Orlando da Silva Rojas Estudo do comportamento de um … Figura 2.11 Aplicação de geotêxtil sobre...

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Orlando da Silva Rojas

Estudo do comportamento de um geocomposto drenante em relação à sua capacidade de vazão

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do titulo de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.

Orientador: Prof. Michéle Dal Toé Casagrande

Rio de Janeiro

Setembro de 2014

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PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1221972/CA

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Estudo do comportamento de um geocomposto drenante em relação à sua capacidade de vazão

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Prof. Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora

Departamento de Engenharia Civil –– PUC-Rio

Prof. Raquel Quadros Veloso Departamento de Engenharia Civil –– PUC-Rio

Prof. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães Instituto Militar de Engenharia

Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro

Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 05 de setembro de 2014

.

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Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução

total ou parcial do trabalho sem autorização da

universidade, do autor e do orientador.


Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade San

Andrés de La Paz - UMSA em 2009. Principais áreas de

interesse: Novos materiais na construção.

Ficha Catalográfica

Rojas, Orlando da Silva

Estudo do comportamento de um geocomposto

drenante em relação à sua capacidade de vazão /

Orlando da Silva Rojas ; orientador: Michéle Dal Toé

Casagrande. – 2014.

126 f. : il. (color.) ; 30 cm

Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade

Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia

Civil, 2014.

Inclui bibliografia

1. Engenharia civil – Teses. 2. Geocomposto.

3. Permeabilidade planar. 4. Transmisividade. 5.

Fluência. l. Casagrande, Michéle Dal Toé. II. Pontifícia

Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento

de Engenharia Civil. III. Título.

CDD:624

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Agradeço primeiramente a Deus que me iluminou,

guiou-me e esteve sempre presente.

A minha amada mãe Vilma, pelos pensamentos,

amor infinito, carinho e dedicação.

A meu irmão Roberto por todo o apoio e forca,

para levar em diante este trabalho.

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Agradecimentos

A Deus!

À professora Michéle Dal Toé Casagrande, pela dedicação, paciência, atenção

dispensada durante o desenvolvimento da tese, por o conhecimento

compartido e a amizade.

À Macaferri pela disponibilização de material e equipamento para o

desenvolvimento desta pesquisa, em especial ao Eng. Paulo Rocha pela

atenção dispensada.

À minha família, em especial à minha tia Elizabeth, pela sua eterna

preocupação.

Aos meus amigos e colegas de Pós Graduação da PUC-Rio Daniel Velez, Julia

Camargo, Carlos Luza, Rhaissa Rodrigues, Natália Louzada, Gustavo

Sobreira, Sandra Trindade, pela amizade e companheirismo e colaboração de

este trabalho.

Também aos amigos que foram de fundamental apoio, Matias, Rodrigo,

Roberto, Oswaldo, Arquimedes.

À banca examinadora, pelas sugestões ao presente trabalho.

À Rita de Cassia, pelo apoio e preocupação.

Aos professores da PUC-Rio, pelas aulas ministradas, e pelos quais guardo

grande respeito, apreço e admiração.

Ao Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, pela oportunidade de

estudar nesta prestigiosa instituição

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Resumo

da Silva Rojas, Orlando; Dal Toé Casagrande, Michéle (orientador). Estudo

do comportamento de um geocomposto drenante em relação à sua

capacidade de vazão. Rio de Janeiro, 2014. 126p. Dissertação de

Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade

Católica do Rio de Janeiro.

Um dos grandes problemas apresentados nas Rodovias é a drenagem de

água, gerada principalmente pela chuva, tendo como consequência a diminuição

da resistência na estrutura do pavimento ou destruição do mesmo, causada pela

pressão hidráulica. Esta pesquisa tem o objetivo de analisar a fluência do

geocomposto, avaliando o comportamento drenante deste no solo, em relação à

sua capacidade de vazão. Foram realizados ensaios laboratoriais de curto e

médio prazo baseado no ensaio de permeabilidade planar e transmissividade em

que, à medida que o geocomposto é comprimido por um carregamento constante

de 10 kPa, sua vazão planar decresce e a deformação da amostra aumenta.

Determinou-se a deformação por compressão ao longo do tempo de ensaio do

material, que está diretamente ligado à sua capacidade de vazão. Para conferir

este comportamento foi feita a modelagem da amostra de solo argiloso que

inicialmente se encontra saturado e que é parte do subleito de uma rodovia em

um estudo de caso, com o geocomposto como parte do sistema de drenagem

(trincheira drenante) no programa PLAXIS, nas mesmas condições de

carregamento, determinando-se a variação da fluência com inserção de

geocomposto o que foi comparando com os valores obtidos no laboratório. Os

resultados foram satisfatórios e se conclui que há geração de deformações

causadas pelos carregamentos no solo, que influenciam na capacidade de vazão

de drenagem do conjunto.

Palavras-chave

Geocomposto.; permeabilidade planar.; transmisividade.; fluência.

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Abstract

da Silva Rojas, Orlando; Dal Toé Casagrande, Michéle (advisor). Study of

the behavior of a draining geocomposite in relation of the flow rate

capacity. Rio de Janeiro, 2014. 126p. MSc. Dissertation - Departamento

de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

One of the main problems that are seen on highways is that of water

drainage, generated mainly by rain. This may reduce the quality and structure of

the pavement as time passes or it may damage the pavement because of

hydraulic pressure. This research intends to object an analysis of fluency of

geocomposite; in so doing it will evaluate the behavior of geocomposite

drainage on soil in relation to its capacity to flow. Test were carried out in short

and half term in laboratory, based on planar permeability and transmisivity

,where as the geocomposite is compressed by a constant load -in our case of 10

kPa its planar wealth decreases, but the distortion of the sample increases. To

determine the distortion for compression throughout the time of the material

testing, which is directly related to the flow capacity. To verify the results

obtained in the laboratory, the model of the soil samples and the geocomposite

were analyzed in PLAXIS program, taking into account the same conditions and

characteristics of the tests. This helped us to determine the variation of fluency

with the geocomposite inclusion compared to the values obtained in the

laboratory. The results were satisfactory and it is concluded that there is

generation of deformation caused by loads on the ground, influencing the flow

capacity of the drain assembly.

Keywords

Geocomposite, planar permeability, transmisivity, fluency, creep.

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Sumário

1 Introdução e objetivos 20

1.1.Introdução 20

1.2. Objetivos 21

1.3. Estrutura da dissertação 21

2. Revisão da literatura I: Comportamento de solo reforçado com geossintético 23

2.1.Geotêxteis 24

2.2. Uso de geossintéticos nas rodovias 25

2.2.1 Proteção de geomembranas com geossintéticos 26

2.3. Funções desempenhadas pelos geossintéticos 27

2.3.1. Separação 27

2.3.2. Filtração 28

2.3.3. Drenagem 28

2.3.4. Impermeabilização 29

2.3.5. Reforço 29

2.3.6. Proteção 30

2.4. Propriedades e normas de ensaios hidráulicos 30

2.4.1 Permeabilidade transversal 30

2.4.2 Ensaio de determinação de espessura 32

2.5. Aplicação dos geossintéticos em pavimentos 32

2.5.1. Recapeamento asfáltico 32

2.5.2. Proteção de impermeabilização 34

2.6. Drenos longitudinais profundos 35

2.7. Drenos de pavimentos 35

2.8. Outras aplicações e tecnologias de uso dos geotêxteis 37

2.9. Reforço de solo com geossintético-histórico 37

2.9.1. Estruturas de solos finos coesivos com reforços permeáveis 39

2.9.2. Interação solos coesivos-reforços permeáveis 39

2.9.3 Efeito de confinamento nas propriedades mecânicas de geotêxteis não

tecidos 42

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3. Revisão da literatura II: Fluxo em meios porosos 46

3.1. Meio poroso saturado e parcialmente saturado 46

3.2. Equação fundamental do fluxo no meio poroso 47

3.3. Método dos elementos finitos para fluxo no meio poroso 50

3.3.1. Elementos finitos bidimensionais no sistema de coordenadas 51

3.3.2. Funções de interpolação .......................... 52

3.3.3. Elementos triangulares com funções de interpolação de grau elevado 53

4. Materiais e métodos 55

4.1. Introdução 55

4.2. Geocomposto 55

4.3. Etapa experimental 56

4.3.1. Ensaio de permeabilidade planar e transmisividade 56

4.3.1.1 Normas 56

4.3.1.2 Método 56

4.3.1.3 Especificações 58

4.3.1.4 Equipamento 59

4.3.1.4.1 Água 60

4.3.1.4.2 Recipiente de medida 61

4.3.1.5. Amostra 61

4.3.1.5.1. Condição dos corpos de prova 62

4.3.1.6. Procedimento do ensaio 62

4.3.1.7. Cálculos 63

4.3.2. Ensaio de determinação de espessura 64

4.3.2.1. Normas 64

4.3.2.2. Procedimento 64

4.3.2.3. Aplicação 65

4.4. Verificação de caso 65

4.4.1. Introdução 66

4.4.2. Software plaxis 2D 67

4.4.3. Modelos constitutivos 68

4.4.3.1. Modelo Soft Soil Creep 68

4.4.4 Geometria do modelo 72

4.4.5 Materiais 73

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4.4.6. Obtenção de dados para interpretação 73

5. Resultados e análises 75

5.1. Introdução 75

5.2. Etapa experimental 75

5.2.1. Ensaio de transmissividade planar 75

5.2.2. Determinação da fluência por compressão da espessura 79

5.3. Estudo de caso 80

5.3.1.1. Relações de McClelland 81

5.3.1.2. Metodologia de cálculo 82

5.3.1.3. Verificação da capacidade de vazão do Mac Drain TD 83

5.4. Análise dos cálculos 84

5.4.1. Caso 1-1 85

5.4.2. Malha 85

5.4.3. Modelo utilizado 85

5.4.4. Propriedades hidráulicas 86

5.4.5. Condições de contorno 87

5.4.6. Resultados 87

5.4.7. Análise da fluência 87

5.4.8 Análise de fluxo 90

5.5. Caso 2-1 92



5.6. Caso 3-1 98



5.7. Caso 1-2 103

5.7.1. Malha 104

5.7.2. Modelo utilizado 104

5.7.3. Propriedades hidráulicas 105

5.7.4. Condições de contorno 105

5.7.5. Resultados 105



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5.8. Caso 2-2 111



5.9. Caso 3-2 116



6. Conclusões 121

6.1. Sugestões para Trabalhos Futuros 123

7. Referências Bibliográficas 124

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Lista de figuras

Figura 2.1 Arranjo estrutural dos principais geotêxteis tecidos e não tecidos. (Fonte:

Benjamin, 2006) 24

Figura 2.2 Amostra de geotêxtil exposta contraluz. 25

Figura 2.3 Funções e propriedades dos geotêxteis. 27

Figura 2.4 Função separação. 27

Figura 2.5 Função filtração. 28

Figura 2.6 Função drenagem planar. 29

Figura 2.7 Função reforço. 29

Figura 2.8 Função proteção. 30

Figura 2.9 Esquema de ensaio para determinação de permeabilidade transversal de

geotêxteis. 31

Figura 2.10 Recapeamento asfáltico com utilização de geotêxtil. 32

Figura 2.11 Aplicação de geotêxtil sobre a capa antiga, já imprimada com asfalto

através de suporte rodante. 33

Figura 2.12 Amostra extraída de recapamento asfáltico, após anos de uso,onde se

constata o bloqueio de ascenção das trincas pela ação do geotêxtil. 33

Figura.2.13 Seção esquemática de proteção de manta asfáltica em

impermeabilização de laje. 34

Figura.2.14 Seção esquemática de dupla proteção de geomembrana

polimérica/elastométrica delgada em impermeabilização de laje. 34

Figura 2.15 Seção esquemática de drenos longitudinais profundos ao longo de

cortes rodo-ferroviários. ..........35

Figura 2.16 Seção esquemática de pavimento viário dotado de drenos de pavimento

paralelos. ....................36

Figura 2.17 Dreno de pavimento rodoviário construído junto com a estrada. .....36

Figura 2.18 Resultados de cisalhamento direto de interface de três diferentes tipos

de geotêxteis em solo argiloso 41

Figura 2.19 Ensaios arranchamento em argila: a) condição não drenada; b) condição

drenada 42

Figura 2.20 Resultados de tração confinada de geotêxteis não tecidos: a) efeito do

nível do confinamento; b) efeito da superfície de confinamento 43

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Figura 2.21 Comparação entre ensaios de fluência confinada e não confinada de: a)

geotêxtil não tecido resinado; b) não tecido agulhado. 45

Figura 3.1 Distribuição da pressão no meio poroso. 46

Figura 3.2 Fluxo através de um elemento infinitesimal no meio poroso 47

Figura 3.3 Condutividade hidráulica meio estratificado 48

Figura 3.4 MEF sistemas de coordenadas a) global, b) local. 51

Figura 3.5 a) Função de interpolação quadrática, b) Função de interpolação cubica

(Fonte: Kazda, 1990). 53

Figura 3.6 Elemento triangular de quarta ordem utilizado no programaPlaxis. 54

Figura 4.1 Vista geral do geocomposto utilizado nos ensaios. 56

Figura 4.2 Esquema do ensaio de permeabilidade planar e transmissividade. 57

Figura 4.3 Esquema do ensaio de permeabilidade planar e transmissividade. 57

Figura 4.4 Equipamento para ensaio de transmissividade - detalhe da calha. 58

Figura 4.5 Equipamento ensaio de transmissividade - detalhe do reservatório 58

Figura 4.6 Compressão-deflexão. 59

Figura 4.7 Detalhe do ensaio de espessura com pressões de 20 kPa. 65

Figura 4.8 Ligação entre tensão e deformação: equação constitutiva. 66

Figura 4.9 Relação logarítmicaentre a deformação volumétrica e a tensão efetiva

média (Fonte: Brinkgreve, Broere, &Waterman, 2002). 69

Figura 4.10 Superfícies de Rotura do modelo Soft Soil no plano p´-q (Fonte:

Brikgreve, Broere, &Waterman, 2002). 70

Figura 4.11 Consolidação e fluência em ensaio edométricos (Fonte: Brinkgreve,

Broere,&Waterman, 2002) 71

Figura 4.12 Exemplo de malha de elementos finitos adoptada. 73

Figura 5.1 Curva de fluência a compressão, amostra 1. 76



Figura 5.4 Curva de fluência a compressão, amostras 1-2-3 77

Figura 5.5 Curva de vazão ao longo do tempo 77

Figura 5.6 Curva deformação - permeabilidade. 78

Figura 5.7 Curvas do ensaio de fluência em compressão para 1 camada do

geocomposto. 79

Figura 5.8 Curvas do ensaio de fluência em compressão para 1 camada do

geocomposto (Fonte: Rafael Rivero Plácido USP) 80

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Figura 5.9 Drenagem subsuperficial comgeocomposto como trincheira drenante 81

Figura 5.10 Seção tipo que apresenta as condições de contorno para o exemplo. 81

Figura 5.11 Representação do rebaixamento da superfície freática causado pela

utilização de drenagem por trincheira. 82

Figura 5.12 Ábaco interpolando as condições impostas pelo método proposto por

McClelland (Fonte: McClelland 1943). 83

Figura 5.13 Seção de cálculo do solo para 1 dreno. 85

Figura 5.14 Malha da seção de cálculo caso 1. 85

Figura 5.15 Aplicação de carregamento e condições de contorno. 87

Figura 5.16 Seção deformada caso 1-1 88

Figura 5.17 Variação do deslocamento solo-geossintético caso 1-1. 88

Figura 5.18 Gráfico de deslocamento solo-geossintético caso 1-1. 89

Figura 5.19 Gráfico de deslocamento no solo caso 1-1. 89

Figura 5.20 Gráfico de deformações no solo εxx. 90

Figura 5.21 Gráfico de variação da Poro pressão caso 1-1. 90

Figura 5.22 Variação da poro pressão com a espessura do solo. 91

Figura 5.23 Gráfico da região atingida pela rede de fluxo caso 1-1. 91

Figura 5.24 Variação da rede de fluxo 91

Figura 5.25 Curva da vazão ao longo do tempo. 92

Figura 5.26 Seção de cálculo do solo para 2 drenos. 92


Figura 5.28 Seção deformada Solo-geossintético caso 2-1. 93

Figura 5.29 Variação de deslocamento solo-geossintético caso 2-1 94

Figura 5.30 Deslocamento solo-geossintético 94

Figura 5.31 Gráfico de deslocamento no solo 95


Figura 5.33 Variação da Poro pressão, com a espessura do solo 96

Figura 5.34 Gráfico de variação da Poro pressão. 96

Figura 5.35 Gráfico de variação da rede de fluxo. 97

Figura 5.36 Gráfico da região atingida pela rede de fluxo. 97


Figura 5.38 Seção de cálculo do solo para 3 drenos. 98

Figura 5.39 Condições do modelo de cálculo. 98

Figura 5.40 Seção deformada do solo - geossintético caso 3-1. 99

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Figura 5.41 Variação de deslocamento solo-geossintético caso 3-1. 99

