Luiz Guilherme de MelloClara Naoko Takaki

“Geosynthetics – the most important development in Civil Engineering practice in the 20th Century.”(J.P. Giroud, 2008 Terzaghi Lecture)

“Prediction 1: GRS will soon be the “standard steep slope” and “standard wall” . . . however a few Technical and Professional Issues remain.

Prediction 2 for my academic colleagues: GRS and other types of reinforced walls will change the way we teach EP theory and the design of backfilled retaining structures…maybe change our approach slope stabilization…” (B. Holtz , 2010 – 9ICG )

No Brasil Geossintéticos são aceitos e foram usados em

inúmeras obras relevantes na última década; Entidades brasileiras, ABNT e ABINT,

trabalham/revisam constantemente normas/recomendações/manuais/especificações de produtos para embasar o corpo técnico.

Universidades brasileiras, com apoio Fabricantes, desenvolvem pesquisas /novos equipamentos de laboratório.

Aspectos Gerais Solos Reforçados com Geossintéticos

(Geosynthetics Reinforced Soil – GRS) Aterros sobre solos moles melhorados com

Colunas Encamisadas com Geossintético (Geotextil Encased Column– GEC)

Casos de Obra

Comportamento

Aspectos Gerais Vantagens e Comportamento Propriedades Considerações de Projeto Considerações Importantes

Great Wall of China

Western Wall

Aspectos Gerais Geossintéticos foram inicialmente usados para

taludes reforçados buscando minimização do custo (qualidade de jazida de aterro) e/ou algum aumento na inclinação do talude buscando redução de volume, minimização do custo do paramento frontal;

Imposição geométrica de paramentos verticais �muro reforçado=> inicialmente desenvolvidos França – Terra Armada (1960), Projeto Clouterre, com elementos metálicos de reforço e paramentos de concreto=> novos elementos de reforço (geogrelhas) e responsabilidade maior no paramento

Vantagens

Otimização do projeto geométrico (maiores inclinações) e ganhos de uso de área construída

Comportamento flexível do conjunto Custo Execução relativamente rápida quando comparada a

contenções convencionais Inúmeros tipos e características de paramentos (p.ex.

paramento “verde”)

Comportamento

Tensão no paramento em cada camada do solo reforçado é relativamente pequena=> tanto menor quanto maior é inclinação da face

Paramento necessário para manter o confinamento entre camadas => quanto maior inclinação => maior responsabilidade da face (f(σ´v)).

H. Vidal

Bob Barrett, Colorado

Comportamento

“Our design approaches depend on traditional geotech designs for slopes and retaining walls……………. and on the way we teach these subjects in our graduate courses………………………………....................... has nothing to do with reality” (Koerner, 1986)

Comportamento (Holtz, et al, 1997) -

Dimensionamento

Estabilidade Externa convencional (Capacidade de Carga da fundação, Tombamento; Deslizamento, Estabilidade global);

Propriedades dos Materiais (Solo + Geossintético + Paramento)

Estabilidade Interna-> várias formulações Drenagem

Estabilidade ExternaFatores de Segurança:

Deslizamento

FHWA

R. R. Berg

Propriedade dos Materiais

Solos: Bibliografia estrangeira recorre, usualmente, a materiais de características arenosas. POR QUE ? Não é vantagem ter parcela coesiva de resistência, desde que bem drenado ?

Avaliação caso a caso em função da jazida; Geossintético : Módulo de rigidez, atrito no contato

solo-geogrelha; creep; durabilidade; danos físicos na instalação � FHWA NHI-07-092

Paramento : Cuidados na conexão com geossintético

Estabilidade InternaFatores de Segurança (Christopher and Berg, 2001):

Ruptura do reforço

Metodologias de Análise (algumas) USFS (Forest Service) – Equilíbrio limite (Rankine´s

Theory) FHWA (Christopher and Berg, 2001) – Empírico que

considera a rigidez Ehrlich & Mitchell (1994) - Compatibilidade de

Deslocamentos Outros (Broms, Leshchinsky, etc) Metodologias numéricas

Estabilidade Interna – Fatores que afetam

Espaçamento entre os reforços => � quanto menor o espaçamento entre reforços => melhor

compactação gerando maior tempo de execução � quanto maior o espaçamento => diminui tempo de

execução com maiores deformações prox. ao paramento face => avaliação comportamento nas etapas construtivas muito importante

Drenagem

Atenção aos Acessos e Taludes Provisórios

DRENAGEMCrucial !!!!!!

