Soluções Geotécnicas Utilizadas em um Aterro de Grandes Dimensões sobre Solo Mole

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1 Soluções Geotécnicas Utilizadas em um Aterro de Grandes Dimensões sobre Solo Mole Luiz Guilherme Rodrigues de Mello, Dr DNIT, Ennio Marques Palmeira, PhD UnB, Gregório Araújo, Dr UFERSA, RESUMO: Atualmente, diversas obras vêm sendo realizadas nas principais vias que cortam Brasília, tais como a ampliação da capacidade da EPIA, com suas novas faixas de rolamento, e a realização do acesso à via DF-079 (EPVP), que dá acesso ao bairro de Águas Claras pela EPTG. Essa obra contempla quatro novos viadutos em uma região com condicionantes complexas, que foram projetados utilizando soluções geotécnicas diversas, dentre elas aterros estaqueados, reforço com geogrelhas, maciços de solo reforçados e geodrenos. Dentres as peculiaridades do local de contrução dos aterros de encabeçamento dos viadutos, pode-se destacar a existência de uma camada de solo mole de fundação, bem como a existência de uma adutora de água potável de grandes dimensões adjacente ao aterro. Foram utilizadas micro-estacas escavadas com capitéis para dar suporte aos aterros de encabeçamento, onde os mesmos foram construídos com o paramento na vertical por meio da técnica conhecida como Terra Armada. Provas de carga foram realizadas nas micro-estacas para verificação da capacidade de carga prevista em projeto. O tipo da estaca e sua execução mostrou-se eficiente com relação ao prazo de execução dos serviços. A obra foi instrumentada e foi feito um acompanhamento de todas as etapas de construção dos serviços. Os dados obtidos pelas instrumentações puderam demostrar a viabilidade técnica das soluções adotadas, indicando o cumprimento das prerrogativas definidas pelo contratante até então. PALAVRAS-CHAVE: aterro estaqueado, geodreno, instrumentação. 1.INTRODUÇÃO Diante do crescente número de veículos diariamente licenciados no Distrito Federal, que recentemente chegou à impressionante marca de 1 milhão de carros circulando pelas vias da capital, o GDF vem procurando investir em soluções que facilitem a vida do usuário. O plano Brasília Integrada pretende facilitar a mobilidade da população, promovendo a integração dos transportes públicos coletivos, criando vias exclusivas para ônibus e apostando na expansão do Metrô. Além disso, diversas obras estão sendo realizadas nas principais vias que cortam a cidade, tais como a ampliação da capacidade da via EPIA, com suas novas faixas de rolamento, e a construção do acesso à via DF-079 (EPVP), que permite chegar ao bairro de Águas Claras pela via EPTG. Nesta rodovia estão sendo construídos quatro novos viadutos que irão facilitar o trânsito e a vida daqueles que utilizam diariamente essas rotas, reduzindo os freqüentes congestionamentos. É sobre essas obras que trata este trabalho. Particularmente, o local de construção dos viadutos necessitou de alguns cuidados extras para a elaboração de um projeto desse porte. De acordo com sondagens realizadas durante a fase de projeto, foram detectadas camadas de solos com baixa capacidade de suporte, os conhecidos

2 solos moles. Esses materiais podem acarretar sérios problemas em obras deste tipo caso não sejam devidamente tratados por técnicas apropriadas. Diante disso, o DER, Departamento de Estradas de Rodagem, do DF, procurou a Universidade de Brasília para a realização de um estudo que pudesse auxiliar nas escolhas das soluções possíveis para a execução da obra. Cabe ressaltar que, além das condicionantes geotécnicas do local, passa por ali uma importante adutora de água da CAESB, Companhia de Água e Esgoto de Brasília, que dificulta a escolha da solução mais adequada. O projeto, de autoria do DER, foi licitado e a obra teve seu início no segundo semestre de 2007, estando atualmente com grande parte da terraplenagem concluída. Por ser um projeto onde algumas técnicas utilizadas não são usualmente encontradas no DF, apresenta-se aqui uma discussão das soluções escolhidas. De maneira resumida, a obra possui 4 viadutos que serão encabeçados por aterros construídos sobre uma região onde encontram-se solos de baixa capacidade de suporte. Dentre as soluções técnicas, destacam-se a utilização de drenos sintéticos verticais, geogrelhas, aterros estaqueados, muros tipo Terra Armada e instrumentações para controle tecnológico do andamento dos serviços. A Figura 1 mostra de maneira esquemática os locais das diversas soluções adotadas no projeto. 