MINISTRIO DA DEFESA

EXRCITO BRASILEIRO

DEPARTAMENTO DE CINCIA E TECNOLOGIA

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CURSO DE ESPECIALIZAO EM TRANSPORTE FERROVIRIO DE CARGAS

1 Ten CUSTDIO MOURA CASTRO DO NASCIMENTO

AVALIAO DE ALTERNATIVAS DE PROCESSOS CONSTRUTIVOS

DE FERROVIAS SOBRE SOLOS MOLES

Rio de Janeiro

2008

i

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

1 Ten CUSTDIO MOURA CASTRO DO NASCIMENTO

AVALIAO DE ALTERNATIVAS DE PROCESSOS CONSTRUTIVOS

DE FERROVIAS SOBRE SOLOS MOLES

Monografia de Especializao apresentada ao Curso de Especializao em Transporte Ferrovirio de Cargas do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obteno do ttulo de Especialista em Transporte Ferrovirio de Carga.

Orientadora: Prof. Maria Esther Soares Marques D. Sc.

Rio de Janeiro

2008

ii

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

1 Ten CUSTDIO MOURA CASTRO DO NASCIMENTO

AVALIAO DE ALTERNATIVAS DE PROCESSOS CONSTRUTIVOS

DE FERROVIAS SOBRE SOLOS MOLES

Monografia de Especializao apresentada ao Curso de Especializao em Transporte Ferrovirio de Cargas do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obteno do ttulo de Especialista em Transporte Ferrovirio de Carga.

Orientadora: Prof. Maria Esther Soares Marques D. Sc.

Aprovada em 14 de outubro de 2008 pela seguinte Banca Examinadora:

_______________________________________________________________

Prof. Maria Cristina de Fogliatti Sinay D. Sc.

_______________________________________________________________

Prof. Vnia Gouveia Barcelos Campos D. Sc.

_______________________________________________________________

Prof. Maria Esther Soares Marques D. Sc.

Rio de Janeiro

2008

iii

minha noiva, pela pacincia e apoio em todos os momentos.

iv

AGRADECIMENTOS

A Deus, Pai e Criador, pela oportunidade desta reencarnao.

Aos meus pais, pela educao desde o bero.

Aos amigos, pelo companheirismo e incentivo.

Ao Instituto Militar de Engenharia, pela minha formao e aperfeioamento.

v

RESUMO

As mais importantes ferrovias brasileiras de heavy haul so usadas para exportao de minrio, partindo das minas no interior do pas at os portos litorneos, onde o minrio embarcado para seus destinos. Nesse caminho, a via frrea freqentemente obrigada a cruzar espessos depsitos de argila mole de origem flvio-marinha em baixadas alagadas nos arredores de lagoas, margens de rios ou fundo de vales. Os aterros construdos sobre essas reas devem ser corretamente dimensionados para que os recalques da argila mole no prejudiquem a geometria e funcionalidade da via. H muitas tcnicas de melhoramento de solo possveis para uso em argilas moles, e sua aplicao depende de um adequado plano de investigaes geotcnicas. Este trabalho apresenta dados de ensaios geotcnicos em argilas moles de uma regio da Estrada de Ferro Carajs, com discusso de tcnicas e prazos para duas solues possveis para a duplicao da via nesse trecho: drenos fibroqumicos verticais e estacas reforadas com geogrelha.

vi

ABSTRACT

The most important heavy haul lines in Brazil are used for ore exportation, taking the products from inland to coastal harbors, where they are shipped to their final destiny. On its way, the track has to cross thick compressive deposits of fluvial-marine clays found on lowland areas surrounding lagoons or at plain river borders, as well at the bottom of valeys. In order to maintain geometrical and functional design, the embankments built on these areas must be correctly designed to present adequate displacements and stability. There are many different ground improvement techniques used to occupy lowland areas, and they are, in general, very expensive and demand high-quality geotechnical investigation. This paper presents regional geotechnical data on soil characteristics and discussion about construction techniques commonly used in Brazil, illustrated through a case history from the duplication of part of the Estrada de Ferro Carajas railway.

vii

SUMRIO

1 INTRODUO ............................................................................................................. 10

1.1. RELEVNCIA DO ESTUDO ........................................................................................ 10

1.2. OBJETIVOS DO ESTUDO ............................................................................................ 11

1.3. DESCRIO DOS CAPTULOS .................................................................................. 12

2 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................ 13

2.1. DEFINIO DE TERMOS GEOTCNICOS UTILIZADOS NO TRABALHO ......... 13

2.1.1. ELEMENTOS CONSTITUINTES DE UM SOLO ........................................................ 13

2.1.2. CONSISTNCIA E PLASTICIDADE DOS SOLOS .................................................... 14

2.1.3. TENSES E RESISTNCIA DO SOLO ....................................................................... 15

2.1.4. ADENSAMENTO........................................................................................................... 16

2.1.5. TEORIA DO ADENSAMENTO .................................................................................... 16

2.2. TCNICAS CONSTRUTIVAS SOBRE SOLOS MOLES ............................................ 18

2.2.1. SUBSTITUIO OU DESLOCAMENTO DE SOLO MOLE...................................... 20

2.2.2. ATERRO CONVENCIONAL ........................................................................................ 22

2.2.3. ATERRO SOBRE DRENOS VERTICAIS .................................................................... 23

2.2.4. ATERRO SOBRE ESTACAS E COM REFORO DE GEOGRELHA........................ 25

2.2.5. ATERRO SOBRE LAJE DE CONCRETO ARMADO E ESTACAS ........................... 28

2.2.6. COLUNAS DE BRITA ................................................................................................... 29

2.3. INVESTIGAES GEOTCNICAS ............................................................................. 30

2.4. INSTRUMENTAO .................................................................................................... 31

3 ENSAIOS GEOTCNICOS ANALISADOS ............................................................. 32

3.1. ENSAIOS REALIZADOS .............................................................................................. 32

3.2. PERFIS GEOTCNICOS ............................................................................................... 33

3.3. RESULTADO DOS ENSAIOS DE LABORATRIO E CAMPO ................................ 34

3.4. GRFICO DE PLASTICIDADE ................................................................................... 36

3.5. CORRELAES ENTRE PARMETROS .................................................................. 37

viii

4 FORMULAO DO MODELO GEOTCNICO ..................................................... 39

4.1. NDICE DE VAZIOS ..................................................................................................... 39

4.2. COMPRESSIBILIDADE ................................................................................................ 40

4.3. PESO ESPECFICO NATURAL .................................................................................... 41

4.4. RESISTNCIA NO-DRENADA ................................................................................. 42

4.5. COEFICIENTE DE ADENSAMENTO VERTICAL ..................................................... 44

4.6. MODELO GEOTCNICO ............................................................................................. 45

5 ANLISE DO MODELO GEOTCNICO ................................................................ 46

5.1. ATERRO SOBRE DRENOS VERTICAIS .................................................................... 46

5.1.1. PREVISO DE RECALQUES....................................................................................... 46

5.1.2. PRAZO CONSTRUTIVO ............................................................................................... 47

5.1.3. ANLISE DE ESTABILIDADE .................................................................................... 49

5.1.3.1. ETAPA 1 ......................................................................................................................... 50

5.1.3.2. ETAPAS 2 A 4 ................................................................................................................ 51