Terzaghi 1943 – TheoreticalSoil Mechanics

Estabilidade Interna – Fatores que afetam Drenagem interna e externa

Cuidados Construtivos Má qualidade de execução dos aterros Drenagem e aterros saturados Sobrecargas inesperadasImportante:Projeto SoloReforçado

... Complicada Interface /Responsabilidades

=

Projeto geotécnico de contenção (estabilidade externa)

+Projeto do solo reforçado (estabilidade interna)

+Projeto do paramento (concreto, “verde”, etc)

FHWA

Aspectos Gerais Vantagens e Comportamento quando

utilizadas em Aterros Estaqueados Dimensionamento Considerações Importantes

Aspectos Gerais

Colunas de areia e brita– técnica mais antiga de melhoria dos solos => melhoria das propriedades geomecânicas e redução de recalques

Métodos de instalação muito severos: vibro-flotação, vibro-substituição, vibro-deslocamento;

Dificuldades: manutenção da integridade da coluna submetida a carregamentos axiais devido à falta de confinamento em solos argilosos moles � riscos para solos orgânicos e sensitivos

Aterros Estaqueados - Soluções usuais: Colunas de brita preenchida com nata de cimento

(Grouted stone columns) Colunas de Jet Grouting Estacas pré-moldadas (ex. aterros estaqueados com

capteis+geogrelha; laje estaqueada, etc)

Nova e interessante alternativa: Colunas Encamisadas com Geossintéticos

Vantagens e Comportamento Redução dos recalques globais antevistos,

minimização de recalques residuais pós fase de obras. Melhoria dos parâmetros geomecânicos do subsolo Baixa rigidez da coluna=> minimiza atuação na

coluna de solicitações horizontais e verticais. As colunas não são “fundações” do aterro

propriamente dito, e sim uma melhoria no subsolo => comprimento de colunas normalmente menores do que estacas.

Dimensionamento

GEC (Geotextile Encased Columns) – alternativa para enfrentar os problemas convencionais de colunas de brita ou areia� proposição inicial Van Impe (1985)

In 1994 / 1995 Construtora Alemã e a Huesker desenvolveram um geossintético de seção circular sem costura => “Ringtrac®”

Dimensionamento:

Metodologias analiticas propostas por Raithel (1999); and Kempfert and Raithel (2000); baseadas em Gionna and Jamiolkowski (1981), com a inclusão de geotextil.

Metodologias numéricas

Hipóteses adotadas na metodologia Raithel(1999) e Ghionna & Jamilkowski (1981) :

Deslocamento vertical do topo da coluna e do solo iguais; Deslocamento vertical devido ao solo inferior de apoio =

nulo; Geossintético possui comportamento elástico linear; Solo possui comportamento elástico crescente com a

profundidade; Volume constante da coluna.

Introdução Descrição do Projeto Aspectos Geologico-Geotécnicos Critério de Projeto e Parâmetros Trecho 1 - Soluções Geotécnicas Adotadas Trecho 2 - Soluções Geotécnicas Adotadas Trecho 3 - Soluções Geotécnicas Adotadas Conclusões

Obra localizada em São José dos Campos (100 km de São Paulo e 300 km do Rio de janeiro), Brasil

São José dos Campos representa uma das receitas (income) importantes do Estado de São Paulo, principalmente devido a industria de alta tecnologia (ex. Embraer) e serviços.