2.DEFINIÇÃO DAS SOLUÇÕES A escolha das soluções utilizadas na construção do aterro de grandes dimensões foi baseada em algumas premissas de ordem geotécnica e outras relativas ao espaço urbano. Por condicionantes geotécnicas, pode-se ressaltar a existência de uma camada de solo mole abaixo de onde os aterros iriam ser construídos. Mais ainda, o espaço urbano na região e a geometria escolhida para as vias induziram à soluções mais complexas e, ao mesmo tempo, mais onerosas. Nesse caso, destaca-se a existência de uma adutora de água potável (diâmetro = 1,0 m) adjacente à via na qual o aterro iria ser levantado, assim como a execução de um maciço reforçado em terra armada. De acordo com o órgão responsável pelos serviços (DER/DF), a relocação da adutora de água potável estaria descartada, caso fosse uma necessidade técnica. Essa premissa reduziu as possibilidades de soluções a serem adotadas na obra. Dessa forma, a solução para o projeto deveria levar em consideração a impossibilidade de deslocamentos na adutora, sejam eles horizontais ou verticais, garantindo sua funcionalidade durante a construção do aterro. A Figura 2 ilustra a possibilidade de deslocamentos que poderiam acontecer na adutora por conta de movimentações do solo de fundação, o que deveria ser impedido. Dentre as possíveis soluções existentes para a construção de aterros sobre solos moles, podese recorrer, por exemplo, ao procedimento PRO (DNIT), que trata de situações Aterro Estaqueado e Terra Armada Geodrenos e Geogrelha uniaxial Viaduto 4 Geodrenos e Geogrelha uniaxial RODOVIA DF ( EPTG ) Viaduto 1 TAGUATINGA BRASÍLIA ADUTORA CAESB diam.=1,00 Viaduto 2 Acesso Águas Claras (DF-079) Viaduto 3 Figura 1. Localização onde as principais soluções foram adotadas. Aterro Estaqueado e Terra Armada

3 Figura 2. Ilustração da possibilidade de ruptura do solo mole de fundação e conseqüente deslocamento da adutora. similares em obras rodoviárias. Neste caso,o aterro em questão está classificado como de Classe I, ou seja, aquele onde cuidados extras com relação às sondagens e com o Fator de Segurança (FS) devem ser tomados. Diante das possíveis soluções, a norma preve: Aterros leves; Substituição da camada mole; Bermas de equilíbrio; Construção por etapas; Pré-carregamento ou sobrecarga; Geodrenos e sobrecarga; Aterro estaqueado; Obviamente, algumas soluções podem ser descartadas de imediato, com base nas premissas existentes em campo. Qualquer tipo de solução onde o solo de fundação não fosse tratado não se aplicaria nessas condições, já que a possibilidade de deslocamentos na adutora poderiam causar sua ruptura. Além disso, questões relativas ao prazo de execução e o tipo de maciço reforçado no encabeçamento eram importantes também. Soluções com aterros leves são recentes no Brasil, o que resultou na impossibilidade de sua escolha. Finalmente, com base em sondagens realizadas, o DER/DF definiu soluções mistas para o empreendimento. Nos trecho de encabeçamento dos viadutos, onde o o aterro foi construído de maneira reforçada (terra armada), foi utilizada a solução em aterro estaqueado, impedindo qualquer deslocamento do solo de fundação, quanto deslocamentos no paremento vertical do aterro, constituído de placas pré-moldadas. Em locais onde o aterro possuía dimensões menores, ou o solo mole era menos espesso, a solução escolhida foi a execução de geodrenos em conjunto com camadas de geogrelha no interior do maciço compactado, com o intuito de aumentar o FS contra a ruptura do solo de fundação e, consequentemente proteger a adutora. Mais ainda, a adutora foi protegida por uma viga paralela à sua direção, com estacas trabalhando tanto a compressão quanto a tração para reduzir a possibilidade de descolamentos. A Figura 3 mostra uma foto do solo mole de fundação, de coloração clara, onde o aterro foi construído. Figura 3. Ilustração do encabeçamento do viaduto. solo mole próximo ao 3.ATERRO ESTAQUEADO A execução do aterro estaqueado se deu nos encabeçamentos dos viadutos. Como mencionado anteriormente, nesses trechos o aterro foi reforçado pela metodologia do tipo terra armada. Deslocamentos durante a construção do aterro poderiam danificar as placas de concreto pré-moldadas, assim como danificar a adutora de água. A solução em aterro estaqueada, apesar de onerosa, permitiu que os encabeçamentos fossem construídos de forma rápida e sem que o solo mole de fundação sofresse nenhum tipo de deslocamento. Além disso, permitiu-se a construção das fundações, assim como do viaduto, antes do aterro, evitando o efeito Tschebotarioff e otimizando o tempo de construção da obra. Microestacas foram escolhidas para suportar a carga do aterro de forma a evitar descolamentos verticais e horizontais. Não se teve acesso à metodologia escolhida para o dimensionamento do espaçamento entre estacas. Atualmente, pode-se destacar algumas

