Melhoramento do Solo Mole

Conheça o conceito e particularidades das técnicas de melhoramento de solos moles.

Melhoramento de solos moles é uma técnica popular, com objetivo de solucionar problemas geotécnicos, especialmente quando a construção necessita ser feita sobre depósitos de solos moles argilosos ou areias fofas, tornando difícil toda a condição da obra. Esta modalidade geotécnica torna-se atraente, exatamente pelos desafios que impõe, fazendo com que surjam, a cada dia, novas ideias, associando-se novos equipamentos e métodos, tornando-a mais eficiente e econômica. É o caso do método de geoenrijecimento com CPR Grouting, específica para solos moles argilosos, tendo eficácia próxima a 100%, condição inédita até então. O que se vê, com este singular exemplo, é a prática à frente da teoria. Empresas especializadas em melhoramento de solos pesquisam, desenvolvem, testam e, finalmente, patenteiam novas técnicas, adquirindo o direito de propriedade. O que é mais do que justo, em razão de suas despesas em prol da pesquisa e desenvolvimento. A maioria dos livros existentes, sobre melhoramento de solos, focam seus conceitos, aplicações e estudo de casos, não contemplando princípios e métodos de projetos específicos. Este livro procura abordar tanto os aspectos teóricos quanto práticos das duas principais metodologias de melhoramento profundo de solos moles, utilizadas em todo o Brasil e América do Sul: a do geoenrijecimento específico do solo, caracterizada pela real modificação do solo, e as com base em transferência de cargas, utilizando colunas.
Observa-se, não só no Brasil, mas em todo o mundo, a utilização de diferentes terminologias para o conceito de melhoramento do solo, empregando-se termos como estabilização, tratamento e modificação de solos.

Figura 2 - Torna-se importante analisar a presença de turfas nas sondagens, pois exigem cuidados especiais durante o melhoramento do solo.
Torna-se importante analisar a presença de turfas nas sondagens, pois exigem cuidados especiais durante o melhoramento do solo.
Melhoramento do solo e sua evolução

Melhoramento de solo não é novidade. Desde os tempos antigos há relatos de atividades com esse objetivo. Alguns importantes relatos são:

  • Há cerca de 3.500 anos, tribos no atual Iraque, utilizavam cabos de junco, com cerca de 100mm de diâmetro para, nada mais nada menos, dissipar a poropressão do solo quando construíam estruturas geotécnicas altas (Mittal, 2012).
  • Há cerca de 500 anos, chineses da dinastia Ming misturavam cal com solo argiloso de modo a formarem bases, à semelhança de uma laje radier, para suportar suas construções quando da existência de solos com pouca capacidade de carga (Chen et al 1975).
  • No início dos anos 1900, na França, já que faziam serviços de Grouting, em solos, utilizando-se bombas rudimentares e calda de cimento.
  • Em 1925, Daniel D.Moran apresentava as vantagens dos drenos verticais de areia para dissipar a poropressão em solos moles argilosos, patenteando nos EUA esta invenção em 1926.
  • Em 1926, o departamento de estradas de rodagem da Carolina do Sul empregava um tipo de “geogrelha” com tecido de algodão para “reforçar” o subleito de estradas.
  • Em 1937, na Alemanha, utilizava-se pela primeira vez a ideia de colunas de brita como forma de minorar os problemas das construções sobre solos arenosos fofos.
  • O primeiro tipo de geodreno pré-fabricado foi desenvolvido por Walter Kjellman, na Suécia, em 1947.
  • Na década de 1950, Fernando Lizzi, na Itália, desenvolveu e patenteou o método de estaca raiz para reforçar fundações existentes.
  • Na década de 1960, Louis Menard, na França, desenvolveu e patenteou o conceito de melhoramento de solos arenosos, de forma superficial, com compactação dinâmica. Paralelamente, desenvolvia-se outros métodos de melhoramento de solos argilosos. Na Suécia e Japão, o Deep Soil Mixing. No Japão, desenvolveu-se o conceito de coluna injetada que, equivocadamente, denominou-se de Jet Grouting. Esta técnica, embora injete calda de cimento no solo, vai de encontro ao conceito de Grouting, já que, primeiro, destrói o solo com jato d’água (Berry 2000).
  • Na década de 1980, J. P. Giroud apresentava os primeiros protótipos de geossintéticos (Giroud, 1986).
  • Na metade da década de 1980, no Brasil, iniciava-se os primeiros testes de campo, do processo de geoenrijecimento de solos argilosos moles, caracterizado pela cravação prévia de geodrenos, seguindo-se da formação de verticais, estabelecendo-se bulbos com argamassa seca, via expansão de cavidade, com objetivo de comprimir radialmente o solo argiloso mole, promovendo sua consolidação. O grande atraso, em seu desenvolvimento, deveu-se à dificuldade de certificação, in situ, do processo de consolidação do solo geoenrijecido. Ensaios de resistência, tipo SPT, palheta e CPTU mostraram-se incapazes de evidenciar o que acontecia no interior do solo, já que analisava apenas o componente solo do compósito formado, ignorando o contexto global com a inclusão dos bulbos.

