47) ENSAIO DE ARRANCAMENTO DE CHUMBADOR - PROVA DE CARGA EM CHUMBADORES / TESTE DE CARGA

Autores: Luiz Antonio Naresi Junior / Luis Fernando Moreira

O princípio básico do ensaio de arrancamento consiste em aplicar força de tração junto a cabeça do grampo, por meio de um macaco hidráulico, com cargas controladas e velocidade de incremento de carga previamente estabelecidos, até provocar o movimento de cisalhamento entre solo-grampo.

O objetivo do ensaio é apresentar os resultados do valor da resistência ao arrancamento dos grampos, denominado também atrito solo-grampo (qs). Este parâmetro é estimado durante a fase de projeto (valor teórico), e posteriormente verificado em campo por meio do ensaio de arrancamento (valor real).

Com esses resultados fica mais objetivo compararmos resultados calculados com a realidade em campo da interação chumbador / calda / solo permitindo ao projetista executor tempo hábil para a correção de algum parâmetro desconhecido e imprevisível.

Geotecnia não é uma ciência exata e necessita de estudos compelxos e aferições com rotina .

Chumbadores Injetados com calda de cimento para execução de solo grampeado

Durante um ensaio de prova de carga de chumbadores

1) ENSAIO DE ARRANCAMENTO:

Este trabalho não e normatizado porém tem como objetivo orientar a execução dos ensaios de arrancamento em relação a sua conformidade e inspeção no ato de sua execução.

Os ensaios de conformidade visam confirmar a resistência ao cisalhamento da interface solo / chumbador (grampo) e chumbador (grampo) / calda de cimento adotada para o dimensionamento da solução de contenção em solo grampeado.

O intuito do ensaio de arrancamento é verificar o atrito da calda no solo, não do aço utilizado que geralmente temos os dados facilmente conhecidos independente do aço utilizado.

Os ensaios de inspeção permitem verificar a qualidade do serviço executado bem como definir se houve arrancamento do chumbador na calda ou do bulbo de injeção do solo.

O ensaio consiste em se testar o grampo por meio de incrementos de carga sucessivos até que a carga máxima de tração axial ou a ruptura sejam atingidas.

Define-se como ruptura o ponto correspondente ao deslocamento contínuo do grampo sem incremento de carga, ou seja isto indica que o chumbador não absorve mais resistência a carga e pode estar sendo sacado do furo perdendo a sua finalidade.

Os ensaios de arrancamento deverão ser executados previamente a execução dos grampos de projeto sempre que for possível, exceto em caso de obras de emergência que se poderá confirmar o ensaio após a execução da obra.

Para realização destes ensaios deverão ser executados grampos adicionais de 4 m de comprimento, e trecho injetado de 3 m ou conforme o projetista específico do projeto definir.

Dimensões do grampo de teste e esquema de montagem do ensaio sugerido para início do ensaio

1,1) Tipos de Cabeça de chumbadores:

Tipos de cabeças para grampos

(a) embutida na face do talude por meio de dobra no tipo bengala para baixo na barra do aço;

(b) fixada por placa metálica, em barra de aço cuja a ponta é rosqueada e fixada com porca;

(d) sem nenhuma ancoragem na face do talude com preenchimento apenas de calda;

A injeção dos grampos de teste deverá ser executada conforme os procedimentos adotados para a execução da estabilização em solo grampeado proposta abaixo, considerando-se a primeira fase de injeção setorizada em 1 m da parte mais profunda dos grampos de teste, ou seja deixando pelo menos 1,00 m de trecho livre para que se permita alongamento do aço neste segmento.

Caso não seja atingida a resistência ao arrancamento mínima de projeto conhecida como (qs) igual a 60 kPa com apenas uma fase de reinjeção nos grampos de teste, o ensaio de arrancamento deverá ser refeito em novos grampos de teste executados com duas fases de reinjeção setorizada, sendo a segunda fase executada na faixa central de 1 m do trecho injetado.

As fases seguintes de injeção quando em solo permitem aumentar a área de aderência superficial garantindo maior atrito lateral, quanto mais fases forem injetadas em solo maior a capacidade de carga para segurar o chumbador em função do aumento da área de atrito lateral de aderência.

