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ATERROS SOBRE SOLOS MOLES

1. OBRAS EM SOLOS MOLES

Solos moles podem ser definidos como depósitos de solos com predominância de partículas siltosas ou argilosas (o que lhes confere baixa condutividade hidráulica) com formação geológica recente. Geralmente se encontram em estado normalmente adensado ou ligeiramente pré-adensados, com algumas exceções principalmente nas partes superficiais, devido ao ressecamento decorrente da oscilação do lençol freático ou devido à existência de aterros ou de camadas sobrejacentes que produzem sobrecarga.

Solos moles, em geral, possuem abundância de matéria orgânica em sua composição, o que confere cor escura e cheiro característico. Apresentam ainda grande compressibilidade, baixa resistência, e consistência. Devido a estas características, os solos moles são considerados extremamente problemáticos do ponto de vista geotécnico, sendo sua utilização objeto permanente de estudos detalhados em projetos de engenharia.

O NSPT desses solos normalmente situa-se abaixo de 4, porém o SPT não é a melhor forma de se estudar a resistência de solos moles em campo.

Estes solos podem apresentar uma variação espacial considerável de suas propriedades físicas, como resistência não-drenada, umidade, granulometria, índice de vazios e etc., resultantes do seu processo de formação, fazendo com que ocorram mudanças de comportamento dentro de um mesmo depósito.

Os solos moles ocorrem, em geral, nas depressões de terrenos, nas baixadas junto ao mar, lagos e rios, locais em que o nível freático é normalmente alto, coincidente com o do terreno. São formações oriundas do período quaternário (recentes). Os ambientes de deposição podem ser:

• Fluvial: várzeas dos rios (planícies de inundação)

• De origem marinha: planícies costeiras

• Lagunas e baías

A deposição ou sedimentação pode ser afetada pelos seguintes fatores:

• Velocidade das águas

• Quantidade e composição da matéria em suspensão na água

• Salinidade e floculação das partículas

• Presença de matéria orgânica (húmus, detritos vegetais, conchas, etc.)

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Os solos moles de origem fluvial (aluviões) ocorrem nas várzeas de rios. As camadas de argila podem estar intercaladas com camadas de areias finas (heterogeneidade vertical). A heterogeneidade horizontal é muito normalmente causada pelo curso irregular (sinuoso) dos rios.

Os solos moles de origem marinha ocorrem na planície litorânea brasileira e estão presentes em praticamente toda a costa. Foram formados em dois ciclos de sedimentação, devido a dois episódios de ingressão do mar, no Quaternário:

• Pleistoceno (120.000 anos)

o Nível marinho: +8m ± 2 m

o Transgressão Cananéia, dando origem à Formação Cananéia.

o Em geral, são fortemente SOBREADENSADAS (devido ao abaixamento do nível do mar, em 130 m, há 15.000 anos).

• Holoceno (7.000 anos)

o Nível marinho: + 4m ± 2 m.

o Transgressão Santos: sedimentos holocênicos.

o Solos levemente pré-adensados (com pressão de pré-adensamento muito pequena)

Os principais problemas associados às obras em solos moles são do ponto de vista técnico:

• Estabilidade dos aterros logo após a construção: capacidade de suporte do solo;

• Recalques de aterros ao longo do tempo: adensamento (primário e secundário)

• Aterros de encontro com obras de arte (pontes e viadutos):

o Estabilidade das fundações destas obras

o Recalques diferenciais entre aterro e obras de arte

o Efeitos colaterais no estaqueamento (empuxos de terra e atrito negativo)

Do ponto de vista construtivo os problemas mais comuns são:

• Tráfego dos equipamentos de construção

• Amolgamento da superfície do terreno, devido ao lançamento do aterro;

• Riscos de ruptura durante a construção

• Difícil escavação

• Difícil manutenção de acessos

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2. PARÂMETROS DE PROJETO PARA SOLOS MOLES

Em argilas moles, a condição mais crítica para a estabilidade dos aterros se dá logo após a construção, quando os níveis de poropressão atingem o pico, e têm-se as menores tensões efetivas. Por conta disso, normalmente são empregados parâmetros de resistência total, geralmente a resistência (coesão) não-drenada (SU). Contudo, a longo prazo podem ser realizadas análises com base em parâmetros efetivos (drenados) ângulo de atrito (φ’) e coesão (c’),

A Figura 01 apresenta o comportamento das argilas normalmente adensadas em termos de resistência ao cisalhamento em condições não-drenadas.

Figura 01. Comportamento das argilas normalmente adensadas.

