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A construção de estruturas rodoviárias devem seguir “regras” pertinentes ao terreno nas quais serão construídas, de modo a garantir o sucesso do empreendimento. A presença de camadas de depósitos de solos argilosos moles, sejam orgânicos ou mesmo turfosos é uma constante nos dias de hoje, para a construção destes empreendimentos, considerando-se a escassez de terrenos adequados.

Melhoramento de solos moles objetivando a construção de rodovias

Segundo o manual de implantação básica de rodovia do DNIT, 2010, aterro é definido como “segmento de rodovia cuja implantação requer depósito de materiais provenientes de cortes e/ou de empréstimos, no interior dos limites das seções de projeto (off-sets) que definem o corpo estradal”.
Quando o terreno apresenta solos moles, o melhor é, primeiramente, saber a extensão do problema, antes de iniciar qualquer trabalho. Isto pode ser feito com um bom plano de sondagens, que tem a finalidade de mostrar a profundidade da camada de baixa resistência e sua natureza.
As principais considerações geotécnicas para projeto e construção de aterros são a estabilidade e o recalque do solo de fundação, o impacto destes dois fatores, nas necessidades do desenvolvimento e no tempo da sua construção, além do embate com instalações existentes e estruturas vizinhas. A investigação deve-se estender, pelo menos, de 2 a 3 vezes a largura do aterro, para ambos os lados e para a parte superior ou inferior dos taludes adjacentes do aterro. Esta correta avaliação determinará a uniformidade do aterro, com relação à estabilidade necessária e performance duradoura.

A execução dos aterros rodoviários em condições difíceis

Os procedimentos para a seleção da estratégia de melhoramento do solo de fundação de rodovias consistem de:

  1. obtenção de todos os dados pertinentes.
  2. avaliação das condições do pavimento.
  3. análise das sondagens.
  4. seleção do método de melhoramento de solo.
  5. estratégia de trabalho.

O comportamento do pavimento de uma estrada depende da concepção e do adequado funcionamento de todos os componentes que compõem o seu sistema, e incluem:

  1. Superfície adequadamente plana, com suficiente resistência ao atrito, e que seja estanque e permita drenagem da água de modo a evitar a aquaplanagem;
  2. Camadas estruturais bem definidas, seja de asfalto ou concreto, que tenham capacidade de carga suficientes;
  3. Camadas de base e subbase independentes, que forneçam resistência adicional – particularmente em pavimentos flexíveis –e que sejam resistentes à deterioração induzida pela umidade e outros tipos de deterioração.
  4. Um subleito que promova uma fundação suficientemente resistente, rígida e estável para as camadas superiores;
  5. Processo de drenagem que remova a água suficientemente rápido do sistema do pavimento, antes que degrade as propriedades de suas camadas inferiores.
  6. Medidas corretivas, como melhoramento do solo inferior com geoenrijecimento, para aumentar sua resistência, rigidez, etc.

Pavimentos rodoviários são sistemas formados por camadas projetadas para atender aos seguintes objetivos:

  • ser estruturalmente forte para suportar cargas de tráfego impostas (capacidade estrutural);
  • fornecer superfície suficientemente plana, resistente ao desgaste e as derrapagens;

Suas camadas interdependentes são partes integrantes do sistema final, que responde pela capacidade de carga de todo o conjunto estrutural, especialmente pavimentos flexíveis. Isto pode ser verificado na figura abaixo, onde tensões induzidas nos sistema do pavimento, pelas cargas do tráfego, são maiores nas camadas superiores, diminuindo com a profundidade.

A performance à longo prazo, das camadas mais inferiores do pavimento, como o subleito e o solo de fundação, dependerão de uma excelente manutenção do sistema superior, de modo a evitar o seu comprometimento, que importa em custos bem mais elevados.
Como em todos as estruturas geotécnicas, o sistema do pavimento rodoviário é fortemente influenciado por fatores ambientais e pela umidade. A água migra para dentro da estrutura do pavimento através de combinações de infiltração superficial (por exemplo, trincas na camada superficial), fluxos laterais e pelo nível freático do solo (por exemplo, a condição de capilaridade em solos argilosos). De um modo geral e do ponto de vista geotécnico, as propriedades dos materiais de interesse, no projeto de um pavimento, podem ser originadas nas seguintes categorias:

  • físicas (por exemplo, classificação do solo, densidade, teor de umidade);
  • termo-hidráulicas (por exemplo, coeficientes de drenagem, permeabilidade, coeficiente de expansão térmica);
  • relacionadas ao comportamento (por exemplo, características deformativas pertinentes à cargas repetidas).