A face do talude ao redor dos grampos de teste deverá ser revestida com concreto projetado ou concreto sarrafeado a fim de garantir a regularização da superfície de concreto e como consequência melhor distribuição das pressões e resistência à superfície de reação do macaco hidráulico a ser utilizado durante a execução do ensaio de arrancamento.

Em conformidade com o item 5.7.2.2.4 da NBR 5629:2006 deverão ser executados ao menos 2 ensaios de arrancamento.

Em função dos resultados obtidos ou de qualquer irregularidade durante a execução dos ensaios, o mesmo poderá ser refeito ou ser solicitados mais ensaios para dirimir quaisquer dúvidas.

2) Montagem dos Dispositivos de Ensaio de Arrancamento:

Para a realização do ensaio de arrancamento, deverão ser utilizados os seguintes equipamentos mínimos sugeridos:

• Macaco hidráulico vazado com capacidade para 400 kN;

• Três relógios comparadores (deflectômetros) com fundo de escala de 0,01 mm, ou regua metálica milimetrada que poderá ser utilizada;

• Placa de aço com espessura de 23 mm e dimensões 100 x 100 cm (estrutura de reação);

• Manômetro hidráulico com capacidade máxima de 10 MPa e fundo de escala de 0,1 MPa.

• Célula de carga com acurácia entre 0,5 e 1 % da carga máxima.

A montagem do equipamento deverá ser realizada com a colocação da estrutura de reação sobre o paramento, seguida da fixação do macaco hidráulico e demais dispositivos.

Dispositivos de ensaio e esquema de montagem

3) Carga Máxima de Tração

A carga máxima de tração a ser aplicada ao grampo no ensaio de conformidade deverá ser igual a 90 % da carga de escoamento do aço, isto porque não desejamos que o aço se rompa o que pode causar inclusive acidente de trabalho, para tanto ninguém durante o ensio deverá ficar na parte traseira e manter distância de segurança a ponto se por algum vício ou erro de cálculo evitar a projeção da barra de aço.

Tmáx = 0,90 x fy x As,

onde:

- Tmáx: carga máxima de tração axial do ensaio;

- fy: resistência ao escoamento do aço (CA-50);

- As: área da seção transversal do grampo;

Assim sendo, a carga máxima de tração do ensaio para a barra de 32 mm, adotada no projeto, deverá ser Tmáx = 360kN.

Video de um ensaio

4) 9.6.3 Metodologia de Carregamento

O grampo deverá ser tracionado e a carga de tração aplicada em estágios de 20% da carga máxima de tração axial prevista (Tmáx), sendo monitorada por célula de carga e por meio de leitura manométrica do macaco hidráulico.

Os incrementos de carga deverão ser aplicados rapidamente (tempo de aplicação inferior a 1 minuto) e, após aplicação do incremento de carga, a mesma deverá ser mantida constante por 2 minutos, ou até que as leituras estabilizem, caso isso não ocorra dentro dos 2 minutos. A direção da carga aplicada deverá ser necessariamente coincidente com a direção do eixo do grampo.

Durante a realização do ensaio, as cargas de tração deverão ser determinadas através de manômetro hidráulico e da célula de carga.

Os deslocamentos da cabeça do grampo deverão ser registrados nos tempos 0, 15 s, 30 s, 1 min, 2 min, 4 min, 8 min, 15 min e 30 min. Após a leitura relativa ao tempo de 30 min, deverá ser feita a verificação quanto à estabilização das leituras de deslocamento, conforme o critério descrito pela equação a seguir. Caso esta condição seja atingida, caracterizava-se o fim do estágio, caso contrário, prosseguiam as leituras para os tempos de 1 h, 2 h, 4 h, dobrando-se o valor até obter a estabilização.

Os deslocamentos da cabeça do grampo deverão ser medidos a partir da referência fixa em contato com os relógios comparadores ou com as réguas metálicas milimétricas graduadas.

A referência fixa para a medição dos deslocamentos da cabeça do grampo deverá apresentar um sistema que assegure uma base estável, externo ao sistema de montagem do ensaio.