Embraer

Foco em 1300m de extensão em aterros projetados sobre solos argilosos moles de origem fluvial, com alturas de aterro projetado até 8m;

Projeto original� remoção total de solos moles + importação de material e aterros de grandes volumes

Projeto alternativo devido cronograma e problemas ambientais (deposito de material excedente) �permanência e tratamento de solos argilosos moles � desempenho;

Extensão de uma importante avenida existente: Fase I: Duas pistas com canalização do córrego

Vidoca entre as pistas (de Mello et al, 2002-7ICG) Alteração do projeto geométrico �

Diminuição da altura de aterro e estabilidade condicionada pela geometria do córrego;

Fase II: Duas pistas paralelas (de Mello et al, 2009a 2009b) localizadas entre a baixada e um talude, com importante restrição geométrica (reservatório); Alteração do projeto geométrico � saindo da

encosta e entrando na várzea �maior espessura de solo mole;

Cota do greide � apesar de minimização alturas de aterro de 4 a 8m;

Pista de rolamento � diminuição da largura da seção típica;

GEOLOGIA REGIONAL

Sedimentos Terciários da Bacia de Taubaté (Sedimentos Cenozóicos Preconsolidados)

Sedimentos Quaternários de origem fluvial –camadas intercaladas de argilas siltosas e areias proximo a drenagem natural� Ensaios Geotécnicos especiais;

Ensaios de Campo (Fase II):

Ensaios de Laboratório:Soil LL-LP(%) W(%) γw(kN/m3) S-M-C(1)

A 62 – 34 92 15,2 2 - 50 – 48

B 50 – 30 98 15,4 8 - 40 - 52

C 120 - 57 108 13,2 30 - 47-23

Soil Dissipation testsch(m2/s)

Oedometric testscv(m2/s)

Oedometric testscα

A 5 to 144x10-7 1 x10-7 -

B 6x10-7 1,3 x10-8 0,025

C 31 x10-7 5 x10-7 -

Soil OCR CR CC

A 1,6 0,26 0,04

B 1.25 0,17 0,04

C(2) 1.2 0,40 0,03

Resistênica não drenada (Fase II):

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Su (kPa)

Dep

ht (

m)

Vane

Consolidation test(Mesri correlation)

Piezocone (Lunecorrelation)

Design parameter

Definidos conjuntamente com o Proprietário:

Recalque residual: 40 cm/30 anos (novos projetos 25cm/30anos)

Sobrecarga Operacional: 10 KPa FS final de construção= 1,25

Imposição da Construtora: Cronograma limitando tempo de tratamento = 2meses

Parâmetros de Projeto Adotados:Soil Phase I (2000)

cm/seg2Phase I

(Backanalysis)cm/seg2

Phase IIcm/seg2

Black to dark gray organic silt clay (soil C)

2 x10-7 3.8 to 4.4 x 10-7 2 x10-7Gray silty sandy clay(soil B)

Gray clay silt sand ( soil A)

Phase I (2000) Phase II

Soil OCR CR RR cα OCR CR RR cα

Black to dark gray organic silt clay (soil C)

1,2 0,40 0,025 0,03 1,0 0,25 0,04 0,02

Gray silty sandy clay(soil B)

1,2 0,10 0,02 0,03 1,1 0,25 0,04 0,02

Gray clay silt sand ( soli A) 1,2 0,10 0,02 0,03 1.1 0,10 0,02 0,02

Resistência não drenada:

Soil Phase I (2000)Cu

Phase IICu

Black to dark gray organic silt clay (soil C)

10+0,94z 6 kPa (z=2m)6+z (z>2m)

Gray silty sandy clay(soil B)

Gray clay silt sand ( soil A)

Fase II:

Fase II – Trecho inicial: restrição geométrica devido entorno � contenção em aterro � solo reforçado

Fase II – Trecho intermediário – final: sem restrição geometrica para desenvolvimento do aterro

