Proteção e Controle de Erosão em Taludes com Geocélula

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1 Proteção e Controle de Erosão em Taludes com 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 proteção e, se necessário, o controle da erosão em taludes é uma prática constante e corriqueira em obras civis como cortes e aterros de rodovias, canais e obras urbanas. Esta proteção se faz necessária para a manutenção da integridade da face do talude, e consequentemente, de sua segurança. O leque de materiais geossintéticos plausíveis de serem utilizados para evitar erosão é bem abrangente, com especial destaque para a geocélula. Como descrito neste artigo, este produto possui versatilidades e particularidades - como o confinamento do material de preenchimento e a flexibilidade do sistema de proteção - que destacam o seu emprego para uma faixa ampla de utilizações, desde simples proteções de taludes contra precipitação da chuva como revestimento de vertedores de barragens. Abstract: The erosion protection and control, when necessary, on slopes is a usual practice in civil works such as embankments of roads, canals and urban works. This protection is necessary for integrity maintenance of the slope face and, therefore, their safety. The range of possible geosynthetics materials to be used to prevent erosion is very ample, with special emphasis on geocélula. As described in this article, this product has features and versatility - such as the fill material containment and system flexibility of the protection that make its use feasible for a wide range of applications, from simple slopes protection against the rain precipitation as dams spillways. 1 INTRODUÇÃO Com a crescente utilização de materiais manufaturados e industrializados na engenharia civil (pré-moldados, perfis metálicos, concreto usinado) há também um avanço, tanto da demando como da oferta, de materiais industrializados de fácil obtenção e manuseio e que resulte em uma solução mais eficiente e econômica se comparadas com aquelas in loco. O mercado de geossintéticos nasceu e se desenvolveu em um ambiente destes. Aliando inovação com criatividade, diferentes materiais sintéticos foram concebidos engenhosamente de maneira a substituir soluções tradicionais da engenharia geotécnica com grande êxito e economia. Deste propício mercado nasceu a geocélula e seu conceito de reforço por confinamento celular. Este conceito de reforço do solo 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. Com esta assimilação da técnica de confinamento celular por parte da indústria, estudos acadêmicos com geocélulas começaram a ser desenvolvidos. Os experimentos pioneiros foram conduzidos por Webster e Watkins (1977) e Webster e Alford (1978) que investigavam alternativas para construção de estradas sobre camadas de solos moles. Eles realizaram ensaios em uma pista experimental de grandes dimensões (55 x 3,6 m) com alguns trechos reforçados com geotêxteis e outros com confinamento celular. Este estudo confirmou o potencial da geocélula como 1

2 base de estradas e pátios de armazenamento sobre solos de baixa capacidade e concluiu que com sua utilização, a espessura de projeto da base poderia ser reduzida a 70 %, ou menos, do valor inicial. Após esta investigação, muitos outros estudos foram realizados em diversos centros acadêmicos do planeta nestas três décadas, com diferentes tipos de confinamento tridimensional, para as mais diversas finalidades de e locais de aplicação. 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. Figura 1 Geocélula com tiras de geotêxtil de PP (KOMETA, 2008) 2.2 Caracterização Usualmente, as geocélulas são fabricas 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 2: Geocélula de PE (POLIFRABRICS, 2008) Figura 3: Geocélula de PEAD (WEBTEC, 2008) Muitas aplicações de geocélulas prevêem uma função secundária de drenagem das mesmas. Para 2

