Limit Support Pressure and Critical Cover-to-Diameter Ratio of Shallow-Buried Tunnel Faces in Sand-over- Clay Composite Ground

Resumo Técnico: Pressão de Suporte Limite e Razão Crítica de Cobertura-Diâmetro de Frentes de Túneis de Enterramento Raso em Solo Composto de Areia sobre Argila

Definição do Problema
Túneis de enterramento raso em ambientes urbanos encontram cada vez mais condições de solo composto complexas, especificamente estratigrafia de areia sobre argila. Diferente de solos homogêneos, esses sistemas em camadas exibem características contrastantes de resistência e deformação que influenciam significativamente a estabilidade da face do túnel. Embora pesquisas existentes tenham abordado a estabilidade da face do túnel em solos arenosos ou argilosos homogêneos, e alguns estudos tenham examinado solos em camadas, permanece uma lacuna na compreensão dos mecanismos específicos de falha, padrões de liberação de pressão de terra e a transição de modos de falha global para local em solo composto de areia sobre argila. Especificamente, faltam comparações sistemáticas das diferenças de deformação entre as camadas de areia e argila, o processo de falha progressiva em relação à posição da interface da camada de solo (centro vs. coroamento) e um critério quantitativo para a razão crítica de cobertura-diâmetro ($C/D$) sob variações de resistência ao cisalhamento.

Metodologia
Este estudo empregou uma abordagem multifacetada combinando modelagem física e simulação numérica:

1. Testes de Modelo de Centrífuga: Realizados a 60g utilizando uma centrífuga geotécnica TLJ-3. Quatro casos de teste foram projetados com um diâmetro de protótipo de túnel de 6 m. A interface da camada de solo foi posicionada ou no centro da face do túnel ou no coroamento do túnel, com razões de cobertura-diâmetro ($C/D$) de 0,8 e 1,2.
2. Técnicas de Monitoramento: A Velocimetia de Imagem de Partículas (PIV) foi utilizada para analisar os campos de deslocamento do solo e a evolução da zona de falha. Sensores de deslocamento a laser mediram a retração da face, enquanto células de pressão de terra monitoraram a liberação de tensão na face do túnel e no solo à frente da face.
3. Análise de Limite de Elementos Finitos de Limite Inferior Tridimensional: Um modelo numérico foi desenvolvido para determinar a pressão de suporte mínima necessária para a estabilidade. Este método utilizou campos de tensão admissíveis estaticamente que satisfazem o equilíbrio, as condições de contorno e o critério de escoamento de Mohr-Coulomb. Foi utilizado para validar os resultados experimentais e realizar a análise paramétrica no ângulo de atrito interno ($\phi$) da camada de areia superior.

Principais Contribuições e Resultados

• Mecanismos de Falha e Posição da Interface:

  • Quando a interface da camada de solo interceptava o centro da face do túnel, a instabilidade era governada principalmente pela camada de areia superior. A zona de falha propagou-se para cima e para fora, eventualmente atingindo a superfície do solo (falha global).
  • Quando a interface estava localizada no coroamento do túnel, a camada de argila subjacente restringia efetivamente a propagação ascendente da zona de falha. Nesses casos, a zona de falha permaneceu confinada em aproximadamente 1,5 diâmetros de túnel à frente da face, e nenhuma superfície de falha contínua se formou mesmo com uma retração de face de 30 mm.

• Estágios de Falha Progressiva:
  O processo de retração da face foi identificado ocorrendo em três estágios distintos:

  1. Deformação Local: Concentrada próximo à face.
  2. Falha Progressiva: Propagação ascendente e externa da zona de deslocamento com liberação contínua de pressão de terra.
  3. Estabilidade Residual: Estabilização da pressão de suporte e formação de uma banda de deslocamento contínua.
     Os casos D1 e D2 atingiram o estado limite em uma retração de face de aproximadamente 10 mm.

• Liberação de Pressão de Terra e Pressão de Suporte:

  • A liberação de pressão de terra na camada de areia foi significativamente maior do que na camada de argila. Por exemplo, no Caso D1, a razão de liberação de tensão atingiu 66% na camada de areia contra 56% na camada de argila.
  • As pressões de suporte limite para os casos de falha foram 12,7 kPa (D1, $C/D=0,8$) e 13,4 kPa (D2, $C/D=1,2$). O aumento de $C/D$ de 0,8 para 1,2 resultou em apenas um aumento de 5,5% na pressão de suporte limite, sugerindo sensibilidade limitada à profundidade de cobertura dentro deste intervalo específico para esta configuração de interface.
  • Os casos D3 e D4 (interface no coroamento) não atingiram um estado limite dentro do intervalo de teste, com razões de pressão de suporte permanecendo acima de 0,85.

• Validação Numérica:
  A análise de limite inferior tridimensional resultou em pressões de suporte limite com desvios menores que 10% em comparação aos resultados dos testes de centrífuga (−9,4% para D1 e −4,5% para D2). O modelo numérico reproduziu com sucesso as características de falha e confirmou que a camada de argila proporciona um efeito estabilizador quando localizada abaixo da face do túnel.

• Razão Crítica de Cobertura-Diâmetro:
  A análise paramétrica revelou uma forte relação entre o ângulo de atrito interno ($\phi$) da camada de areia superior e a razão crítica de $C/D$ necessária para a transição de falha global para local.

  • À medida que $\phi$ aumentou de 15° para de 35°, o $C/D$ crítico diminuiu de 2,20 para 1,10.
  • Uma regressão linear estabeleceu uma relação: $(C/D)_{crit} = 3,02 - 0,056\phi$, com um coeficiente de determinação $R^2 = 0,995$.
  • Uma maior resistência ao cisalhamento na camada de areia aumenta o efeito de arco do solo, permitindo que a zona de falha se feche à frente da face em menores profundidades de cobertura.

Significância
Os autores afirmam que estas descobertas fornecem uma referência para determinar os parâmetros de suporte da face do túnel e avaliar o risco de falha global em túneis de enterramento raso construídos em solo composto de areia sobre argila. O estudo destaca que a posição da interface da camada de solo é um fator controlador para os modos de falha e que a transição de falha global para local pode ser prevista quantitativamente com base no ângulo de atrito interno e na profundidade de cobertura. O método de análise de limite inferior validado oferece uma ferramenta confiável para identificar potenciais zonas de escoamento e modos de falha em condições de solo complexas semelhantes.