Deverão ser utilizados três relógios comparadores (deflectômetros) de tal forma que a medida de deformação seja a média dos valores lidos em cada um deles após estabilização dos mesmos.

Havendo divergência, o valor mais discrepante deverá ser descartado.

Ao fim de cada estágio, o procedimento deverá ser refeito aplicando um novo carregamento e repetindo-se o ciclo de leituras.

O processo deverá ser reproduzido até o rompimento do atrito lateral entre o grampo e o solo, identificado pela não estabilização da carga aplicada relacionada com grandes deslocamentos ou pelo atingimento da tensão máxima de ensaio.

Os resultados dos ensaios de arrancamento deverão ser reunidos em um relatório, que deve contemplar gráficos “carga x deslocamento” da cabeça do grampo e “deslocamento x tempo”, além de características gerais dos ensaios e da instalação do grampo.

4) CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DEVERÃO SER DEFINIDOS DE MANEIRA SIMPLES E OBJETIVA

Os chumbadores devem ser executados de acordo com o posicionamento, comprimento, bitola e inclinação da haste, previstos no Projeto.

Quaisquer alterações somente podem ser efetuadas após autorização por escrito do cliente.

A tensão de arrancamento dos grampos deve ser igual ou superior à 60 kPa tanto para a zona superior quanto para a zona inferior do talude, considerando o diâmetro mínimo do bulbo do grampo de 0,10 m, dispostos em malha quadrada com espaçamento entre os grampos de 2 m.

Caso não seja atingida a resistência ao arrancamento mínima de projeto (qs) igual a 60 kPa com apenas uma fase de reinjeção nos grampos de teste, deverá ser realizada uma segunda fase de reinjeção setorizada.

Se mesmo após a segunda reinjeção setorizada não seja obtida uma resistência ao arrancamento mínima de 60 kPa, o projeto deverá ser reajustado a partir da tensão de arrancamento média obtida para cada região em estudo a ser avaliada.

5) Apresentação do procedimento de injeção :

A injeção de chumbadores é fundamental para a eficiência da estabilidade do maciço com a aplicação da inserção de grampos metálicos espaçados em malha com diâmetro definido e cumprimentos calculados suficientes para dar nova garantia de estabilidade ao solo, esta técnica chamamos de Solo Grampeado.

Não deve ser considerado um chumbador, aquele barra de aço cuja injeção não foi adequadamente realizada a ponto de formar uma bainha circular envolvente a barra de aço.

5.1) Objetivo:

O ensaio de arrancamento de chumbadores e ideal que seja feito para confirmação do estudo de projeto geológico -geotécnico para confirmar o projeto conceitual elaborado com a coleta e informação de sondagens com os devido parâmetros corretos de solo, com objetivo de confirmar o fator de segurança de projeto, equilibrando técnica e financeiramente.

O ideal e que seja feito um chumbador piloto com as mesmas características previstas no projeto para que seja ensaiado antes da obra com o objetivo de confirmar apos os resultados do teste os parâmetros iniciais previstos em projeto.

Não existe norma Brasileira que padronize ou defina o ensaio, seria indicado fazer pelo menos um ensaio em cada obra, mas não é uma regra normativa, depende de cliente e do contrato e do que a exigência ou consultores geotécnicos especializados e determinada complexabilidade de risco e de projeto exigir.

5.2) Metodologia

A estabilização de solos pela Técnica de Solo Grampeado teve seu início no Brasil na década de 1970. As primeiras contenções foram executadas com a simples cravação de barras de aço, ou com a perfuração em diâmetro muito próximo ao da barra e a injeção executada sem a preocupação de controle de qualidade, ou seja sem controle de posição e pressão ao longo da barra e sem utilização de tubo de PVC manchetado.

Na superfície do talude aplicava-se uma tela metálica, imersa ou não em concreto projetado.

Esse processo foi evoluindo através de métodos empíricos desenvolvidos em varias obras e diversas empresas, com o estudo das obras com a variação de comprimentos, diâmetros variados de furos e tipos de barra de aço, com proteção contra corrosão, centralizadores e injeção. A prática atual brasileira é a de se executar chumbadores moldados no solo e não cravados. No que se refere à injeção, várias preocupações se sucederam ao longo desse período, tais como o uso da adequada relação água cimento, aditivos expansores, injeção de bainha fases por tubo auxiliar, centralizadores,proteção anticorrosiva.

