SOLUÇÕES DE TRATAMENTO DO TERRENO DE FUNDAÇÃO DOS ACESSOS À PLATAFORMA LOGÍSTICA DE LISBOA NORTE SOLUTIONS FOR SOIL FOUNDATION IMPROVEMENT OF THE ACCESS TO THE NORTHERN LISBON LOGISTIC PARK Brito, José Mateus. Cenorgeo, Lisboa, Portugal, jose.brito@cenor.pt Santos, Jaime. Cenorgeo, Lisboa, Portugal, jaime.santos@cenor.pt Nunes, Alfredo. Cenorgeo, Lisboa, Portugal, alfredo.nunes@cenor.pt Tavares, Gonçalo. Cenorgeo, Lisboa, Portugal, goncalo.tavares@cenor.pt Cruz, Francisco. Cenorgeo, Lisboa, Portugal, francisco.cruz@cenor.pt Lourenço, João. Cenorgeo, Lisboa, Portugal, joao.lourenco@cenor.pt RESUMO Os acessos rodoviários de ligação da Plataforma Logística de Lisboa Norte (PLLN) à Auto-estrada do Norte e à Estrada Nacional 1 situam-se na bacia aluvionar da margem direita do Rio Tejo, sendo, por isso, muito condicionante para a concepção e dimensionamento das obras a elevada espessura das aluviões lodosas, que chega a atingir 34 m. Entre as várias soluções de tratamento do terreno de fundação preconizadas destaca-se a utilização de aterros de pré-carga, associados ou não a geodrenos verticais. No presente artigo descrevem-se os critérios e procedimentos de dimensionamento dos aterros de pré-carga associados a geodrenos (afastamento da malha de geodrenos, altura dos aterros, tempo de actuação das pré-cargas e a utilização de GeoLeca) para a aceleração do processo de consolidação na fase de construção, visando reduzir para valores toleráveis os assentamentos residuais durante a vida útil da obra. ABSTRACT The access roads connecting the Northern Lisbon Logistic Park to the A1 Motorway and the National Road EN1 are located on the alluvial basin of Tagus River right bank. The large thickness of the alluvial soils at this location, which can reach up to 34 m, is the main challenge of this design. Among the diverse ground improvement solutions studied, this article focuses on the use of preloading with or without vertical strip drains. It is also described the design criteria and procedures to define the preload surcharge with vertical drains (drains spacing, fill height, preloading period and the use of GeoLeca) which accelerate the consolidation process at construction stage in order to reduce the long-term settlements during the access roads lifetime. 1. CONDIÇÕES GEOLÓGICO-GEOTÉCNICAS A Plataforma Logística de Lisboa Norte (PLLN), já em fase de construção, junto a Castanheira do Ribatejo e ao nó de interligação A10-A1, será servida, ainda no ano de 010, por acessos rodoviários à Auto-Estrada do Norte (A1) e à Estrada Nacional 1 (EN1). O traçado abrange várias soluções, sendo composto por dois viadutos sobre a A1, escavação no extremo Oeste e aterros na restante extensão da obra. Preconiza-se ainda uma maior largura da via na zona da implantação da praça da portagem e dos respectivos acessos. Na Figura 1 apresenta-se a localização da PLLN e dos acessos à A1 e à EN1. Na Figura apresenta-se a planta geral da obra, realçando-se as áreas de intervenção de índole geotécnica.
