Soluções de contenções para o projeto da Nova Subida da Serra de Petrópolis (BR-040)

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1 Soluções de contenções para o projeto da Nova Subida da Serra de Petrópolis (BR-040) Celso Felipe Bora Intertechne Consultores S.A, Curitiba, Brasil, cfb@intertechne.com.br Marcelo Miqueletto Intertechne Consultores S.A, Curitiba, Brasil, mm@intertechne.com.br Rosemeri Varejão Correia Pereira Muniz & Spada Engenheiros Consultores Ltda, Rio de Janeiro, Brasil, rose@munizspada.com.br Janaina Dias Avelino Muniz & Spada Engenheiros Consultores Ltda, Rio de Janeiro, Brasil, janaina@munizspada.com.br Luiz Muniz da Silva Muniz & Spada Engenheiros Consultores Ltda, Rio de Janeiro, Brasil, muniz@munizspada.com.br Soraia Bastos Katereniuk Intertechne Consultores S.A, Curitiba, Brasil, sbk@intertechne.com.br RESUMO: O projeto da Nova Subida da Serra de Petrópolis trata da duplicação e modernização da BR-040, no trecho entre os municípios do Duque de Caxias e Petrópolis, no Estado do Rio de Janeiro. O trecho da futura duplicação se estende por grande parte da atual pista de descida, até a região do mirante, existente no traçado atual. A partir desse trecho as pistas projetadas se separam. A nova pista de subida atravessa o maciço rochoso através de um túnel de aproximadamente 5 quilômetros e a pista de descida mantém a mesma implantação ora ocupada. As pistas voltam a se encontrar após o desemboque do túnel, seguindo rumo a Juiz de Fora. Diversas obras de estabilização foram projetadas no trecho em questão, com a finalidade de conter as escavações e os aterros necessários à implantação da duplicação. A solução predominantemente utilizada foi a de cortinas atirantadas, tanto para contenção de cortes como de aterros, mas também se adotaram estruturas de solos grampeados e muros de gabião utilizando-se elementos de reforço no reaterro do paramento de montante, em trechos específicos. Soluções compostas foram necessárias para contenção de segmentos de rodovia que atravessam depósitos de encostas, onde a adoção de um tipo único não seria tecnicamente viável. Além disso, foram necessárias análises de trechos sob influência de desmonte rochoso. Este trabalho apresenta a campanha de investigação geotécnica realizada para obtenção dos parâmetros de projeto. Também são mostrados os parâmetros obtidos, a metodologia de projeto utilizada e as soluções projetadas para a obra. São apresentados os detalhes construtivos recomendados, destacando-se a drenagem do maciço para manutenção das condições de projeto. PALAVRAS-CHAVE: Contenções, Encostas, Estabilidade de Taludes. 1 INTRODUÇÃO Um dos grandes passivos geotécnicos existentes em nossas rodovias são os taludes de corte para abertura das pistas de rolamento, sendo especialmente perigosos em trechos de serras devido às características topográficas e orográficas favoráveis a escorregamentos e movimentos de massa. Um bom diagnóstico geológico-geotécnico

2 pode contribuir para que os riscos potenciais sejam mitigados, através da identificação de pontos instáveis e seus condicionantes aos escorregamentos. O projeto da Nova Subida da Serra de Petrópolis trata da duplicação e modernização da BR-040, a região localiza-se na porção centro sul do estado do Rio de Janeiro no segmento compreendido entre o km 80 e km 103, abrangendo áreas pertencentes aos municípios de Duque de Caxias e Petrópolis. Praticamente encontra-se inserida dentro da denominada região serrana do estado do Rio de Janeiro, como apresentado na Figura 1. variedades e formas de terreno será ultrapassado pela rodovia, através da execução de um túnel, pontes e viadutos, além de cortes e aterros com expressivas modificações do relevo atual, integradas e adequadas para promover a estabilidade e segurança das obras. 2 ASPECTOS GEOLÓGICOS E GEOTÉCNICOS O maciço rochoso, na região da rodovia, é composto por rochas cristalinas pré-cambrianas, representadas predominantemente por gnaisses. Já a cobertura é formada em ambiente de encosta, composta principalmente por Colúvios (terço médio da encosta) e Tálus (terço inferior da encosta). Na Figura 2 é apresentada uma imagem de satélite (Geocover) que ressalta as principais direções estruturais do maciço e que esculpem a morfologia serrana. Figura 2. Imagem Landsat Sombreada da área. Figura 1. Localização da Área. Destaca-se, como aspecto relevante do traçado a transposição de um trecho de região serrana constituído por maciços rochosos que aliados aos processos de intemperismo são responsáveis por morfologias de relevo variáveis, obrigando adoção de soluções de engenharia mais ousadas, visando, também, respeitar as condições ambientais. Dentro das atuais concepções desenvolvidas nos estudos de traçado, este conjunto de As definições preliminares para a implantação de obras de contenção e estabilização partiram de critérios geológicogeotécnicos locais, imposições topográficas que gerariam taludes de corte de extensão significativa e critérios ambientais quando observado que a implantação da estrutura de contenção reduziria a intervenção em taludes de vegetação densa ou primária.

