Este artigo tem o objetivo de apresentar, concisamente, o desenvolvimento de um novo tipo de ensaio de laboratório para solos. Este foi denominado ensaio Expansão de Membrana Interna (internacionalmente conhecido como Balloon Test) e, permite a realização de expansões de cavidade no interior das amostras, sob condições controladasde laboratório. Os Ensaios de Expansão de Membrana Interna foram desenvolvidos com intuito reproduzir o comportamento da técnica CPR Grouting. Avaliou-se o efeito da Razão de Substituição, a partir da expansão de diferentes volumes no interior dos balões. Os resultados mostraram que os ensaios foram satisfatoriamente capazes de reproduzir a técnica, além de permitir a estimativa de parâmetros utilizados em projeto.

1. Introdução
O crescimento do setor da construção civil, principalmente nos grandes centros urbanos, estimula a investigação de novos locais para instalação dos empreendimentos.

No Brasil este crescimento ainda ocorre principalmente ao longo de toda costa, onde existem espessas camadas de solos moles que apresentam alta compressibilidade e baixa capacidade de suporte¹. Em função disto, técnicas de melhoramento de solos são indicadas para controlar recalques e estabilidade.

O CPR Grouting é uma técnica de melhoramento de solos moles baseada na teoria do densamento radial4,13, induzindo o solo a perder água, consequentemente volume, através da formação de bulbos de compressão radial do solo. Segundo Cirone6, o CPR Grouting é uma adaptação do Compaction Grouting, técnica utilizada no melhoramento de solos siltosos e arenosos12,5.

A técnica consiste na instalação de um sistema de drenagem artificial, por meio da perfuração de geodrenos, seguida da fase de expansão da cavidade, na qual os bulbos de compressão radial são formados no interior do solo por bombeamento de geogrout sob alta pressão. Geogrout é uma mistura de certas proporções de areia (80%), limo (15%), água, cimento (5%) e aditivos, e sua consistência é semelhante à de uma argamassa seca8.

A investigação laboratorial simulando o CPR Grouting foi baseada nos estudos de Compensation Grouting14,2,3,15,16. Os pesquisadores realizaram diversos ensaios utilizando equipamentos modificados que possuíam um tubo no centro da sua base para permitir expansões no interior do corpo de prova.

O objetivo deste artigo é apresentar, brevemente, a metodologia e alguns resultados do ensaio de Expansão de Membrana Interna, desenvolvido para simular o comportamento do CPR Grouting. Estes ensaios foram realizados pela primeira vez no Brasil e são relevantes para engenheiros geotécnicos que utilizam a técnica em projetos de melhoria de solos moles. Os resultados fornecem os parâmetros utilizados no método de dimensionamento do CPR Grouting, como o potencial de adensamento (λc), além de permitir estimar o volume ideal de expansão, definido como o volume expandido no interior da membrana (balão) que causará o maior adensamento da amostra.

Para obter tais informações, uma série de ensaios de Expansão de Membrana Interna foram conduzidos avaliando a influência da Razão de Substituição, ou seja, dos diferentes volumes expandidos no interior da amostra. Os ensaios foram realizados em uma câmara triaxial modificada com amostras de caulim, as quais foram envoltas emp apel filtro para representar os drenos verticais utilizados na técnica.

2. Conceitos Fundamentais da Técnica
No CPR Grouting, assim como em outras técnicas de melhoramento de solos moles, pode-se definir uma célula unitária. Cirone7 definiu célula unitária como “volume de controle padrão, delimitado por contorno rígido drenante” devido à presença de geodrenos instalados previamente à execução das verticais de bulbos de compressão. Logo, cada célula unitária tem comportamento igual às adjacentes e, desta forma, todo o sistema pode ser estudado a partir de uma única célula.

Outro conceito introduzido para o CPR Grouting se chama razão de substituição (Rs). Este conceito foi definido por Cirone7 como “volume total dos bulbos expandidos dentro de uma célula unitária indeformada”, como pode ser visto na Figura 1.

 

Caso os bulbos expandidos tenham o mesmo volume, a razão de substituição pode ser estimada a partir da equação 1:

Onde: A = área da célula unitária, h = o espaçamento vertical entre os bulbos e, Vg = volume expandido do bulbo.

O potencial de adensamento é um parâmetro que depende das propriedades do solo, podendo ser estimado a partir de ensaios de laboratório. Este será estimado na etapa Adensamento Pós-Expansão do Balão, quando é permitido a dissipação do excesso de poropressão gerado durante a etapa de Expansão do Balão.

 

3. Ensaio de Expansão de Membrana Interna
Os ensaios desenvolvidos foram denominados ensaios de Expansão de Membrana Interna. Estes foram realizados em uma câmara triaxial modificada, que apresentava um furo central em sua base, para permitir que um tubo (agulha) fosse acoplado no interior do corpo de prova (Figura 2). Os ensaios de Expansão de Membrana Interna diferenciam-se dos ensaios triaxiais convencionais, pois após a etapa de adensamento hidrostático, o corpo de prova é submetido a uma etapa de expansão de cavidade em seu interior, devido à expansão de um balão.