4 metodologias analíticas de dimensionamento de aterros estaqueados. A norma inglesa BS 8006 (1995) talvez seja a metodologia mais conhecida no meio técnico. Recentes metodologias estão sendo apresentadas na literatura científica, destacando-se o procedimento apresentado pela norma Alemã EBGEO (2002). Kempfert et al. (2004) apresentam essa metodologia, que segundo os autores foi verificada por modelos físicos e numéricos, embora seja limitada para aterros não coesivos. A metodologia permite a análise de situações pontuais e lineares, quando da utilização de estacas pranchas, por exemplo. Russel et al. (2003) apresentaram uma metodologia analítica para dimensionamento de aterros estaqueados com base na norma inglesa e em simulações numéricas em três dimensões. Cerca de 1100 estacas foram executadas com profundidade média de 12,0 m. De acordo com informações do executor dos serviços, as estacas possuem carga de trabalho de 300kN. Provas de carga realizadas em campo confirmaram tal valor. O espaçamento das estacas foi de 2,0 m, em malha retangular, embora não tenha sido apresentada nenhuma metodologia que demonstrasse a necessidade deste espaçamento. Considerando uma situação mais crítica, ou seja, quando se tem um arqueamento do solo de modo que toda a carga seja suportada pelas estacas, cada uma deverá suportar a carga do aterro numa área referente à 4,0 m². Para cada m² na base do aterro, com altura máxima de 7,5 m, peso específico do solo de aproximadamente 18,0 kn/m³ e uma carga distribuída de 20 kpa, tem-se aproximadamente 620 knde carga, o que é o dobro da capacidade de trabalho de uma estaca. Ao invés de considerar a área de influência como quadrada, Barker (2000) considerou a célula representativa com uma área circular, onde o raio seria 0,564 do espaçamento entre estacas. Nesse caso, a área da célula resultaria nos mesmo 4,0 m² de área para cada estaca. Pela norma inglesa BS 8006 (1995), a metodologia de cálculo do espaçamento entre estacas baseia-se na seguinte expressão: Qp s = (1) f. γ. H + f. q s q onde s é o espaçamento entre estacas, Q p é a capacidade de carga da estaca, γ é o peso específico do solo, H é a altura do aterro, q é a sobrecarga externa e f s e f q são fatores de segurança. Por esta metodologia, e considerando os dados anteriores e adotando os fatores de segurança como unitários, o espaçamento resultante é de 1,40 m. Para esse espaçamento, considerando a situação crítica novamente, cada estaca deveria suportar 300 kn. Ou seja, de acordo com a norma BS 8006 o aterro está dimensionado coerentemente, considerando o estado limite de serviço. Com base em provas de carga fornecidas pelo executor, a estaca rompeu com aproximadamente 900kN, contudo apresentando estabilidade com carga de 800kN. Dessa forma, considerando tal capacidade de carga, o novo espaçamento calculado pela metodologia da norma ingles seria de 2,30 m. Para aterros com 5,0 m de altura, esse espaçamento passaria para 2,70 m. A Figura 4 ilustra a execução das estacas, bem como o detalhe do bulbo. Pode-se ver a irregularidade do formato do mesmo. Como a estaca é feita com injeção de nata de cimento, o formato do bulbo irá depender da resistência do solo adjacente. Nesse caso, um solo com baixa resistência permite uma irregularidade considerada benéfica do bulbo, aumentando a transmissão de carga da estaca para o solo de fundação. Em solos mais competentes, o bulbo torna-se mais uniforme, como foi constatado em outros locais onde o mesmo tipo de estaca foi executado. Chama-se a atenção para um detalhe no processo construtivo durante a execução das estacas. Conforme pode-se observar nas Figuras 3 e 4, o executor retirou o solo de cobertura sobre o solo mole antes da execução das estacas. Acredita-se que esse desconfinamento do solo mole poderia provocar deslocamentos no maciço de fundação como um todo, inclusive apresentando deslocamentos horizontais que poderiam causar danos à adutora. Entretanto, não foi observado nenhuma leitura que evidenciasse tal possibilidade.