A camada mais significativa para a performance do pavimento é a superficial, no entanto, as inferiores estão intimamente interligadas. Por exemplo, a resistência e a rigidez do solo do subleito é um dado de entrada para a maioria dos projetos de estradas, e seu impacto no desempenho estrutural pode, portanto, ser avaliado quantitativamente. Para ficar bem entendido, subleito é a camada superior do terreno sobre o qual a estrutura do pavimento e os acostamentos serão construídos. O propósito do subleito é servir de plataforma para a construção do pavimento, além de suportá-lo sem que haja deflexão excessiva que possa impactar seu comportamento. Para pavimentos construídos em cortes, o subleito é o próprio solo natural do local cortado, que deverá ser compactado de modo a aumentar sua resistência e rigidez. Para pavimentos construídos sobre aterros, o subleito é o próprio material do aterro, supondo-se que o solo de fundação é estável. A real espessura do subleito poderá, sempre, ser questionada. Sua espessura dependerá do tipo de projeto a ser elaborado. A rigidez do conjunto inferior do sistema do pavimento, certificado com o conhecimento do seu módulo resiliente, passa a ser sua propriedade mais importante, quando da elaboração do projeto estradal, conforme determinação da AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) Pavement Design Guide.

Frequentemente, encontram-se condições especiais de solos, além dos caracterizados como moles, ao longo da execução de uma rodovia, incluindo solos expansivos e colapsíveis. No caso de solos expansivos, o poder de inchamento em um pavimento refere-se a mudanças de volume localizadas em subleitos estradais, na medida em que absorvem água. No caso de solos colapsíveis, apresentam estrutura metaestável e exibem grande diminuição de volume quando saturados. Subleitos nativos, com solos colapsíveis, precisam ser geoenrijecidos com compaction grouting, antes do processo construtivo estradal, de modo a estruturá-lo, particularmente quando for receber grandes aterros.

De um modo geral, solos naturais são inadequados para utilização na estrutura do pavimento, pois possuem graduação, resistência ou rigidez inadequadas ou promoverão insuficiente estabilidade. Estas deficiências podem ser minimizadas misturando-se dois ou mais solos ou, simplesmente, promovendo estabilização mecânica ou o geoenrijecimento com técnicas de grouting, como o CPR Grouting para solos moles, ou Compaction Grouting, para solos expansivos e colapsíveis, únicas modalidades geotécnicas de intervenção que distinguem-se por modificar as características dos solos.
Neste primeiro exemplo, apresentamos um caso de uma rodovia construída sobre solo mole com presença de um gasoduto.

Caso de obra

Entre os municípios de Campinas e Valinhos, houve a necessidade da construção de três rodovias marginais à Rodovia Anhanguera, SP 330. Uma destas marginais, que exigia aterro de 10m de altura, contido por muro em terramesh, situava-se sobre profundo depósito de solo mole com cerca de 15m, e, como agravante, no limite do terreno, junto ao pé do futuro muro de contenção, um gasoduto de 800mm de diâmetro, também assente no solo mole, enterrado a 1,5m de profundidade. A certeza da eficiência do geoenrijecimento, em quase 100%, ou seja, intolerância a recalques presentes e futuros, devido ao gasoduto e as cargas dinâmicas, inerentes a futura rodovia exigiram, além dos testes rotineiros de certificação, à base de análises piezométricas e pressiométricas, também tomografia sísmica por imagem. Para este ensaio, desenvolveu-se software específico para a análise do volume geoenrijecido, assegurando a certificação dentro do conhecido limite das ultrapequenas deformações.

Apresenta-se, a seguir, dados da geologia do terreno, onde foi construída a rodovia marginal, do projeto de geoenrijecimento com CPR Grouting, da complexidade dos depósitos de solo mole presentes, da campanha de ensaios de certificação e da campanha com tomografia por imagem para a obtenção da velocidade de ondas cisalhantes, representando o mais importante parâmetro geotécnico do solo, quando se trata de certificação do melhoramento de solos argilosos, com vistas à construção de estradas que sofrem efeito de diversas cargas dinâmicas de veículos leves a pesados, com a necessidade imperiosa da obtenção de altos módulos de cisalhamento, devido à exigência de ínfimo nível de deformações.