 

As amostras ensaiadas foram envoltas por papel filtro, a fim de permitir o fluxo radial da água no corpo de prova, representando os geodrenos utilizados em campo pela técnica.

O layout experimental dos equipamentos utilizados está apresentado na Figura 3. Além da câmara triaxial foram utilizados 3 controladores de pressão/volume, 1 sistema de aquisição de dados, 1 computador e transdutores de pressão. O controlador 1 ficou responsável pela expansão do balão, enquanto a contrapressão e a pressão da câmara foram aplicadas pelos controladores 2 e 3, respectivamente.

 

Para mais informações sobre o equipamento modificado recomenda-se consultar de Andrade 9,10,11.

4. Preparação das Amostras e Procedimento Experimental
Os ensaios foram realizados com amostras reconstituídas de caulim. As amostras foram preparadas através da homogeneização do pó de caulim com água deaerada em uma batedeira. Após homogeneização a amostra era transferida para um molde e adensada em uma prensa Bishop até 50 kPa.

O procedimento experimental dos ensaios de Expansão de Membrana Interna (Figura 4) foram compostos das seguintes etapas:

a) Adensamento Inicial Hidrostático: Nesta etapa a amostra foi carregada até os 50 kPa, mesma magnitude adotada durante sua preparação.

b) Expansão do Balão: A etapa de expansão do balão foi executada em condições não drenadas, ou seja, no momento que o balão começou a expandir e comprimir o solo ao redor, verificou-se um aumento instantâneo da poropressão. Durante esta etapa foram monitoradas a pressão e o volume de expansão e o excesso da poropressão. Em funçãodo volume expandido no interior da membrana de látex pode-se estimar a razão de
substituição.

c) Adensamento Pós-Expansão do Balão: Esta etapa iniciou no exato momento do término da expansão do balão. Todo excesso de poropressão gerado durante a etapa anterior era dissipado até atingir a mesma tensão efetiva do primeiro do estágio de adensamento, enquanto o volume do balão era mantido constante. Nesta etapa pode-se
deduzir o parâmetro potencial de adensamento.

Para mais informações sobre o método de preparação das amostras, fabricação das membranas e procedimentos experimentais, recomenda-se consultar de Andrade9,10,11.

 

5. Resultados Experimentais
Foram realizados 5 ensaios em amostras de caulim normalmente adensadas. As Razões de Substituição utilizadas foram: 0,7%; 2,1%; 4,2%; 5,7% e 9,8% (Figura 4). Serão apresentados nesta seção os resultados obtidos na etapa Adensamento PósExpansão do Balão. Para mais informações sobre os resultados, recomenda-se consultar
de Andrade9,10,11.

 

Quanto maior o volume expandido, ou seja maiores Rs, menores foram os valores encontrados para o potencial de adensamento, como visto na Figura 5. No ensaio que a menor razão de substituição (0,7%) foi utilizada, λc alcançou valores aproximadamente iguais a 0,81, enquanto no ensaio com Rs de 9,8%, λc atingiu o valor igual a 0,06.

 

No entanto, os valores de λc não podem ser utilizados unicamente para avaliar a eficiência do CPR Grouting. Por se tratar de uma razão entre variação de volume pósexpansão da amostra e o volume expandido, maiores valores de λc podem não representar a melhor opção a ser adotada em projeto. Portanto, definiu-se que o volume de expansão que provocasse o maior adensamento da amostra representaria o valor ideal do potencial de adensamento e, consequentemente, o volume ideal de expansão. Para o solo estudado, o valor ideal de λc é 0,43 com a Razão de Substituição de 2,1%, ou 15 ml (Figura 7).

 

6. Conclusões
A investigação de laboratório foi realizada para analisar o comportamento do CPR Grouting. A formação dos bulbos de geogrout foi simulada a partir da expansão de um balão em condições não drenadas. Analisou-se o efeito da razão de substituição a partir dos diferentes volumes expandidos no interior dos balões. Após a etapa de expansão do balão, a drenagem foi permitida, e pode-se estimar o parâmetro potencial de adensamento.

Conclui-se que os ensaios de Expansão de Membrana Interna desempenharam com sucesso o objetivo de simular a técnica CPR Grouting. O ensaio que apresentou o melhor desempenho foi o que expandiu 15 ml, correspondendo a Razão de Substituição de 2,1%. Este volume expandido conseguiu proporcionar o maior adensamento da amostra, portanto, sendo considerado o volume ideal de expansão. O potencial de adensamento considerado mais eficiente para o solo ensaiado foi de 0,43.