5 podem causar um dano na geogrelha, resultando em sua ruptura. Essa ruptura, consequentemente, poderá reduzir a eficiência do reforço. Para impedir esse dano, uma camada de pó de pedra, foi executada logo acima dos capitéis de modo a evitar esse contato. A Figura 5 mostra a execução da camada de transferência de carga acima das estacas, enquanto que a Figura 6 mostra a instalação da geogrelha biaxial. (a) Figura 5. Execução da camada de transferência de carga para as estacas. (b) Figura 4. Execução da microestacas nos locais de encabeçamento dos viadutos (a); detalhe da irregularidade do bulbo de uma microestaca (b). Para evitar que o solo de fundação receba parte da carga do aterro, e assim sofra deslocamentos que possam ser prejudiciais, deve-se garantir o arqueamento completo do solo para a transmissão da carga para as estacas, assim como evitar também o puncionamento do aterro. Para isso, a utilização de capitéis de concreto (0,6 x 0,6 x 0,4 m) e uma camada de material granular foram colocados sobre as estacas. Nessa obra uma camada de brita com 50 cm de espessura foi executada, além de uma geogrelha biaxial (150,0 kn), instalada para aumentar a eficiência da transferência de carga entre o aterro e as estacas. Um aspecto importante na instalação da geogrelha biaxial está relacionado com a sua proteção contra ruptura por desgaste, caso a geogrelha fique em contato direto com os capiteis de concreto. A carga advinda do aterro, juntamente com o atrito entre a geogrelha e as arestas dos capiteis, Figura 6. Instalação da geogrelha biaxial onde foi construído o aterro do tipo terra armada. 4.GEODRENOS E GEOGRELHA Como mencionado anteriormente, parte das soluções adotadas nesta obra foi a adoção de geodrenos instalados no solo mole para facilitar a expulsão da água e, consequentemente, o adensamento e o ganho de resistência do material compressível. Com o acréscimo da resistência, supõe-se que o material possa

6 suportar a carga do aterro sem deslocamentos excessivos. Os locais escolhidos foram aqueles onde a camada de solo mole não era tão espessa, ou o aterro não apresentava alturas elevadas. Por ser uma região onde o lençol freático está bem próximo da superfície, os geodrenos funcionam como um facilitador para a saída da água, acelerando os recalques no solo de fundação. A malha triangular utilizada tinha espaçamento de 1,3 m. A profundidade em que os geodrenos foram instalados variou bastante, pela dependência da espessura do solo mole no local de instalação. Outra peculiaridade observada durante a instalação dos geodrenos foi a necessidade de se executar pré-furos na camada superficial do solo de fundação. Como pode ser observado pela Figura 3, uma camada de argila vermelha, com maior resistência, impedia a instalação direta do geodreno. Essa camada, originária das camadas que compunham a via anteriormente, foi perfurada por um trado manual antes da instalação do geodreno. O sistema de drenagem, com a função de captar a água expulsa do solo mole, foi composto de três drenos longitudinais e um colchão drenante, todos interligados com o sistema de drenagem pluvial do local. Nos locais onde a solução por geodreno foi utilizada, optou-se pela utilização de geogrelhas uniaxiais no interior do maciço do aterro que iria ser construído. As geogrelhas tinham como objetivo aumentar o fator de segurança contra instabilidades e ajudar na redução de deslocamentos laterais que por ventura pudessem ocorrer, reduzindo a possibilidade de danos à adutora existente. Ao todo, três camadas de geogrelha foram instaladas no interior do aterro construído: a primeira na base do aterro, a segunda 3,0 m acima e a terceira a 5,5 m. A inclusão dessas camadas foram baseadas em análises de estabilidade de taludes feitas pela Universidade de Brasília, durante a fase preliminar dos estudos, as quais mostraram um acréscimo no fator de segurança do aterro. A Figura 7 apresenta os geodrenos instalados, enquanto a Figura 8 mostra as geogrelhas uniaxiais durante a construção do aterro. Figura 7. Geodrenos instalados em malha triangular. Figura 8. Geogrelha uniaxial durante a construção do aterro. 