Figura 1 Planta de localização da PLLN e dos acessos à A1 e à EN1 Figura Planta geral da obra dos acessos da PLLN à A1 e à EN1 Com base nos resultados obtidos nas campanhas de prospecção e ensaios efectuados foi possível caracterizar as formações ocorrentes, tendo sido individualizadas, em profundidade, as seguintes unidades (Cenorgeo, 009a), conforme se representa na Figura 3: a 1 - aluviões argilo-siltosas consolidadas com espessura compreendida entre 1,5 e 4,7 m (N SPT = 3 a 1 e q c = 1 a 4 MPa) a - argilas moles com níveis lenticulares de areias lodosas com espessura compreendida entre 4,3 e 8,0 m (N SPT = 0 a 5; q c = 0,1 a 1,3 MPa; c u = 15 a 75 kpa) a 3 - argilas siltosas com espessura compreendida entre 1,5 e 15,5 m (N SPT = 5 a 33) a 4 - cascalheiras arenosas com espessura variável entre 1,0 e 10,5 m (N SPT = a 60) Q - argilas siltosas de antigos depósitos de terraços com espessura variável entre 4,0 e 1 m (N SPT = 5 a 9 e q c = 4 a 5 MPa) M 1-4 - argilas silto-arenosas e arenitos silto-argilosos do Miocénico com um horizonte superior descomprimido e amolecido com espessura máxima de 4 m (N SPT = 37 a 60 e q c = 4 a 6 MPa)
Figura 3 Perfil geológico segundo o acesso da PLLN à A1 As argilas moles da camada a apresentam as seguintes características geotécnicas: Percentagem de finos (<0,074 mm) - 6 a 90%; fracção argila (< µm) - 30 a 67% Limite de liquidez: w L - 60 a 8%; Índice de plasticidade: IP - 3 a 48% Teor em água: w n - 44 a 80%; Grau de saturação: S r - 91 a 97% Peso volúmico saturado: γ - 15,4 a 17,3 kn/m 3 ; Peso volúmico seco: γ d - 8,6 a 1 kn/m 3 Resistência não drenada: c u - profundidade 0 a 4 m: 15 a 0 kpa; abaixo de 4 m: entre c u = 7,14+1,96 h e c u = 11,34+,13 h (ensaios de corte rotativo e DMT) Índice de compressibilidade: C c - 0,55 a 1,00; C c /1+e o - 0,1 a 0,3 Coeficiente de consolidação vertical: C v 1,5 x10-8 a 4,6x10-8 m /s (ensaio edométrico); k - 1,0 x10-8 a 3, x 10-10 m/s (ensaio edométrico) Coeficiente de consolidação horizontal: C h 5,9 x10-8 a 10,0 x10-8 m /s (ensaios de dissipação CPTu). DESCRIÇÃO GERAL DA OBRA.1. Introdução Nos acessos à PLLN, em função dos condicionamentos das obras e da espessura das argilas moles, são utilizadas as seguintes soluções (Cenorgeo, 009b): 1. Aterros de endentamento, nas ligações dos ramos A1-PLLN;. Plataformas de transferência de cargas fundadas por estacas, nas ligações dos ramos A1-PLLN; 3. Tratamento com aterros de pré-carga para consolidação forçada associados ou não a geodrenos. As soluções adoptadas nas ligações dos ramos A1-PLLN justificam-se pela necessidade de conceber um aterro que não induza assentamentos adicionais nos aterros existentes da A1. Os aterros de endentamento têm espessuras reduzidas e, por vezes, são associados a agregado leve de argila expandida (GeoLeca) para minorar o seu peso e, por consequência, os assentamentos.
Nas plataformas de transferência de cargas realizadas nos ramos de ligação à A1, fundadas por estacas cravadas, são intercaladas geogrelhas nos aterros de detritos de pedreira. Por vezes, esta solução está também associada a aterros de GeoLeca, por forma a reduzir o peso total dos aterros. Nas zonas de aterros de pré-carga nos acessos à PLLN, são utilizados geodrenos para a consolidação forçada das argilas moles. Nos aterros que atingem altura total mais significativa associam-se, em grande parte, detritos de pedreira a GeoLeca, diminuindo assim o seu peso por forma a reduzir os tempos de actuação das pré-cargas, tornando-os compatíveis com os prazos de execução das obras. Para além das obras de índole geotécnica mencionadas, no traçado onde a via se desenvolve em perfil de aterro existem ainda duas zonas específicas, de elevada exigência em termos de deformações, nas quais foram usadas soluções estruturais de lajes fundadas por estacas: na praça da portagem e sobre o gasoduto que atravessa o terreno a uma profundidade de aproximadamente 3 m. Tendo em consideração o carácter especial da obra e a importância do seu acompanhamento, foi definido um plano de observação constituído pelos seguintes instrumentos, distribuídos por toda a obra: 113 placas de nivelamento, 5 marcas topográficas, 11 piezómetros eléctricos, 9 inclinómetros, 4 extensómetros do tipo Sondex. Prevê-se também a execução