TRECHO 1: ATERRO ESTAQUEADO COM CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO COM GEOSINTÉTICOTRECHO 1: ATERRO ESTAQUEADO COM CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO COM GEOSSINTÉTICO

TRECHO 2: ATERRO REFORÇADO COM GEOSSINTÉTICO COM PRÉ-CARGA COM GEODRENO

TRECHO 3: COLUNAS ENCAMIZADAS COM GEOTEXTIL

Fase II – Primeiro trecho

Ricci & Elrlich, 2009 e 2010 -> Pesquisa de doutorado da Universidade Federal do Rio de Janeiro com apoio da Fornecedora e executoras;

Paramento:1H:10VLeituras:•Tensão no reforço (R1, R2a, R2b, R3 e R4);•Deslocamento (P1 a P10)•Bloco instrumentado (cargas)

“.......Note that the measured values exhibit a tendency to be constant in relatio to depht in accordance with the predictions of Ehrlich & Mitchell, 1994 .“

Avanço do solo reforçado x leituras internas de carga atuante sobre o bloco instrumentado (=layer 3)

V1: vertical load frontal of the blockV2: vertical load rear of the blockH: horizontal load at the center

“.......

“

Ricci, M. & Elrlich, M, 2010“A block-faced geogrid wall using fine-grained tropical soils as backfill was monitored. Laboratory tests show that to due soil suction significant soil cohesion occurs at representative field moisture content and density. That may be considered typical to the type of soil used in the wall construction. …………………Efforts on the facing blocks and tension in the reinforcement were measured. Loads in the facing blocks had a significant influence in reinforcement tension mobilization – estimated in 26% of the value of the summation of the maximum tension in the reinforcement . ......”

Comparações dos valores medidos com as metodologias de calculo de Ehrich & Mitchell(1994); Leshchinsky & Boedeker(1989); Bathrust et al (2003) e Ranckine´s Theory são apresentadas.

Second Stretch:

Exemplo de resultado de monitoração - seção com drenos verticais e reforço em geogrelhas

MS

-8C

MS

-8E

MS

-8D

MS

-8B

MS

-8A

IN-8

A

PERFILOMETER

WICK DRAINLENGHT= 6,0 TO 9,0m

EL.580,15EL.580,50

EL.572,00

SETTLEMENT GAUGES

INCLINOMETER

DISPLACEMENT (mm)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

051015202530

DE

PH

T (

m)

04/05/06

23/06/06

19/07/06

30/10/06

28/11/06

15/05/07-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

28/03/06 20/06/06 12/09/06 05/12/06 27/02/07 22/05/07

SE

TT

LEM

EN

T (

mm

)

563

565

567

569

571

573

575

577

579

581

583

FIL

L LE

VE

L (m

)

X=-10,5m

MS-8C

MS-8D

FILL LEVEL

MS

-8C

MS

-8E

MS

-8D

MS

-8B

MS

-8A

IN-8

A

PERFILOMETER

WICK DRAINLENGHT= 6,0 TO 9,0m

EL.580,15EL.580,50

EL.572,00

SETTLEMENT GAUGES

INCLINOMETER

0

50

100

150

200

250

300

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

SE

TT

LEM

EN

T (

mm

)

20/06/06

20/06/06

20/07/06

11/10/06

07/02/07

03/05/07

Diâmetro Coluna = 0,70 m, Geossintético : 150 KN/m – resistência a tração 2000 KN/m – rigidez Fatores considerados:

Danos de Instalação Creep, etc, � critérios de desempenho normatizados Peso do aterro e sobrecarga operacional

�adotado Ringtrac® 2000PM

Aterros necessários em projeto de 8 a 9m Espessura de solo argiloso mole maior que 8m; Solução em aterro reforçado com geossintético �inviável

GEC - Utilizando metodologia de Raithel �diâmetro de coluna = 0,70m com espaçamento de 1,8 a 2,2m

Geogrelha na base do aterro incluída no conceito do projeto para garantir equilíbrio horizontal

