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Análise da estabilidade de taludes em aterros de RSU Eduarda de Queiroz Motta UFPE, Recife, Brasil, [email protected] José Fernando Thomé Jucá UFPE, Recife, Brasil, [email protected] RESUMO: Este trabalho apresenta uma análise do comportamento resistente de aterros de resíduos sólidos urbanos (RSU) com dados reportados na literatura. Apresentam-se análises da estabilidade geotécnica da massa de RSU considerando o efeito das fibras como componente de reforço. Neste sentido, utilizam-se parâmetros determinados através de ensaios de campo e laboratório para empregar nos modelos de análises de estabilidade de taludes do software GGU Stability. Desta forma, este trabalho visa contribuir para um melhor entendimento do comportamento mecânico dos RSU através de um programa de investigação geotécnica. PALAVRAS-CHAVE: Estabilidade de Taludes, Aterros de RSU, Efeito fibra. 1 INTRODUÇÃO A aplicação de fibras como elemento de reforço no solo para lhe conferir melhores características mecânicas é uma prática há muito tempo conhecida e empregada pela humanidade. A técnica de reforçar os solos com fibras tem o propósito de aliar materiais com diferentes propriedades para formar um material compósito com boa resistência à compressão, ao cisalhamento e à tração. Solos reforçados permitem taludes mais verticais, em função da quantidade, disposição e resistência dos reforços empregados. Aterros de resíduos sólidos urbanos (RSU), devido à sua composição, apresentam características semelhantes às dos solos reforçados. No entanto, em função da variedade de elementos que compõem os RSU, das condições de operação do aterro, de fatores climáticos e da ação de microorganismos, as estimativas das características resistentes destes aterros apresentam grande variabilidade. As estimativas dos parâmetros de resistência dos RSU se tornaram assunto de interesse de várias pesquisas, devido aos critérios de segurança para atender às exigências de conservação e proteção ambiental. No entanto, para atender à crescente geração de RSU, os aterros têm sido comumente ampliados para aumentar sua vida útil devido à

escassez de área e à dificuldade em se licenciar uma nova área para implantação de aterro. Muitas destas ampliações são feitas através de alteamentos sucessivos, o que implica em análises mais rigorosas e campanhas de monitoramentos intensas. Neste sentido, os projetos precisam ser adaptados à nova situação para oferecerem uma disposição segura para os resíduos. Howland & Landva (1992) afirmam que um dos desafios de projeto oriundos dos processos de expansões verticais é a análise de estabilidade de aterros sanitários projetados com taludes mais íngremes e alturas maiores. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Metodologia de Análise Foram feitas análises da estabilidade geotécnica da massa de RSU considerando o efeito das fibras como componente de reforço. Neste sentido, foram utilizados modelos de análises de estabilidade de taludes dos softwares GGU Stability, empregando-se como dados de entrada: a geometria comumente aplicada a taludes nos projetos de aterros sanitários e parâmetros de resistência encontrados na literatura. Desta forma, foram estimados fatores de segurança bem mais altos.

COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.

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2.2 Resistência ao Cisalhamento dos RSU Teoricamente, a resistência dos RSU seria principalmente de caráter friccional, devido à sua composição ser basicamente de materiais granulares. No entanto, apresenta um intercepto coesivo, que é devido ao efeito das fibras. Esse comportamento dos RSU é similar ao conferido a um solo granular com reforço de fibras com disposição aleatória. Os valores dos parâmetros de resistência dos RSU encontrados na literatura, e utilizados neste trabalho, apresentam grande variabilidade. Alguns valores muito baixos, considerados contraditórios diante de condições de estabilidade de taludes encontradas em campo, foram considerados não representativos para esta análise. As estimativas da resistência dos RSU são apresentadas em trabalhos de retro-análises, ensaios in situ e ensaios de laboratório. A principal justificativa de usar os parâmetros das retroanálises de rupturas de taludes é que, segundo alguns autores, representam o contorno inferior da resistência de campo disponível, sendo portanto conservativo. Uma das desvantagens, é a dificuldade de estabelecer parâmetros corretos pois a resistência é determinada por um par de parâmetros resultando em uma infinidade de combinações (duas incógnitas e uma equação) (OLIVEIRA, 2002). Segundo Fucale (2005), os ensaios de campo comumente utilizados em RSU, como SPT, CPT e Vane Test, são difíceis de serem executados devido à presença de materiais resistentes como madeira, pedra, metal e outros, os quais ocasionam grandes picos na resistência medida, além de desvio das hastes dos equipamentos e avarias nos amostradores, paletas e ponteiras. Além disto, não se tem uma relação clara entre a resistência à penetração e a resistência ao cisalhamento dos RSU. Para König & Jessberger (1997) e Knochenmus et al. (1998), a principal limitação na realização de ensaios de laboratório surge da dificuldade de se obter amostras com qualidade e representatividade da granulometria e composição dos resíduos, assim como da necessidade da utilização de equipamentos de grandes dimensões.

