CARACTERÍSTICAS DO SOLO DE FUNDAÇÃO DA TERCEIRA PISTA DO AEROPORTO DE GUARULHOS

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1 CARACTERÍSTICAS DO SOLO DE FUNDAÇÃO DA TERCEIRA PISTA DO AEROPORTO DE GUARULHOS Almeida, M. S. S. 1 ; Marques, M. E. S. 2 & Fonseca, O. A. 3 Resumo Para subsidiar o projeto do aterro para a implantação da terceira pista do Aeroporto Internacional de Guarulhos/SP, foi executada extensa campanha de investigações geotécnicas, consistindo de ensaios de campo: SPT-T, palheta e piezocone com ensaios de dissipação. Foram coletadas amostras indeformadas para execução de ensaios de caracterização completa, adensamento e triaxiais UU. Perfis de umidade foram obtidos, a partir de ensaios executados a cada metro em amostras deformadas de algumas sondagens. Em virtude da grande variabilidade das espessuras de solos compressíveis e das alturas de aterro previstas, a região foi subdividida em seis áreas de estudo e os parâmetros de projeto foram adotados em função das características geotécnicas do solo de fundação destas áreas. Discutem-se neste artigo os resultados destas investigações e os parâmetros adotados em projeto. Abstract In order to provide geotechnical parameters for the design of the embankment for a third runway of Guarulhos International Airport/ SP, extensive geotechnical investigations were carried out. Field tests were performed: SPT, vane tests and piezocone with dissipation tests. Undisturbed samples were obtained to perform characterization tests, consolidation and triaxial UU tests. Water content profiles were obtained from tests performed on disturbed samples obtained from SPT borings. Due to the great variability of compressible soil thicknesses and embankment heights, the area was divided in six smaller areas of study. The design parameters were adopted based on geotechnical characteristics of those areas. Discussion on test results were carried out. Palavras-Chave Aterros sobre solos compressíveis, ensaios geotécnicos, ensaios de piezocone. INTRODUÇÃO Para atender ao aumento crescente de tráfego de passageiros e aeronaves no Aeroporto de Guarulhos/SP estão sendo projetados novos terminais e uma terceira pista de pouso e decolagem. A área de aterro necessária à implantação da terceira pista se estende ao longo de 244m, com cerca de 2m de largura, e localiza-se ao norte dos sistemas de pistas atual, conforme apresentado na Figura 1. A área de implantação do futuro aterro é cortada pelo rio Baquirivu-Guaçu, que será desviado mais ao norte, por ocasião da implantação da pista. As maiores alturas de aterro estão localizadas nas cabeceiras, diminuindo para a parte central da pista. A fundação apresenta camadas de argila mole e de espessuras variáveis atingindo 6 e 7m nas cabeceiras leste e oeste da pista. A campanha de investigações geotécnicas apresentada na Figura 1 foi executada em duas fases. Na primeira fase foram executados: 7 sondagens à percussão, parte das quais com medida de torque; 12 ensaios de piezocone com medidas de dissipação de poro pressão e 13 verticais de ensaios de palheta (4 medidas). Foram coletadas amostras indeformadas tipo Shelby de 1mm de diâmetro. Em laboratório foram executados 12 ensaios de caracterização, 12 de adensamento e 22 ensaios triaxiais UU. Após análise dos resultados da primeira campanha, realizou-se uma campanha complementar de investigações geotécnicas compreendendo: 9 sondagens à percussão, com 86 determinações de umidade e índices físicos, executadas a cada metro; coletas de amostras do tipo Shelby e 4 ensaios de adensamento. Esta campanha teve como objetivo principal subsidiar o detalhamento das áreas mais críticas do ponto de vista de estabilidade de taludes e recalques. Uma campanha de 27 sondagens, denominadas SPB (Figura 1), já havia sido executada anteriormente ao longo do traçado do eixo do projeto básico de desvio do rio Baquirivu-Guaçu. Estes resultados adicionais, apesar de se localizarem por vezes fora da área de estudo, auxiliaram no dimensionamento dos taludes do aterro e na elaboração das curvas de isoespessuras de solos compressíveis. CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS DE FUNDAÇÃO Em virtude da variabilidade da geometria do aterro e do solo de fundação, a região prevista para a implantação do aterro foi subdividida em 6 diferentes áreas de estudo, descritas na Figura 1 e Tabela 1. Para as áreas que apresentaram grandes espessuras de aterro e de solos compressíveis, projetaram-se drenos verticais associados à sobrecarregamento (áreas A1, A3 e A). Para as áreas A2 e A4, que apresentaram menores espessuras de solos compressíveis, projetou-se apenas sobrecarregamento. 