3 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. Figura 6: Camada de geocélula feita a partir de geogrelhas pronta para receber o material de preenchimento (TENSAR, 2008) Figura 4: Geocélula com paredes perfuradas permitindo drenagem (PRESTO, 2008) Foi muito comum no inicio da utilização de geocélulas a sua manufatura feita in loco no próprio canteiro de obra, de forma artesanal. Para isto, eram comumente empregados outros geossintéticos como geotêxteis tecido e não tecido, e principalmente as geogrelhas, para sua montagem. A Figura 5 exibe a montagem in loco de uma camada de geocélulas feitas com geogrelhas, e a Figura 6 estas células prontas para receberem o material de preenchimento. Apesar do crescimento da fabricação de geocélulas industrializadas, é comum ainda encontrar este tipo de utilização deste geossintético em obras, principalmente as rodoviárias. Os procedimentos de projeto de instalação e montagem de geocélulas no próprio canteiro de obra através de geogrelhas são descritos por Bush et al. (1990). Contudo, como citado, nos dias atuais esta utilização artesanal da geocélula é restrita a raras e específicas obras. Com o crescimento exponencial experimentado pela indústria de geossintéticos nas últimas décadas, a esmagadora maioria das aplicações de geocélula utiliza-se de material préfabricado. As vantagens de utilizar uma geocélula feita pela indústria abrangem desde a garantia da qualidade de um produto industrializado até a facilidade e rapidez de sua instalação. A Figura 7 exibe uma seqüência de instalação de uma camada de geocélula. Nota-se por estas imagens a facilidade de execução do trabalho em comparação com uma camada de células feitas manualmente in loco como mostrado na Figura 6:. Figura 5: Montagem in loco da camada de geocélula feita com geogrelhas (TENSAR, 2008) Figura 7: Seqüência de instalação de uma camada de geocélulas (AMBEDKAR, 2006) 3

4 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 GT GG GM GN GCL GL 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 X¹ - X - X Nota: 1- Quando impregnado com material asfáltico. 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. 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 Estabilização de blocos Muro de arrimo Outras soluções de contanção Obras de proteção para massas movimenta das Cortes Aterro compactado Materiais naturais Materiais artificiais Retenção Remoção Solo cimento Pedra rachão Concreto Gabião Bloco de concreto articulado Solo-pneu Terra armada Microancoragem Solo compactado e reforçado Materiais naturais Materiais artificiais 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 (pré-moldado, encaixado e sem rejunte ) Solo-pneu Placa pré-moldada de concreto, ancoragem metálica ou geossintético Placa e montante de concreto, ancoragem metálica ou geossintético Geossintético Paramento de pré-moldado Barreira vegetal Muro de espera 3 PROTEÇÃO DE TALUDES A erosão de taludes é um fenômeno que pode ocorrer em locais com solos arenosos e sem cobertura vegetal assolados por intensa ação da água, geralmente causada pela chuva. A magnitude deste detrimento por erosão é função tanto da energia do agente (água) como da resistência ao transporte do solo (BROWN e SOJKA, 1991). 4

5 Quando não há como impedir o fluxo de água na superfície, a melhor alternativa para evitar a erosão é a proteção superficial do talude, que pode desempenhar basicamente duas funções principais: reduzir a velocidade e a turbulência da água que escoa sobre o solo; e manter de forma estável as partículas do solo, evitando seu transporte. A forma mais usual de combater estes dois problemas chaves na erosão superficial é a incorporação de elementos resistentes à atuação do fluxo de água, e capazes de efetuar a estabilização das partículas de solos. O elemento mais comum e simples utilizado para esta função é uma cobertura de vegetação. A cobertura vegetal funciona como uma proteção do solo, pois diminui o impacto da gota de chuva e conseqüentemente impede ou minimiza a ocorrência da desagregação, além de reduzir o escoamento superficial devido ao aumento da porosidade da camada de solo mais próxima da superfície, e por constituir uma barreira mecânica ao fluxo. O plantio pode ser feito por diferentes técnicas - como semeadura, hidrossemeadura, mudas e placas. A escolha do tipo de vegetação deve atender, além das necessidades da obra, fatores como o tipo de solo do local, a inclinação da encosta e a localização da obra (condições climáticas). Figura 8: Proteção de talude com geotêxtil (MACCAFERRI, 2008) 3.1 Proteção com Geossintéticos Há situações, contudo, que o simples plantio de vegetação não satisfaz as condições necessárias de proteção da encosta, seja pelas características geométricas da obra, por impossibilidade de sobrevivência da vegetação (condições de solo ou clima) como por valores elevados de carga hidráulica. Nestes casos, a utilização de materiais sintéticos se mostra necessário. A indústria de geossintéticos possui hoje uma gama elevada de soluções de proteção de taludes contra a ação erosiva. Dentre os materiais, há grande destaque para geotêxtil, geogrelhas, georredes e geomantas com ou sem a função de grama armada e biomanta, sempre agindo nos dois processos básicos erosivos já descritos. Porém, a utilização destes materiais é tipicamente restrita onde já existe uma vegetação jovem. A atuação destes geossintéticos descritos se faz no entrelaçamento com esta vegetação nova, reforçando sua raiz e permitindo uma melhora na resistência ao atrito da face do talude. Geralmente não é aconselhada a utilização destes produtos em locais áridos e semi-áridos. As Figuras 8, 9, 10 e 11 exibem soluções de proteção de taludes com geotêxteis, geogrelhas, geomantas e biomantas, respectivamente. Figura 9 Proteção de talude com geogrelha (NORTENE, 2008) Figura 10: Proteção de talude com geomanta (MACCAFERRI, 2008) 5