Até hoje, na maioria dos casos de obra, a injeção não é considerada de vital importância. Visa-se somente a fixação da barra ao solo e nunca tratamento de consolidação por injeção. Observa-se maior ênfase às características da barra de aço e diâmetro da perfuração. Não há normas para ensaios de acompanhamento e raramente há alguma solicitação em projeto.

5.2.1) Ensaio de Arrancamento:

•Durante a realização dos ensaios, a região atrás da cabeça do grampo deverá ser livre de pessoas;

•Os ensaios deverão ser realizados em, pelo menos, três níveis sendo um na primeira linha de grampos, outro na parte intermediária e a terceira na última linha;

•Cada grampo do ensaio deve possuir no mínimo 4 m de comprimento, sendo 3 m ancorados e 1 m livre, deixando a barra exposta além do furo quanto necessário para a instalação dos equipamentos de arrancamento;

•Os ensaios deverão ser executados após um tempo mínimo de cura coerente com as características do cimento injetado e o ritmo de produção previsto para a obra:

Cimento portland comum = 7 dias;

Cimento ARI (alta resistência inicial) = 3 dias;

Para outros materiais ou cimentos com aditivos conforme recomendação dos fabricantes.

•O ensaio partirá do carregamento inicial → F0 = 0,10 x fyd x A;

•E será conduzido até a carga máxima → Fmáx = 0,90 x fyd x A;

•Os intervalos de carregamento não excederão 20% da carga máxima de ensaio (Fmáx);

•Deve-se aguardar, no mínimo, 30 minutos entre os intervalos de carga;

•As leituras em cada intervalo de carga deverão ocorrer nos seguintes tempos: 0, 1, 2, 4, 8, 15 e 30 minutos;

•Após se atingir a carga máxima de ensaios, deve-se registrar os deslocamentos nos tempos recomendados, para logo após se proceder ao descarregamento;

•O descarregamento deverá ser efetuado em 4 estágios, cada um, mantido por 5 minutos com leitura dos respectivos deslocamentos;

•Após 10 minutos do descarregamento total, deverá ser executada última leitura;

•A locação dos ensaios deverá ser realizada em campo pelo engenheiro da obra;

•Na eventualidade dos ensaios apresentarem resultados aquém dos utilizados em projeto, o projetista deverá ser imediatamente comunicado;

•Caso a deformação seja superior à deformação linear do aço, a carga deve ser mantida por pelo menos mais 30 minutos até a estabilização dos deslocamentos.

Detalhe típico do grampo para ensaio de arrancamento

5.2.2) Inspeção:

· Verificar as dimensões do grampo em projeto.

A inspeção do serviço é registrada no:

· Diário de Obra;

· Relatório de perfuração / injeção – chumbador.

A validação da calda de cimento é registrada no laudo de ensaio de rompimento de corpo de prova (calda de cimento).

A validação do grampo feita através do teste de arrancamento é registrada no Relatório de teste de arrancamento.

A rastreabilidade da calda de cimento é registrada em um croqui que deve:

· Indicar a data em que cada grampo foi injetado;

· Indicar o grampo de onde o corpo de prova foi retirado.

6) Aplicação

As características dos solos sedimentares e saprolíticos no Brasil, viabilizam a ampla aplicação do pr6ocesso de estabilização por grampeamento, usualmente a custos menores que outros sistemas tais como: cortinas atirantadas, gabiões, estruturas de concreto, etc. Compreende uma perfuração, barra de aço, injeção de calda de cimento e concreto projetado. Estes são os elementos necessários para uma contenção de alta produtividade, econômica e aplicável na grande maioria de nossas encostas a serem escavadas ,em taludes já escavados ou até rompidos.

