SOLOS MOLES REFORÇADOS COM ESTACAS DE AREIA: do experimento ao canteiro de obra. Ney Augusto Nascimento, Ph.D. UFPR-PPGCC/CESEC, Curitiba, Brasil, neyan@ufpr.br José Luiz Gonçalves Brandi, M.Sc. UTFPR-DACOC, Curitiba, Brasil, joseluizbrandi@gmail.com RESUMO: A ocorrência de perfis geotécnicos com solos moles é muito comum, tornando-se preocupantes a medida que utilizações civis as mais diversas acontecem nesses terrenos e, inúmeras vezes, causam problemas de suporte e recalque. Partindo-se de dados da literatura e baseando-se em dois protótipos construídos para tal, foi desenvolvida pesquisa visando avaliar o desempenho de radiers em solo mole, típico da cidade de Curitiba. Um desses foi construído diretamente sobre o perfil de subsolo fraco e o outro sobre o mesmo perfil, porém reforçado com estacas de areia. Após carregamento e acompanhamento de recalques por alguns meses, analisou-se a diferença de desempenho dos dois, com significativa vantagem ao que foi executado sobre o solo reforçado. Posteriormente, os resultados assim obtidos foram extrapolados para justificar soluções de reforço similares em obras reais, aqui relatadas como exemplos de aplicação da pesquisa. Tanto nessa quanto nas obras propriamente ditas, pretendeu-se manter a solução de reforço do subsolo próxima da ideal, ou seja, simples, fácil de executar e com baixo custo. PALAVRAS-CHAVE: Fundação, Reforço, Recalques. 1 INTRODUÇÃO A Região Metropolitana de Curitiba caracteriza-se pela altitude elevada, cerca de 900 metros acima do nível do mar, pela latitude 25°25’ Sul, condição essa que lhe confere clima predominantemente ameno ou frio, e pela considerável heterogeneidade geológico-geotécnica. Localizada no Primeiro Planalto do Paraná, é cortada por diversos rios e córregos, parte da bacia hidrográfica mor do Rio Iguaçu, que deságua a cerca de 700 km a Oeste no Rio Paraná, formando imediatamente antes as famosas Cataratas do Iguaçu. No Município de Curitiba ocorrem inúmeras áreas de materiais naturais recentes, depósitos inconsolidados heterogêneos, muitas vezes orgânicos, de má qualidade geotécnica (baixo suporte e alta compressibilidade). O embasamento é ora de rochas alteradas diversas (migmatito, gnaiss, granito), ora de argila siltosa ou silte argiloso de boa consistência/compacidade (Mineropar, 2006), neste último caso tipicamente da Formação Guabirotuba, sobre a qual tais depósitos fluviais

ocorrem. A Formação Guabirotuba é o elemento geológico mais característico de Curitiba, na qual muitas obras geotécnicas são projetadas e executadas. Tem algumas peculiaridades, tais quais gênese ligada a ciclos de molhagem e secagem, alta razão de sobreadensamento, expansão e instabilidade à exposição não confinada (Kormann, Nascimento e Chamecki, 1999). Em segundo plano, provavelmente, aparecem os depósitos de argilas moles, daí o interesse em estudá-los com tanto detalhamento. Há inúmeros casos em que ambas se fazem presentes, como por exemplo, no vale do Rio Irai, área Leste da cidade, definida pela argila mole ou muito mole depositada sobre o Guabirotuba. Num desses fundos de vale, do Rio Belém – campus da PUCPR, que corta a parte central da cidade, foi desenvolvido projeto de dissertação de mestrado do PPGCC-UFPR (Brandi, 2004) mediante a execução de dois radiers de fundação direta. Carregamentos graduais e contínuo acompanhamento dos recalques, a partir de referência de nível indeslocável, (NBR 9061), foram feitos durante alguns meses. Para um dos radiers superficiais

utilizou-se o terreno argiloso mole no seu estado natural (Figura 1) e, para o outro, foram executadas estacas curtas de areia como reforço do subleito.