3 3 CAMPANHA DE INVESTIGAÇÃO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICA A campanha de investigação geotécnica foi realizada em duas etapas distintas, compreendendo sondagens in situ, ensaios de campo e de laboratório. Na primeira etapa, que deu origem a um projeto básico, foram realizadas visitas a campo, onde se procedeu o reconhecimento e mapeamento da região, locando-se sondagens a percussão e sondagens mistas. Na segunda etapa, que deu origem ao projeto executivo, se adensaram as investigações geotécnicas, com sondagens e ensaios de campo e de laboratório. O período total de realização das investigações foi de 20 meses, iniciando em maio de 2010 com término em dezembro de Por se tratar de uma obra linear de grande extensão, com cerca de 22 km, e localizada em região de alta complexidade de relevo, o projeto conta com 29 obras de arte especiais e 19 obras de contenção. Em decorrência a este número elevado de obras de arte e contenções, a campanha de investigação geológico-geotécnica foi ampliada, contando com diversos tipos de investigações. A campanha total compreendeu 118 sondagens a percussão, 196 sondagens mistas, 165 sondagens a trado, 13 ensaios de CPTu, 28 ensaios de dissipação de poro pressão, 59 poços de inspeção para caracterização do pavimento, além de levantamentos geofísicos (caminhamento elétrico e sondagem elétrica vertical) e ensaios de laboratório. Para a realização dos ensaios de laboratório foram executados 13 poços de investigação com coletas de material deformado e de blocos indeformados visando à caracterização da camada superficial de solo (colúvio e solo residual). A profundidade dos poços foi limitada de forma a garantir a segurança da escavação. A programação inicial previa a coleta de 9 blocos indeformados. Durante a campanha não foi possível à abertura dos poços para a coleta dos blocos BL-06 e BL-08, devido à presença de blocos de rocha (zona de tálus). Os blocos BL-01 a BL-04 foram coletados já próximos à baixada no trecho onde foi projetado um aterro de grandes dimensões. Os Blocos BL-05, BL-07 e BL-09 foram coletados em locais relativamente próximos as contenções propostas e assim foram utilizados para determinação dos parâmetros que foram utilizados nos projetos. Os ensaios realizados nas amostras foram os seguintes: compressão triaxial adensado rápido por percolação e contra pressão, não drenado, com medida de pressão neutra (σ 3 = 50, 150, 300 e 450 kpa), limite de liquidez, limite de plasticidade, teor de umidade natural, densidade real do solo, granulometria e massa específica aparente dos grãos. Na Tabela 1 apresenta-se um resumo com os principais resultados encontrados. Tabela 1 - Parâmetros geotécnicos. Bloco Classificação % % % % LL LP W Coesão Ângulo de Sondador Argila Silte AreiaPedr. (%) (%) (%) (kpa) atrito (º) BL-01 Argila areno-siltosa ,1 30,7 24,9 11,7 30,1 BL-02 Argila areno-siltosa ,7 30,3 26,1 1,9 29,6 BL-03 Argila arenosa ,8 42,9 36,4 11,5 33,1 BL-04 Silte argiloso ,5 32,2 26,9 14,3 24,4 BL-05 Argila arenosa ,7 29,4 22,5 5,8 26,5 BL-07 Areia silto-argilosa ,5 31,1 31,0 8,2 33,2 BL-09 Silte ,5 31,1 29,3 8,2 33,4