5.1.3.3. REMOO DA SOBRECARGA .................................................................................. 53

5.1.3.4. CARGA DO PAVIMENTO ............................................................................................ 53

5.1.4. EVOLUO DO FATOR DE SEGURANA .............................................................. 54

5.1.5. IMPACTO AMBIENTAL .............................................................................................. 55

5.1.6. CUSTOS .......................................................................................................................... 55

5.2. ATERRO SOBRE ESTACAS E REFORO DE GEOGRELHA .................................. 57

5.2.1. DIMENSIONAMENTO ................................................................................................. 57

5.2.2. PRAZO CONSTRUTIVO, IMPACTO AMBIENTAL E CUSTO................................. 58

6 CONCLUSES ............................................................................................................. 61

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...................................................................................... 63

ix

10

1 INTRODUO

1.1. RELEVNCIA DO ESTUDO

As mais importantes ferrovias brasileiras de heavy haul so usadas para exportao de

minrio, partindo das minas no interior do pas at os portos litorneos, onde o minrio

embarcado para seus destinos. Nesse caminho, a via frrea freqentemente obrigada a cruzar

espessos depsitos de argila mole de origem flvio-marinha em baixadas alagadas nos

arredores de lagoas ou margens de rios.

A presena desses depsitos de argila mole de formao recente uma constante em

algumas regies do Brasil, ressaltando-se as formaes da Baixada Fluminense e da Baixada

Santista, alm de outras menos conhecidas no litoral do Paran, Santa Catarina, Rio Grande

do Sul, Bahia, Pernambuco e Sergipe. Alm disso, a extensa rede hidrogrfica brasileira, com

rios de plancie de grande porte, favorece a existncia de inmeros depsitos aluviais

compressveis tambm no interior do pas (Oliveira, 2006).

No projeto geomtrico de estradas sempre se procurou evitar as formaes de argilas

moles devido s dificuldades inerentes ao emprego deste tipo de solo como fundao

(Oliveira, 2006). Tais formaes possuem, em geral, baixa capacidade de suporte, grande

deformabilidade e baixa permeabilidade, estando, por regra, saturadas.

Os mecanismos de deformao de solos saturados so conhecidos h muito tempo,

tendo sido descritos por Terzaghi (1943) em sua teoria de adensamento. Entretanto, o

desenvolvimento tecnolgico levou ao surgimento de novos materiais, viabilizando tcnicas

executivas para o controle da estabilidade e dos recalques por adensamento de aterros em

regies de solos moles.

Os aterros convencionais e com sobrecarga temporria so exemplos de solues que

demandam longos perodos para o completo adensamento da argila, o que os torna

extremamente limitados para regies de camadas espessas de solos moles (Almeida e

Marques, 2004). Mtodos de acelerao de recalques envolvem o uso de drenos granulares ou

sintticos aplicados durante a construo do aterro. Entretanto, os deslocamentos por

11

adensamento primrio e secundrio podem inviabilizar a sua aplicao para determinados

perfis geotcnicos.

O uso de aterros estaqueados reforados com geossintticos surge como uma

alternativa, especialmente quando uma construo possui um prazo construtivo curto e

necessita que os recalques ps-construtivos sejam de pequena magnitude (Spotti, 2006).

No caso especfico de aterros ferrovirios, h grande dificuldade de convivncia com

recalques de subleito em prazos longos, em funo dos problemas que o alinhamento

incorreto da via permanente acarreta ao material rodante da ferrovia. Assim, deve-se ter

ateno especial escolha da melhor tcnica executiva quando da implantao e duplicao

de ferrovias em regies de solos moles.

Do ponto de vista ambiental, tcnicas convencionais necessitam de maiores volumes

de aterro para se atingirem as cotas determinadas em projeto, devido aos recalques ocorridos

em sua fase construtiva, ocasionando grandes impactos ambientais negativos na retirada de

material das jazidas. No aterro estaqueado, a carga gerada pelo aterro transferida para

camadas de solo mais competentes atravs das estacas, minimizando consideravelmente os

recalques. Desta forma, consegue-se atingir as cotas de projeto com volumes menores de

aterro, minimizando os distrbios ao meio ambiente e economizando os recursos naturais

(Spotti, 2006).

Observa-se, portanto, a importncia da avaliao das diversas alternativas construtivas

para ferrovias em regies de solos moles.

1.2. OBJETIVOS DO ESTUDO

O objetivo desta pesquisa apresentar uma breve reviso bibliogrfica das tcnicas

executivas de aterros de ferrovias construdos sobre solos moles e avaliar duas dessas

alternativas, determinado a mais adequada, sob o ponto-de-vista tcnico e de prazo

construtivo.

12

1.3. DESCRIO DOS CAPTULOS

No captulo 2, so apresentadas definies de alguns termos geotcnicos e teorias que

sero mencionadas durante o trabalho. So tambm descritas as principais tcnicas

construtivas de aterros ferrovirios sobre solos moles, abordando as peculiaridades, vantagens

e desvantagens de cada uma, com apresentao de exemplos de utilizao das mesmas, no

Brasil e no exterior.

O captulo 3 apresenta o resultado dos ensaios utilizados para a caracterizao

geotcnica do depsito estudado, que consistiu no projeto bsico da duplicao de um trecho

da Estrada de Ferro Carajs, na regio Nordeste do Brasil.

A anlise dos resultados dos ensaios realizada no captulo 4, onde so mostrados os

valores de projeto que definiro o modelo geotcnico analisado.

No captulo 5 apresentada a estimativa de magnitude e tempo de recalques e a

anlise de estabilidade de cada uma das etapas construtivas de um aterro sobre drenos

fibroqumicos. Analisa-se, tambm, as dimenses dos elementos constitutivos de um aterro

sobre estacas e com reforo de geogrelha. Uma estimativa de custos de construo de cada

uma das alternativas apresentada.

As concluses do presente estudo so apresentadas no captulo 6, juntamente com as

recomendaes para estudos futuros.

13

2 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

O objetivo deste captulo descrever sumariamente as principais tcnicas de

construo de aterros sobre solos altamente compressveis e de baixa resistncia, abordando

as peculiaridades, vantagens e desvantagens de cada uma e, sempre que possvel,

exemplificando sua utilizao dentro e fora do Brasil. Sero abordadas as exigncias

geomtricas e funcionais do transporte ferrovirio, que limitam a utilizao de algumas destas

tcnicas.

2.1. DEFINIO DE TERMOS GEOTCNICOS UTILIZADOS NO TRABALHO

Com o objetivo de familiarizar aqueles que no conheam em profundidade os termos

getcnicos utilizados neste trabalho, sero apresentados a seguir alguns conceitos cujo

entendimento fundamental para a correta compreenso e avaliao do presente trabalho.

2.1.1. ELEMENTOS CONSTITUINTES DE UM SOLO

O solo um material constitudo por um conjunto de partculas slidas, deixando entre

si vazios que podero estar parcial ou totalmente preenchidos pela gua. , pois, no caso mais

geral, um sistema disperso formado por trs fases: slida, lquida e gasosa. (Caputo, 1988)

A fase slida constituda por gros minerais provenientes da decomposio das

rochas pela ao de agentes fsicos ou qumicos, podendo ou no conter matria orgnica.

