas a nvel
tcnico e prejuzos humanos e econmicos.
Associado ao melhor mtodo de escavao essencial um plano de instrumentao e observao
adequado durante e depois da obra, para se registar a evoluo das variveis mais importantes a controlar,
como por exemplo, assentamentos verticais, deslocamentos horizontais, nveis de fendilhao e de
deformao em edifcios adjacentes, nvel fretico, entre outros, aspectos estes muitos especficos do
problema em anlise.
A anlise que ser efectuada de seguida ter como principal objectivo mostrar qual a influncia da gua na
realizao deste tipo de trabalhos. Deste modo, passar pelo estudo de diferentes situaes onde se procurar
enfatizar a contribuio da gua para o resultado esperado.
Nota: Como est ilustrado na figura 3, o modelo de anlise consistir
num talude vertical, onde se ir procurar obter diferentes alturas (h), de
acordo com a variao das propriedades do solo a escavar.
2.1. Anlise em condies no drenadas
Como boa prtica na anlise de estruturas geotcnicas, o estudo deste tipo de problemas deve ser
realizado com base em dois teoremas fundamentais:
I) Teorema da regio superior (TRS): que fornece valores correspondentes ao colapso da estrutura em
anlise, e no qual teremos de arbitrar uma superfcie de rotura compatvel;
II) Teorema da regio inferior (TRI): os resultados obtidos esto dentro da segurana, ou seja, se tais
ocorrerem a estrutura manter-se- estvel.
Visto que o resultado exacto duma dada situao encontra-se entre os valores do TRS e do TRI, origina-se
um intervalo (que ser maior ou menor dependendo da qualidade da superfcie de rotura) que fornecer
informao importante sobre o comportamento da estrutura em anlise.
De salientar que este tipo de estudo muito superficial e recorre a muitas simplificaes. Para um
conhecimento mais profundo do problema, indispensvel na vida real, necessrio utilizar programas de
clculo que recorram a elementos finitos.
Dado que o objectivo do presente texto mostrar a variao de resultados com a alterao das
propriedades do solo, no ser uma prioridade calcular os valores exactos dos problemas em anlise, mas sim
mostrar como os resultados obtidos (com as simplificaes inerentes dos teoremas acima descritos) evoluem.
Ainda assim, para esta situao, excepcionalmente conhecida a soluo exacta, a qual apresentada na
expresso (2).
Figura 3 Talude vertical.
6
Fonte: adaptado de Guerra, 2008.
Usando o critrio de Tresca (Figura 4) e admitindo, como atrs foi mencionado, que ao se escavar
desaparecem as tenses horizontais numa determinada fraco de solo que se encontra na fronteira de ataque
da mquina de escavao, obtm-se o seguinte esquema:
(1)
Figura 4 Anlise da estabilidade, atravs do teorema esttico, em condies no drenadas.
Do qual directamente se conclui que a altura que se pode escavar, sem que exista possibilidade de colapso
da estrutura, pode ser determinada a partir da seguinte expresso:
(2)
Com base no grfico da figura 5 facilmente se percebe que a altura de escavao aumenta linearmente com
a resistncia no drenada do solo, e que o seu peso volmico (kN/m3) possui tambm um papel importante. A
influncia do peso volmico reside no clculo das tenses verticais (figura 4), onde se verifica que para a
mesma resistncia de Tresca (logo mesma tenso vertical v), quanto maior o valor do peso volmico, menor
ter de ser a altura h, para se garantir a estabilidade da estrutura.
Figura 5 Resultados da anlise em condies no drenadas.
Esta anlise ocorre em terrenos finos, nomeadamente em argilas. Em terrenos argilo-siltosos este tipo de
raciocnio tambm poder ser realizado mas de uma forma mais cuidada.