A resistência não-drenada (SU) pode ser obtida em campo a partir de ensaios de palheta (Vane Test), que resulta normalmente em um valor superior ao real, ou em laboratório, por meio de ensaios triaxiais UU ou RCS, (nesse caso são obtidos valores um pouco menores que os reais).

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Tabela 01. Propriedades geotécnicas de alguns solos moles brasileiros

Propriedade Planícies de Santos (SP)

Sarapuí (RJ) Porto de Rio Grande (RS)

Recife (PE) Porto de Sergipe (SE)

Espessura do depósito (m)

<50 11 40 19 7

Wnat (%) 90-140 100-170 45-85 40-100 40-60

LL 40-150 60-150 40-90 50-120 50-90

IP 15-90 30-110 20-60 15-66 20-70

Cc/(1+e0) 0,33-0,51 0,36-0,41 0,31-0,38 0,45 0,31-0,43

SU,Vane test (kPa)

8-40 8-20 50-90 2-40 15-25

SU/σ’vm 0,28-0,30 0,35 0,30 0,28-0,32 0,22-0,24

φ' (º) 19-24 25-30 23-29 25-28 26-30

3. MÉTODOS CONSTRUTIVOS DE ATERROS SOBRE SOLOS MOLES

Dado o caráter problemático da utilização de solos moles no âmbito geotécnico, foram (e vem sendo desenvolvidos) diversos métodos construtivos para aterros sobre solos moles.

3.1. Substituição de solos moles

Consiste na retirada total ou parcial desses solos por meio de dragas ou escavadeiras e na imediata colocação do aterro de substituição. Esse método é viável geralmente para depósitos com espessura de até 4m. Tem como vantagem a redução ou eliminação de recalques e o aumento do FSRUP. Nessas condições é uma solução eficaz, rápida, mas de grande impacto ambiental. É necessária a realização de sondagens para aferição das quantidades de solo a serem removidas.

Inicialmente executa-se um aterro de conquista para permitir o acesso dos equipamentos (que devem ser leves) e em seguida iniciam-se as escavações, com posterior reaterro. Os aterros de acesso experimentarão contínuos recalques por conta do tráfego de equipamentos, e requerem contínuo aterro para corrigir desníveis.

3.2. Aterros de ponta

O deslocamento de solos moles pode ser realizado com o peso próprio do aterro, técnica denominada aterro de ponta, que consiste no avanço de uma ponta de aterro em cota

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mais elevada que a do aterro projetado, que vai empurrando e expulsando parte da camada de solo mole, por meio de ruptura do solo de fundação argilosa de baixa resistência. A técnica costuma ser utilizada na periferia da área de interesse, formando diques e confinando a área interna, permitindo que o aterro nessa área seja executado com espessuras maiores.

Após a execução desse tipo de aterro deve-se avaliar a espessura de solo mole remanescente. Caso haja material em espessura maior que a recomendável, deve-se aplicar sobrecarga temporária para eliminar recalques pós-construtivos.

Este técnica é empregada em depósitos de pequena espessura, e muito dependente da experiência local, existindo dificuldade no controle de qualidade da execução, não sendo a uniformidade garantida, o que pode levar à ocorrência de recalques diferenciais. Os volumes de bota-fora gerados são grandes e constituem-se de uma desvantagem ao método.

Figura 02. Aterro de ponta.

3.3. Aterros de conquista

São aterros executados para conquista de áreas de baixíssima capacidade de suporte, com camada superficial turfosa e alagadas, para permitir o acesso de equipamento para a execução de ensaios, cravação de estacas, drenos. Quando a resistência da camada inferior for muito baixa, podem ser empregados geotêxteis como reforço construtivo. Não devem ser executados com muita antecedência ao seu uso, pois com os recalques desenvolvidos pelo peso próprio estes podem estar praticamente submersos até que sejam usados.

3.4. Aterro convencional com sobrecarga temporária

Aterro convencional é aquele executado sem dispositivos de controle de recalque ou de estabilidade. É comum a execução do aterro com sobrecarga temporária, cuja função é aumentar a velocidade dos recalques primários e compensar total ou parcialmente os recalques secundários.

Uma desvantagem desse método é o prazo para estabilização dos recalques, em geral muito elevado, em função da baixa condutividade hidráulica dos depósitos.

Outra desvantagem é o grande volume de terraplanagem associado ao empréstimo e bota-fora. Quando os recalques estimados são alcançados, a sobrecarga temporária é retirada e o material removido pode ser reutilizado.

Aterro projetado Argila mole

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Figura 03. Aterro com sobrecarga temporária.