A Tabela 1 apresenta alguns parâmetros de resistência ao cisalhamento dos RSU reportados na literatura. Tabela 1. Parâmetros de resistência ao cisalhamento dos RSU reportados na literatura.

RETROANÁLISES FONTE c (kN/m2) φ (º)

Dames & Moore (1988) 21 20 IPT (1991) 14 22 Cowland et al. (1993) 10 25 Kaimoto & Cepollina (1996) 14 - 16 22 – 28Borgatto (2006) 2 22

ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO “IN SITU”

FONTE c (kN/m2) φ (º) Richardson & Reynolds (1991) 10 19 – 43Withiam et al. (1995) 10 30

ENSAIOS DE CISALHAMENTO DIRETO FONTE c (kN/m2) φ (º)

Fang et al. (1977) 65 19 Gay et al. (1981) 7 - 28 27 - 42Landva et al. (1984) 16 - 23 24 - 38Landva & Clark (1986) 16 - 23 33 - 42Landva & Clark (1990) 12 - 22 24 - 39Siegel et al. (1990) 295 36 Del Greco e Oggeri (1994) 16 - 24 21 - 22Withiam et al. (1995) 10 30 Gabr & Valero (1995) 0 - 28 21 - 39Collins & Kölsch (1996) 15 30 - 40Edincliler et al. (1996) 24 41 Jones et al. (1997) - 7 - 30 Van Impe e Bouazza (1998) - 19 - 38Caicedo et al. (2002) 27 24 De Lamare Neto (2004) 6 - 11 37 - 42Fucale (2005) 23 - 29 37 - 46Martins (2006) 5 - 84 3 - 38

ENSAIO TRIAXIAL FONTE c (kN/m2) φ (º)

Matsumoto et al. (1987) 15 - 90 5 - 17 Gabr & Valero (1995) 42 – 68 0 - 34 Grisolia et al. (1995) 5 - 63 11 - 45Kockel (1995) 25 - 200 10 - 40Kockel & Jesseberger (1995) 41 - 51 42 - 49Carvalho (1999) 39 - 60 17 – 27Nascimento (2007) 1 - 26 14 - 40


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2.3 Peso Específico dos RSU Segundo Kavazanjian et al. (1995) o peso específico in situ médio varia tipicamente entre 8,6 a 10,2kN/m3 e, geralmente aumenta com a profundidade, mas a partir de 40 a 45 m o aumento é insignificante. Alguns valores de peso específico reportados na literatura são apresentados na Tabela 2 de acordo com seu grau de compactação. Tabela 2. Parâmetros de resistência ao cisalhamento dos RSU reportados na literatura.

FONTE Descrição γ (kN/m2)

RSU não compactado 2,9 Schomaker (1972) RSU medianamente

compactado 4,7 a 5,9

Owers (1993) RSU medianamente compactado 4,7 a 6,3

Fasset et al. (1994) RSU medianamente compactado 5,0 a 8,0

Fasset et al. (1994) RSU mal compactado 3,0 a 9,0Oweis e Khera (1990) RSU compactado 6,3 a 9,4Sowers (1968) RSU bem compactado 8,0 a 12,0Schomaker (1972) RSU bem compactado 8,8 Landva & Clark (1986) RSU bem compactado 6,8 a 16,2

Landva & Clark (1990) RSU bem compactado 7,0 a 14,0

Watts e Charles (1990) RSU bem compactado 5,4 a 8,0

Owers (1993) RSU bem compactado 8,6 a 9,4Fasset et al. (1994) RSU bem compactado 9,0 a 10,5Owers (1993) RSU enfardado 8,6 a 14,1Richardson & Reynolds (1991)

RSU (sem relato sobre o grau de compacidade) 15,0

Zornberg et al. (1999) RSU (não cita o grau de compacidade)

