Geoenrijecimento de solos moles sob aterros de encontros de ponte

Figura 1- Centenas de pontes em nossas estradas padecem do mesmo problema: ressalto no encontro do aterro com a ponte. Pontes recentemente inauguradas já apresentam recalques na região dos aterros de encontro, resultando em ressaltos crescentes.

Pontes e viadutos são comumente construídos sobre estacas. Sob os aterros que formam as rampas de acesso, muito frequentemente, há depósitos de solos moles, o que impede sua elevação. Para tanto, torna-se necessário melhorar a condição deste solo, sem o que ocorrerão recalques ou mesmo a ruptura do aterro. Recalques em aterros de encontros promovem degraus ou ressaltos entre o pavimento da ponte e o pavimento do aterro. A grande questão é o método do melhoramento imposto ao solo mole. Tais degraus afetam a qualidade da via e a segurança de seus usuários, principalmente quando há velocidades mais altas, podendo resultar na perda do controle do veículo.
O problema é, geralmente, causado pelo processo de compressão do aterro e/ou do solo de fundação, seja por compactação inadequada do aterro ou presença de solo mole não melhorado ou pouco melhorado.
A presença de depósitos de solos moles, abaixo do aterro de encontro, e a presença de sistemas de apoio/contenção estaqueados é uma equação de difícil resolução, já que opõe sistemas de fundação profunda e superficial. Pelo lado do aterro de encontro, o processo de consolidação do solo mole continua a ser a principal causa de recalques em pontes e viadutos. Como consequência, deslocamentos laterais, na massa de solos moles, costumam causar deformações em suas estacas. Consequentemente, é extremamente importante analisar as condições do solo de fundação nesta etapa, de modo a analisar sua resposta às cargas do aterro, frente ao sistema de estacas da ponte. Nesta condição, torna-se necessário modificar as características geotécnicas do solo de fundação, particularmente sua resistência e rigidez, de modo a fazer frente às condições de rigidez promovido pelo estaqueamento da ponte. O trabalho de Flavia Pires, COPPE, 2013, aborda este assunto, com base no empuxo de estacas de pontes. O sistema, mais adequado para modificar as características de depósitos de solos moles, de modo a servir de base à aterros de encontro, obtendo-se rigidez suficiente, é o pro-cesso de geoenrijecimento, com CPR Grouting, já que modifica as características do solo para níveis de resistência e rigidez pré-estabelecidos. Por outro lado, exige-se, para a construção do aterro, materiais bem mais selecionados, além de níveis de compactação maiores na formação de suas camadas.

Figura 2 – O problema dos encontros de pontes e viadutos: o ressalto devido ao recalque do aterro, provocado pela presença de solo mole.

Lajes de aproximação, em concreto armado, são utilizadas para proporcionar uma transição suave entre o pavimento da ponte e o pavimento sobre o aterro de encontro. A laje, geralmente, é projetada para adequar pequenos recalques do aterro próximo ao sistema de contenção/apoio da ponte. Juntas de dilatação são instaladas para acomodar movimentos térmicos cíclicos do pavimento da ponte, do sistema de contenção/apoio e do aterro de encontro.

Figura 3 – Detalhes de um aterro de encontro e a ponte.

O papel da manutenção geralmente é esquecido em projetos de encontros de pontes. O custo de uma futura manutenção costuma ser alto, devido as dificuldades inerentes de intervenção. A colocação de camadas de asfalto, para corrigir o ressalto costuma ser a solução, mas induz mais carga no aterro e, consequentemente, maior comprometimento nas estacas, devido ao efeito Tschebotarioff provocado. Em todos os casos, a manutenção futura caracteriza-se pelo impacto das operações de preservação no tráfego, o que é crítico, pois costuma exigir o fechamento temporário de uma ou mais faixas de tráfego, podendo ser inaceitável em áreas urbanas congestionadas, especialmente durante períodos de alto volume de tráfego.
O principal problema da existência de ressaltos no aterro de encontro de uma ponte é o fato de ser grande o suficiente para fazer com que o motorista perca o controle de seu veículo. Tudo depende da gravidade da diferença de nível entre o encontro da ponte e seu pavimento. Além disso, motoristas se submetem a atrasos e inconvenientes quando uma pista ou via são fechadas para reparos.

Figura 4 – A correção do ressalto com asfalto só piora o problema, comprometendo as estacas.

