A recente descoberta das reservas de petróleo do Pré-Sal no Brasil obrigou a indústria a enfrentar condições de extração adversas, a mais de 1000m de lâmina de água e 5000m de sedimentos. Com o aumento da procura, justificou-se investir em pesquisa e tecnologia para dar resposta aos diversos problemas de exploração em águas ultra profundas. Em condições desfavoráveis de exploração, diversos sistemas tecnológicos submersos autônomos no fundo do mar, nearshore e offshore, tem que ser instalados para resistir a esforços solicitados por plataformas devido a manobras de navios, ondas, correntes marinhas, ventos, etc.. Atualmente a Petrobras utiliza um sistema desenvolvido e patenteado, as estacas torpedo metálicas, para resistir às solicitações e ancorar no leito oceânico as suas plataformas flutuantes. Sua instalação consiste na queda livre e penetração no solo argiloso marinho, por ação da aceleração da gravidade nas suas massas, e que apresenta ainda alguns desafios na instalação. O presente trabalho avalia uma nova técnica de instalação de âncoras para plataformas marítimas de petróleo e outras estruturas, que serve de alternativa e/ou melhoria à técnica já utilizada, e que consiste na instalação de uma haste metálica pela ação do seu peso próprio e por aplicação de jatos de água verticais, provenientes de tubos metálicos inseridos em solos argilosos. O estudo, na primeira etapa descrita nesta tese, concentra-se em modelos reduzidos, seguindo as leis de semelhança pelo número de Froude, e futuramente pretende-se transitar para o protótipo. Os ensaios de hidrojateamento foram realizados em laboratório, utilizando tanques em forma de paralelepípedo, com paredes em acrílico, preenchidos com solo argiloso. O estudo foi realizado em modelos reduzidos para duas escalas de comprimento, correspondentes a 1:67 e 1:76, com o objetivo de estudar o mecanismo de penetração dos torpedos metálicos e nos fenômenos de hidrojateamento em solo argiloso. O solo foi caracterizado e nos ensaios foram identificados e avaliados: (a) a influência do fluxo de água a partir das variáveis vazão, pressão, velocidade e diâmetro do jato, (b) a influência da massa e diâmetro das hastes metálicas e (c) a interação solo-estaca pós instalação. Os resultados apresentados indicaram que as maiores profundidades de penetração das estacas torpedo foram atingidas para os modelos de maior massa, e também para as maiores vazões do fluxo de água, para maiores pressões de fluxo de água e menor resistência não drenada do solo. Com base nas variáveis controladas foi possível estabelecer um modelo e uma equação para estimar a profundidade máxima atingida por estacas metálicas instaladas por fluidização. Estes resultados complementaram estudos anteriores e permitiram uma avaliação, baseada em modelos reduzidos, na eficiência do jateamento, parâmetros de controle do mecanismo de erosão, profundidade máxima de penetração no leito marinho e capacidade de carga das estacas, sempre utilizando conceitos de similaridade para relacionar modelo e protótipo. / Deep water oil fields discovered by Petrobras in Brazil in 2006 brought new challenges to the offshore industry. Thus, for exploring these basins, research and technology investments are necessary to ensure production conditions, which require development of technological foundation systems, nearshore and offshore. Petrobras designed and patented an anchoring system, the torpedo pile, which serves as foundation to various types of production structures in ultra-deepwater. Torpedo is a steel pile, filled with ballast, having a cone-shaped tip. The anchor installation consists in the free fall of the torpedo from a designated height above the seafloor, which dynamically penetrates into marine clay by the action of gravity acceleration of the torpedo mass. This thesis presents an alternative installation technique for torpedo anchors based on tests carried out in reduced physical models following the law of similarity by the Froude number. The goal was to install model piles by applying downward vertical water jets. The water jetting tests were performed in the laboratory using parallelepiped-shaped tanks with acrylic walls, filled with clayey soil. The study was conducted on reduced scale models for two length scales, corresponding to 1:67 and 1:76, with the aim of studying the penetration mechanism of metal torpedoes and water jetting phenomena in clayey soil. The soil was characterized and tests were performed to identify and evaluated: (a) the influence of water flow, pressure, penetration rate and diameter of the jet, (b) the influence of the mass and diameter of the metal rods and (c) soil-pile interaction after installation. The results presented indicated that the greatest depth of penetration of torpedo piles was achieved for higher mass models, also for the higher flow rates, the Reynolds number, higher water flow pressures and lower undrained resistance of the soil. Based on these variables it was possible to establish a model and an equation to estimate the maximum depth of penetration of metal piles installed by fluidization. These results complement previous studies and allowed an assessment based on reduced models, the jetting efficiency, the control parameters of the erosion mechanism, the maximum penetration depth on the seabed and load capacity of the piles, always using concepts of similarity to relate model and prototype.