Figura 8 – Superfície crítica de ruptura (FSmínimo) para a seção transversal, caso nenhum melhoramento fosse feito.
Figura 8 – Superfície crítica de ruptura (FSmínimo) para a seção transversal, caso nenhum melhoramento fosse feito.

Sondagens de caracterização SPT e análises geológicas do local caracterizavam o local como um vale próximo a um curso d’água e, com o passar do tempo, houve deposição de material coluvionar jovem não consolidado, configurando-se presença de depósitos de solos moles. Foram necessárias, no entanto, várias sondagens SPT e rotativas para identificar um segundo depósito, mais profundo, sob uma formação de pedregulhos situados entre 8m e 12m de profundidade. A caracterização típica do solo de fundação encontra-se na sondagem abaixo.

Figura 9 – Superfície crítica de ruptura (FSmínimo) para a seção transversal, com geoenrijecimento com CPR Grouting.

A simples presença de depósitos de solos moles no local já exigiria serviços especializados de melhoramento do solo, como pode ser visto nas análises de estabilidade apresentadas nas figuras 8 (antes do melhoramento) e 9 (depois do melhoramento).

A presença do gasoduto, com 800mm de diâmetro, enterrado no local, assente sobre este depósito mole complicava ainda mais o estudo, considerando-se a necessidade do maior nível de estabilidade para o aterro de 10m a ser construído e a mínima tolerância a deformações após concluído o projeto. Uma dificílima situação executiva, ilustrada na figura 11, com a solução de Geoenrijecimento.

Figura 10 – O processo de Geoenrijecimento do solo em uma das marginais da Anhanguera.

Diversas modalidades de melhoramento de solos foram analisadas. A eficiência de cada uma foi observada baseada, primeiramente, na estabilidade. Em segundo, a ínfima surgência de recalques, considerando-se a presença do gasoduto, situado na base do futuro muro de contenção. E, em terceiro, à logística do local, considerando-se as dificuldades construtivas frente à presença do gasoduto e da própria Rodovia Anhanguera, além da travessia do rio, cujo solo de fundação, com solo mole, também precisava de melhoramento. Houve necessidade preemente de instrumentação geotécnica, particularmente inclinômetros para analisar o nível de deformações, promovido no solo, e que poderiam chegar a desestabilizar o gasoduto e também o próprio talude da Anhanguera. Técnicas de georeforço, que apresentam contraste de rigidez entre o material das colunas e o solo envolvente, como atraem cargas adicionais, devido ao arqueamento do solo, foram desconsideradas. Estas técnicas acumulam tensões a partir do arqueamento do solo, fazendo com que as colunas deformem, promovendo deformações intermediárias nas colunas.
O geoenrijecimento do solo é acompanhado com instrumentação geotécnica no sentido de se avaliar a evolução tanto do excesso/dissipação da poropressão, com piezômetros de cordas vibrantes, que garantem o aumento das tensões efetivas, quanto da rigidez do solo resultante, com análises pressiométricas que, adicionalmente, também conferem o aumento da resistência do solo. A seguir, apresentam-se os resultados pressiométricos, com seu módulo médio alcançado, pós geoenrijecimento, para obtenção do módulo do solo compósito final:

Geq = 74, 7%Gg + 25, 3%Gs
Sendo, Gs,psCPR = 8.000kPa e
%Gg = 240.000kPa
Logo, Geq = 66.696, 0kPa − Este módulo de cisalhamento equipara-se a uma formação de argila dura.

O módulo de cisalhamento equivalente, (Geq), estabelece relação entre os módulos do solo geoenrijecido (Gs) e dos bulbos com Geogrout (Gg), representada por média ponderada entre os bulbos de solo geoenrijecido e os bulbos do geogrout. O módulo pressiométrico equivalente representa o solo compósito após o geoenrijecimento.
Na tabela a seguir, apresenta-se a classificação de solos de acordo com a velocidade de propagação de ondas cisalhantes (Vs) (EN, 1998), pertinente aos ensaios com tomografia por imagem.
Constata-se, atualmente, que a obtenção em campo da velocidade de ondas cisalhantes, representa a condição geotécnica mais fidedigna e segura do estado do solo, com relação à resistência ao cisalhamento de argilas e seu módulo cisalhante.