Figura 5.42 Deslocamento solo-geossintético, caso 3-1. 100

Figura 5.43 Deslocamento no solo-geossintético, caso 3-1. 100

Figura 5.44 Gráfico de deformações no solo εxx, caso 3-1. 101

Figura 5.45 Variação da Poro pressão, com a espessura do solo caso 3-1. 101


Figura 5.47 Gráfico de variação da rede de fluxo, caso 3-1. 102


Figura 5.49 Curva da vazão ao longo do tempo 103

Figura 5.50 Seção de cálculo para 1 dreno, caso 1-2 104

Figura 5.51 Malha da seção de cálculo, caso 1-2. 104


Figura 5.53 Seção deformadado solo - geossintético caso 1-2. 106

Figura 5.54 Variação de deslocamento solo-geossintético. 106

Figura 5.55 Gráfico de deslocamento solo-geossintético. 107

Figura 5.56 Gráfico de deslocamento no solo. 107


Figura 5.58 Variação da poro pressão, com a espessura do solo caso 1-2. 108

Figura 5.59 Gráfico de variação da Poro pressão, caso 1-2. 109


Figura 5.61Variação da rede de fluxo. 110


Figura 5.63 Seção de cálculo para 2 drenos. 111


Figura 5.65 Seção deformada Solo-geossintético. 111

Figura 5.66 Variação de deslocamento solo-geossintético, caso 2-2. 112

Figura 5.67 Gráfico de deslocamento solo-geossintético, caso 2-2 112

Figura 5.68 Gráfico de deslocamento no solo, caso 2-2 113

Figura 5.69 Gráfico de deformações no solo εxx, caso 2-2. 113

Figura 5.70 Variação da Poro pressão, com a espessura do solo caso 2-2. 114


Figura 5.72 Gráfico de variação da rede de fluxo, caso 2-2 115


Figura 5.74 Curva de variação da vazão ao longo do tempo, caso 2-2. 115

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Figura 5.75 Seção de cálculo para 3 drenos. 116

Figura 5.76 Condições do modelo de cálculo. 116

Figura 5.77 Seção deformada. 116

Figura 5.78 Gráfico de deslocamento solo-geossintético. 117

Figura 5.79 Deslocamento solo-geossintético. 117

Figura 5.80 Deslocamento no solo-geossintético. 118


Figura 5.82 Variação da poro pressão com a espessura. 119

Figura 5.83 Gráfico de variação da poro pressão. 120

Figura 5.84 Gráfico de variação da rede de fluxo 120



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Lista de tabelas

Tabela 2.1 Funções de alguns geossintéticos em projetos de engenharia (Fonte:

Vertematti, 2004). 23

Tabela 4.1 Características gerais do geocomposto. 56

Tabela 4.2 Propriedades do solo 73

Tabela 5.1 Correlações obtidas pelas experiências de McClelland 83

Tabela 5.2 Capacidade de vazão do MacDrain TD. 84

Tabela 5.3 Propriedades do solo para a modelagem, caso 1. 86

Tabela 5.4 Propriedades hidráulicas do solo, caso 1 86

Tabela 5.5 Propriedades do solo para a modelagem, caso 2. 104

Tabela 5.6 Propriedades hidráulicas do solo, caso 2. 105

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Lista de Símbolos

Q Vazão.

H Perda de carga total.

TK Permeabilidade transversal.

L Comprimento da amostra na direção do fluxo.

A Área do fluxo.

Transmissividade hidráulica

k Condutividade hidráulica do meio poroso.

xv Velocidade de fluxo na direção x.

yv Velocidade de fluxo na direção y.

zv Velocidade de fluxo na direção z.

x

xv

Variação da velocidade na direção x.

y

v y

Variação da velocidade na direção y.

z

zv

Variação da velocidade na direção z.

h(x,y,z) Potencial hidráulico.

kxx Permeabilidade na direção x

Kyy Permeabilidade na direção y.

Kzz Permeabilidade na direção z

ND Número de canais de fluxo.

NF Número de quedas equipotenciais.

Ni Funções de interpolação.

k* Índice de expansibilidade.

Kdr Módulo de rigidez volumétrica.

Edr Módulo de deformabilidade.

dr Coeficiente de Poisson.

Pp Tensão de pré-consolidação isotrópica.

peq

Tensão média efetiva. eq

pp Tensão equivalente de pré-consolidação.

ε Fluência (compressão secundária).

εc Fluência no fim da consolidação primaria.

CB Constante do material.

t Tempo.

εH Deformação volumétrica logarítmica.

µ* Índice de compressão secundária modificada.

γs Peso volumétrico seco.

γss Peso volumétrico saturado.

FRIN Fator de redução, por intrusão do solo.

FRCR Fator de redução, por fluência.

FRCC Fator de redução, colmatação química.

FRBC Fator de redução, colmatação biológica.

e0 Índice de vazios.

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Ø Ângulo de resistência ao corte.

C Coesão

E´ Modulo de elasticidade.

ν Coeficiente de Poisson.

ux Deslocamento na direção x.

uy Deslocamento na direção y.

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1 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

1.1. Introdução

Na prática da engenharia existe sempre a tendência de buscar soluções

competitivas no aspecto técnico e econômico dos projetos. No que se refere ao

sistema de drenagem das rodovias, as técnicas de drenagem da água nos solos

com o uso dos geossintéticos tem sido uma solução amplamente utilizada devido à

sua versatilidade, fácil emprego e principalmente baixo custo em comparação às

soluções convencionais.

Existe atualmente no mercado uma variedade de materiais geocompostos

drenantes com a função de estabilização de maciços de terra. A partir da década

dos 80, observou-se que os geocompostos, poderiam cumprir não somente a

função de reforço, mas também a função de drenagem interna de estruturas de

solo reforçado. Dentre as vantagens da função de drenagem nestas estruturas estão

a rápida dissipação de pressões da água na interface solo-reforço e a aceleração do

adensamento do solo em situações em que o solo está saturado. Adicionalmente,

estes reforços apresentam melhoria na rigidez e na resistência à tração devido ao

confinamento e à impregnação de partículas de solo em sua estrutura interna. Com

base nestas afirmações, geocompostos em estruturas de solos finos apresentam um

grande potencial para compor estruturas permanentes com desempenho

satisfatório, mesmo sob as condições de avanço de umedecimento.

A eficiência de geocompostos na função da drenagem é bastante conhecida

atualmente, muito embora poucos trabalhos têm mostrado claramente o efeito da

infiltração de água da chuva no comportamento de estruturas de solos finos

reforçados. É bastante conhecido também que os problemas de deslocamentos

excessivos e rupturas são, na maioria das vezes, implicações do uso de solos finos

e do avanço do umedecimento no interior da zona reforçada, o que prejudica não

somente a resistência e a rigidez do solo, mas também a interação deste com o

reforço. Por outro lado, necessita-se ainda conhecer o processo de infiltração na

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interface solo e geocomposto e os efeitos deste no comportamento destas

estruturas em escalas reais.

1.2. Objetivo

Este trabalho tem por objetivo avaliar o comportamento a fluência de um

geocomposto drenante no solo em relação à sua capacidade de vazão, realizando

ensaios de curto e médio prazo em laboratório, com base no ensaio de

permeabilidade planar e transmissividade, onde à medida que o geocomposto é

comprimido, sua vazão planar decresce.

Para fins comparativos dos resultados obtidos no laboratório realizou-se um

estudo de caso no programa PLAXIS, tendo-se os parâmetros experimentais para

o cálculo, determinando-se assim a variação da fluência na interação de um solo

argiloso com o dreno de geocomposto.

Um parâmetro importante avaliado foi a infiltração da água proveniente de

eventos de chuva em protótipos de solo reforçado com geocomposto, tendo-se

como exemplo um estudo de caso.

1.3. Estrutura da dissertação

Este trabalho está dividido em seis capítulos, iniciando com este capítulo

introdutório (Capítulo 1), seguido do Capítulo 2, onde é apresentada uma revisão

da literatura existente sobre os materiais geossintéticos, sua composição,

fabricação, utilização e tecnologias existentes para o uso. Também uma descrição

deste material em pavimentação de pesquisas anteriores que já utilizaram o

geossintético como sistema de drenagem.

No Capítulo 3 é descrito a parte de fluxo em meios porosos, descrevendo os

conceitos de meio poroso saturado e parcialmente saturado; assim também a

descrição do método dos elementos finitos para fluxo.

O Capítulo 4 apresenta uma descrição dos materiais e métodos utilizados,

que foi dividido em duas partes: a primeira experimental com a descrição dos

ensaios de laboratório, o ensaio de transmissividade e a segunda que é numérica

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22

que refere à descrição do software PLAXIS 2D, além da descrição do modelo

utilizado para a modelagem feita do estudo de caso.

O capítulo 5 apresenta os cálculos e resultados tanto da parte experimental

como da parte numérica.

Na parte experimental se fez os gráficos mostrando o comportamento do

material, o que foi comparado com outras teses. E na parte numérica foi feita no

PLAXIS, o que foi comparada com o estudo de caso.

Finalmente no Capítulo 6 são apresentadas as considerações finais baseadas

no conhecimento obtido da realização deste trabalho e da análise dos resultados.

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23

2. Revisão da literatura I: Comportamento de solo reforçado com geossintético

Os geossintéticos são produtos poliméricos industrializados, desenvolvidos

para aplicações em obras geotécnicas, desempenhando uma ou mais funções,

entre as quais destacam-se: reforço, drenagem, filtração, separação e controle da

erosão superficial (Vertematti, 2004).

Exemplos de geossintéticos são: geocélula, geocomposto, georrede,

geoespaçador, geofôrma, geogrelha, geomanta, geomembrana, geotêxtil e

geotubo.

Podem ser fabricados utilizando-se diversos polímeros, como polietileno,

polipropileno, poliéster, poliamida, polivinil, variando-se conforme a necessidade

à proporção de polímeros no geossintético. Materiais naturais, como fibra de côco

e algodão, também podem ser utilizados.

Em projetos de engenharia, as aplicações de geossintéticos são diversas e

cada tipo possui funções determinadas. A Tabela 2.1 apresenta o emprego de

alguns geossintéticos para atender às suas funções nos projetos.

Tabela 2.1 Funções de alguns geossintéticos em projetos de engenharia

(Vertematti, 2004)

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24

No Brasil, os geossintéticos são empregados de forma mais intensa em

obras de drenagem e filtração, além das outras funções já listadas. Um material é

considerado como filtro quando permite a passagem da água, ou outro fluido

qualquer, mas retém os sólidos. Já um dreno deve permitir a passagem de líquidos

com a menor perda de carga hidráulica possível (Vertematti, 2004).

2.1. Geotêxteis

Geotêxteis são mantas permeáveis, flexíveis e finas produzidas a partir de

fibras sintéticas ou naturais. São produtos manufaturados a partir de diferentes

polímeros, principalmente poliéster e polipropileno, em razão da resistência

química e mecânica, e de variadas formas de fabricação (Lima, 2003).

A estrutura do geotêxtil é dada pela sua técnica de fabricação, ou seja, no

processo de combinação das fibras, o qual pode dar origem a três tipos: tecidos,

não-tecidos e tricotados.

De acordo com Freitas (2003), geotêxteis tecidos são aqueles fabricados por

processos de tecelagem, em que há entrelaçamentos ordenados das fibras, em

geral num ângulo de 90° e, segundo Paterniani (1991), possuem espessura muito

fina (<1mm). Os não-tecidos são fabricados pela deposição aleatória de fibras

(monofilamentos contínuos ou cortados) em uma esteira rolante, ficando a

espessura do produto condicionada a velocidade de avanço da esteira. Os

geotêxteis tricotados são oriundos do entrelaçamento de fios por tricotamento. A

figura 2.1 demostra o arranjo estrutural de geotêxteis tecidos e não tecidos.

Figura 2.1 Arranjo estrutural dos principais geotêxteis, tecidos e não

tecidos (Benjamin, 2006).

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25

Apesar de serem fabricados por processos industriais de tecelagem, visando

a homogeneidade do tecido percebe-se pela figura 2.2 que há fios em menor

concentração em algumas regiões do geotêxtil.

Figura 2.2 Amostra de geotêxtil exposta contra a luz.

Em função do método de ligação das fibras dos geotêxteis não tecidos, esses

podem ser agulhados, termoligados ou resinados. Quando agulhados, as fibras são

interligadas mecanicamente por agulhamento; termoligados, as fibras são unidas

por fusão parcial obtida por aquecimento; e resinados, são interligadas por resinas.

Segundo Freitas (2003), normalmente, para a função de filtração são

utilizados geotêxteis não tecidos. Estes apresentam uma estrutura muito mais

complexa que os tecidos, pois não atuam como uma simples interface, mais sim

como um meio tridimensional, possuindo a espessura como parâmetro

complementar. Vertematti (2004) lista as principais vantagens proporcionadas

pelos geotêxteis como elemento filtrante, em relação a outros meios

convencionais.

• A espessura do filtro é menor.

• Características controladas e regulares, por se tratar de um produto

industrial.

• Facilidade de instalação, manutenção e baixo custo.

2.2. Uso de geossintéticos nas rodovias

O uso dos geossintéticos (geotêxtil / geogrelha) traz muitos benefícios ao se

utilizar o reforço em rodovias:

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26

• Redução da intensidade de tensão no subleito (subrasante) e prevenção da

base de agregado em penetrar no subleito (função de separação);

• Prevenção de finos oriundos do subleito bombeados ou de outra forma

migrarem para dentro da base (função de filtração e separação);

• Permitir um aumento na resistência do subleito ao longo do tempo (função

reforço);

• Redução dos recalques diferenciais da rodovia, o que auxilia na

manutenção da integridade e da uniformidade do pavimento (reforço);

• Fornece uma barreira capilar para reduzir a ação da água em solos

susceptíveis a degelo (função barreira);

• Prevenção da contaminação do material de base, o que pode permitir

graduações mais abertas, com agregados consequentemente mais drenantes

(filtração);

• Redução da profundidade de escavação requerida para a remoção de

materiais de subleito indesejáveis (separação e reforço);

• Redução da espessura de agregado requerida para se estabilizar o subleito

(função de separação e reforço);

• Redução de manutenções e extensão da vida útil do pavimento.

2.2.1. Proteção de geomembranas com geossintéticos

Danos a geomembrana e defeitos de fabricação correspondem em pequenos

orifícios, variações de espessura e baixa resistência ao stress cracking. Dos

danos ocorridos durante a fase de colocação da camada drenante, 68% são devidos

a pedras angulosas, também a inaceitáveis dimensões das partículas constituintes

da camada drenante ou ao deficiente dimensionamento do geossintético de

proteção; 16% devido ao equipamento pesado usado para espalhar a camada

drenante e 16% devido a incorreta utilização do utensílio que verifica a espessura

da camada drenante, segundo Vertematti (2004).

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27

2.3. Funções desempenhadas pelos geossintéticos

O processo de fabricação e a matéria prima conferem ao geossintético todas

as suas características e propriedades que, por sua vez, se combinam para criar as

funções que o produto está apto a exercer, conforme a figura 2.3.

Figura 2.3 Funções e propriedades dos Geotêxteis

Segundo Koerner (1998) as funções dos geossintéticos nas obras

geotécnicas podem ser agrupadas em seis categorias, conforme descrito nos itens

2.3.1 a 2.3.6.

2.3.1. Separação

O geossintético é interposto entre dois materiais de naturezas diferentes,

impede sua mistura e interpenetração, preservando suas características originais,

com é apresentado na figura 2.4.

Figura 2.4 Função Separação

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28

2.3.2. Filtração

Segundo Koerner (1998), filtração é o equilíbrio geossintético-solo que

permite um adequado fluxo de líquido com limitada perda de solo

perpendicularmente ao plano do geossintético, durante uma vida de serviço

compatível com a aplicação em consideração.

O fenômeno de filtração para a água percolando em um solo bem graduado,

pode ser visualizado no esquema apresentado na figura.

Figura 2.5 Função Filtração

2.3.3. Drenagem

É o equilíbrio geossintético-solo que permite um adequado fluxo de líquido

com limitada perda de solo paralelamente ao plano do geossintético, dentro de sua

estrutura, durante uma vida de serviço compatível com a aplicação em

consideração.

O geossintético, através de sua estrutura física, coleta e conduz fluído em

seu plano.

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29

Figura 2.6 Função Drenagem Planar

2.3.4. Impermeabilização

O geossintético é usado como barreira para impedir a passagem de líquidos.

Esta aplicação assumiu grande importância nas últimas décadas devido ao

crescimento das exigências ambientais para disposição de resíduos e rejeitos.

2.3.5. Reforço

Os solos em geral tem pouca ou nenhuma resistência à tração. Os

geossintéticos, ao contrário, caracterizam-se por possuírem elevada resistência à

tração.

A través de suas propriedades mecânicas, atua no sentido de reforçar a

estrutura geotécnica na qual está inserida, como apresentada na figura 2.7.