10,0 a 15,0

2.4 Estimativas por simulações Kavazanjian et al. (1995) calcularam parâmetros de resistência ao cisalhamento de RSU por meio de análises em quatro aterros sanitários existentes nos EUA (Lopez Canyon, CA; OII, CA; Babylon, NY; Private Landfill, OH), utilizando as inclinações (h:v) médias encontradas, que variam de 1,9:1 a 2,5:1 e máximas de 1,2:1 a 1,7:1. Assumindo uma coesão de 5 kPa, estimaram ângulos de atrito

variando de 25 a 38º para os fatores de segurança mínimo de 1,0; 1,1 e 1,2. Como estes aterros têm permanecido estáveis, presume-se que os fatores de segurança são mais altos que os utilizados para a análise. 2.5 Geometria Usual de Projetos A geometria final dos taludes de um aterro sanitário deve oferecer uma conformação que proporcione um nível de risco mínimo para o entorno do aterro. Esta geometria está relacionada às condições de controle da estabilidade dos taludes, de drenagem interna de gases e de lixiviado, além dos critérios operacionais e construtivos, considerando, ainda, a grande deformabilidade do maciço de resíduos sólidos. Assim, a geometria definida usualmente em projetos preconiza a implantação de células de resíduos executadas em camadas de 5,0 m de altura, com taludes externos na inclinação máxima de 2:1 (h:v) e bermas intermediárias com 6,0 m de largura, que auxiliam o equilíbrio do maciço. 3 ANÁLISE DA ESTABILIDADE Para as análises da estabilidade de taludes de RSU, foi concebida a geometria usual de projetos, conforme descrita no Item 2.5, com altura total de 60 m. A análise da estabilidade de taludes foi realizada com o programa GGU-Stability da GGU-Software que realiza os cálculos de acordo com a Norma Alemã DIN 4084 (1981) e DIN 4084 (nova) (2000), que descrevem todos os fundamentos do cálculo detalhadamente. Nesta análise foi utilizado o método de fatias de Bishop, que tem superfície de ruptura circular, e que faz uma análise bidimensional utilizando a teoria de equilíbrio limite para calcular o fator de segurança (FS), baseado na seguinte equação:

∑ ∑+ϑ∑ ∑+

=M.senGr.

MTr.η

ii

Si (1)


3

Sendo:

( )[ ]iii

iiiiiii

.sentanη1cos

.bc.tan.b∆uuGTϑϕ+ϑ

+ϕ+−= (2)

De acordo com DIN 4084, onde: η - Fator de segurança do terreno ou da

estabilidade de talude; iG - Peso próprio da fatia em kN/m,

considerando o valor do peso unitário, incluindo as sobrecargas;

M - Momentos das cargas e forças, sem incluir iG , em torno do centro da superfície de escorregamento circular em kNm/m;

SM - Momentos em torno do centro da superfície de escorregamento circular em kNm/m, que não são considerados em iT ;

iT - Força tangencial resistente do solo na superfície de escorregamento circular para cada fatia em kN/m;

iϑ - Ângulo tangencial da fatia com relação à horizontal em graus;

r - Raio da superfície de escorregamento circular em m;

ib - Largura da fatia em m; iϕ - Ângulo de atrito em graus; ic - Coesão em kN/m2; iu - Poro-pressão em kN/m2, para a fatia

individual; i∆u - Poro-pressão para a fatia em kN/m2, como

resultado da consolidação do solo. Os parâmetros geotécnicos necessários para a análise de estabilidade de talude sem consideração do efeito de reforço das fibras, utilizando-se o GGU-Stability, são: ângulo de atrito interno, coesão e peso específico dos materiais envolvidos. A Tabela 3 apresenta os parâmetros, ângulo de atrito interno, coesão, e peso específico utilizados para a análise da estabilidade de taludes dos RSU. Foram escolhidos valores para a condição mais desfavorável à estabilidade dentre os valores

citados na literatura e o peso específico foi considerado de medianamente a bem compactado. Tabela 3. Parâmetros geotécnicos utilizados nas análises de estabilidade de taludes de aterros de RSU.