1 Professor da COPPE, UFRJ, Caixa Postal 686, , Rio de Janeiro; RJ; Brasil. 2 Pesquisadora da COPPE, UFRJ, Caixa Postal 686, ; Rio de Janeiro; RJ; Brasil. 3 Major Engenheiro, Chefe da Seção de Gerência de Pavimentos da Diretoria de Engenharia da Aeronáutica, Av. Marechal Câmara, 233, Castelo, 228, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

2 Rio Baquirivu- Rio Baquirivu- Figura 1. Investigações geotécnicas do aterro da terceira pista do aeroporto de Guarulhos.

3 Tabela 1. Descrição das áreas de estudo na região do projeto do aterro. Áreas Área h aterro h solo com- (m 2 Localização ) (m) pressível (m) Solução de aterro A Entre a cabeceira oeste e a estaca E13 da pista Sobrecarga com drenos verticais A Entre as estacas E13 e E Sobrecarga A Entre as estacas E4 e E Sobrecarga com drenos verticais A4 194 Entre as estacas E e E Sobrecarga A 3222 Entre a estaca E7 e a cabeceira leste Sobrecarga com drenos verticais A6 2 x 11 Ao sul da área, na ligação entre as pistas * 4-12 * * Localizada entre o sistema de pistas existente e a pista projetada sem projeto geométrico em 22. Seções geotécnicas longitudinais e transversais à pista e curvas de iso-espessuras de solos compressíveis (Figura 1) foram elaboradas com base nos resultados das sondagens à percussão visando a compartimentalização da área de implantação em áreas de estudo, no projeto do aterro [1]. A Figura 1 apresenta a seção geotécnica S4, ao longo do eixo da pista projetada. Nas duas cabeceiras, há ocorrência de camadas de solos moles e s de até 6 e 7 m de espessura, e na parte central, as camadas de argila mole variam de 2 a 4m. Nas cabeceiras as alturas do aterro chegam a 9 e 11m. Entretanto, na calha do rio Baquirivu-Guaçu o aterro poderá alcançar espessuras da ordem de 17m. O nível do lençol freático é variável na região, inde de 2 a 3m de profundidade. CABECEIRA OESTE A Figura 2 apresenta as características do depósito com base nos resultados das sondagens SPT44-T e SPT6 e dos ensaios realizados à cerca de 2m de distância destas. Estas sondagens estão localizadas ao norte da área A1, na margem direita do rio Baquirivu. Nesta figura, está apresentada a classificação tátil visual dos solos e os valores de N da sondagem SPT-T44. No mesmo gráfico está a indicação da localização do Shelby e a classificação desta amostra. Essas sondagens apresentaram a maior espessura de camada de solo a mole desta região, com cerca de 1.m. Subjacente ao solo compressível observa-se na maioria das sondagens a ocorrência de solo aluvionar (areia com pedregulhos). Num gráfico de umidade em função da profundidade estão indicados os valores de índices de plasticidade (I P ), limites de plasticidade (w P ) e liquidez (w L ), bem como o valor da umidade natural ( ). A seguir, ainda na Figura 2, estão apresentados os perfis de tensões efetivas iniciais in situ e os perfis de resistência não drenada obtida nos ensaios de palheta. SPT-T m Torque (kgf.m) σ' v, Su (kpa) q T, u (kpa) 1 ENSAIO DE ADENSAMENTO e σ' vm (kpa) C v(m 2 C c /s) SHELBY SPT-T 44 Torque SPT6 26 1/31, 1/18-1/3, 1/2-2. m 1/3, 1/2-1/28, 1/17-1/27, 1/18 - Argila arenosa Argila pouco arenosa a mole Torque Residual x 1-6 PZ8 - Dissipação m C h = 1.6 x 1-7 m 2 /s 2.2 3/ /32 11 PZ8 - Dissipação m C h = 8.1 x 1-8 m 2 /s 3/31 3 2/28 1/ pouco arenosa mole Areia com pedregulhos muito compacta m rija w P 13 2 IP w L Palheta - V6 σ' v PZ q T u 3. PZ8 - Dissipação m C h = 2.2 x 1-6 m 2 /s Figura 2. Resultados dos ensaios executados nas proximidades da Sondagem SPT-T44 e SPT 6 (área A1).