Do ponto de vista do departamento de transporte, o problema do ressalto, na via, pode levar a questões de uma cara intervenção, provocando o desgaste do órgão público com processos judiciais. Ambas as perspectivas ilustram que este tipo de patologia cria problemas onerosos, tanto em termos econômicos como estratégicos. Outra questão é a magnitude do problema. No Brasil este é um problema comum. Para efeito comparativo, em 1995, havia 600 mil pontes nos Estados Unidos. Destas, 150.000 tinham problemas com ressaltos na região dos aterros de encontro, resultando em gastos estimados de US$ 100 milhões por ano para resolver o problema (Briaud et al., 1997). A solução para problemas tão específicos de recalque em aterros de encontro de pontes, já construídas, deve ser capaz não de reduzir mas eliminar o ressalto, de forma econômica, e ter aplicações para uma variedade de casos, pois, como será abordado a seguir, há uma variedade de causas para este problema.

Figura 5 – É comum presenciarmos ressaltos em nossos encontros de ponte.

Ressaltos em aterros de encontros de pontes podem ter diferentes causas. As principais são:
Compressão ou Alteração do Volume de Aterro: encontros de ponte devem ser construídos, com materiais que permitam a elevação do aterro, de modo que a estrada atinja a cota de projeto da ponte. Se forem selecionados materiais inadequados ou mesmo compressíveis, que gerem compactação inadequada, as cargas do próprio aterro e do tráfego fazem com que o aterro de encontro deforme provocando recalques (diminuindo a elevação da estrada), enquanto que a elevação da ponte permanece constante. Além disso, o material do aterro deve ser resistente à rupturas por cisalhamento e deslocamentos laterais que, novamente, reduzirão a elevação da estrada.
Recalque do Solo de Fundação sob o Aterro: Obviamente, se a totalidade dos recalques ou deslocamentos, observados na superfície do pavimento da via, não estiver ocorrendo no corpo do aterro, o solo de fundação, estará apresentando recalques, com ou sem movimentação lateral. Neste caso, a solução com geoenrijecimento com CPR Grouting resolve o problema, já que sua atuação, opcionalmente, pode ser feita lateralmente à rodovia, sem intervenção no tráfego.
Drenagem Insuficiente: sistemas de drenagem mal projetados podem resultar em problemas que geram recalques. Se o corpo do aterro e o solo de fundação absorverem umidade, demasiadamente, a capacidade suporte do solo de fundação pode ser reduzida, promovendo recalques ou movimentações laterais.
O desempenho do aterro de encontro é influenciado pelo projeto e construção da plataforma da ponte, pelo seu sistema de apoio/contenção, pelo pavimento da estrada, pelo próprio aterro e, evidentemente pelo solo de fundação. Os principais problemas, geralmente, são atribuídos à compressão excessiva do aterro e/ou do solo de fundação ou o oposto, ou seja, à compactação inadequada do corpo do aterro de encontro ou do solo de fundação. A erosão localizada do solo, geralmente associado à inadequação do projeto relativo à drenagem, também ocorre com frequência. Solos expansivos também podem ser problemas em algumas áreas.

Figura 6 – Situações pertinentes aos encontros de pontes.

Um levantamento recente efetuado em diversos aterros de encontro de pontes e viadutos, executados recentemente ou mesmo antigos, nos estados do Rio de Janeiro, Santa Catarina e Pernambuco, concluiu que as principais causas dos recalques, nesta crítica região das obras de arte, são as seguintes, podendo ser uma ou estarem associadas:

  • Melhoramento inadequado do solo de fundação.
  • Má compactação do aterro de encontro.
  • Compactação ineficiente do corpo do aterro, junto ao encontro, devido à dificuldade de acesso de equipamentos padronizados de compactação.
  • Erosão do solo na face do sistema de apoio/contenção do encontro e, finalmente,
  • Drenagem ineficiente no corpo do aterro e da região do sistema de apoio/contenção do encontro da ponte, apresentando fuga de material.

Todos os fatores anteriores contribuem para promover ressaltos na interface do aterro com a ponte. Além disso, a ruptura lateral do solo de fundação e movimentações laterais do sistema de apoio/contenção do encontro, evidentemente comprometem o aterro. Conclui-se, portanto, que o detalhamento da laje de transição e o tipo de melhoramento do solo de fundação afetam sobremaneira o desempenho desta importante região da obra de arte. Consequentemente, sistemas de apoio/contenção apoiados em fundação superficial, dentro do corpo do aterro de encontro, sobre solo previamente geoenrijecido e homogeneizado com CPR Grouting, costuma ser a melhor resposta para estes problemas, já que são menos custosos e elimina o problema do recalque diferencial.

