Estabilização de Encostas com Muros de Gravidade de Geocélula

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1 Estabilização de Encostas com Muros de Gravidade de Geocélula Avesani Neto, J. O. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT, São Paulo, SP, Brasil, avesani@ipt.br Bueno, B. S. Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo EESC/USP, São Carlos, SP, Brasil, bsbueno@sc.usp.br Resumo: A intervenção em encostas com cortes e aterros objetivando um melhor aproveitamento do espaço é uma necessidade incontestável em obras geotécnicas. Desta forma, criaram-se distintos modos de estabilização destes taludes, alguns mais recentes como a utilização de solos reforçados com geossintéticos. Dentre os diversos materiais geossintéticos possíveis de utilização para compor uma estrutura de solo reforçado, há uma ênfase para a crescente utilização da geocélula, que possui plenas condições de, em associação com o solo, estabilizar encostas e compor muros de gravidade. Neste cenário em expansão, se torna necessário um melhor entendimento deste material empregado e de como ele deve ser concebido e analisado em um projeto de estabilização. Assim, este artigo explora um pouco o universo da geocélula com informações acerca de sua origem, definição, caracterização e empregos e expõem práticas de projeto necessárias em sua utilização como verificações e fatores de segurança previstos. Abstract: The intervention in slopes and embankments to a better use of space is an indisputable require in geotechnical works. Thus, there are different ways of stabilizing these slopes, some more recent such as the use of soil reinforced with geosynthetics. Among the various geosynthetics materials used to compose a structure of reinforced soil, there is an emphasis on the growing use of geocell, which has full conditions, in association with the soil, to stabilize slopes and walls. In this crescent application, it is necessary a better understanding of the material used and how it should be designed and analyzed in one stabilization work. Therefore, this article explores the geocell universe with information about its origin, definition, characterization and employment practices and expose the project required in their use as stabilities checks and factors of safety provided. 1 INTRODUÇÃO O uso de geossintéticos tem se mostrado eficientes nas mais diversas áreas da Engenharia Civil, com destaque especial na Engenharia Geotécnica. Contando com distintos geossintéticos, manufaturados a partir de variados tipos de matérias primas, hoje se podem elaborar diversas soluções em problemas de engenharia tais como instabilidades de taludes, impermeabilização de áreas e reforço e melhoria de solos, por exemplo. Um emprego de forte utilização de geossintéticos é em estabilização de encostas com solo reforçado. Para esta aplicação, há uma gama variada de soluções empregando materiais sintéticos, sendo estes: geotêxteis tecido e não tecido, geogrelhas, geotiras, geofibras e, mais recentemente, o geoxpandido e a geocélula. A atuação destes materiais na estabilização de encostas difere entre si devido a suas características físicas e mecânicas. Enquanto o geoexpandido tem como predicados propícios a sua baixa massa específica aliada a grande resistência, a geocélula utiliza de sua capacidade de confinamento tridimensional para compor uma estrutura resistente e com propriedades interessantes na estabilização de maciços de solo e os outros materiais geossintéticos promovem o reforço sendo utilizados em forma de inclusões no maciço. Dentre estes materiais, a geocélula e o geoexpandido figuram, ainda, como alternativas. Entretanto, a utilização destes dois materiais podem se mostrar de maior viabilidade em relação aqueles sob muitos aspectos. Neste trabalho, destacam-se as aplicabilidades e características da utilização da geocélula neste contexto. Informações mais detalhadas acerca do geoexpandido podem ser obtidas em Avesani Neto (2008), Duskov (1997) e Stark et al. (2004). 1