4 Os valores de resistência não drenada ( ) obtidos nos ensaios de palheta, foram corrigidos segundo Bjerrum [2], mas em função dos baixos valores de I P as correções não foram significativas. Neste mesmo gráfico estão apresentados os valores de obtidos nos ensaios de laboratório UU. Estes resultados, junto com a avaliação da resistência a partir dos resultados dos ensaios de piezocone, subsidiaram os estudos de estabilidade de taludes da área de ampliação. A partir dos ensaios de piezocone, foram elaborados os perfis de resistência de ponta corrigida (q T ) e poropressão medida na base do cone (u). Devido à profundidade do nível d água da região, não foi possível executar ensaios de piezocone nas camadas superficiais. Nestes gráficos estão indicados também os pontos onde foram executados ensaios de dissipação e os valores do coeficiente de adensamento horizontal (c h ) obtidos a partir destes ensaios. De a 7m de profundidade a estratigrafia obtida a partir da interpretação dos ensaios de piezocone difere da obtida pelas sondagens SPT. Nos ensaios de piezocone, os perfis de q T e u indicaram a presença de solo arenoso, o que é compatível com os resultados dos ensaios de caracterização que apresentaram uma queda no valor de umidade natural e do I P nestas profundidades. Uma outra diferença diz respeito à espessura da camada de solo mole, um pouco inferior no ensaio de piezocone. O ensaio de piezocone, por ser um ensaio de penetração contínua com medida de poro-pressão, apresenta melhor definição de estratigrafia do que o SPT, principalmente quando há ocorrência de lentes de areia. Por outro lado, o SPT fornece uma classificação tátil visual, que no piezocone é feita através de correlações empíricas apresentadas em referências internacionais [3], que muita das vezes não são compatíveis com os solos orgânicos brasileiros [4][]. CABECEIRA LESTE Na Figura 3, estão apresentados os resultados dos ensaios realizados nas proximidades da sondagem SPT49, na cabeceira leste, área A. A camada de solo compressível, cuja espessura é da ordem de.m, apresenta índice de plasticidade baixo e peso específico da ordem de 16.6kN/m 3. Também neste caso, a estratigrafia obtida através da sondagem à percussão difere do resultado do ensaio de piezocone. No ensaio de piezocone a indicação de início de camada arenosa nos 4m não foi confirmada pela caracterização da amostra Shelby, apesar desta apresentar um I P muito pequeno. SPT-T m Torque (kgf.m) 2 4 SPT-T σ' v, Su (kpa) q T, u (kpa) ENSAIO DE ADENSAMENTO e σ' vm (kpa) C v (m 2 /s) C c 2 Torque Torque Residual 1/3, 1/ m Silte argiloso marrom γ=16.6kn/m E-7 1/3, 1/2-2/33 1/2, 1/26-13 Argila marrom γ=16.3kn/m 3 Areia pouco argilosa com pedregulhos PZ11 - Dissipação m C h = 2. x 1-6 m 2 /s E-8 1/31 média a rija m Fim da sondagem 9.4 m SHELBY w P I P w L Palheta - V9 Figura 3. Resultados dos ensaios executados nas proximidades da Sondagem SPT-T49 (área A). σ' v PZ11 q T u 3.4 LIGAÇÃO ENTRE O SISTEMA DE PISTAS ATUAL E A TERCEIRA PISTA A IMPLANTAR Na área A6, os aterros deverão ser de até m de altura, levando-se em consideração a cota da pista existente próxima. Esta área foi a que apresentou maiores espessuras de solos compressíveis e, segundo levantamentos topográficos dos anos 7, trata-se de uma antiga área de lavra de areia, que após esgotada, foi preenchida com solo de baixa resistência, proveniente provavelmente de material fino de dragagem e escavação. Observa-se nesta área a existência de lagos profundos provenientes da lavra de areia. As camadas de solo compressível da área A6 apresentam espessuras de até 12m, como mostra a sondagem STP42, apresentada na Figura 4.

