A modelagem física reduzida desenvolvida no Laboratório de Geotecnia da UnB teve como objetivo compreender melhor o comportamento de aterros sobre estacas reforçados com geossintéticos, submetidos às distintas tensões verticais monotônicas aplicadas nas suas superfícies. Os ensaios realizados em modelos foram baseados em outras modelagens disponíveis na literatura sobre o assunto, tais como: Zaeske (2001), Heitz (2006), Den Boogert (2011), dentre outros. A seguir, apresentam-se as características da modelagem física reduzida e sua geometria.
3.3.1. DESCRIÇÃO GERAL DO MODELO (1g) FÍSICO REDUZIDO
Para representar adequadamente o que acontece no campo por meio de modelos físicos em escala reduzida, faz-se necessário que os componentes usados para simular o problema sejam reduzidos pelo fator escala definido na idealização da modelagem física. A Figura 3.2 esquematiza a geometria (em planta) idealizada para as simulações de aterros estaqueados reforçados deste estudo.
Figura 3.2. Geometria, em planta, idealizada para a simulação de aterros reforçados sobre estacas (dimensões em metro).
O fator escala tem grande influência nos diferentes parâmetros de relevância no comportamento de aterros reforçados com geossintéticos sobre estacas. Nos modelos idealizados neste estudo, a relação adotada entre os comprimentos, de campo e do modelo, foi igual a cinco, em decorrência dos distintos componentes disponíveis e empregados para a construção do equipamento. Isto implica que a relação entre as áreas, de campo e do modelo, seja igual a 25. As tensões verticais aplicadas nas superfícies dos aterros durante a execução dos ensaios devem corresponder a 1/5 das tensões verticais exercidas pelo maciço no campo. A Tabela 3.1 apresenta os parâmetros relevantes deste estudo, os quais sofrem considerável influência do fator escala adotado nas modelagens. As principais características geométricas da modelagem física reduzida idealizada para desenvolvimento desta pesquisa podem ser observadas na Figura 3.1.
O solo de fundação, geralmente de baixa capacidade de suporte no campo, não foi simulado nos ensaios realizados em modelos. Destaca-se que esta condição pode ocorrer no campo (em longo prazo), quando o subsolo mole sofre o processo de adensamento e, consequentemente, o suporte do mesmo deixa de existir. Desta forma, os sistemas estruturais avaliados neste estudo estavam sob condições desfavoráveis, isto é, não existiu, em momento algum, o suporte do subsolo mole. Por conta deste detalhe, é conveniente assumir que os resultados obtidos neste trabalho são conservadores.
Os ensaios desta tese foram realizados com uso de apenas uma camada de reforço, localizada na base da caixa de ensaios. Para o emprego de duas ou mais camadas de elementos de reforço seria necessário adaptar a caixa de ensaios de alguma forma, de modo a fixar os reforços na parede da caixa. Seis aterros instrumentados sobre estacas foram modelados e construídos com material granular sobre quatro tipos distintos de elementos de reforço.
Na Tabela 3.2 apresentam-se os parâmetros relacionados ao problema no campo, calculados a partir dos parâmetros idealizados para os modelos físicos reduzidos.
Tabela 3.1. Fator escala (x = 5).
Parâmetro Unidade Fator escala (campo/modelo)
Comprimento m x
Área m² x²
Tensão kPa x
Força (carga) kN x³
Rigidez à tração dos elementos de reforço kN/m x² ou x
A influência do fator escala na rigidez à tração dos elementos de reforço merece importante destaque, uma vez que está relacionada com a espessura dos elementos de reforço empregados nos modelos para simular os geossintéticos que, em geral, são usados no campo. Em outras palavras, se a espessura dos elementos de reforço for modelada, o fator escala que deverá ser considerado é x². Entretanto, se a espessura dos elementos de reforço não for modelada (modelo distorcido), o fator escala que deverá ser empregado é x. As espessuras dos elementos de reforço empregados nesta tese variaram de 0,51 mm a 1,46 mm. No campo, geossintéticos com espessuras entre 2,55 mm e 7,30 mm (isto é, cinco vezes os valores das espessuras usadas nos modelos) podem ser utilizados como reforço de aterros estaqueados. No entanto, destaca-se que não foi possível simular adequadamente a abertura das grelhas e, portanto, certa distorção ocorreu na modelagem dos reforços.
Tabela 3.2. Comparações entre os parâmetros do modelo físico reduzido e do problema no campo empregados neste estudo.
Parâmetro Dimensão
Modelo Campo
Área interna da caixa de ensaios ≈ 0,78 m² ≈ 19,63 m²
Larguras dos capitéis 0,20 m 1,00 m
Distância entre centros de estacas/capitéis 0,50 m 2,50 m
Altura de aterro no modelo 0,45 m 2,25 m
Rigidez à tração (a 5% de deformação) da geogrelha (GGR) usada nos ensaios 1, 2 e 3
- MD (Machine Direction) 280 kN/m
1400 ou 7000 kN/m
- CMD (Cross Machine Direction) 152 kN/m
760 ou 3800 kN/m
Tensão vertical máxima aplicada nas superfícies dos aterros ≈ 41 kPa ≈ 205 kPa
Tensão vertical devida ao peso próprio do material na base da caixa de
ensaios, 𝛾 ∙ 𝐻 ≈ 7,23 kPa ≈ 36,16 kPa
Nos ensaios em modelo as extremidades dos elementos de reforço foram afixadas em dois aros metálicos com furos, aparafusados entre si, similar à forma empregada por Wrigley et al. (2012). Este conjunto foi instalado entre a caixa de ensaios e os capitéis de borda (apresentados nos subitens 3.4.1 e 3.4.2, respectivamente). Tais aros foram construídos com esta finalidade, de modo que os distintos elementos de reforço não se deslocassem horizontalmente ao longo de toda a circunferência da caixa de ensaios, durante os ensaios. O esquema de fixação dos elementos de reforço é ilustrado na Figura 3.3.
Figura 3.3. Ilustração do esquema de fixação dos elementos de reforço.
Note-se que os elementos de reforço foram pressionados por meio de parafusos e porcas entre os aros metálicos. Inspeções visuais após a remoção do material granular usado como aterro, no fim dos ensaios, mostraram que a ancoragem do reforço foi bem sucedida.
Em todos os ensaios realizados neste estudo a magnitude da tensão vertical monotônica máxima aplicada nas superfícies dos aterros foi a mesma. Os valores de tensões aplicados na superfície dos aterros instrumentados foram 10, 25 e 40 kPa, respectivamente.
3.4. MATERIAIS UTILIZADOS