2 2 SOBRE A GEOCÉLULA 2.1 Definição A norma brasileira NBR de 1997, o Curso Básico de Geotêxteis (ABINT, 2001) e o Manual Brasileiro de Geossintéticos (AGUIAR e VERTEMATTI, 2004) definem o geossintético geocélula (GL ou GCE) como um produto com estrutura tridimensional aberta, constituída de células interligadas, que confinam mecanicamente os materiais nela inseridos, com função predominante de reforço e controle de erosão. Outras definições que expressam o mesmo sentido podem ser encontradas na literatura internacional, citando aqui aquela expressa por Koerner (1994), que define geocélulas como uma caixa composta por tiras rígidas de polímeros habilmente dispostas verticalmente com formato celular, utilizado em arranjo horizontal (com as células na vertical) e preenchidas com solo, de sorte a gerar um confinamento celular capaz de criar um colchão impressionantemente forte e estável. 2.2 Caracterização O desenvolvimento do conceito de reforço do solo por confinamento celular é proveniente de motivações militares norte-americanas da década de 70 creditadas ao United States Army Corps of Engineers, que criaram o conceito de estabilização de materiais granulares como areias de praias, sobre carregamentos de trânsito de veículos. A necessidade era criar técnicas para a rápida construção de uma base sólida e firme o suficiente para servir de estradas e pistas de pouso e decolagem em praias e desertos (MENESES, 2004 e WESSELOO et al., 2008). Devido ao sucesso desta tecnologia, sua assimilação para fins civil foi rapidamente efetuada de forma que nas décadas posteriores a geocélula já era um material produzido comercialmente por diversas indústrias e se tornou uma técnica disseminada em diversos lugares do planeta. Por conta de sua ampla difusão no mercado, hoje pode ser encontrado uma gama muito vasta de tipos de geocélulas. Dentre as manufaturadas, elas podem diferir quanto ao material composto, tipo de solda das tiras, formato, dimensões da célula abertura (d), altura (h) e relação de forma (h/d), e características especiais. Usualmente, as geocélulas são fabricadas com os mesmos materiais de outros geossintéticos como o Polietileno (PE) e o Polietileno de Alta Densidade (PEAD) das geomembranas, e o Poliéster (PET) e o Polipropileno (PP) dos geotêxteis e geogrelhas. São feitas tiras com dimensões pré-definidas, e soldadas umas as outras para obter o formato celular. Para a união destas tiras em geocélulas de PE e PEAD, utilizam-se soldas ultrassônicas e por termofusão, sendo a primeira mais recomendada. No caso de tiras de geotêxteis (PET e PP), usualmente a união é feita por costuras. A Figura 1 exibe um colchão de geocélula feito com tiras de geotêxtil de PP, e a Figura 2 e 3 uma geocélula de PE e outra de PEAD, respectivamente. Figura 1: Geocélula com tiras de geotêxtil de PP (KOMETA, 2008) Figura 2: Geocélula de PE (POLIFRABRICS, 2008) Muitas aplicações de geocélulas prevêem uma função secundária de drenagem das mesmas. Para tal, é comum encontrar as paredes das células (tiras) com perfurações, permitindo o fluxo de água no plano do colchão. A Figura 4 exibe um exemplo deste material. 2

3 Desempenhando as funções anteriormente descritas, as aplicações da geocélulas estão inseridas basicamente em dois grandes grupos descritos na Tabela 2: proteção superficial e estruturas de contenção. Entre suas principais aplicações, destacase sua utilização como melhoria da capacidade de carga de solos, revestimentos e controle de erosão em canais, proteção e controle de erosão em taludes e estabilidade por construção de muros de gravidade. Devido a especializações do material e a criatividade de engenheiros, algumas geocélulas podem desempenhar outras funções como no caso das tiras perfuradas que também desempenham a função de drenagem. Figura 3: Geocélula de PEAD (WEBTEC, 2008) Figura 4: Geocélula com paredes perfuradas permitindo drenagem (PRESTO, 2008) 2.3 Aplicações De acordo com o Manual Brasileiro de Geossintéticos (BUENO, 2004), as principais funções da geocélula são: proteção, erosão e reforço, tais quais descritos na Tabela 1. Tabela 1 Funções dos geossintéticos (BUENO, 2004) Função Geotêxtil Geogrelha Geomemb Georrede GCL Geocélula Geotubo Geofibras Separação X X X Proteção X - - X - X - - Filtração X Drenagem X - - X - - X - Erosão X X - - Reforço X X X - X Impermeabili zação X* - X - X * Quando impregnado com material asfáltico. Tabela 2 Principais tipos de obras de estabilização de encostas (adaptado de ALHEIROS et al., 2003) Grupo Subgrupos Tipos de Obras Obras sem estrutura de contenção Obras com estrutura de contenção Retaludamento Proteção superficial Estabilizaçã o de blocos Muro de arrimo Outras soluções de contenção Cortes Aterro compactado Materiais naturais Materiais artificiais Retenção Remoção Solo cimento Pedra rachão Concreto Gabião Bloco de concreto articulado Taludes contínuos e escalonados Carga de fase de talude (muro de terra ) Gramíneas Grama armada com geossintético Vegetação arbórea (mata ) Selagem de fendas com solo