Segundo as dimenses de suas partculas, convencionou-se dividir o solo em suas fraes

constituintes que, de acordo com a NBR 6502 (ABNT, 1995), so:

a) Pedregulho: solos formados por minerais ou partculas de rocha,

com dimetro compreendido entre 2,0 mm e 60 mm;

14

b) Areia: solo no coesivo e no plstico formado por minerais ou

partculas de rochas com dimetros compreendidos entre 0,06 mm e 2,0 mm.

De acordo com a dimenso, recebe a subdiviso em areia grossa (0,6 mm e 2,0

mm), mdia (0,2 mm e 0,6 mm) e fina (0,06 mm e 0,2 mm).

c) Silte: Solo que apresenta baixa ou nenhuma plasticidade,

formado por partculas com dimetros compreendidos entre 0,002 mm e 0,06

mm.

d) Argila: Solo de granulao fina constitudo por partculas com

dimenses menores que 0,002 mm, apresentando coeso e plasticidade.

A fase lquida a gua contida no solo, que d origem sua umidade. Define-se

umidade natural de um solo (w0) relao

onde Pw o peso da gua contida no interior do solo e Ps o peso do solo.

A fase gasosa composta pelos gases (gs carbnico, vapor dgua, entre outros) que

preenchem os vazios das demais fases.

2.1.2. CONSISTNCIA E PLASTICIDADE DOS SOLOS

Consistncia a propriedade de um solo argiloso ser menos ou mais deformvel

(ABNT, 1995), de acordo com a umidade a que est submetido. Com teor de umidade muito

baixo, o solo se comporta mais como slido, enquanto que, com umidade alta, solo e gua

podem fluir como um lquido (Das, 2007). Portanto, dependendo do teor de umidade, o solo

pode se comportar de quatro maneiras: slido, semi-slido, plstico e lquido. Os teores de

umidade nos quais ocorrem as transies de um estado para o outro so os chamados limites

de Atterberg, definidos como:

a) Limite de contrao: teor de umidade no qual ocorre a transio

do estado slido para o semi-slido;

b) Limite de plasticidade (wP): idem, do estado semi-slido para o

plstico;

c) Limite de liquidez (wL): idem, do estado plstico para o lquido.

15

Plasticidade a propriedade que um solo apresenta, em determinadas condies de

umidade, de poder sofrer grandes deformaes permanentes, sem sofrer ruptura, fissuramento

ou aprecivel variao de volume (ABNT, 1995). Trata-se de uma das mais importantes

propriedades das argilas. Define-se ndice de plasticidade (IP) conforme a equao:

As argilas moles, foco do presente estudo, costumam apresentar valores elevados de

umidade natural, limites de liquidez e plasticidade e ndice de plasticidade. Valores obtidos

em ensaios realizados em amostras de argilas moles sero apresentados no captulo 3.

2.1.3. TENSES E RESISTNCIA DO SOLO

Simplificadamente, as tenses existentes em uma massa de solo podem ser

classificadas como tenso total (), tenso efetiva () e presso neutra (u), relacionadas

atravs da equao proposta por Terzaghi (1925):

A tenso total o esforo total por rea unitria, atuando dentro de um solo (ABNT,

1995). A tenso efetiva aproximadamente a fora por unidade de rea suportada pelo

esqueleto de um solo. A presso neutra a suportada pela gua nos espaos vazios do solo,

sendo tambm chamada de poropresso.

O princpio da tenso efetiva um dos conceitos mais importantes na engenharia

geotcnica, uma vez que, em uma massa de solo, a tenso efetiva controla sua mudana de

volume e resistncia.

A resistncia ao cisalhamento de uma massa de solo a resistncia interna por rea

unitria que ela pode oferecer para resistir a rupturas e a deslizamentos ao longo de qualquer

plano no seu interior (Das, 2007). Ela importante para a anlise dos problemas de

estabilidade de solo, e pode ser apresentada simplificadamente atravs do Critrio de ruptura

de Mohr-Coulomb:

16

onde res a resistncia ao cisalhamento, c a coeso, a tenso efetiva e o ngulo de

atrito interno do solo.

Coeso parcela de resistncia ao cisalhamento de um solo provocada pela atrao

fsico-qumica entre partculas ou pela cimentao destas (ABNT, 1995), e possibilita a

classificao dos solos em coesivos e no-coesivos (ou granulares). Em solos coesivos

saturados, a resistncia ao cisalhamento fica apenas dependente da coeso, sendo ento

chamada de resistncia ao cisalhamento no-drenada, Su, cujo valor pode ser obtido atravs do

ensaio de cisalhamento de palheta (vane test), realizado in-situ, ensaios triaxiais tipo UU,

realizado em laboratrio, entre outros.

2.1.4. ADENSAMENTO

Segundo a ABNT (1995), adensamento a reduo progressiva, ao longo do tempo,

do volume de uma massa de solo, resultante da diminuio do seu volume de vazios, devido

expulso de ar ou gua, causada por efeito do peso prprio ou acrscimo de tenso externa.

comum a diviso didtica em adensamento primrio e secundrio. No adensamento primrio,

a reduo de volume devida, principalmente, expulso de gua dos vazios do solo,

acompanhada por uma transferncia da presso suportada pela gua intersticial (poropresso)

para o esqueleto slido. No secundrio, a reduo devida a fenmenos viscosos do solo, no

relacionados com a dissipao das poropresses.

2.1.5. TEORIA DO ADENSAMENTO

A equao diferencial bsica da teoria de adensamento de Terzaghi (1925) dada por:

Onde:

u poropresso ou presso neutra;

cv coeficiente de adensamento vertical.

A situao tridimensional que considera o fluxo combinado vertical e radial

representada por:

17

Onde:

ch coeficiente de adensamento horizontal.

A teoria do adensamento para o projeto de instalao de drenos verticais de areia

levou equao de adensamento tridimensional em coordenadas cilndricas. Nela,

desprezada a drenagem vertical, levando drenagem radial pura:

A partir da equao do adensamento para drenagem radial pura, assumindo a condio

de deformaes verticais iguais temos que:

Sendo definido:

onde:

Uh grau de adensamento devido ao fluxo radial;

Th fator tempo horizontal;

F(n) funo relativa ao dimetro de influncia de um dreno e ao seu dimetro efetivo;

de dimetro efetivo;

dw dimetro equivalente, conforme figura 2.1.

18

)(2 bad w

+= (Hansbo,1979)

2

badw

+= (Rixner et al., 1986)

Figura 2.1 Dimetros dw de um dreno pr-fabricado.

Carrillo (1942) demonstrou que o adensamento tridimensional poderia ser resolvido

com anlise em separado, originando para o grau de adensamento mdio combinado, a

seguinte relao:

onde:

Uvh grau de adensamento combinado;

Uv grau de adensamento devido a fluxo vertical;

Uh - grau de adensamento devido a fluxo horizontal.

2.2. TCNICAS CONSTRUTIVAS SOBRE SOLOS MOLES

Para a construo sobre solos compressveis, duas condies devem ser atendidas:

garantia de estabilidade, isto , deve-se evitar o rompimento do aterro e das fundaes; e

manuteno das deformaes, tanto verticais (recalques) como horizontais, dentro de limites

adequados, de acordo com as caractersticas da obra (Oliveira e Almeida, 2004). Na Figura

2.2 so apresentadas algumas tcnicas executivas utilizadas para solucionar ou minimizar

estes dois problemas associados execuo de aterros sobre solos moles.

a

b

19

Figura 2.2 Tcnicas executivas de aterros sobre solos moles (adaptado de Leroueil, 1997).