5.PROTEÇÃO ADUTORA No intuito de aumentar a segurança sobre a adutora, foi adotada uma estrutura de proteção correspondente a uma viga posicionada lateralmente. A viga foi projetada para aumentar a proteção contra deslocamentos laterais na adutora, o que poderia causar prejuízos ao seu funcionamento. Micro-estacas escavadas, as mesmas executadas para o aterro estaqueado, trabalharam como suporte da viga, tanto para solicitações de compressão, quanto à tração. Pelo formato irregular do bulbo das estacas, acredita-se que estas tenham elevada resistência à tração, embora não tenha sido realizado nenhuma prova de carga para verificação. As estacas foram projetadas na vertical e com uma inclinação de aproximadamente 15, o que facilita a resistência contra esforços horizontais. A Figura

7 9 mostra um detalhe da estrutura de proteção da adutora. Aterro Solo mole Viga de Concreto ADUTORA DE ÁGUA Micro-estacas escavadas Figura 9. Esquema de proteção da adutora de água. Para garantir a eficácia da proteção da adutora, um sistema de pinos foi instalado para acompanhamento da movimentação durante a construção dos aterros. De acordo com os resultados obtidos em campo, não foram observados deslocamentos excessivos que pudessem causar dano à adutora. 6.INSTRUMENTAÇÃO Pelas especificidades apresentadas pelo empreendimento, a executora dos serviços decidiu pela realização de um acompanhamento dos deslocamentos, assim como das poropressões, por meio de instrumentações instaladas em pontos específicos. Um projeto de dimensionamento foi feito e o acompanhamento foi realizado durante as estapas de construções dos aterros. De maneira resumida, foram instalados piezômetros pneumáticos, tassômetros, inclinômetros, perfilômetros e pinos de recalque. Ao todo oito seções foram instrumentadas com diferentes tipos de acompanhamentos em cada. Dentre as seções estudadas, tinham-se locais com soluções em aterro estaqueado e soluções onde apenas geodrenos foram instalados. Os pinos de recalque foram instalados diretamente na adutora e acompanhados diariamente. Os resultados obtidos demonstram a funcionalidade de um projeto de instrumentação nessa condições. Durante todo o andamento dos serviços, os resultados eram acompanhados por leituras diárias, dando certeza de que os deslocamentos observados estavam dentro dos limites aceitáveis. A Figura 10 ilustra o local da seção instrumentada n 04, adjacente ao local onde foram instalados geodrenos, seção essa que registrou os maiores deslocamentos verticais. Os piezômetros instalados não registraram grandes alterações nas leituras das poropressões. Ressalta-se que estes tipos de piezêmetros devem ser instalados com cuidados específicos com relação à pedra porosa, garantindo que a mesma esteja totalmente saturada para seu bom funcionamento. As leituras obtidas pelos tassômetros e perfilômetros se mostraram coerentes entre si. A Figura 11 apresenta a evolução dos deslocamentos verticais obtidos pelas leituras de tassômetros na seção n 04. Os tassômetros estão numerados de acordo com suas posições na seção transversal, sendo o Tas_1 no bordo direito do aterro e o Tas_5 no esquerdo. Como pode ser observado, há uma clara variação da espessura do solo mole nessa seção, induzindo deslocamentos diferenciais no solo de fundação. Nesse caso os deslocamentos chegaram a aproximadamente 0,35 m para uma altura de aterro