Solução Geotécnica para Tratamento do Solo de Fundação na Crítica Zona Portuária de Manaus, AM.

Transcrição

1 Solução Geotécnica para Tratamento do Solo de Fundação na Crítica Zona Portuária de Manaus, AM. Eng. M.Sc. Joaquim Rodrigues - Geotecnia Engegraut Geotecnia e Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, joaquim@engegraut.com.br RESUMO: O conhecimento da estabilidade dos aterros/taludes na zona portuária de Manaus, AM, seria viável se fosse possível determinar a real geometria dos taludes ribeirinhos e, principalmente, as verdadeiras condições dos aterros que geram enormes fontes de incertezas e histórico de rupturas, além do fenômeno das terras caídas. Análises computacionais e tabelas permitiriam ao Eng Geotécnico refinar soluções, para estas críticas áreas, em duas ou três dimensões. Este documento descreve a execução de serviços de reforço do solo de fundação com CPR, Consolidação Profunda Radial, em extensa área portuária de Manaus, sujeita ao conhecido histórico de rupturas catastróficas provocadas, inicialmente, pelo fenômeno das terras caídas e agravado pelos subsequentes aterros na região portuária ribeirinha. A elevação da cota do Rio Negro, a alturas de até 15m e o rápido esvaziamento no período de 6 meses é a causa de todos os problemas. A extensão da intervenção atinge mais de 1km, em uma área e aproximadamente m 2, com profundidade de tratamento de 30m. Cinco situações chamam a atenção neste documento. As condições do solo de fundação com fartas características geotécnicas de rupturas desconhecidas, o projeto do reforço do solo com CPR que, basicamente, objetivou reduzir/neutralizar as forças atuantes e aumentar as forças resistentes, as dificuldades pertinentes à execução dos serviços, função das heterogeneidades dos aterros superpostos a profundas camadas de solo mole, junto à margem do Rio Negro, a instabilidade presente função das tensões provocadas no solo pela intervenção e, por último, as particularidades da certificação do reforço do solo. PALAVRAS-CHAVE: Rápido esvaziamento, bulbos de compressão, pressiômetro, terras caídas, consolidação. 1 INTRODUÇÃO Diversas técnicas de reforço de solo tem sido aplicadas na zona portuária ribeirinha de Manaus (figura 1), caracterizada por sucessivos aterros e taludes com diferentes características. Poucas técnicas, no entanto, tem conseguido sucesso frente ao enorme desafio geotécnico proposto pelas condições locais, caracterizadas por antigos planos de ruptura presentes nos aterros e, principalmente, pelo cíclico fenômeno do rápido esvaziamento das águas do Rio Negro (figura 2). As condições geológicas e geotécnicas da região portuária são completamente afetadas pelos sucessivos aterros executados, seguidos de consequentes e repetidas rupturas. A opção pelo CPR foi justificada pelas sucessivas rupturas ocorridas, principalmente nos meses de setembro e outubro, em regiões anteriormente tratadas com outras tecnologias, sem sucesso, quando o Rio Negro chega a sua cota mais baixa. A figura 3 mostra a execução dos serviços CPR na área portuária de Manaus. Figura 1. Vista panorâmica da região portuária de Manaus.

2 Figura 2. Situação de ruptura típica da região portuária de Manaus. Figura 3. Serviços de CPR sendo executados em região pós-ruptura. A moderna tecnologia do CPR Grouting é específica para tratamento de solos moles, e tem como base geotécnica a consolidação do solo, assentada na teoria da expansão de cavidades, e com a particularidade da não geração de resíduos. O CPR é a principal tecnologia de melhoramento de solos hoje no Brasil, com eficiência média de 95%, extremamente rápida em sua execução, particularmente para estradas, aeroportos, ferrovias e áreas portuárias e industriais. 2 CONDIÇÕES DO SOLO NA ÁREA PORTUÁRIA Toda a extensão portuária foi motivo de várias campanhas de sondagens SPT, que deu como característica variações de areia argilosa ou argila muito mole, variando de 2 a 15 golpes, com camadas resistentes de argila / areia média e grossa argilosa até 30m de profundidade. A figura 4 apresenta sondagens típicas do tipo de solo apresentado na região portuária analisada. Figura 4. Sondagens SPT, que caracterizam o solo de fundação da região portuária de Manaus.

