1

Obras de Aterro

Cap. 5

ATERROS DE VIAS DE COMUNICAÇÃO (TERRAPLANAGENS)

Obras de Aterro

2

Obras de Aterro

No dimensionamento de aterros tem que se considerar

1. DIMENSIONAMENTO

a) Capacidade resistente do aterro para as acções de dimensionamento

b) Estabilidade dos taludes

c) Capacidade resistente da fundação

Obras de Aterro

Garante-se a capacidade resistente do solo compactando-o o mais possível.

A ideia é reduzir o índice de vazios / aumentar a densidade seca do solo.

Deste modo prescreve-se uma energia elevada de compactação (equivalente ao proctor pesado)

a) Capacidade resistente da estrutura às acções rodoviárias ou ferroviárias:

3

Obras de Aterro

Compacta-se do lado seco pois o mais natural é que o solo do aterro, em fase de exploração, mantenha teor em água semelhante ao teor em água de compactação.

Esta abordagem implica o dimensionamento de sistemas de drenagem que impeçam a entrada de água no interior do aterro.

Obras de Aterro

A capacidade resistente da estrutura às sobrecargas rodoviárias e ferroviárias depende muito da solução adoptada para o pavimento:

4

Obras de Aterro

Camada de desgaste

Camada de regularização

Aterros rodoviários

Obras de Aterro

Aterros ferroviários

Ferreira ( 2007)

5

Obras de Aterro

O cálculo de estabilidade do talude efectua-se como se fosse um talude em terreno natural.

b) Estabilidade de taludes:

Nos cálculos de estabilidade é fundamental considerar também a acção sísmica

A dificuldade está na obtenção das características resistentes do solo.

Obras de Aterro

Como o solo a usar na construção do aterro tem normalmente boa qualidade pois é um solo seleccionado, costuma-se adoptar inclinações típicas que correspondem a materiais com alguma resistência ao corte: 2V:3H(α=34º), 1V:2H (α=26º).

VH

α

Se o solo a usar na construção fosse puramente friccional, α=φ’, mas normalmente usam-se solos com alguma percentagem de argila

6

Obras de Aterro

Em rigor devia-se retirar amostras de solo compactado para fazer ensaios laboratoriais para confirmar a sua resistência ao corte.

Geralmente isto só se faz quando a importância da obra o justifica, ou quando se trata de aterros de grandes dimensões ou quando se usam materiais que não são os mais indicados (margas compactadas, solos tratados, etc).

Obras de Aterro

Tem que se garantir que a fundação tem capacidade para suportar o peso do aterro e das sobrecargas.

Caso não se verifique essa capacidade tem que se proceder ao tratamento da fundação....

c) Capacidade resistente da fundação:

7

Obras de Aterro

2. SISTEMA DE DRENAGEM

O objectivo destes sistemas é recolher a água e conduzi-la a uma rede de esgotos de modo a impedir a entrada de água no corpo do aterro.

Existem sistemas de drenagem longitudinais e transversais. Estes sistemas estão instalados à superficie (no pavimento e no talude) e na fundação.

Obras de Aterro

Drenagem superficial

Inclinação para facilitar a escorrência superficial

Sistema de recolha e transporte das águasPormenor de uma banqueta

8

Obras de Aterro

Valetas

Meia cana

Obras de Aterro

Caleiras

9

Obras de Aterro

Drenagem em profundidade

Obras de Aterro

Drenos

10

Obras de Aterro

Sistema colector

Obras de Aterro

A necessidade de prever sistemas de drenagem adequados tem a ver com o comportamento do material em serviço.

Por um lado, prende-se evitar percolação do solo no corpo, ou pelo menos que esta ocorra com gradientes hidráulicos significativos.

Por outro, evitar variações volumétricas do solo devido a variações do seu teor em água. Estas variações de volume podem ser responsáveis por deformações significativas do aterro comprometendo o seu funcionamento em serviço.