0 2 4 6 8
10 12 14 16 18 20 22
0 25 50 75 100 125 150 175 200
Alt
ura
s_h
(m
etr
os)
Resistncia no drenada_cu (kPa)
Alturas mximas de escavao em segurana
h (gama=18 kN/m3)
h (gama=22 kN/m3)
h (gama=26 kN/m3)
7
Fonte: Maranha das Neves, 2006.
Fonte: Maranha das Neves, 2007.
Fonte: Maranha das Neves, 2007.
2.2. Anlise em condies drenadas de um solo seco
Com base na mecnica dos solos clssica e, mais precisamente, atravs do critrio de rotura de Mohr-
Coulomb, sabe-se que a resistncia ao corte de um determinado solo (), depende linearmente do produto da
tenso normal aplicada (n) com a tangente do seu ngulo de atrito interno (). No clculo da resistncia ao
corte tambm contabilizada a coeso aparente do solo (c), que far com que a linha de rotura se desloque
na vertical esse mesmo valor, resultando assim que a ordenada na origem passa a tomar o valor de c (Figura 6).
(3)
A coeso depende de vrios factores: propriedades naturais do solo, propriedades do solo modificado para
experincia, presena de gua nos interstcios (suco) e valores residuais de erros resultantes de ensaios
laboratoriais. A variao de c deve-se sobretudo suco presente no solo, sendo o contributo dos restantes
elementos desprezados. Visto se estar a admitir que o solo seco, no existe suco, o que nos leva a uma
situao em que a coeso nula (c = 0 kPa), como se constata na figura 7.
(4)
Como tal, verifica-se teoricamente que medida que se escava um terreno nas condies acima referidas,
este ir se dispor segundo o seu ngulo de atrito, o que torna impossvel a realizao de um talude vertical.
A ttulo ilustrativo recorde-se a experiencia que realizada
para uma primeira aproximao do ngulo de atrito interno.
Despeja-se um recipiente cheio do solo a analisar, numa
superfcie horizontal, medindo-se posteriormente o ngulo que
este faz com a superfcie (Figura 8).
Figura 6 Critrio de Mohr-Coulomb.
Figura 7 Critrio de Mohr-Coulomb (c=0 kPa).
Figura 8 Experincia para se determinar o ngulo de atrito de um solo.
8
Conclui-se assim a impossibilidade de escavar solos granulares secos (por exemplo, areias) sem qualquer
tipo de estrutura de conteno de terrenos, tendo como objectivo realizar um talude vertical. Na seco
seguinte verificar-se- que a gua (atravs do fenmeno da suco) ir conferir alguma capacidade resistente a
aces de corte.
2.3. Solos no saturados
Os casos apresentados anteriormente representam os extremos deste tipo de estudo, os quais, numa
anlise mais rigorosa, podem ser entendidos como uma idealizao da realidade.
Dito isto, poder-se- dizer que os solos com que a engenharia mais frequentemente lida encontram-se
entre os estados saturado e seco, e designam-se por no saturados. Neste tipo de solos, como foi
oportunamente referido, os espaos intersticiais da matriz slida encontram-se preenchidos por ar, com
presso igual atmosfrica no caso de os vazios intercomunicarem, e gua, cuja presso inferior presso
atmosfrica, devido s tenses capilares. Designa-se por suco precisamente a diferena entre as presses do
ar e da gua (ua-uw).
Como o prprio significado da palavra indica, a suco que surge nos solos no saturados permite a criao
de uma coeso aparente (cs) associada a foras atractivas, de natureza hidrulica, entre os elementos da matriz
slida. A designao aparente deve-se ao facto de, com a saturao do solo, as ligaes cimentcias formadas
desaparecem.
Pode-se assim facilmente concluir que, quando se escava um determinado solo no saturado, este possu
alguma capacidade resistente que est intimamente relacionada, alm das caractersticas mecnicas do
terreno, com o valor de suco que apresenta.
A anlise que ser efectuada de seguida ter como base o modelo para solos no saturados Barcelona Basic
Model, formulado por Alonso & al. (1990).