5 SPT-T m Torque (kgf.m) σ' v, Su (kpa) q T, u (kpa) ENSAIO DE ADENSAMENTO e σ' vm (kpa) C v(m 2 C c /s) SHELBY SPT-T 42 Torque Torque Residual SPT / m 2/ / / / Argila marrom clara γ=1.7kn/m PZ7 - Dissipação -.1 m C h = 3.9 x 1-8 m 2 /s E-8 PZ7 - Dissipação m C h = 3.1 x 1-7 m 2 /s P/1 - - P/6 - - P/ / m Argila orgânica Areia pouco argilosa medianamente compacta a compata 14 w P I P w L Palheta - V Figura 4. Resultados dos ensaios executados nas proximidades da sondagem SPT-T42 (área A6). σ' v PZ q T u Observou-se também nestes ensaios diferença entre a estratigrafia obtida a partir da sondagem e a obtida a partir do ensaio de piezocone. Análises similares às apresentadas da Figura 2 a 4 foram elaboradas para os 1 locais onde foram executados sondagens e ensaios [1], para que se procedesse à elaboração dos modelos de análise de estabilidade e previsão de recalques das áreas de estudo. Nestas análises observou-se também discrepância entre os resultados de sondagens e o de piezocone com relação à estratigrafia, similar ao discutido para a cabeceira oeste. CARACTERIZAÇÃO E COMPRESSIBILIDADE DOS SOLOS ARGILOSOS As camadas de solos compressíveis da área A1 apresentaram valores de umidade relativamente baixos, em sua maioria inferiores a % e índice de vazios inicial (e ) variando entre.7 e 1.3. A compressibilidade destas argilas é relativamente baixa, quando comparada com a de argilas marinhas orgânicas da orla brasileira [6] [7]. O valor de C c variou entre.1 e.42, conforme apresentado na Figura. Na área A observou-se um aumento da umidade média associada a um aumento no índice de vazios, diminuição do peso específico e compressibilidade ligeiramente maior. Nas áreas A2, A3 e A4, os parâmetros do solo foram muito semelhantes aos da área A1, o que diferia era a geometria do aterro e a espessura da camada compressível. Entretanto, na área A6, o solo argiloso é mais compressível, com C c de.63 a.76 e a umidade natural é elevada, conforme apresentado na Figura 6. Nesta região, não foi possível a recuperação das amostras indeformadas tipo Shelby nas profundidades maiores, mesmo utilizando o procedimento de aguardar cerca de duas horas entre a cravação do tubo amostrador e a coleta da amostra. A história de tensões do solo de fundação é bastante diferenciada na área de implantação do aterro, pois há áreas que já sofreram ocupação e foram submetidas a carregamentos antigos e há áreas que apresentam aterros recentes. Este fato se refletiu nos perfis de tensões de sobreadensamento (σ vm ) e em alguns locais o depósito argiloso encontra-se num estado sub-adensado, ou seja, o valor de OCR (σ vm /σ v ) é inferior a 1. Para a análise da evolução dos recalques em função do tempo foi elaborada uma avaliação dos valores dos coeficientes de adensamento vertical e horizontal (c v e c h ) para as várias áreas de estudo e para os diferentes tipos de ensaios executados. Os valores de C hpsa obtidos a partir dos ensaios de dissipação foram calculados em função do índice de rigidez da argila, segundo [8][9]. Considerou-se também que o fator de relação de permeabilidades é 1, (k h /k v ), com base em valores usuais para argilas brasileiras. Considerando-se uma dissipação de poro pressões de %, os valores de t foram obtidos a partir das curvas u x t dos ensaios de dissipação, para T* =,24. Os valores de E u e foram obtidos a partir dos ensaios triaxiais UU, para a obtenção do índice de rigidez da argila, conforme indicado na Figura 7. Observou-se uma grande dispersão nos valores de c v obtidos para cada área de estudo. Em função disto, foram adotados valores de c v de projeto mais conservadores, ou seja, considerando-se um tempo maior para a estabilização dos recalques.