Figura 1 – Perfil típico de sondagem SPT Tal sistemática de melhoria do perfil geotécnico existente vem sendo aplicada há muito tempo. Na região Nordeste do Brasil, por exemplo, comumente se melhora a qualidade de perfis litorâneos arenosos de baixa compacidade com a inserção de estacas de compactação (Soares, 2002). Em função da existência de muitas áreas argilosas, procurou-se expandir a técnica a esses perfis comuns na cidade de Curitiba. A intenção foi executar protótipos e tentar entender o comportamento de estruturas de fundação direta para habitações de interesse social, tendo sido aplicada tensão máxima de contato radier x solo da ordem de 15kPa. Saliente-se que modelo computacional foi também aplicado (Brandi, 2006) e os resultados dessas avaliações e das medidas in situ foram comparados e discutidos. 2 ELEMENTOS BÁSICOS DA PESQUISA Aspectos construtivos e resultados dessa, anteriormente publicados no Geosul (2004), Ground Improvement Tecnhiques (2005) e Cobramseg (2006) estão resumidamente apresentados a seguir.

Uma vez definido o sítio experimental e construídos dois radiers lisos e adjacentes, com áreas de 16m2 e espessuras de 8cm cada (Figuras 2 e 3), esses foram carregados gradualmente e tiveram seus recalques totais medidos a partir do monitoramento topográfico de precisão realizado nos pinos de controle previamente instalados (Figura 4). Para o radier apoiado sobre o solo reforçado, estabeleceu-se um índice de área próximo a 5%, tendo sido executadas 25 estacas de areia com 20cm de diâmetro e 1m de comprimento.

Figura 2 – Planta do radier

Figura 3 – Seção transversal do radier

Figura 4 – Detalhe do pino de monitoramento O carregamento uniformemente distribuído aplicado aos radiers (Figura 5) serviu tanto de referência para os valores dos recalques medidos topograficamente quanto para os calculados através da modelagem computacional (Tabela 1).

Figura 5 – Carregamento uniforme (14,71 kN/m2) Tabela 1 - Recalques em milímetros

Carregamento Pressão uniforme: 14,71 kN/m2 Radiers Radier 12 Radier 23

Pino Posição Topog. MEF1 Topog. MEF P1 canto 3,0 2,5 1,2 1,1 P2 meio 2,6 2,6 1,5 1,2 P3 canto 2,6 2,5 1,0 1,1 P4 meio 1,4 2,6 1,2 1,2 P5 canto 2,1 2,5 1,5 1,1 P6 meio 2,2 2,6 0,4 1,2 P7 canto 2,7 2,5 1,3 1,1 P8 meio 2,1 2,6 0,4 1,2 P9 centro 1,6 2,6 0,9 1,2 Δhm

4 (mm) 2,26 2,56 1,04 1,16 kvm

5 (MPa/m) 6,50 5,75 14,10 12,68 1Método dos elementos finitos, 2Sobre solo natural, 3Sobre solo reforçado, 4Recalque médio, 5Coeficiente médio de reação vertical em modelo elástico linear.

As curvas dos recalques medidos na diagonal e obtidos através da simulação numérica (Kany et al., 2002) estão indicadas na Figura 6.