20

2.2.1. SUBSTITUIO OU DESLOCAMENTO DE SOLO MOLE

A substituio de solos moles consiste na retirada da camada compressvel atravs de

escavadeiras (figura 2.3) ou dragas e a posterior colocao de materiais de maior resistncia,

at que seja atingida a altura pretendida.

Figura 2.3 Escavao de solo mole.

Esta tcnica freqentemente empregada quando existem solos moles, sejam eles

turfosos ou no. Turfa o nome dado argila com elevadssimo teor de matria orgnica e

umidade, que pode chegar a 1000%. Como regra geral, os solos moles possuem, alm da

elevada compressibilidade, baixa resistncia ao cisalhamento, o que faz com que as

escavaes tenham que ser realizadas em taludes bastante suaves (da ordem de 1V:6H a

1V:8H, dependendo da resistncia do material), aumentando muito o volume do solo a ser

escavado. Assim, a tcnica somente ser vivel para baixas espessuras de solo mole, sendo

comum o limite de 3 ou 4 metros (Sandroni, 2006). Aps a retirada do material de baixa

resistncia, executado o aterro com material adequado, compactado em camadas, at a altura

referida em projeto. Deve-se garantir que toda a camada foi escavada ou ento prever o

comportamento do material remanescente.

Em aterros ferrovirios, uma tcnica vivel desde que as espessuras de material mole

sejam compatveis com os limites anteriormente mencionados. Em locais onde a resistncia

da argila aumenta com a profundidade, comum a remoo parcial do solo, sendo retiradas as

camadas superiores e mantidas as inferiores, sobre as quais executado o aterro com material

de melhor qualidade. Nesse caso, deve ser feito o clculo da previso dos recalques, bem

como do tempo necessrio para dissipao das poropresses, e eventual utilizao de

21

sobrecargas, que sero descritas no item 2.2. Nos casos de duplicao de vias existentes ou

interface com obras adjacentes, deve ser verificada a estabilidade dos aterros adjacentes, em

funo do desconfinamento lateral provocado pela escavao do solo mole, que altera o

coeficiente de segurana e pode causar danos s vias ou construes vizinhas.

O deslocamento de solos moles com o emprego de explosivos baseia-se na construo

prvia de um aterro sobre a camada compressvel, com posterior instalao de cargas

explosivas dentro do solo mole que, aps detonadas, provocam a liquefao do mesmo, com

sua expulso lateral pelo peso prprio do aterro, que acaba por ocupar o lugar do solo mole.

Na prtica, a expulso pode no ser completa, permanecendo resqucios de solo mole sob

forma de bolses, o que acaba por afetar o leito da via, provocando ondulaes no decorrer do

tempo (Massad, 2003). Por esse motivo, no aconselhado o emprego desta tcnica em

aterros ferrovirios.

Outra tcnica muito utilizada antigamente, mas que tem sido menos utilizada em obras

de porte, o chamado aterro de ponta, que consiste no avano de uma ponta de aterro em cota

mais elevada que a do aterro projetado, que vai empurrando e expulsando parte da camada de

solo mole, atravs da ruptura do solo de fundao argiloso de baixa resistncia, deixando em

seu lugar o aterro embutido. A expulso facilitada pelo desconfinamento lateral e frontal do

aterro de ponta, enquanto este avana (Zaeyen et al., 2003). A falta de controle de qualidade

da execuo no garante que toda camada muito mole seja removida, o que causa

freqentemente recalques diferenciais, que se manifestam atravs de ondulaes na superfcie

do aterro, com conseqente risco de descarrilamentos em operaes ferrovirias.

Tal tcnica, entretanto, ainda a nica possvel em aterros de conquista para execuo

de campanhas de ensaio em terrenos com camada superficial turfosa, bem como para a

entrada dos equipamentos de cravao de drenos ou estacas, necessrios para a execuo das

tcnicas que sero descritas nos itens 2.3 a 2.6. Em alguns casos, a resistncia da camada

superior to baixa que se torna necessrio o emprego de geotxtil como reforo at para o

aterro de conquista (Almeida et al., 2008).

22

2.2.2. ATERRO CONVENCIONAL

Denomina-se aterro convencional aquele executado sem quaisquer dispositivos

aceleradores de recalque ou modificadores de estabilidade. uma tcnica amplamente

difundida no Brasil e no exterior, por ser de baixo custo, uma vez que envolve apenas a

aquisio e compactao do aterro, mas que depende de disponibilidade de tempo no

cronograma de obras.

Quando se constri sobre argilas moles, a altura de aterro necessria para se partir de

uma cota inicial e atingir uma cota final deve levar em conta o recalque do aterro, ou seja, a

espessura de material que sofrer recalque abaixo da cota do terreno original, em funo da

compressibilidade do solo mole. Em regies de argilas moles saturadas com nvel dgua

(N.A.) superficial, que so os depsitos mais freqentes, h ainda o efeito de submerso do

aterro recalcado, o que, com o passar do tempo, diminui a tenso total aplicada, fazendo com

que a tenso efetiva final aps a dissipao das poropresses seja menor. Isso provoca a

necessidade de maior altura de aterro para compensar os recalques. Esta , portanto, uma das

desvantagens da tcnica, pois h necessidade de volume de material para compensar os

recalques sofridos pelo aterro.

Provavelmente a mais significativa desvantagem refere-se ao tempo necessrio para a

ocorrncia dos recalques, como ser visto com mais profundidade no captulo 5. Muitas vezes

torna-se necessria a construo do aterro em etapas, com grandes intervalos de tempo entre

elas, para que possa haver dissipao da poropresso da camada compressvel, com seu

conseqente ganho de resistncia, antes do novo alteamento do aterro. Assim, o fator de

segurana menor ao final de cada etapa de carregamento, aumentando com o tempo. Cabe

ressaltar que esta discusso no leva em considerao a ruptura por creep.

Uma vez que os recalques podero levar anos para ocorrer, a opo por este partido de

projeto deve levar em conta a possibilidade de convivncia com recalques, com os constantes

retrabalhos de alteamento de piso ou plataforma, em amplitudes que variaro com os

parmetros de compressibilidade do solo. Assim sendo, esta tcnica somente poder ser

utilizada em aterros ferrovirios se a espessura e a compressibilidade da argila mole forem

suficientemente baixas para que os recalques na grade ferroviria no causem problemas de

circulao dos trens.

23

Denomina-se sobrecarga ou pr-carregamento a espessura adicional de aterro que

aplicada temporariamente ao aterro propriamente dito. Passado o tempo necessrio de

atuao, ela retirada. Sua funo principal acelerar os recalques, j que a presena de uma

carga extra modifica a curva tempo x recalque do aterro, fazendo com que os recalques

previstos inicialmente ocorram em um tempo menor. Outra funo da sobrecarga combater

os recalques secundrios, que ocorrem mais lentamente que os primrios e so causados pelo

ajustamento da estrutura interna da massa de solo, depois que todo esforo de compresso

tenha sido transferido da gua intersticial para o esqueleto slido.