Figura 7 – Além de ondulações e toda a sorte de desníveis em nossas rodovias, ressaltos nos encontros de pontes caracterizam-as como inseguras e de baixa qualidade.

O perfeito desempenho de um aterro de encontro necessita do conhecimento e experiência de projetistas e construtores. Durante a fase de projeto, torna-se interessante para o projetista conversar com empresas de melhoramento de solos e com construtores, no sentido de viabilizar respostas necessárias ao empreendimento. Por exemplo, é necessário entender o que representa a eficiência do melhoramento do solo mole, com vistas a receber aterros de encontro. A maior eficiência é sempre desejada, o que implica em maior rigidez e ausência de recalques no solo que receberá o aterro de encontro. Outro aspecto importante é a presença de aterros de conquista, necessários para o trabalho de melhoramento do solo mole, mas que, ao final deste serviço, deverá ser removido e substituído por material compactável e ser motivo de compactação padronizada. O envolvimento de engenheiros geotécnicos experientes, é especialmente importante para resolver estas questões.
Muitas vezes, torna-se necessário reavaliar o projeto geotécnico, podendo ser necessário adequar outra condição em relação ao projetado. Estas alterações, nos procedimentos do projeto original, devem ser desenvolvidas em conjunto com o órgão público, a construtora, o geotécnico e o projetista. A resistência cisalhante e a rigidez necessárias para o geoenrijecimento do solo mole devem ser previamente discutidos, particularmente sua certificação, durante o avanço dos serviços, sem o que, não há como aceitar os serviços de melhoramento do solo mole. Com este objetivo, análises pressiométricas e tomografia por imagem permitem obter estas duas diretrizes, de forma rápida e segura. Na realidade, pouco ou nada se exige hoje em obras de aterros de encontro. A construtora recebe o projeto, contrata pelo menor preço a empresa especializada de melhoramento do solo mole, que executa o serviço, e pronto. Não se discute a eficiência do melhoramento, se haverá ou não recalques, simplesmente porque já foi projetado. Não se discute sua certificação, porque a empresa “é idônea”. A ideia de que se surgir ressalto, corrige-se com uma camada de asfalto é, minimamente, inconsequente pois, certamente, movimentações horizontais poderão estar ocorrendo e o renivelamento só agravará ainda mais o problema.
Em resumo, o projeto, a construção e a futura manutenção dos aterros de encontro de pontes e viadutos precisam ser rediscutidos amplamente pelo departamento de estradas e geotécnicos envolvidos, de modo a diminuir ou mesmo eliminar o problema comum de ressaltos que, além de agregar prejuízo ao erário, diminui a segurança de nossas estradas.
Serão apresentados dois casos de obras de encontros de pontes, um durante sua construção e outro pós construção.

Caso de obra

Construção de aterro de encontro de ponte sem melhoramento do solo mole Começou-se a executar um aterro com aproximadamente 5m de altura sobre depósito de solo mole com cerca de 20m de profundidade, sem qualquer melhoramento de solo em uma obra de duplicação rodoviária. O resultado foram dois processos de ruptura, onde o primeiro, quase comprometendo a antiga rodovia, estabeleceu um alto plano de ruptura praticamente vertical, impedindo a execução de escalonamento para melhorar a estabilidade do novo aterro. A extensão total da ruptura chegou próximo aos 150m.

Figura 8 – Perfil geotécnico do solo no encontro da nova ponte evidenciando um profundo e crítico depósito de solo mole com talude submerso.

 

Figura 9 – Vistas em planta da região do encontro onde ocorreram as duas rupturas e o processo de geoenrijecimento.

O segundo processo de ruptura ocorreu alguns dias depois, rompendo as estacas dos novos pilares e suas vigas travessas. Com tamanho comprometimento, estabelecendose planos profundos de ruptura, nos dois casos, optou-se pelo geoenrijecimento do solo com CPR Grouting. A seguir, apresenta-se o perfil geotécnico da região do encontro rompida.