Pressão uniforme: 14,71 kN/m2

P9 P5

P1

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

Rec

alqu

es -

mm

Radier 1: solo natural Radier 2: solo reforçado MEF

Figura 6 – Perfil diagonal dos recalques Note-se que, apesar dos valores de pequena monta obtidos para recalques, houve uma significativa diferença a favor do caso de solo reforçado com as estacas curtas de areia. 3 APLICAÇÕES EM OBRAS Em face da presença de solo mole no sítio experimental, a idéia da realização das colunas de areia manualmente compactadas e regularmente distribuídas sob o radier 2, foi a de incorporar ao subsolo material mais resistente e menos compressível, numa tentativa de melhorá-lo em suas propriedades geomecânicas. Minette et al. (1994) afirmam que “...a substituição parcial do solo natural pela introdução em pontos localizados de volumes de materiais granulares, reduz sobremaneira os recalques e aumenta consideravelmente a capacidade de carga do maciço tratado.” Baseando-se, assim, tanto nos dados da literatura quanto nas informações obtidas nesse projeto de pesquisa, algumas obras recentes serviram para a aplicação dessa técnica de reforço. Os cinco casos, aqui sumariamente relatados em seus aspectos gerais, referem-se a estruturas superficiais, reservação e tratamento, sobre perfis geotécnicos argilosos de baixa consistência, ocasionalmente saturados. Procurou-se concentrar o reforço, qual sejam as estacas de areia, na parte mais superficial e fraca do terreno, comparativamente ao que foi feito nos protótipos.

Caso 1 - Reservatório de água de 30m3 em Dorizon/PR: Local topograficamente baixo, em solo predominantemente argiloso orgânico desde o nível do terreno. Apoio do radier de fundação direta superficial, executado próximo ao poço de captação do Rio Claro, reforçado pela incorporação de 42 estacas de areia, com 20cm de diâmetro e 2m de comprimento cada, definindo um índice de área na ordem de 4,8% (Figura 7). A pressão normal máxima aplicada pelo radier é de 60kPa. Nas tabelas 2 e 3 estão apresentados os valores provenientes da parametrização geotécnica. Obra projetada e no aguardo da execução.

Figura 7 – Disposição das estacas de areia Tabela 2 – Parâmetros de caracterização

γnat hnat S δ e0 (kN/m3) (%) (%) *-* *-*

16,07 51,04 91,40 2,63 1,479 Tabela 3 – Parâmetros geomecânicos

RCS c φ Cc σpa (kPa) (kPa) (º) *-* (kPa)

39 10 30 0,53 120 Caso 2 - Reservatório de água de 2.000m3 em Joinville/SC: Local alto, no topo de morro, onde já houve outra edificação semelhante, porém de menor porte, desativada e demolida. O subsolo é de baixa qualidade geotécnica nos primeiros

metros de profundidade. Por esta razão, temendo-se em especial possíveis recalques exagerados, decidiu-se por apoio do radier de fundação direta superficial reforçado pela incorporação de 220 estacas de areia, com 30cm de diâmetro e 5m de comprimento cada, definindo um índice de área de 5%. Para este caso o pessoal de campo utilizou equipamento de trado mecânico adaptado em trator (Figura 8) e soquete manual para compactar a areia, com um desempenho executivo aceitável conforme observado in loco por um dos autores (Figura 9). Obra de melhoria do perfil geotécnico executada recentemente com estrutura do reservatório em construção. Apesar de alguma reação inicial da proprietária ao método, aparentemente a sistemática acabou sendo bem aceita.

Figura 8 – Escavação para preenchimento com areia

Figura 9 – Execução da estaca de areia

Caso 3 - Base de tanques e tubulações na ampliação da ETE Atuba Sul em Curitiba/PR: Local próximo a rio, com solo mole saturado. Apoio do radier superficial de fundação dos tanques reforçado com a incorporação de 140 estacas de areia, com 30cm de diâmetro e 4m de comprimento cada, definindo um índice de área de 5%. Neste caso, utilizou-se equipamento de estacas tipo Strauss (Figura 10), com revestimento recuperável, tendo-se compactado a areia com o soquete e, provavelmente, obtido geometria e estado do material granular mais favoráveis (Figura 11), apesar da presença de água. Obra geotécnica executada recentemente com estrutura em andamento.

Figura 10 – Execução da estaca de areia com “Strauss”

Figura 11 – Estaca de areia em execução Caso 4 - EEE Latreille em Dois Vizinhos/PR: Local topograficamente baixo e próximo ao Rio Dois Vizinhos, com espessuras de argila muito mole, parcialmente saturada, variando entre 3m e 5m. Apoios dos radiers de fundação direta

subsuperficial reforçados pela incorporação 131 de estacas de areia, com 25cm de diâmetro, comprimentos entre 1m e 1,5m e índices de área variando entre 15% e 20% (Figura 12). O aumento desses índices em relação à pesquisa original, em torno de 5%, justifica-se pela sensibilidade das estruturas aos recalques diferenciais, de forma especial decorrentes das interligações e níveis de apoio ligeiramente diferentes. Dessa maneira, procurou-se minorar com segurança adicional os efeitos nocivos desses recalques, nomeadamente nas estruturas interligadas e referentes ao barrilete, sistema de entrada, poço de sucção e reservatório de acumulação.