2.2.3. ATERRO SOBRE DRENOS VERTICAIS

Denomina-se aterro sobre drenos a tcnica de cravao de drenos sintticos verticais e

posterior execuo do aterro sobre o solo mole. Os drenos diminuem a distncia de drenagem

dentro da massa de solo compressvel, o que dissipa as poropresses mais rapidamente,

acelerando os recalques.

Os drenos verticais de areia foram pioneiramente utilizados em fins de 1920, na

Califrnia, nos Estados Unidos (Oliveira e Almeida, 2004). Posteriormente, surgiram os

primeiros drenos pr-fabricados, que foram evoluindo at os modelos atualmente utilizados,

chamados geodrenos ou drenos fibroqumicos (figura 2.4), que consistem em um ncleo de

plstico com ranhuras em forma de canaleta envolto em um filtro de geossinttico no tecido

de baixa gramatura (Sandroni, 2006).

Figura 2.4 Geodreno ou dreno fibroqumico.

24

Sua instalao realizada por meio de equipamentos de cravao (figura 2.5) que

apresentam produtividade de 1000m a 2000m por dia, por mquina cravadora (Sandroni,

2006).

Figura 2.5 Perfuratriz para cravao de geodreno (Costa Fortuna, 2008)

Os parmetros envolvidos na anlise das propriedades dos drenos verticais, tais como

eficincia, dimetro equivalente, rea de influncia, espaamento, amolgamento (efeito

smear) e resistncia hidrulica foram discutidos em Bedeschi (2004).

O pr-carregamento tambm aplicado aos aterros sobre drenos, para se atingir os

mesmos objetivos mencionados no item anterior.

A utilizao da tcnica no Brasil freqente, podendo ser encontradas referncias na

literatura em Almeida et al. (2001) e Bedeschi (2004), entre outros. Igualmente, h vrios

casos relatados de emprego desta soluo no exterior (Moh e Lin, 2005; Indraratna et al.,

2005; Bergado et al., 1996; entre outros).

25

2.2.4. ATERRO SOBRE ESTACAS E COM REFORO DE GEOGRELHA

No aterro sobre estacas com reforo de geogrelhas utilizam-se capitis para transferir a

carga do aterro para as estacas e para camadas de solo com maior capacidade de carga. As

geogrelhas so utilizadas na base do aterro para redistruibuir os esforos para as estacas. Seu

esquema tpico est mostrado na figura 2.6.

Figura 2.6 Esquema tpico de um aterro estaqueado reforado com geogrelha.

No clculo da transmisso dos esforos s estacas e geogrelha, considera-se o efeito

de arqueamento dos solos descrito por Terzaghi (1943). Trata-se da transferncia de tenses

tangenciais da poro de solo com maior deformao para a poro adjacente com menor

deformao, que serve de elemento de suporte (ABNT, 1995). Hewlett e Randolph (1988)

mostraram que a eficcia do arqueamento aumenta com o aumento da altura de aterro, com

conseqente distribuio do carregamento para os capitis/estacas.

Uma abrangente reviso bibliogrfica foi realizada por Spotti (2006) para estudar e

analisar o atual estado da arte sobre os mtodos de dimensionamento de aterros estaqueados

reforados.

A tcnica apresenta como principal vantagem a significativa reduo dos recalques

construtivos quando comparados a obras de aterros convencionais ou sobre drenos verticais.

Os recalques associados tcnica so referentes deformao da geogrelha (figura 2.7) e,

portanto, muito menores do que os de adensamento em aterros convencionais.

26

Figura 2.7 Recalque no topo da camada de aterro (Almeida et al., 2008).

Outro fator importante a diminuio do tempo de execuo do aterro, j que no h

necessidade de aguardar a dissipao do excesso de poropresso e conseqente mobilizao

da resistncia na argila mole para o alteamento do aterro, podendo este ser feito em uma s

etapa, j que no h preocupao com a instabilidade da argila mole.

As desvantagens da tcnica esto relacionadas aos custos dos equipamentos

necessrios cravao das estacas e confeco dos capitis, bem como ao custo da aquisio

e instalao da geogrelha e ao convvio com os recalques apresentados na figura 2.7.

Um estudo de viabilidade econmico-financeira deve ser realizado a fim de se obter

uma real comparao entre os aterros sobre drenos e os sobre estacas. Esse estudo deve levar

em conta, alm dos custos de construo e manuteno ps-construtiva, as receitas previstas

quando da utilizao do local para as suas atividades finalsticas. Isso faz com que o resultado

da anlise varie com o empreendimento a ser realizado no local do aterro, sem que haja uma

resposta nica para todos os casos.

H grande aplicabilidade da tcnica em aterros ferrovirios, tanto em implantaes de

vias novas, quanto em duplicaes de existentes, em funo da minimizao dos recalques

ps-construtivos, que podem gerar instabilidade do material rodante em funo das condies

geomtricas via. As ferrovias modernas de alta velocidade toleram recalques muito pequenos,

27

em funo do impacto que deformaes na via podem causar ao material rodante e

operao. Tomando-se como exemplo a especificao do projeto de implantao de via dupla

ligando Ipoh a Rawang, na Malsia, com comprimento aproximado de 150km, e que, por

motivos geomtricos, apresentava aterros variando de 2 a 11m de altura (Raju et al., 2004):

Recalque ps-construtivo mximo de 25mm aps perodo de 6 meses de

operao comercial da via;

Recalque diferencial mximo de 10mm em 10m de comprimento de via

(1:1000), medido ao longo do centro do aterro;

Fator de segurana global mnimo do aterro FS=1,4 para etapas construtivas

intermedirias e FS=1,5 para a ltima etapa construtiva.

No captulo 5 sero analisados os recalques totais de um aterro projetado para uma

regio de uma ferrovia de carga. Apesar de tanto a finalidade quanto as caractersticas de

operao de uma ferrovia de alta e uma de baixa velocidades serem completamente distintos,

o valor H=25mm servir de referncia para os valores a serem mostrados no captulo 5.

Spotti (2006) mostra exemplos de aplicao da tcnica em diversos pases, tanto em

obras rodovirias (Austrlia, Panam, Inglaterra e Holanda), ferrovirias (Alemanha, Malsia

e Brasil), aeroporturias (Inglaterra) e urbanas (Brasil). No Brasil, a obra ferroviria citada

de um trecho da Ferronorte em Chapado do Sul, MS (figura 2.8), onde foi executado um

aterro de 7 a 8m de altura, com utilizao de micro estacas de ao auto-perfurantes de 7,3cm

de dimetro, 8 a 10m de comprimento, em malha quadrada, com capitis pr-moldados de

concreto e 1 camada de geogrelha de polister com 400kN/m.

28

Figura 2.8. Estacas metlicas e capitis de concreto em aterro ferrovirio sobre solo mole

(Spotti, 2006).

2.2.5. ATERRO SOBRE LAJE DE CONCRETO ARMADO E ESTACAS

Os aterros sobre laje e estacas so compostos por uma laje plana executada sobre uma

malha de estacas com capitis (laje cogumelo).

So muito semelhantes aos estaqueados reforados com geogrelha, possuindo as

mesmas vantagens em relao aos aterros convencionais quanto a recalques, prazo de

execuo e estabilidade do aterro. As desvantagens de sua utilizao tambm se referem aos

custos do material, equipamento e execuo, que devem ser comparados em um estudo de

viabilidade, conforme mencionado no item anterior.

