USO DE COLUNAS DE BRITA NO PORTO SUDESTE, ITAGUAÍ, RJ

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1 USO DE COLUNAS DE BRITA NO PORTO SUDESTE, ITAGUAÍ, RJ Márcio Almeida, Professor Titular COPPE-UFRJ Bruno Lima, Doutorando COPPE-UFRJ, Prof. Assistente UFF Mário Riccio, Pós-doc, COPPE-UFRJ Diego Fagundes, Doutorando COPPE-UFRJ Magnos Baroni, ex-mestrando, COPPE-UFRJ, Prof. Assistente Unipampa RESUMO O presente artigo apresenta a concepção e o desempenho inicial de aterros sobre colunas de brita executadas no Porto Sudeste, Itaguaí, RJ. Para a realização do projeto e obtenção dos parâmetros dos depósitos de argila mole com espessuras médias variando entre 5.0 e 8.0 m foi realizada uma campanha de investigação geotécnica incluindo ensaios de piezocone, de palheta e ensaios de laboratório os quais são aqui descritos. O artigo apresenta também dados de projeto, de análises de recalque e estabilidade e da instrumentação concebida, além de resultado preliminares do monitoramento da obra. ABSTRACT The paper presents an overall description of the main geotechnical features of Porto Sudeste presently under construction at Itaguaí, RJ. The ground improvement technique of stone columns was used for the soft clay deposit which reaches depths up to 8.0 m. A site investigation campaign including in situ and laboratory tests was carried out which allowed to obtain soil parameters settlements and stability calculations. The instrumentation adopted and preliminary monitoring results are presented. 1.0 INTRODUÇÃO O Porto Sudeste é um terminal da MMX localizado no município de Itaguaí, RJ, a 80 Km da cidade do Rio de Janeiro. A empresa MMX, mineradora do grupo EBX, planeja escoar a sua produção de minério além da produção de outras mineradoras no Quadrilátero Ferrífero de Minas Gerais. O porto com área de cerca de 52 hectares (ver Lousier et al [1]), irá abrigar pátios para estocagem e manuseio de minério de ferro e terá capacidade para armazenar até 50 milhões de toneladas por ano. Com localização privilegiada, o Porto Sudeste irá se beneficiar da infra-estrutura de acesso terrestre e marítimo já existente. Sua integração com a ferrovia MRS permitirá que o Porto Sudeste atenda algumas das principais regiões mineradoras localizadas em Minas Gerais. Além disso, sua conexão com o futuro anel rodoviário do Rio de Janeiro permitirá um acesso fácil às regiões metropolitanas do Rio de Janeiro e São Paulo. Este artigo apresenta as principais características geotécnicas do Porto Sudeste incluindo a obtenção de parâmetros geotécnicos de projeto, os fatores determinantes para a escolha do uso de colunas de brita para o tratamento do solos e finalmente resultados preliminares do monitoramento da obra através de instrumentação geotécnica. 2.0 DESCRIÇÃO DAS PROPRIEDADES DOS SOLOS Este item tem por finalidade apresentar os perfis e as propriedades geotécnicas do solo obtidas a partir de um extenso programa de ensaios de campo e laboratório. 2.1 Ensaios de campo e laboratório Foram realizados 3 verticais de piezocone com 26 ensaios de do excesso de poropressão, 3 verticais de ensaios de palheta, sendo realizados no total 13 ensaios em solo natural e 13 ensaios em solo amolgado e coletadas 6 amostras indeformadas com tubo de pistão estacionário do tipo Shelby em 6 verticais para realização de ensaios de adensamento oedométrico e caracterização do subsolo.