3 De forma característica, em toda a extensão da área portuária, há predominância de cerca de 3 a 7m de aterro com pedregulhos, restos de construção, etc. Nas regiões planas, pavimento de concreto executado sobre camada de base de brita e sub-base de rachão com cerca de 1m de espessura. Nas regiões de taludes e ribeirinhas, denominadas "praias", há presença de aterro arenoso com restos de construção. Não há maiores informações sobre as propriedades geotécnicas do solo mole. A resistência ao cisalhamento não drenada, ao longo dos 30m de profundidade, obtida com sondagens pressiométricas de certificação do CPR, antes do tratamento, variava de 2kPa a 20kPa. O nível do Rio Negro, apresenta variação de vasante de cerca de 15m, entre os meses de junho a novembro e, de forma característica, as rupturas ocorrem nos meses de setembro e outubro, caracterizando o fenômeno das terras caídas. 3 OS TRABALHOS DE REFORÇO DO SOLO DE FUNDAÇÃO NA REGIÃO PORTUÁRIA O histórico de rupturas e deformações, associado ao risco permanente de instabilidade na região portuária de Manaus exige serviços de reforço de solo, preferencialmente, com base em seu adensamento de forma ativa. A solução adotada para essa região foi o CPR. A execução dos serviços CPR está mostrada na figura 5. Figura 5. Panorama dos serviços CPR na Zona Portuária, pós-ruptura. Na figura 6, apresenta-se um detalhe do projeto. Figura 6. Detalhamento básico do tratamento CPR na Zona Portuária. O projeto CPR desenvolvido procurou alcançar ao máximo os seguintes parâmetros: Acesso as propriedades e o comportamento geomecânico da área portuária (análise pressiométrica). O mecanismo e a tipologia do histórico de rupturas, incluindo a velocidade, as direções dos movimentos e as geometrias das rupturas. Os fatores geológicos, hidrológicos, a magnitude e as dimensões influentes na instabilidade da região, e que motivam os permanentes estados de ruptura. Os níveis freáticos, as pressões da água na extensão em questão, além da permeabilidade através das sondagens SPT existentes. Os fatores ambientais e o histórico da ação humana no local. A premência da intervenção A futura modificação da geometria dos taludes, o processo de drenagem consequente e, por fim: O projeto CPR, sua adequabilidade, função do reforço do solo e antigos planos/superfícies de ruptura, culminando com a estruturação do solo de fundação, com aumento significativo de sua rigidez. Até o presente momento, em 3 anos de serviço, a área de tratamento atingiu m 2, contando-se áreas planas de armazenagem com pavimento rígido e áreas de taludes, além de "praias", totalizando cerca de verticais de geodrenos cravados e cerca de verticais com bulbos de compressão e adensamento do solo, todos com aproximadamente 30m de profundidade. As figuras 7, 8 e 9 apresentam a sequência de serviços realizados na execução da solução CPR.

4 Figura 7. Trabalhos de pré-furo, com ar comprimido, até a profundidade de 30m, seguido da posterior formação de bulbos de compressão do solo de modo a adensá-lo. A malha de geodrenos projetada foi de 1,50m x 1,50m em triângulo e a malha de verticais com bulbos de compressão e adensamento, de 3m x 3m, também em triângulo. Como pode-se observar, pelo projeto abaixo (figura 10), o tratamento CPR abrange a retroárea portuária além da região das praias, onde é feito, a seguir, um muro. A sequência executiva de formação das colunas de compressão e adensamento, calculada de forma a provocar o mínimo de tensões no solo, de modo a não induzir rupturas, particularmente nos meses de vasante máxima, foi feito com total sucesso. Figura 10. Projeto básico de reforço do solo de fundação, com CPR, na Zona Portuária, abrangendo 2 segmentos de tratamento, onde o segundo segmento serve de suporte a um muro de contenção com cerca de 8m de altura. 4 Figura 8. Serviços de pré-furo na região das "praias" do porto. A CAUSA DE TODO O PROBLEMA: O FENÔMENO DO RÁPIDO ESVAZIAMENTO DO RIO NEGRO O fenômeno do rápido esvaziamento, crítico nesta região do Amazonas, e causa de todos os problemas de ruptura, se apresenta de 3 maneiras distintas, conforme condições climáticas e a condição do solo nas regiões ribeirinhas (figura 11): Figura 9. Área portuária tratada com CPR e com muro gabião com cerca de 8m de altura definindo o novo cais. Notar que o nível do rio está em sua cota máxima e o aterro apenas aguardando a base granular para assentamento do piso de concreto. Figura 11. As três modalidades de esvaziamento do Rio Negro ao longo da região portuária, de acordo com o tipo de aterro empregado.