Instrumentação projetada: Inclinômetro e Marcos superficiais (settlement

gauges) Extensometros no interior da coluna (“crackmeters”) Célula de carga no topo da coluna

Método Construtivo: Instalação do inclinômetro; Instalação da coluna (Equipamento de estaca tipo

Franki com adaptação na ponta) Instalação de extensometro e célula de carga no interior

da coluna; Instalação do reforço (geogrelha); Instalação do perfilômetro entre colunas e placas de

recalque; Execução do aterro e instalação dos marcos Pavimentação

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DIS

PLA

CE

ME

NT

( mm

)

-2

0

2

4

6

8

10

12

CO

LUM

NS

LEN

GH

T (m)

30/8/2006

21/9/2006

6/10/2006

30/10/2006

29/11/2006

7/2/2007

21/3/2007

3/5/2007

Sandroni et al (2010)

DISPLACEMENT (mm)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

-30-1010305070

DE

PH

T (

m)

18-abr-06

30-jun-06

8-ago-06

21-ago-06

31-ago-06

10-out-06

20-mar-07

17-jul-07

27-fev-09

22-abr-09

AFTER 21 MONTHS

FILL

COLUMNSINSTALATION

DISPLACEMENT (mm)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

-10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 2

DE

PH

T (m

) 11-abr-06

30-jun-06

8-ago-06

21-ago-06

31-ago-06

6-out-06

9-fev-07

17-jul-07

24-abr-09

COLUMN INSTALATION

FILL

AFTER 22 MONTHS

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Su (kPa)

De

ph

t (m

)

Vane

Consolidation test(Mesri correlation)Piezocone (Lunecorrelation)Design parameter

Retroanalise do Cu a partir instrumentação colunas, buscando ajuste “teórico” da resistência do solo mole no comportamento observado

0

50

100

150

200

250

300

22/6/2006 19/12/2006 17/6/2007 14/12/2007 11/6/2008 8/12/2008 6/6/2009Lo

ad (k

Pa)

575

576

577

578

579

580

581

FILL LEV

EL (m

)

Column A

Column B

FILL LEVEL

BACK ANALYSIS

0

1

2

3

4

5

6

22/6/2006 19/12/2006 17/6/2007 14/12/2007 11/6/2008 8/12/2008 6/6/2009

(DIA

ME

TE

R)

DIS

PLA

CE

ME

NT

(m

m)

575

576

577

578

579

580

581

FIL

L LE

VE

L (m

)

CRA- L

CRA- C

FILL LEVEL

BACK ANALYSIS

Sandroni, S.S., de Mello, L.G., Gomes, R.C. & Vilar, O.M. (2010)

“The comparisons indicate . . .the displacements calculated for the construction stage tend to be smaller than the measured ones. On the other hand, for the “long range” situation the calculated values are similar to the field values. This coincidence is to a certain extent surprising given the uncertainties and inexactitudes of the method, particularly in what concerns the remoulding of the soft soil whose deformability has a strong influence in the results.”

Obra entregue conforme cronograma.

Desempenho apresentado adequado durante e após construção.

Trechos 1 e 2

Compatibilidade entre o comportamento previsto com aquele medido na instrumentação.

Magnitudes de deslocamento foram menores do que previsto=> complexidade da estratigrafia? Parâmetros de projeto ?

Trecho 3 A primeira obra de GEC na America do Sul foi

um sucesso => atendimento ao cronograma e desempenho adequado;

Instrumentação mostrou diferenças entre carregamento previstos e medidos => instalação da instrumentação aparentemente afetou a rigidez da coluna

Mais pesquisas são necessárias

Proprietário – DERSA Construtora Andrade Gutierrez: Guilherme

Barbosa, Henrique R. do Val, Marcio Testa e equipe

Tecnogeo – empreiteiro especializado Bureau Engenharia – especialista em

monitoramento Dr. Dimiter Alexiev – Huesker Geosynthetics