6 σ' vm (kpa) 1 1 C s C c e γ n (kn/m 3 ) Figura. Parâmetros geotécnicos da Área A1 cabeceira oeste. σ' vm (kpa) 1 1 C s C c e γ n (kn/m 3 ) Figura 6. Parâmetros geotécnicos da Área A6. PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA A Figura 8 apresenta um exemplo de uma das quinze análises da variação de com a profundidade elaboradas a partir dos resultados de ensaios triaxiais UU, palheta e dos resultados do ensaio de piezocone. Na Figura 8a estão apresentados os valores de N kt obtidos com base nos resultados dos ensaios de palheta e piezocone realizados em toda a área. O valor médio de N kt dos solos moles, obtido para toda a área foi 18, que é um valor maior do que os usualmente obtidos para solos moles [4]. Adotou-se em projeto valores de N kt de 1 e 2, diferenciado em função das áreas, descartando-se valores muito baixos, uma consideração mais conservativa, a favor da segurança.

7 u (kpa) σ (kpa) _ E u = 823 kpa 3I R = E u / = 12 kpa I P = 33 I R = 23 ENSAIO TRIAXIAL UU SP m ε 1 18 ENSAIO DE DISSIPAÇÃO u h = kpa ; u = 211 kpa PZ7/SP m 1 Obs. realizados pela Solum LTDA t 1/2 (s 1/2 ) Figura 7. Resultado do ensaio de dissipação executado nas proximidades da sondagem SP42 (área A6). N kt N kt Adotado em projeto q = t a) σ Su vo SPT-T42 (aterro) Resistência ao cisalhamento não drenada (kpa) adotado em projeto Argila orgânica Areia pouco argilosa medianamente compacta a compata 1 palheta V = σ' v.3 OCR.9 (ensaios triaxiais) (piezocone) Figura 8. Análise dos parâmetros de resistência: a) valores de N kt b) perfil de a partir de ensaios de piezocone e de ensaios de palheta e UU nas proximidades da sondagem SPT42 (área A6). Na Figura 8b, estão apresentados os valores de obtidos a partir dos ensaios e os adotados em projeto. Observou-se que os resultados dos ensaios UU apresentaram, em geral, bem inferiores aos obtidos nos ensaios de palheta, mesmo após a utilização das correções propostas por Bjerrum [2]. Por isto foi elaborada uma comparação dos valores de obtidos a partir dos valores de OCR (razão de sobreadensamento) segundo a equação apresentada na Figura 8. A execução de ensaios de determinação de umidade natural e limites de Atterberg com a profundidade em amostras deformadas de SPT pode ser, se realizado cuidadosamente, um procedimento adequado em caso campanhas de investigações em áreas extensas. Com estes valores pode-se ter uma idéia da variação da resistência não drenada com a umidade com base em ensaios localizados ao longo de toda a área, e proceder-se a uma extrapolação destes valores sem necessidade de um número excessivo de ensaios de resistência. A Figura 9 apresenta a variação de adotado em projeto com a umidade natural obtida em ensaios realizados em toda a área. Observou-se que o diminui com a b)

