O melhoramento de solos moles com a utilização de colunas, ou georeforço. Conheça suas particularidades.

Figura 1 – Sistema de melhoramento de solos moles à base de colunas de brita: qualquer problema na transferência de cargas pelas colunas, tipo embarrigamento, ocasionará recalques significativos.

O processo de georeforço, diferentemente do geoenrijecimento, baseia-se no conceito de transferência de cargas para camadas de solo mais resistentes. É composto por elementos verticais resistentes, denominados inclusões colunares, seguido da execução de plataforma de transferência de carga (PTC) para efetuar o transporte da carga do aterro e do empreendimento para as colunas. Segundo o proceedings of the second BGA international conference on foundations, ICOF 2008 e Andromeda/Briancon, 2008, “o sistema de melhoramento do solo mole, a base de mecanismos de transferência de carga, com PTCs, suportadas por colunas ou estacas, é solução alternativa adotada para resolver o problema do solo mole. Sua principal vantagem está em reduzir os recalques total e diferencial, transferindo a carga do aterro e da estrutura, a partir da superfície PTC para substratos rígidos através de malha de colunas ou estacas”. Os mecanismos de transmissão de cargas são agrupados com os seguintes métodos:
1. Coluna de brita.
2. Deep soil mixing.
3. Jet Grouting.
4. Estacas (aterro estruturado).

Figura 2 – Sistema de melhoramento de solos moles à base de colunas com mistura do solo (DSM): os espaços entre colunas, onde permanece o solo mole, pode apresentar recalques.

Todos estes métodos, com base em elementos colunares, recebem as cargas, transmitidas pela PTC, tanto pelo efeito de arco, como da geogrelha, transferindo-as para a camada de solo resistente. Estes elementos colunares, ao receberem as cargas, ou grande parte, minimizam futuros recalques já que atuam diretamente no solo mole. Adicionalmente, minimizam possíveis deslocamentos horizontais, provocados pelo natural cisalhamento do solo mole.

Figura 3 – Colunas com mistura do solo (DSM) é uma técnica de georeforço, que pode ser usada para melhorar as propriedades do solo, como um todo.
História dos aterros suportados por colunas

Nos países Escandinavos, aterros sobre estacas já eram bastante utilizados, como alternativa à construção de pontes ou para a utilização de drenos de areia (Rathmayer, 1975). De fato, o Regulamento do National Swedish Road Board, 1983, recomenda o uso de estacas ou colunas para construção de aterros sobre solos moles, com mais de 6 metros de profundidade (Holmberg, 1978).
Mais tarde, surgiram estacas com capitéis que apresentavam maior área à superfície, permitindo reduzir o intervalo do solo carregado, entre colunas e, desta forma, aumentando seu espaçamento (Abdullah, 2006).
A ideia de utilizar geossintéticos sobre a cabeça das estacas ou colunas, adveio da dificuldade da instalação de estacas inclinadas em solos moles, até a camada resistente. Este método, provou ter alguma eficiência na prevenção da instabilidade horizontal do aterro. O trabalho, então desenvolvido por Holtz eMassarsch, 1976, foi pioneiro.
Reid e Buchanan (1984) documentaram que a técnica de georeforço de aterros sobre colunas, utilizando-se geossintéticos, foi aplicada para minimizar recalques diferenciais nos encontros de pontes com presença de estacas. Os trabalhos de Jones (1990), no Reino Unido, culminaram com a introdução dos aterros sobre estacas ou colunas utilizando-se geossintéticos, conforme a British Standard BS8006, de 1995. A utilização de geossintético passou a ser, portanto, item obrigatório em toda PTC que complemente qualquer solução de georeforço utilizando-se colunas ou estacas.

Figura 4 – Métodos analíticos.

Aterros construídos sobre solos moles induzem carregamento significativo sobre área extensa. A técnica de georeforço baseia-se em colunas que transferem a carga para camadas de solos resistentes. Este tipo de técnica de melhoramento de solo combina três componentes:
• O material do aterro.
• A plataforma de transferência de cargas (PTC).
• E elementos verticais que interligam a PTC com o substrato rígido.

Configurações opcionais incluem geogrelhas dentro da PTC ou sobre a cabeça das estacas. As cargas do aterro é parcialmente transferida para as estacas por arqueamento, que ocorre através do material granular da PTC, Alexiew e Vogel, 2002. Este efeito promove um efeito de homogeneização e consequente redução dos recalques na superfície. O atrito ao longo das colunas/estacas também está envolvido no mecanismo citado, promovendo uma complexa interação solo/estrutura, Jenck et al, 2005; Smith, 2005; Cambarieu, 2008. Embora a técnica de georeforço seja amplamente utilizada, seus mecanismos ainda são muito pouco compreendidos, Cambariew, 2005. Muitos pesquisadores continuam desenvolvendo mecanismos para entendimento do seu comportamento, entretanto, a compreensão do comportamento do solo reforçado em pequena escala não consegue reproduzir o efeito da interação solo/estrutura, Briançon e Simon, 2010.
Outros métodos analíticos propõem uma idealização do efeito de arqueamento entre colunas/estacas, figura 4.
Neste caso, o fenômeno do arqueamento, que desenvolve-se no aterro, supõe-se com complexas formas de domo semi-cilíndrico, Hewlett e Randolph, 1988, ou Conchas esféricas, Kempfert et tal, 2004, ou conhas espiraladas, Naughton, 2007.
Segundo Nunez, Briançon e Dias, 2013, todos os métodos analíticos testados superestimam o efeito de arqueamento na região sem PTC. Quando incluída, a eficiência das tensões atuantes aumenta substancialmente. Por outro lado, a não utilização de PTC, promove um intenso e perigoso nível de tensões sobre colunas e/ou estacas naquela região. Alguns pesquisadores informam que o real comportamento da geogrelha não pode ser corretamente reproduzido nas simulações numéricas.