2 Área Instrumentada Figura 1. Localização do empreendimento. As principais características dos equipamentos utilizados para realização dos ensaios estão resumidas abaixo: Piezocone COPPE-IV: O equipamento é constituído basicamente de máquina de cravação, com sistema hidráulico e capacidade de 200 kn, peso de 7 kn, capaz de fornecer a velocidade constante padronizada de 2 cm/s durante o processo de cravação. A sonda de medição propriamente dita possuí 10 cm 2 de área de ponta e 150 cm 2 de área lateral da luva de atrito, capaz de medir resistência de ponta, atrito lateral e poropressão em dois locais (na face, u 1, e na base do cone, u 2 ). A capacidade das células de carga é de 60 kn (ponta) e 10 kn (atrito), Danziger, 1990 [2], Bezerra, 1996 [3]. Palheta Elétrica: O equipamento de Palheta COPPE/UFRJ - UFPE utilizado nos ensaios possui medida de torque próximo à palheta que elimina erros referentes ao atrito interno e o atrito haste-solo, e que tem sido utilizado com excelentes resultados (Nascimento, 1998 [4]; Coutinho et al., 2000 [5]; Oliveira e Coutinho, 2000 [6]; Crespo Neto, 2004 [7]; Almeida et al., 2006 [8]; Almeida et al., 2010 [9]; Baroni, 2010 [10]) nos últimos anos no Brasil Retirada de Amostras Indeformadas: Obtidas por meio de amostrador tipo Shelby de pistão estacionário de paredes finas de diâmetro interno igual a 100 mm e altura igual a 600 mm (altura efetiva de 550 mm). Seguindo- se a ABNT NBR-9820/1997 [11] e recomendações de Ladd e De Groot, 2003 [12] adaptadas por Aguiar, 2008 [13] e Baroni, 2010 [10] para solo e técnicas brasileiras. A locação dos ensaios foi realizada com base nos resultados dos ensaios de SPT realizados anteriormente em toda a área do empreendimento. Adotou-se como padrão para escolha do local onde seriam realizados os ensaios os boletins de sondagens maiores espessuras de solo compressível no entorno da área do pátio de estocagem de minério e acesso ferroviário. Foram programadas 3 ilhas de investigação, denominadas M 1, M 2, e M 3 condensando em cada uma das ilhas pelo menos uma vertical de cada ensaio com espaçamento mínimo de 2,00 m entre cada vertical. A Figura 2 apresenta a localização das verticais na ilha M 3 e a Figura 3 o resumo dos ensaios realizados.

3 SPT = sondagem c/ medida de N spt PZ = Ensaio de Piezocone PL = Ensaio de Palheta AM = Retirada de Amostras AM AM PZ PL PZ SPT Figura 2. Locação dos ensaios, ilha de investigação M 3. ENSAIOS REALIZADOS ILHA M1 CPTu 1 L = 8,20 m; CPTu 2 L = 9,22 m Palheta 1 4 Ensaios Su 4 Ensaios Sur 2 Amostras Indeformadas 4 ensaios de 4 ensaios de ILHA M2 2 Ensaios de adensamento e caracterização CPTu 1 L = 11,00 m CPTu 2 L = 10,90 m; Palheta 1 5 Ensaios Su 5 Ensaios Sur 2 Amostras Indeformadas 5 ensaios de 4 ensaios de ILHA M3 2 Ensaios de adensamento e caracterização CPTu 1 L = 8,70 m CPTu 2 L = 6,60 m Palheta 1 4 Ensaios Su 4 Ensaoios Sur 2 Amostras Indeformadas 5 ensaios de 4 ensaios de 2 Ensaios de adensamento e caracterização Figura 3. Ensaios de campo e laboratório realizados. 2.2 Parâmetros geotécnicos A partir das investigações Geotécnicas realizadas pela COPPE-UFRJ foi verificada a presença de depósitos de argila mole, com espessuras variáveis de 2,0 m a 8,0 m e com uma camada de areia fofa superficial com espessuras de até 3,4 m. Estes depósitos se encontram na região do pátio de minério, acessos rodoviário (Via Marginal) e Ferrovia de acesso. O nível d água se encontrava próximo da superfície em todos os locais. Foram adotados 2 modelos geomecânicos, um para a região do pátio de minério e outro para o acesso ferroviário. A Figura 4 apresenta a espessura das camadas adotadas no modelo geomecânico da região do