Recorrendo a um grfico de tenses p; q (Figura 9) verifica-se que a interseco das Linhas dos Estados
Crticos (LEC) com o eixo horizontal varia consoante o nvel de suco instalado no solo e, por consequncia,
tambm se altera o valor da resistncia ao corte quando a tenso isotrpica nula. Note-se que quando existe
suco h a possibilidade de existirem estados de tenso em que p negativo (foras de traco).
O valor da abcissa quando corresponde a:
(5)
k constante do solo, k =0,001
s suco instalada (kPa)
Figura 9 Variao da LEC com o valor da suco instalada.
9
0.00
0.01
0.10
1.00
10.00
100.00
1000.00
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56
water content (%)
Tota
l suct
ion (M
Pa)
Remoulded - drying
Remoulded - wetting
Da figura 9 conclui-se que para = 0:
(6)
Relacionando o que foi referido com Maranha das Neves (2007), possvel estabelecer as seguintes
equaes:
(7)
(8)
(9)
A partir do ngulo de atrito interno, da suco e das tenses no terreno, que se obtm directamente da
amostra em estudo, possvel estimar a coeso aparente. Este valor ir ser determinante para a anlise
inicialmente proposta do problema.
A tenso efectiva aplicada num incremento de solo
localizado a uma profundidade h representada pela sua
componente vertical e horizontal (Figura 10):
(10)
(11)
Peso volmico hmido do solo (kN/m3)
O nvel de suco instalado, em condies reais, pode variar entre um mximo de 100 MPa e um mnimo de
0,1 MPa. Para valores menores que 1 MPa, o solo encontra-se num estado designado de franja capilar. uma
zona onde as foras coesivas so muito reduzidas e, como tal, estamos perante um solo com um
comportamento similar a um solo saturado.
Na figura 11 apresenta-se, como curiosidade, um
exemplo de uma curva de reteno associada a um
determinado solo. Estas curvas permitem associar o
nvel de suco ao teor em gua e dependem, como
lgico, das propriedades do solo que lhe deu origem.
Figura 10 Modelo para o clculo das tenses efectivas.
Figura 11 Exemplo da curva de reteno de um solo argiloso.
10
De seguida ser efectuado, em primeiro lugar, uma anlise de sensibilidade que passar pela variao do
nvel de suco instalado num solo, disposto em talude vertical, a fim de verificar o seu efeito na estabilidade
da estrutura. Para tal recorreu ao software GeoStudio 2007, desenvolvido pela empresa Geo-Slope
Internacional. Posteriormente, ser discutida a validade do modelo e apresentar-se- um baco resumo na
linha daquele que se ilustrou quando se abordou os solos puramente coesivos.
Como premissa inicial convm referir que, por simplificao, admitiu-se que o nvel de suco instalado no
terreno era uniforme. Desta forma, e de acordo com o que foi referido aquando da apresentao da figura 3,
construiu-se o seguinte modelo de clculo (figura 12):
Caractersticas do modelo de clculo
Critrio de rotura: Modelo Mohr-Coulomb Tipo de anlise: Bishop, Ordinary e Janbu Alturas do talude vertical: 3 e 6 metros
Caractersticas do terreno analisado
Suco: varivel
Aps concludo o modelo de clculo e introduzidos todos os dados necessrios, o software ir determinar
qual a superfcie de rotura mais condicionante e o factor de segurana (FS) a ela associado, fornecendo
posteriormente os respectivos elementos grficos (como se poder observar de seguida). Para FS superiores a
1,0 as estruturas encontram-se em equilbrio limite e, por conseguinte, caso tal no se verifique, a estrutura
tm grande probabilidade de colapsar.
Foram analisadas 5 situaes de clculo, as quais esto resumidas na tabela 1.
Tabela 1 Quadro-resumo das situaes de clculo analisadas.
