MILAGROS VICTORIA FUERTES AMPUERO ANÁLISE NUMÉRICA E ANALÍTICA DE ATERROS REFORÇADOS SOBRE SOLOS MOLES COM UMA CAMADA SUPERFICIAL DE AREIA São Paulo 2012 MILAGROS VICTORIA FUERTES AMPUERO ANÁLISE NUMÉRICA E ANALÍTICA DE ATERROS REFORÇADOS SOBRE SOLOS MOLES COM UMA CAMADA SUPERFICIAL DE AREIA Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia. Área de concentração: Engenharia Geotécnica Orientador: Prof. Dr. Marcos Massao Futai São Paulo 2012 Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador. São Paulo, de setembro de 2012. Assinatura do autor ____________________________ Assinatura do orientador _______________________ FICHA CATALOGRÁFICA Fuertes Ampuero, Milagros V ictoria Análise numérica e analítica de aterros reforçados sobre solos moles com uma camada superficial de areia / M.V. Fuertes Ampuero. -- ed.rev. -- São Pau lo, 2012. 176 p. Dissertação (Mestrado) -Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Estruturas e Geotécnica. 1. Aterros 2. Aterro sobre solos moles 3. Aterros reforçados 4. Geossintéticos I. Universid ade de São Paulo. Escola Politéc- nica. Departamento de Engenharia de Estruturas e Geotécnica II. t. É justamente a possibilidade de realizar um sonho que torna a vida interessante Paulo Coelho. Es justamente la posibilidad de realizar un sueño lo que hace que la vida sea interesante Paulo Coelho. À minha família amada Aos meus pais, Victoria e Victor, Amo vocês. À memoria do meu avô Evaristo que nos deixou recentemente. AGRADECIMENTOS À Deus por me permitir acreditar nesse sonho, por não me deixar desistir, e por ter me dado saúde e força para que conseguisse realizá‐lo. Ao professor Marcos Massao Futai pelo ensino, a paciência e pela sua orientação tão importante no desenvolvimento da pesquisa. À minha família, que mesmo distante, me acompanhou em todos os momentos. Aos meus pais pela educação que vocês me deram e por terem me proporcionado tudo que precisei. À minha mãe, pelo apoio e conselhos. Ao meu pai, pelo apoio e por acreditar que eu podia. Serei eternamente grata. Às minhas irmãs, Erika e Katia pela cumplicidade, amizade e carinho, que apesar da distancia estiveram comigo no coração. E a meu irmãozinho Alexander. Aos professores da Pós‐Graduação em Geotecnia da Escola Politécnica, ao professor Carlos de Sousa Pinto pelo entusiasmo no ensino, Waldemar C. Hachich, Jorge Nader e Fernando Marinho pelas aulas e pela paciência. Aos professores Faiçal Massad e Mauricio Abramento pelas importantes sugestões fornecidas no exame de qualificação. Aos funcionários do Laboratório de Mecânica dos Solos, Joaquim e Antônio, pela ajuda nas as aulas de laboratório. Ao meu tio John Ampuero pela ajuda no meu primeiro estágio pré‐profissional num Laboratório de Mecânica dos Solos. Ao Mario Roca pela amizade, pelos ensinamentos, por acreditar em mim e por me incentivar a não andar pelos caminhos já percorridos se não a fazê‐los. E de forma especial ao Myke Ruiz, pelo amor e carinho que sempre me dedicou. Por me apoiar nos momentos mais difíceis, por saber me escutar e por compreender a minha ausência. Obrigada por me fazer feliz. Aos colegas e amigos da casa que me ensinaram um pouco mais da cultura brasileira, João Vitor, Talita, William e Simone. Aos amigos da salinha do laboratório, ao Lauro pela ajuda de sempre, à Lia e Dani pela amizade e companheirismo durante o mestrado. Aos meus amigos peruanos, Hector pela ajuda para iniciar o mestrado, ao Jorge pela amizade e ajuda na chegada ao Brasil. À Veroska, Brian e o Elvis pelo convívio, as brincadeiras, os jantares para desestressar e por me fazerem sentir mais perto do Perú. À Huesker, na pessoa do Eng. Flávio Montez e a Eng. Cristina Smith por colaborar com esta pesquisa. À CAPES pela bolsa de apoio à pesquisa. E a todos os que de uma forma ou de outra me ajudaram e acompanharam durante a elaboração deste trabalho e a estadia no Brasil. Obrigada! RESUMO Os aterros reforçados sobre solo mole de resistência crescente com a profundidade, podem apresentar problemas durante o processo construtivo com respeito às rupturas e aos recalques inesperados. O presente trabalho visa avaliar o comportamento dos aterros reforçados a través de um estudo numérico, levando aos aterros até a ruptura sob condição não-drenada devido ao carregamento rápido, com o objetivo de estimar a influência da rigidez do reforço nas deformações, além disso, estudar o mecanismo da interação solo-reforço para um aterro reforçado. Foi utilizada a metodologia apresentada por Hinchberger & Rowe (2003), que leva em conta os recalques imediatos durante e após a construção. As análises numéricas de tensão-deformação foram realizadas pelo software PHASE 2, a calibração do programa foi feita com a literatura de aterros reforçados. Pretendeu-se mostrar a influência de uma camada superficial de areia sobre a argila