Caracterização Geotécnica do Solo de Fundação da Obra de Prolongamento das Pistas do Aeroporto Internacional Salgado Filho

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1 Caracterização Geotécnica do Solo de Fundação da Obra de Prolongamento das Pistas do Aeroporto Internacional Salgado Filho Marcelo Augusto de Mello Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, Maria Esther Soares Marques Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, Fernando Schnaid Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, José Renato Moreira da Silva de Oliveira Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, RESUMO: A fim de subsidiar a elaboração do projeto de construção do aterro para a ampliação da pista de pouso e decolagem e da pista de taxiamento delta do Aeroporto Internacional Salgado Filho em Porto Alegre/RS, foi realizada uma ampla campanha de investigação geotécnica no depósito de argilas moles na área de implantação da obra. A investigação geotécnica consistiu de ensaios de laboratório: caracterização completa e adensamento, realizados em amostras indeformadas, e ensaios de campo: sondagem à percussão, palheta e piezocone, com dissipação de poro-pressões. Na área da pista de pouso e decolagem a espessura do depósito argiloso varia de 2 a 4 m, enquanto que na região da pista de taxiamento a camada argilosa é mais espessa, 3 a 7 m. Nestas condições será executado o aterro para a ampliação das pistas, atingindo uma espessura máxima de 8 m, na área de segurança junto ao final da pista de pouso e decolagem. Da análise dos resultados dos ensaios foi possível determinar os parâmetros geotécnicos que caracterizam o perfil do subsolo e constatar que, embora a formação geológica seja a mesma para as duas áreas, as condições geotécnicas de ambas são distintas. PALAVRAS-CHAVE: ensaio de campo, ensaio de laboratório, solos compressíveis 1 INTRODUÇÃO O Aeroporto Internacional Salgado Filho constitui-se num dos principais aeroportos do Brasil. De acordo com dados de 2010 da Empresa Brasileira de Infra-Estrutura Aeroportuária, responsável pela administração dos principais aeroportos do país, o Aeroporto Internacional Salgado Filho movimentou 6,6 milhões de passageiros, 19, 6 milhões kg de carga e 90,6 mil aeronaves. Atualmente a capaciadade máxima de carga transportada em aeronaves de grande porte, como o Boeing ER Cargueiro, está limitada em função da extensão da pista de pouso e decolagem. Segundo Torres (2010), a ampliação da pista permitirá elevar o nível de atendimento às aeronaves dentro dos requisitos de capacidade e segurança operacional, aumentado a movimentação anual máxima de aeronaves. Frente a demanda crescente por transporte aéreo para atender o desenvolvimento econômico regional, bem como para o atendimento satisfatório de mobilidade que será demandado pelo aumento do número de visitantes esperados em Porto Alegre por ocasião da realização da Copa do Mundo de Futebol em 2014, haja vista que a capital gaúcha sediará algumas partidas da competição,

2 estão previstas uma série de obras de infraestrutura. Dentre as obras de infraestrutura necessárias ao aumento da capacidade funcional do aeroporto estão previstas: a ampliação da pista de pouso e decolagem, passando dos atuais m para m de comprimento e a ampliação da pista de taxiamento delta, a fim de otimizar as operações na pista de pouso e decolagem. Estas obras exigem a construção de um aterro compactado sobre um depósito de solo compressível. De acordo com Schnaid et al. (2001), este depósito se estende por toda a zona norte da região metropolitana de Porto Alegre, onde se situa o aeroporto. Os estudos de investigação geotécnica na área da futura obra de ampliação da pista de pouso e decolagem (PPD) e da pista de taxiamento delta (taxi delta) do Aeroporto Internacional Salgado Filho (AISF) foram