7) O Chumbador Injetado

7.1) Montagem

A barra de aço usualmente tem diâmetro de 10 a 32 mm com proteção anticorrosiva, dobrada na extremidade (para diâmetros até 20mm), com cerca de 20 cm de rosca, e com centralizadores podendo variar de 1,50 a 3,00 m. A aplicação de placa e porca ocorre para diâmetros da barra iguais ou superiores a 22mm quando não é possível dobrá-la. Adjacente a barra instala-se um ou mais tubos de injeção perdidos, com diâmetro de 10 a 45 mm providos de válvulas a cada 50 cm, até cerca de 1,5 m abaixo da boca do furo.

7.2) Perfuração

Perfura-se o solo com diâmetro próximo a 75 mm. Instala-se então a estrutura metálica dotada de tubo de injeção.

7.3) Injeção

Injeta-se a bainha pelo tubo auxiliar removível, de forma ascendente, com calda de cimento fator água/cimento próximo de 0,5 (em peso), proveniente de misturador de alta turbulência até o seu extravasamento na boca do furo. Como uma boa alternativa, pode-se preencher o furo com calda e então introduzir o reforço metálico.

Detalhe do tubo de PVC de Injeção que pode ser manchetado ou não, geralmente o tubo de PVC e introduzido no fundo do furo onde e feito a injeção ascendente até vazar a calda pela boca do furo, quando for necessário melhor eficiência na formação do bulbo de calda de cimento e aumento da aderência lateral poderá ser injetado de metro em metro para formação do bulbo de ancoragem

Após um mínimo de 12 horas, reinjetar o chumbador pelo tubo de injeção perdido, anotando-se a pressão máxima de injeção e o volume de calda absorvida. Não se executa a reinjeção, a não ser que hajam dois ou mais tubos de injeção perdidos. Caso isso ocorra, a reinjeção deve ser executada após um mínimo de 12 horas. A pressão máxima de injeção, via de regra, não ultrapassa a 1,5 MPa. Terminada a injeção, retirar o bico injetor, dobrando o tubo de injeção de forma a confinar a pressão de injeção.

7.4) Boletim

Conforme boletim abaixo anotam-se todos os dados de execução.

chumbadores-injetados

Controle dos Chumbadores

7.5) Interpretação da Perfuração e Injeção

Durante a perfuração para implantação de um chumbador injetado, deve-se reconhecer três informações de suma importância:

- perda do fluído de perfuração;

- ocorrência de vazios;

- reconhecimento de litologias.

Assim ao término da perfuração ter-se-á o real conhecimento do estado do maciço.

Ao se injetar calda de cimento, as regiões no entorno da ancoragem que oferecem menor resistência, solos mais fracos ou com descontinuidades, serão consolidadas.

Após as injeções, pode-se mapear as áreas de maior risco, baseados nos volumes e pressões de injeção e num ato contínuo, aplica-se a densidade exata de ancoragens de forma a se obter a estabilidade estimada no projeto.

7.6) Prova de Carga de Chumbadores

Visando avaliar o efeito da injeção, foram executados ensaios de arrancamento de chumbadores, com e sem injeção. Os taludes de solo silto argiloso e argilo arenoso, com inclinação variando entre 30 a 70 graus.

Plano de protensão para chumbadores

Foi utilizado aço CA-50 com diâmetro de 20 mm com proteção anticorrosiva e espaçadores plásticos: 4 no de 6 m e 2 no de 4 m. A inclinação era de 5º com a horizontal descendente, em furo de 75mm de diâmetro. Após a instalação da barra, injetou-se a bainha de forma ascendente via tubo auxiliar, com calda fator a/c = 0,50, até a mesma extravasar pela boca do furo. No solo silto argiloso o comprimento da barra foi de 4,0 m e no argilo arenoso de 6,0 m.

Características dos Chumbadores para o ensaio em solo Silto Argiloso

Características dos Chumbadores para ensaios em solo Argilo Arenoso

As injeções de pressão também com fator a/c = 0,50 em peso, foram realizadas em uma única fase, após 2 dias da execução da bainha. Obteve-se como pressão máxima de injeção 1,5 MPa. O tubo era de plástico de 9mm de diâmetro, com válvulas a cada 0,5m até 1m da superfície, conforme dados abaixo:

chumbadores-injetados em talude

Chumbadores para o ensaio em solo Silto Argiloso

Instalação do conjunto Macaco e bomba de protensão e sistema de reação para

execução da prova de carga dos chumbadores

Bombeamento da bomba de injeção acoplada ao Macaco de Protensão com aferição manométrica

com controle da estabilização da pressão até atingir o limite esperado no cálculo da prova de carga.

