Geoenrijecimento para Interromper Recalques em Rodovias

Figura 1 – Incidência de recalque progressivo no pavimento, em um pequeno trecho da rodovia Raposo Tavares, particularmente sobre uma galeria de passagem de gado.

Trata-se de um problema muito comum em rodovias, caracterizado pela surgência de recalques com afundamentos no pavimento. Este cenário é um trecho da rodovia Raposo Tavares, na altura de Presidente Prudente, São Paulo, onde a estrada atravessa um talvegue natural.
Os problemas observados e as sondagens realizadas identificaram as seguintes causas para o problema na importante rodovia:

  • Presença de aterros arenosos, facilmente erodíveis, na medida em que o sistema de drenagem falha parcial ou completamente.
  • Processo de recalque pronunciado sob passagem de gado, por onde fluiu grande quantidade de águas pluviais, quando de chuvas torrenciais na região, chegando à cota da rodovia. Frequentemente há forte percolação d’água através do aterro da rodovia, de um lado para o outro, atravessando-a, provocando forte erosão no interior do maciço, com depreciação do solo dentro da galeria, promovendo recalques em suas aduelas e, consequentemente, no pavimento da rodovia.
  • Antiga minação d’água, junto às entradas da galeria e proximidades, significando presença de “piping”, incorrendo em perda de material do aterro e, consequentemente, afundamentos no pavimento da rodovia.
  • Monitoramento do processo de recalque, nos locais em questão, apresentam forte velocidade, da ordem de 1.000 micrômetros/dia.

Face às investigações realizadas e levantamento das possíveis causas, decidiu-se pelo imediato geoenrijecimento do solo naquela região, com os seguintes objetivos:

  • eliminar a compressibilidade instalada no corpo do aterro estradal, particularmente nas laterais e fundo da galeria;
  • incrementar a resistência do aterro para melhorar sua estabilidade, capacidade de carga e durabilidade;
  • reduzir a permeabilidade do aterro a fluxos d’água.
Figura 2 – Sondagem SPT referente à região do pavimento com cedência.

A estratégia de trabalho para o geoenrijecimento do solo, com CPR Grouting, foi idealizada primeiro pelas laterais da rodovia, em seus acostamentos e segundo, pelo interior da galeria. Analisando-se os prós e contra, optou-se pelo trabalho ao longo do interior da galeria de passagem de gado. Promoveu-se o processo de compressão do solo, radialmente, com formação dos bulbos de geogrout, impondo resistência (estabilidade) e rigidez (ausência de recalques) necessários.

Figura 3 – O solo ao lado e sob a galeria de passagem de gado cedeu, levando parte das aduelas da galeria, provocando deformação intensa e veloz no pavimento da rodovia.

 

Figura 4 – A intervenção para o melhoramento do solo, com geoenrijecimento, foi feita pelo interior da galeria de passagem de gado, atuando-se pelos lados e abaixo, sem qualquer incômodo à rodovia. Havia a opção de se trabalhar pelos acostamentos, que foi descartada.

Sondagens pressiométricas e com tomografia por imagem certificaram os níveis de resistência e rigidez desejados para o trecho em questão. Paralelamente, promoveu-se revisão no sistema de drenagem superficial e das galerias de passagem de gado existentes.

Figura 5 – Equipamentos portáteis permitiram furar a galeria e o solo, tanto pelos lados quanto em seu piso, adentrando-se no solo o suficiente para eliminar a compressibilidade atuante.
Melhoramento do solo mole em terrenos com rupturas

É frequente, para quem lida com melhoramento de solos moles, ouvir ou ver análises em que “a ruptura do aterro deixou incertezas sobre a viabilidade do projeto original, pois houve deslocamento da massa de solo e abertura de longas e profundas trincas na superfície, fragilizando o solo de fundação”, particularmente quando há instalações de água potável, esgoto ou gás por perto ou correndo lateralmente à área rompida. O que torna mais crítica a situação. Causas de ruptura do solo mole, quando carregado referem-se, de imediato, à sua baixíssima resistência cisalhante, que rompe sob o próprio peso do aterro. Esta situação, corriqueira, conduz a conclusões do tipo “assim, a elevação do aterro de encontro do viaduto fica inviável para o projeto original.

