Facilidade da modelagem de escavações profundas em argila macia usando o SIGMA/W

As escavações profundas em Cingapura são desafiadoras, pois a geologia local consiste em uma espessa camada de argila macia com algumas lâminas de areia e solo de turfa/orgânico além de lençol freático próximo à superfície.

Os engenheiros precisam prever a deflexão lateral do muro de contenção e o recalque vertical do solo adjacente, que têm limites rigorosos estabelecidos pela autoridade controladora de construções civis. A análise detalhada usando o GeoStudio ou outro programa com método do elemento finito (FEM, Finite Element Method) é essencial para o envio do projeto para aprovação das autoridades antes da construção. Esta apresentação descreve como o GeoStudio foi usado para modelar problemas em escavações profundas.

Visão geral

Video Transcript

[00:00:18.269]
<v ->Obrigado, presidente, pela simpática apresentação.</v>

[00:00:21.470]
Agradeço a oportunidade

[00:00:23.850]
de compartilhar minha experiência ao usar o programa GeoStudio.

[00:00:34.640]
Trabalho na Universidade Nacional de Singapura

[00:00:39.360]
e gostaria de aproveitar esta oportunidade

[00:00:41.090]
para compartilhar minha jornada e a satisfação de

[00:00:43.660]
criar modelos para o programa de escavações profundas

[00:00:45.750]
em argila mole usando o SIGMA/W.

[00:00:51.290]
Na verdade, Singapura é uma cidade altamente urbanizada

[00:00:54.700]
com vários arranha-céus e suas construções

[00:00:58.810]
subterrâneas além de uma imensa

[00:01:01.790]
malha ferroviária subterrânea.

[00:01:05.230]
Seis milhões de pessoas

[00:01:07.710]
habitam essas ilhas minúsculas

[00:01:10.490]
onde a presença de arranha-céus é comum.

[00:01:14.139]
Por isso, a escavação profunda tornou-se um recurso

[00:01:17.220]
comum nas obras de engenharia geotécnica de Singapura.

[00:01:23.060]
Enfrentamos alguns desafios na execução

[00:01:26.210]
dessas obras de escavação profunda em Singapura

[00:01:28.670]
em parte devido à geologia local,

[00:01:31.120]
que é composta por densas camadas de argila mole

[00:01:34.220]
com algumas lâminas de areia entre elas,

[00:01:38.000]
principalmente na área central (CBD),

[00:01:41.040]
onde vários arranha-céus estão localizados.

[00:01:43.890]
Em segundo lugar, temos um lençol freático próximo à superfície,

[00:01:46.780]
geralmente a cerca de meio metro a 1,5 metro

[00:01:49.900]
abaixo do nível do solo. Portanto,

[00:01:52.610]
em qualquer escavação, é preciso lidar com

[00:01:55.760]
bombeamento de águas subterrâneas e rebaixamento das águas subterrâneas.

[00:01:59.450]
Em terceiro lugar, a maioria dessas obras de escavação profunda

[00:02:02.330]
é executada próximo a construções existentes e,

[00:02:05.300]
por isso, o impacto das escavações

[00:02:07.227]
nessas construções é uma questão importante

[00:02:10.110]
a ser considerada pelos engenheiros.

[00:02:13.120]
Assim, quanto ao muro de contenção, eles precisam prever

[00:02:15.740]
o movimento lateral, a deflexão lateral

[00:02:18.160]
e o recalque vertical do solo

[00:02:20.880]
para a construção próxima à área de escavação.

[00:02:25.120]
Esses parâmetros são fiscalizados

[00:02:28.720]
pela autoridade controladora de construções prediais, que estabeleceu

[00:02:31.590]
um limite permitido muito rigoroso para eles.

[00:02:35.220]
Portanto, uma análise detalhada com algum tipo de

[00:02:38.280]
programa de elementos finitos é obrigatória

[00:02:41.030]
para que as obras de escavação profunda sejam realizadas

[00:02:43.970]
em Singapura, antes ou após

[00:02:48.230]
e também durante todas as etapas da construção.