Testes in situ, inerentes ao processo de geoenrijecimento do solo, antes e após, têm a grande vantagem de visualizar seu estado de tensões, e a surgência das tensões efetivas. No entanto, as propriedades mecânicas do solo, relacionadas ao carregamento dinâmico, estão associadas à velocidade de onda cisalhante (VS) e ao módulo cisalhante (G), também utilizadas corriqueiramente em problemas não dinâmicos. O quase nulo nível de deformações, exigido no solo mole, pós geoenrijecimento, portanto, exigia um tipo de teste associado a propriedades tipicamente de baixa deformação, somente alcançado com propagação de ondas. Nesta obra, foram analisadas várias fontes de excitação do solo, no sentido de induzir ondas sísmicas de amplitudes relativas e mensuráveis com baixíssimo nível de deformação, ou seja, menor que 10−3%. Este baixíssimo nível de deformações, permite acessar a teoria de elasticidade, associando medidas obtidas com as propriedades mecânicas na região linear do seu gráfico. Para um nível de deformações intermediário, em torno de 10−2%, a resposta começa a ficar não linear. Para grandes deformações, maiores que 10−1% até 5%, o comportamento dinâmico do solo é totalmente não linear obtendo-se deformações permanentes ou plásticas, eventualmente alcançando a condição instável.

A análise com tomografia sísmica induz deformações cisalhantes menores que 10−4%, e a velocidade de ondas cisalhantes, VS, para obter o módulo cisalhante G, através de expressão seguinte:
G = ρ ∙ VS2
Onde ρ é a densidade do solo.

A certificação do geoenrijecimento adequado do solo é feita pela avaliação da condição da rigidez de suas camadas, representada tanto pelas velocidades de onda de cisalhamento quanto pelos seus módulos cisalhantes. Estes dois parâmetros refletem, de maneira precisa e sem qualquer perturbação física, o real estado de tensões efetivas das camadas do solo mole, independentemente da condição da poropressão.

Considerando-se as particularidades do local da obra, junto a Rodovia Anhanguera e a logística do avanço dos serviços de geoenrijecimento no local, projetou-se uma linha de pesquisa (linha 1), para a avaliação das condições originais da rigidez do solo, fora da área geoenrijecida, exatamente 5m distante da cerca do vizinho, que encontrava-se na condição primitiva, sem qualquer indício de construção. Projetou-se uma segunda linha de pesquisa (linha 2), paralela a da condição original do solo, longitudinalmente e no meio da área geoenrijecida. A figura 11 ilustra o posicionamento das linhas com ensaios por tomografia por imagem.


Figura 13 – No limite com o vizinho, eleva-se um muro em terramesh com 6m de altura sobre o gasoduto, onde apresenta-se a berma no meio do vão do talude. A partir desta berma, eleva-se o talude até a nova rodovia.


Figura 13 – No limite com o vizinho, eleva-se um muro em terramesh com 6m de altura sobre o gasoduto, onde apresenta-se a berma no meio do vão do talude. A partir desta berma, eleva-se o talude até a nova rodovia.
 


Figura 15 – As tomografias pré geoenrijecimento acima e pós abaixo. Verifica-se a condição do solo argiloso mole e orgânico com os tons azul claro, escuro e esbranquiçado. Na condição pós geoenrijecimento identifica-se a condição do solo melhorado com as tonalidades verde amareladas.

A certificação do geoenrijecimento adequado do solo é feita pela avaliação da condição da rigidez de suas camadas, representada tanto pelas velocidades de onda de cisalhamento quanto pelos seus módulos cisalhantes. Estes dois parâmetros refletem, de maneira precisa e sem qualquer perturbação física, o real estado de tensões efetivas das camadas do solo mole, independentemente da condição da poropressão.


Figura 16 – Situação da marginal totalmente concluída, observando-se a diferença de nível do terreno original onde está a cerca, o muro, com 5m de altura, o talude subsequente e a nova rodovia, totalizando cerca de 12m de altura.

Considerando-se as particularidades do local da obra, junto a Rodovia Anhanguera e a logística do avanço dos serviços de geoenrijecimento no local, projetou-se uma linha de pesquisa (linha 1), para a avaliação das condições originais da rigidez do solo, fora da área geoenrijecida, exatamente 5m distante da cerca do vizinho, que encontrava-se na condição primitiva, sem qualquer indício de construção. Projetou-se uma segunda linha de pesquisa (linha 2), paralela a da condição original do solo, longitudinalmente e no meio da área geoenrijecida. A figura 11 ilustra o posicionamento das linhas com ensaios por tomografia por imagem.