Estudo numérico das deformações volumétricas de um talude rodoviário frente à alteração do estado de tensões por influência de mudanças do nível d’água e da sucção no solo

Abstract

A compreensão da dinâmica e o conhecimento da magnitude das deformações em obras de engenharia desempenha um papel fundamental na escolha da concepção de projetos, impactando diretamente na viabilidade, segurança, e vida útil de empreendimentos. O presente trabalho estuda, por meio de experimentos numéricos, o comportamento hidro-mecânico (HM) ao longo do perfil geotécnico de um talude de uma rodovia e os recalques desenvolvidos na superfície, resultantes da alteração do estado de tensões do solo devido ao efeito do rebaixamento do nível d’água realizado para possibilitar a implantação de uma travessia subterrânea. O talude caracteriza-se por um aterro compactado e apresenta-se com uma porção superior de solo não saturado, e outra, subjacente, saturada. Os experimentos foram conduzidos utilizando-se o Modelo Básico de Barcelona (BBM) por meio do programa CODE_BRIGHT, que permite o tratamento do problema de forma totalmente acoplada. Com o propósito de reproduzir um estado de tensão representativo da condição de campo do maciço, foram estabelecidas condições iniciais e de contorno ao modelo: carga distribuída, desempenhando o efeito do tráfego sobre a rodovia; condição de fluxo caracterizando a sucção matricial na superfície do terreno; condição de pressões ao longo do perfil do solo representativa à distribuição das pressões intersticiais da água e à posição inicial do nível freático; pressão aplicada nos drenos instalados no talude para simular a sucção a vácuo, encarregada pelo processo de rebaixamento do nível d’água. Como subsídio à análise do comportamento HM do talude, as variáveis grau de saturação, pressão do líquido, deslocamento vertical e deformação vertical foram selecionadas. Avaliou-se ao longo da profundidade do aterro a influência dos parâmetros p0*, λ(0), r, β, P0, ξ e k do modelo adotado em relação ao processo de variação volumétrica do solo em resposta ao efeito do rebaixamento do nível freático. Análises paramétricas foram conduzidas promovendo-se variações individuais nos valores de cada parâmetro avaliado, mantendo-se os demais parâmetros com seus valores originais. Os parâmetros p0*, λ(0) e k demonstraram uma influência significativa na resposta da variável deformação e no comportamento dos deslocamentos desenvolvidos na superfície do maciço. Por outro lado, os parâmetros r, β e P0 apresentaram uma baixa influência no comportamento volumétrico observado. A avaliação do parâmetro ξ foi comprometida pela condição de contorno inicial de pressões aplicada ao modelo, ainda assim os resultados obtidos evidenciaram uma relevante influência da massa de água retirada do solo no comportamento dos recalques desenvolvidos na superfície do terreno.

The understanding of the dynamics and knowledge of the magnitude of deformations in engineering structures play a fundamental role in choosing project designs, directly impacting their feasibility, safety, and lifespan. This study investigates through numerical experiments, the hydro-mechanical (HM) behavior along the geotechnical profile of a highway slope and the settlements developed on the road surface resulting by the changes in the stress state due to a water table lowering process carried out to enable the construction of an underground crossing. The slope is characterized by a compacted fill with an upper portion of unsaturated soil and an underlying saturated layer. The experiments were conducted by using the Barcelona Basic Model (BBM) through the CODE_BRIGHT program, that allow for a fully coupled treatment of the problem. To provide simulate a represented stress state of the field condition, initial and boundary conditions were defined and applied to the model: a distributed load, simulating the traffic load on the highway; a flow condition representing matric suction on the fill slope surface; pressure condition along the soil profile representing the distribution of water interstitial pressures and the initial position of the water table; pressure applied to drains installed in the slope, simulating the vacuum suction pressure responsible for the water table lowering process. As a contribution to the analysis of the slope's HM behavior, the variables degree of saturation, liquid pressure, vertical displacement, and vertical deformation were selected. The influence of the p0*, λ(0), r, β, P0, ξ e k parameters of the model on the soil volumetric changes in response to the water table lowering was evaluated along the depth of the slope fill. Parametric analyses were conducted by individually varying the values of each evaluated parameter while keeping the other parameters at their original values. The p0*, λ(0) e k parameters showed a significant influence on the deformation response and the behavior of settlements reflected to the ground surface. The r, β e P0 parameters had a low influence on the observed soil volumetric changes behavior. The evaluation of the ξ parameter influence was compromised by the initial boundary condition imposed to the model; however, the simulations results highlighted the significant influence of water mass removal from soil in intensities of settlements reflected on the ground surface.