A recente descoberta das reservas de petróleo do Pré-Sal no Brasil obrigou a indústria a enfrentar condições de extração adversas, a mais de 1000m de lâmina de água e 5000m de sedimentos. Com o aumento da procura, justificou-se investir em pesquisa e tecnologia para dar resposta aos diversos problemas de exploração em águas ultra profundas. Em condições desfavoráveis de exploração, diversos sistemas tecnológicos submersos autônomos no fundo do mar, nearshore e offshore, tem que ser instalados para resistir a esforços solicitados por plataformas devido a manobras de navios, ondas, correntes marinhas, ventos, etc.. Atualmente a Petrobras utiliza um sistema desenvolvido e patenteado, as estacas torpedo metálicas, para resistir às solicitações e ancorar no leito oceânico as suas plataformas flutuantes. Sua instalação consiste na queda livre e penetração no solo argiloso marinho, por ação da aceleração da gravidade nas suas massas, e que apresenta ainda alguns desafios na instalação. O presente trabalho avalia uma nova técnica de instalação de âncoras para plataformas marítimas de petróleo e outras estruturas, que serve de alternativa e/ou melhoria à técnica já utilizada, e que consiste na instalação de uma haste metálica pela ação do seu peso próprio e por aplicação de jatos de água verticais, provenientes de tubos metálicos inseridos em solos argilosos. O estudo, na primeira etapa descrita nesta tese, concentra-se em modelos reduzidos, seguindo as leis de semelhança pelo número de Froude, e futuramente pretende-se transitar para o protótipo. Os ensaios de hidrojateamento foram realizados em laboratório, utilizando tanques em forma de paralelepípedo, com paredes em acrílico, preenchidos com solo argiloso. O estudo foi realizado em modelos reduzidos para duas escalas de comprimento, correspondentes a 1:67 e 1:76, com o objetivo de estudar o mecanismo de penetração dos torpedos metálicos e nos fenômenos de hidrojateamento em solo argiloso. O solo foi caracterizado e nos ensaios foram identificados e avaliados: (a) a influência do fluxo de água a partir das variáveis vazão, pressão, velocidade e diâmetro do jato, (b) a influência da massa e diâmetro das hastes metálicas e (c) a interação solo-estaca pós instalação. Os resultados apresentados indicaram que as maiores profundidades de penetração das estacas torpedo foram atingidas para os modelos de maior massa, e também para as maiores vazões do fluxo de água, para maiores pressões de fluxo de água e menor resistência não drenada do solo. Com base nas variáveis controladas foi possível estabelecer um modelo e uma equação para estimar a profundidade máxima atingida por estacas metálicas instaladas por fluidização. Estes resultados complementaram estudos anteriores e permitiram uma avaliação, baseada em modelos reduzidos, na eficiência do jateamento, parâmetros de controle do mecanismo de erosão, profundidade máxima de penetração no leito marinho e capacidade de carga das estacas, sempre utilizando conceitos de similaridade para relacionar modelo e protótipo. / Deep water oil fields discovered by Petrobras in Brazil in 2006 brought new challenges to the offshore industry. Thus, for exploring these basins, research and technology investments are necessary to ensure production conditions, which require development of technological foundation systems, nearshore and offshore. Petrobras designed and patented an anchoring system, the torpedo pile, which serves as foundation to various types of production structures in ultra-deepwater. Torpedo is a steel pile, filled with ballast, having a cone-shaped tip. The anchor installation consists in the free fall of the torpedo from a designated height above the seafloor, which dynamically penetrates into marine clay by the action of gravity acceleration of the torpedo mass. This thesis presents an alternative installation technique for torpedo anchors based on tests carried out in reduced physical models following the law of similarity by the Froude number. The goal was to install model piles by applying downward vertical water jets. The water jetting tests were performed in the laboratory using parallelepiped-shaped tanks with acrylic walls, filled with clayey soil. The study was conducted on reduced scale models for two length scales, corresponding to 1:67 and 1:76, with the aim of studying the penetration mechanism of metal torpedoes and water jetting phenomena in clayey soil. The soil was characterized and tests were performed to identify and evaluated: (a) the influence of water flow, pressure, penetration rate and diameter of the jet, (b) the influence of the mass and diameter of the metal rods and (c) soil-pile interaction after installation. The results presented indicated that the greatest depth of penetration of torpedo piles was achieved for higher mass models, also for the higher flow rates, the Reynolds number, higher water flow pressures and lower undrained resistance of the soil. Based on these variables it was possible to establish a model and an equation to estimate the maximum depth of penetration of metal piles installed by fluidization. These results complement previous studies and allowed an assessment based on reduced models, the jetting efficiency, the control parameters of the erosion mechanism, the maximum penetration depth on the seabed and load capacity of the piles, always using concepts of similarity to relate model and prototype.