Figura 6 – Fraturas no aterro lançado sobre depósitos de solo mole em ampliação rodoviária sem melhoramento de solo.

Aterros são comparados à sobrecargas atuantes na superfície do terreno, impondo tensões cisalhantes na massa do solo natural subjacente. É rotineiro verificar argilas moles, com resistências no SPT entre 0 e 5 golpes, tornando óbvio afirmar que “a falta de capacidade suporte do solo de fundação provocou a ruptura”. Evidentemente, após a ruptura, o solo encontrar-se-á amolgado, com resistência inferior à original. O mais crítico, de um processo de ruptura, por exemplo, em ampliações estradais, é a condição final do talude, invariavelmente quase vertical, o que impossibilita a formação do necessário escalonamento para formação da nova rodovia o que, caso não executado, promoverá trincas longitudinais ao longo do novo pavimento.

Figura 7 – Aterro estradal com processo de ruptura devido a depósitos de solo mole sem melhoramento de solo.

Ora, nesta condição, como é possível dimensionar o melhoramento do solo, com base em solução de georeforço, principalmente coluna de brita, se todos os estudos sobre este tipo de solução limita resistência cisalhante maior que 10kPa?

Figura 8 – Trincas longitudinais, ao longo da via, em uma rodovia ampliada sem execução do escalonamento no talude original.

Para agravar ainda mais este cenário, é muito comum encontrar-se condições geológicas, evidenciadas por perfis geotécnicos, manifestando presença de taludes submersos. É de se esperar que deslocamentos horizontais, significativos, desenvolvam-se em presença de taludes submersos. Nesta condição, a presença de elementos colunares terão sua capacidade suporte questionada ou instabilizada, devendo-se considerar os diversos modos de falha possíveis, quando submetidos à deformações laterais. Se a ruptura por embarrigamento da coluna, for falta de suporte lateral é atenuada, adotando-se encamisamento com geossintético, o mesmo não vale para o caso de ruptura por flambagem.

Figura 9 – Ruptura de aterro estradal, lançado sem melhoramento prévio do solo mole suporte em ampliação de rodovia. Há a formação de talude vertical na região do acostamento da antiga estrada, impossibilitando a formação do escalonamento posterior o que, certamente, irá provocar futuros problemas na nova rodovia.
Particularidades nos estados de ruptura

Com alguma frequência, aterros de precarregamento entram em estado de ruptura durante sua construção ou permanência, particularmente em empreendimentos logísticos e na construção de novas estradas, provocando inúmeros problemas associados com:
• Fragilização da condição mole do solo, definindo-se planos de ruptura.
• Comprometimento de instalações vizinhas.
• Formação de taludes rompidos verticais ou quase.
• Incapacidade da formação de escalonamento, quando da duplicação ou ampliação de rodovias.

Figura 10 – Seção do aterro, após a primeira ruptura durante o pré-carregado com geodrenos à vácuo (após Gue et. at., 2001).

Grande parte das rupturas de solos assemelham-se, sejam provocadas pela construção de aterros, seja pela ausência de um ou mais critérios pertinentes à boa execução. A ruptura de aterros subdivide-se em duas categorias. A primeira inclui a ruptura total ou parcial do aterro, o que geralmente implica em medidas de remoção e/ou geoenrijecimento do solo. A segunda, menos crítica, apresenta apenas o início de movimentos laterais e verticais, provocando distorções ao longo da área do empreendimento, geralmente afetando estruturas e instalações que, invariavelmente, se perdem.
A ruptura de aterros ocorre frequentemente durante sua construção. É o caso de um aterro rodoviário, construído pelo método de pré-carregamento, utilizando-se geodrenos. A figura, a seguir, apresenta uma seção de um aterro rodoviário, originalmente rompido durante o pré-carregamento seguindo-se uma foto da segunda ruptura, causando grandes deslocamentos laterais e formação de taludes verticais após melhoramento com colunas de brita.

Figura 11 – Segunda ruptura do aterro, melhorado inicialmente com pré-carregamento à vácuo, utilizando-se geodrenos e, a seguir, melhorado com coluna de brita (Gue et al. 2001).

