TÉCNICAS DE MELHORAMENTO DE SOLOS - Parte 1

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1 N.19 Setembro \ Outubro de 2003 TÉCNICAS DE MELHORAMENTO DE SOLOS - Parte 1 TRATAMENTOS TÉRMICOS - CONGELAÇÃO ARTIFICIAL DO TERRENO Nuno Gonçalo Marques de Almeida

2 EDIÇÃO: Construlink, SA Tagus Park, - Edifício Eastecníca Porto Salvo, Oeiras A monografia apresentada foi realizada na cadeira de reabilitação de construções do 12º Mestrado em Construção Tel apoio@construlink.com Coordenador: Pedro Vaz Paulo Editores: Nuno Chambel Jorge Sequeira

3 ÍNDICE 1. TRATAMENTOS TÉRMICOS CONGELAÇÃO ARTIFICIAL DO TERRENO INTRODUÇÃO CAMPOS DE APLICAÇÃO VANTAGENS, DESVANTAGENS E LIMITAÇÕES EQUIPAMENTOS PROCESSO CONSTRUTIVO PROCEDIMENTO DE CIRCUITO FECHADO PROCEDIMENTO EM CIRCUITO ABERTO PROCEDIMENTO MISTO PROCESSO DE EXECUÇÃO ENSAIOS E CONTROLO DE QUALIDADE REFERÊNCIA AO DIMENSIONAMENTO EXEMPLOS BIBLIOGRAFIA 19

4 Índice de Figuras Figura 1- Exemplo de aplicação da técnica de congelamento artificial do terreno em contenção periférica provisória 1 Figura 2 - Exemplo de aplicação da técnica de congelamento de solos na imediação de um castelo 4 Figura 3 - Exemplo de congelamento artificial de solos com infra-estruturas existentes na zona de intervenção 4 Figura 4 - Estaleiros para realização de tratamento 6 Figura 5 - Exemplo do esquema utilizado pela empresa RKK, Soil Freeze technologies, LCC_7 Figura 6 - Congelamento do terreno em circuito aberto 7 Figura 7 - Instalação das tubagens enterradas de circulação de fluído de refrigeração 9 Figura 8 - Cenário típico de espaçamento de tubos de refrigeração 9 Figura 9 - Circuito de refrigeração a alimentar tubos de refrigeração introduzidos no terreno 10 Figura 10 - Exemplos de circuitos de refrigeração 10 Figura 11 - Circuito de circulação de fluído de refrigeração protegido com material isolante 11 Figura 12 - Escavação de solo não tratado em zona imediatamente contígua a muro de contenção de solo congelado artificialmente 11 Figura 13 - Exemplos de escavações e protecções térmicas nos paramentos de contenção (muros de solo congelado) 12 Figura 14 - Poço realizado através da técnica de congelamento artificial de solo 12 Figura 15 - Poço de contenção com nível freático em Woodinville Washington (Duração da obra 2 meses) 13 Figura 16 - Exemplos de aplicação de tratamento térmico 15 Figura 17 - Reforço da "Casa del Cordón" em Burgos 16 Figura 18 - Escavação interior concluída e contenção realizada por muros de solo congelado artificialmente Madison Park Condominium Basement em Seattle 17 Figura 19 - Estabilização de taludes 17 Figura 20 - Contenção de deslocamentos na proximidade de edifícios 18 Figura 21- Estabilização de terrenos moles 18

5 1. Tratamentos Térmicos Congelação Artificial Do Terreno 1.1. INTRODUÇÃO Certas obras subterrâneas originam problemas na sustentação provisória das escavações. Por essa razão, e em certos países em que as baixas temperaturas prevalecem, foi desenvolvida a técnica de congelação artificial do terreno (figura 1). No entanto, não há registo do uso desta técnica em Portugal 1, em virtude do nosso clima relativamente quente, da alta tecnologia associada e do seu elevado custo. Figura 1. Exemplo de aplicação da técnica de congelamento artificial do terreno em contenção periférica provisória Aproximadamente, pode-se definir esta técnica de melhoramento, com carácter provisório, de solos com elevada percentagem de água (não saturados) como o método que consiste no congelamento artificial do terreno, convertendo a água intersticial in situ em gelo, aumentando propriedades mecânicas do solo e tornando-o impermeável. Ou seja, a técnica baseia-se na conversão da água intersticial em gelo que, sendo um elemento de união entre as partículas do solo, dá lugar a um sólido resistente e impermeável. 1 De acordo com informação do Departamento de Geotécnica e Fundações da Teixeira Duarte, S.A., não se utiliza esta técnica em Portugal. No entanto há registos técnicos em Portugal sobre a técnica em apreço [3] 1