3.5. Aterros construídos em etapas

Quando a resistência não-drenada das camadas superiores do depósito mole é muito baixa deve-se avaliar a redução da altura do aterro. Essa redução pode, todavia, não ser viável. Nesses casos, em função do baixo FSRup, pode não ser viável a execução de aterros em uma só etapa.

A construção do aterro em etapas, permitindo o paulatino ganho de resistência da argila ao longo do tempo é uma alternativa construtiva. A estabilidade deve ser verificada a cada alteamento, e para essa avaliação é necessário o acompanhamento do desempenho da obra, por meio de instrumentação geotécnica e ensaios de campo para os ajustes necessários ao projeto.

Os ganhos de resistência não drenada são estimados previamente em projetos e devem ser verificados por meio de ensaios de palheta, realizados antes da colocação de cada etapa construtiva.

Figura 04. Aterro construído em etapas.

Argila mole

Sobrecarga temporária

Aterro projetado

Argila mole

3ª etapa 2ª etapa

1ª etapa

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Figura 05. Evolução dos recalques e FS com a construção de aterros em etapas.

3.6. Bermas de equilíbrio

Bermas de equilíbrio são aterros executados nas cabeceiras do aterro principal, com altura inferior a este, com o objetivo de equilibrar as cargas aplicadas pelo aterro, de forma a elevar o FSRup. Quando há restrições à largura/comprimento das bermas, ou para reduzir os volumes de terraplanagem, podem ser instalados reforços com geossintéticos na base do aterro.

Figura 06. Bermas de equilíbrio

3.7. Aterros sobre drenos verticais

Os geodrenos consistem em um núcleo plástico com ranhuras em forma de canaletas, envolto em um filtro de geossintético não tecido, conforme a Figura 07. Quando instalados no terreno estes elevam a condutividade hidráulica do depósito, provocando uma redução mais rápida das poropressões e acelerando os recalques.

Nos aterros construídos sobre geodrenos, executa-se inicialmente a camada drenante, que também tem função de aterro de conquista, seguida da cravação dos drenos e execução do corpo do aterro.

Argila mole

Aterro Berma Berma

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Figura 07. Esquema de instalação e aspecto dos geodrenos.

3.8. Aterros leves

A magnitude dos recalques primários dos aterros sobre camadas de solos moles é função do acréscimo de tensão vertical causado pelo aterro construído sobre a camada de solo mole. Logo, a utilização de materiais leves no corpo do aterro reduz a magnitude desses recalques. Essa técnica, denominada aterro leve, tem como vantagem adicional a melhoria da estabilidade desses aterros, permitindo também a implantação mais rápida da obra, reduzindo ainda os recalques diferenciais. No entanto o alto custo dos materiais, sobretudo o EPS, pode inviabilizar a utilização.

Além do EPS, são usados nesses aterros materiais como dutos/galerias de concreto, pneus picados, argila expandida, etc. O EPS é o mais utilizado, pois possui baixo peso específico (0,15 a 0,3 kN/m³) e combina alta resistência (70 a 250 kPa) e baixa compressibilidade (E=1 a 11 MPa). As dimensões típicas dos blocos são 4,00 x 1,25 x 1,00m. A Tabela 02 apresenta os pesos específicos de alguns dos materiais empregados pra este fim.

Tabela 02. Pesos específicos de materiais leves para aterro.

Material Peso específico (kN/m³)

Poliestireno expandido – EPS (isopor) 0,15 a 0,30

Tubos de concreto (diâm.: 1 a 1,5m; esp. da parede: 6 a 10cm) 2 a 4

Pneus picados 4 a 6

Argila expandida 5 a 10

Serragem 8 a 10

A Figura 08 apresenta um esquema da execução desse tipo de aterro, onde o núcleo de EPS é circundado de material de aterro propriamente dito. Além do aterro, pode-se executar uma camada protetora de concreto, ou seja, uma laje, com cerca de 10cm de espessura sobre o

Argila

Geotêxtil (reforço)

Geodrenos

Aterro

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aterro leve, para redistribuir as tensões sobre o EPS. Considerando a carga do aterro circundante e da laje, pode-se prever um pré-carregamento, com uso de drenos verticais durante o período de tempo necessário. Uma vez que o EPS é sensível à ação de solventes orgânicos, este deve ser protegido com uma manta impermeabilizante insensível a estes líquidos.

Figura 08. Esquema de execução de aterro com EPS.