8 umidade com uma relação retilínea (w : log ), para a faixa de valores estudados wn R 2 =.89 1 (kpa) 1 Figura 9. Variação do de projeto com a umidade natural. CONCLUSÕES Ilustrou-se neste artigo desafios que o engenheiro geotécnico enfrenta na escolha de parâmetros geotécnicos para obras de engenharia de grande porte. Em áreas com um grau de heterogeneidade elevado, como na área de implantação do aeroporto de Guarulhos, devem ser adotados alguns critérios de projeto, com base na experiência do projetista e em banco de dados disponíveis. A avaliação da qualidade de amostras e ensaios foi importante para se desprezarem resultados díspares. As camadas de solos compressíveis das áreas estudadas apresentaram valores de umidade relativamente baixos, em sua maioria inferiores a %; índice de vazios inicial (e ) variando entre.7 e 2.1, e valores de C c entre.1 e.76. A compressibilidade destas argilas é relativamente baixa, quando comparada com a de argilas marinhas orgânicas da orla brasileira. O valor médio de N kt dos solos moles, obtido para toda a área foi 18, que é um valor maior do que os usualmente obtidos para solos moles. Observou-se boa correlação entre a resistência não-drenada com a umidade para as áreas estudadas. Ocorreu dificuldade na adoção do coeficiente de adensamento a partir de ensaios diferenciados. Com relação à resistência não drenada, observou-se que é aconselhável a execução de perfis de umidade comparáveis com de projeto para uso em áreas com características geotécnicas similares. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Diretoria de Engenharia da Aeronáutica e à Fundação COPPETEC pelo suporte técnico e financeiro e o apoio à pesquisa. Agradecem também às empresas Conteste Engenharia Ltda. e Solum pela execução dos ensaios de campo e laboratório e à Ayla Romano pelo auxílio das análises de resultados.. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Almeida, M. S. S. & Marques, M. E. S. M. 21. Geotécnico de Ampliação do Aeroporto de Guarulhos, Relatório 3, Fundação COPPETEC, 126pg. [2] Bjerrum, L Problems of soil mechanics and construction on soft clays and structurally unstable soils. In: Proceedings of the 8th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Moscow, vol. 3, pp [3] Robertsson, P. K Soil classification using the cone penetration tests : replay. Canadian Geotechnical Journal vol. 38, pp [4] Danziger, F. A. B & Schnaid, F 2. de piezocone: procedimentos, recomendações e interpretação. Seminário Brasileiro de Investigação de Campo, São Paulo, Brasil, vol. 3, 1-1. [] Meireles, E. B. 22. Retrospectiva dos quinze anos de ensaios de piezocone em argila mole na COPPE. Tese de M. Sc. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Rio de Janeiro. [6] Almeida, M. S. S., Futai, M. M. & Marques, M. E. S. Theoretical and practical concepts to assess the behaviour of Rio de Janeiro clays. Invited Paper for Workshop on difficult soft soil conditions, in print. [7] Almeida, M. S. S.& Marques, M. E. S. The behaviour of Sarapuí soft organic clay. Invited Paper for the International Workshop on Characterisation and Engineering Properties of Natural Soils, Singapore December 22, in print. [8] Almeida, M. S. S Aterros sobre Solos Moles: da Concepção à Avaliação do Desempenho. Editora UFRJ. [9] Houlsby, G. T. & Teh, C. I., 1988 Analysis of the piezocone in clay. Proceedings of the International Symposium on Penetration Testing, ISOPT-1, Orlando, 2, Balkema Pub., Rotterdam :