Comparada com a geogrelha, a laje de concreto armado apresenta vantagem de no

apresentar risco de deformaes ou trincamentos do aterro a mdio e longo prazo. Outra

vantagem da laje de concreto o enrijecimento (engastamento) que propicia cabea das

estacas, favorecendo o equilbrio de cargas horizontais na periferia e afastando, em definitivo,

o risco de flambagem das mesmas, desde que executadas com ateno quanto ao alinhamento

e s excentricidades (Sandroni, 2006).

29

2.2.6. COLUNAS DE BRITA

Denomina-se vibrosubstituio a tcnica usada para melhorar solos arenosos com mais

de 15% de finos (Raju et. al., 2004) e solos coesivos, como siltes e argilas. Neste mtodo,

colunas de brita so instaladas no solo mole (ou fofo) com o uso de um vibrador profundo. A

sequncia de execuo em solos saturados mostrada na figura 2.9: (1) Posiciona-se o

equipamento no local e carrega-se o silo com a brita; (2) o silo sobe e descarrega a brita na

cmara prpria no topo do vibrador; (3) o vibrador penetra o solo mole at a produndidade de

projeto, atravs de vibraes, ar comprimido e esforo vertical para baixo; (4) na

profundidade desejada, a brita liberada e compactada por pequenos movimentos do vibrador

para cima e para baixo; (5) com adio da brita necessria em cada estgio do processo

construtivo, cria-se uma coluna de brita ntegra, intertravada e integrada ao solo circundante,

que vai desde a camada resistente at a superfcie.

Figura 2.9 Sequncia de execuo de coluna de brita em solo mole saturado (McCabe et al., 2007)

O dimetro da coluna formada depende das condies de confinamento do solo. Raju

et al. (2004) cita que, em geral, as colunas possuem dimetro de 70cm a 110cm.

O mtodo de clculo mais utilizado para dimensionamento do espaamento da malha

de colunas, bem como do recalque estimado ps-tratamento, o de Priebe (1995), e que tem

se mostrado funcionar muito bem para a maioria das aplicaes (McCabe et al., 2007). Outros

mtodos usualmente utilizados so os de Baumann & Bauer (1974) e Goughnour & Bayuk

(1979).

30

Segundo Almeida (1996), o principal objetivo do tratamento por vibrosubstituio

produzir uma malha de colunas granulares que atuem como estacas relativamente rgidas

assentes na camada subjacente e em condies de absorver grande parte da carga transmitida

pelo aterro ao solo mole. Por conseguinte o mtodo apresenta menores deslocamentos

horizontais e verticais do aterro em comparao a um aterro convencional ou sobre drenos. As

colunas granulares tambm promovem a dissipao de poropresses por drenagem radial,

acelerando os recalques. Finalmente, elas aumentam a resistncia ao cisalhamento da massa

de solo de fundao, permitindo a construo de aterros mais altos ou com maiores fatores de

segurana.

Exemplos de aplicao da tcnica em diversas ferrovias na sia podem ser

encontrados em Raju et al. (2004). No Brasil, a tcnica ainda incipiente.

2.3. INVESTIGAES GEOTCNICAS

A execuo de um programa de caracterizao geotcnica ou um programa de

investigao geotcnica objetiva determinar as condies geolgicas, geotcnicas, hidrulicas

e outras informaes relevantes a um determinado projeto de engenharia. (Coutinho, 2008)

As investigaes geotcnicas podem ser de laboratrio ou de campo (in situ). Ensaios

de laboratrio incluem aqueles que testam os elementos (corpos de prova) dos materiais, tais

como ensaios triaxiais e aqueles que testam modelos prottipos, tais como ensaios de

centrfuga. Ensaios de campo incluem sondagem, amostragem, ensaios in situ, ensaios em

verdadeira grandeza e ensaios geofsicos. (Coutinho, 2008)

Investigao insuficiente, interpretao inadequada dos resultados e falha em

descrever as informaes obtidas de forma clara e objetiva tem contribudo para diversos

problemas de projeto e de construo. (Coutinho, 2008)

Maiores detalhes do processo de caracterizao geotcnica podem ser visto em Becker

(2001), Clayton et al. (1995), Gomes Correia et al. (2004), Schnaid (2005, 2008), Powell

(2005), Viana da Fonseca e Coutinho (2008). Informaes sobre qualidade de amostragem

podem ser encontradas em Ladd (1973), Coutinho (1976, 1986, 2007); Hight (2000); Hight e

Leroueil (2003), Tanaka (2008).

31

2.4. INSTRUMENTAO

Seja qual for a tcnica escolhida, fundamental realizar instrumentao para avaliar o

desempenho da tcnica. Os objetivos de um programa de instrumentao so acompanhar

movimentaes verticais e horizontais, monitorar amplitude e velocidade de dissipao das

poropresses e monitorar a estabilidade dos aterros.

A instrumentao a ser empregada em cada caso varia com a importncia e a

complexidade do problema, podendo ser empregados piezmetros, placas de recalque,

extensmetros, inclinmetros e referncias de nvel. Deve existir acompanhamento de equipe

especializada na instalao e leitura dos resultados da instrumentao, que devem ser

analisados por profissional experiente, que verificar se h variao entre o comportamento

previsto e o ocorrido.

O plano de monitoramento deve estabelecer claramente a localizao dos instrumentos

e os procedimentos de instalao, bem como os parmetros de alerta. Sempre que possvel,

deve-se prever redundncia para as leituras. Desta forma, possvel comparar os valores lidos

e no h perda de informao em caso de falha de um dos instrumentos.

32

3 ENSAIOS GEOTCNICOS ANALISADOS

O objetivo deste captulo apresentar o resultado dos ensaios utilizados para a

caracterizao geotcnica do depsito estudado. Trata-se da duplicao de um trecho de uma

ferrovia brasileira, onde se encontra um depsito de argila muito mole de grande espessura, o

que exige um estudo aprofundado das possveis solues geotcnicas a serem utilizadas no

local.

3.1. ENSAIOS REALIZADOS

Os ensaios foram realizados em amostras coletadas do km 18+340 ao km 22+360 da

Estrada de Ferro Carajs, para o projeto bsico da duplicao da via nesse trecho, onde o solo

de baixa consistncia.

Das investigaes geotcnicas realizadas para o projeto de 1978 e que esto hoje

disponveis e puderam ser consultadas, foram aproveitados apenas os ensaios de

caracterizao (granulometria com sedimentao, limites de liquidez e plasticidade, massa

especfica das partculas e umidade natural) e os ensaios de palheta (vane test VT) . Os

laudos de sondagens a trado (ST), percusso (SP) e rotativas mistas (SPR) no foram

fornecidos e, portanto, no puderam ser consultados. Os ensaios de adensamento de 1978

foram descartados, pois as tcnicas utilizadas quela poca eram precrias comparadas com as

atuais, causando amolgamento excessivo das amostras, e conseqente falta de confiabilidade

dos resultados.