A utilização de ensaios de deformabilidade, em especial o pressiométrico, ou seja, a mesma expansão de cavidade, adequou-se perfeitamente, conseguindo “entender” o solo envolvido por bulbos de compressão radial, informando o nível de rigidez e, consequentemente, da resistência alcançada, com base no ambiente homogeneizado e confinado final. Inúmeros testes foram realizados, todos com sucesso. No início dos anos 2000, a ENGEGRAUT patenteou a técnica de geoenrijecimento de solo com CPR Grouting.

Solos e condições problemáticas

Além da existência dos depósitos de solos moles ou fofos que, efetivamente, tornam obrigatório seu melhoramento há, também, outras condições geotécnicas problemáticas como o alto nível freático do solo, leitos rochosos inclinados ou taludes submersos e taludes naturais. A atividade humana, cada vez mais, necessita de condições geotécnicas de solos particulares, o que torna ainda mais desafiador a elaboração de projetos na área de melhoramento de solos. A tabela abaixo procura listar os tipos de solos problemáticos e seus inerentes problemas, alvo típico para o melhoramento.

De um modo geral, observa-se que a condição geotécnica de um local é, apenas, parte de sua condição geológica, particularmente a existente próxima à superfície, que estará apta ou não à construção e à atividade humana. Neste cenário, convive-se rotineiramente com grandes recalques total e diferencial, instabilidade, erosão, percolação d’água e a não tão comum ruptura do solo. Base teórica e as razões para estes problemas apresentamos na tabela abaixo.

Análise preliminar. Escolha da técnica de melhoramento do solo mole

O propósito do melhoramento do solo mole é, essencialmente, alterar sua condição existente, adaptando-o às circunstâncias do projeto. Existem dois objetivos básicos, ao se escolher a técnica de melhoramento, no entanto, ambas objetivam melhorar o solo mole, tornando-o um solo composto ou compósito. São eles:

  • Custo reduzido, objetivando-se oferecer estabilidade, reduzir a compressibilidade a níveis toleráveis de recalque, apresentando baixa eficiência e, consequentemente, continuidade dos recalques.
  • Custo maior, objetivando oferecer estabilidade, eliminar a compressibilidade (e o recalque), como consequência da eficiência próxima a 100%, não havendo recalque residual pós serviço.
Corte esquemático com as duas metodologias de melhoramento de solos moles.

Por outro lado, dever-se-á avaliar dois estágios necessários, ao se escolher o método de melhoramento para o solo mole:

  • Definir o comportamento final do solo melhorado, de acordo com as necessidades do futuro projeto.
  • Identificar a principal característica comportamental final do solo melhorado, fundamental ao projeto.

Estes dois estágios parecem simples e lógicos, no entanto, é o questionamento básico para se escolher o terreno para o futuro empreendimento. Um aspecto bastante rotineiro, normalmente consequência da escolha incorreta do sistema de melhoramento do solo, é a surpresa ao se constatar um estado de recalque existente em um empreendimento que, muito frequentemente, compromete a vida do empreendimento.

A escolha do método de melhoramento, basicamente, recai sobre duas metodologias de trabalho considerando-se sempre para efeito comparativo, sua condição natural sem qualquer intervenção. A primeira, efetivamente é modificar as características geotécnicas do solo mole pelo geoenrijecimento. A segunda, por georeforço, transferindo as cargas para camadas resistentes, necessariamente utilizando plataformas de transferência de cargas (PTCs), com material granular, apoiado em geogrelha. À seguir, na figura 4, as duas metodologias esquematizadas.

Fatores para a seleção da técnica de melhoramento do solo mole

A seleção do método de melhoramento do solo mole precisa considerar condições, no entanto, ambos tem como produto final o solo compósito. As condições básicas são:

• Estrutural
Inclui a dimensão da construção a ser levantada, sua forma, tipo, flexibilidade e ductibilidade dos elementos estruturais e fundação. Necessário, também, considerar a distribuição das cargas, tipo e sua magnitude. Finalmente, dever-se-á considerar a tolerância para a surgência de recalques tanto total quanto diferencial, além de movimentos laterais e o fator de segurança mínimo.