iniciados com a realização de 30 ensaios de sondagens de simples reconhecimento, com medida de SPT, conduzidos no segundo semestre de 2005 e no final do ano de No primeiro semestre de 2011 foi realizada uma campanha de investigação geotécnica nas referidas áreas, que compreendeu: 13 ensaios de piezocone, 5 ensaios de cone, 22 ensaios de dissipação de poro-pressão e 18 ensaios de palheta. Ensaios de laboratório completaram os estudos: 11 ensaios de caracterização completa e 14 ensaios de adensamento, executados a partir de 13 amostras indeformadas coletadas com amostrador Shelby de pistão estacionário (diâmetro interno = 100 mm). Neste artigo são apresentados os parâmetros geotécnicos, obtidos de ensaios de campo e laboratório, que serviram de base para a execução do projeto de prolongamento da PPD e da taxi delta do AISF. 2 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICO- GEOTÉCNICAS DA ÁREA DE ESTUDO 2.1 Geologia da área A caracterização geológica da área do AISF é descrita por Schnaid et al. (2001) como um extenso depósito superficial de argilas moles na região da várzea do rio Gravataí. Num contexto mais amplo, segundo Soares (1997), este depósito insere-se no domínio morfoestrutural dos depósitos sedimentares que se desenvolve de forma contínua ao longo de toda a costa, desde Garopaba-SC até o Chuí-RS, no extremo sul do Brasil. Constitui-se em amplas e extensas planícies costeiras, numa vasta superfície plana, com altimetrias que variam em geral entre 1 e 25 metros, onde se registram as maiores áreas lagunares. Segundo Lemos et al. (1973), esse domínio compreende, especialmente, litologias do Quaternário, recebendo contribuições de áreas-fontes mistas, isto é, continental e marinha. Segundo Schnaid et al. (2001) todo este processo forma um pacote sedimentar sobre a planície, constituído de intercalações de sedimentos lagunares (lamas, argilas e areias finas, ricas em matéria orgânica) e sedimentos de canal e de planície de inundação (areias médias e argilas). 2.2 Características Geotécnicas O depósito da área de estudo é composto basicamente de três camadas. Uma crosta superficial de argila sobreadensada, seguida de uma camada de argila muito mole a média e uma camada de areia. Característico de formações hidromórficas, o nível d água é superficial, próximo ao nível original do terreno. As Figuras 1 e 2 apresentam os perfis geotécnicos da pista de pouso e decolagem (PPD) e taxi delta, respectivamente. As seções geotécnicas que representam o solo de fundação das pistas foram obtidas por meio dos boletins de SPT associados aos resultados dos ensaios de piezocone (CPTu). Verifica-se na PPD que a camada de argila mole apresenta espessura discreta, média em torno de 3 m, e valores de resistência à penetração em torno de 4 a 5 golpes. Na taxi delta a camada argilosa é mais espessa, entre 3 e 7 m de espessura, especialmente junto à pista existente, apresentando valores muito baixos de resistência, N spt médio de 1 golpe, e, por conseqüência, alta compressibilidade. 2.3 Caracterização da camada compressível

3 Treze amostras indeformadas foram extraídas a partir de quatro furos de sondagem executados junto aos furos de CPTu P-02 e P-04, localizados na PPD e furos P-06 e P-08, locados na taxi delta. Na região da PPD a profundidade de coleta das amostras variou de 1,00 a 3,40 m, enquanto que na área de abrangência da taxi delta a coleta foi realizada entre 1,50 e 5,80 m de profundidade. As amostragens foram executadas de acordo com o que preconiza a norma ABNT NBR 9820 (coleta de amostras indeformadas de solos de baixa consistência em furos de sondagem). A Tabela 1 apresenta a faixa de variação de valores de algumas das características do solo compressível na área da PPD e taxi delta. Figura 1. Perfil geotécnico da PPD. Figura 2. Perfil geotécnico da taxi delta.