4 NSPT pátio de minério, e os parâmetros geotécnicos provenientes dos resultados dos ensaios de campo e laboratório. 3.0 CONCEPÇÃO DA SOLUÇÃO EM COLUNAS DE BRITA São várias as possíveis técnicas de estabilização e tratamento de solos moles (Almeida e Marques, 2010 [14]). Estudos indicaram que devido às altas cargas e recalques admissíveis deveria ser adotada a solução de colunas de brita por vibrosubstituição (Priebe, 1995 [15]). A opção por esta técnica construtiva levou em conta a eficácia desta técnica e também a grande disponibilidade de brita na área do empreendimento. 3.1 Projeto das colunas de brita Em toda a área do Pátio de Minério, que engloba a Via Marginal e o Pátio de Minério, foi projetado uma plataforma de transferência de carga acima das colunas de brita, que consiste essencialmente de um aterro rígido (até atingir a cota + 6,0 m) com brita compactada. Devido à particularidade de cada área (diferentes carregamentos e estabilidade) os espaçamentos das colunas de brita foram diferenciados, considerando-se sempre uma malha quadrangular e colunas de brita com diâmetro de cerca de 0,90 m. O espaçamento das colunas de brita na Via Marginal próximo à área do pátio de minério foi igual a 1,40 m devido à proibição ambiental da construção de bermas de equilíbrio no mangue. A Ferrovia de acesso foi projetada com colunas equidistantes 1,75 m. Na Região do Pátio de Minério, espera-se o depósito de pilhas de minério com até 14,0 m de altura (carga de 325 kpa no centro e 170 kpa nas bordas). Os pátios de estocagem possuem 60 m de largura, e não serão construídas colunas de brita entre os pátios de minério, locais de passagem dos Stack-Reclaimers, que possuirão fundações em estacas pré-moldadas de concreto. Devido ao alto carregamento do pátio de minério propriamente dito foram projetas colunas de brita com espaçamentos de 2,0 m na região central (faixa de 25,0 m) e 2,5 m nas bordas (faixa com 17,5 m) sendo o espaçamento em geral alterado para 1,75 m tendo em vista uma revisão geral nas alturas das pilhas de minério. A Figura 4 apresenta o corte esquemático da estrutura projetada. (A) MINÉRIO DE FERRO CAMINHO DE ROLAMENTO Stack-Reclaimers (B) 60,0 17,5 25,0 17,5 C=170 kpa C=325 kpa C=170 kpa 14,0 Profundidade (m) SPT CPTU -1 - Médio N.A 0,53 Areia fina/média 3/30 qt = à 3,00 3,00 Argila Muito Mole 3,0 à 6,90 Argila Média 6,90 à 9,40 Silte Argiloso 9,40 à 10,45 0/45 5/30 7/30 6,90 qt = 200 qt = 1100 CPTU - 2 3,00 6,40 qt = 3000 qt =200 qt = 1200 Figura 4. (A) - Modelo geomecânico adotado para a região do pátio de Minério de Ferro, Ilha M2; (B) - Corte esquemático das fundações projetadas. 3.2 Cálculos de Recalques PALHETA 3,50 4,00 5,00 5,50 6,50 11,00 m - LIMITE ENSAIO SPT Os recalques foram calculados utilizando-se o método de Priebe, 1995 [15] complementado por análises numéricas por elementos finitos. Os recalques esperados variam entre 0,15 m a 1,13m, para as situações na Via Marginal e Pátio de Minério, respectivamente. 3.3 Análises de estabilidade su= 16,25 su= 7,92 su= 4,08 su= 25,43 su= 19,23 ADENSAMENTO SUBSOLO LOCAL 3,50 Cc = 1,063 Cs = 0,04 Cc/(1+e0) = 0,326 5,00 3 Cc = 0,83 γ = kn/m Cs = 0,03 Cc/(1+e0) = 0,296 25,0 ESTACAS PRÉ MOLDADAS COLUNAS DE BRITA 1,40 0,9 *Medidas em metros (m) Com o intuito de se verificar a estabilidade do conjunto colunas de brita + argila mole, foi utilizado o método do material composto, que considera o conjunto colunas de brita e solo mole como um material homogêneo, com parâmetros geotécnicos ponderados.