Segundo Gue et al 2001, o histórico de ruptura do aterro, anteriormente citado, apresentou aumento da poropressão, no trecho em questão, por mais de 30 dias sem que nenhuma medida preventiva fosse tomada.
O grande e frequente equívoco, nas soluções com precarregamento, ilusoriamente barato, é o desacordo com o não cumprimento das tarefas obrigatórias mais simples como:
• Monitoramento contínuo e rigoroso do seu nível ao longo do trecho.
• Instrumentação geotécnica básica com piezômetros, para monitoramento da poropressão durante as etapas de carregamento das camadas do aterro, funda-mental para evitar rupturas.
• Instalação de inclinômetros, principalmente junto a estruturas próximas.

Figura 12 – Grande ruptura do solo, durante a elevação de aterro para ampliação rodoviária, sem que houvesse melhoramento do solo. Observar a condição vertical do talude devido à antiga rodovia, impossibilitando a formação do necessário escalonamento. Problemas futuros.
Sugestão para melhoramento do solo em áreas de ruptura.

Podemos direcionar esta questão tomando, como exemplo, rupturas de solo em obras de duplicação de rodovias, com solução de aterros de sobrecarga ou pré-carregamento. Durante alteamentos de aterros, por camadas, devido à natural ausência de capacidade de carga em determinados trechos, seja pela presença de solos argilosos muito moles ou, solos orgânicos/depósitos de turfas, ocorrem processos de ruptura, com surgência de grandes fraturas por tração na superfície do terreno, comprometendo o solo de fundação em extensas porções do aterro rodoviário.
Há duas soluções básicas para conduzir esta questão. A primeira com georeforço à base de colunas, que transfere a carga do empreendimento para camadas de solo mais rígidas. No entanto, e o peso do aterro e a cunha de ruptura? A segunda solução é 100% geotécnica, com o geoenrijecimento do solo mole, adequando-se, particularmente, para solos rompidos, pois restabelece os níveis de resistência e rigidez necessários, particularmente na região de ruptura, possibilitando a construção do aterro e do empreendimento.

Exemplo de ruptura em aterro construído sem melhoramento do solo

Em uma duplicação rodoviária, com presença de solo mole, decidiu-se pela cravação de geodrenos e elevação de aterro necessário, com objetivo de melhorar o solo com pré-carregamento. Ruturas manifestaram-se, parcialmente, porém visíveis ao longo de sua crista direita, com profundas e largas fraturas de tração, conforme figura 13.

Figura 13 – A elevação do aterro rodoviário, sem qualquer melhoramento do solo mole de fundação, promoveu fraturas ao longo do aterro.

A existência de um gasoduto, passando na borda da área rompida, tornou esta situação com risco muito elevado. Na tabela 1, a seguir, apresentamos as possíveis causas da ruptura. Em decorrência do rompimento do solo, na região de implantação da duplicação da rodovia, reavaliou-se as condições geológica e geotécnica do local, através da seguinte condição do solo, caracterizado pela sondagem típica do local, conforme figura 14 a seguir.

Figura 14 – Sondagem SPT do terreno em questão.

Fica evidente, abaixo do aterro rodoviário, a presença de profunda camada de solo mole argiloso saturado, pouco resistente e altamente compressível, com presença de material orgânico e turfa.
O trecho em questão situa-se em região de relevos e encostas naturais. Os sedimentos foram originados por ambiente fluvial, com deposição durante inundações do rio, ou devido à erosão, transportados à jusante durante eventos de chuva intensa. A ausência de lentes de areia compacta no local indica, que alí, o rio não formou meandros, apenas um perfil de solo bastante homogêneo, contendo depósitos de solos moles, típico de planícies de inundação. Este ambiente favoreceu a formação de profundo depósito de solo mole, com argila orgânica arenosa, tendo coloração cinza. A profundidade do solo argiloso é bastante variável, chegando a 16m. A seguir, encontra-se o modelo geotécnico unidimensional adotado no cálculo. A resistência não drenada foi estimada a partir de sondagem específica. Desta forma calculou-se, para a camada mais superficial, uma resistência não drenada da ordem de 13kPa.

Figura 15 – Perfil longitudinal, geológico/geotécnico.
Figura 16 – Modelo geotécnico 1D obtido com a Sondagem SPT específica.
Solução do projeto original

Neste trecho, o aterro de projeto previa em sua base três camadas de geogrelha, conforme apresentado na figura 17. Suas características estão reunidas no quadro à seguir:

Figura 17 – Características do aterro, no trecho específico.