A recente descoberta das reservas de petróleo do Pré-Sal no Brasil obrigou a indústria a enfrentar condições de extração adversas, a mais de 1000m de lâmina de água e 5000m de sedimentos. Com o aumento da procura, justificou-se investir em pesquisa e tecnologia para dar resposta aos diversos problemas de exploração em águas ultra profundas. Em condições desfavoráveis de exploração, diversos sistemas tecnológicos submersos autônomos no fundo do mar, nearshore e offshore, tem que ser instalados para resistir a esforços solicitados por plataformas devido a manobras de navios, ondas, correntes marinhas, ventos, etc.. Atualmente a Petrobras utiliza um sistema desenvolvido e patenteado, as estacas torpedo metálicas, para resistir às solicitações e ancorar no leito oceânico as suas plataformas flutuantes. Sua instalação consiste na queda livre e penetração no solo argiloso marinho, por ação da aceleração da gravidade nas suas massas, e que apresenta ainda alguns desafios na instalação. O presente trabalho avalia uma nova técnica de instalação de âncoras para plataformas marítimas de petróleo e outras estruturas, que serve de alternativa e/ou melhoria à técnica já utilizada, e que consiste na instalação de uma haste metálica pela ação do seu peso próprio e por aplicação de jatos de água verticais, provenientes de tubos metálicos inseridos em solos argilosos. O estudo, na primeira etapa descrita nesta tese, concentra-se em modelos reduzidos, seguindo as leis de semelhança pelo número de Froude, e futuramente pretende-se transitar para o protótipo. Os ensaios de hidrojateamento foram realizados em laboratório, utilizando tanques em forma de paralelepípedo, com paredes em acrílico, preenchidos com solo argiloso. O estudo foi realizado em modelos reduzidos para duas escalas de comprimento, correspondentes a 1:67 e 1:76, com o objetivo de estudar o mecanismo de penetração dos torpedos metálicos e nos fenômenos de hidrojateamento em solo argiloso. O solo foi caracterizado e nos ensaios foram identificados e avaliados: (a) a influência do fluxo de água a partir das variáveis vazão, pressão, velocidade e diâmetro do jato, (b) a influência da massa e diâmetro das hastes metálicas e (c) a interação solo-estaca pós instalação. Os resultados apresentados indicaram que as maiores profundidades de penetração das estacas torpedo foram atingidas para os modelos de maior massa, e também para as maiores vazões do fluxo de água, para maiores pressões de fluxo de água e menor resistência não drenada do solo. Com base nas variáveis controladas foi possível estabelecer um modelo e uma equação para estimar a profundidade máxima atingida por estacas metálicas instaladas por fluidização. Estes resultados complementaram estudos anteriores e permitiram uma avaliação, baseada em modelos reduzidos, na eficiência do jateamento, parâmetros de controle do mecanismo de erosão, profundidade máxima de penetração no leito marinho e capacidade de carga das estacas, sempre utilizando conceitos de similaridade para relacionar modelo e protótipo. / Deep water oil fields discovered by Petrobras in Brazil in 2006 brought new challenges to the offshore industry. Thus, for exploring these basins, research and technology investments are necessary to ensure production conditions, which require development of technological foundation systems, nearshore and offshore. Petrobras designed and patented an anchoring system, the torpedo pile, which serves as foundation to various types of production structures in ultra-deepwater. Torpedo is a steel pile, filled with ballast, having a cone-shaped tip. The anchor installation consists in the free fall of the torpedo from a designated height above the seafloor, which dynamically penetrates into marine clay by the action of gravity acceleration of the torpedo mass. This thesis presents an alternative installation technique for torpedo anchors based on tests carried out in reduced physical models following the law of similarity by the Froude number. The goal was to install model piles by applying downward vertical water jets. The water jetting tests were performed in the laboratory using parallelepiped-shaped tanks with acrylic walls, filled with clayey soil. The study was conducted on reduced scale models for two length scales, corresponding to 1:67 and 1:76, with the aim of studying the penetration mechanism of metal torpedoes and water jetting phenomena in clayey soil. The soil was characterized and tests were performed to identify and evaluated: (a) the influence of water flow, pressure, penetration rate and diameter of the jet, (b) the influence of the mass and diameter of the metal rods and (c) soil-pile interaction after installation. The results presented indicated that the greatest depth of penetration of torpedo piles was achieved for higher mass models, also for the higher flow rates, the Reynolds number, higher water flow pressures and lower undrained resistance of the soil. Based on these variables it was possible to establish a model and an equation to estimate the maximum depth of penetration of metal piles installed by fluidization. These results complement previous studies and allowed an assessment based on reduced models, the jetting efficiency, the control parameters of the erosion mechanism, the maximum penetration depth on the seabed and load capacity of the piles, always using concepts of similarity to relate model and prototype.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de previsão de capacidade de carga de estacas, utilizadas em torres e postes de linhas de transmissão de energia elétrica, segundo esforços horizontais, considerando-se as parcelas coesiva e friccional dos solos, bem como um estudo relacionado à melhoria das propriedades do solo nas regiões mais solicitadas. Tal estudo está vinculado a um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento da Companhia Estadual de Energia Elétrica – CEEE, em parceria com a Universidade Federal do Rio Grande do Sul, que visa estabelecer metodologias de capacidade de carga de fundações de linhas de transmissão sob condições distintas de carregamento. A análise do comportamento de estacas sob carregamento lateral foi baseada em simulações numéricas tridimensionais, através do método dos elementos finitos, utilizando-se o software ABAQUS. As simulações ocorreram após extensiva revisão bibliográfica acerca dos métodos de dimensionamento de estacas sob carregamento lateral, modelos constitutivos e propriedades geotécnicas de solos característicos do Rio Grande do Sul, em condições natural, compactada e cimentada. Nas simulações, foram levados em conta parâmetros geotécnicos que representassem os diferentes tipos de solos levantados, bem como a geometria da estaca e o mecanismo de ruptura apresentado mediante solicitação, identificados de acordo com os métodos apresentados. O modelo constitutivo adotado para a condução do programa de simulações foi o de Mohr-Coulomb, o qual foi testado e verificado a partir da simulação numérica de ensaios triaxiais e provas de carga de arrancamento em sapata e carregamento lateral em estaca. A partir dos resultados das simulações, foi realizada a análise da influência de cada parâmetro de entrada sobre a resposta do conjunto solo-estaca, em