5 A região da Via Marginal (lateral aos pátios de minério) necessitou da introdução de um reforço tipo geossintético com valor nominal de T 200 kn/m e J 2000 kn/m para a obtenção de um fator de segurança igual a 1,5. A Figura 5 mostra uma seção transversal típica de análise de estabilidade da via lateral. A solução adotada foi o uso de um geossintético bidirecional com resistência à tração de 50 kn/m sobre a argila, para recebimento do aterro de conquista (camada de areia com espessura de 0,50m). Esta camada de areia possui a função de permitir a entrada dos equipamentos de construção no mangue, além de servir de colchão drenante. No topo do aterro de conquista foi inserido o reforço geossintético e sobre este se procedem à execução do aterro plataforma da via. O geossintético possui a função principal de uniformizar os recalques entre colunas, contribuindo também para a estabilidade do aterro. A Figura 6 ilustra o exposto. Figura 5. Análise de estabilidade da via lateral ao pátio de minério. ATERRO ATERRO DE CONQUISTA REFORÇO REFORÇO AT. CONQUISTA SOLO MOLE (MANGUE) COLUNAS DE BRITA Figura 6. Solução adotada para a via lateral ao pátio de minério. O conceito de material composto foi também utilizado para análise das fundações das pilhas de minério, onde foram empregadas colunas de brita para redução de recalques e aumento da estabilidade quanto à ruptura. A Figura 7 mostra o resultado da análise de estabilidade de uma seção transversal da região do Pátio de Minérios.

6 4.0 INSTRUMENTAÇÃO Figura 7. Análise de estabilidade de uma seção transversal do pátio de minérios. O Porto Sudeste, considerando-se seu porte e relevância, requer um monitoramento geotécnico cuidadoso e contínuo de suas fundações em solo mole de forma a assegurar o desempenho adequado em condições de serviço sem o risco de rupturas. 4.1 Projeto da instrumentação Neste projeto está sendo instalada uma instrumentação geotécnica de grande porte com cerca de 250 instrumentos. As medidas a serem realizadas, os instrumentos instalados e suas quantidades estão apresentados na Tabela 1. Esta instrumentação teve por objetivo monitorar a segurança da obra e se as premissas de projeto se verificam em campo. Tabela 1 - Resumo da instrumentação geotécnica. Grandeza medida Quantidade Instrumento Recalque superficial Recalque em profundidade 64 Marcos superficiais 37 Placas de recalque 11 Tubos de perfilômetros 23 Sensor de recalque (com transdutor de poro pressão) 45 Extensômetro magnético (+ datum) 8 Transdutores de deformação Deslocamento Horizontal 23 Tubos de inclinômetros Poro Pressão (na argila mole) 36 Piezômetros de Corda Vibrante Tensão vertical total (topo das colunas e entre colunas) 12 Célula de tensão total Os instrumentos foram agrupados em ilhas de monitoramento e locados de maneira estratégica no empreendimento. A Figura 8 ilustra a locação de alguns instrumentos no projeto e a Figura 9 apresenta o detalhe da instrumentação utilizada no Pátio de minério.

7 Via 1 (Ilha1) e Ferrovia 2 Via Virador Via Muro e Ferrovia 1 Via 2 (Ilha 2) e Ferrovia 3 Pátio 01 Pátio 02 Pátio 03 Pátio 04 Figura 8. Exemplo de um croqui esquemático contendo parte do posicionamento da instrumentação. Figura 9. Detalhe da instrumentação utilizada no Pátio 01. A coleta de dados está sendo realizada em campo diariamente por equipe especializada (contando com engenheiros e técnicos) para acompanhamento dos resultados desejados desde a instalação. Os dados lidos diretamente dos instrumentos estão sendo inseridos em uma plataforma tecnológica online baseada em conceitos da Geomática. Assim sendo, será realizado o tratamento matemático dos dados, o georeferenciamento e a análise espacial dos dados de todos os instrumentos do empreendimento (Losier et al, 2012 [1]). Com isso, será possível o acompanhamento em tempo real por toda a equipe nesta plataforma online, por meio de gráficos e mapas digitais, gerados automaticamente ao se inserirem os dados lidos, sendo ainda possível a definição de níveis de alerta pré-estabelecidos. Estes dados podem ser acessados pelo cliente, seus consultores e empresa gerenciadora desde que possuidores de senha de acesso ao sistema. 4.2 Resultados Preliminares A instalação da instrumentação esta sendo executada em paralelo as etapas e cronogramas do projeto. Desta forma até o momento apenas quatro ilhas de monitoramento forma instaladas na obra. Estas ilhas estão localizadas ao longo das vias rodoviárias e ferroviárias do projeto. Em cada uma destas ilhas foram em geral instalados os seguintes instrumentos: - 4 piezômetros distribuídos ao longo da camada de argila mole; - 3 células de tensão - 1 posicionada sobre a coluna de brita e 2 posicionadas no solo entre as colunas; - 1 periflômetro.