Situao Suco (MPa) Coeso (kPa) Altura do talude (m)
H3.1 0,5 0,5349 3 Figura 13
H3.2 1 1,0699 3 Figura 13
H3.3 8 8.5591 3 Figura 13
H3.4 20 21,3980 3 Figura 14
H6.1 50 53,4940 6 Figura 15
Figura 12 Modelo de clculo estudado e respectivas caractersticas.
11
Situaes H3.1, H3.2 e H3.3
Tal como ilustra a figura 13, para estes trs casos a suco, e por sua vez a coeso aparente,
demasiadamente reduzida para emprestar ao solo a capacidade resistente necessria para que a estrutura seja
considerada estvel. Como tal, os valores do coeficiente de segurana so 0.298, 0.368 e 0.905
respectivamente, para as situaes H3.1, H3.2 e H3.3.
Ainda assim, verifica-se que com o aumento do nvel suco, o FS aumenta tal como o volume de estrutura
instabilizada.
Situao H3.4
Ao contrrio do que aconteceu anteriormente, o nvel de suco associado a esta situao, j permite
afirmar que a estrutura se apresenta estvel (figura 14). Mais uma vez notria a influncia que possui a
coeso na estabilizao de elementos deste tipo.
0.298 0.368
Figura 13 Resultados obtidos nas situaes de clculo H3.1, H3.2 e H3.3. Nestes casos o factor de segurana associado superfcie de deslizamento mais provvel ficou aqum do mnimo para garantir a estabilidade da estrutura.
0.905
12
Situao H3.4
Visto que j se determinou um valor de suco que estabilizasse o talude vertical com 3 metros, achou-se
interessante aumentar a altura deste, para uma suco mais elevada. A partir dos resultados apresentados na
figura 15 conclu-se que, um terreno com um valor de suco de 50MPa, capaz de se auto-suster, com uma
margem de segurana elevada, perante uma escavao vertical de 6 metros.
1.740
Figura 14 Resultados na situao H3.4. O valor do FS associado superfcie de rotura superior a 1.0, logo conclui-se que a estrutura se encontra do lado da estabilidade.
2.373
Figura 15 Resultados da situao de clculo H6.1 com um talude vertical com 6 metros de altura.
13
Validao do modelo computacional:
Como forma de aferir a qualidade do modelo de clculo proposto anteriormente, assim como todo o
processo de preparao computacional das condies desejadas, foram comparados os resultados de um
modelo-tipo, executado no Software referido, e os provenientes dos bacos formulados por Bishop e
Morgenstern [CAPUTO, 1983].
Houve a necessidade de ajustar o modelo base, nomeadamente no que diz respeito sua geometria, uma
vez que os bacos (figura 16) no contemplam taludes verticais.
O designado Coeficiente de Estabilidade [CAPUTO, 1983], que dado pela expresso 12, equivale ao factor
de segurana (FS) utilizado anteriormente e, como tal, a anlise comparativa ser obtida a partir destas
grandezas.
(12)
Uma vez que se est a estudar a curva de cedncia crtica, o coeficiente ru nulo, logo:
(13)
Deste modo, a partir da ordenada dos bacos da figura 16 pode-se retirar directamente o valor de S/factor
de segurana.
Figura 16 bacos de Bishop e Morgenstern [Caputo, 1983]. Esquema das grandezas geomtricas envolvidas na superfcie de rotura e definio do factor de profundidade.
14
Tal como referido, para se obter uma estrutura cujas caractersticas se enquadrassem nos bacos, houve a
necessidade de impor uma inclinao ao talude (figura 17), deixando de ser, por isso, vertical.
Independentemente desta adaptao, as concluses retiradas em nada deixaro de ser vlidas uma vez que
houve apenas alterao da geometria do problema, mantendo-se todas as restantes propriedades intactas.