termos de carga horizontal atingida, deflexão da estaca e deformações do solo, para cada geometria. Os parâmetros que apresentaram maior influência foram coesão, módulo de Young e ângulo de atrito interno. A partir desta análise, para cada geometria estabeleceu-se uma lei de comportamento para estacas submetidas ao carregamento lateral, que relaciona a carga horizontal com um fator de parâmetros que agrega as variáveis mais influentes, contemplando as características coesivo-friccionais do solo. Quanto à geometria, observou-se que, em estacas mais curtas, ocorre a tendência ao giro do elemento estrutural, o qual apresenta menores regiões de concentração de tensões em relação às estacas mais longas, que tendem à formação de rótulas plásticas. A profundidade onde se encontram os maiores níveis de tensão na estaca não variou entre estacas longas de igual diâmetro, assim como a magnitude das tensões no conjunto, indicando que a partir de certa profundidade crítica (relacionada ao diâmetro da estaca e às propriedades geotécnicas do substrato) o aumento da profundidade da estaca é irrelevante. A análise de isovalores de tensão e deslocamentos do solo auxiliou na identificação da área de maior solicitação mediante carregamento horizontal, indicando as regiões onde deveria haver melhorias. O tratamento avaliado foi radial à estaca, tendo-se variado o seu diâmetro e sua profundidade, abrangendo a região mais solicitada. Os resultados demonstraram melhorias significativas mesmo com volumes de tratamento relativamente pequenos. A taxa de melhoria de resistência aumentou com o nível de deflexão relativa, sendo aparentemente função do volume de tratamento. / This paper shows the development of a prediction model of pile's loading capacity, used in towers and poles of electrical energy transmission, with horizontal loading, considering the cohesive and frictional portions of the ground, as well as a study regarding the improvement of the soil’s properties in the most requested areas. Such work is connected to a Research and Development Project of State Company of Electric Energy – CEEE, in partnership with the Federal University of Rio Grande do Sul – UFRGS, with the objective of establishing methodologies of bearing capacity of transmission lines' foundations under different conditions of loading. The analysis of the behavior of piles under lateral loading was based on tridimensional numerical simulations, through the finite element method, being used the ABAQUS software for such calculations. The simulations took place after extensive search through literature regarding design methods of piles under lateral loading, constitutive models and geotechnical properties of soils considered typical in the RS, in natural conditions, compacted and cemented. During the simulations, geotechnical parameters that represent the different kinds of studied soils were taken into account, as well as the geometry of the pile and the rupture mechanism shown by request, identified according to the presented methods. The constitutive model adopted for the conclusion of the simulation program was the one by Mohr-Coulomb, which was tested and verified through the numerical simulation of triaxial tests, uplift load tests on shallow foundation and lateral loading tests on pile. As of the results taken from the simulations, the analysis of the influence of each key parameter on the soilstructure’s behavior took place, in terms of reached horizontal load, deflection of the pile and soil deformation, for each geometry. The parameters that presented more influence were the cohesion, Young’s module and friction angle. From this analysis, for each geometry it was established a behavior law for piles under lateral loading, that relates the horizontal loading with a parameters factor that adds the most influent variables, contemplating the cohesivefrictional characteristics of the soil. When regarding the geometry, it was observed that, in shorter piles there is a tendency to the foundation’s rotation, which presents smaller areas of stress concentration when compared to longer piles, which tend to the formation of yielding hinges. The depth in which the highest stress levels in the pile can be found didn’t vary amidst long piles of same diameter, as well as the magnitude of stresses on foundation system, indicating that from an established critic depth (related to the foundation’s diameter and to the geotechnical properties of the substrate) the increase in the pile’s depth is irrelevant. The analysis of contours of stress and displacements of the soil helped in the identification of the area of greatest request by horizontal loading, indicating the zones where improvements should be done. The treatment evaluated was around the pile, having its diameter and its depth varied, covering the most requested area. The results showed significant improvements even with relatively small improvement fill. The rate of improvement of resistance increased with the level of relative deflection, apparently being function of the treatment volume.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de previsão de capacidade de carga de estacas, utilizadas em torres e postes de linhas de transmissão de energia elétrica, segundo esforços horizontais, considerando-se as parcelas coesiva e friccional dos solos, bem como um estudo relacionado à melhoria das propriedades do solo nas regiões mais solicitadas. Tal estudo está vinculado a um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento da Companhia Estadual de Energia Elétrica – CEEE, em parceria com a Universidade Federal do Rio Grande do Sul, que visa estabelecer metodologias de capacidade de carga de fundações de linhas de transmissão sob condições distintas de carregamento. A análise do comportamento de estacas sob carregamento lateral foi baseada em simulações numéricas tridimensionais, através do método dos elementos finitos, utilizando-se o software ABAQUS. As simulações ocorreram após extensiva revisão bibliográfica acerca dos métodos de dimensionamento de estacas sob carregamento lateral, modelos constitutivos e propriedades geotécnicas de solos característicos do Rio Grande do Sul, em condições natural, compactada e cimentada. Nas simulações, foram levados em conta parâmetros geotécnicos que representassem os diferentes tipos de solos levantados, bem como a geometria da estaca e o mecanismo de ruptura apresentado mediante solicitação, identificados de acordo com os métodos apresentados. O modelo constitutivo adotado para a condução do programa de simulações foi o de Mohr-Coulomb, o qual foi testado e verificado a partir da simulação numérica de ensaios triaxiais e provas de carga de arrancamento em sapata e carregamento lateral em estaca. A partir dos resultados das simulações, foi realizada a análise da influência de cada parâmetro de entrada sobre a resposta do conjunto solo-estaca, em termos de carga horizontal atingida, deflexão da estaca e deformações do solo, para cada geometria. Os parâmetros que apresentaram maior influência foram coesão, módulo de Young e ângulo de atrito interno. A partir desta análise, para cada geometria estabeleceu-se uma lei de comportamento para estacas submetidas ao carregamento lateral, que relaciona a