8 Os piezômetros foram locados entre as colunas de brita em diferentes profundidades na camada de argila como mostra o diagrama esquemático da Figura 10. Na Figura 11 são apresentadas as medições referentes à evolução das poro-pressões ao longo do período de Setembro de 2011 a Janeiro de 2012, nos quatro piezômetros instalados na ilha 2. As Figura 11 a 13 apresentam ainda as medições dos instrumentos instalados na seção instrumentada da Via 2 (Ilha 2) cuja locação é apresentada esquematicamente na Figura 8. Figura 10. Leituras dos piezômetros. Figura 11. Leituras dos piezômetros. Os resultados da Figura 11 mostram que à medida que o aterro é elevado os excesso de poro-pressão aumenta proporcionalmente em cada piezômetro em função da sua profundidade de instalação. Quando a cota final é alcançada e o carregamento no solo é estabilizado o excesso de poro-pressão se dissipa ao longo do tempo. Na Figura 12 são apresentadas as medições referentes às leituras de tensão total vertical das três células de tensão instaladas na Ilha 2, ao longo do período de Setembro de 2011 a Novembro de As células de tensão foram locadas em planta de forma a avaliar a reposta ao carregamento imposto pelo aterro na parcela de tensão total vertical que chega às colunas de brita e a parcela que chega ao solo não tratado. Para tal, a célula de tensão foram CP-LF2 foi posicionada sobre o topo da coluna de brita e as células CP- LF1 e CP-LF3 posicionadas no solo entre as colunas de brita.

9 Figura 12. Leituras das células de tensão vertical total. Espera-se para um bom desempenho das colunas de brita, que estas devem suportar o peso do aterro em um processo de arqueamento onde estas transmitem a carga para uma camada mais competente. Como as colunas são menos deformáveis do que o solo ocorrem recalques diferencias dentro do corpo do aterro e este movimento da origem ao arqueamento, que aumenta a carga nas colunas e alivia a tensão atuante no solo mole. Na Figura 12 pode-se observar a concentração de tensão total vertical na célula de tensão posicionada sobre a coluna de brita, pois esta apresenta valores superiores aos medidos nas células de tensão posicionadas sobre o solo. Desta forma os valores de tensão medidos caracterizam o desenvolvimento do efeito de arqueamento no corpo do aterro. Na Figura 13 são apresentadas as medições referentes à evolução dos recalques com o tempo observados no perfilômetro da Ilha2, no período de Setembro de 2011 a Novembro de O recalque máximo observado foi de 27 cm na região central da seção do aterro. Data da medição Figura 13 Leituras do perfilômetro. 5.0 COMENTÁRIOS FINAIS Este artigo apresentaou uma visão geral dos aspectos geotécnicos da obra do Porto Sudeste onde ocorrem depósitos de solos moles com espessuras variáveis de 2,0 m a 8,0 m. Neste empreendimento estão sendo construídas vias de acesso rodoviário e ferroviário para os pátios de minérios que suportarão elevadas

10 cargas de minérios. Assim sendo, optou-se pela adoção da técnica de melhoramento do solo por colunas de brita executadas pelo sistema de vibro-substituição, sendo que em cada região adotou-se um determinado espaçamento das colunas em função de cargas atuantes e características do subsolo. O artigo descreve inicialmente os ensaios usados na investigação do subsolo, estes concentrados em ilhas de investigação e incluindo ensaios de campo, SPT, palheta, piezocone; e de laboratório, adensamento e caracterização. Os principais parâmetros geotécnicos obtidos são apresentados e então cálculos de recalques e de estabilidade usados em aterros sobre colunas de brita são discutidos. O artigo apresenta então o projeto da moderna instrumentação adotada, na sua quase totalidade consistindo de transdutores elétricos. Uma importante característica deste monitoramento de campo é o fato dos dados serem aquisitados e calculados automaticamente e então imediatamente disponibilizados na internet. Os resultados preliminares obtidos incicam consistência globa dos resultados. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à MMX na pessoa do Eng. Marcos Goldstein a permissão da publicação dos dados apresentados neste artigo também à Planave Engenharia S.A. responsável pelo projeto da obra do Porto Sudeste na qual o 1º autor deste artigo atuou como consultor. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] LOUSIER, L.M., ALMEIDA, M.S.S., DORS, C., FAGUNDES, D.F., ROZA, F. - Geodecisão Solução tecnológica para a monitoração geotécnica. Estudo de caso: Pilhas de minério sobre solos moles ". In: Congresso Brasileiro de Mecânicas do Solo e Engenharia Geotécnica, Porto de Galinhas-PE, XVI COBRAMSEG, (a ser publicado). [2] DANZIGER, F.A.B. - Desenvolvimento de equipamento para realização de ensaio de piezocone: aplicação a argilas moles. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [3] BEZERRA, R.L. - Desenvolvimento do piezocone COPPE/UFRJ de terceira geração e sua utilização na determinação dos parâmetros in situ de resistência ao cisalhamento e compressibilidade de argilas moles. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [4] NASCIMENTO, I.N.S. - Desenvolvimento e utilização de um equipamento de palheta elétrico in situ. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [5] COUTINHO, R.Q., OLIVEIRA, A.T.J., OLIVEIRA, J.T. - Conferência: Palheta: Experiência, Tradição e Inovação. In: SEFE IV / BIC Vol. 3, pp , São Paulo, [6] OLIVEIRA, A.T.J., COUTINHO, R.Q. - Utilização de um equipamento elétrico de palheta de campo em uma argila mole de recife. Seminário Brasileiro de Investigação de Campo. BIC`2000. São Paulo, [7] CRESPO NETO, F.N. - Aprimoramento do equipamento de palheta elétrico visando o estudo do efeito da velocidade. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [8] ALMEIDA, M.S.S., DANZIGER, F.A.B., MACEDO, E.O. - A Resistência não drenada in Situ obtida através de ensaios de penetração de cilindro. In: XIII COBRAMSEG, Vol. 2, pp , Curitiba/PR, [9] ALMEIDA, M.S.S., MARQUES, M.E.S., BARONI, M. - Geotechnical parameters of very soft clays obtained with CPTu compared with other site investigation tools. 2 nd International Symposium on Cone Penetration Testing, CPT'10, Huntington Beach, California, USA, [10] BARONI, M. - Investigação geotécnica em argilas orgânicas muito compressíveis em depósitos da Barra da Tijuca. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [11] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT - NBR 9820; Coleta de amostras indeformadas de solos de baixa consistência em furos de sondagens. Rio de Janeiro, Brasil: ABNT, [12] LADD, C.C., DE GROOT, D.J. - Recommend practice for soft ground site characterization. Casagrande Lecture. Proc. of the 12 th Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Boston, EUA, [13] AGUIAR, V. N. - Características de adensamento da argila do canal do Porto de Santos na região da Ilha Barnabé. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [14] ALMEIDA, M. S. S. Marques, M.E.S. - Aterros sobre solos moles - projeto e desempenho. São Paulo: Editora Oficina de Textos, v p [15] PRIEBE, H.J. - The design of vibro replacement, Ground Engineering, Dezembro, 1995, p31-37, 1995.