A espessura do aterro sobre o EPS é função das cargas aplicadas, ou seja, da utilização. Tráfego intenso requer maiores espessuras. A base do EPS deve ser instalada acima do N.A. já que este pode flutuar em caso de alagamento, comprometendo a integridade do aterro.

3.9. Aterros sobre elementos de estacas

Aterro sobre elementos de estaca ou estruturado é a denominação dada a aterros suportados por estacas. Os aterros estruturados são aqueles em que parte ou a totalidade do

Camada protetora de concreto

Aterro

Manta impermeabilizante

EPS

Dreno

Areia

Argila mole

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carregamento devido ao aterro é transmitida para o solo de fundação mais competente, subjacente ao depósito mole.

O aterro estruturado pode ser apoiado sobre estacas ou colunas de diversos materiais. A distribuição das tensões do aterro para as estacas/colunas é feito por meio de uma plataforma com capitéis, geogrelhas ou lajes. Esse tipo de solução minimiza ou até elimina os recalques e melhora a estabilidade do mesmo. Uma vantagem é a diminuição do tempo de execução do aterro, pois o alteamento pode ser feito em uma só etapa.

O tratamento do solo mole por colunas granulares produz menores deslocamentos horizontais e verticais do aterro em comparação com um aterro convencional ou sobre drenos. Além disso, promove a dissipação de poropressões por drenagem radial, acelerando os recalques e aumentando a resistência ao cisalhamento das massas de solo de fundação. O encamisamento dessas colunas com uso de geossintéticos tubulares maximiza seu desempenho.

Figura 09. Esquema de um aterro sobre estacas, com capitéis e geogrelha.

4. MONITORAMENTO DE ATERROS (POROPRESSÕES)

As medidas de poropressões são realizadas por piezômetros de diversos tipos. O piezômetro mais utilizado em aterros sobre solos moles é o de Casagrande (de ponta aberta). Na ponta do piezômetro (profundidade de instalação), há um filtro composto de um tubo PVC perfurado em geotêxtil para minimizar a colmatação.

A porção do furo de instalação do piezômetro em que se encontra a parte perfurada é preenchida com areia. O restante do furo é preenchido com bentonita, sendo a porção superior selada, para que a água da superfície não infiltre, alterando o nível d´água no tubo, descaracterizando as medidas realizadas. Um piezômetro vai medir a pressão de água na profundidade em que a ponta perfurada esta localizada. Um piezômetro tem o aspecto mostrado na Figura 10a.

Solo residual

Argila mole

Aterro de conquista

Aterro Geogrelha ou geotêxtil

Estacas

Capitéis

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a) Esquema de um piezômetro de Casagrande.

b) Piezômetro instalado.

c) Nível de água no piezômetro (t=0)

d) Nível de água no piezômetro (0<t<∞)

e) Nível de água no piezômetro (t=∞)

Figura 10. Instalação de piezômetro Casagrande e monitoramento de poropressões.

Material selante

Bentonita

Trecho perfurado dotubo

Areia

Tubo

N.A. N.A. Aterro

h = u / γw

N.A. N.A.

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A pressão da água faz com que esta suba pelo tubo. A cota desde a ponta do tubo até o nível d’agua é a carga piezométrica no local medido. Assim, em uma situação normal, o NA e o nível de água dentro do piezômetro seriam coincidentes (Figura 10b).

Quando uma carga é aplicada sobre o solo saturado, em um tempo t=0 toda ela é transmitida à água. Com isso, caso um piezômetro seja instalado próximo ao ponto de aplicação da carga (um aterro, por exemplo), a água irá se elevar no tubo até atingir uma altura igual ao acréscimo de tensão na profundidade de instalação do piezômetro (Figura 10c). Assim tem-se:

w

w

uh

hu

γ

γ

=

⋅=

Onde u é a poropressão no nível analisado. Cabe lembrar que 1,0 m.c.a (metros de coluna de água) equivale a 10 kPa.

Após algum tempo, as poropressões passam a se dissipar, e em um tempo t qualquer, o nível de poropressão na profundidade analisada pode ser obtido pela leitura da altura da água dentro do piezômetro (Figura 10d). A poropressão no ponto analisado no tempo t é dada por:

htu w ⋅= γ)(

Em um tempo tendendo ao infinito, tem-se a completa dissipação do excesso de poropressão. Nesse caso o nível da água no piezômetro volta a ser coincidente com o N.A. do terreno (Figura 10e).