de 6,0 m. Aterro Estaqueado Tassômetros Inclinômetro Seção 4 Piezômetro Figura 10. Ilustração do local da seção n 04. A Figura 12 apresenta as leituras obtidas pelo perfilômetro para a mesma seção. Como pode ser observado, os resultados mostram coerência entre si, com menores deslocamentos verticais no bordo direita do aterro, comparado com o bordo esquerdo, indicando uma variação da espessura do solo de baixa capacidade de suporte. Essas deslocamentos relativos poderiam danificar o paramento vertical do aterro reforçado tipo terra armada executado no encabeçamento dos viadutos, mais uma vez

8 embasando a utilização das estacas de suporte do aterro nesses locais. Os resultados dos deslocamentos verticais dos tassômetros também são apresentados na Figura 12. A discrepância observada deve-se ao fato de que os perfilômetros não foram instalados nas mesmas cotas dos tassômetros, o que gera uma diferença nos deslocamentos observados. Recalque (mm) Tas_1 Tas_2 Tas_3 Tas_4 Tas_5 Aterro 22-abr 12-mai 1-jun 21-jun 11-jul 31-jul Figura 11. Leituras dos tassômetros em uma seção específica. Recalque (cm) Dist. transversal (m) 4/jun 9/jun 16/jun 7/jul 0 Tassômetros Figura 12. Leituras dos perfilômetros em uma seção específica. Com relação aos inclinômetros, observou-se deslocamentos máximos de aproximadamente 0,25 m no local onde foram instalados apenas geodrenos. Os pinos de recalques da adutora apresentaram leituras coerentes com o andamento dos serviços, embora com deslocamentos que não causaram maiores preocupações, indicando o funcionamento do sistema de proteção apresentado anteriormente. Altura aterro (mm) 7. CONCLUSÕES O acesso à cidade de Águas Claras no Distrito Federal necessitou da construção de aterros de grandes dimensões em um local onde o material de fundação apresentava características de solo mole. Além disso, uma adutora de grandes dimensões encontra-se paralela ao aterro, o que resultou em uma atenção especial durante a definição das soluções que seriam aplicadas. Dessa forma, houve a necessidade da adoção de técnicas de estabilização para evitar deslocamentos excessivos tanto no aterro, quanto na adutora. Soluções em aterro estaqueado, geodrenos e aterros reforçados compuseram as técnicas utilizadas para que a obra fosse realizadas dentro das condições apresentadas e num curto espaço de tempo. Por fim, para garantir o bom andamento dos serviços, instrumentações foram instaladas para acompanhamentos de deslocamentos e poropressões desenvolvidas no solo de fundação. Os resultados da instrumentação mostraram que o projeto executado garantiu a integridade da adutora e que os aterros não apresentassem sinais de instabilidade. Além disso, a execução do estaqueamento nos encabeçamentos dos viadutos se mostrou satisfatória uma vez que nem a adutora nem as placas da terra armada apresentaram danos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao DER/DF pela disponibilidade dos resultados. REFERÊNCIAS Baker, S. (2000). Deformation Behavior of Lime/Cement Column Stabilized Clay. Chalmers University of Technology, Sweden, 197 p. BS 8006:1995 (1995). Code of Pratice for Strengthned/Reinforced Soils and Other Fills. London, BSI. DNIT PRO 381/98 Projeto de aterros sobre solos moles para obras viárias, 34p. EBGEO (2002). Draft of Chapter 6.9 of the new edition of the German Recommendations for

9 Geosynthetic Reinforced. Munique, Alemanha, 48 p. Kempfert, H.G., Göbel, C., Alexiew, D., Heitz, C. (2004). German Recommendations for Reinforced Embankments on Pile-Similar Elements. Proceedings of EUROGEO3- Geosynthetics Conference, Munique, Alemanha, p Russel, D., MacDonald, M., Naughton, P., Kempton, G. (2003). A New Design Procedure for Piled Embankment. 56 th. Canadian Geotechnical Conference, pp