• Geotécnica
A principal questão geotécnica é o tipo de solo, sua profundidade, abrangência, composição e, naturalmente, o nível freático, importante para a seleção do método de melhoramento de solo. A opção pela substituição, quando da existência de solos moles com dois a três metros de profundidade, hoje, é inviável devido ao aspecto ambiental. A opção por pré-carregamento também só é adequada quando da presença de solos moles com pouca profundidade, já que as tensões verticais, provocadas pelo aterro de pré-carga, são bastante superficiais, o que induz recalques futuros. Um exemplo do uso equivocado desta técnica são as estradas, com a surgência de rupturas e de altos e baixos, agravando-se junto aos aterros de encontro de pontes. O melhoramento do solo, com base nos métodos que transferem as cargas para camadas resistentes, apresenta aqui suas três principais limitações: a presença de solo argiloso sensitivo, a profundidade máxima de 10m e o limite mínimo exigido de resistência cisalhante para o solo de 10 a 15kPa. O melhoramento do solo com geoenrijecimento não apresenta limitações.

• Construtiva
Evidentemente, o tipo de empreendimento a ser construído, assim como o prazo de sua execução, a disponibilidade dos materiais necessários e acesso aos equipamentos ao local, juntamente com a limitação de custos, interfere sobremaneira na escolha da técnica de melhoramento do solo.

• Eficiência (previsão de recalques)
Quanto mais alta a eficiência, menor a surgência de recalques. A presença de solos moles argilosos, no contexto da obra, significa naturalmente recalques e instabilidade para o empreendimento. O geoenrijecimento e georeforço, são eficazes em eliminar a questão da instabilidade, ao se construir sobre solos argilosos moles. No entanto, apresentam níveis diferenciados de eficiência com relação à surgência de recalques, pós melhoramento. É esta a questão principal que o proprietário deverá se preocupar. Qual o nível de tolerância à recalques resíduais, pós construção, permitido? As metodologias de geoenrijecimento e de georeforço, responsáveis pela maioria dos serviços de melhoramento de solos moles realizados no Brasil, apresentam eficiências bastante diferenciadas, muito embora com preços parecidos.

• Mais critérios para a escolha
Afigura, abaixo, apresenta representação gráfica da análise e definição da escolha do método de melhoramento de solo mole. Para qualquer tipo de empreendimento a ser construído, torna-se necessário analisar, criteriosamente, sondagens existentes, analisando-se as resistências ao cisalhamento existentes, presença de solo orgânico e/ou turfas e, finalmente, a profundidade dos depósitos de solo mole. Estas três condições são limitantes para o melhoramento do solo pelo método de georeforço com transferência de cargas por colunas.

Representação das fases de execução do processo de geoenrijecimento do solo mole.

 

Esquema do sistema de georeforço com estacas, onde se emprega
plataforma de transferência de cargas (PTC).

 

Esquema do sistema de georeforço com colunas de brita com PTC (plataformas de transferência de cargas.
Considerações para projeto e sua execução

O projeto de qualquer método de melhoramento de solo mole, tipicamente, necessita de parâmetros de controle, tais como geometria da estrutura a ser levantada, condição geotécnica do solo local, condição de carregamento, suas características e critério de comportamento. Estes parâmetros, necessários ao projeto, tem suas limitações, como a malha de espaçamento entre verticais de bulbos do geoenrijecimento ou das colunas, do georeforço, suas profundidades, diâmetros, dimensões da zona a ser melhorada, seções, quantidade de material a ser empregado, suas propriedades e a sequência executiva. Com relação ao controle e garantia da qualidade do melhoramento, a ser imposto ao solo de fundação, dever-se-á acompanhar os procedimentos e medições feitas pela empresa executante, de modo a se obter os parâmetros geotécnicos pré-estabelecidos, particularmente, com relação a resistência e a rigidez do solo compósito final.

Para tanto, por se tratar de questão extremamente delicada, dever-se-á executar não sondagens de resistência, como o SPT, palheta ou CPTU, que não conseguem aferir o contexto do solo compósito final mas, sim, sondagens de deformabilidade, com pressiômetro ou teste de carga. Ao final dos trabalhos de melhoramento do solo, a empresa deverá instalar placas de recalque, ao longo da área melhorada, de modo a acompanhar a elevação do aterro e o nível/velocidade das deformações que, inevitavelmente ocorrerão. Ao final da elevação do aterro, este nível e velocidades de deformação deverão ser tais que atendam aos critérios previamente estabelecidos com o cliente.

Fluxograma para análise rápida do método de melhoramento do solo mole.
Particularidades de projeto dos dois métodos

O geoenrijecimento do solo mole

O geoenrijecimento basicamente consiste das fases de cravação de geodrenos e da formação de verticais com bulbos de compressão radial do solo, aumentando drasticamente sua resistência e rigidez.

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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