4 Tabela 1. Características da camada compressível. Características PPD Taxi delta Prof. (m) 1 3,4 1,5 5,8 w n (%) 12,4 23,6 19,1 70,6 w L (%) I P G s (g/cm³) 2,59 2,83 2,58 2,67 γ n (kn/m³) 18 20,8 14,9 19,9 vm ,3-250 e 0 0,56 0,82 0,62 2,18 C c 0,07 0,40 0,05 1,10 C c /(1+e 0 ) 0,04 0,83 0,03 0,38 Os resultados dos ensaios de caracterização indicam que a camada compressível na PPD apresenta um teor médio de argila de 38,5%, 30,0% de silte e 31,5% de areia. A umidade natural média, w n = 17,4%, encontra-se abaixo do limite de liquidez médio w L = 35,5%. Na área da taxi delta o solo mole apresenta um teor médio de argila de 59,4%, com 27,6% de silte e 12,8% de areia. A umidade natural média, w n = 52,8%, encontra-se próximo ao limite de liquidez médio w L = 53,7%. O valor médio do índice de plasticidade, I p, é de 20,3% para a PPD e 28,5% para a taxi delta e a densidade real dos grãos, G S, 2,68 g/cm³ para a PPD e 2,63 g/cm³ para a taxi delta. Os ensaios de adensamento oedométricos foram realizados em corpos-de-prova com 70 mm de diâmetro e 20 mm de altura. As tensões de sobradensamento, vm, foram determinadas a partir do Método de Pacheco Silva (1970). Os valores dos índices de compressão (C c ) e recompressão (C cr ) foram estimados a partir de ensaios de adensamento vertical e radial. Os valores médios obtidos para a PPD são C c = 0,30 e C cr = 0,03. Os valores médios dos índices para a taxi delta são C c = 0,65 e C cr = 0,07. Os resultados dos valores de C c /(1+e 0 ) apontam para uma maior compressibilidade do solo na região da taxi delta. O valor médio para a PPD é de 0,14, enquanto que para a camada compressível disposta na área da taxi delta a razão de compressão é 0,20. 3 PARÂMETROS GEOTÉCNICOS DE PROJETO Os parâmetros de projeto foram obtidos a partir da interpretação dos ensaios de campo e de laboratório. Com base nestes ensaios foram determinados a resistência ao cisalhamento nãodrenada, a tensão de sobreadensamento e o coeficiente de adensamento. Como as características geotécnicas da PPD e taxi delta são distintas, os parâmetros geotécnicos de projeto foram obtidos separadamente para cada uma das duas áreas. 3.1 Resistência ao cisalhamento não-drenada (S u ) Na PPD foram realizados cinco ensaios de palheta em duas ilhas de investigação, correspondente às posições P-02 e P-04. A Figura 3 indica que a resistência ao cisalhamento não-drenada varia entre 20 e 110 kpa. Os valores inferiores correspondem à camada superficial, nos primeiros 2 m. Figura 3. Resistência ao cisalhamento não-drenada a partir de ensaios de palheta na região da PPD. As linhas pontilhadas na Figura 3 correspondem às resistências não-drenadas determinadas a partir da tensão vertical efetiva v0 (S u / v0 = 0,25) e a partir da tensão de préadensamento vm (S u / vm = 0,25). Verifica-se que o solo apresenta comportamento

5 sobreadensado, com resistência expressa pela seguinte equação: S u 20 4, 5z (1) sendo z a profundidade em metros (0 < z < 2 m) e Su a resistência não-drenada em kpa. Para profundidades superiores a 2 m a resistência pode ser estimada a partir da equação: S u 95 4,5( z 2) (2) Os ensaios CPTu foram também utilizados na determinação da resistência não-drenada com base na equação: q t v0 Su Nkt (3) sendo N kt = 14 (valor obtido por correlação com os ensaios de palheta), q t a resistência à penetração corrigida e v0 = tensão vertical geostática. Os valores normalizados de Su são apresentados na Figura 4, juntamente com os ensaios de palheta. Complementarmente, apresenta-se na Figura 4 a relação entre resistência não-drenada e tensão vertical efetiva vo (S u / v0 = 0,25). Verifica-se novamente que o solo apresenta comportamento sobreadensando com valores de resistência superiores a 0,25 (estabelecidos a partir do modelo Cam-Clay para solos normalmente adensados). Na taxi delta foram realizados sete ensaios de palheta em duas ilhas de investigação, correspondendo às posições P-06 e P-08. Verifica-se na Figura 5 que, ao contrário das condições observadas na PPD, o material apresenta resistência próxima àquela definida em condições normalmente adensada, pois à exceção de alguns valores obtidos nas profundidades entre 4 e 5 m, a resistência nãodrenada é próxima à obtida através da relação S u / v0 = 0,25. A resistência ao cisalhamento não-drenada da taxi delta pode ser estimada através da equação: S u 2z 7 (4) Alguns valores medidos entre as profundidades de 4 e 5 m são superiores à média das medidas que definem a equação (4) possivelmente em decorrência da presença localizada de areia, lente argilo-arenosa. Figura 4. Resistência ao cisalhamento não-drenada normalizada pela tensão vertical efetiva na área da PPD. Figura 5. Resistência ao cisalhamento não-drenada a partir de ensaios de palheta na região da taxi delta.