Caractersticas do modelo de clculo
Critrio de rotura: Modelo Mohr-Coulomb Tipo de anlise: Bishop, Ordinary e Janbu
Alturas do talude: 3 Inclinao do talude: 4:1
Caractersticas do terreno analisado
Coeso aparente: 3 kPa
Tendo em conta que , a superfcie de rotura obtida e respectivo factor de segurana esto
ilustrados na figura 18.
Figura 18 Resultados do modelo computacional (FS=2.891).
Pela anlise dos resultados obtidos no software GeoStudio conclui-se que D0.4, logo o factor de
profundidade tem o valor de Df=1,133.
Visto que, para nmeros de estabilidade [CAPUTO, 1983],
, na ordem dos 0.05, existe um salto discreto
entre bacos de Df=1,0 para Df=1,25, ir ser usado o ltimo como referncia, por ser o mais prximo do caso de
estudo.
Finalmente, e tendo por base tudo o que foi referido, possvel retirar o coeficiente de estabilidade
correspondente (fig. 16), que vale aproximadamente 2.9. Encontra-se assim verificada a validade do modelo.
2.891
Figura 17 Modelo de clculo estudado e respectivas caractersticas.
15
Para terminar o estudo dos solos no saturados, procedeu-se a uma anlise semelhante quela que deu
origem figura 5, nesse caso para solos com caractersticas no drenadas.
Deste modo, o baco que ser apresentado de seguida (figura 19) permitir uma mais fcil leitura das
alteraes, em termos de resistncia, que o terreno experimenta quando submetido a diferentes estados de
suco e, alm disso, tornar mais claras outras relaes de dependncia entre as caractersticas do solo e o
seu comportamento final face a uma escavao vertical.
O objectivo final dos clculos efectuados no software atrs referido foi o de encontrar uma altura tal, que o
factor de segurana associado superfcie de rotura mais crtica fosse unitrio. Esta anlise consistiu numa
srie de tentativas, num processo iterativo, at encontrar a geometria do modelo de clculo que satisfazia as
premissas iniciais.
A tabela 2 fornece precisamente os valores que serviram de base para a construo do baco da figura 19.
De referir que se estudou 4 nveis de suco instalado, nomeadamente, 0.5MPa, 5MPa, 10MPa e 20MPa e,
para cada, 5 valores de ngulo de atrito. O peso volmico do solo considerou-se constante e de acordo com
todos os modelos apresentados anteriormente, tal como as restantes caractersticas.
Tabela 2 Clculos efectuados com vista realizao do baco da figura 19.
Suco (MPa)
' () ' (rad) M Coeso aparente (kPa) H (m) para FS=1.0
0,50
20 0,349 0,772 0,386 0,11
22 0,384 0,856 0,428 0,13
24 0,419 0,941 0,471 0,14
26 0,454 1,027 0,513 0,17
28 0,489 1,113 0,557 0,19
30 0,524 1,200 0,600 0,20
5,00
20 0,349 0,772 3,860 1,02
22 0,384 0,856 4,281 1,19
24 0,419 0,941 4,705 1,32
26 0,454 1,027 5,134 1,48
28 0,489 1,113 5,566 1,66
30 0,524 1,200 6,000 1,80
10,00
20 0,349 0,772 7,721 2,00
22 0,384 0,856 8,561 2,27
24 0,419 0,941 9,411 2,56
26 0,454 1,027 10,268 2,85
28 0,489 1,113 11,131 3,32
30 0,524 1,200 12,000 3,71
16
Suco (MPa)
' () ' (rad) M Coeso aparente (kPa) H (m) para FS=1.0
20,00
20 0,349 0,772 15,441 3,94
22 0,384 0,856 17,122 4,47
24 0,419 0,941 18,821 5,02
26 0,454 1,027 20,536 5,81
28 0,489 1,113 22,263 7,00
30 0,524 1,200 24,000 8,31
Figura 19 baco correspondente s alturas de escavao em talude vertical permitidas para diferentes patamares de suco instalada num solo com peso volmico de 20 kN/m
3.