5 Na condição lento e completo, a situação do fluxo e da poropressão ficam ambas equilibradas (condição hidrostática). Na condição rápido e completo o solo, tipicamente aterros argilosos compactados, funciona como não drenado, o NA permanece na condição inicial superior, em grande parte do período de esvaziamento. Para a condição transiente, a superfície do NA é curvilínea dentro do maciço, dependente da velocidade de esvaziamento do Rio Negro e, principalmente das propriedades do solo (aterro), assim como sua condutividade hidráulica, porosidade, etc. Consequentemente, a poropressão remanescente no maciço é do tipo transiente, ou seja, varia com o tempo e com a capacidade dos aterros reterem a água. O fenômeno do rápido esvaziamento do Rio Negro, descendo cerca de 15m de altura em apenas 6 meses, talvez seja a mais severa condição a que um talude pode se submeter, razão do conhecido fenômeno das "terras caídas" em toda a região amazônica. Durante o esvaziamento rápido do Rio Negro, que pode chegar a cerca de 15cm por dia, perde-se o efeito estabilizante da água na região superior dos taludes e piers das áreas portuárias, permanecendo alta a poropressão no interior dos maciços portuários. O resultado é a redução da estabilidade desses maciços e taludes, seguido de processos de ruptura. A variação das características do aterro, ao longo dos anos em toda a extensão portuária, é crítica e influencia enormemente a dissipação da poropressão. Aterros arenosos drenam rápido durante o esvaziamento do Rio, já aterros argilosos confinam a água, fazendo com que a descida da superfície piezométrica não acompanhe a do nível da água livre do Rio, causando rupturas repentinas de toda a massa de aterros, taludes e "praias" da região portuária. A figura 12 mostra a situação de cheia em aterros argilosos. Já, na figura 13, é mostrada a execução do CPR. Figura 13. Os serviços de reforço CPR neutralizam a compressibilidade do solo e a ação piezométrica, restituindo a segurança necessária. 5 A grande extensão portuária e os frequentes e históricos problemas de ruptura de seus maciços (figura 14) fazem com que se tomem medidas de segurança apropriadas, através da instalação de considerável quantidade de inclinômetros, de modo a se monitorar a resposta do solo ao tratamento CPR, ao longo da profundidade, frente ao nível de tensões aplicado a cada metro de profundidade, através da formação de bulbos de compressão e adensamento do solo, via teoria da expansão de cavidades, em meio drenante artificial. Figura 14. Processo de ruptura, na região portuária, com perda considerável de bens e até vidas. 6 Figura 12. Nível piezométrico alto quando da cheia do Rio Negro. O CONVÍVIO COM A PERMANENTE POSSIBILIDADE DE RUPTURA A CERTIFICAÇÃO DOS SERVIÇOS DE CPR Melhoramento ou reforço de solos moles é a modificação de suas características, de modo a atender a performances desejadas, seja de forma localizada ou ao longo de grandes áreas. A tecnologia CPR de tratamento de solos moles