mole na altura de ruptura e na deformação do reforço. Pelo método de elementos finitos foi definida uma metodologia para calcular as deformações do reforço para uma altura determinada e avaliar a estabilidade mediante o método de equilíbrio limite. Além disso, essa metodologia pode ser empregada para dimensionar o reforço requerido para um determinado fator de segurança. Palavras-chave: Aterro sobre solos moles, aterros reforçados, geossintéticos. ABSTRACT Reinforced embankments on soft clayey soil where the strength increases with depth may present problems during construction process relative to failure and unexpected settlements. This study aims to evaluate the embankments behavior with a numerical study; the embankments were taken to failure in the undrained shear strength condition due to rapid upload to study the effect of reinforcement tensile stiffness on the reinforcement strains. Besides, it aimed to study the mechanism of soil-reinforcement interaction for a reinforced embankment. The method of Hinchberger & Rowe (2003) was used, which considers the displacements before and post construction. The numeric analysis of stress-strain was performed by the software PHASE 2; the calibration of the software was made according to published reinforced embankment literature. The study intends to show the influence of a sand layer above the clayey soil, on the failure height and reinforcement strains. Based on finite elements methods, a methodology was defined to estimate the reinforcement strains for a required design height and to study the stability by performing limit equilibrium analysis. Furthermore, this methodology could be used to specify the required reinforcement stiffness for a specific factor of safety. Key-words: embankment on soft clayey soil, reinforced embankment, geosynthetic LISTA DE FIGURAS Figura 2-1   Ilustração dos possíveis estágios da gênese das Planícies Sedimentares Paulistas (Suguio e Martin, 1981 apud Massad, 2003). 5  Figura 2-2   Resultados de ensaios de tração de geotêxteis de diferentes processos de fabricação (Koerner, 1994). ............................................ 8  Figura 2-3   Curvas de Resistencia x Deformabilidade (Batista, 2007). .................. 9  Figura 2-4   Estrutura típica de solo reforçado (Bonaparte e Christopher, 1987)... 12  Figura 2-5   Exemplos de utilização de reforços em aterros sobre solos moles .... 13  Figura 2-6   Aplicação do reforço nos aterros sobre solos moles e nos taludes (Jewell, 1988) ....................................................................................... 14  Figura 2-7   Tipos de ruptura de aterros sobre solos moles (Jewell (1982) ........... 16  Figura 2-8   Distribuição das tensões cisalhantes na base de um aterro não reforçado (Jewell, 1988) ...................................................................... 17  Figura 2-9   Influência das tensões cisalhantes na redução da capacidade de carga para uma sapata (Jewell, 1988). ............................................... 18  Figura 2-10   A função do reforço frente às tensões cisalhantes, (Jewell, 1988). .... 18  Figura 2-11   A influência da resistência crescente com a profundidade na capacidade de carga, Jewell (1982) .................................................... 19  Figura 2-12   Fator de Capacidade de Carga para solo não homogêneo, Rowe e Söderman (1987, sintetizado dos resultados de David e Booker, e Matar e Salencon) ................................................................................ 20  Figura 2-13   Definição das variáveis usadas para estimar a altura de colapso para um aterro perfeitamente reforçado (Rowe e Soderman, 1987) .......... 21  Figura 2-14   Efeito da não – homogeneidade na profundidade da área da ruptura embaixo da sapata rígida, Rowe e Soderman (1987, modificado de Matar e Salencon 1977) ...................................................................... 22  Figura 2-15   Altura Liquida Máxima e Deformação Admissível de Compatibilidade do Reforço (Rowe e Hinchberger 2003). ............................................. 27  Figura 2-16   Geometria do aterro e estratigrafia da fundação. (Hinchberger e Rowe 2003) .................................................................................................... 29  Figura 2-17   Influência da rigidez do reforço no comportamento do aterros por elementos finitos e análise de escorregamento circular (Modificado de Hinchberger & Rowe 2003) ................................................................. 30  Figura 2-18   Ábaco para determinação da deformação admissível de compatibilidade (Hinchberger & Rowe 2003). ..................................... 32  Figura 2-19   Efeito da largura da crista do aterro nas deformações máximas do reforço na ruptura (Hinchberger & Rowe 2003). ................................. 35