11

Obras de Aterro

No caso da percolação de água no interior do aterro,

-poderá haver erosão interna devido a arraste de finos

-poderá haver o aparecimento de forças de percolação que,nalguns casos, podem diminuir significativamente as tensões efectivas e, com isso, a resistência ao corte.

Neste caso o solo terá que estar praticamente saturado

Obras de Aterro

No caso de haver variações do teor em água no interior do aterro,

- poderá haver variação significativa de volume devido a expansibilidade ou colapso na molhagem, ou retracção na secagem

-estas variações de volume têm geralmente um carácter cíclio pois dependem das acções atmosféricas. Poderá haver problemas de fadiga com implicações na performance da infrestrutura de transporte. Requerem maiores cuidados de manutenção.

12

Obras de Aterro

Consideram-se aterros especiais todos aqueles cujo dimensionamento requer mais alguns cuidados.

3. ATERROS ESPECIAIS

a) Aterros em encosta

b) Aterros de grande altura

c) Aterros construídos com materiais não tradicionais

Obras de Aterro

Para além de se ter que verificar a capacidade resistente do solo de fundação, também tem que se garantir que não há deslizamento do aterro ao longo do seu contacto com a fundação.

a) Aterros em encosta

13

Obras de Aterro

Maranha das Neves e Cardoso ( 2008)

Tensões horizontais (σxx)

Tensões verticais (σyy)

Tensões tangenciais (σxy)

Obras de Aterro

Uma solução possível é preparar o solo de fundação de modo a ter alguns patamares intermédios (degraus), que travem o deslizamento.

14

Obras de Aterro

Basicamente, trata-se de um problema de estabilidade dos taludes e de garantir que o nível de tensões devido ao peso próprio tanto na fundação como nas camadas inferiores está dentro de valores considerados aceitáveis.

b) Aterros de grande altura

Obras de Aterro

c) Aterros construídos com materiais não tradicionais

Alguns exemplos de aterros construídos com materiais não tradicionais:

•Solos tratados com ligantes hidráulicos (cal, cimento, etc)

•Solos residuais e solos evolutivos

•Aterros de resíduos sólidos urbanos

•...

15

Obras de Aterro

Solo tratado com cal

Resíduos sólidos urbanos

Troços de pneus

E outros exemplos...

Obras de Aterro

Para estes aterros, os maiores problemas prendem-se essencialmente com:

• definição das condicões de compactação que consigam tirar o maior partido dos materiais não tradicionais

• determinação das suas características resistentes, necessárias para os cálculos de análise de estabilidade

• durabilidade destes materiais e manutenção das suas características hidro-mecânicas no tempo

16

Obras de Aterro

Cap. 6

COMPORTAMENTO DE SOLOS COMPACTADOS

Obras de Aterro

Para este tipo de solos, o seu comportamento e resistência depende do teor em água /sucção

Um solo compactado é um solo não saturado.

Os solos tradicionalmente utilizados na construção de aterros de vias de comunicação são solos finos com alguma percentagem de argila.

1. COMPACTAÇÃO, ESTRUTURA E SUCÇÃO

17

(Alonso, 2004)

Argila siltosa de Barcelona

Obras de Aterro

Relação entre a sucção e o ponto da curva de compactação

16.0

17.0

18.0

19.0

20.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

teor em água, w (%)pe

so v

olúm

ico

seco

apa

rent

e (k

N/m

3 )

Compact Leve

Compact Pesada

Curva Saturação

pontos analisados

Intervalo decompactação de obra

s=56MPa

s=10MPa s=5MPa

s=2MPa

s=1MPa

s=0,8MPa

s=0,5MPa

Sr=20%Sr=40%

Sr=60% Sr=80% Sr=90%

Sr=100%

Margas da Abadia compactadas

(Maranha das Neves e Cardoso, 2006)

Obras de Aterro

Uma alteração do peso volúmico seco altera as características do solo:

Por isso a energia de compactação éimportante. Solos mais densos são mais resistentes e menos permeáveis.