Figura 2.7 Função Reforço

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30

2.3.6. Proteção

O geossintético é colocado adjacente a outro elemento de uma obra

geotécnica, o protege de danos mecânicos tais como abrasão, punsonamento e

rasgo, como apresentado na figura 2.8.

Figura 2.8 Função Proteção

2.4. Propriedades e normas de ensaios hidráulicos

Para a adequada utilização de geossintéticos nas funções de separador, filtro

ou dreno, é necessário conhecer suas propriedades hidráulicas, que neste estudo

foram analisadas em função dos seguintes ensaios:

• Ensaio de permeabilidade no plano da água - transmissividade;

• Ensaio de determinação de espessura.

A compressibilidade dos geocompostos faz com que sua permeabilidade

seja em função da tensão normal a que eles estão submetidos. Os resultados de

ensaio devem, portanto, indicar a pressão atuante sobre o geotêxtil durante sua

realização. Pode-se adotar como “permeabilidade nominal” o valor obtido sob

tensão de 2 kPa, ou seja, para a condição de espessura nominal.

2.4.1. Permeabilidade Transversal – Transmissividade

A permeabilidade transversal de um geocomposto indica a capacidade que a

manta possui de conduzir água no seu próprio plano. É uma característica dos

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31

geocompostos e uma propriedade importante a analisar sempre que houver

interesse na consideração de drenagem através do geocomposto.

Considerando uma situação de fluxo laminar, da lei de Darcy tem-se:

𝑄 = (𝐾𝑇 . ∆𝐻. A)/L (2.1)

Onde:

Q – vazão (m3/s)

KT - permeabilidade transversal (m/s)

∆H - perda de carga total (m)

L - comprimento da amostra na direção do fluxo

A - área do fluxo

Reescrevendo esta equação em função da espessura Tg do geocomposto, temos:

𝐾𝑇 = 𝑄

∆𝐻.

1

𝑇𝑔 (2.2)

Denominando “transmissividade hidráulica” a relação:

𝜃 =𝑄

∆𝐻 ; (

𝑚2

𝑠) (2.3)

tem-se:

𝐾𝑇 = 𝜃

𝑇𝑔 (2.4)

Na figura 2.9 se apresenta o esquema de ensaio proposto pela ASTM-

D4716, específico para geocompostos.

Figura 2.9 Esquema de ensaio para determinação da permeabilidade

transversal de geocompostos.

A interação solo-geocomposto pode ter grande influência sobre a

transmissividade hidráulica do sistema. Portanto, além dos ensaios de

caracterização do geocomposto deveria realizar ensaios de desempenho

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32

considerando o conjunto. O esquema apresentado na Figura 2.9 prevê a

possibilidade de ensaiar o geocomposto com ou sem a presença do solo e em

condições de carga normal simulando as do campo.

2.4.2. Ensaio de determinação de Espessura

Esta baseado nas normas:

ASTM D 5199/01- Standard Test Method for Measuring the Nominal Thickness

of Geosynthetics.

ASTM D 6525/00- Standard Test Method for Measuring the Nominal Thickness

of Permanent Rolled.

A espessura nominal de um geocomposto drenante é determinada pela

observação da distância perpendicular entre um plano móvel e uma superfície

paralela, provocada pela ocupação desse espaço por um geocomposto, sob uma

pressão específica (2 kPa ou de 20 kPa por 5 segundos), obtém-se do ensaio a

espessura nominal, em mm.

2.5. Aplicação dos geossintéticos em pavimentos

2.5.1. Recapeamento Asfáltico – Proteção

O geossintético, aplicado na interface das camadas antiga e nova, retarda a

ascensão das trincas da capa antiga para a nova, pois seus filamentos ou fibras

redistribuem as tensões que se concentraram nas bordas das trincas e fissuras.

Para atuar corretamente, o geossintético deve ser totalmente saturado com

asfalto e estar aderido a ambas as superfícies, o que é conseguido através de

imprimações, como é visto na figura 2.10.

Figura 2.10 Recapeamento Asfáltico com utilização de geossintético

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://infraestruturaurbana.pini.com.br/solucoes-tecnicas/20/impermeabilizacao-de-pavimento-qual-a-funcao-da-aplicacao-de-271612-1.aspx&ei=yv27VNucCoOnNtmahKgJ&bvm=bv.83829542,d.cWc&psig=AFQjCNG4ax31lrtd_sUYfF4CUgYxVkTUoA&ust=1421692624

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Com as trincas e fissuras preenchidas e o geossintético misturado com a

emulsão asfáltica, têm-se um conjunto impermeável que irá barrar a penetração

das águas de chuvas pelas futuras trincas do novo pavimento, como é apresentado

na figura 2.11.

Figura 2.11 Aplicação de geossintético sobre a capa antiga, já

imprimada com asfalto através de suporte rodante

O geossintético, saturado de asfalto, atua como barreira anti-reflexão e

membrana impermeável, aumentando a vida útil da nova capa de duas a dez vezes

dependendo das condições locais.

Figura 2.12 Amostra extraída de recapeamento asfáltico, após anos de

uso, onde se constata o bloqueio de ascensão das trincas pela ação do

geossintético.

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34

2.5.2. Proteção de Impermeabilização – Proteção

Nas impermeabilizações com mantas asfálticas ou geomembranas

elastoméricas/poliméricas, sua função de barreira contra a percolação de fluídos

deve ser preservada.

Vários esforços devidos a objetos contundentes ou transmitidos pelos

materiais de construção adjacentes, podem danificar as mantas e comprometer

todo o sistema impermeabilizante, para diminuir esses danos se recomenda usar

um sistema de impermeabilização de laje como é representada na figura 2.13.

Figura 2.13 Seção esquemática de proteção de manta asfáltica em

impermeabilização de laje

Na figura 2.14 se apresenta a proteção de impermeabilização de lajes com

manta asfáltica, o geossintético é colocada apenas na face superior, para absorver

os esforços dinâmicos do pavimento/cobertura.

Figura 2.14 Seção esquemática de dupla proteção de geomembrana

polimérica/elastométrica delgada em impermeabilização de laje

A prevenção da colmatagem dos drenos devido ao carregamento dos finos

do solo pelo fluxo de água é feita a través da utilização de uma camada de

geossintético filtrante envelopando totalmente o material drenante, usualmente

uma brita.

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35

Na parte superior da seção drenante, o geossintético filtrante é sobreposto

para garantir proteção total contra a penetração de finos e recebe uma camada

selante de reaterro compactado

2.6. Drenos longitudinais profundos - Filtração

Para rebaixar o lençol freático em obras viárias, geralmente em cortes

rodoviários ou ferroviários, drenos longitudinais profundos paralelos são

construídos ao longo da via.

Figura 2.15 Seção esquemática de drenos longitudinais profundos ao

longo de cortes rodoferroviários

A prevenção da colmatagem dos drenos devido ao carregamento dos finos

do solo pelo fluxo de água, é feita a través da utilização de uma camada de

geossintético filtrante envelopando totalmente o material drenante, usualmente

uma brita.

Na parte superior da seção drenante, o geossintético filtrante é sobreposto

para garantir proteção total contra a penetração de finos e recebe uma camada

selante de reaterro compactado.

2.7. Drenos de Pavimentos – Filtração

Todo pavimento viário, mesmo que seja considerado impermeável, com o

passar do tempo irá permitir a penetração de água para sua base. A presença de

água confinada na base do pavimento, sujeita aos ciclos dinâmicos de carga, irá

provocar o bombeamento das partículas finas do subleito através da base e

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36

revestimento, até emergir no leito da via, além de promover a queda de resistência

do subleito e camadas do pavimento.

Figura 2.16 Seção esquemática de pavimento viário dotado de drenos de

pavimento paralelos.

Esse fenômeno ocorre em estradas, vias urbanas, pátios e estacionamentos e

colabora para a rápida deterioração do pavimento.

Figura 2.17 Dreno de pavimento rodoviário construído junto com a estrada

A inclusão de drenos de pavimento, construídos com geossintético filtrante,

previne o desenvolvimento do bombeamento, pois retira a água da base tão logo

ela penetre, garantindo a manutenção da resistência do subleito/estrutura, bem

como a vida útil do pavimento.

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37

2.8. Outras aplicações e tecnologias de uso dos geossintéticos

Na atualidade os geossintéticos também têm as seguintes aplicações:

a) Barragens, proteção do talude montante, drenos vertical e horizontal,

dreno de pé de talude.

b) Canais, colchões drenantes, base para impregnação asfáltica e proteção de

geomembranas.

c).Captação de águas subterrâneas, poços profundos e trincheiras de

captação.

d).Construção Civil, drenagem subterrânea, proteção de impermeabilização,

muros de contenção.

e).Construção Industrial, drenagem subterrânea, proteção de

impermeabilização, estacionamentos e arruamentos, reforço de aterros sobre solos

moles e taludes íngremes.

f) Controle de Erosão, revestimentos de canais, bacias de amortecimentos,

proteção superficial de taludes.

g) Esporte e Lazer, campos de futebol, quadras de tênis, campos de golfe,

jóquei clubes, praias artificiais, proteção de gramados.

h) Obras de contenção, muros em solos reforçados, drenos em muros de

arrimo, muros de gaviões, paliçadas e diques contínuos.

i).Obras Marítimas, enrocamentos de contenção, diques contínuos.

2.9. Reforço de solo com geossintético – Histórico

Segundo Casagrande (2005) os geossintéticos vêm sendo usados nas obras

geotécnicas há várias décadas, para proporcionar ao solo algumas características

como drenagem, proteção à erosão, reforço do mesmo, entre outras. Existem

diversos tipos de geossintéticos, sendo estes classificados em geotêxteis,

geogrelhas, geomalhas, geomenbranas, tiras, fibras e geocompostos. Os geotêxteis

são mais utilizados, estes são conformados por fibras têxteis ordenadas

aleatoriamente e empregados como elementos de reforço, separação, drenagem,

filtração, e proteção. As geogrelhas são grelhas plásticas utilizadas como

elementos de reforço, principalmente contra as solicitações de tração e melhora na

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38

distribuição das tensões. As geomalhas são estruturas planas com elevado volume

de vazios para utilização como meio drenante. As geomembranas conformam

elementos de baixíssima permeabilidade.

Segundo Martins (2012), no caso de uso de solos finos, geralmente de

rigidezes inferiores aos solos grossos, reforços mais rígidos são necessários. No

entanto, o problema principal da possibilidade de desenvolvimento de pressões da

água na zona reforçada persiste. Notou-se, no entanto o problema principal da

possibilidade de desenvolvimento de pressões da água na zona reforçada persiste.

Notou-se, no entanto, a partir da década de 80, que os geotêxteis não tecidos,

embora flexíveis, poderiam cumprir não somente a função de reforço, mas,

associadamente, a função de drenagem interna de estruturas de solo reforçado.

Dentre as vantagens da função de drenagem destas estruturas estão a rápida

dissipação de pressões da água na interface solo-reforço e a aceleração do

adensamento do solo em situações em que o solo é saturado.

A eficiência de geotêxteis não tecidos na função de drenagem é bastante

conhecida atualmente, muito embora poucos trabalhos tivesse mostrado

claramente o efeito da infiltração de água de chuva no comportamento de

estruturas de solos finos reforçados. É bastante conhecido também que, os

problemas de deslocamentos excessivos e rupturas são, na maioria das vezes,

implicações do uso de solos finos e do avanço de umedecimento no interior da

zona reforçada, o que prejudica não somente a resistência e a rigidez do solo, mas

também a interação deste com o reforço. Por outro lado ele indica que necessita-se

ainda conhecer o processo de infiltração solo e geotêxtil e os efeitos deste no

comportamento das estruturas.

Martins avaliou experimentalmente a influência do avanço da frente de

umedecimento em protótipos de muros de solos finos reforçados com geotêxteis

no laboratório, adicionalmente, foi acompanhado o desempenho de uma estrutura

real construída em campo, em que o comportamento de seções de geotêxtil tecidos

e não tecidos são comparados. Ele constatou a contribuição dos reforços na

drenagem interna da zona reforçada que dissiparam 20% do volume da água

infiltrado, com a formação de uma barreira capilar na interface solo-geotêxtil, e se

geram deformações pelo avanço da frente de umedecimento gerado

principalmente pela variação da rigidez do solo.

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39

2.9.1. Estruturas de solos finos coesivos com reforços permeáveis

Uma das soluções existentes na literatura para possibilitar a utilização de

solos finos locais em estruturas de solo reforçados, é a utilização de reforços

permeáveis que forneceriam drenagem interna da estrutura, evitando o excesso de

pressões da água positivas, além de favorecer no processo de compactação. Tal

técnica pode ainda vir a favorecer o comportamento da interação solo-reforço

devido à dissipação da água na interface.

2.9.2. Interação solos coesivos-reforços permeáveis

Dentre os reforços considerados permeáveis estão os geotêxteis não tecidos

e os geoco

mpostos. O objetivo deste tópico é demostrar que embora geotêxteis não

tecidos sejam considerados materiais de rigidez muito baixa, e por esse motivo,

muitas vezes, sejam excluídos na fase de escolha do reforço da estrutura, estes se

apresentam como uma opção favorável em ocasiões em que a drenagem interna

não é alcançada pelo próprio material do aterro, ou seja, quando solos de baixa

permeabilidade são utilizados.

Muitas pesquisas têm relatado a eficiência das funções de drenagem interna

e reforço de geotêxteis não tecidos, ou geocompostos, no favorecimento do

processo de interação solo-reforço (Ingold, Miller, 1982; Fabian; Fourie, 1986;

Fourie; Fabian, 1987; LaFleur; Duchame, 1987; Naugthon, 2010).

Embora os mecanismos que regem a resistência da interface de geogrelhas

sejam os mesmos, independente do tipo de solo, em solos granulares, o atrito e a

resistência passiva são mais predominantes quando comparados aos solos finos.

Adicionalmente, a capacidade de solos granulares de drenar água com maior

facilidade contribui positivamente no comportamento mecânico da interface. No

caso de reforços planares como os geotêxteis, a rugosidade e a interpenetração do

solo nos vazios dos reforços consistem nos principais mecanismos de interação.

Os geotêxteis não tecidos são reforços planares com larga quantidade de vazios, o

que permite a impregnação do solo nestes vazios. Este fenômeno, juntamente com

a rugosidade dos geotêxteis não tecidos, favorece o processo de interação.

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40

Adicionalmente, a característica singular de drenar água pelo interior da sua

estrutura faz deste material uma excelente opção no reforço de solos finos de

baixa capacidade de drenagem.

Uma comparação de eficiência de interface por meio de ensaios de

cisalhamento entre diferentes geossintéticos e diferentes solos foi realizada por

Eigenbrod e Locker (1987). Os ensaios foram conduzidos com geotêxteis tecidos,

não tecidos e geomembranas em argila MH-CH, argila CL e dois tipos de areia.

Resultados obtidos mostraram que, em solos granulares, os geotêxteis não tecidos

mobilizaram mais de 90% da resistência das areias, enquanto os geotêxteis tecidos

mobilizaram entre 76% e 86% e as geomembranas em torno de 56% e 70%. Já em

solos argilosos, os geotêxteis não tecidos mobilizaram entre 62% a 78% das

resistências das argilas, e os geotêxteis tecidos entre 61% e 63%.

Conclusões semelhantes foram obtidas por LaFleur et al. (1987) ´por meio

de ensaios de cisalhamento direto em argila de elevada plasticidade. A eficiência

de interface em geotêxtil não tecido foi maior do que 100%, ou seja, a resistência

ao cisalhamento na interface foi maior que a do solo. Por outro lado, o geotêxtil

tecido mobilizou 50 a 60% da resistência do solo. No entanto, o deslocamento

para a mobilização do reforço foi maior em geotêxteis não tecidos finos do que

em geotêxteis tecidos, conforme é apresentado na figura 2.18 eficiência dos

geotêxteis tecidos é prejudicada pela superfície lisa deste tipo de reforço, além de

não permitirem a impregnação do solo em sua estrutura. Observa-se na figura

2.18, que a resistência de cisalhamento de interface em geotêxteis não tecidos é

também dependente da espessura do material. Os autores relatam que tal

dependência esta associada à capacidade de geotêxteis não tecidos mais grossos

de serem impregnados por maior quantidade de partículas de solo em seu arranjo.

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41

Figura 2.18 Resultados de cisalhamento direto de interface de três

diferentes tipos de geotêxteis em solo argiloso (LaFleur et al. 1987)

A capacidade de drenagem de reforços não tecidos é uma das principais

propriedades na escolha deste material como reforço de solos finos. Durante a

vida útil da estrutura, carregamentos consideráveis e repentinos podem vir a

ocorrer durante e após a construção, sendo estas condições ideais para o

desenvolvimento de pressões de água. Por tanto, em condições críticas de

carregamento e saturação do solo, a função de drenagem passa a compor a função

primordial no comportamento da estrutura.