Em virtude dessa escassez de resultados, foram necessrias novas investigaes

geotcnicas para elaborao do Projeto Bsico de Duplicao, realizadas recentemente. Este

estudo baseou-se nos resultados de tais investigaes, que podem ser divididas em estudos de

campo e de laboratrio. Em campo foram executados:

33

a) 40 sondagens a percusso (SP), entre o km 18+000 e o km 22+260;

b) 26 sondagens a trado (ST), entre o km 18+740 e o km 19+120;

c) 14 ensaios de piezocone (CPTu), associados a 25 ensaios de dissipao

de poro presses (DPP), entre o km 18+465 e o km 19+960;

d) 33 ensaios de vane test (VT) (13 locais), entre o km 18+740 e o km

22+200.

Foram retiradas e encaminhadas para laboratrio 16 amostras tipo Shelby, com 4 de

dimetro, com as quais foram realizados os seguintes ensaios geotcnicos:

a) 15 ensaios de adensamento;

b) 29 ensaios de compresso simples;

c) 16 ensaios de granulometria com sedimentao;

d) 16 ensaios de massa especfica das partculas;

e) 15 ensaios de limites de consistncia (LL e LP);

f) 16 determinaes de teor de umidade e peso especfico natural.

3.2. PERFIS GEOTCNICOS

Em funo das alternativas construtivas adotadas poca da implantao da ferrovia,

o perfil geotcnico apresenta significativas diferenas ao longo do trecho estudado.

No trecho em que as alturas de aterro eram maiores do que 5,2m, optou-se por

remover totalmente as camadas de solos moles e substitu-las por areia. Esta alternava foi

adotada entre o km 18+340 e o km 19+440, onde as alturas de aterro variam entre 8,9m e

5,2m (diminuindo no sentido crescente da quilometragem). O perfil geotcnico tpico e a

seo transversal do aterro adotado para esse trecho esto mostrados na figura 3.1.

34

Figura 3.1 Seo transversal e perfil geotcnico tpicos do trecho onde houve remoo total

da camada mole do solo.

Nos locais onde a altura de aterro era menor do que 5,2m, optou-se por executar o

aterro sobre a camada mole e aguardar sua estabilizao por adensamento. Esta foi a

alternativa adotada entre o km 19+440 e o km 22+360, onde os aterros possuem entre 5,2m e

2,0m. Foram utilizadas sobrecargas para abreviar o tempo de ocorrncia, e bermas de

equilbrio, para garantir a estabilidade do aterro. O perfil geotcnico tpico e a seo

transversal do aterro adotado para esse trecho esto mostrados na figura 3.2.

Figura 3.2 Seo transversal e perfil geotcnico tpicos do trecho onde no houve remoo

da camada mole do solo.

3.3. RESULTADO DOS ENSAIOS DE LABORATRIO E CAMPO

Os resultados dos ensaios de laboratrio e campo so apresentados na Tabela 3.1.

35

Tabela 3.1 - Resumo dos resultados dos ensaios geotcnicos recentes realizados na camada de argila mole do trecho em estudo

Amostras Shelby ndices fsicos das amostras indeformadas Limites de

consistncia Adensamento

Resistncia no-drenada Su (kPa)

km Afast.

LE (m) Prof. (m) w0 (%)

nat

(kN/m3)

s

(kN/m3)

G

(kN/m3) e0

wL

(%)

wP

(%) IP (%)

'pa

(kPa) Cr Cc CP1 CP2 CP3

18+740 60 3,0 a 3,5 73,9 14,4 8,3 27 2,27 47 24 23 60 0,15 1,17 20,6 18,4 17,3

18+740 60 5,0 a 5,5 40,3 17,1 12,2 26,9 1,2 34 15 19 44 0,05 0,41 10,2 11 13

18+800 55 2,0 a 2,5 95,3 14,4 7,4 29,9 3,03 89 35 54 76 0,21 1,49 19,1 17,5 21,2

18+800 55 4,0 a 4,5 104,4 13,9 6,8 27,2 2,99 83 31 52 41 0,2 1,34 16,9 5 -

19+000 55 2,0 a 2,5 99,5 13,6 6,8 25 2,68 73 27 46 30 0,15 1,28 9,4 9,1 7,4

19+000 55 3,0 a 3,5 72,2 15,3 8,9 28,1 2,16 54 25 29 28 0,06 0,72 10,9 4,5 -

19+200 50 3,0 a 3,5 -

27,2 - 35 20 15 - - - - - -

19+400 50 2,5 a 3,0 70,4 16,2 9,5 26,4 1,78 43 20 23 20 0,08 0,61 11,4 10,7 -

19+800 30 2,5 a 3,0 33,6 16,8 12,6 27,5 1,19 - - - 40 0,07 0,29 - - -

20+200 20 2,0 a 2,5 67,5 15,7 9,4 27,2 1,89 41 17 24 31 0,09 0,76 13,6 11,4 10,1

20+800 15 2,5 a 3,0 125 14,2 6,3 27,6 3,41 92 31 61 36 0,18 1,45 12 7,5 5,7

20+800 15 4,0 a 4,5 68,7 16 9,5 28,9 2,04 48 22 26 70 0,1 0,95 - - -

21+600 15 2,0 a 2,5 108 13,3 6,4 27 3,23 77 30 47 41 0,23 1,47 11,6 11,3 9,6

21+600 15 4,0 a 4,5 51,9 15,8 10,4 27,4 1,63 36 21 15 32 0,06 0,5 - - -

22+000 15 2,0 a 2,5 123,3 13,6 6,1 27,2 3,46 91 31 60 20 1,46 0,22 - - -

22+000 15 3,0 a 3,5 78,7 15,2 8,5 28,3 2,32 58 24 34 31 0,1 0,98 11,1 10 -

w0: umidade natural nat : peso especfico aparente natural s : peso especfico aparente seco

G: peso especfico prprio e0: ndice de vazios wL: limite de liquidez wP: limite de plasticidade IP: ndice de plasticidade 'pa: tenso de sobreadensamento Cr: coeficiente de recompresso Cc: coeficiente de compresso CP: corpo de prova

36

A tabela 3.2 mostra os valores de coeficiente de adensamento vertical (cv) obtidos nos

ensaios.

Tabela 3.2 Resultados de cv obtidos nos ensaios de adensamento de laboratrio

km Afast. LE (m) Prof. (m) cv (m2/s)

19+000 55 2,0 a 2,5 8,00E-09

19+000 55 3,0 a 3,5 7,40E-08

19+400 51 2,5 a 3,0 2,10E-07

19+800 30 2,5 a 3,0 2,90E-07

20+200 20 2,0 a 2,5 2,00E-07

20+800 16 2,5 a 3,0 1,10E-08

20+800 16 4,0 a 4,5 9,00E-08

3.4. GRFICO DE PLASTICIDADE

Os limites de liquidez e de plasticidade dos solos so determinados em laboratrio

atravs de ensaios relativamente simples, fornecendo informaes sobre a natureza dos solos

coesivos. A partir de suas propriedades, busca-se classificar os solos em categorias que

apresentem comportamentos semelhantes. Uma das relaes mais conhecidas entre ndices

fsicos o Sistema Unificado de Classificao de Solos (SUCS).