18

Obras de Aterro

O processo de compactação introduz uma dada estrutura nos solos:

Compactação do lado seco

(estrutura floculada)

Compactação do lado húmido

(estrutura dispersa)

Argila siltosa de Barcelona

Obras de Aterro

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06

Void size (nm)

∆e

/∆lo

g D

WW

DD

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06

Void size (nm)

∆e

/∆lo

g D

DW

WW

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06

Void size (nm)

∆e

/∆lo

g D

DD

WD

19

Obras de Aterro

Mas a variação do volume na saturação é diferente para cada ponto da curva de compactação.

Depende da sucção antes da saturação e da tensão vertical na molhagem

Areia siltosa compactada (Suriol et al. 1996)

Obras de Aterro

Variação de volume depende da tensão vertical na molhagem:

600kPa300kPa

100kPa

20

Obras de Aterro

Em conclusão, a variação de volume depende da sucção inicial e da tensão vertical na molhagem

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200

Suction (MPa)

swe

lling

str

ain

(%

)290kPa

158kPa

52kPa

Log.

vertical stress:

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250 300

Vertical stress (kPa)

swe

lling

str

ain

(%

) s=4.8MPa

s=11.0MPa

s=135.9MPa

initial suction:

Margas da Abadia (Cardoso 2009)

Obras de Aterro

2. COMPORTAMENTO VOLUMÉTRICO

Constata-se que a rigidez dos solos e a sua tensão de cedência aumentam com a sucção.

[ ]rsrs +−−= )exp()1()0()( βλλÍndice de compressibilidade elastoplástica para a sucção s:

21

Obras de Aterro

Na molhagem (saturação completa, a sucção final =0) constata-se que tanto pode haver empolamento (aumento de volume) como colapso (diminuição de volume)

Na secagem (a sucção final é maior do que a inicial) constata-se só pode haver retracção (diminuição de volume)

Se o princípio das tensões efectivas fosse válido, só poderia haver empolamento pois a tensão efectiva diminui com a molhagem

Obras de Aterro

É necessário um modelo constitutivo que consiga reproduzir este comportamento.

• Já não se pode usar a definição de tensões efectivas definida para solos saturados.• Tem que se incluir uma nova variável de estado no modelo para simular as variações de sucção• Tem que simular colapso (deformação plástica, irreversível). Uma forma simples é através de um modelo elastoplástico

22

Obras de Aterro

BBM - Barcelona Basic Model (Alonso et al., 1990)

(Pg=patm=0,10MPa)

• Índices de recompressibilidade:varição isotrópica de tensão κ (saturada)variação de sucção κs

• tensão média de compressão: p’= p- máx{Pg; Pl}

• sucção: s= Pg- Pl

• índice de vazios da compactação: e0

+∆

+−−∆

+−=

+

∆=

atm

atms

o

vp

ps

ep

ee

ed ln

1)'ln(

11 00

κκε

Deformações elásticas

Obras de Aterro

BBM

Deformações elastoplásticas

+++

+−=−=

1.01'

'

1 s

ds

ep

dp

edddd se

v

p

v

κκεεεε

Lei de Endurecimento

O parâmetro de endurecimento é p*o, a tensão de cedência do solo saturado preparado com o mesmo índice de vazios inicial

p

vdpe

dp εκλ

*

0

*

0)0(

1

−

+=

23

Obras de Aterro

( ) ( ) lnc

pv N s s

pλ= −= −

dpdv

pκ

= −+

s

atm

dsdv

s pκ

(0) ( ) ln+

− = atms

atm

s pN N s

pκ

(0)

( )0 0

−∗ −

=

s

c c

p p

p p

λ κ

λ κ

Aumento de tensão:

Diminuição da sucção:

Superfície de cedência LC

LC

BBM- comportamento elástico

Obras de Aterro

(0)

( )0 0

−∗ −

=

s

c c

p p

p p

λ κ

λ κ

A LC desloca-se porque há endurecimento p*o aumenta e obedece à lei de endurecimento

Superfície de cedência LC

BBM- comportamento elastoplástico

p

vdpe

dp εκλ

*

0

*

0)0(

1

−

+=

*

0

*

0

01

)0(

p

dp

edv

p

+

−−=

κλ

variações de volume devido ao movimento da LC:

24

Obras de Aterro

A resistência ao corte aumenta com a sucção

Ho e Fredlund ( 1982)

Neste caso vê-se um aumento da coesão

2. RESISTÊNCIA AO CORTE

Obras de Aterro

Em alguns materiais, o aumento de resistência com a sucção verifica-se também no aumento do ângulo de resistência ao corte

25

Obras de Aterro

O BBM considera, simplificadamente, que sóhá aumento da coesão logo M é constante. Este aumento traduz-se pelo aumento da resistência à tracção, ps, com a sucção.

É dado pela relação ps=-Ks

p

s

K

pso p*op

q

pso p*o

s1

s2>s1

Mc

( ) ( )− + − =2 2s oq p p p pM 0

( )( )

( ) ( ) ( ) ( )

λ −κ

λ −κ

=

=

λ = λ − −β +

s

0* s

0 0c c

p k s

p pp p

s 0 1 r exp s r

3. BBM: Modelo Elastoplástico

Obras de Aterro

26

LC yield curve

κλ

κλ

−

−

=

)(

)0(

*

00s

cc p

p

p

p

[ ]rsrs +−−= )exp()1()0()( βλλ

p

vdpe

dp εκλ

*

0

*

0)0(

1

−

+=

+++

+−=−=

1.01'

'

1 s

ds

ep

dp

edddd se

v

p

v

κκεεεε

Plastic volumetric strain and hardening law

ln(p’)

v

p0* p0

κ

κ

λ (0)

λ (s)

p0*

si

k

SI yield curves0

p0

v

ln(s)

κs

λs

s0

s=Pg-Pl

);max(' gl PPpp +=

p-Pg

q

CSL(0)

M

M

CSL(s)

-ks p0* p0

p

v

p

s dpkspM

qd ε

αε

)'2(

2

0

2 −+=

Plastic deviatoric strain

Obras de Aterro

• condições iniciais

• parametros do modelo

Obter umarelação

⇔

(λ(s), κ, M, k)

(p0*,s) (γd,w)

⇔ Tipo de solo

(p0*,s)

(λ(s), κ, M, k)

A ideia é, considerando

Esta tarefa está ainda em fase de investigação

Obras de Aterro

4. SOLOS COMPACTADOS E BBM

27

DadosHigh plasticity Boom Clay (Romero, 1999)Medium plasticity soil (Honda et al, 2003)Medium-low plasticity soil (Honda et al, 2003)Morainic soil (Cuisinier & Laloui, 2004)Low plasticity silty clay from Barcelona (Barrera, 2002)Non plastic silty sand (Balmaceda,1991) Measured value of San Salvador silty clay

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Dry density (g/cm3)

Yie

ld s

tre

ss

(p

0*)

(M

Pa)

wL=56%, IP=27%

wL=33.5% IP=13.2%

wL=43%IP=13.4%

wL=30.5% IP=11.8%

wL=28% IP=8%

NPwL=30%IP=12%

(Alonso and Pinyol, 2008)

Há evidências experimentais que mostram que o peso volúmico e a

tensão de cedência estãorelacionados:

*

0 dp ⇔ γ

Obras de Aterro

Obras de Aterro

5. UTILIDADE DE MODELOS PARA SOLOS NÃO SATURADOS NA PRÁTICA

Basicamente, têm que se realizar ensaios laboratoriais com aplicação de sucções de modo a obter as constantes do modelo.

Nos casos correntes, a consideração das características saturadas é uma abordagem conservativa.

Só fará sentido considerar um modelo para solos não saturados na análise de deformações devidas às acções atmosféricas. De qualquer forma seráuma análise em condições de serviço.

28

Obras de Aterro

De qualquer modo, o conhecimento sobre como é que a estrutura e a sucção impostas pelo processo de compactação afectam o comportamento dos solos permite uma abordagem muito mais racional do problema.

Pode ser uma ferramenta útil para a tomada de decisões sobre o processo de compactação para casos especiais.