6 Figura 11: Proteção de talude com biomanta (DEFLOR, 2008) 3.2 Proteção com Geocélula Muitos casos de taludes íngremes existentes, ou que precisam ser construídos, em zonas onde as forças hidráulicas são de magnitudes elevadas possuem graves problemas erosivos, pois há dificuldades no estabelecimento da vegetação, mesmo com alternativas de geossintéticos. Nestes casos, o uso da geocélula se torna eficaz ao assegurar que a superfície do solo seja retida na encosta, pois esta tem a capacidade de confinar fisicamente o solo dentro do interior das células de maneira mais eficiente que os outros geossintéticos. Um exemplo de aplicação de proteção de talude ferroviário com geocélula pode ser observado na Figura 12. Figura 12: Exemplo de utilização de geocélula para proteção de talude (PRS, 2008) Outra vantagem da utilização da geocélula é a proteção contra escorregamentos superficiais. Quando uma grande massa de solo superficial possui uma inclinação com a horizontal e se encontra saturado, a ruptura desta massa e seu deslizamento compõem um risco iminente para a segurança da encosta. Um sistema de confinamento tridimensional desta massa de solo auxilia de forma eficaz a evitar problemas deste tipo na face do talude, substituindo com grande êxito o efeito um reforço vegetal. Desta forma, geocélulas são preenchidas com esta massa do solo superficial de sorte a evitar o deslizamento da face das encostas (WU e AUSTIN, 1992). Uma vez instalada, a camada de geocélulas forma um sistema estável que age como escudo na superfície da encosta. Por meio do confinamento do solo pelas paredes das células, há redução significativa na velocidade do fluxo de água devido ao obstáculo físico formado pelo colchão celular. Além deste fenômeno, há uma maior absorção de água pelo solo, o que reduz o próprio fluxo de água (MENESES, 2004). Outro fator que contribui no aumento da resistência ao cisalhamento da face do talude, e consequentemente, na redução a susceptibilidade de erosão é o aumento da massa específica do solo contido nas células por meio do processo de compactação e pelo confinamento das paredes destas células. Deste modo a superfície da encosta ganha um acréscimo expressivo de resistência contra as ações da água (BROWN e SOJKA, 1991). Uma aplicação inovadora da geocélula é como proteção de taludes em barragens. Pode-se utilizar este geossintético em ambas as faces de montante e de jusante, desde que associado a outros materiais compatíveis com a resistência necessária para a proteção. Usualmente na face de montante é utilizado concreto como material de preenchimento das células, devida às altas solicitações impostas pelo corpo de água contido. Já na face de jusante, é comum o uso de solo com vegetação. Como aplicação em barragens, as geocélulas preenchidas com concreto podem até desempenhar o papel de revestimento do vertedor da barragem, desde que devidamente dimensionada. As Figuras 13, 14, 15 e 16 exibem, em seqüência, a instalação da proteção em uma aplicação no revestimento de vertedor em uma barragem de mineração brasileira. Nesta seqüência pode ser observado: a base para o recebimento da camada de geocélula, com esta já ancorada na parte superior e pronta para ser colocada (Figura 13); a instalação da camada de geocélula em forma de cortina (Figura 14); a camada de geocélula instalada e sendo fixada por grampos e ancoragens em espaçamentos prédefinidos para posterior preenchimento das células com concreto (Figura 15); e finalmente, a camada de geocélula já preenchida com concreto e em teste para funcionamento no vertedor (Figura 16). 6