Da anlise da figura anterior facilmente se conclu que, quanto maior for o nvel de suco instalado no
terreno, mais resistente ele e, como tal, permite maiores alturas em escavaes em talude vertical. Esta
premissa encontra-se de acordo com a explicao dada anteriormente, nomeadamente quando se relacionou a
existncia de suco com o aparecimento de uma suco aparente, tal como a expresso 6 descreve.
Por outro lado interessante notar que o efeito do ngulo de atrito na altura de escavao aumenta para
patamares de suco mais elevados, o que leva a entender que a componente atrtica toma maior expresso,
nos solos no saturados, quando as partculas de terreno esto sujeitas a maiores diferenciais de presses
entre a componente lquida e gasosa dos seus interstcios.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
20 22 24 26 28 30
Alt
ura
s_h
(m
etr
os)
ngulo de atrito interno ()
Alturas mximas de escavao em segurana
S = 0.5 Mpa
S = 5 Mpa
S = 10 Mpa
S = 20 Mpa
17
Fonte: Imagem fornecida pelo director de obra.
3. Trabalhos e estudos preliminares
O conjunto de trabalhos e estudos preliminares a qualquer obra, geralmente realizados na fase inicial do
projecto, so essenciais a vrios nveis, uma vez que fornecem informaes preciosas sobre o local a intervir e
as caractersticas da obra sendo, por isso, uma importante ajuda no que diz respeito a:
1) Adaptar o projecto da melhor forma s condicionantes externas (dimensionamento, mtodos
construtivos, materiais, );
2) Explicar alguns tipos de fenmenos que ocorram durante os trabalhos;
3) Antecipar possveis problemas ao longo da execuo da obra.
Este tipo de anlise toma especial importncia em projectos com uma grande componente geotcnica, uma
vez que, como se sabe, o solo um material com uma grande variabilidade, tanto no domnio do tempo como
no espao sendo, por isso, indispensvel uma anlise rigorosa da rea a intervir, com o objectivo de se
conhecer, o melhor possvel, as caractersticas do material que ir servir de fundao (Figura 20). Dado que o
factor econmico tem um grande peso em todas as decises que se tomam, fundamental que os trabalhos de
reconhecimento/estudos preliminares sejam executados de forma a maximizar a informao, exigindo, por
isso, uma preparao prvia para se perceber quais os aspectos mais importantes a estudar.
Para o caso das contenes perifricas de solos, dever-se- ter em conta os seguintes passos:
Prospeco Geolgico-Geotcnica do local (conjunto de operaes com vista a averiguar o tipo, a
constituio, a caracterizao mecnica e outras propriedades do solo e do substrato dos locais de interesse);
Levantamento dos tipos de mtodos existentes no mercado;
Estudar as restries tcnicas de cada mtodo;
Verificar o tipo e estado actual das fundaes das edificaes vizinhas (caso existam);
Analisar o espao e as acessibilidades disponveis para o estaleiro;
Figura 20 essencial, antes de qualquer tipo de trabalhos, visitar o terreno de forma a conhecer a rea a intervir, assim como todas as suas caractersticas. Local de implantao do Champalimaud Centre for the Unknown.
18
Fonte: Adaptado de (1).
Estudo do meio envolvente (mais precisamente o trnsito e os servios que podem ser afectados com
o decorrer dos trabalhos);
Estudo econmico (anlise de todas as opes viveis para o projecto tendo por base o oramento
estipulado pelo dono de obra);
Levantamento temporal da obra, sobrepondo o tempo de execuo dos mtodos tecnicamente
possveis com os prazos finais;
Entre outros, que iro diferir de caso para caso.