Figura 12 – Disposição parcial das estacas de areia Os parâmetros provenientes dos ensaios de caracterização geotécnica do solo estão apresentados nas Tabelas 4 e 5. Obra projetada e no aguardo da execução. Tabela 4 – Parâmetros de caracterização

γnat δ hnat SR LL IP e0 (kN/m3) *-* (%) (%) (%) (%) *-*

15 2,8 45 67 62 25 1,88 Tabela 5 – Parâmetros geomecânicos

c φ σpa Cc Cv Ic (kPa) (º) (kPa) *-* (cm2/s) (%) 0,0 28 70 0,54 2,34x10-2 0,8

Caso 5 - EEE Capivara em Londrina/PR: Local topograficamente íngreme e próximo ao Córrego Capivara, com espessuras de argila mole e muito mole, variando entre 1,5m e 4,5m sob o nível de assentamento das estruturas. Para o reservatório de acumulação (RAC), com área de 463m2, o subsolo para apoio do radier de fundação direta subsuperficial será reforçado parcialmente, numa área de 364m2, pela incorporação 349 de estacas de areia/cimento, executadas no sistema “Strauss”, com 25cm de diâmetro, 2,5m de comprimento, índice de área e teor de cimento próximos a 5% (Figura 13). Refere-se ao reforço como parcial até onde os alívios coincidem com a pressão aplicada.

Figura 13 – Disposição das colunas de areia

As condições especiais para a proposição da presente técnica de reforço devem-se, essencialmente, à sensibilidade das estruturas interligadas aos recalques diferenciais, ao acréscimo da pressão efetiva existente na camada compressível, à pressão de pré-adensamento pouco maior do que a pressão efetiva “in situ” e aos valores relativamente altos para os coeficientes de compressibilidade e adensamento. Nesse sentido, e com a finalidade de reduzir o efeito “dreno” da areia, propõe-se a sua mistura com cimento visto que, como

aglomerante hidráulico, terá sua cura bem desenvolvida na presença da água existente, logo após o nível de assentamento da estrutura. Os parâmetros provenientes dos ensaios de caracterização geotécnica do solo, realizados em amostra coletada ligeiramente acima do nível de água “in situ”, estão apresentados nas Tabelas 6 e 7. Obra em fase de projeto e passível de sofrer alterações tanto na solução qualitativa quanto quantitativa proposta no presente momento. Tabela 6 – Parâmetros de caracterização

γnat δ hnat SR LL IP e0 (kN/m3) *-* (%) (%) (%) (%) *-*

15,33 2,75 45,5 80,15 63,32 27,19 1,56 Tabela 7 – Parâmetros geomecânicos

c φ σpa Cc Cv av (kPa) (º) (kPa) *-* (cm2/s) (cm2/kg)

17 27 46 0,46 1,0x10-3 0,25 4 SUGESTÕES E RECOMENDAÇÕES

Sugere-se que projetos dessa natureza sejam concebidos e implementados como mais uma alternativa de solução geotécnica para perfis de subsolo potencialmente problemáticos. Além disso, que sejam realizadas parametrizações geomecânicas consistentes, através de ensaios de campo e laboratório, para posteriores utilizações em modelagens computacionais, nas mais diferentes e possíveis situações. Recomenda-se, ainda, que haja monitoramento das estruturas, ao menos durante os seus primeiros meses de operação, o que poderá validar a solução aqui apregoada e oferecer mais subsídios para aplicações futuras. Tipicamente, controle de recalques via leituras topográficas de precisão a partir de bench-mark é altamente desejável. Dessa forma, validação adicional poderá ser feita e tranqüilizar tanto projetistas quanto executores e gestores de obras, relativamente à eficácia do método. 5 CONCLUSÕES A transposição do experimento à obra, teoricamente e de maneira geral, justifica-se para tipos semelhantes e níveis de carregamento da mesma ordem de grandeza.