6 Os ensaios CPTu foram também utilizados na determinação da resistência não-drenada, através da formulação estabelecida pela equação (3), sendo N kt = 14 (valor obtido por correlação com os ensaios de palheta). Os valores estimados de S u são apresentados na Figura 6, juntamente com os ensaios de palheta, normalizados em relação à tensão vertical efetiva v0 (S u / v0 ). recomendada por Schnaid (2009): ' vm 0,305( q t v0 ) (5) Apresenta-se na Figura 7 a variação das tensões efetivas inicial e de pré-adensamento com a profundidade para a PPD, além de uma linha de tendência para a tensão de préadensamento de projeto expressa como: ' 100 (6) vm 8z sendo z a profundidade em metros e vm a tensão de pré-adensamento em kpa. Esta linha de tendência representa o limite inferior de valores estimados de vm, à exceção do resultado de vm P-02 obtido do ensaio de adensamento, a cerca de 3 m de profundidade. Figura 6. Resistência ao cisalhamento não-drenada normalizada pela tensão vertical efetiva na área da taxi delta. Verifica-se que o solo apresenta comportamento normalmente adensado a ligeiramente sobreadensado com valores de resistência na faixa de previsão estabelecida a partir do modelo Cam-Clay, porém com ocorrência de materiais mais resistentes em diversas profundidades, provavelmente em decorrência da presença de material arenoso. 3.2 Tensão de sobreadensamento ( vm ) Os valores da tensão de pré-adensamento do solo foram medidos nos ensaios de adensamento e estimados a partir dos ensaios CPTu, através da seguinte expressão Figura 7. Tensão de sobreadensamento para a PPD. A Figura 8 também apresenta a variação com a profundidade da tensão vertical efetiva do solo e uma linha de tendência, que representa a tensão de sobreadensamento de projeto para a taxi delta e é expressa pela seguinte equação: ' 30 (7) vm 7z

7 apresentados na Figura 9. Verifica-se que as medidas de laboratório, ensaios oedométricos, fornecem valores de c v superiores aos valores estimados in situ, CPTu. Considerando-se que o solo é sobreadensado, adotou-se o valor de c v de projeto da ordem de 10-6 m 2 /s. Figura 8. Tensão de sobreadensamento para a taxi delta. 3.3 Coeficiente de adensamento (c v ) Os valores do coeficiente de adensamento foram estimados através de ensaios de laboratório (adensamento) e ensaios de campo (dissipação dos ensaios CPTu). Em laboratório foram obtidos os valores de c v (NA), através de ensaios edométricos executados no domínio normalmente adensado, utilizando-se o método de Taylor. Em relação aos ensaios de campo, os valores do coeficiente de adensamento horizontal c h (SA), deduzidos dos ensaios de dissipação, os quais correspondem a argilas no domínio sobreadensado, foram calculados segundo orientação de Houlsby e Teh (1988). Considerou-se para o cálculo do coeficiente de adensamento vertical c v (NA) a relação de permeabilidades horizontal e vertical k h /k v = 1,5, tendo por base valores usuais de argilas brasileiras. Observou-se uma dispesão nos valores de c v de campo e laboratório obtidos para ambas as áreas. Os valores de c v para a região da PPD são Figura 9. Valores de c v obtidos de CPTu e ensaios oedométricos para a área da PPD. Para a taxi delta os valores são apresentados na Figura 10. Verifica que as medidas de laboratório fornecem valores de c v superiores aos valores estimados in situ. A diferença entre resultados de campo e laboratório é maior que a normalmente observada, sendo atribuída à ocorrência de partículas arenosas que, presente nos Shelbys, pode ter influência nos valores medidos em campo. Adotou-se um valor mais conservador de c v de projeto, da ordem de 10-7 m 2 /s, ou seja, considerando um tempo maior para a estabilização dos recalques.