carga horizontal com um fator de parâmetros que agrega as variáveis mais influentes, contemplando as características coesivo-friccionais do solo. Quanto à geometria, observou-se que, em estacas mais curtas, ocorre a tendência ao giro do elemento estrutural, o qual apresenta menores regiões de concentração de tensões em relação às estacas mais longas, que tendem à formação de rótulas plásticas. A profundidade onde se encontram os maiores níveis de tensão na estaca não variou entre estacas longas de igual diâmetro, assim como a magnitude das tensões no conjunto, indicando que a partir de certa profundidade crítica (relacionada ao diâmetro da estaca e às propriedades geotécnicas do substrato) o aumento da profundidade da estaca é irrelevante. A análise de isovalores de tensão e deslocamentos do solo auxiliou na identificação da área de maior solicitação mediante carregamento horizontal, indicando as regiões onde deveria haver melhorias. O tratamento avaliado foi radial à estaca, tendo-se variado o seu diâmetro e sua profundidade, abrangendo a região mais solicitada. Os resultados demonstraram melhorias significativas mesmo com volumes de tratamento relativamente pequenos. A taxa de melhoria de resistência aumentou com o nível de deflexão relativa, sendo aparentemente função do volume de tratamento. / This paper shows the development of a prediction model of pile's loading capacity, used in towers and poles of electrical energy transmission, with horizontal loading, considering the cohesive and frictional portions of the ground, as well as a study regarding the improvement of the soil’s properties in the most requested areas. Such work is connected to a Research and Development Project of State Company of Electric Energy – CEEE, in partnership with the Federal University of Rio Grande do Sul – UFRGS, with the objective of establishing methodologies of bearing capacity of transmission lines' foundations under different conditions of loading. The analysis of the behavior of piles under lateral loading was based on tridimensional numerical simulations, through the finite element method, being used the ABAQUS software for such calculations. The simulations took place after extensive search through literature regarding design methods of piles under lateral loading, constitutive models and geotechnical properties of soils considered typical in the RS, in natural conditions, compacted and cemented. During the simulations, geotechnical parameters that represent the different kinds of studied soils were taken into account, as well as the geometry of the pile and the rupture mechanism shown by request, identified according to the presented methods. The constitutive model adopted for the conclusion of the simulation program was the one by Mohr-Coulomb, which was tested and verified through the numerical simulation of triaxial tests, uplift load tests on shallow foundation and lateral loading tests on pile. As of the results taken from the simulations, the analysis of the influence of each key parameter on the soilstructure’s behavior took place, in terms of reached horizontal load, deflection of the pile and soil deformation, for each geometry. The parameters that presented more influence were the cohesion, Young’s module and friction angle. From this analysis, for each geometry it was established a behavior law for piles under lateral loading, that relates the horizontal loading with a parameters factor that adds the most influent variables, contemplating the cohesivefrictional characteristics of the soil. When regarding the geometry, it was observed that, in shorter piles there is a tendency to the foundation’s rotation, which presents smaller areas of stress concentration when compared to longer piles, which tend to the formation of yielding hinges. The depth in which the highest stress levels in the pile can be found didn’t vary amidst long piles of same diameter, as well as the magnitude of stresses on foundation system, indicating that from an established critic depth (related to the foundation’s diameter and to the geotechnical properties of the substrate) the increase in the pile’s depth is irrelevant. The analysis of contours of stress and displacements of the soil helped in the identification of the area of greatest request by horizontal loading, indicating the zones where improvements should be done. The treatment evaluated was around the pile, having its diameter and its depth varied, covering the most requested area. The results showed significant improvements even with relatively small improvement fill. The rate of improvement of resistance increased with the level of relative deflection, apparently being function of the treatment volume.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de previsão de capacidade de carga de estacas, utilizadas em torres e postes de linhas de transmissão de energia elétrica, segundo esforços horizontais, considerando-se as parcelas coesiva e friccional dos solos, bem como um estudo relacionado à melhoria das propriedades do solo nas regiões mais solicitadas. Tal estudo está vinculado a um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento da Companhia Estadual de Energia Elétrica – CEEE, em parceria com a Universidade Federal do Rio Grande do Sul, que visa estabelecer metodologias de capacidade de carga de fundações de linhas de transmissão sob condições distintas de carregamento. A análise do comportamento de estacas sob carregamento lateral foi baseada em simulações numéricas tridimensionais, através do método dos elementos finitos, utilizando-se o software ABAQUS. As simulações ocorreram após extensiva revisão bibliográfica acerca dos métodos de dimensionamento de estacas sob carregamento lateral, modelos constitutivos e propriedades geotécnicas de solos característicos do Rio Grande do Sul, em condições natural, compactada e cimentada. Nas simulações, foram levados em conta parâmetros geotécnicos que representassem os diferentes tipos de solos levantados, bem como a geometria da estaca e o mecanismo de ruptura apresentado mediante solicitação, identificados de acordo com os métodos apresentados. O modelo constitutivo adotado para a condução do programa de simulações foi o de Mohr-Coulomb, o qual foi testado e verificado a partir da simulação numérica de ensaios triaxiais e provas de carga de arrancamento em sapata e carregamento lateral em estaca. A partir dos resultados das simulações, foi realizada a análise da influência de cada parâmetro de entrada sobre a resposta do conjunto solo-estaca, em termos de carga horizontal atingida, deflexão da estaca e deformações do solo, para cada geometria. Os parâmetros que apresentaram maior influência foram coesão, módulo de Young e ângulo de atrito interno. A partir desta análise, para cada geometria estabeleceu-se uma lei de comportamento para estacas submetidas ao carregamento lateral, que relaciona a carga horizontal com um fator de parâmetros que agrega as variáveis mais influentes, contemplando as características coesivo-friccionais do solo. Quanto à geometria, observou-se que, em estacas mais curtas, ocorre a tendência ao giro do elemento estrutural, o qual apresenta menores regiões de concentração de tensões em relação às estacas mais longas, que