[00:02:51.450]
Eu já realizei vários trabalhos

[00:02:53.530]
usando o programa GeoStudio, principalmente

[00:02:56.220]
o SIGMA/W, em toda a modelagem de escavações.

[00:03:00.280]
Vou exibir algumas imagens

[00:03:02.120]
da paisagem urbana de Singapura,

[00:03:05.790]
que mostram claramente obras de escavação

[00:03:08.093]
próximas a uma construção existente

[00:03:10.850]
e a uma estação de metrô próxima ao centro de Singapura.

[00:03:16.600]
Esta imagem mostra a clara

[00:03:19.940]
e complexa formação geológica de Singapura,

[00:03:22.540]
novamente, como na área central,

[00:03:24.800]
onde é possível observar uma densa camada de argila mole

[00:03:26.640]
entre 30 e 40 metros com algumas lâminas de areia entre elas.

[00:03:33.440]
A imagem mostra a área subterrânea muito explorada

[00:03:37.280]
em Singapura, repleta de construções subterrâneas,

[00:03:41.040]
alguns túneis para serviços públicos, água,

[00:03:44.080]
esgoto e o metrô,

[00:03:47.970]
além de vários planos de túneis

[00:03:50.850]
para uso futuro nos quais trabalharemos.

[00:03:55.380]
Este é apenas um exemplo, no centro de Singapura,

[00:03:59.010]
próximo à universidade na área central

[00:04:01.810]
e à estação Bencoleen Street,

[00:04:04.970]
na qual é possível observar quase

[00:04:07.100]
quatro níveis de escavação a serem construídos

[00:04:10.440]
ou que já foram construídos a uma profundidade de

[00:04:12.780]
quase 43 metros.

[00:04:15.520]
Cortes nas camadas de argila mole e lâminas de areia,

[00:04:18.340]
entre outros, com requisitos muito rigorosos

[00:04:20.880]
relacionados à deflexão para o muro de contenção.

[00:04:26.030]
Esta imagem mostra duas preocupações

[00:04:27.750]
que acabei de mencionar; uma delas é a deflexão lateral e

[00:04:32.290]
a outra, obviamente, é o recalque

[00:04:35.040]
próximo à área de escavação sem o devido

[00:04:38.320]
controle e a modelagem numérica.

[00:04:40.350]
Vocês podem ver que nenhum

[00:04:42.880]
desses parâmetros seria considerado aceitável

[00:04:45.040]
pela autoridade de controle, pois causaria um problema

[00:04:47.420]
na construção adjacente.

[00:04:49.410]
Portanto, a modelagem com o método do elemento finito é obrigatória, e o SIGMA/W

[00:04:54.150]
é adequado para esta situação.

[00:04:57.580]
Tenho algumas considerações importantes e necessárias sobre

[00:05:00.340]
essa modelagem de elementos finitos a fim de evitar

[00:05:02.360]
problemas de escavação profunda, no mínimo sete

[00:05:06.040]
ou oito delas, para compartilhar com o público aqui.

[00:05:08.480]
Número um, a modelagem com o método do elemento finito deve ser capaz

[00:05:11.060]
de criar modelos de forma adequada para o comportamento da argila mole,

[00:05:13.950]
pois a espessa camada de argila mole

[00:05:15.390]
é uma questão que envolve riscos.

[00:05:17.390]
Número dois, devemos ser capazes de fazer

[00:05:19.720]
uma análise de consolidação associada.

[00:05:22.380]
Como as obras de escavação podem durar muitos meses

[00:05:27.370]
com baixa pressão da água, essa pressão

[00:05:29.750]
ocorre principalmente porque

[00:05:32.950]
a água é constantemente bombeada

[00:05:34.760]
para o local da escavação.

[00:05:37.010]
Número 3, a necessidade de analisar

[00:05:39.180]
a tensão total e a tensão efetiva

[00:05:41.710]
para estabilidade a longo prazo.

[00:05:44.860]
Número 4, a capacidade de criar um modelo para a condição real

[00:05:47.730]
de drenagem do muro de contenção.