de 16 ensaios DMT para avaliação da evolução do processo de consolidação... Aterros de endentamento Os aterros de endentamento, adoptados nas ligações dos ramos A1-PLLN, onde a espessura dos aterros a construir não ultrapassa,0 m e a sua largura é limitada, são constituídos integralmente por detritos de pedreira (material do tipo C) ou por detritos de pedreira e GeoLeca (material do tipo D) como se mostra na Figura 4. Figura 4 Secções transversais tipo dos aterros de endentamento.3. Plataformas de transferência de cargas A construção dos acessos à PLLN engloba a execução de aterros de alargamento dos aterros existentes da A1 e de novos aterros próximos destes. Dado que os aterros da A1 já foram construídos há mais de 30 anos, tendo-se já processado grande parte dos assentamentos devidos à consolidação das argilas moles, foi necessário conceber uma solução de fundação dos novos aterros que não induzisse assentamentos adicionais nos aterros existentes. Das soluções analisadas, a solução que foi considerada mais ajustada, dos pontos de vista técnico e económico, foi a de aterros fundados por estacas através de plataformas de transferência de carga reforçadas por geogrelhas. Em geral, estes aterros apresentam alturas entre 1,5 e 3,5 m. As plataformas de transferência de carga são materializadas através de aterros em detritos de pedreira (material do tipo C), com 1,0 m de espessura, reforçados com três níveis de geogrelhas biaxiais em polipropileno, do tipo Tensar SS30, para os dois níveis inferiores, e do tipo
Tensar SS0, para o nível superior. Estas plataformas são fundadas através de estacas pré-fabricadas com secção quadrada de 0,4 m de lado, encastradas no substrato miocénico. Para permitir a transferência de cargas da plataforma para as estacas e de forma a reduzir o vão das geogrelhas, as estacas são encabeçadas por maciços de betão armado com 1,5 m x 1,5 m x 0,45 m e 1,75 m x 1,75 m x 0,45 m. A malha adoptada para a implantação das estacas foi definida por forma a limitar a tensão de serviço nas estacas a cerca de 7 MPa, considerando também a eventual ocorrência de atrito negativo, obtendo-se malhas de 3,5 m x 3,5 m e 3,75 m x 3,75 m. O limite de funcionalidade das geogrelhas especificadas obriga a que o afastamento máximo entre as faces dos maciços de encabeçamento seja de,0 m. A execução das plataformas de transferência de cargas inicia-se pela desmatação e limpeza de terreno natural e escavação de parte do aterro existente, após remoção da vegetação e da terra vegetal. Posteriormente, é preparada uma plataforma de trabalho constituída por detritos de pedreira, com 0,5 m de espessura, sobre a qual são executadas as estacas e os maciços de encabeçamento. Seguidamente, é colocado, por camadas, o aterro constituído por detritos de pedreira, com 1,0 m de altura, incorporando as geogrelhas. Sobre esta camada é construído o aterro com material do tipo C até à cota final do projecto de traçado. Na Figura 5 apresentam-se cortes tipo da solução de fundação dos aterros fundados através de plataformas de transferência de cargas (Cenorgeo, 009b). Em algumas zonas estes aterros são associados a GeoLeca (material do tipo D), de forma a reduzir o seu peso. Figura 5 Secções transversais tipo das plataformas de transferência de carga.4. Consolidação forçada com aterros de pré-carga e geodrenos Os aterros de pré-carga são constituídos por detritos de pedreira (material do tipo C). Conforme indicado na Figura 6, os aterros da plataforma da estrada são constituídos, na base, por detritos de pedreira drenantes com percentagem de finos inferior a 10% (material do tipo B) e no corpo do aterro integralmente por detritos de pedreira (material do tipo C) ou por detritos de pedreira (material do tipo C) e GeoLeca (material do tipo D). A base dos aterros é constituída por uma camada drenante de areia (material do tipo A) assente sobre um geotêxtil não tecido com função de separação e drenagem, colocado directamente sobre o terreno natural após remoção da vegetação. Esta camada terá uma espessura média de