argiloso Canaleta de borda, de pé e de descida Cimentado Geomanta e gramineas Geocélula e solo compactado Tela argamassada Pano de pedra ou lajota Alvenaria armada Asfalto ou polietileno Lonas sintéticas (PEAD, PVC etc ) Tela metálica e tirante Desmonte Solo cimento ensacado (sacos de fibra têxtil ou geossintéticos ) Pedra seca (sem rejunte ) Alvenaria de pedra (com rejunte ) Concreto armado Concreto ciclópico Gabião-caixa Bloco de concreto articulado (prémoldado, encaixado e sem rejunte ) Solo-pneu Solo-pneu Placa pré-moldada de concreto, Terra armada ancoragem metálica ou geossintético Placa e montante de concreto, Micro-ancoragem ancoragem metálica ou geossintético Solo compactado Geossintético e reforçado Paramento de pré-moldado 3

4 Obras de proteção para massas movimenta das Materiais naturais Materiais artificiais Barreira vegetal Muro de espera exibe uma comparação de custos entre algumas técnicas. 3 ESTABILIZAÇÃO DE ENCOSTAS A técnica de contenção de uma massa de solo com utilização de muros de gravidade é bem antiga. Utilizando-se de materiais de elevado peso específico (como pedras e alvenaria, por exemplo), civilizações antigas realizavam aterros e corte e construíam taludes íngremes com contenções por gravidade - Figura 5. Figura 6: Comparação de custos de distintas técnicas de construção de muros (DER, 1986) Figura 5: Muro de gravidade em pedra (ALHEIROS et al., 2003) Além da utilização de pedras e alvenaria em muros de gravidade, é comum o uso de concreto para compor o corpo do muro. 3.1 Estabilização com Geossintéticos Alternativas construtivas em que o solo compõe a principal massa com peso para estabilizar a obra através do suporte obtido com inserções diversas são fartamente utilizadas nos dias de hoje. Dentre estas alternativas, cita-se os solos reforçados com inclusões metálicas e de geossintéticos, gabião, crib wall e até com reforços de pneus. Uma grande vantagem a favor destas alternativas é o custo efetivamente inferior se comparadas com a técnica tradicional de muros por gravidade. A Figura 6 Um solo reforçado é um sistema composto de inclusões de diferentes materiais, capazes de resistir a tensões de tração, inseridas em uma massa compactada de solo. Por este motivo, a interação entre o solo e o reforço é essencial para uma boa transmissão de esforços, e consequentemente, o sucesso da estrutura (RACANA et al., 2001). As inclusões utilizadas para compor uma estrutura de solo reforçado devem possuir certas características capazes de permitir a sua utilização por um longo período de tempo. Dentre estas características fundamentais, cita-se: resistência à tração e deformação em longo prazo (fluência creep) compatível com o valor esperado na obra, resistência à degradação biológica, química e em alguns casos térmica e solar (UV), boa interação solo/reforço, facilidade de instalação e execução da obra e baixo custo. É comum o uso de materiais metálicos e de geossintéticos em obras de solo reforçado, utilização esta creditada ao alto desempenho destes materiais aliado ao baixo custo. No caso de materiais metálicos, o comum é a sua utilização em tiras dentro da massa de solo, presa em uma face de blocos ou escamas, compondo sistemas semelhantes ao da Terra Armada. O uso de geossintéticos é semelhante ao de fitas metálicas, porém, não com elementos lineares, mas com planares. São utilizadas camadas de geotêxteis (tecido e não tecido) e geogrelhas, envelopadas ou fixas em faces de blocos, capazes de criar junto da massa de solo uma estrutura de gravidade resistente e estável. 3.2 Muros de Gravidade com Geocélula Os muros de gravidade feitos com geocélulas diferem daqueles com geotêxteis e geogrelhas. O sistema de funcionamento da geocélula é espacial, por meio do confinamento celular. Embora a sua 4

5 utilização possa ser apenas na face do muro, substituindo os blocos na ancoragem de contenções de outros geossintéticos, é comum o seu uso como elemento resistente juntamente com o solo compactado no interior de suas células. Como vantagens de muros deste tipo, destacam-se a grande tolerância a deformações e deslocamentos (fruto da flexibilidade da solução), facilidade e rapidez de execução e baixo custo. A Figura 7 e 8 exibem duas obras de contenção de solo para aplicações rodoviárias, e a Figura 9 uma contenção de talude com a utilização de geocélula. Figura 9: Contenção de talude realizada com geocélula (SSPCo, 2001) O projeto de muros de contenção em geocélulas é semelhante aos outros tipos de muros. O dimensionamento é sempre realizado considerandose a situação mais critica, abrangendo as verificações clássicas da estabilidade externa (deslizamento, tombamento, capacidade de carga e ruptura global - Figura 10), as verificações da estabilidade interna no caso específico da utilização de geocélulas (escorregamento e tombamento interno, e arrancamento e ruptura das inclusões - Figura 11) e as verificações da estabilidade local (conexão e empolamento da face - Figura 12). Figura 7: Rampa de acesso construída com geocélula (RICHARDSON, 2004) Figura 10: Verificações à estabilidade externa de muros de contenção em geocélulas Figura 8: Talude rodoviário com geocélula (SSPCo, 2001) 5