tendem à formação de rótulas plásticas. A profundidade onde se encontram os maiores níveis de tensão na estaca não variou entre estacas longas de igual diâmetro, assim como a magnitude das tensões no conjunto, indicando que a partir de certa profundidade crítica (relacionada ao diâmetro da estaca e às propriedades geotécnicas do substrato) o aumento da profundidade da estaca é irrelevante. A análise de isovalores de tensão e deslocamentos do solo auxiliou na identificação da área de maior solicitação mediante carregamento horizontal, indicando as regiões onde deveria haver melhorias. O tratamento avaliado foi radial à estaca, tendo-se variado o seu diâmetro e sua profundidade, abrangendo a região mais solicitada. Os resultados demonstraram melhorias significativas mesmo com volumes de tratamento relativamente pequenos. A taxa de melhoria de resistência aumentou com o nível de deflexão relativa, sendo aparentemente função do volume de tratamento. / This paper shows the development of a prediction model of pile's loading capacity, used in towers and poles of electrical energy transmission, with horizontal loading, considering the cohesive and frictional portions of the ground, as well as a study regarding the improvement of the soil’s properties in the most requested areas. Such work is connected to a Research and Development Project of State Company of Electric Energy – CEEE, in partnership with the Federal University of Rio Grande do Sul – UFRGS, with the objective of establishing methodologies of bearing capacity of transmission lines' foundations under different conditions of loading. The analysis of the behavior of piles under lateral loading was based on tridimensional numerical simulations, through the finite element method, being used the ABAQUS software for such calculations. The simulations took place after extensive search through literature regarding design methods of piles under lateral loading, constitutive models and geotechnical properties of soils considered typical in the RS, in natural conditions, compacted and cemented. During the simulations, geotechnical parameters that represent the different kinds of studied soils were taken into account, as well as the geometry of the pile and the rupture mechanism shown by request, identified according to the presented methods. The constitutive model adopted for the conclusion of the simulation program was the one by Mohr-Coulomb, which was tested and verified through the numerical simulation of triaxial tests, uplift load tests on shallow foundation and lateral loading tests on pile. As of the results taken from the simulations, the analysis of the influence of each key parameter on the soilstructure’s behavior took place, in terms of reached horizontal load, deflection of the pile and soil deformation, for each geometry. The parameters that presented more influence were the cohesion, Young’s module and friction angle. From this analysis, for each geometry it was established a behavior law for piles under lateral loading, that relates the horizontal loading with a parameters factor that adds the most influent variables, contemplating the cohesivefrictional characteristics of the soil. When regarding the geometry, it was observed that, in shorter piles there is a tendency to the foundation’s rotation, which presents smaller areas of stress concentration when compared to longer piles, which tend to the formation of yielding hinges. The depth in which the highest stress levels in the pile can be found didn’t vary amidst long piles of same diameter, as well as the magnitude of stresses on foundation system, indicating that from an established critic depth (related to the foundation’s diameter and to the geotechnical properties of the substrate) the increase in the pile’s depth is irrelevant. The analysis of contours of stress and displacements of the soil helped in the identification of the area of greatest request by horizontal loading, indicating the zones where improvements should be done. The treatment evaluated was around the pile, having its diameter and its depth varied, covering the most requested area. The results showed significant improvements even with relatively small improvement fill. The rate of improvement of resistance increased with the level of relative deflection, apparently being function of the treatment volume.

As obras de engenharia atuais envolvem unidades estruturais de grande porte cujo projeto e execução devem ser cuidadosamente observados. Devido à complexidade das cargas e solicitações estruturais, as metodologias de projeto devem atender a necessidades específicas. A variabilidade geotécnica associada à diversidade de carregamentos, impõe a necessidade de desenvolvimento de metodologias aplicadas especificamente a projetos de fundações que serão sujeitas a carregamentos laterais, tais como pontes, obras portuárias, torres de linhas de transmissão, aerogeradores (onshore e offshore) e plataformas (offshore e nearshore) de exploração de petróleo e gás natural. Existem alguns métodos relatados na literatura geotécnica para projeto de fundações submetidas a esforços horizontais. Nenhum destes métodos considera uma solução baseada no simples reforço, através de técnicas de cimentação, dos solos na sua camada superficial, radial à estaca. Dessa forma, procura-se na presente pesquisa estudar o comportamento de fundações profundas com reforço do solo na sua camada superficial, sujeitas a carregamentos horizontais. São apresentadas diretrizes de projeto, estabelecendo-se ainda um modelo de previsão da capacidade de carga de fundações profundas submetidas a este tipo de carregamentos. Ensaios em campo experimental e simulações numéricas tridimensionais, usando o Método dos Elementos Finitos foram realizados, por forma a se obter uma melhor compreensão do comportamento de estacas carregadas lateralmente. Considerando o diâmetro da estaca (D) e a sua profundidade (L), no campo experimental, foram definidas razões L/D representando o comportamento de estacas rígidas e flexíveis. Diversos ensaios de carregamento horizontal foram realizados para estas relações L/D, em solo natural e com solo melhorado radial às estacas. As análises numéricas consistiram numa análise paramétrica onde foram variados parâmetros geométricos (da estaca e do solo tratado) e geotécnicos, necessários à caracterização dos materiais no modelo utilizado, o de Mohr-Coulomb. O modelo de previsão proposto foi obtido com base na análise dos resultados de simulações numéricas usando o software ABAQUS®, validados com provas de cargas no campo experimental. É também de salientar que nesta pesquisa apenas será considerada a ruptura geotécnica, pelo que é assumido que as estacas têm comportamento elástico. Do estudo realizado pode-se concluir que o uso de uma camada superficial de solo tratado radial à estaca melhora significativamente o desempenho do sistema, aumentando a sua capacidade de carga e diminuindo a sua deformação, mostrando ser uma ótima e promissora alternativa para fundações profundas sujeitas a carregamentos horizontais. / Current engineering works typically envolve large structural units whose design and implementation should be closely observed. Due to the complexity of the loads and