4 As Figuras 3, 4 e 5 apresentam as trajetórias de tensões efetivas obtidas nos ensaios triaxiais dos Blocos BL-05, BL-07 e BL-09. Figura 3. Trajetória de tensões efetivas do Bloco BL-05. longitudinal definidas pelo Projeto Geométrico, bem como informações dos estudos geotécnicos, contenções previstas, processos executivos e aspectos ambientais. Foi adotada uma gabaritagem padrão para taludes de corte e aterro. Taludes de corte em material de 3ª categoria (rocha) com inclinação de 1(H):4(V), banquetas de 2 metros e altura máxima de 10 metros. Taludes em materiais de 1ª e 2ª categoria (solo) devem ter geometria com inclinação mais abatida de 1(H):1(V) com banquetas de 3 metros e altura máxima de 8 metros. Os taludes de aterro deverão possuir inclinação padrão de 1,5(H):1(V) com banquetas de 3 metros. A altura máxima deverá ser limitada em 8 metros. 5 CONTENÇÕES Figura 4. Trajetória de tensões efetivas do Bloco BL-07. O projeto da Nova Subida da Serra de Petrópolis contempla 19 contenções. As soluções adotadas neste projeto foram: solos grampeados, cortinas atirantadas, muros de solo reforçado e terra armada. Dentre estes projetos de contenções existem alguns casos particulares os quais merecem ser listados, pois foram contempladas soluções fora do usual. 5.1 Contenções entre as estacas 749 e ,0 Figura 5. Trajetória de tensões efetivas do Bloco BL-09. No decorrer do desenvolvimento dos projetos foram realizados mapeamentos geológicos-geotécnicos de campo, a fim de caracteriazar mais adequadamente algumas importantes condicionantes de projeto, tais como: posição de topo rochoso, espessuaras de material coluvionar e residual, topografia, etc. 4 TERRAPLENAGEM A elaboração do Projeto de Terraplenagem levou em consideração as características geométricas da seção transversal e do perfil No trecho entre o Belvedere e o Emboque do túnel, mais precisamente entre as estacas 749+0,0 e ,0 foi projetado um sistema de contenção composto por uma cortina atirantada e um muro de solo reforçado constituído por caixas do tipo gabião, reforçadas com geogrelha. A adoção de um sistema de contenção composto por dois tipos de contenções diferentes se baseia no perfil geológicogeotécnico, que apresenta uma camada superior relativamente espessa e longa de tálus sobreposta a uma camada de solo residual e só a uma profundidade já grande a rocha (Figura 6). Foi utilizado então na parte superior, onde a implantação de uma cortina atirantada seria inviável, devido dificuldade de ancorar os tirantes em solo com boas características de

5 resistência, um muro de solo reforçado. O muro de solo reforçado é uma estrutura flexível e drenante, logo que se adapta perfeitamente a possibilidade de movimentação do maciço arrimado, como o caso do maciço de tálus existente na região. O fato de ser uma estrutura bastante permeável evita acúmulo de água no tardoz da contenção. Devido a grande intensidade das chuvas que ocorrem na região colocaram-se drenos subhorizontais profundos 2 m abaixo da base do muro com 30 m de comprimento e a cada 4 m de extensão, de forma a drenar a água de chuva do maciço e manter as condições de projeto. É importante referir que o muro de solo reforçado sozinho é insuficiente para garantir a um fator de segurança global necessário. Com base no exposto houve a necessidade da implantação de uma cortina atirantada numa cota inferior a base do muro reforçado, garantindo assim que os tirantes pudessem ser ancorados em solo residual. Será apresentada uma seção de estudo localizada na estaca 750 como mostra a Figura 6 a seguir. Figura 6. Seção estaca 750. Os parâmetros dos materiais considerados no dimensionamento são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 - Parâmetros geotécnicos. Solo Ângulo de Atrito ( ) Coesão (kpa) Peso Esp. (kn/m³) Aterro Tálus Residual Enchiment o Nos dimensionamentos efetuados foi considerada uma sobrecarga de utilização de 15 kpa. Com os parâmetros geotécnicos anteriormente expostos e as condições de carregamento apresentadas, foram feitas as análises de estabilidade global. Estes estudos foram realizados pelos Métodos de Equilíbrio Limite, através do software SLOPE/W da GEO- SLOPE International Ltda.