6 baseia-se na teoria da consolidação do solo, ou seja, induzindo-o a perder água e volume de modo a modificar sua resistência e, consequentemente, adicionando rigidez. A estratégia de compressão do solo baseia-se na teoria de expansão de cavidades, que possibilita atuar ao longo de toda a profundidade do depósito de solo mole. O modelo de tratamento CPR pode ser explicado pela célula unitária composta por quatro bulbos de compressão e adensamento, realizados via expansão de cavidades, que acabam por isolar um bulbo de solo em seu centro, comprimindo-o, confinando-o e consolidando-o (figura 15). Assim, todo o serviço CPR é aferido antes e depois com análises pressiométricas que, basicamente, utiliza sonda cilíndrica inflável, posicionada a diversas profundidades. O pressiômetro utiliza unidade de controle hidráulico para carregar a sonda, monitorando a resposta do solo na profundidade ensaiada. As figuras 16 e 17 mostram essas análises sendo executadas. Figura 16. Análise pressiométrica executada na "praia" da Zona Portuária Figura 15. Célula unitária representativa do CPR (Almeida e Marques, 2010). Desta forma, naturalmente torna-se obrigatório analisar esta célula através de testes que privilegiam a deformação, com ensaio pressiométrico, que possibilitará analisar todo o contexto da célula unitária, ou seja, o solo compósito, através da mesma teoria da expansão de cavidades. Equivocadamente, ensaios tipo SPT e CPT, que privilegiam a ruptura, não conseguem analisar de maneira completa a célula unitária do CPR. A presença crescente de material argiloso/siltoso afeta a investigação do grau de reforço obtido, particularmente com relação a resistência de ponta do CPT, que é relativamente insensível como medidor de incrementos de resistência e rigidez, conforme pesquisa de Campanella et al (1982). Figura 17. Análise pressiométrica executada na área pavimentada da Zona Portuária Os dados coletados de cada ensaio são utilizados para determinar a pressão limite, que calcula a capacidade de carga do solo e o módulo pressiométrico, que informa o nível de rigidez obtido, além da resistência ao cisalhamento. Piezômetros de cordas vibrantes, instalados na área portuária, monitoram o excesso de poropressão, parâmetro crítico durante o processo de formação dos bulbos de compressão do solo, informando se a dissipação ocorria rápida o suficiente. Todas as áreas tratadas, bem identificadas, foram submetidas a análises pressiométricas antes

7 e após o tratamento CPR de maneira a certificálas. A distribuição dos ensaios varia de acordo com o tamanho da área, obedecendo-se diretrizes normativas inerentes. Os resultados, apresentados na tabela 1, dão uma ideia exata do nível de melhoramento/reforço imposto ao solo de fundação, ao longo de toda a profundidade tratada, onde se observam mudanças de densidade e do regime de tensões, que interferem e alteram o histórico de tensões das camadas de solo pouco competentes. Tabela 1. Resultados de Ensaios Pressiométricos: planilha com valores pressiométricos típicos obtidos pré e pós CPR. Prof PL PL* G Su h,o Item Ensaio DATA Es (kpa) Condição (m) (kpa) (kpa) (kpa) (kpa) (kpa) 1 PMT01_Pré 3,0 115,0 28,4 86,7 696,00 0,40 248,6 23,4 2 PMT01_Pré 5,0 190,0 47,3 142, ,00 0,40 711,4 34,1 30-jan-13 Pré-CPR 3 PMT01_Pré 7,0 245,0 66,2 178, ,00 0,40 705,0 41,3 4 PMT01_Pré 9,0 180,0 85,1 95, ,00 0,40 361,8 32,7 5 PMT02_Pós 5,0 427,3 47, ,00 0,40 605,4 55,1 6 PMT02_Pós 7,0 31-jan ,2 66, ,00 0,40 886,4 59,6 Pós-CPR 7 PMT02_Pós 9,0 561,5 85, ,00 0,40 823,6 54,5 14 PMT05_Pré 3,0 145,0 28,4 116, ,00 0,40 358,2 27,8 15 PMT05_Pré 5,0 141,0 47,3 93,8 820,00 0,40 292,9 27,3 03-fev-13 Pré-CPR 16 PMT05_Pré 7,0 151,0 66,2 84,9 550,00 0,40 196,4 28,7 17 PMT05_Pré 9,0 210,0 85,1 125,0 927,00 0,40 331,1 36,8 18 PMT06_Pós 2,0 57,9 18,9 390, ,00 0,40 87,9 21,7 19 PMT06_Pós 9,0 12-abr ,1 85,1 410, ,00 0,40 812,5 62,9 Pós-CPR 20 PMT06_Pós 11, ,0 802, ,00 0, ,9 177,3 Os ensaios pressiométricos indicam, também, um aumento na rigidez do solo, assim como em sua resistência ao cisalhamento. Jamiolkowski e Pasqualini (1992) informam que a rigidez obtida em solos melhorados incide diretamente no grau de sobreadensamento, mais do que qualquer aumento de densidade. A instalação de inclinômetros e placas de recalques em toda região portuária tratada, nestes três anos, posicionam pelo total sucesso do reforço de solo com CPR. A tabela 2 apresenta valores de referência de pressão limite e módulo de elasticidade de acordo com a classificação do solo. Tabela 2. Tabela de referência (Briaud, 1992). Tipo de Solo Pressão Módulo limite líquida Presiométrico PL* (kpa) Em (kpa) Argila mole Argila média Argila rija Argila muito rija Argila dura > > Areia fofa Areia medianamente compacta Areia compacta Areiam muito > > compacta