structural needs, the design methodologies should comply specific requirements. The geotechnical variability combined with the loads diversity imposes the need to develop methodologies applied specifically to projects whose foundations will be laterally loaded, like bridges, harbors, transmission line towers, onshore and offshore wind turbines, among others. There are several methods reported in geotechnical literature to design piles that will be subjected to horizontal loads. However, none of these methods consider a solution based on a simple soil reinforcement using cementation techniques, in a superficial layer, radial to pile. The main goal of this research is to study the behavior of deep foundations with a reinforced soil system, subjected to lateral loads. Design guidelines are presented, leading to a model that predicts the ultimate load capacity of deep foundations subjected to these types of efforts. Field tests and tridimensional numerical simulations using the Finite Element Method were performed in order to achieve a better understanding of the behaviour of laterally loaded piles. Considering the pile diameter (D) and its depth (L), different L/D ratio were defined, corresponding to rigid and flexible piles. Using these L/D ratios, in both natural and reinforced soils, numerical and field tests were performed to provide experimental evidences of its behaviour. Numerical tests consisted in a parametric analysis where different geometric (pile and treated soil) and geotechnical parameters, necessaries to the Mohr-Coulomb model, have been modified. The proposed prediction model is based on the analysis of the numerical simulations results, using ABAQUS® software, validated with the field tests. It is important to point that in this study only geotechnical rupture is considered. Therefore it is assumed that piles have elastic behaviour. Has been concluded that the use of a superficial treated layer, radial to pile, considerably improves the system performance, increasing the lateral load capacity and decreasing their deformation, showing that this technique could be a promising solution to deep foundations subjected to horizontal loads.

As obras de engenharia atuais envolvem unidades estruturais de grande porte cujo projeto e execução devem ser cuidadosamente observados. Devido à complexidade das cargas e solicitações estruturais, as metodologias de projeto devem atender a necessidades específicas. A variabilidade geotécnica associada à diversidade de carregamentos, impõe a necessidade de desenvolvimento de metodologias aplicadas especificamente a projetos de fundações que serão sujeitas a carregamentos laterais, tais como pontes, obras portuárias, torres de linhas de transmissão, aerogeradores (onshore e offshore) e plataformas (offshore e nearshore) de exploração de petróleo e gás natural. Existem alguns métodos relatados na literatura geotécnica para projeto de fundações submetidas a esforços horizontais. Nenhum destes métodos considera uma solução baseada no simples reforço, através de técnicas de cimentação, dos solos na sua camada superficial, radial à estaca. Dessa forma, procura-se na presente pesquisa estudar o comportamento de fundações profundas com reforço do solo na sua camada superficial, sujeitas a carregamentos horizontais. São apresentadas diretrizes de projeto, estabelecendo-se ainda um modelo de previsão da capacidade de carga de fundações profundas submetidas a este tipo de carregamentos. Ensaios em campo experimental e simulações numéricas tridimensionais, usando o Método dos Elementos Finitos foram realizados, por forma a se obter uma melhor compreensão do comportamento de estacas carregadas lateralmente. Considerando o diâmetro da estaca (D) e a sua profundidade (L), no campo experimental, foram definidas razões L/D representando o comportamento de estacas rígidas e flexíveis. Diversos ensaios de carregamento horizontal foram realizados para estas relações L/D, em solo natural e com solo melhorado radial às estacas. As análises numéricas consistiram numa análise paramétrica onde foram variados parâmetros geométricos (da estaca e do solo tratado) e geotécnicos, necessários à caracterização dos materiais no modelo utilizado, o de Mohr-Coulomb. O modelo de previsão proposto foi obtido com base na análise dos resultados de simulações numéricas usando o software ABAQUS®, validados com provas de cargas no campo experimental. É também de salientar que nesta pesquisa apenas será considerada a ruptura geotécnica, pelo que é assumido que as estacas têm comportamento elástico. Do estudo realizado pode-se concluir que o uso de uma camada superficial de solo tratado radial à estaca melhora significativamente o desempenho do sistema, aumentando a sua capacidade de carga e diminuindo a sua deformação, mostrando ser uma ótima e promissora alternativa para fundações profundas sujeitas a carregamentos horizontais. / Current engineering works typically envolve large structural units whose design and implementation should be closely observed. Due to the complexity of the loads and structural needs, the design methodologies should comply specific requirements. The geotechnical variability combined with the loads diversity imposes the need to develop methodologies applied specifically to projects whose foundations will be laterally loaded, like bridges, harbors, transmission line towers, onshore and offshore wind turbines, among others. There are several methods reported in geotechnical literature to design piles that will be subjected to horizontal loads. However, none of these methods consider a solution based on a simple soil reinforcement using cementation techniques, in a superficial layer, radial to pile. The main goal of this research is to study the behavior of deep foundations with a reinforced soil system, subjected to lateral loads. Design guidelines are presented, leading to a model that predicts the ultimate load capacity of deep foundations subjected to these types of efforts. Field tests and tridimensional numerical simulations using the Finite Element Method were performed in order to achieve a better understanding of the behaviour of laterally loaded piles. Considering the pile diameter (D) and its depth (L), different L/D ratio were defined, corresponding to rigid and flexible piles. Using these L/D ratios, in both natural and reinforced soils, numerical and field tests were performed to provide experimental evidences of its behaviour. Numerical tests consisted in a parametric analysis where different geometric (pile and treated soil) and geotechnical parameters, necessaries to the Mohr-Coulomb model, have been modified. The proposed prediction model is based on the analysis of the numerical simulations results, using ABAQUS® software, validated with the field tests. It is important to point that in this study only geotechnical rupture is considered. Therefore it is assumed that piles have elastic behaviour. Has been concluded that the use of a superficial treated layer, radial to pile, considerably improves the system performance, increasing the lateral load capacity and decreasing their deformation, showing that this technique could be a promising solution to deep foundations subjected to horizontal loads.