Figura 5 – Aterro estaqueado sobre plataforma de transferência de cargas: grandes recalques sob a plataforma, impondo enormes tensões na geogrelha e nas cabeças das estacas.
Tipos de georeforços
Colunas de brita

Caracteriza-se pela transferência das cargas, através das colunas de brita, para um substrato mais resistente tendo, idealmente, comprimento em torno de 6m e, no máximo 10m abaixo da superfície do terreno com características de mole a fofo (NYSDOT* Geotechnical). A utilização de PTC é obrigatória, assim como o solo mole, em torno das colunas de brita, deverá fornecer suporte lateral suficiente (mínimo de 15 kPa), de modo a impedir embarrigamento excessivo em qualquer região ao longo da coluna (NYSDOT Geotechnical DesignManual). Na figura, a seguir, apresenta-se o sistema de georeforço à base de coluna de brita.

Figura 6 – Esquema do georeforço com colunas de brita.

Viabilidade e limitações

A capacidade de carga do sistema a base de colunas de brita atribui-se às propriedades do atrito da massa de brita e da coesão/atrito do solo mole com as colunas, da flexibilidade ou rigidez para transmitir tensões para o solo mole, da magnitude das pressões laterais suportadas pelo solo envolvente além de, finalmente, da interação de todos estes mecanismos.
*NYSDOT –York State Department of Transportation.

Princípios básicos e análise do georeforço com colunas de brita

Colunas de brita tem origem, evidentemente, em sua capacidade axial, a partir das pressões passivas existentes no solo mole, manifestadas pelo efeito do embarrigamento das colunas e do aumento da resistência contra deformações laterais, motivadas pela carga imposta. A teoria da transferência de carga, a estimativa da capacidade suporte e recalque total/diferencial, foi desenvolvida por vários pesquisadores (Malarvizhi, 2004). Dois são os métodos de instalação das colunas de brita, o primeiro é o sistema de vibro-substituição, com método de alimentação úmida pelo topo e, o segundo, um sistema de vibro-deslocamento, com método de alimentação à seco, pelo topo ou pelo fundo do tubo, conforme figuras 7 a 9.

Figura 7 – Método de alimentação a seco pelo topo (Taube, 2001)

 

Figura 8 – Método de alimentação a seco pelo fundo (Taube, 2001).

 

Figura 9 – Método de alimentação úmida pelo topo (Taube, 2001).

As colunas, formadas com material granular, funcionam como geodrenos que, com o tempo, promovem alguma consolidação do solo mole ao redor, reduzindo seu volume e provocando mais recalques, até o momento em que há “entupimento” nesta drenagem. Com o advento da utilização do encamisamento com geotêxtil, melhora a condição de ruptura por embarrigamento, no entanto, fica susceptível a desaprumos, na medida em que alguma camada de solo mole, intermediária, apresenta pouca ou nenhuma resistência, o que é muito comum. Não é recomendado para profundidades de depósitos de solos moles superiores a 10m, devido a total ausência de suporte lateral. Esta solução não deve ser utilizada em solos argilosos com valores de sensitividade superior a 5.
Segundo o NYSDOT, Geotechnical Design Manual, a eficácia da transferência das cargas do aterro e do empreendimento para as colunas de brita dependerá, fundamentalmente, da PTC feita com solo grosso e do suporte lateral oferecido pelo solo mole circundante, ou seja, por sua resistência cisalhante não drenada. De acordo com normas alemãs, esta solução só poderá ser empregada quando o solo apresentar resistência superior a 20kPa. A presença de qualquer camada muito mole, solo orgânico ou turfa inviabilizará o método, já que faltará suporte lateral e, consequentemente, ocorrerá forte embarrigamento com incidência de recalques proibitivos. De um modo geral colunas de brita são feitas para transferir cargas pelas pontas, descarregando em um substrato resistente. Para melhor aplicação, dever-se-á compreender os vários mecanismos de ruptura que este sistema pode apresentar. São quatro os modos de ruptura deste sistema:
• Ruptura geral por cisalhamento.
• Ruptura local por cisalhamento.
• Ruptura por embarrigamento.
• Ruptura por deslizamento.

