Análise experimental e numérica do comportamento de estruturas de solo reforçado com geossintéticos : solo granular versus fino

Abstract

As estruturas de solo reforçado com geossintéticos são normalmente constituídas por solos granulares com boas propriedades físicas e mecânicas. O uso de apenas este tipo de solos pode proporcionar o aumento, por vezes insustentável, do custo da execução das estruturas e o aumento do seu impacto ambiental. Deste modo, as estruturas de solo reforçado perdem a sua vantagem competitiva em relação a outros tipos de estruturas (muros de betão, muros de gravidade, muros de gabiões, etc.). Para resolver este problema podem ser utilizados outros tipos de solos (solos locais, finos, com propriedades físicas e mecânicas piores mas, no entanto, mais baratos) para a execução deste tipo de estruturas. De forma geral, com este estudo pretendeu-se contribuir para o incremento do conhecimento sobre a utilização de solos finos para a construção de estruturas de solo reforçado (muros e taludes). Para tal avaliaram-se as diferenças no comportamento mecânico dos materiais compósitos (solo granular reforçado versus solo fino reforçado) e das estruturas de solo reforçado constituídas com os dois tipos de solos. Assim, os objetivos deste estudo foram avaliar: a influência de vários parâmetros nas propriedades mecânicas e na capacidade de carga dos solos reforçados com geossintéticos; a influência de vários parâmetros no dimensionamento das estruturas de solo reforçado; e o comportamento das estruturas dimensionadas (incluindo a estabilidade global e a influência do processo construtivo) recorrendo a uma ferramenta numérica (PLAXIS). Para cumprir os objetivos propostos foram realizadas análises experimentais em laboratório (análise do comportamento do solo reforçado através de ensaios triaxiais e de California Bearing Ratio) e análises numéricas (dimensionamento de estruturas de solo reforçado; modelação numérica do comportamento através de uma ferramenta numérica comercial com o método dos elementos finitos). Os resultados dos ensaios experimentais mostraram que o comportamento mecânico e a capacidade de carga do solo foram incrementados com a inclusão das camadas de geossintético. Este efeito variou com os diversos parâmetros analisados mas, de forma geral, foi mais importante no solo fino (solo com propriedades mecânicas piores). As análises numéricas mostraram que as estruturas de solo fino precisaram de maior densidade de reforços para serem estáveis. Além disso, as estruturas de solo fino foram mais deformáveis e o efeito do seu processo construtivo foi mais importante (principalmente para estruturas de solo fino saturado).

The geosynthetic reinforced soil structures usually consist of granular soils with good physical and mechanical properties. The use of only this type of soils can provide an unsustainable increase in the execution cost of such structures and of their environmental impact. In addition, the benefit of the reinforced soil structures related to the other types of structures (concrete walls, gravity walls, gabions walls, etc.) could be missed. For this reason, other types of soils, local soils, fine soils, cheaper, but also with worst physical and mechanical characteristics, can be used for the execution of these structures. Overall, this study aims to contribute to increasing the knowledge on the use of fine soil for the construction of reinforced soil structures (walls and embankments). For this purpose, the differences in the mechanical behaviour of composite materials (reinforced granular soil versus reinforced fine soil) and reinforced soil structures made with two types of soils were evaluated. Thus, the objectives of this study were to evaluate: the influence of several parameters on the mechanical properties and bearing capacity of the reinforced soil; the influence of several parameters on the design of reinforced soil structures; and the behaviour of the designed structures (including the verification of the global stability and the effect of the constructive process) using a numerical tool (PLAXIS). In order to fulfil those goals, experimental laboratory analysis (analysis of reinforced soil behaviour through triaxial and California Bearing Ratio tests) and numerical analysis (design of reinforced soil structures and numerical modelling of the behaviour of reinforced soil structures using a commercial numerical tool with finite element method) were carried out. The results of experimental tests showed that the mechanical behaviour and the soil bearing capacity were increased with the inclusion of the geosynthetic layers. This effect ranged with the several parameters analysed but, in general, was more important in the fine soil (soil with poor mechanical properties). The numerical analysis showed that the fine soil structures needed a higher density of reinforcement to be stable. In addition, the fine soil structures were more deformable and the effect of their construction process was more important (especially for fine saturated soil structures).