Fourie e Fabian (1987) avaliaram efeito da dissipação da pressão da água

dos geotêxteis não tecidos em condições drenadas e não drenadas em ensaios de

arrancamento e cisalhamento de interface, estabelecendo a influência dessas

condições em outros tipos de reforço impermeáveis avaliados. Ensaios foram

realizados usando argila siltosa CL, geotêxtil não tecido, geotêxtil tecido e

georrede. Ambos os ensaios foram conduzidos nas condições drenadas (0,033

mm/min.) e não drenada (0,9 mm/min.). Os resultados mostraram que a

resistência de interface com argilas pode ser aumentada com o uso do material

permeável em ambas as condições drenada e não drenada. Os principais fatores

que afetaram a resistência de interface foram a rigidez, a rugosidade e a

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42

transmissividade dos geotêxteis. Foi verificado ainda que a resistência de interface

dos geotêxteis não tecidos é proporcional às tensões confinantes e a

transmissividade. Na condição não drenada, a eficiência de contato foi maior para

o geotêxtil não tecido (Figura 2.19a), enquanto na condição drenada, a resistência

de arrancamento foi maior para os geotêxteis tecidos (Figura 2.19b). Os autores

relatam que o comportamento drenado de arrancamento dos geotêxtil não tecido

foi influenciado pela relaxação, o que não ocorreu em ensaios de cisalhamento

direto. Tal comportamento reduziu a resistência à tração do material, resultando

em menores valores de resistência ao arrancamento em comparação ao observado

nos ensaios não drenados.

Figura 2.19 Ensaios arranchamento em argila: a) condição não

drenada; b) condição drenada (Fourie Fabian, 1987).

2.9.3. Efeito de confinamento nas propriedades mecânicas de geotêxteis não tecidos

O comportamento de resistência e deformabilidade à tração de geotexteis

não tecidos são significativamente afetados pelo efeito do confinamento do solo.

O confinamento dificulta o processo de reorientação das fibras têxteis na direção

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43

do esforço aplicado, devido à interpenetração do solo na estrutura interna dos

geotêxteis não tecidos (McGown et al., 1981; McGown et al., 1982; Andrawes et

al., 1984; Gomes, 1992; Mendes: Palmeira, 2008; frança; Bueno, 2011).

Quaisquer que sejam os procedimentos utilizados, os resultados são semelhantes e

demostram acréscimos significativos na rigidez e na resistência dos geotêxteis não

tecidos confinados em relação à condição não confinada. Por esse motivo, a

experiência da utilização de reforços não tecidos em estruturas de solos reforçados

tem mostrado que os níveis de deformação nos reforços e deslocamentos das

estruturas não competem com as previsões de projeto que se baseia nas

características de deformabilidade do reforço na condição não confinada.

McGown e Andrawes (1982) mostraram que a rigidez inicial dos geotêxteis

não tecidos é significativamente modificada sob as condições de confinamento

(Figura 2.20). Segundo os autores, o confinamento do solo modifica os vazios na

estrutura do geotêxteis, sendo que a uniformidade dessas mudanças depende da

natureza do material confinante. Desde aquela época, os autores já recomendavam

que as propriedades mecânicas de reforços utilizadas em projetos de estrutura de

solo reforçado, principalmente os geotêxteis não tecidos, fossem determinadas em

condições confinadas, uma vez que o confinamento governa as propriedades de

tração. Segundo os autores, ensaios de tração não confinada são apropriados para

o controle de qualidade dos materiais por demandarem menor tempo de ensaio, no

entanto, não deveriam ser utilizados como parâmetros de projeto.

Figura 2.20 Resultados de tração confinada de geotêxteis não tecidos: a)

efeito do nível do confinamento (McGown; Andrawes, 1982); b) efeito da

superfície de confinamento (Ling et al, 1993).

DBD


44

Ling et al. (1993) desenvolveram um equipamento para comparar ensaios de

tração de geossintéticos sob diferentes condições: não confinados, confinados em

solo e confinados em geomembrana. Os valores de rigidez dos geotexteis não

tecidos agulhados e tricotados (Bidim U24) foram influenciados pelo

confinamento, assim como observado por McGown e Andrawes (1982). No

entanto, não foram observadas diferenças significativas nos valores de tração entre

geotêxteis confinados em membrana e em solo (Figura 2.20).

Por outro lado, ensaios de tração confinada em solos de diferentes

granulometrias realizados por Gomes (1992) mostraram quem a interpenetração

das partículas mais finas do solo na matriz do geotêxtil não tecido favorece a ação

do confinamento, enquanto para o tecido, o efeito do confinamento é o mesmo

para todos os solos. Resultados do efeito da impregnação considerando o nível da

impregnação, determinado pela relação entre a massa de solo impregnada e a

massa das fibras do geotêxtil, foram apresentados por Mendes e Palmeira (2008).

Os autores mostram que a impregnação contribui na rigidez dos não tecidos,

podendo aumentar com da taxa de impregnação e do confinamento.

Do mesmo modo que as características de tração dos geotêxteis não tecidos

são melhoradas pelo efeito de confinamento e impregnação do solo, o

comportamento de fluência destes materiais também é alterado.

Ensaios realizados por Kamiji (2006) mostram o efeito do confinamento nos

resultados de fluência dos geotêxteis não tecidos, cuja fluência foi drasticamente

diminuída. Nos resultados apresentados por Holtz et al. (1982), em que a fluência

triaxial confinada em areia foi avaliada, observou-se que a fluência dos geotêxteis

não tecidos confinados foi semelhante à de tecidos confinados. Já McGown et al.

(1982) mostram reduções de até 60% na fluência do não tecido confinado com

relação aos ensaios sem confinamento, como apresenta a Figura 2.21.

DBD


45

Figura 2.21 Comparação entre ensaios de fluência confinada e não confinada

de: a) geotêxtil não tecido resinado; b) não tecido agulhado (McGown et al.

1982).

DBD


46

3 Revisão da literatura II: Fluxo em meios porosos

3.1. Meio poroso saturado e parcialmente saturado

O solo na sua estrutura apresenta duas zonas em função do seu conteúdo de

umidade, zona saturada e não saturada. A zona saturada é aquela onde os vazios

do solo estão completamente preenchidos por água, aqui a poro pressão tem valor

positivo. Além da parte saturada o solo está composto pela chamada de zona

vadosa, onde se distinguem duas regiões, a franja capilar e a zona não saturada. A

franja capilar é considerada de transição entre a zona saturada e a não saturada, é

uma porção onde a saturação ainda é completa, mais se tem pressões negativas.

Em quanto que a zona não saturada ou parcialmente saturada, possui conteúdo de

água nos vazios inferior a 100%, diferença que é preenchida pelo ar, de igual

forma a distribuição de poro pressões é negativa nesta parte.

A distribuição da zona saturada e não saturada está apresentada na figura

3.1.

Figura 3.1 Distribuição da pressão no meio poroso.

DBD


47

3.2. Equação fundamental do fluxo no meio poroso

Considerando um elemento infinitesimal com dimensões dx, dy,dz como

apresentado na figura 3.2, a agua flui através dos poros interconectados com

velocidade V em cada direção.

Figura 3.2 Fluxo através de um elemento infinitesimal no meio poroso

Quando a água entrando no meio poroso experimenta uma variação na

velocidade, a vazão com que o fluido entra no elemento infinitesimal será a

seguinte.

𝑄𝑜 = 𝑣𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧 + 𝑣𝑦𝑑𝑥𝑑𝑧 + 𝑣𝑧𝑑𝑥𝑑𝑦 (3.1)

Da mesma forma, a vazão de saída,

𝑄𝑠 = [𝑣𝑥 +𝜕𝑣𝑥

𝜕𝑥𝑑𝑥] 𝑑𝑦𝑑𝑧 + [𝑣𝑦 +

𝜕𝑣𝑦

𝜕𝑦𝑑𝑦] 𝑑𝑥𝑑𝑧 + [𝑣𝑧 +

𝜕𝑣𝑧

𝜕𝑧𝑑𝑧] 𝑑𝑥𝑑𝑦 (3.2)

Considerando conservação da massa, a vazão de entrada será igual à vazão de

saída do elemento, e assumindo rigidez do meio poroso, assim efetuando

simplificações, resulta:

𝜕𝑣𝑥

𝜕𝑥+

𝜕𝑣𝑦

𝜕𝑦+

𝜕𝑣𝑧

𝜕𝑧= 0 (3.3)

Introduzindo a Lei de Darcy na equação 3.3 sendo que o potencial é expresso

como h(x,y,z), para o meio poroso isotrópico resulta.

DBD


48

𝜕

𝜕𝑥(−𝑘

𝜕ℎ

𝜕𝑥) +

𝜕

𝜕𝑦(−𝑘

𝜕ℎ

𝜕𝑦) +

𝜕

𝜕𝑧(−𝑘

𝜕ℎ

𝜕𝑧) = 0 (3.4)

Finalmente,

𝜕2ℎ

𝜕𝑥2 +𝜕2ℎ

𝜕𝑦2 +𝜕2ℎ

𝜕𝑧2 = 0 (3.5)

Ou em termos do gradiente do potencial,

∇2ℎ(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 0 (3.6)

A equação 3.6 é conhecida como Equação de Laplace que governa o fluxo

permanente tridimensional através do meio poroso isotrópico, trata-se de uma

equação diferencial parcial de segundo ordem.

Quando condições de anisotropia no solo, mais com a restrição de que a

direção das permeabilidades principais coincidam com os eixos de referencia

(x,y,z), a equação 3.4 adota a seguinte forma,

𝑘𝑥𝑥𝜕2ℎ

𝜕𝑥2 + 𝑘𝑦𝑦𝜕2ℎ

𝜕𝑦2 +𝑘𝑧𝑧𝜕2ℎ

𝜕𝑧2 = 0 (3.7)

Pelas condições de estratificação, grande parte dos solos apresenta condutividade

hidráulica homogênea no plano horizontal (kh) maior do que a condutividade

hidráulica vertical (kv), (Figura 3.3).

Figura 3.3 Condutividade hidráulica meio estratificada

O tensor da condutividade hidráulica para um sistema de referencia

cartesiano (x,y,z) em condições de isotropia no plano horizontal resulta:

DBD


49

[𝑘] = [

𝑘𝑥𝑥 𝑘𝑥𝑦 𝑘𝑥𝑧

𝑘𝑦𝑥 𝑘𝑦𝑦 𝑘𝑦𝑧

𝑘𝑧𝑥 𝑘𝑧𝑦 𝑘𝑧𝑧

] = [

𝑘ℎ 0 00 𝑘ℎ 00 0 𝑘𝑣

] (3.8)

Neste caso, a equação fundamental do fluxo adota a seguinte forma,

𝜕2ℎ

𝜕𝑥2 +𝜕2ℎ

𝜕𝑦2 + (𝑘𝑣

𝑘ℎ)

𝜕2ℎ

𝜕𝑧2 = 0 (3.9)

A equação 3.9 não satisfaz a condição de equação de Laplace, mais é possível

efetuar uma transformação de coordenadas em termos de:

X = x ; Y = y ; Z =𝑧√𝑘ℎ

𝑘𝑣 (3.10)

A partir desta transformação é obtida a equação 3.11 que satisfaz a condição de

Laplace no sistema de coordenadas (X,Y,Z).

𝜕2ℎ

𝜕𝑋2 +𝜕2ℎ

𝜕𝑌2 +𝜕2ℎ

𝜕𝑍2 = 0 (3.11)

A equação de Laplace requer de condições de contorno suficientes para a solução

de cada problema particular, estas condições de contorno são de dois tipos:

• Condição de contorno de Dirichlet, quando o potencial h(x,y,z) é prescrito

no contorno.

• Condição de contorno de Neuman, quando o fluxo é prescrito no contorno.

Considerando fluxo unidimensional, a equação de Laplace representada

pela equação diferencial parcial de segundo ordem, transforma-se numa equação

diferencial ordinária fácil de ser resolvida, onde a solução é linear.

𝜕2ℎ

𝜕𝑥2 = 0 (3.12)

Para fluxo bidimensional a solução mais comum da equação de Laplace são as

redes de fluxo compostas por linhas equipotenciais e linhas de fluxo. Em

condições de isotropia, as linhas equipotenciais e linhas de fluxo interceptam-se

em ângulos retos. Para meio anisotrópico é possível também desenhar redes de

fluxo utilizando-se um domínio transformado de acordo com a equação 3.13.

Quando desenhada a rede de fluxo para um problema, pode-se determinar a vazão

DBD


50

circulando no sistema utilizando-se a equação 3.14. Para meio anisotrópico adota-

se uma condutividade hidráulica equivalente dada por keq = (kxky)1/2. Na

literatura tem-se abundante material respeito ao desenho de redes de fluxo, assim

como exemplos para os problemas mais frequentes em engenharia.

𝑥𝑡 = 𝑥√𝑘𝑦

𝑘𝑥 (3.13)

𝑄 = 𝑘∆ℎ𝑁𝐹

𝑁𝐷 (3.14)

Onde, k representa a condutividade hidráulica do meio poroso, Δh é a perda de

carga hidráulica total no sistema, ND e NF são o numero de canais de fluxo e

numero de quedas equipotenciais na rede respetivamente.

3.3. Método dos Elementos Finitos (MEF) para fluxo no meio poroso

O MEF é um método numérico a través do qual qualquer função continua

pode ser aproximada utilizando um modelo discreto consistente de uma serie de

valores da função e eventualmente as derivadas num numero finito de pontos no

domínio, junto com uma aproximação por partes da função sob um numero finito

de subdomínios conectados separadamente. Estes subdomínios são chamados de

elementos finitos (Oden, 1972).

A solução da equação de Laplace (equação 3.6) pelo MEF é de grande

utilidade quando problemas com geometrias complexas, anisotropia e

particularmente em problemas 3D. Neste trabalho aplica-se o MEF para o

continuo (Ω) sendo fraccionado em elementos finitos (Ωe) ligados entre eles

através de nós nos contornos. Utilizou-se o programa de Elementos Finitos para

aplicações geotécnicas Plaxis v2013 2D que discretiza o meio continuo mediante

elementos triangulares de 15 nós.

O procedimento básico do MEF baseia-se numa serie de passos que são

relatados a seguir,

• O meio continuo é dividido em elementos finitos, formulando-se as

características de cada elemento, no caso de fluxo as cargas hidráulicas são

associadas com os campos de velocidade no elemento.

DBD


51

• Montagem da matriz de fluxo com as características de cada elemento

finito.

• Aplicação das cargas hidráulicas conhecidas do modelo, assim como

condições de fluxo prescrito (condições de contorno de Dirichlet e de Neuman).

• Resolve-se o sistema de equações. Para fluxo em meios porosos serão

obtidas as cargas hidráulicas desconhecidas (primeira variável).

• Calcular as quantidades secundarias, trata-se dos gradientes e velocidades

determinadas a partir dos resultados do passo anterior.

3.3.1. Elementos finitos bidimensionais no sistema de coordenadas

Para cada elemento finito no domínio Ωe é considerado um sistema de

coordenadas chamado de sistema local, neste sistema é feito um mapeamento

particular de cada elemento do continuo. Depois, num sistema global referencia-se

cada elemento finito respeito de um sistema único no domínio total Ω(Figura 3.4).

Figura 3.4 MEF sistemas de coordenadas a) global, b) local.

3.3.2. Funções de interpolação (Ni)

As funções de interpolação são polinômios com grau dependente do numero

de nós no elemento, desta forma é definida uma função para cada nó. No MEF

utilizam-se estas funções para representar o comportamento de uma variável

DBD


52

dentro de cada nó do elemento, assim, o grau de aproximação do método

dependerá também das funções de interpolação. Apesar de poder ser utilizados

para este fim vários tipos de funções, o uso de polinômios é mais pratico já que

eles podem ser derivados ou integrados com maior facilidade, mantem-se a

seguinte relação para sua determinação, (equação 3.15).

𝑁𝑖(𝑥𝑗) = 𝛿𝑖𝑗 𝑖, 𝑗 = 1,2, … , 𝑘 (3.15)

Onde, xj é o vetor de coordenadas do nó j e 𝛿ij é o chamado delta de

Kronecker que tem valores em função da seguinte configuração,

𝛿𝑖𝑗 = (0 𝑖 ≠ 𝑗1 𝑖 = 𝑗

) (3.16)

O que é apresentado na equação (3.16) é uma das propriedades das

funções de interpolação, sendo que tem valor igual a 1 para o nó onde é definida e

igual a zero para todos os demais nós. A segunda propriedade delas é que a soma

das funções de interpolação num determinado nó é igual a 1.

Um dos métodos mais simples para obter as funções de interpolação em

coordenadas locais N(ξ) de um determinado elemento é através da interpolação de

Lagrange, onde em função do numero de graus de liberdade do elemento (n) tem-

se:

𝑁𝑖(𝜉) = ∏𝜉−𝜉𝑗

𝜉𝑖−𝜉𝑗

𝑛𝑗=1,𝑗≠𝑖 (3.17)

Com 𝜉 representando as coordenadas locais do elemento e denomina-se Ni

à função de interpolação de cada nó i.