γ (kN/m2) c (kN/m2) φ (º) 8; 10; 12 1; 10; 20 10 - 24

Para a análise com o efeito de reforço conferido pelas fibras, considera-se uma ativação de um parâmetro, obtido com: um ângulo de tensão de tração (ζ), um fator de correção para a ativação das fibras (α) e a tensão de tração das fibras (zmax). A equação para a análise, neste caso, é dada por:

ϑ+ϕϑµϑζ++ϕ

=costan..sin

)(1,5.sin G.tan.bcG.tanT

GM

GMGM (3)

A Tabela 4 apresenta os valores recomendados por GDA R 2-35 (DGGT, 1997) e Collins et al. (1997). Para uma mistura homogênea (base e fibra), o fator de correção pode ser 1, no entanto o conhecimento sobre o comportamento dos resíduos é limitado, desta forma a ativação de 0,7 é recomendado por Kölsch (1996). Tabela 4. Parâmetros geotécnicos utilizados nas análises de estabilidade de taludes de aterros de RSU.

Material RSU RSU antigo φ (º) 25 30

c (kN/m2) 10 15 γ (kN/m2) 9 11

ζ (º) 35 20 α 0.7 – 1.0 0.7 – 1.0

zmax (kN/m2) 210 110 3 RESULTADOS Os resultados para a condição limite de segurança, extrapolando até 1.5, encontrados nas análises sem considerar o efeito de reforço das fibras estão apresentados na Tabela 5. Utilizando os mesmo valores da condição limite de segurança da estabilidade dos taludes, foi simulada a ativação das fibras, para RSU novo e antigo. Desta forma, foram obtidos os valores apresentados na Tabela 6. Observa-se


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que os fatores de segurança encontrados são bem mais elevados com a ativação das fibras. Tabela 5. Parâmetros de resistência ao cisalhamento dos RSU sem considerar o efeito das fibras.

φ (º) c (kN/m2) γ (kN/m2) FS 16 – 24 1 1.00 - 1.53 12 – 19 10 1.03 - 1.51 8 – 15 20

8 1.01 – 1.49

17 – 24 1 1.06 - 1.52 13 – 20 10 1.05 – 1.52 10 – 17 20

10 1.05 – 1.52

17 – 24 1 1.05 - 1.51 13 – 21 10 1.01 - 1.54 11 – 18 20

12 1.05 – 1.53

Tabela 6. Parâmetros de resistência ao cisalhamento dos RSU com ativação do efeito das fibras.

RSU

φ (º) c

(kN/m2

)

γ (kN/m2

) ζ (º) α

zmax (kN/m2

) FS

16 - 24 1 1.80 – 2.3212 - 19 10 1.94 – 2.438 - 15 20

8 35 0.7 210 1.97 – 2.47

17 – 24 1 1.84 – 2.3013 – 20 10 1.94 – 2.4310 – 17 20

10 35 0.7 210 1.97 – 2.48

17 – 24 1 1.83 – 2.2613 – 21 10 1.89 – 2.4411 – 18 20

12 35 0.7 210 1.89 – 2.46

RSU ANTIGO

φ (º) c

(kN/m2

)

γ (kN/m2

) ζ (º) α

zmax (kN/m2

) FS

16 - 24 1 1.43 -1.96 12 - 19 10 1.55 – 2.048 - 15 20

8 20 0.7 110 1.55 – 2.07

17 – 24 1 1.48 – 1.9413 – 20 10 1.55 – 2.0410 – 17 20

10 20 0.7 110 1.59 – 2.09

17 – 24 1 1.47 – 1.8913 – 21 10 1.51 – 2.0611 – 18 20

12 20 0.7 110 1.55 – 2.07

4 CONCLUSÕES A mecânica dos resíduos sólidos urbanos é melhor representada quando lhe é conferida a componente de reforço referente às fibras. A elevação dos fatores de segurança nas análises considerando o efeito das fibras é um indicativo de que a metodologia tradicional de cálculo da mecânica dos solos, comumente utilizada para as análises dos RSU, subestima

consideravelmente a real situação. A grande variabilidade dos valores encontrados na literatura é resultado de uma combinação de fatores, que vão desde composição, clima e operação do aterro à falta de uma metodologia eficaz para a caracterização da resistência dos RSU. É importante ressaltar que neste trabalho foi considerada apenas a resistência dos resíduos, sem levar em conta a capacidade de carga do terreno. No entanto, para efeito de projeto, é necessário se verificar o potencial de ruptura da fundação do aterro para cada caso. Esta pesquisa se encontra em fase de andamento e deve possibilitar conclusões definitivas. REFERÊNCIAS Borgatto, A.V. A. (2006). Estudo do Efeito Fibra e da

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