5. ESTABILIDADE DE ATERROS (BERMAS DE EQUILÍBRIO)

5.1. Aterros sobre elementos de estacas

A ruptura da fundação do aterro é um problema de capacidade de carga. Nesse caso, para a estabilidade, o aterro participa apenas como carregamento, mas não com sua resistência. A altura crítica de um aterro, sob condição não drenada, é dada por:

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aterro

Ucr

Sh

γ⋅

=14,5

A altura admissível hadm adotara em projeto para um aterro construído em etapas é igual a:

FSh

h cradm =

FS é o fator de segurança definido a partir de critérios de projeto e considerando a importância da obra. Almeida e Marques (2010) sugerem FS>1,5 para condições gerais, sendo aceitos FS≥1,3 para condições temporárias (aterros construídos em etapas), com monitoramento, e sem vizinhos nas proximidades.

Caso hadm seja inferior a altura de projeto podem ser adotadas soluções como a construção de bermas de equilíbrio, construção em etapas, aterro reforçado, etc...).

5.2. Dimensionamento de bermas de equilíbrio

As bermas evitam a formação de bulbos e o deslocamento do material instável. O dimensionamento prático pode ser realizado a partir do método apresentado no Design Manual of Soil Mechanics, Foundations and Earth Structures – Department of Navy (1962).

Figura 11. Esquema de construção de bermas de equilíbrio.

Passo 1:

Verificar a necessidade de berma de equilíbrio.

Se h1 > hadm o aterro precisa de berma.

Passo 2:

D

h1 h2

b1 b2

p1 p2

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Dimensionar a altura da berma.

A largura da berma deve ser calculada a partir do cálculo do peso que a berma deve ter para equilibrar o aterro, que é o excesso de peso em relação ao peso admissível.

aterroadm

aterro

hpphp

γγ

⋅−=⋅=

12

11

2

22 γ

ph = (altura da berma)

Quando γ1 = γ 2

admhhh −= 12

Passo 3:

Verificar se a berma é estável.

a) Se h2 ≤ hadm

b) Se p2 ≤ 2 SU

Caso qualquer destas condições não seja satisfeita, então há a necessidade de uma segunda berma.

Passo 4:

Definir as larguras das bermas.

a) Calcula-se Db1 e

2

1p

p

b) Entra-se no gráfico do caso II que define a forma de ruptura. Se o ponto ficar dentro dos

limites do gráfico, obtém-se o valor para 12

bb , o que leva ao valor de b2.

c) Se o ponto cai fora do gráfico, então se utiliza os ábacos I ou III, conforme o caso.

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16

Figura 12. Ábacos para dimensionamento de bermas de equilíbrio.

Outros métodos

O método de dimensionamento de bermas anteriormente apresentado deve ser aplicado como primeira aproximação, projeto inicial. A estabilidade do aterro deve ser analisada com métodos de equilíbrio limite (Bishop, Fellenius), levando em conta as bermas.

6. RECALQUES EM ATERROS

Os recalques por adensamento dos aterros sobre solos moles são estimados conforme as fórmulas abaixo. Caso a tensão de pré-adensamento não seja ultrapassada:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+= '

'

log1 i

f

oa H

eCcr

σσ

ρ

Caso a tensão final seja superior à tensão de pré-adensamento:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+= '

'

'

'

log1

log1 p

f

oi

p

oa H

eCcH

eCcr

σσ

σσ

ρ

A evolução dos recalques, para o caso de drenagem vertical pode ser estimada por meio do fator tempo (T).

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2d

v

Htc

T⋅

=

Onde: cv é o coeficiente de adensamento vertical; t é o tempo, Hd é a distância de drenagem.

A porcentagem de recalques é então obtida pelos dados da Tabela 03 ou da curva da Figura 13.

Tabela 03. Fator tempo versus porcentagem de recalque.

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Figura 13. Curva Fator Tempo versus Porcentagem de Adensamento.

7. ACELERAÇÃO DE RECALQUES – DRENOS VERTICAIS E SOBRECARGA

O tempo para desenvolvimento dos recalques por adensamento primário costuma ser bastante longo relativamente ao cronograma das obras costumeiramente executadas. No entanto este tempo pode ser reduzido a partir do emprego de algumas técnicas como o emprego de sobrecargas e drenos verticais.

É comum o emprego destas duas técnicas concomitantemente, explorando ao máximo os benefícios do adensamento acelerado

Referências

ALMEIDA, M.S.S; MARQUES M.E.S. Aterros sobre solos moles, projeto e desempenho. Oficina de Textos, São Paulo, 2010. 254p.

DYMINSKI, A. Obras em Solos Moles. Notas de aulas.

LISBOA, E. M. Aterros sobre solos moles. Notas de aulas.