Baseando-se na teoria de capacidade de carga, calculou-se a altura crítica do aterro:


Apesar das limitações e simplicidade dessa fórmula, é muito útil em uma fase preliminar, pois fornece valor aproximado da altura máxima de aterro, quando o FS é da ordem de 1. O valor obtido, bem abaixo do valor de projeto, mostra que a solução adotada no projeto original não é compatível com as condições de campo necessitando, portanto, de solução geotécnica com geoenrijecimento do solo.
Para cálculo rápido do recalque, de aterros construídos sobre solos moles, Barata e Danziger, 1986, sugerem a seguinte relação:


onde o módulo edométrico é estimado a partir da tensão efetiva média


O nível d’água do solo encontra-se a 1 m da superfície. Desta forma, é possível estimar o recalque por adensamento primário do solo sem nenhuma intervenção específica.


O recalque final estimado, sem geoenrijecimento, seria da ordem de 1,75m. O módulo edométrico médio, portanto, 1300 kPa.


Para a pista marginal, estimou-se o recalque considerando-se o aterro com altura de 2,5m, obtendo-se:
Sem qualquer melhoramento do solo, a pista marginal teria um recalque da ordem de 86cm.
Assim, para o necessário melhoramento do solo apresenta-se, a seguir, cálculo e projeto executivo para geoenrijecimento dos depósitos de solo mole, utilizando-se o CPR Grouting, nos trechos aterrados que sofreram ruptura, de modo a viabilizar a continuação da terraplenagem para elevação do aterro e construção da rodovia.

O geoenrijecimento do solo tem como objetivo principal incrementar a resistência/rigidez de depósitos de solos argilosos moles, eliminando-se recalques e impondo estabilidade. O fundamento teórico do geoenrijecimento baseia-se no princípio da compressão radial do solo, utilizando-se expansão de cavidades, em meio drenante artificial previamente imposto, assegurando a dissipação rápida da poropressão.
O processo de formação das verticais de geoenrijecimento é feito de baixo para cima, com bulbos que comprimem radialmente o solo, utilizando-se geogrout praticamente seco, promovendo rigidez e resistência necessárias. O resultado final é um solo homogeneizado, com características próprias e pré-estabelecidas.

Figura 18 – Análises pressiométricas aferem a condição do solo antes e após a realização do geoenrijecimento, de modo a certificá-lo.

A intervenção consiste, inicialmente, no estudo do solo, com sua interpretação geotécnica, introduzindo-se o geoenrijecimento com modelagem numérica e cálculo. No campo, inicia-se com a cravação preliminar de geodrenos, em malha projetada. Em seguida, também em malha projetada, são executadas verticais, expandindo-se bulbos, a cada metro de profundidade, ao longo de todo o depósito de solo mole, controlando-se os processos de deformação e de tensão impostos. O processo de certificação, com análise pressiométrica e piezométrica, é inerente ao geoenrijecimento.

Figura 19 – Rupturas ao longo de um trecho de duplicação rodoviária recebem o geoenrijecimento do solo.

As verticais, que possibilitarão o geoenrijecimento, são executadas em malha triangular com espaçamento igual ao dobro imposto à drenagem. Desta forma, ter-se-á cerca de 6 geodrenos ao redor de cada vertical de bulbos de compressão radial do solo.

Figura 20 – Rupturas ao longo do aterro de ampliação da rodovia. O geoenrijecimento monolitiza toda a
massa de solo rompida.

Através da cravação de geodrenos, possibilita-se a dissipação da poropressão dos excessos da poropressão do solo, gerados pela formação dos bulbos de compressão radial, a cada metro de profundidade.

Figura 21 – Serviços fi nais de terraplenagem após o geoenrijecimento do solo e sua certificação estabelecendo a duplicação da rodovia pós rupturas.

São feitas com formação de bulbos, que comprimem radialmente o solo, utilizando-se geogrout, a cada metro, em toda a profundidade do depósito de solo mole, induzindo níveis de resistência e rigidez pré-estabelecidos. Cada bulbo formado no solo terá, de acordo com o cálculo previamente executado, atendendo a natureza e a heterogeneidade das camadas de solo, um critério duplo alternativo para sua formação, ou seja, poderá ter uma pressão ou um volume pré-estabelecidos

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.

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