3.3.3. Elementos triangulares com funções de interpolação de grau elevado

No MEF a precisão pode ser incrementada utilizando-se maior numero de

nós no elemento, isto implica polinômios de interpolação de maior grau, assim por

exemplo para uma interpolação quadrática tem-se,

𝑢 = 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑦 + 𝑎3𝑥2 + 𝑎4𝑥𝑦 + 𝑎5𝑦2 (3.18)

Generalizando,

𝑢 = ∑ 𝑁𝑖𝑢𝑖𝑘𝑖=1 (3.19)

DBD


53

As configurações nodais para funções de interpolação com polinômios

quadráticos e cúbicos são representadas na figura 3.5a e 3.5b respetivamente.

Figura 3.5 a) Função de interpolação quadrática, b) Função de

interpolação cubica (Kazda, 1990).

O programa Plaxis v2013 utiliza elementos triangulares de quarta ordem

(quártico), apresentado na figura a seguir.

Figura 3.6 Elemento triangular de quarta ordem utilizado no programa

Plaxis.

As vantagens derivadas da utilização de elementos finitos triangulares são

duas:

DBD


54

• As funções de interpolação são construídas com polinômios completos

segundo o triangulo de Pascal.

• Melhor ajuste da malha quando se tem geometrias complexas.

DBD


55

4 MATERIAIS E MÉTODOS

4.1.Introdução

A pesquisa foi realizada em duas etapas distintas. Na primeira foram

realizados ensaios de laboratório em que se investigou a eficiência do material.

Para tanto foram preparados corpos de prova avaliando-se o comportamento a

fluência do geocomposto drenante em relação à sua capacidade de vazão, foram

realizados ensaios de permeabilidade planar e transmissividade onde à medida que

o geossintético era comprimido, sua vazão planar decrescia, obtendo-se assim a

variação da capacidade de vazão. Com esses dados obtidos no laboratório se

procedeu a calcular o valor das deformações Ɛ(%), e se obter o gráfico da Fluência

do geocomposto.

Como extensão do programa de ensaios experimentais e buscando uma

análise prática do sistema proposto, usando-se o Método dos Elementos Finítos,

se fez a verificação de um estudo de caso com os parâmetros obtidos no

laboratório.

Neste capítulo é feita também a descrição dos equipamentos e materiais

utilizados para a elaboração da pesquisa.

4.2. Geocomposto

O geocomposto MacDrain 2L TD, foi o geossintético utilizado no

laboratório. Este material possui filtros geotêxteis nos dois lados, sendo que estes

sobressaem 10 cm do núcleo nas laterais dos rolos, para que durante a instalação

seja garantida a continuidade do filtro e proteção do núcleo drenante, formado por

uma geomanta tridimensional com mais de 90% de vazios, de elevada capacidade

drenante.

Na figura 4.1 e na tabela 4.1 se apresenta a forma e características do

material para o estudo.

DBD


56

Figura 4.1 Vista geral do geocomposto utilizado nos ensaios

Tabela 4.1 Características gerais do geocomposto

4.3. ETAPA EXPERIMENTAL

4.3.1.Descrição do ensaio de permeabilidade planar e transmisividade

4.3.1.1. Normas

O ensaio está baseado nas seguintes normas:

- ISO 12958 -Geotêxteis e produtos relacionados com geotêxteis -

Determinação da capacidade de vazão de agua no plano.

- ASTM D 4716 - Método de ensaio para determinação da taxa de fluxo (no-

plano) por unidade de comprimento e transmissividade hidráulica de um

geossintético usando um carregamento constante.

4.3.1.2. Método

O ensaio consiste na passagem de água ao longo de um corpo de prova

geossintético, e a medição desta vazão em função de uma força normal aplicada a

este elemento, pois à medida que o geossintético é comprimido, sua vazão planar

decresce, na figura 4.3 é apresentado o procedimento do ensaio.

Gramatura NBR12568 848 (g/m2) 2,72

Espessura NBR12569 15,62 mm 2,74

Coeficiente

de variação Valor médioNormaCaracterística

DBD


57

A transmissividade é expressa como o produto da permeabilidade no plano

do geossintético pela sua espessura (t), sob determinada tensão normal de

confinamento; na figura 4.2 se apresenta o esquema do ensaio de permeabilidade

planar.

Figura 4.2 Ensaio de permeabilidade planar e transmissividade

Figura 4.3 Esquema do ensaio de permeabilidade planar e

transmissividade

O corpo de prova é colocado em uma calha que liga o reservatório de água

ao local de saída da água (figura 4.4). O material ensaiado deve adentrar cerca de

5 cm no reservatório, e ocupar toda a seção da calha. O reservatório tem a função

de controlar o gradiente hidráulico a que o corpo de prova estará submetido

(figura 4.5).

DBD


58

O ensaio é executado aplicando-se tensões normais entre 10 e 500 kPa ao

corpo de prova, e gradientes hidráulicos de 0,1 a 1. Porém, essas grandezas podem

ser ajustadas de acordo com necessidades específicas de projeto.

Figura 4.4 Equipamento para ensaio de transmissividade - detalhe da

calha

Figura 4.5 Equipamento para ensaio de transmissividade - detalhe do

reservatório

4.3.1.3. Especificações

O ensaio de permeabilidade planar e transmissividade é principalmente

aplicados a geotêxteis não tecidos, geomantas, georredes e geocompostos

drenantes.

DBD


59

4.3.1.4. Equipamento

O equipamento deve ser capaz de manter diferentes níveis d’água, e

respectivamente diferentes gradientes hidráulicos, variando de 0,1 a 1.

Deve ter a capacidade de chegar à tensão normal de compressão proposta,

sobre o corpo de prova, sem deformações que possam influenciar o resultado do

teste.

O mecanismo de carregamento tem que estar construído para manter uma

tensão normal de compressão de 10 kPa, 100 kPa e 200 kPa, e de acordo com os

padrões europeus, 500 kPa, sobre a amostra, com uma precisão de + 5 % .

As superfícies em contato com a amostra devem ser seladas por uma

borracha-esponja as quais as propriedades satisfazem a envoltória de compressão

deformação ilustradas na figura 4.7, quando testada em acordo com a EM 964-1.

Figura 4.6 Gráfico de compressão-deflexão do geotêxtil

Para amostras com uma espessura menor que 10 mm, uma borracha-esponja

com espessura nominal de 10 mm deve ser utilizada em cada face.

Para amostras de espessura entre 10 mm e 25 mm, uma borracha-esponja de

espessura nominal de 1 a 1,25 vezes a espessura da amostra deverá ser utilizada

em cada face.

Para amostras com espessura superior a 25 mm, a borracha-esponja em cada

face deve ter uma espessura nominal de 25 mm.

Duas camadas de borracha-esponja podem ser combinadas para se alcançar

a espessura desejada.

DBD


60

A largura da borracha-esponja deve ser igual a da plataforma de carga e o

comprimento da borracha-esponja deveria ser o mesmo da plataforma de carga,

todavia, para evitar obstruções na entrada e na saída, devido à compressão da

esponja, é recomendado, quando necessário, reduzir o comprimento para 0,4

vezes o comprimento nominal.

Quando o geocomposto a ser testado for projetado para exercer suas funções

hidráulicas pressionado contra uma superfície rígida, a membrana de borracha-

esponja não deve ser utilizada, devendo ser substituída por uma superfície

adequada, como uma geomembrana ou um panel rígido.

Produtos para este tipo de aplicação podem ser facilmente identificados pelo

fato de não haver uma camada de geotêxtil em um, ou em ambos de seus lados,

para preveni-los da intrusão do solo.

Quando a borracha-esponja não for utilizada, a superfície então utilizada

deverá ser descrita no relatório de resultados.

De acordo com a Norma ISO, o equipamento deve ter um comprimento

mínimo de 0,2 m, mas com comprimento de rede hidráulica mínimo de 0,3 m.

Também deve ser capaz de aceitar uma borracha esponja com um comprimento de

25 mm em contato com ambas as faces do material a ser testado.

Já a atual ASTM que descreve os procedimentos para este tipo de ensaio,

pede que o comprimento mínimo do ensaio seja de 0,30 m.

O equipamento deve ser essencialmente estanque, ou seja, não apresentar

vazamentos.

4.3.1.4.1. Água

Para fluxos de água de até 0,3 l/m.s, a água utilizada deve ser “desaerada”

(ter seu ar retirado) ou alimentada de um tanque de água destilada. A água deve

estar a uma temperatura entre 18º C e 22º C, e deve ser igual ou aproximadamente

a temperatura ambiente do laboratório de teste. A água não deve ser

constantemente reciclada. A quantidade de oxigênio não deve ultrapassar 10

mg/kg, quando medida no ponto onde a água entre no aparelho.

Para fluxo de água maior que 300 mls/s , água da rede de abastecimento

deve ser utilizada (água da torneira, água da rua).

DBD


61

A temperatura deve ser anotada e todas as medidas necessárias devem ser

tomadas a fim de evitar inclusão de ar na água de torneira.

Como as correções de temperatura são relacionadas apenas para fluxo

laminar, é aconselhável se trabalhar a temperaturas mais próximas possíveis de

20º C, para minimizar inexatidões associadas a fatores de correção inapropriados,

quando o fluxo não for laminar.

A água deve ser filtrada se partículas sólidas suspensas forem visíveis a olho

nu, ou se sólidos acumulados sobre ou na amostra estiverem inibindo o fluxo.

4.3.1.4.2. Recipiente de medida

Para determinação do volume de água com acurácia de 10 ml.

Alternativamente, quando medidas de fluxo baixo são tomadas, a massa da

água pode ser determinada com uma balança para uma precisão de 1 %.

Onde é realizada diretamente a medida da descarga, a medida do fluxo deve

ser calibrada para uma acurácia de 5 % da leitura.

4.3.1.5. Amostra

A amostra deve ser manuseada o mínimo possível e não ser dobrada, a fim

de se prevenir distúrbios em sua estrutura. Anteriormente ao ensaio, a amostra

deve ser mantida em um plano, isenta de carregamentos.

Devem ser cortados 3 corpos de prova da amostra com comprimento

paralelo a direção da máquina, e 3 corpos de prova com comprimento transversal

ao sentido da máquina.

De acordo com a Norma ISO, os corpos de prova devem medir 0,3 m no

sentido do comprimento, ou direção do fluxo, e 0,2 m no sentido transversal.

Já para a Norma ASTM, os corpos de prova devem medir 0,35 m no sentido

longitudinal e 0,30m na transversal.

Quando a largura do produto for menor que 0,2 m, então o produto deverá

ser testado em toda a sua largura, modificando o equipamento.

É importante que a largura do corpo de prova não seja menor que o

esperado, ou seja, que preencha sem folgas a plataforma de ensaio.

DBD


62

4.3.1.5.1. Condição dos corpos de prova

Os corpos de prova devem estar limpos, livres de sedimentos superficiais e

danos visíveis, ou marcas de dobra.

4.3.1.6. Procedimento do ensaio

Inicialmente mede-se a espessura nominal do corpo de prova sobre uma

pressão de 2 kPa de acordo com a EN 964-1.

Insere-se o corpo de prova em água contendo um agente umectante à

temperatura ambiente do laboratório, suavemente movimenta-se a amostra para a

retirada de bolhas e em seguida deixa-se a amostra saturando por ao menos 12

horas.

Define-se a espessura da esponja de contato da superfície em relação à

espessura nominal do corpo de prova.

Coloca-se a esponja de contato na superfície inferior da base do

equipamento então se coloca o corpo de prova sobre ela. Coloca-se a esponja de

contato superficial sobre o corpo de prova da mesma maneira. Abaixa-se a

plataforma de carregamento ou pressiona-se a membrana sobre o corpo de prova.

Aplica-se uma pré-tensão de 2 kPa (incluindo a plataforma de

carregamento) sobre a amostra, se abastece o reservatório de entrada de água do

equipamento para permitir que a água flua através do corpo de prova e removendo

o ar contido na amostra. Tomam-se todas as precauções necessárias a fim de se

evitar fluxos preferenciais sobre os limites do corpo de prova. Caso um fluxo

desta natureza seja observado, o corpo de prova deve ser recolocado ou

descartado.

Ajusta-se a tensão normal para 10 kPa e mantém-se esta pressão por 360 s.

Enche-se o reservatório de entrada de água a um nível correspondente ao

gradiente hidráulico 0,1. Como já mencionado, usa-se água “desareada” ou de um

tanque de água destilada, para valores de fluxo de até 0,3 l/m.s e para fluxos

maiores que 0,3 (l/m.s), utiliza-se água da rede de abastecimento pública.

Não é necessário correções na temperatura, porém a temperatura deverá ser

anotada e registrada.

DBD


63

Permite-se que a água flua através do corpo de prova sobe estas condições

por 120 s.

Para alguns materiais, especialmente aqueles que exibem deformação lenta

sob compressão, a tensão pode tender a decair durante o ensaio, neste caso, será

necessário o ajuste contínuo da tensão, para se manter um valor constante durante

o ensaio.

A medição é realizada posicionando-se o recipiente de medida sobe o

sistema por um período fixo de tempo. O volume de água coletado deve ser no

mínimo de 0,5 l, e para materiais que apresentem vazões muito altas, o tempo de

coleta deve ser de no mínimo 5 s. Para produtos com capacidade de fluxo muito

baixa, o tempo de coleta deve ser limitado em 600 s e a água coletada deve ser

pesada com uma acurácia de 1 %.

Anota-se o volume de água coletado e a temperatura da água. Repete-se o

procedimento mais 2 vezes, num total de 3 leituras, e retira-se uma média do

volume de água coletado.

Caso um medidor de vazão seja utilizado, então a média de vazão deverá ser

retirada de 3 leituras consecutivas com um intervalo mínimo de 15 s entre cada

medida.

Aumenta-se o gradiente hidráulico para o próximo valor a ser verificado,

enquanto se mantém o valor de tensão, e repete-se o procedimento de medição da

vazão.

Reduz-se o gradiente hidráulico para 0,1 aumenta-se a tensão de compressão

normal para o próximo valor e a mantém por 120 s até a estabilização do fluxo.

Repetem-se os procedimentos de leitura de vazão e mudança de gradiente.

Realizam-se estes procedimentos até que o corpo de prova tenha sido

testado para cada gradiente hidráulico e para cada nível de tensão.

Todo o procedimento é repetido para o ensaio dos demais corpos de prova.

4.3.1.7. Cálculos

O relatório de resultados deve incluir as seguintes informações:

- O numero e o ano de publicação da norma seguida.

- O laboratório onde foi realizado o ensaio e o operador do ensaio.

DBD


64

- Descrição do geossintético de acordo com a EM 30320.

- Detalhes do equipamento utilizado, incluindo um diagrama.

- A largura do corpo de prova, caso seja diferente 0,2 m;

- Se requerido, os dados experimentais e cálculos para cada corpo de prova

podem ser tabelados;

- Uma coletânea de resultados impressos em apenas um gráfico tensão x

transmissividade, caso se tenha sido medida a transmissividade para vários

gradientes hidráulicos.

- Os valores principais de transmissividade para gradientes hidráulicos

definidos e tensões normais, e se requerido, os valores individuais.

- O raio de temperatura da água.

- O tipo de água (desaerada, destilada ou de rede de abastecimento).

- Algum desvio no procedimento descrito em Norma.

- Alguma anomalia no comportamento hidráulico do geossintético.

4.3.2. Ensaio de determinação de espessura

4.3.2.1. Normas

Está baseado nas seguintes normas:

- ASTM D 5199/01 – Método de Teste Padrão para medir a espessura

nominal de Geossintéticos.

- ASTM D 6525/00 – Método de Teste Padrão para medir a espessura

nominal de Laminados Permanente.

4.3.2.2. Procedimento

A espessura nominal de um geossintético é determinada pela observação da

distância perpendicular entre um plano móvel e uma superfície paralela,

provocada pela ocupação desse espaço por um geossintético, sob uma pressão

específica (2 kPa para geotêxteis e 20 kPa para geomembranas por 5 segundos).

DBD


65

Figura 4.7 Detalhe do ensaio de espessura com pressões de 20 kPa

4.3.2.3. Aplicação

O ensaio é aplicável nos seguintes tipos de geossintéticos:

- Geomantas MacMat

- Georredes MacNet

- Geomembranas MacLine

- Geocompostos MacDrain

- Geotêxteis MacTex

4.4. Verificação de caso

Neste item é feita a descrição dos procedimentos utilizados para a

elaboração da verificação da pesquisa realizada, que corresponde a modelagem no

programa plaxis de um estudo de caso citado no manual técnico da Maccaferri

(2009), referente a rebaixamento do lençol freático numa estrutura de pavimento

com aplicação do geocomposto no sistema de drenagem.

No plaxis foram feitos dois casos de modelagens onde se tomou como

variável de cálculo a permeabilidade a primeira foi àquela usada no estudo de caso

e a segunda foi calculada com os valores obtidos nos ensaios de laboratório

obtendo o tempo total em dias do rebaixamento do lençol freático, a variação da

vazão e da fluência ao longo do período de rebaixamento, adicionalmente também

se adotou como segunda variável o número de drenos para atingir toda a região

saturada.