Figura 10 – O processo de melhoramento do solo com coluna de brita.

Ainda, segundo o “NYSDOT Geotechnical Design Manual”, o processo de ruptura por embarrigamento é o mais comum, considerando-se que é muito frequente ocorrer camadas de solo mole com pouca ou nenhuma resistência, o que deflagra muita deformação na forma de recalques. O NYSDOT informa também que se a espessura de alguma camada de solo mole for maior que o diâmetro das colunas não haverá suporte lateral. Os modos de ruptura dependem dos seguintes parâmetros:
• Características das colunas.
• Tipo de carregamento.
• Resistência passiva da argila envolvente.
Como pode ser visto na Figura 11, a área com linhas tracejadas é mais provável que tenha efeito de abaulamento.
Nas figuras abaixo, apresentam-se detalhes do padrão de ruptura deste sistema de georeforço, quando executado em camada homogênea de solo mole. Para se calcular a máxima tensão a ser aplicada, torna-se necessário determinar o ponto da ruptura da tensão, na vertical, qr, para uma coluna isolada, com base em suas características e nas do solo após o georeforço, levando-se em consideração os possíveis modos de ruptura ilustrados abaixo, de acordo com Soiez, 1985:
• Ruptura por embarrigamento (critério para determinação das dimensões).
• Ruptura cisalhante generalizada (é rara, apenas quando as colunas são curtas).
• Ruptura cisalhante com efeito de punção (sistema flutuante).

Figura 11 – Mecanismos de ruptura isolados quando em camada de solo mole homogêneo (Ghanti & Kashliwal, 2008).

No exemplo B acima, apresenta-se o tipo de ruptura por ausência de capacidade de cargas, surgindo tensões e bulbos que, simplesmente, seguem o tipo de análise de “Meyerhof” e “Terzaghi”.

Figura 12 – Esquema de coluna de brita, em malha triangular e quadrada, respectivamente (Cabe, 2007).

Considerações de projeto

De modo avaliar-se a aplicabilidade deste sistema de georeforço para um determinado local e sistema de fundação, faz-se necessário avaliar, primeiro, a performance do solo original para, então, determinar se o sistema irá obter o resultado desejado, em termos de capacidade suporte, densificação, redução de recalque, etc. De maneira simplificada, sugere-se as seguintes medidas na elaboração do projeto:

  • Estimar o recalque, na a condição do carregamento proposto, para o solo em sua condição original, utilizando-se métodos de cálculo de recalque convencionais.
  • Determinar a redução do recalque, necessária à exigência do projeto, expressa como coeficiente do recalque total, no solo original, recalque no solo com coluna de brita, georeforçado, refere-se ao “coeficiente de recalque” ou “fator de melhoramento”. Este conceito foi desenvolvido por Priebe.
  • Determinar, baseando-se na experiência da empresa executora e dados empíricos existentes, se o sistema pode fornecer a redução do recalque necessária. Tipicamente, coeficientes de recalque estão entre 2 e 3 (por exemplo, recalques podem ser reduzidos de um fator entre 2 e 3).
  • Determinar a razão de substituição da área (área da coluna dividida pela área do entorno) necessária para proporcionar a redução do recalque necessária. O conceito de razão de substituição, para uma configuração com dois tipos de malha é ilustrada na figura 12.
  • Analisar a capacidade de carga das colunas.
  • Determinar o comprimento das colunas, seu diâmetro e espaçamento. Este comprimento é determinado pela avaliação dos cálculos do recalque. O diâmetro de coluna e seu espaçamento são determinados pela experiência do empreiteiro.
  • O sistema de georeforço com colunas de brita, reduz de 30 a 50% os recalques originais. O recalque diferencial, por sua vez, é reduzido de 5 a 15% (NYSDOT Geotechnical DesignManual).

A estimativa do diâmetro das colunas é parte crítica do projeto e baseia-se na experiência do empreiteiro, tipicamente empírica, com base no seu método de construção (método seco ou úmido, alimentação pelo topo ou fundo), características vibratórias da sonda, e características da estratigrafia do solo local, no qual as colunas serão implantadas. Conhecendo-se a razão de substituição e a previsão do diâmetro das colunas, o espaçamento é calculado de maneira simples. O diâmetro típico da coluna de brita, com a utilização do método úmido, varia de 60 a 90 centímetros, enquanto pelo método seco apresenta diâmetros maiores, algo como 20 a 40% (Taube, 2002).

  • Este sistema só poderá ser utilizado quando a resistência cisalhante média mínima seja igual ou maior que 15kPa, devido à alta probabilidade de colapso do furo.
  • Colunas de brita não devem ser utilizadas em solos com sensitividade maior que 5.
  • A determinação da resistência cisalhante do solo compósito pós-coluna de brita dependerá, portanto, do método empírico utilizado e, frequentemente, envolve uma complexa combinação de concentração de tensões nas colunas, uma razão de substituição, a variação das pressões entre linhas de colunas e a média ponderada do peso unitário da matriz coluna-solo.