Em termos de importncia, o critrio tcnico (qualidade/segurana) aquele que possu maior relevncia,
tendo obrigatoriamente de ser sempre satisfeito, prevalecendo assim sobre os critrios econmicos e
temporais. Mas satisfazer apenas as especificaes tcnicas no chega, necessria uma optimizao na qual
se deve aliar a qualidade do servio prestado, ao custo e ao tempo de concluso embora, se saiba, que nem
sempre possvel.
Dito isto, facilmente perceptvel que o trabalho de um Engenheiro Civil, nos dias de hoje, passa alm dos
assuntos tcnicos, uma vez que se exige, cada vez mais, que a construo seja o mais econmica e rpida
possvel (Figura 21).
3.1. Reconhecimento Geolgico-Geotcnico
Como j foi referido, antes da execuo de uma conteno perifrica essencial ter o maior nvel de
conhecimento possvel quer da envolvente obra, quer da natureza e da formao do terreno da rea a
intervir. Surge ento a necessidade de se efectuar um reconhecimento Geolgico-Geotcnico do local.
Esta investigao preliminar poder abranger, dependendo do fim para que realizado o estudo, uma srie
de elementos informativos do terreno, como por exemplo: anlises topogrficas gerais, descrio de possveis
alteraes litolgicas e fsicas verificadas, tipo de estruturas existentes nas proximidades e anotaes de
eventuais danificaes, nveis de gua no subsolo (recolhidos principalmente a partir de medies em poos ou
escavaes), colheitas de amostras caractersticas, entre outros.
Uma referncia tambm para a documentao oficial da zona, que mais uma fonte de informao til
para o incio dos trabalhos. Neste caso, podem ser consultados, por exemplo, as cartas topogrficas, artigos e
relatrios sobre prospeco e geologia dos locais e suas vizinhanas, registos hidrolgicos e fotografias areas.
Figura 21 A misso do Engenheiro Civil a de criar um equilbrio entre a rapidez, a qualidade e o preo.
19
Para ilustrar a importncia do reconhecimento geotcnico indicam-se, de seguida, alguns dados que Silvrio
Coelho [Coelho, S.(1996)] contabilizou em relao s falhas que originaram acidentes com origem em
fundaes, no perodo de 1950 a 1972, em Frana:
40% por falta de reconhecimento geotcnico;
35% por m interpretao das sondagens ou mau conhecimento das leis de mecnicas dos solos;
15% por defeitos de execuo;
10% por agressividade do meio, nomeadamente por corroso da gua ou por se estar em contacto
com ambientes agressivos.
Face a estes dados, tambm preocupante a percentagem de falhas causadas pela m formao/fracos
conhecimentos dos intervenientes responsveis pela concepo do projecto. Ainda assim, verifica-se que a
maior percentagem remete para a falta de reconhecimento geotcnico [Coelho, S.(1996)], o que se pode
explicar por uma tentativa de minimizar os custos totais da obra. um erro seguir este tipo de procedimento,
uma vez que a pequena percentagem que se economiza em no realizar estudos prvios no justifica, de
maneira nenhuma, os riscos inerentes (estragos materiais e at mesmo a perda de vidas humanas).
3.2. Prospeco Geotcnica
Os trabalhos de prospeco e de interpretao do estudo geotcnico so feitos normalmente por empresas
da especialidade, tendo por base normas existentes relativas prospeco geotcnica de terrenos. Este estudo
informa sobre a constituio dos solos, as suas propriedades fsicas e a presena de gua em funo das
respectivas profundidades.
Caso este tipo de estudo seja bem conduzido, o custo em relao ao valor total da obra situa-se nos 0,5 a
1%. Complementado com uma boa investigao preliminar, este valor poder ainda ser substancialmente
reduzido, dependendo da importncia da construo.
Os projectos geotcnicos so usualmente executados tendo por base ensaios de campo e de laboratrio, os
quais permitem obter resultados satisfatrios relativamente s formaes existentes bem como as suas
propriedades, nomeadamente, as propriedades mecnicas.