DBD


66

Os resultados foram comparados com os valores obtidos no estudo de caso

que foi calculado com as relações de McClelland o que será explicado no seguinte

capitulo.

4.4.1.Introdução

O processo de modelação é uma parte importante no projeto. Onde com

ajuda da modelação matemática ou física vai se considerar uma simplificação da

realidade. Neste caso se pretende analisar a drenagem nos solos argilosos pelos

modelos.

Para fazer esta análise foi considerado algumas hipóteses significativas

enquanto à geometria, às condições de fronteira e as equações constitutivas,

baseado num exemplo dado no Manual Técnico da Macafferri.

As equações constitutivas para definir o comportamento dos materiais

representando o fenômeno real através de uma relação entre tensões e

deformações, é representado na figura 4.9;onde a equação constitutiva vai ser

modelado com o programa Plaxis 2D que recorre ao método de elementos finitos.

E ao modelar o problema de valores na fronteira, a sua geometria é representada

por um conjunto de pequenas regiões denominadas elementos finitos.

Figura 4.8 Ligação entre tensão e deformação: equação constitutiva

Para usar o método introduz-se uma variável, que nosso problema vai ser os

deslocamentos nos nós, e estabelece-se o modo como estes variam de ponto para

ponto no interior do elemento finito. As equações constitutivas permitem

relacionar o campo de deslocamentos com o campo de tensões, onde a precisão de

análise depende, assim, da capacidade das funções adotadas representarem com

precisão o modo como o material se deforma nos problemas em questão. Pode-se

DBD


67

melhorar a precisão usando mais elementos menores, ou utilizando elementos com

um maior número de nós, mas à custa de maior tempo e custo de cálculo.

Ao longo desta subseção descrevem-se as análises numéricas efetuadas,

nomeadamente os modelos constitutivos, os parâmetros adoptados, geometria,

condições de fronteira e sequência construtiva.

4.4.2. Software Plaxis2D

O software Plaxis2D é um programa de elementos finitos de análise

bidimensional usado para calcular o campo de tensões e deformações e também

analisar a estabilidade das obras geotécnicas. O programa permite fazer a análise

axissimétrica ou em estado plano de deformações.

Segundo o tutorial do Plaxis 2D é importante conhecer os seguintes

parâmetros para a realização de nosso exercício de modelação:

-Definição geométrica dos modelos, é importante definir as camadas de

solo, estruturas fases de construção, carregamentos e condições de fronteira que

está baseada no sistema de desenho CAD (Computer-Aided Design) permitindo a

modelação detalhada das secções. Sendo fácil a geração da malha pelo programa.

-Advanced Soil Models, o programa tem um conjunto de modelos

constitutivos avançados para solos. No estudo que aqui se apresenta recorreu-se

ao modelo Soft Soil Creep que tem a variabilidade da rigidez do solo com o nível

de tensão e considera o efeito da fluência.

-Staged Construction, esta opção do Plaxis permite uma simulação realista

das fases de construção ou escavação bastando para isso ativar ou desativar parte

ou partes do modelo, bem como carregamentos. Nos modelos desta dissertação

esta ferramenta é utilizada para aplicar o carregamento e impor a ocorrência de

determinados intervalos de tempo. Desta forma cada instante de tempo pode

representar uma fase de carregamento.

- Consolidation Analysis, o decaimento do excesso de pressão intersticial ao

longo do tempo pode ser simulado usando este tipo de simulação. Esta

potencialidade do Plaxis2D permite simular de forma simples os modelos

executados nesta dissertação. Para isto basta introduzir a permeabilidade do solo e

o programa cria automaticamente passos que simulam a evolução do

DBD


68

comportamento do solo ao longo do tempo. Isto é feito através da realização de

uma análise com consolidação acoplada, em que a magnitude dos excessos de

pressão intersticial gerados e o seu decaimento no tempo são calculados. Neste

tipo de análise, as incógnitas são os deslocamentos em cada nó e os excessos de

pressão intersticial nos nós.

4.4.3. Modelos Constitutivos

No estudo que aqui se apresenta recorreu-se ao modelo Soft Soil Creep já

que este modelo faz o análise acoplado da variação de fluxo e o efeito da fluência

ao longo do tempo.

1

4.4.3.1. Modelo Soft Soil Creep

Este modelo constitutivo tem por base o modelo Cam Clay Modificado

sendo preferencialmente aplicado a casos em que existe compressão de solos

moles (argilas, siltes argilosos e turfas). As principais características do modelo

são:

• A rigidez depende do nível de tensão (comportamento não linear).

• A resposta do solo em carregamento primário é diferente da resposta em

descarga-recarga. Na primeira situação o comportamento é plástico e na segunda é

elástico.

• A tensão de pré-consolidação é memorizada.

• O comportamento na rotura obedece ao critério de Mohr-Coulomb.

A relação entre a deformação volumétrica, Ɛv, e tensão efetiva média, P’,

obedece a uma lei logarítmica graficamente representada na Fig.4.10. Ao

contrário do que acontece com o modelo Cam Clay Modificado o modelo Soft

Soil Creep utiliza o índice de compressibilidade modificado λ* e não o índice λ

(Burland, 1965). Desta forma, no ramo de compressão virgem a variação de

extensões rege-se pela equação (4.1) :

𝜀𝑣 − 𝜀𝑣𝑜 = 𝜆∗. 𝐼𝑛 (𝑝´

𝑝´𝑜) (4.1)

A descarga-recarga rege-se pela equação que se apresenta na equação (4.2):

𝜀𝑣𝑒 − 𝜀𝑣𝑜

𝑒 = 𝑘∗. 𝐼𝑛 (𝑝´

𝑝´𝑜) (4.2)

DBD


69

Figura 4.9 Relação logarítmica entre a deformação volumétrica e a

tensão efetiva média (Brinkgreve, Broere, &Waterman, 2002)

O parâmetro k* representa o índice de expansibilidad modificado, e

caracteriza o solo durante a descarga e a recarga, em que o solo se comporta de

forma elástica. A equação (4.3) implica a seguinte relação linear:

´

´

)21(3 k

pEk

dr

dr

dr

(4.3)

Kdr representa o módulo de rigidez volumétrica, Edr o módulo de

deformabilidade e νdr é o coeficiente de Poisson. O índice dr remete para o fato

de estes parâmetros serem representativos do ramo carga-descarga. Para a análise

computacional através do modelo Soft Soil Creep os parâmetros introduzidos são

K* e o νdr, e não Kdr e Edr .De notar que a razão entre 𝜆∗

𝑘∗ no modelo Soft Soil

Creep é igual à razão entre 𝜆

𝑘 no modelo Cam Clay modificado.

Para cada valor de tensão de pré-consolidação isotrópica, Pp, existe uma

linha de descarga-recarga correspondente, pelo que o número destas linhas é

infinito. Esta tensão representa o nível máximo de tensão já experimentado pelo

solo. Num ciclo de descarga e/ou recarga, Pp é constante. No ramo virgem esta

vai aumentando à medida que aumenta o nível de tensão, dando lugar à ocorrência

de deformações volumétricas plásticas (irreversíveis).

A função de cedência do modelo Soft Soil é definida pela equação (4.4)

eq

p

eq ppf ´´ (4.4)

Na equação (4.4),p´eq

representa o valor da tensão média efetiva para q=0

(tensão desviatória nula) na superfície de carregamento que passa pelo estado

atual de tensão ep´eq

p representa a tensão equivalente de pré-consolidação, cujo

DBD


70

significado geométrico é ilustrado na Fig.4.11. As duas variáveis desta expressão

são resultado das expressões (4.5) e (4.6).

´))(cot´´(´))(cot´´(2

2´

gxcp

gxcpM

qp eq

(4.5)

)**

exp(´´

kpp

peq

po

eq

p

(4.6)

Figura 4.10 Superfícies de Rotura do modelo Soft Soil no plano p´-q

(Brikgreve, Broere, &Waterman, 2002)

A função de cedência (equação 4.4) pode ser descrita como uma série de

elipses no plano p´ - q, cujos topos (pontos correspondentes a q máximo) estão

localizados numa linha com inclinação M. Esta linha no modelo Cam Clay

modificado (Burland 1965) representa a linha de estados críticos, descrevendo os

estados de tensão na rotura pós-pico. No entanto, no modelo Soft Soil Creep, a

rotura é descrita de Mohr-Coulomb.

O modelo Soft Soil Creep adicionalmente consegue reproduzir uma lei

única de tensão-deformação-taxa de deformação. Esta modalidade é então capaz

de reproduzir o fenómeno da fluência, da relaxação e o efeito da taxa de extensão

no comportamento de argilas.

Uma vez que os assentamentos dos solos moles não podem na totalidade ser

explicados pelo princípio das tensões efetivas e pela teoria clássica da

consolidação, foram publicadas desde o início do século XX algumas leis para

tentar descrever a fluência neste tipo de solos.

Em 1936 Buisman propôs a equação (4.7) para descrever a fluência

(compressão secundária) sob tensão efetiva constante.

DBD


71

𝜀 = 𝜀𝑐 − 𝐶𝐵 log (𝑡𝑐+𝑡´

𝑡𝑐) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡´ > 0 (4.7)

Em que 𝜀𝑐 é a extensão volumétrica no fim da consolidação primária, tc o

tempo até ao fim dessa consolidação primária, CB uma constante do material e t´a

diferença entre o tempo medido desde o início do carregamento e tc, que é o

mesmo que dizer, o tempo efetivo em que decorre a fluência. Nesta equação

assume-se que uma diminuição de volume correspondendo a uma extensão

volumétrica negativa.

A partir do trabalho de outros dois autores (Bjerrum, 1967) e (Garlanger,

1972) foi proposta uma nova equação de fluência, como se apresenta na equação

(4.8).

0´,),1(.)´

log( 0

tparaeCCcomt

ttCee B

c

c

c (4.8)

Nesta equação, as extensões são substituídas pelo índice de vazios e tc pelo

parâmetro τc, cujo significado se ilustra graficamente na figura:

Figura 4.11 Consolidação e fluência em ensaio edométrios (Brinkgreve,

Broere, & Waterman, 2002)

Outra possibilidade para descrever a compressão secundária é proposta por

(Butterfield, 1979) na equação (4.9):

)´

(.c

cHH

t

ttInC

(4.9)

Onde ƐH é a deformação volumétrica logarítmica definida por:

)1

1(.)(

0e

eIn

v

vIn

o

H

(4.10)

O índice “0” refere-se aos valores iniciais e o expoente “H” a Hencky, pois

foi ele o primeiro a usar a deformação logarítmica. Para o caso das pequenas

deformações pode demostrar-se que:

10.

10)1( 0 In

C

Ine

cC B

(4.11)

DBD


72

No caso de grandes deformações, uma deformação logarítmica é superior à

deformação tradicional. Para determinar o valor do parâmetro C pode ser usado o

método tradicional, recorrendo à Fig. 4.12 (a) e determinando o declive, ou

através da construção desenvolvida por (Janbu, 1969) na Fig. 4.12 (b).

Para a realização das simulações o programa Plaxis2D faz uso das equações

4.9 e 4.12.

Seguidamente apresentam-se algumas equações indicadas no manual do

programa que relacionam os parâmetros do modelo Soft Soil com os parâmetros

normalizados de ensaios edométricos.

e

1*

)1(3.2*

ex

Cc

e

kk

1*

e

Ck s

13.2

2*

)1(3,2*

ex

C

Em que µ* é o índice de compressão secundária modificada.

4.4.4. Geometria do modelo

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

objetivo de simular a variação da fluência do geocomposto respeito a sua

capacidade de vazão sujeito a consolidação vertical do solo e rebaixamento do

lençol freático; descreve-se seguidamente a geometria consideradas em cada caso:

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

de 15 nós (Fig. 4.12). Este tipo de malha é gerada automaticamente pelo programa

e pode ser mais ou menos refinada, dependendo da exigência dos resultados que

se pretende obter. Contudo, um maior refinamento da malha vai aumentar o tempo

de cálculo.

Pelo carregamento aplicado vão acontecer deformações verticais e

horizontais onde vai ser analisada principalmente a interação solo – geocomposto

drenante, no estado plano de deformações, verificando desse jeito a variação da

vazão no dreno de geocomposto drenante.

DBD


73

Figura 4.12 Exemplo de malha de elementos finitos adoptada

Da figura 4.12 podemos ver que, a posição do nível freático está 0.5 m

acima do topo da estrutura de pavimento, referente ao estudo de caso dado.

O solo é considerado normalmente consolidado (grau de sobre consolidação

OCR=1), no caso de Soft Soil Creep.

4.4.5. Materiais

Os valores dos parâmetros geotécnicos adoptados para o solo argiloso na

realização deste trabalho são os que se apresentam na tabela 4.2 e correspondem,

em geral a valores da dissertação de Durán (2012), para uma argila normalmente

consolidada.

Tabela 4.2 Propriedades do solo

4.4.6. Obtenção de dados para interpretação

Para proceder à análise do processo de consolidação em solos moles, para

todas as situações analisadas e para todas as fases de consolidação, foram

retirados do programa de elementos finitos Plaxis 2D, os seguintes dados:

deslocamentos, deformações, rede de fluxo, distribuição dos excessos de pressão

intersticial em toda a massa de solo.

Através dos valores de deslocamentos registrados, elaboram-se curvas de

evolução do grau de deslocamento com o tempo de consolidação.

Com os valores dos excessos de pressão intersticial elaboram-se as curvas

referentes à evolução do excesso de pressão intersticial na fronteira impermeável e

a evolução do grau meio de consolidação. As primeiras tratam os dados de forma

Símbolo (unidades) Variável Valores

ɣseco(kN/m3) Peso volumétrico seco 19

ɣsaturado(kN/m3) Peso volumétrico saturado 15,55

eo Indice de vazios 0,75

Ø Ângulo de resistencia ao corte 25º

C(kPa) Coesão 1

k(m/s) Coeficiente de Permeabilidade

ν(--) Coeficiente de Poisson

Cc(--) Coeficiente de compressibilidade

Cs(--) Coeficiente de expansibilidade

Cα(--) Coeficiente de compressão secundária

DBD


74

direita, bastando para isso associar o excesso de pressão ao instante de tempo

correspondente.

Também se obteve uma tabela de valores da vazão no tempo, e com ele se

fez o gráfico de variação da vazão ao longo do tempo.

DBD


75

5 RESULTADOS E ANÁLISE

5.1. Introdução

Este capítulo apresenta os resultados obtidos na etapa experimental e na

aplicação em programa Plaxis do projeto, onde na pesquisa foi realizada à

comparação dos resultados da etapa experimental com os resultados obtidos na

etapa numérica, fazendo principalmente uma análise da compatibilidade.

Na etapa experimental foram executados três ensaios, onde se analisou

principalmente a variação da espessura do corpo de prova.

Na etapa numérica foram realizadas 6 tipos de cálculo, onde se buscou

analisar a influência da quantidade de drenos com a variação da permeabilidade

do solo, além da fluência e a variação da vazão.

5.2. Etapa experimental

Dos ensaios realizados no geocomposto drenante, neste caso o ensaio de

transmissividade planar e também o ensaio de determinação da espessura, todos

os resultados estão representados em gráficos para uma análise mais efetiva do

comportamento do material.

5.2.1. Ensaio de transmissividade planar

Estes ensaios foram realizados em corpos de prova de dimensões 300 mm x

200 mm, do ensaio foram obtidos dados de vazão ao longo do tempo sob

carregamento constante de 10 kPa.

Nas figuras 5.1, 5.2, 5.3 estão desenhadas os gráficos de fluência em

compressão ao longo do tempo, para diferentes amostras, e na figura 5.4 se tem o

resumo das três figuras.

DBD


76

Figura 5.1 Curva de fluência a compressão, amostra 1.

Figura 5.2 Curva de fluência a compressão, amostra 2.

Figura 5.3 Curva de fluência a compressão, amostra 3

DBD


77

Figura 5.4 Curva de fluência a compressão, amostras 1-2-3

Como pode ser visto nas figuras 5.1, 5.2 e 5.3 a compressão ocorre em um

tempo curto até as 300h a partir desse tempo até as 600h o acréscimo de variação

da deformação é menor, mostrando nessa faixa pequena fluência em compressão.

Na figura 5.4 temos o quadro resumo que mostra o comportamento das

figuras 5.1-2-3 sendo muito similar, existindo pouca variação.

Também foi analisada a variação da vazão ao longo do tempo, mostrado na

figura 5.5, onde a vazão diminui à medida que a amostra vai se deformando com o

carregamento aplicado de 10 (kPa).

Figura 5.5 Curva de vazão para carregamento de 10 kPa

DBD


78

Figura 5.6 Curva deformação - permeabilidade

Na figura 5.6 temos apresentado o comportamento da permeabilidade planar

no geocomposto à medida que ele ia se deformando. Podemos ver que à medida

que o corpo vai se deformando por compressão a permeabilidade planar no corpo

vai diminuindo.