6 Os principais factores a atender na realização desta técnica, e que condicionam o grau de congelamento artificial do terreno são: a) Tempo de congelamento e temperatura do terreno b) Condições Geológicas e Hidrogeológicas da zona a tratar c) Tipos de solos presentes d) Propriedades mecânicas, térmicas e quantidade de água no solo e) Nível Freático (posição e a sua oscilação) f) Temperatura e velocidade de circulação da água g) Condutividade térmica, propriedade que, em simultâneo com a capacidade calorífica do terreno, condiciona o grau de congelação do mesmo, varia em profundidade com as mudanças de solos e com a quantidade de água CAMPOS DE APLICAÇÃO No decurso do exposto anteriormente, é pacífico afirmar que a congelação artificial do terreno é uma técnica que requer elevado nível de especialização e tem um custo associado bastante elevado. O resultado é, no entanto, bastante positivo sobretudo em grandes escavações e túneis. Tendo isto em conta, as principais aplicações da técnica são: Realizar reforços por poços de reforço atravessando camadas granulares sob o nível freático cujo esgotamento ou encerramento seria impossível de outro modo [3] Escavações temporárias sob muros ou sapatas que colapsariam ao não dar maior resistência ao terreno de apoio das mesmas na área de trabalho [3] Túneis Contenções Periféricas Em muitos casos, combina-se este tratamento com uma injecção prévia do terreno já que, se existe água em circulação no solo, a operação de congelamento torna-se muito difícil [3]. A congelação artificial é adequada a uma grande variedade de solos, inclusive em casos onde as 2

7 injecções e outros métodos não podem ser utilizados. As propriedades mecânicas do terreno congelado dependem (ver 1.1.) em maior escala do tempo da congelação e da temperatura do terreno do que da natureza dos solos envolvidos no tratamento. Por tal razão, a congelação artificial do terreno é menos sensível às condições geológicas que outros métodos, podendo ser aplicada a qualquer solo húmido independentemente da sua estrutura, tamanho das partículas ou porosidade. Em solos heterogéneos, a forma da zona congelada tende a ser irregular. A uma certa temperatura, o terreno congelado é normalmente mais delgado em limos, argila e solos orgânicos quando comparado com areias e cascalho [1]. Outras aplicações são evidenciadas em VANTAGENS, DESVANTAGENS E LIMITAÇÕES As grandes vantagens da congelação artificial do terreno são: Pouco sensível ou dependente das condições geológicas do terreno (viável onde outras técnicas estão condicionadas) Rapidez de execução Baixo nível de vibrações e ruído, apropriados a aplicações na vizinhança de edifícios sensíveis [4] (figura 2) Figura 2. Exemplo de aplicação da técnica de congelamento de solos na imediação de um castelo 3

8 Permite a continuação do uso de infra-estruturas existentes sem interrupções, mesmo que atravesses a parede de contenção [4] (figura 3) O sistema pode ser totalmente removido após a sua utilização, caso necessário [4] Como desvantagens e/ou limitações, destacam-se: Tecnologia especializada de Elevado Custo Figura 3. Exemplo de congelamento artificial de solos com infra-estruturas existentes na zona de intervenção 4

9 1.4. EQUIPAMENTOS Para a execução da técnica é necessário o seguinte equipamento [3 e 4]: Equipamento de refrigeração (evaporador, compressor e condensador), actuante sobre um fluído de refrigeração (ver 1.5 e figura 2) Tubagem de circulação de fluído em circuito fechado, aberto ou misto que percorre as sondas instaladas no terreno Material para isolamento térmico do circuito e solo tratado Equipamento de colocação das sondas e tubos. Dependendo da entidade que realiza a técnica, do projecto e de condicionantes diversas já mencionadas, o fluído de refrigeração pode variar desde a económica salmonela, até ao azoto líquido entre outros PROCESSO CONSTRUTIVO Antes de avançar para o processo de execução propriamente, dito, importa previamente esclarecer as diferentes abordagens que existem para a execução do método. Assim, temos os seguintes tipos de procedimento de congelação do terreno: Procedimento de circuito fechado Procedimento de circuito aberto Procedimento misto que se passam a descrever. 5

10 Figura 4. Estaleiros para realização de tratamento. Repare-se nos equipamentos de refrigeração (3 chillers à direita) Procedimento de Circuito Fechado O material utilizado para arrefecimento é salmoura, à qual é imposta a temperatura desejada em equipamento próprio que promove a bombagem do fluído para os tubos de congelação em circuito fechado [2]. Este método é considerado indirecto uma vez que o equipamento de arrefecimento da salmoura debita a energia necessária para arrefecer a salmoura de forma constante [1], e a zona congelada em redor de cada tubo vai aumentando até que se forme uma parede de gelo resistente. Uma vez criada esta parede, o caudal bombeado pode diminuir, transmitindo apenas frio suficiente para que a parede se mantenha íntegra. A principal vantagem deste método prende-se com o seu menor custo (em comparação com as suas variantes de congelação artificial), apesar de necessitar de mais tempo para atingir o objectivo (entre 20 a 25 dias), ou seja, a formação da referida parede. De referir ainda que caso se pretenda uma congelação rápida do terreno, a utilização da salmoura pode não ser recomendável [1]. 6