Figura 10 – Vistas em corte da região do encontro onde ocorreram as duas rupturas e o processo de geoenrijecimento.

Nas figuras anteriores, o plano de geoenrijecimento do solo, que permitiria adequar a estabilidade, de todo o contexto da obra, ao mesmo tempo em que eliminaria a compressibilidade existente e os delicados planos de ruptura estabelecidos a cerca de 8m de profundidade. Os trabalhos de geoenrijecimento do solo foram executados em caráter emergencial, considerando-se as características dos processos de ruptura ocorridos, os planos de instabilidades criados, os excessos de poropressão existentes e as necessidades do projeto.

Figura 11 – O geoenrijecimento na região da primeira ruptura.

 

Figura 12 – O geoenrijecimento na região da segunda ruptura.

 

Figura 13 – O geoenrijecimento na região da segunda ruptura.
Figura 14 – Fotos da primeira ruptura, devido ao aterro levantado, sem que houvesse qualquer trabalho de melhoramento do profundo depósito de solo mole no local, a 50m da ponte.

No processo de investigação deste primeiro processo de ruptura, delineou-se um mapa da seção do aterro colapsado, através de medidas da resistência do solo, de modo a se determinar o provável modo de ruptura. Medidas pressiométricas, feitas no local, em diversos locais, estabeleceram o provável modo de ruptura, caracterizado por grandes aberturas, ao longo da zona rompida, com significativo levantamento da borda do aterro, evoluindo para uma modalidade de deslizamento rotacional, confirmado pelas análises pressiométricas posteriormente realizadas. A seção de ruptura provável encontra-se na figura a seguir apresentada. Não houve, parentemente, comprometimento da estrutura da ponte antiga. Esta segunda ruptura, assemelha-se à primeira, exceto pelo desnível criado entre a superfície do terreno e porções do aterro rompido, promovendo camadas plastificadas, bem moles, a cerca de 8m de profundidade. Iniciou-se, então, após a remoção dos aterros rompidos, o processo de geoenrijecimento do solo, pré-estabelecendo-se novos parâmetros de resistência e rigidez, para o solo de fundação rompido, com atenção especial às camadas de solo formadoras dos planos de ruptura.

Figura 15 – A segunda ruptura ocorreu em direção ao rio, destruindo a nova estrutura da ponte, interrompendo seu fluxo.

 

Figura 16 – Nesta foto, no lado esquerdo, a remoção do aterro após a 2ª ruptura, ficando evidente o corte efetuado na cabeça das estacas. No outro lado do rio, nota-se, comparativamente, o que foi removido em consequência da segunda ruptura.

 

Figura 17 – Seção típica da 1ª ruptura, estabelecendo-se um desnível vertical de cerca de 4m entre a pista antiga e as porções do aterro rompido. As setas verticais indicam as posições das análises pressiométricas realizadas.

Esta, talvez, seja a grande vantagem do processo de geoenrijecimento em relação aos métodos de georeforço, que não tratam efetivamente o solo mole, apenas transferem cargas para camadas profundas, deixando toda região do solo, envolvida na cunha de ruptura – camada esta plastificada bem mole – fragilizada e suscetível a outras rupturas. Esta situação de nova ruptura, após melhoramento do solo com coluna de brita, pode ser apreciada nos trabalhos de Gue & Tan, 2003 e 2004. Paralelamente ao desenvolvimento dos serviços, monitorava-se a condição do novo solo geoenrijecido com os novos parâmetros de resistência e rigidez, com ensaios pressiométricos.

Eng M. Sc. Joaquim Rodrigues

Eng M. Sc. Joaquim Rodrigues

Joaquim Rodrigues é engenheiro civil M.Sc. formado no Rio de Janeiro em 1977, pós-graduado pela COPPE na Universidade Federal do Rio de Janeiro em 1999. Diretor do Soft Soil Group e da Engegraut Geotecnia e Engenharia, associada à ABMS e ao American Society of Civil Engineers desde 1994. Desenvolveu duas técnicas de tratamento de solos moles, sendo motivo de patente o CPR Grouting, utilizada hoje em todo o Brasil. Desenvolvimento de trabalhos de Grouting, com empresas parceiras nos EUA e Alemanha. Mais de um milhão de metros de verticais de geoenrijecimento executadas em solos moles com CPR Grouting, para a construção de aterros, estradas, portos, ferrovias e armazenagem.