Embora a matria relacionada com a anlise dos tipos de ensaios de campo transcenda um pouco o tema
da presente Dissertao, achou-se pertinente fazer referncia a uns dos ensaios mais utilizados na prtica em
Portugal o ensaio SPT (Standard Penetration Test), que se encontra esquematizado na figura 22. Este mtodo
tornou-se to popular, nomeadamente no nosso pas, visto ser relativamente barato comparativamente a
outros e, alm disso, permite retirar amostras de solo de dentro do furo da Sondagem.
O seu modo de execuo bastante simples: realiza-se um furo (sondagem) at profundidade pretendida,
recorrendo a equipamentos normais de furao; posteriormente, o teste consiste em cravar no terreno um
amostrador com dimenses e energia de cravao normalizados (pilo com 63,5 kg de massa e altura de queda
de 760 mm). O ensaio dividido em duas fases:
20
Fonte: Gomes, 2010.
1fase: penetrao de 15 cm devido perturbao do terreno provocada pelos trabalhos de furao,
despreza-se o resultado obtido nesta fase.
2fase: penetrao de 30 cm o nmero de pancadas necessrias para atingir a penetrao de 30 cm, na
segunda fase, define o valor de SPT.
Aps a normalizao dos valores obtidos, pode-se classificar o solo em anlise recorrendo s tabelas 3 e 4,
publicadas pelo LNEC (Laboratrio Nacional de Engenharia Civil), que se apresentam de seguida:
Tabela 3 Classificao de solos incoerentes quanto compacidade relativa. [LNEC E219]
Tabela 4 Classificao de solos coerentes quanto consistncia. [LNEC E219]
Figura 22 Esquema do equipamento usado num ensaio SPT.
21
Fonte: Bessa Meireles, 2006.
4. Estruturas Auxiliares
Normalmente est implcito que, associado construo de uma conteno perifrica, so executados
elementos que a iro auxiliar a absorver os impulsos transmitidos pelo solo a travar. Tais elementos so, em
geral, os Escoramentos e as Ancoragens. Os Escoramentos so normalmente estruturas de carcter provisrio,
sendo removidos quando a estrutura no interior se torne autoportante. Por outro lado, as ancoragens podero
ser provisrias ou serem dimensionadas para perdurar ao longo da vida da estrutura.
4.1. Escoramentos
Como foi referido, os escoramentos (Figura 23) so um conjunto de elementos normalmente provisrios,
de madeira, metlicos ou em beto, constitudos por peas conectadas e posteriormente desmontveis, que
possuem as seguintes funes:
Encaminhamento/absoro das tenses do terreno a conter, de cargas resultantes dos equipamentos
e do peso prprio da estrutura, durante as vrias fases da obra;
Servir de apoio provisrio para os materiais, equipamentos ou peas estruturais;
So um apoio at que a estrutura adquira uma resistncia suficiente para se auto-suster (presa do
beto);
Controlo das deformaes.
Em alguns casos, as escoras podem ser pr-esforadas, particularmente em situaes em que necessrio
um controle apertado dos movimentos de solos nos terrenos circundantes.
uma soluo, em geral, mais econmica do que as ancoragens, sendo, preferencialmente, escolhida em
situaes onde necessrio suster estruturas em cantos ou entre paredes prximas.
Figura 23 Escoras metlicas a apoiar uma soluo de conteno perifrica, neste caso, uma cortina de estacas.
22
Fonte: adaptado de Bessa Meireles, 2006.
4.2. Ancoragens
O uso de ancoragens no terreno, provisrias ou definitivas, constitui, em muitos casos, uma tcnica ideal
tendo repercusses bastante positivas no avano dos trabalhos e na qualidade das construes. As ancoragens
podem ser usadas, por exemplo, na fixao de tampes de fundo, no contraventamento de paredes que
suportam terrenos (contenes perifricas), na estab