0,50 m e constitui não só a plataforma de trabalho a partir da qual serão executados os geodrenos, como também a camada drenante das águas colectadas por estes. a) Aterro definitivo com material do tipo C b) Aterro definitivo com materiais dos tipos C e D Figura 6 Secções transversais tipo dos aterros de pré-carga e geodrenos Dado que, após a consolidação forçada das argilas moles, a camada de areias fica abaixo do terreno natural, previu-se a execução na base dos aterros de uma camada de detritos de pedreira com uma percentagem de finos inferior a 10% (material do tipo B). Esta camada destina-se a evitar a saturação da base dos aterros, uma vez que o nível freático na época das chuvas estará praticamente instalado à superfície do terreno natural. A espessura desta camada foi definida de forma a compensar o assentamento previsto na fase de actuação da pré-carga. Os geodrenos têm uma malha triangular com afastamentos de 1,0, 1,1 e 1, m, consoante a zona a tratar, sendo que a sua colocação é dispensada em zonas onde a altura dos aterros é reduzida. 3. DIMENSIONAMENTO DOS ATERROS DE PRÉ-CARGA As soluções de tratamento do terreno de fundação na ligação à PLLN foram definidas tendo em conta os seguintes critérios: a pré-carga deve actuar o tempo necessário por forma a induzir a totalidade dos assentamentos previstos para o aterro definitivo na ausência de tratamento da fundação;
os tempos de actuação da pré-carga devem obedecer aos prazos limite previstos no planeamento da obra tempo de actuação máximo de 6 a 8 meses, dependendo da zona; a altura do aterro de pré-carga não deve ultrapassar um valor tal que ponha em causa a segurança à rotura da fundação aproximadamente 5 m de altura; o afastamento em planta entre geodrenos não deverá ser menor do que 1,0 m, por razões construtivas. Como base, foi estabelecido nos cálculos que durante a actuação dos aterros de pré-carga deveriam ocorrer os assentamentos previstos para o aterro definitivo (assentamento imediato e assentamento por consolidação primária). O assentamento imediato h i ocorre devido a deformações de corte a volume constante e pode ser obtido através da expressão seguinte: σ B hi = I [1] E u em que σ é a tensão vertical aplicada, B é a largura da área carregada, E u é o módulo de deformabilidade em condições não drenadas e I é o coeficiente de assentamento. A metodologia de cálculo dos assentamentos por consolidação primária contemplou a aplicação da teoria da consolidação unidimensional de Terzaghi, associada a uma distribuição bidimensional das cargas transmitidas ao terreno, tendo sido admitido um modelo de cálculo distinto para cada uma das zonas em estudo. Tendo em conta que o valor do assentamento calculado é consideravelmente influenciado pelo estado de tensão inicial, e que este é variável com a profundidade, de forma a obter-se um resultado mais preciso foi efectuada uma discretização em camadas de 1,0 m de espessura. Tal como indica a interpretação geológico-geotécnica apresentada, os solos têm uma natureza recente e encontram-se normalmente consolidados. Admitindo que o coeficiente de compressibilidade C c /(1+e 0 ) é constante em profundidade para cada uma das camadas, o assentamento total por consolidação primária para um número de camadas n é dado por: h c C σ ' + σ ' i = 1+ σ n c 0, i H i log e0 i= 1 ' 0, i [] Deve referir-se ainda que os cálculos efectuados admitiram a existência de efeitos de segunda ordem, uma vez que estes têm considerável importância em problemas deste tipo, nos quais o solo exibe uma deformabilidade elevada e grande espessura. Estes foram tidos em conta no cálculo do assentamento total do aterro definitivo, tendo este cálculo sido efectuado de uma forma iterativa. Para uma eventual situação em que não existiria tratamento do terreno de fundação, considerando que o terreno iria assentar devido à carga que um aterro lhe transmite, verificar-se-ia que a cota de topo do aterro definida no projecto do traçado se tornaria mais baixa que o definido. De forma a que o aterro definitivo mantivesse a sua cota, este teria de ser novamente aterrado com uma camada de espessura igual ao assentamento ocorrido. Por consequência, verificar-se-ia um novo acréscimo de carga, logo de assentamento, que assim teria de ser novamente compensado pela colocação de mais uma camada no topo do aterro. Mantendo esta metodologia, representada esquematicamente na Figura 7, garante-se a convergência da solução ao fim de algumas iterações.