6 Figura 11: Verificação da estabilidade interna de muros de contenção em geocélulas (adaptado de PRESTO, 2008) Figura 12: Verificação da estabilidade local de muros de contenção em geocélulas (adaptado de PRESTO, 2008) A verificação da estabilidade externa é semelhante àquelas em contenções convencionais, podendo ser utilizado os mesmos critérios. A verificação da estabilidade interna envolve cálculos semelhantes a da estabilidade externa, e procedimentos específicos de muros com geossintéticos como geogrelha e geotêxteis. A verificação completa deve ser realizada da seguinte forma: 1. Escorregamento: semelhante ao procedimento da estabilidade externa, determina-se a solicitação lateral para cada incremento da altura do muro e verifica-se a estabilidade com resistência obtida também para cada incremento da altura; 2. Tombamento: assim como no escorregamento, determina-se o fator de segurança contra o tombamento para cada incremento da altura do muro, considerando-se as solicitações calculadas e as resistências desenvolvidas para cada caso; 3. Arrancamento: para o caso de muros com inclusões, determina-se o fator de segurança contra o arrancamento para cada linha de inclusões, em função dos comprimentos de ancoragem utilizados e dependendo das necessidades de cada tipo de geossintético utilizado nestas inclusões (como interação com o solo), de acordo com os procedimentos descritos em Sayão et al. (2004) e Koerner (1994); 4. Ruptura das inclusões: determina-se a resistência das inclusões, quando tiver, em função das características de cada geossintético (fluência do material, durabilidade química e biológica, danos da construção e de outros fatores, interação com o tipo de solo local e etc) e verifica-se a capacidade de resistir às forças aplicadas, de acordo com os procedimentos descritos em Sayão et al. (2004) e Koerner (1994). A verificação da estabilidade local compreende metodologias específicas de contenções com geocélulas. A rotina completa compreende: 1. Conexão da face: no caso de reforço com associação de inclusões, verifica-se a segurança contra a ruptura entre a face e cada linha de inclusões, nas quais a resistência é desenvolvida basicamente entre o atrito do material geossintético e o material de preenchimento da geocélula; 2. Empolamento da face: realiza-se uma análise da resistência ao cisalhamento entre as camadas de geocélulas frente a solicitação lateral empuxo correspondente a cada incremento de altura do muro. Os fatores de segurança para cada verificação são definidos de acordo com a consideração de cada autor. Quanto à estabilidade externa (Tabela 3), os valores são geralmente adotados dos muros de gravidade convencionais, com pequenos ajustes em algumas situações. Para a estabilidade interna (Tabela 4), o artigo da Presto (2008) sugere valores para cada verificação, enquanto Sayão et al. (2004) recomenda apenas valores para o arrancamento e à ruptura das inclusões. Quanto à estabilidade local (Tabela 5), apenas Presto (2008) indica valores para o FS. 6

7 Tabela 3 Fatores de segurança para estabilidade externa de contenções com geocélulas Recomendação Estabilidade Externa Sayão et al (2004) Presto (2008) Deslizamento FS sl 1,5 1,5 Tombamento Fs ot 2,0 2,0 Capacidade de carga FS bc 3,0 2,0 1 ou 2,5 2 Ruptura global FS gs 1,3 3 ou 1,5 4 - Nota: 1- Obras temporárias; 2- Obras permanentes; 3- Muros de gravidade; 4- Solo reforçado. Tabela 4 Fatores de segurança para estabilidade interna de contenções com geocélulas Recomendação Estabilidade Interna Sayão et al (2004) Presto (2008) Deslizamento FS isl - 1,5 Tombamento Fs iot - 2,0 Arrancamento FS po 1,5 1,5 Ruptura 1,15 1 ou FS to 1,5 2 1,2 Nota: 1- Obras temporárias; 2- Obras permanentes. Tabela 5 Fatores de segurança para estabilidade local de contenções com geocélulas Recomendação Estabilidade Local Sayão et al (2004) Presto (2008) Conexão FS cs - 1,5 Empolamento FS sc - 1,2 4 CONCLUSÕES Apesar de ter uma utilização relativamente recente como muro de gravidade e estabilização de encosta, o potencial do solo reforçado com geocélula é grande, podendo ser aplicada com a mesma eficiência de outros materiais geossintéticos e de outras soluções. As verificações à estabilidade global necessárias em um projeto de muro reforçado com geocélula são semelhantes a qualquer estrutura de contenção. Podendo ser aplicados métodos de cálculo tradicionais. Contudo, há a necessidade de verificações especiais para este tipo de utilização, sendo a estabilidade interna e a estabilidade local. Como visto, as verificações da estabilidade interna são semelhantes às da estabilidade externa (escorregamento e tombamento para cada camada) e das verificações realizadas com muros reforçados com outros geossintéticos (arrancamento e ruptura das inclusões), quando houver associação da geocélula com inclusões. Neste último caso, foi visto que a literatura aborda as rotinas necessárias para o dimensionamento. As verificações da estabilidade local são exclusivas de obras de contenção com geocélulas envolvendo a o empolamento e a conexão da face com as inclusões, quando houver. Para estas rotinas, há a necessidade de consulta de ensaios em grande escala, como os descritos em Bathurst e Simac (1993). Por fim, sendo um material ainda inovador na área de estabilização de encostas, em seu emprego, é altamente recomendado um estudo completo com todas as verificações de estabilidade previstas (global, interna e local) no projeto do muro, além de se prever um programa de ensaios de caracterização do material a ser empregado. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Abint (2001). Curso Básico de Geotêxteis. Comitê Técnico Geotêxtil - CTG. São Paulo. Abnt (1997) Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR Geossintéticos. Rio de Janeiro. Aguiar, P. R., Vertematti, J. C. (2004). Manual Brasileiro de Geossintéticos Introdução. Comitê Técnico de Geotêxtil CTG. Ed. Blucher. São Paulo. p Alheiros, M. M.;,Souza, M. A. A., Bitoun, J., Medeiros, S. M. G. M., Amorim Júnior, W. M. (2003). Manual de Ocupação dos Morros da Região Metropolitana do Recife. Programa Viva o Morro. Recife, Fidem. Avesani Neto, J. O. (2008). Caracterização do Comportamento Geotécnico do EPS através de Ensaios Mecânicos e Hidráulicos. Dissertação de Mestrado Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 227 p. Bathurst, R.J. & Simac, M.R. (1993). Laboratory Testing of Modular Masonry Concrete Block- Geogrid Facing Connections. ASTM Symposium on Geosynthetic Soil Reinforcement Testing, STP Bueno, B. S. (2004). Manual Brasileiro de Geossintéticos Propriedades, ensaios e normas. 7

8 Comitê Técnico de Geotêxtil CTG. Ed. Blucher. São Paulo. p Departamento de Estradas de Rodagem DER (1986). Boletim técnico BT 1: Aterros reforcados com geotêxteis, 58 p. Duskov, M. (1997). Materials Research on EPS20 and EPS15 under Representative Conditions in Pavement Structures. Geotextiles and Geomembranes. n. 15, pp Koerner, R. M. (1994). Designing with Geosynthetics, Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice Hall, 3rd Ed. 761p. Kometa (2008). Kometa geocell. Russia. Meneses, L. A. (2004). Utilização de geocélulas em reforço de solo mole. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Polifabrics (2008). Tenax tenweb Geocell. Australia. Presto (2008). Technical Literature on the GEOWEB Cellular Confinement System. Presto Products Company. Racana N., Gourves R., Grediac M. (2001). Mechanical behaviour of soil reinforced with geocells. International Symposium on Earth Reinforcement. Japão. p Richardson G. N. (2004). Geocells, a 25-year perspective. Part 2: channel control erosion and retaining walls. GFR magazine. Outubro/novembro. p Sayão A., Azambuja E., Ehrlich M., Gomes R. C. (2004). Manual Brasileiro de Geossintéticos Muros e taludes reforçados CTG. Ed. Blucher. São Paulo. p SSPCo (2001). Soil stabilization Protection Company - Historic Columbia River Hwy Bike Path Walls, Oregon, USA. 8 p. Stark, T. D., Arellano, D., Horvath, J. S. e Leshchinsky, D. (2004). Geofoam Applications in the Design and Construction of Highway Embankments. NCHRP Web Document 65 (Project 24 11). TRB of the National Academies. Webtec (2008). Cellular Confinement System, Webtec Inc. Geosynthetics. Wesseloo, J., Visser, A.T, Rust, E. (2008). The stress strain behaviour of multiple cell geocell packs. Geotextiles and Geomembranes nº 27, p