6 Foi feita a análise de estabilidade global considerando somente um muro de solo reforçado com face em gabião com 8,0 m de altura e 12 m de largura, de forma a permitir a execução do aterro necessário à nova pista. Como o fator de segurança obtido foi de 1,35, fez-se então necessária a utilização de mais uma obra de contenção de forma a aumentar o fator de segurança global. A escolha do posicionamento da cortina atirantada foi feita de forma a que ela tivesse uma maior eficiência no aumento do fator de segurança, além de garantir que se pudesse ancorar os tirantes em solo residual. Adotou-se então a implantação de uma cortina atirantada com 5 m de altura, apoiada na camada de solo residual, com 2 linhas de tirantes com comprimentos de 26 e 21 m e capacidade de carga de 350 kn, espaçados horizontalmente em 2,5 m. A análise da estabilidade global através da superfície crítica que se inicia na cota da crista do muro de contenção e que passa abaixo do pé da cortina é apresentada na Figura 7 e resultou em um fator de segurança considerado satisfatório para a obra em questão (FS=1,52) Contenções entre as estacas 530+2,7 e ,6 Durante uma das visitas a BR-040, constatou-se a presença de fendas de tração no pavimento da pista existente no trecho entre as estacas 530+2,7 a ,6, Km 92,5 da pista autal (Figura 8). Figura 8. Foto da trinca no pavimento. Através de análises de estabilidade global feitas com a topografia atual, verificou-se a necessidade da implantação de uma estrutura de suporte do tipo cortina atirantada de forma a conferir um fator de segurança adequado para utilização da pista. Apresenta-se na Figura 9 a seção de estudo que passa pela estaca Os parâmetros dos materiais considerados no dimensionamento são apresentados na Tabela 3. Tabela 3. Parâmetros geotécnicos. Solo Ângulo de Atrito ( ) Aterro Colúvio Residual Maduro Residual Jovem Figura 7. Estabilidade Global com o Muro de Solo Reforçado e a Cortina Atirantada. Os fatores de segurança obtidos considerando-se uma superfície crítica que se inicia na cota da crista do muro de conteção e que passa abaixo do seu pé e de uma superfície crítica que se inicia na cota da crista da cortina e passa abaixo do seu pé são 1,47 e 2,17 respectivamente. Coesão (kpa) Peso Esp. (kn/m³)

7 Analisou-se então a implantação de uma cortina atirantada a jusante da pista existente com 15 m de altura e 6 linhas de tirantes com capacidade de carga de 350 kn espaçados horizontalmente de 2,5 m. A primeira análise efetuada considerou a topografia atual e obteve-se um fator de segurança de 1,44. Figura 9. Seção estaca Para a implantação da nova pista de subida será necessária a escavação do talude a montante a pista. Efetuou-se então uma segunda análise com a geometria prevista (situação final), para a seção de estudo, obtendo-se um fator de segurança de 1,78 (Figura 10) Figura 10. Estabilidade Global da Cortina Atirantada. Próximo ao local da contenção está previsto o desmonte de rocha a fogo, para a implantação da nova pista. Para avaliar o efeito do sismo induzido na contenção efetuaram-se mais duas análises de estabilidade global da cortina agora considerando um coeficiente de aceleração sismica de 0,15g. Na primeira análise utilizouse a topografia atual e na segunda, a situação final com a geometria prevista. Os fatores de segurança obtidos foram de 1,07 e de 1,25 respectivamente. Com base nos resultados encontrados e para não penalizar a contenção densificando os tirantes para garantir um fator de segurança maior, para uma situação provisória, propôs-se que o desmonte de rocha a fogo no trecho próximo a seção de estudo só pode ser realizado após a escavação para a implantação da geometria prevista e que se deve garantir que o coeficiente de aceleração sismica seja inferior a 0,15g. Com essas premissas, garante-se um

8 fator de segurança de 1,25 (Figura 11) que é considerado satisfatório para a situação provisória de aplicação do sismo causado pelo desmonte a fogo Figura 11. Estabilidade Global da Cortina (s= 0,15g). Rio de Janeiro/Juiz de Fora pela autorização do uso dos dados referente à sua obra e a FINEP como financiadora de estudos e projetos. REFERÊNCIAS Terzaghi, K. e Peck, R.B. (1987). Soil Mechanics in Engineering Practice, 2nd ed., McGraw Hill, New York, NY, USA, 685 p. Geo-Slope International. (2007) Stability Modeling with Slope/W 2007 An Engineering Methodology. Second Edition, Alberta, Canadá, 322 p. TSCHEBOTARIOFF, G. P. (1973) Fundações, Estruturas de Arrimo e Obras de Terra, 1978, Mc Graw-Hill do Brasil Ltda. GEO-RIO: Manual Técnico de Encostas da Fundação Geo-Rio, Volume 3, Muros. GEO-RIO: Manual Técnico de Encostas da Fundação Geo-Rio, Volume 4, Ancoragens e Grampos. Devido ao efeito danoso da água da chuva no maciço, principalmente durante um possível sismo, previu-se um sistema de drenagem que garanta as premissas de projeto. 6 CONCLUSÕES O projeto da Nova Subida da Serra de Petrópolis contempla ampla variedade de soluções geotécnicas em contenções. A localização da obra impõe soluções refinadas de engenharia para que seja possível a transposição do relevo serrano por uma rodovia com traçado que proporcione boas condições de uso e segurança. Casos especiais, como o apresentado anteriormente, exigem soluções conjuntas para que seja garantida a estabilidade com coeficientes de segurança satisfatórios. As soluções de contenções devem sempre estar aliadas a um eficiente sistema de drenagem de modo a fazer com que o maciço permaneça estável. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Intertechne Consultores S.A. por disponibilizar os dados utilizados neste trabalho, à CONCER que administra a rodovia