Desempenho de aterro sobre solo mole melhorado pela técnica de colunas granulares: simulação numérica e análise paramétrica

Abstract

Solos moles apresentam características desfavoráveis do ponto de vista geotécnico, como alta compressibilidade e deformabilidade devido a baixa resistência. Por esse motivo, a execução de aterros sobre esse tipo de solo demanda maior atenção, exigindo conhecimentos específicos como o emprego de técnicas de melhoramento e reforço de solos. O presente trabalho consiste no estudo, dimensionamento, e simulação numérica de um aterro assente sobre solo melhorado pela técnica de colunas de brita (ou colunas granulares), que se trata de um processo em que são executadas colunas preenchidas com materiais granulares, que suportam parte das cargas verticais, promovendo um alívio de tensões no solo, além de desempenharem função de drenos verticais e promoverem a consolidação do solo circundante, provocando aumento da capacidade de carga. O dimensionamento foi feito por meio de métodos consagrados na literatura, como Priebe (1995) e Barksdale e Bachus (1983). Para a simulação numérica utilizou-se o Método de Elementos Finitos no software Abaqus. Foram executadas modelagens no plano bidimensional com deformação plana e com deformação axissimétrica, além de definidas condições de contorno, com o intuito de tornar a modelagem o mais fiel possível a um problema real. Foi feita então a verificação do desempenho do solo tratado, além de feita análise paramétrica de propriedades geométricas e geotécnicas (diâmetro das colunas, coeficiente de substituição, módulo de elasticidade e espaçamento entre colunas), com o objetivo de verificar a influência destes no comportamento do aterro. Por fim são discutidos os resultados obtidos e feito contraponto com a teoria apresentada, além de análise comparativa das respostas obtidas numericamente com aquelas auferidas analiticamente. Os resultados demonstram que o emprego da técnica de colunas granulares é eficiente, embora não seja adequada a qualquer tipo de empreendimento, cabendo ao projetista o estudo de viabilidade. A inserção de colunas no solo minorou o recalque em 27%, além de antecipar a estabilização do solo, reduzindo o tempo total de adensamento. Também é possível verificar a capacidade drenante das colunas e o atenuamento das tensões verticais atuantes no solo.

Soft soils have unfavorable characteristics from a geotechnical viewpoint, such as instability, high compressibility, deformability, and low strength. Therefore, the execution of embankments on this type of soil demands more attention, requiring specific knowledge such as the use of soil improvement and reinforcement techniques. This work presents the study, design, and numerical simulation of an embankment based on soft soil improved by the technique of crushed stone columns (or granular columns), a process of execution of columns filled with granular materials which support part of the of vertical loads, promoting a stress relief in the soil, in addition to working as vertical drains and promoting the consolidation of the surrounding soil, increasing soil's load capacity. The dimensioning was done using methods established in the literature, such as Priebe (1995) and Barksdale & Bachus (1983). For the numerical simulation, the Finite Element Method was applied in the Abaqus software. Modeling was performed in the two-dimensional plane with plane deformation and axisymmetric deformation, in addition to defining boundary conditions, to make the modeling the most similar as possible to a real problem. The performance of the improved ground was then verified, in addition to the parametric analysis of geometric and geotechnical properties (diameter of the columns, replacement coefficient, modulus of elasticity and spacing between columns), purposeful to verification their influence on the behavior of the embankment. Finally, the results obtained are discussed and compared with the theory presented, along with a comparative analysis of the answers obtained numerically with those obtained analytically. The results demonstrate that the use of the granular column technique is efficient, although it is not suitable for all type of project, leaving the feasibility study to the designer. The insertion of columns in the soil reduced the settlement by 3,94 in., in addition to anticipating the stabilization of the soil, reducing the total time of densification. It is also possible to verify the drainage capacity of the columns and the attenuation of the vertical tensions acting on the soil.