Dos protótipos testados à aplicação das conclusões em projetos e obras, há sempre algumas diferenças, dentre as quais se destaca o fator escala. Daí a importância de ser monitorada a solução “real”, desde o final da obra até as primeiras semanas de funcionamento regular, com a estrutura em carga. Nesse sentido, nossa recente experiência em obras regionais de maior porte certamente será ou não confirmada como bem sucedida ao longo do tempo, observando-se o desempenho das estruturas (NBR 6122). Os exemplos citados encontram-se atualmente em projeto, em fase final de execução ou em início de testes, e os primeiros resultados com as edificações em carga, deverão ser conhecidos dentro de um a dois anos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem os responsáveis pelos projetos e obras citados, por não terem se oposto à publicação de alguns detalhes dos mesmos. O reconhecimento à Sanepar – Companhia de Saneamento do Paraná, Technisch’en Tecnologia em Engenharia, Solotécnica Sociedade Civil Ltda e Consórcio Paraná San, fica aqui expresso e ressaltado. REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR9061 (1985). Segurança de escavação a céu aberto. Rio de Janeiro. Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR6122 (1996). Projeto e execução de fundações. Rio de Janeiro. Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR6484 (2001). Solo – Sondagens de simples reconhecimento com SPT – Método de ensaio. Rio de Janeiro. Brandi, J. L. G. (2004). Previsibilidade e controle de recalques em radiers sobre solo mole. Curitiba. 161 p. Dissertação de Mestrado em Construção Civil, Setor de Tecnologia, PPGCC, Universidade Federal do Paraná, UFPR. Brandi, J. L. G. (2008). Relatório técnico - Sanepar: Projeto geotécnico para implantação da EEE Latreille em DoisVizinhos/PR. Brandi, J. L. G. (2008). Relatório técnico - Sanepar: Projeto geotécnico para implantação da EEE Capivara em Londrina/PR. Brandi, J. L. G.; Nascimento, N. A. (2004)

Comportamento de radier sobre solo mole – modelagem computacional. IV Simpósio sobre a Prática da Engenharia Geotécnica na Região Sul, GEOSUL, Maio, 20 a 22, Curitiba, Brasil. Brandi, J. L. G.; Nascimento, N. A. (2006). Simulação numérica computacional e desempenho de radiers sobre argila mole. XIII Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Agosto, 27 a 31, Curitiba. Kany, M. et al. (2002). ELPLA 8.0: Analisys of slab foundation. Zindorf. Germany. Kormann, A.; Nascimento, N. A.; Chamecki, P. R. (1999). Características Geotécnicas da Formação Guabirotuba. ABMS/NRPSC e UFPR. Mineropar (2006). Governo do Estado do Paraná, folha de Curitiba, escala 1:250.000. Minete, E. et al. (1994). Estacas granulares em solos moles: uma verificação in situ. Solos e Rochas, São Paulo, v. 17, n. 1, p. 57-63. Nascimento, N. A.; Brandi, J. L. (2005) Clay soil reinforcement for a superficial mat foundation. 6th International Conference on Ground Improvement Techniques, 18-19 July, Coimbra. Nascimento, N. A. (2008). Relatório técnico - Sanepar: Fundação para reservatório de água em Dorizon/PR. Nascimento, N. A. (2008). Relatório técnico - Sanepar: Fundação para base de tanques da ETE Atuba Sul em Curitiba/PR. Nascimento, N. A. (2008). Relatório técnico – Technisch’em Tecnologia em Engenharia: Fundação para reservatório de água em Joinville/SC. Soares, W. C. (2002). Estacas de compactação para melhoria de solo. São Carlos, 133 p. Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, USP.