8 Os autores gostariam de agradecer a Assessoria/7 do Departamento de Engenharia e Construção, Exército Brasileiro, e a INFRAERO, pela disponibilização dos resultados dos ensaios realizados pela Fugro In Situ e pela Engemin. REFERÊNCIAS Figura 10. Valores de c v obtidos de CPTu e ensaios oedométricos para a área da taxi delta. 5 CONCLUSÕES As áreas de prolongamento das pistas de pouso e decolagem e de taxiamento delta se distanciam cerca de 210 m. Embora estejam muito próximas e inseridas na mesma formação geológica, as características geotécnicas de ambas as áreas são distintas. As condições da pista de taxiamento delta são semelhantes às condições observadas junto ao terminal de passageiros (TPS), descritas por Schnaid et al. (2001). São características de um depósito de argilas moles, variando de normalmente adensadas à ligeiramente sobreadensadas. As condições da pista de pouso e decolagem são ligeiramente distintas, sendo representadas por uma camada de argila de menor espessura, menor compressibilidade e maior resistência. Com base nos resultados de ensaios de campo e laboratório, foram estabelecidos os parâmetros geotécnicos que caracterizam os depósitos de solos compressíveis de duas áreas do Aeroporto Internacional Salgado Filho com características geotécnicas distintas. Assim, pôde-se analisar cada região individualmente e, com isto, otimizar as soluções geotécnicas de projeto, em termos de prazo construtivo e custo. ABNT NBR 9820 (1997) Coleta de Amostras Indeformadas de Solos de Baixa Consistência em Furos de Sondagem Procedimento. Houlsby, G.T. e Teh, C.I. (1988) Analysis of the Piezocone in Clay, Proceedings of the International Symposium on Penetration Testing, ISOPT-1, Orlando: Lemos, R.C. et al. (1973) Levantamento de Reconhecimento dos Solos do estado do Rio Grande do Sul. Recife: DNPEA-DPP, 431 p. Schnaid, F. (2009) In Situ Testing in Geomechanics The Main Tests, 1 st ed., Taylor and Francis, Abingdon, Oxon, 329 p. Schnaid, F., Milititsky, J. e Nacci, D. (2001) Aeroporto Internacional Salgado Filho Infra-Estrutura Civil e Geotécnica, 1ª ed., Ed. Sagra Luzzato, Porto Alegre, RS, Brasil, 222 p. Soares, J.M.D. (1997) Estudo do Comportamento Geotécnico do Depósito de Argila Mole da Grande Porto Alegre, Tese de Doutorado, Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil, Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 332 p. Torres, F. L. (2010) Aeroporto Internacional Salgado Filho: Análise Técnica do Projeto de Ampliação da Pista de Pouso e Decolagem, Trabalho de Diplomação (Graduação em Engenharia Civil), Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 66 p. AGRADECIMENTOS