Figura 7 Esquema da metodologia adoptada para estimativa dos assentamentos por consolidação Tendo em conta que a colocação de geodrenos tem vital importância na velocidade de consolidação, uma vez que encurtam o percurso de drenagem, é considerada a presença destes na formulação do cálculo dos assentamentos por consolidação primária. Assim, admitindo que a consolidação passa a ocorrer maioritariamente na direcção radial, despreza-se a consolidação no sentido vertical, sendo a equação governativa da consolidação radial dada por: ue 1 u e ch + r r r = u t e [3] O grau de consolidação médio radial e o factor tempo para consolidação radial podem ser dados, respectivamente, por: U r Tr F ( n) = 1 e [4] T 1 = F( n) ln 1 ( ) r U r [5] Sendo: n 3n 1 F( n) = ln( n) [6] n 1 4n cht Tr = R [7] em que c h é o coeficiente de consolidação radial, d o raio equivalente da área de influência de cada geodreno e n uma relação entre o afastamento dos geodrenos e o raio de um geodreno de perímetro equivalente. Tendo conhecimento do valor do assentamento total associado a uma determinada altura de aterro, assim como da lei que rege a sua evolução ao longo do tempo para um determinado afastamento de geodrenos, é possível determinar, de uma forma iterativa, qual a altura de
pré-carga necessária para atingir os assentamentos desejados no tempo exigido pelo faseamento da obra. Este procedimento é representado na Figura 8. No Quadro 1 pode confirmar-se a influência que esta metodologia tem no dimensionamento dos aterros de pré-carga para uma das zonas definidas para a obra. Figura 8 Procedimento de cálculo do tempo de actuação da Pré-carga Quadro 1 Altura e Tempo de pré-carga para um aterro da obra h aterro H lodos h total (1ª ordem) h aterro pré-carga / t pré-carga (1ª ordem) h total (ª ordem) h aterro pré-carga / t pré-carga (ª ordem),10 m 5,0 m 0,99 m 3,4 m / 6 meses 1,46 m 4,6 m / 6 meses Figura 9 Relação entre altura de pré-carga, tempo de actuação e afastamento dos geodrenos Através dos procedimentos atrás referidos, e tendo em conta as características geométricas dos aterros e as propriedades geotécnicas do solo de fundação em cada zona de estudo, foi possível a elaboração de gráficos, como o da Figura 9, que permitiram aferir as alturas de pré-carga a aplicar, em função do tempo de actuação e dos afastamentos da malha de geodrenos a implementar. Deve referir-se que devido às condicionantes impostas à partida relativas aos tempos de execução da obra, altura máxima dos aterros e afastamentos mínimos de geodrenos para algumas das zonas a metodologia de cálculo não atingia solução possível, tendo sido por isso
necessária a redução dos assentamentos do aterro definitivo, através do aligeiramento da carga que este transmite ao solo. Tal redução de peso foi garantida pelo recurso a materiais mais leves como a GeoLeca, que apresenta um peso volúmico cerca de 3 vezes inferior ao de um solo corrente de aterro, garantindo ainda assim a sua estabilidade e segurança. 4. CONCLUSÕES A construção dos acessos da Plataforma Logística de Lisboa Norte à Auto-Estrada A1 e à Estrada Nacional EN1, numa zona de baixa aluvionar onde as elevadas espessuras de lodos tornam complexa a previsão do respectivo comportamento sob a acção dos aterros, obrigou à concepção de várias soluções de tratamento destes terrenos de fundação, nomeadamente a solução de aterros fundados por estacas através de plataformas de transferência de cargas, reforçadas com geogrelhas, e de aterros de pré-carga com e sem consolidação forçada por geodrenos. Mostrou-se também que para situações extremas se pode recorrer à aplicação de materiais de aterro mais leves, reduzindo assim consideravelmente as cargas transmitidas ao solo durante a fase de vida da obra. Foi descrita a metodologia de cálculo para dimensionamento das alturas de pré-carga, tempos de actuação e afastamentos dos geodrenos, tendo sido contemplada a teoria da consolidação radial, com base na teoria da consolidação unidimensional de Terzaghi. Deu-se especial atenção ao fenómeno que se refere como assentamento de ª ordem, confirmando-se a importância fundamental que este tem na definição do tratamento de terreno a efectuar. Tendo em conta a complexidade da previsão da resposta dos terrenos perante os tratamentos a efectuar, destaca-se a importância da implementação de uma rede de dispositivos de observação capaz de monitorizar o comportamento da obra ao longo do tempo, no que respeita às deformações ocorridas e excessos de pressão intersticial dissipados. O acompanhamento da obra deverá ser efectuado em função das leituras e complementado por estudos de retro-análise. Será assim possível tomar, durante a construção, decisões sobre o tempo de actuação das cargas e, eventualmente, sobre a necessidade de ajustar as alturas de pré-carga. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Brisa e à Abertis a colaboração e a autorização concedida para a publicação desta comunicação. REFERÊNCIAS Cenorgeo (009a). Acessos Rodoviários à Plataforma Logística de Lisboa Norte. Estudo Geológico-geotécnico. Cenorgeo (009b). Acessos Rodoviários à Plataforma Logística de Lisboa Norte. Ligação à A1. Ligação à EN1. Projecto de Execução. PE1-Terraplenagens. Tomo A Soluções de Tratamento do Terreno de Fundação.