Avaliando-se a interação solo-geocomposto, pode-se dizer que os

carregamentos aos quais o conjunto está submetido geram deformações que vão

influenciar na capacidade de vazão, segundo as seguintes considerações:

- No caso do ensaio de permeabilidade planar e transmisividade,

considerando um carregamento constante de 10 (kPa) e um gradiente também

constante i=1, e a diferença de carga total entre o ingresso e a saída da máquina de

ensaio H = 0.30 m. Realizando a análise de fluência das amostras, tem-se que a

amostra conseguiu se deformar 18.20% da espessura inicial, que foi 4,38 mm.

- Observa-se que se apresentam duas regiões bem marcadas de deformação,

a primeira no inicio do ensaio apresenta uma deformação imediata de 14,5% até

chegar ao valor de 17.5%, e na segunda o grau de deformação decresce até chegar

ao valor de 18.20%.

- Avaliando-se a variação do fluxo ao longo do tempo temos o processo

inverso, onde à medida que a amostra se deforma a vazão diminui. Esta

diminuição é proporcional à deformação, apresentando também duas regiões bem

marcadas de variação de vazão, a primeira decresce 10%, e a segunda chega a

uma diminuição de capacidade de vazão de 16,5%.

14,000

14,500

15,000

15,500

16,000

16,500

17,000

17,500

18,000

,10000 ,105000 ,110000 ,115000 ,120000 ,125000 ,130000

Def

orm

ação

Ɛ(%

)

Permeabilidade Planar (m/s)

DBD


79

5.2.2. Determinação da fluência por compressão da espessura

Foram realizados ensaios de fluência em compressão do geocomposto

drenante para permitir uma melhor avaliação do seu comportamento quando

instalado. Estes ensaios foram realizados em corpos de prova de dimensões de 100

mm x 100 mm, e foram utilizados dois diferentes níveis de tensões: 2 kPa e 20

kPa, as cargas foram aplicadas ao corpo de prova através de um elemento circular

de diâmetro médio de 70,37 mm.

As curvas de fluência em compressão para uma camada de geocomposto se

encontra na figura 5.7.

Figura 5.7 Curvas do ensaio de fluência em compressão para 1 camada

do geocomposto

Para conferir os resultados obtidos da bibliografia se apresenta a figura 5.8

elaborado por Plácido da USP (2006), quem também verificou a fluência do

geocomposto com a variação da espessura, no caso dele seus resultados foram

apresentados para 20, 100 e 200 kPa de carregamento.

10,2

10,4

10,6

10,8

11

11,2

11,4

11,6

11,8

12

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Espe

ssur

a(m

m)

Tempo (min)

20 kPa 2 kPa

DBD


80

Figura 5.8 Curvas do ensaio de fluência em compressão para 1 camada

do geocomposto (Rafael Rivero Plácido USP)

Como pode ser visto nas figuras 5.7 e 5.8, a compressão do geocomposto

drenante ocorre em um tempo muito curto e se mantém praticamente constante ao

longo do tempo, mostrando pequena fluência em compressão.

Do gráfico 5.7 para o carregamento de 2 (kPa) se apresenta uma deformação

de 13%, e no caso do carregamento de 20 (kPa) apresenta uma maior deformação

alcançando o valor de 17%, concluindo que a maior carregamento o grau de

deformação também é maior.

5.3. Estudo de caso

Para a etapa numérica baseado num estudo de caso dado pela Maccaferri,

para sistemas de drenagem subsuperficial em rodovias segundo o método de

McClelland que determina a eficácia do geocomposto drenante MacDrain TD, foi

feito a modelagem de dito estudo no programa PLAXIS usando os valores do

estudo de caso e também os valores reais obtidos no laboratório referente à

permeabilidade, e transmissividade ao longo do geocomposto, observando-se a

variação da fluência ao longo do tempo, e a variação da vazão nos drenos

(trincheira drenante) com o geocomposto. Adicionalmente foi feito o analise da

DBD


81

poro pressão no solo de subleito, e a verificação dos resultados obtidos com o

estudo de caso proposto pela Maccaferri.

O estudo de caso apresentado descreve o dimensionamento de um sistema

de drenagem por trincheira em rodovias usando o método de McClelland.

Figura 5.9 Drenagem subsuperficial com geocomposto como trincheira

drenante

A metodologia de Mc Clelland foi utilizada para a determinação dos

influxos subterrâneos que atingem os drenos profundos longitudinais por unidade

de comprimento, bem como para prever o tempo necessário para estabilizar o

nível rebaixado do lençol freático, considerando-se as condições da figura 5.10.

Figura 5.10 Seção tipo que apresenta as condições de contorno para o

exemplo

O coeficiente de permeabilidade do solo foi considerado: k= 10-4

(cm/s).

5.3.1.1. Relações de McClelland

Escolhida a solução de drenagem subsuperficial por trincheiras para

rebaixamento do lençol freático em rodovias, cabe definir um método para

DBD


82

determinar o espaçamento e a profundidade das trincheiras. Um dos mais usados é

o método prático criado por McClelland (1943), que permite obter, além dos

parâmetros já citados, a vazão do sistema e uma estimativa do tempo necessário

para o sistema entrar em regime e liberar a entrada de equipamentos no local. A

figura 5.11 mostra o esquema de rebaixamento freático proposto por McClelland

em suas pesquisas, proposição que condiz perfeitamente com a superfície freática

em sua condição de equilíbrio.

Figura 5.11 Representação do rebaixamento da superfície freática

causado pela utilização de drenagem por trincheira.

Onde:

D = Diferença de cotas entre o lençol freático, antes da drenagem, e o N.A.

máximo nos drenos (m).

L = Distância entre os drenos (m).

d = Rebaixamento mínimo do nível freático (m).

k = Coeficiente de permeabilidade do solo (m/s)

y = Relação entre volume de água livre e volume de solo, usualmente da

ordem de 0,01, podendo variar de 0,05 (areias) a 0,02 (argilas)

t = Tempo para estabilizar o nível do lençol rebaixado, em segundos.

5.3.1.2. Metodologia de cálculo

Por meio do ábaco da figura 5.12 ou da tabela 5.1, proposto por Mc

Clelland, é possível obter a vazão, por metro, que cada tubo inserido no dreno irá

suportar e, com isso, dimensionar o sistema de drenagem necessário para captar e

transportar o fluxo de águas gerado pelo rebaixamento do lençol freático.

DBD


83

Figura 5.12 Ábaco interpolando as condições impostas pelo método

proposto por McClelland (1943).

Da figura 5.12 foi feita a interpolação e foram obtidas as correlações

mostradas na tabela 5.1.

Tabela 5.1 Correlações obtidas pelas experiências de McClelland

O valor de “y” estimado para o solo foi y = 0,035, a média entre solos

argilosos y = 0,02 e solos arenosos y = 0,05.

𝑑𝐷⁄ = 0,58

𝑡𝑘𝐷/𝑤2𝑦 = 0,036

𝑞𝐷𝑘⁄ = 0,78

t = 654998 s = 7,58 dias

q = 1,755.10-6

.L

5.3.1.3. Verificação da capacidade de vazão do MacDrain TD

Para se obter a capacidade de vazão do MacDrain TD, é necessário

determinar a tensão a que este estará submetido. Adota-se, em favor da segurança,

um valor aproximado para o coeficiente de empuxo no repouso ko = 0,40; obtém-

se assim a tensão horizontal efetiva:

q/kD tkD/yL2 d/D

0,8 10/mar 0,06

0,47 10/fev 0,37

0,25 10/jan 0,79

DBD


84

𝑃 = 𝛶. ℎ. 𝑘𝑜 = 18 . 1,40 . 0,4 = 10,00 𝑘𝑃𝑎

Em que:

γ é o peso específico do solo, em kN/m3;

h é a altura da trincheira, em m.

Utilizando a ficha técnica do Mac Drain TD (Tabela 5.1), obtém-se os

seguintes valores para o gradiente hidráulico igual a 1:

Tabela 5.2 Capacidade de vazão do Mac Drain TD

Verificando o dado obtido com os valores da Tabela 5.2, obtêm-se, para P =

10 kPa, uma capacidade de vazão (favoravelmente à segurança) de 2,84 l/s.m para

o Mac Drain TD.

Pelas normas, tem-se que aplicar os seguintes fatores de redução para o

geocomposto drenante MacDrain.

FRIN = 1,05 (Intrusão do solo)

FRCR = 1,20 (Fluência – CREEP)

FRCC = 1,10 (Colmatação química)

FRBC = 1,15 (Colmatação biológica)

Com isso obtém-se a vazão admissível do sistema utilizado MacDrain TD:

QAdmMacDrain = QMacDrain/ (FRIN .FRCR .FRCC .FRBC) = 1,78 l/s.m

A vazão encontrada 1,78 l/s.m, representa a vazão admissível para a

trincheira com MacDrain.

5.4. Análise dos cálculos

Para fazer uma análise mais detalhada de avaliação da variação da fluência

com a capacidade de vazão na interação solo-geossintético, foi feita a modelagem

do solo da estrutura de pavimento com o sistema de drenagem (trincheira

Pressão (kPa) Vazão(l/s.m)

10 2,84

20 2,17

50 1,35

100 0,41

DBD


85

drenante), apresentada no estudo de caso, onde se calculou o rebaixamento do

lençol freático desde uma altura de 0.5 m acima da estrutura de pavimento em

todos os casos.

Como foi explicado no capítulo 4 foram realizados seis casos de

modelagens onde foi modificada a permeabilidade e também o número de drenos.

Por se tratar de uma seção simétrica, foi calculada a sua metade como pode

ser visto na figura 5.10, tendo os casos 1-1, 2-1, 3-1 que foram calculados

adotando a permeabilidade do estudo de caso k=10-6

(m/s), e os casos 1-2,2-2, 3-2

calculados com.a.permeabilidade. obtida.no.laboratório.k=0,125(m/s).

5.4.1. Caso 1-1

Baseado no estudo de caso do manual técnico da Maccaferri (2009), onde se

adotou a seção de cálculo mostrada na figura 5.13, e apresenta um dreno.

Dreno N.A.

Figura 5.13 Seção de cálculo do solo para 1 dreno

5.4.2. Malha

São apresentados elementos triangulares de 15 nós, e a malha se encontra

refinada na interação solo geocomposto drenante, como mostra a figura 5.14.

Figura 5.14 Malha da seção de cálculo

5.4.3. Modelo utilizado

O modelo utilizado foi o Soft Soil Creep como foi descrito no capitulo 4,

recomendado para o analise de variação da fluência em um sistema acoplado

fluxo-deformação.

DBD


86

Na modelagem as propriedades do solo usadas foram às mesmas utilizadas

por Durán em 2012, e que estão mostradas na tabela 5.3.

Tabela 5.3 Propriedades do solo, caso 1.

γsat (kN/m³) 19.60

γunsat (kN/m³) 15.55

Parâmetros de resistência

c'ref (kPa) 20

φ' (°) 25

ψ (°) 0

5.4.4. Propriedades hidráulicas

As propriedades hidráulicas do modelo a ser analisado são mostradas na

tabela 5.4, que correspondem aos valores dados no estudo de caso.

Tabela 5.4 Propriedades hidráulicas do solo, caso 1

Parâmetros

kx (m/dia) 0,08640 ky(m/dia) 0,08640 -Ψunsat(m) 1,00E+04

einit 0,75

5.4.5. Condições de contorno:

Figura 5.15 Aplicação de carregamento e condições de contorno

Por se tratar de análise da fluência na interação solo geocomposto drenante,

o modelo de cálculo foi submetido à um carregamento estático de 10 (kN/m) e as

condições de contorno vão estar dadas para fluxo e deslocamentos:

DBD


87

Fluxo:

Base: impermeável

Laterais: permeável

Topo: pressão nula

• Deslocamentos:

Laterais: ux=0

Base: ux=uy=0

5.4.6. Resultados

Dos resultados obtidos foram analisados os fatores de maior efeito na interação

solo-geocomposto drenante, por se tratar de um caso de drenagem com material

elástico, foi feita à análise de deslocamentos, a variação da poro pressão e a

variação da vazão de descarga de rebaixamento do lençol freático ao longo do

tempo.

5.4.7. Análise da fluência

Foi analisada como primeira variante a fluência na interação solo-

geossintético, que ela acrescenta à medida que o lençol freático vai diminuindo.

Figura 5.16 Seção deformada

Neste caso por se tratar de um sistema de drenagem com geossintético em

trincheira, vamos dar maior ênfase na analise da deformação e do deslocamento

horizontal já que esses dois parâmetros vão refletir a variação da espessura do

dreno.

Na figura 5.17 se apresenta a variação de deslocamentos, e podemos ver que

a região crítica está na interação solo-geocomposto, que é a região vermelha, e a

menos afeitada de cor azul.

DBD


88

Figura 5.17 Gráfico de deslocamento solo-geossintético

Também foi desenhada a variação dos deslocamentos ao longo do tempo

como é mostrado na figura 5.18, sendo maior na região da interação solo-

geocomposto, e diminui à medida em que se afasta.


Na figura 5.19 também se apresenta a variação dos deslocamentos no solo,

sendo os valores menores aos obtidos na figura 5.18.

DBD


89

Figura 5.19 Gráfico de deslocamento no solo

Foi analisada a variação das deformações horizontais mostrada na figura

5.20, apresentando valores baixos e principalmente geradas pelo dreno que é um

material elástico.

Figura 5.20 Gráfico de deformações no solo εxx

5.4.8. Analise de fluxo

Foi estudado também o comportamento do fluxo, na figura 5.21 se apresenta

a variação da poropressão que na interação do solo com o geocomposto é menor, e

vai crescendo o valor à medida que se afasta do dreno.

DBD


90

Figura 5.21 Gráfico de variação da Poro pressão

Na figura 5.22 foi desenhada a variação da poropressão ao longo do tempo,

sendo menor na região de interação solo-geocomposto, e o valor cresce conforme

afasta-se do dreno. Da figura também podemos ver que a poro pressão vai

diminuindo à medida que o lençol freático vai rebaixando e que fica constante no

sétimo dia onde se conseguiu rebaixar o nível, mas este cálculo é uma

aproximação, já que o dreno ainda continua trabalhando, uma vez que a poro-

pressão vai permanecer constante.

Figura 5.22 Variação da poro pressão com a espessura do solo

Na figura 5.23 foi desenhada a rede de fluxo para o sistema de drenagem,

onde está traçada até onde o dreno conseguiu atingir o fluxo do solo saturado.

DBD


91

Figura 5.23 Gráfico da região atingida pela rede de fluxo

Figura 5.24 Variação da rede de fluxo

Assim também temos a figura 5.24, que mostra a região atingida pelo

sistema de drenagem, onde podemos ver a região vermelha ainda se encontra

saturada, e para conseguir atingir toda essa região nos seguintes casos se

acrescentou o número de drenos, o que será visto nos próximos incisos.

Figura 5.25 Curva da vazão ao longo do tempo

DBD


92

Na figura 5.25 foi analisada a variação da vazão ao longo do tempo, onde

diminui com o aumento da deformação para o carregamento aplicado de 10

(kN/m).

5.5. Caso 2-1

Foi adotada a seção mostrada na figura 5.26. (Neste caso os cálculos foram

feitos para dois drenos).

Figura 5.26 Seção de cálculo do solo para 2 drenos

Para as propriedades físicas e hidráulicas do solo, o modelo utilizado e as

condições de contorno foram as mesmas usadas no caso 1-1, e o carregamento

utilizado também foi de 10 (kN/m), como é mostrado na figura 5.27.



Como o ponto de interesse a ser analisada é a fluência na interação solo-

geocomposto concluímos que as deformações aumentam à medida que o lençol

freático vai rebaixando.

DBD


93

Figura 5.28 Seção deformada Solo-geossintético

A figura 5.29 apresenta a variação de deslocamentos horizontais, sendo a

região crítica a interação solo-geocomposto e a região vermelha indica o

deslocamento do primeiro dreno apresentando maiores deslocamentos. O dreno do

meio apresenta deslocamentos menores, reduzido de 70% aproximadamente.

Na região mais crítica que é a vermelha os valores de deslocamento que

apresentam são de 2 mm, então o geossintético vai comprimir esse valor

aproximadamente, que está dentro da faixa calculada no laboratório que foi de

4,35 mm o valor do deslocamento.

Figura 5.29 Deslocamento solo-geossintético


como mostrado na figura 5.30, sendo maior na interação solo-geocomposto

diminuindo à medida que se afasta.

DBD


94

Figura 5.30 Deslocamento solo-geocomposto drenante

Na figura 5.31 também apresenta a variação dos deslocamentos no solo,

sendo os valores menores aos obtidos na figura 5.30, mas o comportamento é o

mesmo.


Foi analisada a variação das deformações horizontais mostrado na figura

5.32, apresentando valores baixos e principalmente gerados pelos drenos que são

materiais elásticos.

DBD


95



Dos cálculos referente ao fluxo, na figura 5.33 se apresenta a variação da

poro pressão que na interação do solo com os drenos é menor, e vai aumentando à

medida que se afasta, o comportamento é o mesmo na poro pressão para um ou

dois drenos.