8 Tabela 3. Módulo Pressiométrico Equivalente: O módulo de elasticidade equivalente (Geq), estabelece relação entre os módulos das colunas do solo tratado (Gs), e das colunas de Geogrout (Gg). Esta relação é representada por uma média ponderada entre as áreas de solo tratado e de colunas de Geogrout. A média de resultados obtidos com ensaio pressiométrico foi: % da Área Média de Módulos unitária (valor médio) (m²) Gs,antes = 900 kpa ****** Gs,depois = kpa 80,3 % Gg = kpa 19,7 % Geq 100% Nota: O valor de Gg é obtido em laboratório, e é padrão do CPR. conhecimento dos parâmetros de resistência, rigidez, distribuição da poropressão, experiência acumulada com as diversificadas massas de aterro e solo de fundação da crítica zona portuária de Manaus e, por fim, a experiência adquirida, permitem viabilizar o CPR como sistemática de tratamento seguro, econômico e 100% eficaz para soluções portuárias. A nível de certificação de solos, os estudos de Jamiolkowski e Pasqualini (1992) além de Campanella et. al. (1982) representam verdadeira especificação técnica para os serviços de reforço de solos, interpretando e esclarecendo em termos de ganho de rigidez e resistência pela utilização do pressiômetro. REFERÊNCIAS Sendo o módulo equivalente (ver figura 15) representado por: Geq = 19,7% Gg + 80,3% Gs = ,8kPa equivalente a uma argila dura. 7 CONCLUSÃO A ocorrência de deslizamentos/rupturas nos aterros da zona portuária de Manaus tem históricos exatamente por sua frequência. Não há nenhum mecanismo de resposta e acompanhamento sistemático destes sérios problemas, que identifique cada situação e suas particularidades geológicas/geotécnicas. Contudo, a totalidade das causas, as técnicas de intervenção aplicadas, seu sucesso e suas falhas são do conhecimento dos geotécnicos portuários. Um detalhe importante neste contexto é que pela extensão dos problemas e a grandeza da região sintomática, somente os casos catastróficos chegam a opinião pública, mascarando o problema. A zona portuária de Manaus, por sua importância crescente na vida da cidade, tem apresentado situações catastróficas cuja intervenção impacta em sua população. A utilização da técnica de reforço de solos com CPR tem demonstrado, ao longo de dois anos ininterruptos de atuação, ser completamente eficiente para este grande problema da região e, por extensão, de toda a Amazônia. Como a escolha do fator de segurança é vital em qualquer projeto, o Almeida, M. S. S. e Marques, M. E. S. (2010). Aterros Sobre Solos Moles Projeto de Desempenho. Ed. Oficina de Textos Briaud, J. L. (1992). The Pressurometer. Published by: Taylor and Francis/Balkema. p.50. Jamioliolkowski, M., Pasqualini, E. (1992) Compaction of granular soils, remarks on quality control, V.2, pp et aussi discussion Vol. 3, pp , in Grouting, soil improvemet and geosynthetics, ASCE, GSP 30, New York. Robertson, P. K., Campanella, R. G., Gillespie, D., Rice, A. (1986) Seismic Cpt to Measure in Situ Shear Wave Velocity. Journal of Geotechnical Engineering 01/1986; 112(8). DOI: / (ASCE) (1986) 112 : 8 (791).