Detalhe do macaco de protensão e da placa que serve como

sistema de reação para a prova de carga do chumbador

Detalhe do manômetro que atinge a carga máxima esperada não sacando o chumbador

desta forma é qualificado e observamos que o manômetro fica estabilizado

Equipe utilizada para execução e manuseio dos equipamentos durante a prova de carga.

Detalhe da mesa de reação instalada para aplicação da protensão no chumbador

para certificar a carga do mesmo.

Os resultados dos ensaios de arrancamento se encontram no gráfico abaixo:

Ensaio de chumbador feito em corda dupla.

Modelo de Boletim de teste de arrancamento de chumbador

A análise dos ensaios comparativos dos chumbadores, injetados e não injetados, mostra ganho médio em torno de 50% na capacidade de carga de aderência barra ao solo.

Após os ensaios, foi feita escavação do talude onde constatou-se a ocorrência de planos de injeção preenchendo fissuras e vazios do solo, promovendo o seu adensamento.

As fotos abaixo mostram o comportamento lamelar dessas injeções.

chumbadores injetados

Foto 1 – Camadas de injeção de calda de cimento

chumbadores injetados

Foto 2 – Camadas de injeção de calda de cimento

chumbadores injetados

Foto 3 – Amostra escavada de Chumbador injetado com calda de cimento.

7. Conclusões

Obteve-se inegável melhoria na capacidade de ancoragem do chumbador injetado com pressão, justificando o custo operacional mais alto deste serviço. No entanto, mais significativo que esse ganho e a aderência, é o conhecimento e controle das pressões e do volume injetado da caldad e cimento e do estado do solo envolvente à ancoragem.

Normalmente, as características geomecânicas adotadas para as análises de estabilidade, advém de sondagens SPT, executadas perpendicularmente às estruturas de ancoragem necessitando portanto de extrapolação para representar a massa de solo. Essas sondagens, por serem puntiformes, pouco podem evidenciar determinadas características do maciço, principalmente quanto às fácies de sedimentação e “cripto - fissuras”, que quando em planos concordantes com a face do talude, muito prejudicam sua estabilidade.

Na medida em que se tem o comportamento geomecânico do maciço via injeção, e com as melhorias propiciadas pela mesma, como adensamento do solo, colagem das fissuras e a maior aderência barra solo, é de se esperar que os resultados encontrados nos ensaios comparativos mostrem melhor capacidade de aderência, portanto exigindo maior energia para o arrancamento dos chumbadores injetados.

Conclui-se que o ato de injetar um chumbador não se resume somente à melhoria de ancoragem do mesmo. Quando se aplica a injeção de fluídos cimentantes, pode-se “sentir” o comportamento dessas descontinuidades tectônicas ou litológicas e de vazios. Muito mais que isso é a confirmação do estado em que a encosta se encontrava, nas suas feições estruturais e a “certeza” de que o solo pós tratamento estará estável.

Pode-se, talvez, esquecer os planos de rutura imaginados nas análise e a necessidade das barras de aço. Sendo neste caso, os chumbadores dispensáveis, servindo apenas para aumentar o fator de segurança da contenção.

A aplicação dos valores obtidos nos ensaios de arrancamento, como parâmetros de análise de estabilidade nas fórmulas matemáticas, deve ser extremamente criteriosa , pois no solo grampeado a estabilidade do talude está muito mais relacionada com o comportamento do maciço como um todo do que a atuação de um elemento isoladamente. Se não fosse a injeção, não se conseguiria redistribuir e equilibrar os esforços na massa de solo.

A tendência nessa evolução da Técnica do Solo Grampeado é a substituição da calda de cimento por solo/cimento, cuja resistência e plasticidade se adequa perfeitamente com o conceito de solo tratado e apresenta características geomecânicas mais próximas do maciço oferecendo substantiva redução de custos.