[00:05:50.090]
Nenhum muro de contenção é totalmente estanque

[00:05:53.760]
em termos práticos. Portanto, pode ocorrer,

[00:05:58.357]
ou já ocorreu em muitos casos,

[00:06:01.700]
um pequeno vazamento em muros de contenção,

[00:06:03.310]
principalmente quando há lâminas de areia entre

[00:06:05.400]
duas camadas de argila mole. Assim, é necessário criar um modelo

[00:06:08.600]
para esse risco real; ele é muito importante na modelagem de elementos finitos.

[00:06:11.530]
Número cinco, associada a essa questão, temos a modelagem

[00:06:14.540]
das propriedades de interface entre o muro de contenção,

[00:06:16.920]
que é um muro de menor custo ou uma parede diafragma,

[00:06:19.800]
e também a interface adjacente.

[00:06:22.500]
Número seis, a capacidade de realizar um estudo de sensibilidade com facilidade.

[00:06:26.690]
Número sete, a capacidade de criar modelos das etapas complexas

[00:06:29.280]
de escavação, que incluem, obviamente,

[00:06:32.150]
etapas <em>In Situ</em>, com tensão inicial,

[00:06:35.460]
seguidas da instalação de estruturas de contenção,

[00:06:38.160]
após escavação, instalação,

[00:06:40.520]
mais escavação, instalação, escavação,

[00:06:42.810]
instalação…

[00:06:44.070]
e, entre uma e outra, o rebaixamento das águas subterrâneas.

[00:06:46.710]
Assim, essas etapas complexas da escavação precisam ser

[00:06:50.050]
incluídas com clareza na modelagem final

[00:06:53.160]
e editadas conforme o avanço das obras.

[00:06:57.960]
Por fim, a capacidade de analisar

[00:07:00.090]
o rompimento do escoramento como cenário

[00:07:02.590]
para análise de contingências.

[00:07:05.950]
Ao longo dos anos, usei o SIGMA/W

[00:07:09.140]
para realizar isso, e descobri que todos os sete

[00:07:12.109]
ou oito pontos mencionados anteriormente

[00:07:14.730]
são bem gerenciados usando o SIGMA/W

[00:07:17.350]
de maneira organizada e clara.

[00:07:19.720]
Por isso, compartilharei um exemplo

[00:07:21.880]
desses importantes recursos do SIGMA/W

[00:07:23.950]
para esse tipo específico de escavação,

[00:07:26.350]
e espero transformar esse desafio técnico

[00:07:28.310]
em uma experiência proveitosa.

[00:07:33.700]
Número um, a capacidade de criar um modelo para o comportamento da argila mole

[00:07:36.670]
de maneira adequada. O SIGMA/W tem muitos

[00:07:41.360]
modelos comuns de solo e a versão mais recente dele,

[00:07:44.486]
de 2021, contém um novo modelo denominado

[00:07:47.900]
Mohr-Coulomb Hardening or Softening (Endurecimento ou amolecimento Mohr-Coulomb),

[00:07:51.430]
que é muito útil para argila mole.

[00:07:53.490]
Temos usado esse modelo

[00:07:55.700]
e o consideramos muito útil.

[00:07:58.570]
Número dois, o recurso especial denominado

[00:08:01.170]
Analysis Tree (Árvore de análise) no SIGMA/W, que, na verdade, está

[00:08:04.390]
disponível em todos os programas do GeoStudio, é muito

[00:08:06.900]
útil principalmente para problemas complexos, como

[00:08:09.840]
escavação profunda e dimensão, que incluem

[00:08:12.110]
várias etapas, desde os fatores de tensão inicial

[00:08:14.740]
até sobrecarga, escavação, escoramento,

[00:08:17.330]
entre outras, o que é muito útil,

[00:08:19.460]
e está muito claro, por exemplo,

[00:08:21.540]
quando mostrei aqui a etapa de tensão inicial.