As obras de engenharia atuais envolvem unidades estruturais de grande porte cujo projeto e execução devem ser cuidadosamente observados. Devido à complexidade das cargas e solicitações estruturais, as metodologias de projeto devem atender a necessidades específicas. A variabilidade geotécnica associada à diversidade de carregamentos, impõe a necessidade de desenvolvimento de metodologias aplicadas especificamente a projetos de fundações que serão sujeitas a carregamentos laterais, tais como pontes, obras portuárias, torres de linhas de transmissão, aerogeradores (onshore e offshore) e plataformas (offshore e nearshore) de exploração de petróleo e gás natural. Existem alguns métodos relatados na literatura geotécnica para projeto de fundações submetidas a esforços horizontais. Nenhum destes métodos considera uma solução baseada no simples reforço, através de técnicas de cimentação, dos solos na sua camada superficial, radial à estaca. Dessa forma, procura-se na presente pesquisa estudar o comportamento de fundações profundas com reforço do solo na sua camada superficial, sujeitas a carregamentos horizontais. São apresentadas diretrizes de projeto, estabelecendo-se ainda um modelo de previsão da capacidade de carga de fundações profundas submetidas a este tipo de carregamentos. Ensaios em campo experimental e simulações numéricas tridimensionais, usando o Método dos Elementos Finitos foram realizados, por forma a se obter uma melhor compreensão do comportamento de estacas carregadas lateralmente. Considerando o diâmetro da estaca (D) e a sua profundidade (L), no campo experimental, foram definidas razões L/D representando o comportamento de estacas rígidas e flexíveis. Diversos ensaios de carregamento horizontal foram realizados para estas relações L/D, em solo natural e com solo melhorado radial às estacas. As análises numéricas consistiram numa análise paramétrica onde foram variados parâmetros geométricos (da estaca e do solo tratado) e geotécnicos, necessários à caracterização dos materiais no modelo utilizado, o de Mohr-Coulomb. O modelo de previsão proposto foi obtido com base na análise dos resultados de simulações numéricas usando o software ABAQUS®, validados com provas de cargas no campo experimental. É também de salientar que nesta pesquisa apenas será considerada a ruptura geotécnica, pelo que é assumido que as estacas têm comportamento elástico. Do estudo realizado pode-se concluir que o uso de uma camada superficial de solo tratado radial à estaca melhora significativamente o desempenho do sistema, aumentando a sua capacidade de carga e diminuindo a sua deformação, mostrando ser uma ótima e promissora alternativa para fundações profundas sujeitas a carregamentos horizontais. / Current engineering works typically envolve large structural units whose design and implementation should be closely observed. Due to the complexity of the loads and structural needs, the design methodologies should comply specific requirements. The geotechnical variability combined with the loads diversity imposes the need to develop methodologies applied specifically to projects whose foundations will be laterally loaded, like bridges, harbors, transmission line towers, onshore and offshore wind turbines, among others. There are several methods reported in geotechnical literature to design piles that will be subjected to horizontal loads. However, none of these methods consider a solution based on a simple soil reinforcement using cementation techniques, in a superficial layer, radial to pile. The main goal of this research is to study the behavior of deep foundations with a reinforced soil system, subjected to lateral loads. Design guidelines are presented, leading to a model that predicts the ultimate load capacity of deep foundations subjected to these types of efforts. Field tests and tridimensional numerical simulations using the Finite Element Method were performed in order to achieve a better understanding of the behaviour of laterally loaded piles. Considering the pile diameter (D) and its depth (L), different L/D ratio were defined, corresponding to rigid and flexible piles. Using these L/D ratios, in both natural and reinforced soils, numerical and field tests were performed to provide experimental evidences of its behaviour. Numerical tests consisted in a parametric analysis where different geometric (pile and treated soil) and geotechnical parameters, necessaries to the Mohr-Coulomb model, have been modified. The proposed prediction model is based on the analysis of the numerical simulations results, using ABAQUS® software, validated with the field tests. It is important to point that in this study only geotechnical rupture is considered. Therefore it is assumed that piles have elastic behaviour. Has been concluded that the use of a superficial treated layer, radial to pile, considerably improves the system performance, increasing the lateral load capacity and decreasing their deformation, showing that this technique could be a promising solution to deep foundations subjected to horizontal loads.