7 Figura 13: Vertedor da barragem da mineradora MBR: base preparada para recebimento da geocélula (OBER, 2008) Figura 16: Vertedor da barragem da mineradora MBR: concretagem pronta e vertedor em funcionamento (OBER, 2008) A concepção da proteção de um talude é feita através da escolha da geocélula a ser utilizada, da precipitação de água local e das características geométricas do talude. É necessária além do projeto do controle de erosão, a verificação ao escorregamento e da resistência da geocélula. 4 CONCLUSÕES Figura 14: Vertedor da barragem da mineradora MBR: geocélula sendo instalada (OBER, 2008) A geocélula ainda se mostra um material de pouca utilização no panorama nacional, apesar de sua grande aplicabilidade em cenários de extrema importância no contexto brasileiro. Sua utilização pode substituir plenamente técnicas tradicionais com sensíveis melhorias de execução, prazo, qualidade e prazo em aplicações de melhoria da capacidade de carga de solos, revestimentos e controle de erosão em canais, estabilidade por construção de muros de gravidade e proteção e controle de erosão em taludes. Como descrito, esse geossintético possui plenos requisitos para ser utilizado como proteção e controle de erosão de taludes, podendo ser associado com materiais de construções comuns como solo, brita e enrroncamento, com vegetação, e até com concreto em situações extremas com vertedores. Todavia, destaca-se aqui a necessidade de um estudo criterioso em seu emprego, de forma a oferecer um projeto e uma execução compatível com as reais necessidades da obra. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figura 15: Vertedor da barragem da mineradora MBR: geocélula instalada e pronta para concretagem (OBER, 2008) Abint (2001). Curso Básico de Geotêxteis. Comitê Técnico Geotêxtil - CTG. São Paulo. Abnt (1997) Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR Geossintéticos. Rio de Janeiro. 7

8 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. Ambedkar, P. P. (2006). Geocells Celular confinement systems for retaining walls. Seminário da Universidade de Pune, Índia. 22 p. Brown, M. J., Sojka, R. E. (1991). Reducing erosion and sediment loss from furrow irrigated slopes. XXII International Erosion Control Association, Orlando, EUA, p Bueno, B. S. (2004). Manual Brasileiro de Geossintéticos Propriedades, ensaios e normas. Comitê Técnico de Geotêxtil CTG. Ed. Blucher. São Paulo. p Bush, D. I., Jenner, C. G., Bassett, R. H. (1990). The design and construction of geocell foundation mattress supporting embankments over soft ground. Geotextile and Geomembranes, nº 9, p Deflor (2008). Guia de instalação de biomantas antierosivas, retentores de sedimentos e hidrossemeio. Brasil. 11 p. Koerner, R. M. (1994). Designing with Geosynthetics, Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice Hall, 3rd Ed. 761p. Kometa (2008). Kometa geocell. Russia. Maccaferri (2008). Maccaferri america latina produtos. Brasil. Meneses, L. A. (2004). Utilização de geocélulas em reforço de solo mole. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Nortene (2008). Engecell. Produtos Nortene Plásticos Ltda. Brasil. Ober (2008). Fortecell. Produtos Ober S. A. Brasil. Polifabrics (2008). Tenax tenweb Geocell. Australia. Presto (2008). Technical Literature on the GEOWEB Cellular Confinement System. Presto Products Company. Prs (2008). The neoweb cellular confinement system. Espanha. Tensar International (2008). Tensar geocell mattress. Inglaterra. Webster, S. L., Alford, S. J. (1978). Investigation of Construction Concepts for Pavements Across Soft Ground. Report S Geotechnical Laboratory, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Miss. Webster, S. L., Watkins, J. E. (1977). Investigation of Construction Techniques for Tactical Bridge Approach Roads Across Soft Ground. Report S Soils and Pavements Laboratory, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Miss. 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 Wu, K. J., Austin, D. N. (1992). Three-dimensional polyethylene geocells for erosion control and channel linings. Geotextiles and Geomembranes nº 11, p