Na figura 5.34 foi desenhado a variação da poro pressão ao longo do tempo,

sendo menor na região da interação solo-geocomposto, e vai aumentando à

medida que se afasta.

DBD


96

Também podemos ver que a poro pressão vai diminuindo à medida que o

lençol freático vai rebaixando e que fica constante no quinto dia onde se

conseguiu rebaixar o nível, mas este cálculo é uma aproximação já que o dreno

ainda continua trabalhando uma vez que o fluxo vai ser menor.

Figura 5.34 Gráfico de variação da poro pressão


onde a rede está traçada até onde o dreno consegue atingir o fluxo do solo

saturado.

Figura 5.35 Gráfico de variação da rede de fluxo


sistema de drenagem sendo maior em comparação com o caso 1-1, mas ainda se

tem a região vermelha que indica solo saturado, e para conseguir atingir toda essa

região, teve que acrescentar mais um dreno, o que será visto no seguinte inciso.

DBD


97



Na figura 5.37 foi analisada a variação da vazão ao longo do tempo, onde a

vazão diminui com o aumento da deformação nos dois drenos, porém, no caso do

dreno 2 a vazão transportada é menor.

5.6. Caso 3-1

Foi adotada a seção mostrada na figura 5.38, e o cálculo foi feito para três

drenos.

Figura 5.38 Seção de cálculo do solo para 3 drenos

DBD


98

Para as propriedades físicas e hidráulicas, o modelo utilizado e as condições

de contorno foram as mesmas usadas nos casos 1-1 e 2-1, e o carregamento para o

cálculo também foi de 10 (kN/m), conforme mostrado na figura5.39.

Figura 5.39 Condições do modelo de cálculo


A fluência na interação solo-geocomposto, aumenta à medida que o lençol


Figura 5.40 Seção deformada do solo-geocomposto

Na figura 5.41 é apresentada a variação de deslocamentos, e podemos ver

que a região crítica está novamente na interação solo-geocomposto, que é a região

vermelha e azul, no primeiro e terceiro dreno. No caso do segundo dreno que esta

no meio, é apresentada deslocamentos menores.

DBD


99


Na figura 5.42 foi desenhada a variação dos deslocamentos ao longo do

tempo, sendo maior na região da interação solo-geocomposto, e vai diminuindo à


Figura 5.42 Deslocamento solo-geossintético

Na figura 5.43 também apresenta a variação dos deslocamentos no terceiro

dreno, sendo os valores menores aos obtidos na figura 5.42, mas o comportamento

é o mesmo.

DBD


100

Figura 5.43 Deslocamento no solo-geossintético3.


5.44, apresentando valores baixos e principalmente geradas pelos drenos que são




Dos cálculos referente ao fluxo, na figura 5.45 apresenta a variação da poro

pressão que na interação do solo com o geocomposto drenante é menor, e vai

aumentando o valor à medida que se afasta dos drenos, sendo igual a poro pressão

nos drenos.

DBD


101


Na figura 5.46 foi desenhada a variação da poro pressão ao longo do tempo,

sendo menor na região da interação solo-geocomposto, e vai aumentando à


Da figura também podemos ver que a poro pressão vai diminuindo à medida

que o lençol freático vai rebaixando e que fica constante no quinto dia onde se

conseguiu rebaixar o nível, mas o dreno ainda continua trabalhando só que o fluxo

vai ser menor (cálculo aproximado).



onde a rede está traçada até onde o dreno consegue atingir o fluxo do solo

saturado.

DBD


102



sistema de drenagem sendo maior em comparação com o caso 1-1, onde se

conseguiu atingir com três drenos todo o solo saturado.



DBD


103

Na curva 5.49 foi analisada a variação da vazão ao longo do tempo, onde a

vazão diminui com o aumento da deformação nos três drenos.

5.7. Caso 1-2

O cálculo também foi baseado no estudo de caso do manual técnico da

Maccaferri (2009), foi adotada a seção mostrada na figura 5.50, e foi calculado

para um dreno.

Dreno N.A.

Figura 5.50 Seção de cálculo para 1 dreno

5.7.1. Malha de cálculo

São apresentados elementos triangulares de 15 nós, e a malha se encontra

refinada na interação solo-geocomposto, como mostra a figura 5.51.

Figura 5.51 Malha da seção de cálculo

5.7.2. Modelo utilizado

O modelo utilizado foi o Soft Soil Creep, recomendado para o analise da

variação da fluência em um sistema acoplado fluxo-deformação, descrito no

capítulo 4.

Tabela 5.5 Propriedades do solo, caso 2.

γsat (kN/m³) 19.60

γunsat (kN/m³) 15.55

Parâmetros de resistência

c'ref (kPa) 20

φ' (°) 25

ψ (°) 0

DBD


104

5.7.2.1.1. Propriedades hidráulicas do solo, caso 2.

As propriedades hidráulicas do modelo a ser analisado são mostradas na

tabela 5.6, que correspondem aos valores dados no laboratório.

Tabela 5.6 Propriedades hidráulicas do solo

Parâmetros kx (m/dia) 10766,35 ky (m/dia) 10766,35

-Ψunsat (m) 1,00E+04 einit 0,75

5.7.2.1.2. Condições de contorno:


Por se tratar de análise da fluência na interação solo-geocomposto, o modelo

de cálculo foi submetido a um carregamento estático de 10 (kN/m) e as condições

de contorno foram dadas para fluxo e deformação:

Fluxo:

Base: impermeável

Laterais: permeável

Topo: pressão nula

• Deformações – Standart fixicities:

Laterais: ux=0

Base: ux=uy=0

5.7.3. Resultados

Dos resultados obtidos foram analisados os fatores de maior efeito na interação

solo-geocomposto, por se tratar de um caso de drenagem com material

DBD


105

geossintético, foi feita a análise da fluência, a variação da poro pressão, a variação

da vazão de descarga de rebaixamento do lençol freático ao longo do tempo.


Foi analisada como primeira variante a fluência na interação solo-

geocomposto, que ela cresce à medida que o lençol freático vai diminuindo.


Neste caso por se tratar de um sistema de drenagem com geocomposto em

trincheira, vamos dar maior ênfase na analise da deformação e do deslocamento

horizontal já que esses dois parâmetros vão refletir a variação da espessura do

dreno.

Na figura 5.54 se apresenta a variação de deslocamentos, e podemos ver que

a região crítica esta na interação solo-geocomposto, que é a região vermelha, e a

menos afetada é a região azul.

Figura 5.54 Gráfico de deslocamento solo-geocomposto

DBD


106

Comparando o gráfico 5.17 com o 5.54 podemos dizer que no caso 1-2 foi

calculado com uma permeabilidade maior e os deslocamentos são menores do que

o caso 1-1, mas o comportamento do solo nos dois casos é o mesmo.


como é mostrado na figura 5.55, sendo maior na região da interação solo-

geocomposto, e diminui à medida que se afasta.

Figura 5.55 Gráfico de deslocamento solo-geocomposto drenante

Na figura 5.56 também apresenta a variação do deslocamento no solo, sendo

os valores menores aos obtidos na figura 5.55.


DBD


107


5.57, apresentando valores baixos e principalmente geradas pelo dreno que é um

material elástico.



Na figura 5.58 apresenta a variação da poro pressão que na interação do solo

com o geocomposto é menor, e vai aumentando o valor à medida que se afasta do

dreno.


DBD


108


sendo menor na região da interação solo-geocomposto, e o valor aumenta

conforme se afasta do dreno. Também podemos ver que a poro pressão vai

diminuindo à medida que o lençol freático vai rebaixando e que fica constante no

sétimo dia onde se conseguiu rebaixar o nível, mas este cálculo é uma

aproximação já que o dreno ainda continua trabalhando.



onde a rede novamente está traçada até onde o dreno consegue atingir o fluxo do

solo saturado.


DBD


109

Figura 5.61 Variação da rede de fluxo


sistema de drenagem, onde podemos ver a região vermelha ainda se encontra

saturada, e para conseguir atingir toda a região saturada nos seguintes casos se

acrescentou também o número de drenos.


Na figura 5.62 foi analisada a variação da vazão ao longo do tempo, onde a

vazão diminui com o aumento da deformação para o carregamento aplicado de 10

(kN/m), mas neste caso os valores da vazão são menores já que se acrescentou o

valor da permeabilidade.

DBD


110

5.8. Caso 2-2

Foi adotada a seção mostrada na figura 5.63 que é a mesma do caso 2-1.

Figura 5.63 Seção de cálculo para 2 drenos

Para propriedades físicas e hidráulicas do solo, o modelo utilizado e as

condições de contorno foram as mesmas usadas no caso 1-2 para um dreno, e o

carregamento para o cálculo também foi de 10 (kN/m), como é mostrado na figura

5.64.



Foi analisada como primeira variante novamente a fluência na interação

solo-geocomposto, onde as deformações aumentam à medida que o lençol freático

vai rebaixando.

Figura 5.65 Seção deformada Solo-geocomposto drenante

DBD


111

Na figura 5.66 apresenta a variação de deslocamentos, e podemos ver que a

região crítica esta na interação solo-geocomposto, que é a região avermelhada no

primeiro dreno, o segundo dreno que esta no meio apresenta deformações

menores.


Foi desenhada a variação dos deslocamentos ao longo do tempo como

mostrada na figura 5.67, sendo maior na região da interação solo-geocomposto, e

vai diminuindo à medida que se afasta.


Na figura 5.68 também apresenta a variação dos deslocamentos no solo,

sendo os valores menores aos obtidos na figura 5.67.

DBD


112







Referente ao fluxo, na figura 5.70 apresenta a variação da poro pressão que

na interação do solo com o geocomposto é menor, e vai aumentando conforme se

afasta dos drenos. Não existe variação na poro pressão nos drenos, sendo o

comportamento o mesmo.

DBD


113


Na figura 5.71 foi desenhado a variação da poro pressão ao longo do tempo,

sendo menor na região da interação solo-geocomposto, e acrescenta à medida que

se afasta.


Na figura 5.72 foi desenhada a rede de fluxo para o sistema de drenagem.


DBD


114


Na figura 5.73 podemos ver a região atingida pelo sistema de drenagem,

onde a região avermelhada ainda se encontra saturada.


5.9. Caso 3-2

Foi adotada a seção mostrada na figura 5.75, calculado para três drenos.

Figura 5.75 Seção de cálculo para 3 drenos

DBD


115

Para as propriedades físicas e hidráulicas, o modelo utilizado e as condições

de contorno foram as mesmas usadas no caso 1-2 e 2-2 , e o carregamento para o

cálculo também foi de 10(kN/m), conforme mostrada na figura 5.76.

Figura 5.76 Condições do modelo de cálculo


A fluência na interação solo-geocomposto, aumenta à medida que o lençol



Na figura 5.78 apresenta a variação de deslocamentos, e podemos ver que a

região crítica esta na interação solo-geocomposto, que é a região vermelha no

primeiro dreno, no caso do segundo dreno que esta no meio, as deformações são

menores, e no terceiro dreno que é a região de cor azul também apresenta

deslocamentos elevadas.

DBD


116



conforme mostrado na figura 5.79, sendo maior na região da interação solo-

geocomposto, e diminui à medida que se afasta.

Figura 5.79 Deslocamento solo-geocomposto

Na figura 5.80 também apresenta a variação dos deslocamentos no terceiro

dreno, sendo os valores menores aos obtidos na figura 5.79, porém, o

comportamento é o mesmo.

DBD


117

Figura 5.80 Deslocamento no solo-geossintético






Dos cálculos referente ao fluxo no solo saturado, na figura 5.82 apresenta a

variação da poro pressão que na interação do solo com o geocomposto é menor, e

vai aumentando o valor à medida que se afasta dos drenos, sendo igual a poro

pressão nos drenos.

DBD


118



sendo menor na região da interação solo-geocomposto, e aumenta conforme se

afasta.

Da figura também podemos ver que a poro pressão vai diminuindo à medida

que o lençol freático vai rebaixando e que fica constante no quinto dia onde se

conseguiu rebaixar o nível, mas o dreno ainda continua trabalhando uma vez que

o fluxo vai ser menor.(cálculo é aproximado).


DBD


119


onde está traçada até onde o dreno consegue atingir o fluxo do solo saturado.



sistema de drenagem sendo maior em comparação com o caso 1-2, onde

conseguiu atingir com três drenos todo o solo saturado.


DBD


120


Na figura 5.86 temos o gráfico de variação da vazão ao longo do tempo,

onde a vazão diminui com o aumento da deformação nos três drenos.

DBD


121

6 Conclusões

No âmbito da pavimentação, a drenagem das águas superficiais é um tema

importante. Neste trabalho, a solução para a problemática do escoamento de águas

superficiais foi estudada utilizando-se geocomposto drenante, sendo o enfoque de

maior interesse a interação solo-geocomposto.

Este análise foi realizada com ensaios de curto e médio prazo em laboratório

baseado no ensaio de permeabilidade planar e transmissividade, tendo as seguintes

considerações:

- No caso do ensaio de permeabilidade planar e transmisividade,

considerando um carregamento constante de 10 (kPa) e um gradiente hidráulico

constante i=1, sendo a diferença de carga total entre o ingresso e a saída da

máquina de ensaio H = 0,30 m, tem-se que a amostra conseguiu se deformar

18,20% da espessura inicial, que foi 4,4 mm.

- Observa-se que se apresentam duas regiões bem marcadas de deformação,

a primeira no inicio do ensaio apresenta uma deformação imediata de 14,5% até

chegar ao valor de 17,5%, e na segunda região o grau de deformação decresce até

chegar ao valor de 18,20%.

- Avaliando-se a variação do fluxo ao longo do tempo tem-se o processo

inverso, onde à medida que a amostra se deforma a vazão diminui. Esta

diminuição é proporcional a deformação, apresentando também duas regiões bem

marcadas de variação de vazão, a primeira decresce 13,5%, e a segunda chega a

uma diminuição de capacidade de vazão de 16,5%.

- Da figura 5.6 também pode-se ver o comportamento da permeabilidade

planar ao longo da deformação da amostra, sendo que esta diminui 16% da

permeabilidade inicial.

Nesta pesquisa para fins comparativos, foi realizado o estudo de caso no

PLAXIS do estudo de caso, tem-se as seguintes conclusões:

- Em geral todas as modelagens realizadas apresentaram o mesmo

comportamento, aonde à medida que o corpo vai-se deslocando e deformando no

DBD


122

tempo a vazão no dreno diminui, por se tratar de um material elástico e pela

redução da espessura do dreno.

- Fazendo uma análise das deformações e deslocamento da amostra em

estudo pode-se verificar que a variação de número de drenos não altera os valores

obtidos. Mas a variação da permeabilidade gera mudanças nos valores obtidos de

deformação e deslocamento, onde para valores de permeabilidade maiores, as

deformações e deslocamentos são menores.

- Outro aspecto observado foi que em todos os casos, à medida que o nível

freático vai diminuindo na interação solo-geocomposto, as deformações vão

aumentando. No caso 1 obteve- se um incremento na deformação de 70%, e no

caso 2 um incremento de 10%, concluindo que se tem deformações menores para

valores de permeabilidade maiores, conforme dito no parágrafo anterior.

- Para o caso do rebaixamento do lençol freático comparando, tem-se que o

nível rebaixou em 7 dias, tanto para o caso 1-1 e 1-2 correspondente a um dreno

como está dado no problema, sendo que a poro-pressão vai diminuindo à medida

que o lençol freático vai rebaixando, mas este cálculo é uma aproximação, já que

o dreno ainda continua trabalhando.

- Nos casos que apresentam 2 e 3 drenos verificou-se que a poro pressão se

mantém constante no quinto dia, mas os drenos também ainda continuam

trabalhando.

- Conseguiu-se atingir o fluxo de todo o solo saturado com a utilização de

três drenos, nos casos 1 e 2.

- Fazendo uma analise das vazões da amostra em estudo pode ver que a

vazão diminui ao longo do tempo à medida que a amostra se deforma, este

comportamento foi o mesmo para todos os casos.

Os resultados foram satisfatórios conseguindo-se avaliar a fluência de um

geocomposto drenate no solo em relação à sua capacidade de vazão e se conclui

que há geração de deformações causadas pelos carregamentos no solo, que

influenciam na capacidade de vazão de drenagem do conjunto.

DBD


123

6.1. Sugestões para Trabalhos Futuros

Neste trabalho foram efetuados ensaios de curto e médio prazo mostrando

que existe a variação da vazão com a fluência, mas pra clarificar este

comportamento vazão-fluência, recomenda-se realizar ensaios ao longo prazo, já

que as deformações no corpo de proba ainda continuam ao longo do tempo, assim

com essa análise vamos a obter com maior precisão a porcentagem de vazão que

diminui no dreno.

Assim também acredito que é importante, fazer a toma das amostras nas

rodovias que trabalham com este sistema de drenagem, e conferir o

comportamento deles no laboratório realizando o ensaio de transmisividade

verificando à sua capacidade de vazão e à sua variação com a fluência, obtendo

assim uma pesquisa mais completa.

DBD


124

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DBD


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