[00:08:24.780]
É possível escolher a etapa Gravity Activation (Ativação de gravidade)

[00:08:27.830]
ou o estado K0 Procedure (Procedimento K0), para essas etapas específicas,

[00:08:30.690]
o que é muito claro e muito fácil de ajustar.

[00:08:35.160]
E, associada a isso, está a

[00:08:37.781]
interface gráfica do usuário (GUI)

[00:08:41.130]
que indica muito claramente, por exemplo,

[00:08:43.960]
neste slide que estou mostrando a vocês,

[00:08:46.410]
quando a análise de tensão <em>In Situ</em> é feita,

[00:08:50.193]
pois o elemento do solo é exibido com hachuras,

[00:08:54.560]
e isso significa que o peso da unidade é aplicado,

[00:08:58.010]
os ativadores de gravidade são aplicados, mas

[00:09:00.590]
hachuras não são aplicadas em outras massas.

[00:09:03.410]
Número três, a capacidade de criar um modelo

[00:09:05.710]
para o processo de consolidação associada.

[00:09:07.880]
O que descrevi aqui é para explicar que

[00:09:11.150]
as obras de escavação em argila mole

[00:09:13.610]
envolvem retirada do solo e também rebaixamento das águas subterrâneas.

[00:09:18.160]
Esses dois fatores reduzem as alterações

[00:09:21.280]
de baixa pressão da água durante esse processo.

[00:09:23.500]
Assim, uma consolidação associada é necessária.

[00:09:26.610]
No SIGMA, uma consolidação associada tradicional

[00:09:29.260]
pode ser realizada com uma análise do tipo Biot.

[00:09:31.600]
E eu acho que o SIGMA/W associa a relação

[00:09:36.130]
entre tensão e deformação de maneira muito inteligente

[00:09:39.200]
com as equações de continuidade e, é claro,

[00:09:41.657]
a equação aqui é comum

[00:09:44.700]
para o seu tipo de programa

[00:09:47.900]
que incorpora os aspectos não saturados

[00:09:50.760]
ou parcialmente saturados do solo,

[00:09:53.360]
o que torna este programa muito interessante.

[00:09:59.180]
Para selecionar essa consolidação associada,

[00:10:02.000]
é muito fácil; basta escolher,

[00:10:04.160]
entre os tipos de análise,

[00:10:06.400]
uma análise e um tipo de consolidação, com esta opção,

[00:10:10.210]
para que a equação de fluxo e a equação sem tensão

[00:10:13.180]
sejam automaticamente associadas durante a análise.

[00:10:17.650]
O recurso útil número quatro

[00:10:19.430]
é a interação entre o solo e o muro de contenção,

[00:10:22.190]
que pode ser facilmente modelada usando as várias

[00:10:24.820]
opções e exibida

[00:10:27.140]
no diagrama aqui;

[00:10:29.080]
as linhas azuis indicam a interface

[00:10:31.190]
dos dois lados do muro de contenção,

[00:10:33.720]
e, ao selecionar a opção aqui,

[00:10:35.970]
vários modelos são exibidos para sua escolha.

[00:10:42.320]
Eles não são apenas modelos de solo com tipos de tensão,

[00:10:45.030]
também são exibidos vários modelos

[00:10:47.560]
com condição hidráulica,

[00:10:49.760]
entre essas opções, que indicam

[00:10:53.110]
características de vazamentos, se houver,

[00:10:57.890]
nas estruturas de contenção.

[00:10:59.320]
Assim, é possível escolher uma condição hidráulica aqui,

[00:11:02.140]
e escolher entre saturada

[00:11:05.440]
ou insaturada, é claro, se for uma escavação profunda.

[00:11:08.540]
Na maioria das vezes, será saturada,

[00:11:10.110]
mas próximo ao topo talvez seja

[00:11:11.870]
um pouco insaturada.

[00:11:15.340]
O recurso útil número seis

[00:11:17.300]
permite definir qualquer tipo de função,

[00:11:20.670]
função de tensão

[00:11:23.440]
e todas as funções de condutividade hidráulica.

[00:11:24.892]
Usando este recurso aqui, é possível definir

[00:11:29.330]
todas as funções em vez de um valor constante

[00:11:32.260]
relacionado a um nível de tensão e em relação às etapas ao longo do tempo.

[00:11:38.760]
O recurso útil número sete

[00:11:40.950]
foi desenvolvido para

[00:11:44.445]
para dados de entrada e de saída, e eu o considero

[00:11:47.510]
muito útil para engenheiros, como nós,

[00:11:50.820]
pois é possível visualizar os dados inseridos em uma interface

[00:11:54.740]
gráfica muito clara e com uma bela combinação de cores.

[00:11:59.060]
Os dados de entrada e os resultados…

[00:12:00.920]
este slide mostra os resultados,

[00:12:03.030]
e, nele, é possível ver claramente uma estrutura deformada

[00:12:06.930]
ao observar o deslocamento de cada

[00:12:08.930]
nó; também é possível mover e

[00:12:12.230]
incluir uma cor na camada do material

[00:12:15.270]
na interface gráfica.

[00:12:18.160]
É possível ver claramente qual parte

[00:12:19.890]
do muro de contenção ficou mais deformada.

[00:12:22.900]
Esta imagem mostra

[00:12:24.930]
como é fácil selecionar o lençol freático

[00:12:29.820]
conforme o progresso das escavações.

[00:12:35.630]
Este slide mostra um dos resultados

[00:12:38.480]
típicos ou importantes que os engenheiros

[00:12:40.540]
precisam observar sempre, que é a

[00:12:42.030]
a deflação lateral do muro de contenção

[00:12:43.910]
em um momento específico,

[00:12:45.650]
o momento de inclinação

[00:12:47.340]
do muro de contenção em um outro momento

[00:12:49.450]
e um tipo de análise de

[00:12:52.970]
resultados que permitem, aos engenheiros, interpretar

[00:12:55.320]
e enviar o relatório com facilidade.

[00:13:00.330]
É com este resultado que os engenheiros

[00:13:02.610]
trabalham, e espero que ele

[00:13:05.020]
também seja útil para quem precisar

[00:13:07.610]
analisar tipos semelhantes de problema na região.

[00:13:11.090]
Para concluir, eu gostaria de dizer que

[00:13:13.270]
são inúmeras as vantagens, e eu destaco

[00:13:15.740]
no mínimo cinco delas ao usar o SIGMA/W

[00:13:19.650]
para modelagem de escavação profunda complexa,

[00:13:22.280]
principalmente em uma área de argila mole.

[00:13:25.070]
Número um, a integração adequada do fluxo de infiltração

[00:13:27.610]
e a formulação de tensão e deformação

[00:13:29.610]
tornam toda a análise tecnicamente consistente.

[00:13:32.390]
Número dois, a disponibilidade de muitos modelos

[00:13:36.470]
de solo e, número três, a facilidade de configurar

[00:13:39.940]
as etapas complexas de escavação,

[00:13:42.670]
incluindo a alteração passo a passo do lençol freático,

[00:13:46.430]
o que é muito importante e útil.

[00:13:49.600]
O recurso útil número quatro

[00:13:52.230]
é uma opção que permite a modelagem

[00:13:55.690]
realista dos fatores de tensão, da transferência de tensão

[00:13:59.840]
e das condições de drenagem

[00:14:01.870]
nas estruturas de contenção.

[00:14:04.560]
Por último, a interface gráfica

[00:14:06.810]
do usuário do GeoStudio,

[00:14:08.910]
bem projetada e fácil de usar,

[00:14:11.420]
garante

[00:14:14.090]
uma experiência agradável durante a modelagem.

[00:14:16.450]
Eu espero que estas considerações compartilhadas ajudem

[00:14:19.730]
os designers de engenharia da região

[00:14:22.190]
e de outras partes do mundo, que enfrentam

[00:14:23.840]
o mesmo tipo de problema, escavação profunda em argila mole,

[00:14:26.690]
além de outros problemas geotécnicos.

[00:14:28.570]
A experiência com o SIGMA/W será útil.

[00:14:32.120]
Obrigado a todos.