Segundo Das (2007), a forma original do SUCS foi proposta por Casagrande em 1942

para uso nos trabalhos de construo de aeroportos sob responsabilidade do U. S. Army Corps

of Engineers durante a Segunda Guerra Mundial. Em cooperao com o U. S. Bureau of

Reclamation, esse sistema foi revisto em 1952. Apesar de ter sido criado a partir do estudo de

solos de regies temperadas, o SUCS sugere parmetros que podem ser coerentemente

analisados e adaptados para a situao dos solos tropicais do Brasil. Esse sistema classifica os

solos em duas amplas categorias: solos grossos e solos finos. O foco deste estudo era apenas a

frao fina do solo, a ser analisada a partir do grfico de plasticidade.

No grfico de plasticidade, a linha A, de equao IP=0,73(wL-20), uma fronteira

arbitrria proposta por Casagrande para separar as argilas inorgnicas (acima da linha) dos

siltes inorgnicos (abaixo dela). As argilas orgnicas podem aparecer tanto acima quanto

abaixo da linha A. As argilas e siltes so ainda divididas em alta e baixa plasticidade de

acordo com o limite de liquidez wL, atravs da linha B. Os solos de baixa plasticidade ficam

esquerda da linha B, enquanto os solos de alta plasticidade ficam sua direita. A linha

37

U, de equao IP=0,9(wL-8), representa o limite admissvel dos resultados, e qualquer

ponto localizado acima dela apresenta fortes indcios de falha na caracterizao, devendo ser

revisto.

A figura 3.3 mostra o resultado dos ensaios de caracterizao no grfico de

plasticidade.

Figura 3.3 Grfico de plasticidade das amostras de argila mole estudadas

A figura 3.3 mostra que os solos ensaiados correspondem a argilas de baixa a alta

plasticidade.

3.5. CORRELAES ENTRE PARMETROS

O estudo das correlaes existentes entre os parmetros geotcnicos do solo

importante, entre outras coisas, para possibilitar a estimativa de um parmetro de difcil

obteno em ensaio atravs de outro mais facilmente conseguido em campanhas de ensaios.

O coeficiente de compresso (Cc) para o clculo do recalque de campo provocado pelo

adensamento de uma argila mole um exemplo de parmetro de difcil obteno, uma vez

que obtido a partir do resultado do ensaio de adensamento. Tal ensaio requer cuidados

38

especiais com a amostra de argila mole na sua obteno, transporte, armazenamento e

execuo do ensaio, a fim de evitar amolgamento da amostra, o que falsearia o resultado do

ensaio. Por outro lado, um parmetro de fcil obteno a umidade natural do solo (w0),

conseguida atravs do ensaio de umidade, que pode ser realizado com a amostra amolgada.

possvel a obteno de uma correlao entre Cc e w0, uma vez que ambos os

parmetros so controlados pela composio e estrutura do solo, os quais, por sua vez,

controlam tanto o ndice de vazios (e0) quanto a compressibilidade na faixa normalmente

adensada (Terzaghi et al., 1996).

A partir dos dados da tabela 3.1, buscou-se uma correlao entre tais parmetros,

sendo apresentada na figura 3.4. O ponto triangular foi descartado da anlise, por apresentar

fortes indcios de erro de amostragem ou de execuo de ensaio. Para fins de comparao,

foram inseridas na mesma figura as correlaes obtidas por Futai et al. (2008) em seus

estudos com argilas orgnicas marinhas da regio metropolitana do Rio de Janeiro, bem como

as obtidas por Almeida et al. (2008), incluindo resultados de ensaios realizado em amostras de

argilas orgnicas marinhas da regio oeste da cidade do Rio de Janeiro.

Figura 3.4 Curva de correo entre coeficiente de compresso e umidade natural

A semelhana das curvas obtidas mostra que para as argilas brasileiras h pouca diferena na relao do coeficiente de compresso com a umidade natural do solo.

39

4 FORMULAO DO MODELO GEOTCNICO

Os resultados dos ensaios em uma regio podem ser mais ou menos dispersos,

dependendo da homogeneidade ou heterogeneidade do depsito, sua origem, os agentes

externos que atuaram durante sua formao, as tenses s quais ele foi submetido, entre

outros fatores. Assim, aps uma campanha de ensaios, fundamental uma avaliao dos

resultados e a adoo de valores de parmetros de projeto, que sero adotados nos clculos a

serem realizados.

O critrio para adoo desses valores varivel de acordo com a experincia do

projetista. Para os casos de pouca variabilidade dos resultados, pode ser adotada a mdia dos

valores. Entretanto, no caso de grande variabilidade, deve-se buscar uma estimativa que,

estando a favor da segurana, no seja demasiadamente conservadora a ponto de inviabilizar a

obra em prazo ou custo.

O objetivo deste captulo apresentar a formulao de um modelo geotcnico a partir

dos resultados dos ensaios mostrados no captulo 3. O modelo ser formulado atravs dos

valores mdios de projeto de cada um dos parmetros importantes para a anlise do recalque,

da estabilidade e do prazo da construo de um aterro sobre o solo mole estudado.

4.1. NDICE DE VAZIOS

O solo um material constitudo por partculas slidas permeadas por vazios que

podem estar preenchidos por gua ou ar. Denomina-se ndice de vazios (e0) de um solo

razo entre o volume de vazios e o volume ocupado pela parte slida. No cabe a este

trabalho relatar as tcnicas de ensaio utilizadas para se obter tal ndice.

A figura 4.1 mostra o perfil do ndice de vazios do local ensaiado, com a indicao dos

valores adotados para os clculos das etapas posteriores do trabalho, em cada faixa de

profundidade.

40

Figura 4.1 Perfil de ndice de vazios do trecho estudado

4.2. COMPRESSIBILIDADE

As argilas moles, em virtude do seu elevado ndice de vazios, so muito

compressveis. Quando submetidas a carregamentos superiores sua tenso de

sobreadensamento (maior tenso qual j estiveram submetidas), apresentam recalques que

devem ser adequadamente avaliados, a fim de se obter uma boa estimativa de projeto, e poder

tomar as medidas necessrias em resposta a esses deslocamentos verticais.

A compressibilidade de uma argila mole medida atravs do parmetro Cc/(1+e0), que

diretamente proporcional ao valor do recalque e aparece na expresso simplificada do

recalque primrio unidimensional, como a seguir:

onde H: recalque primrio H0: espessura inicial da camada considerada 0': tenso efetiva atuante inicial : variao da tenso efetiva por ocasio do carregamento

Presente estudo

41

A figura 4.2 mostra o perfil de compressibilidade do trecho estudado, bem como os

valores adotados para projeto em cada faixa de profundidade.

Figura 4.2 Perfil de compressibilidade e valores de projeto do trecho estudado

4.3. PESO ESPECFICO NATURAL

Peso especfico natural (nat) a razo entre o peso do solo e o seu volume, na

umidade em que se encontra na natureza. A figura 4.3 mostra o perfil do peso especfico

natural obtido nos ensaios realizados no trecho em estudo, bem como o valor adotado para o

modelo a ser utilizado nas anlises a serem realizadas.

Presente estudo

42

Figura 4.3 Perfil de peso especfico natural do trecho estudado

4.4. RESISTNCIA NO-DRENADA

A resistncia no-drenada (Su) de argilas saturadas a resistncia ao cisalhamento do

solo quando este submetido a um carregamento sem que haja tempo de haver drenagem. Sua

determinao importante para a verificao da estabilidade de projetos de obras sobre

argilas saturadas compressveis.

A figura 4.4 mostra o perfil da resistncia no-drenada obtido nos ensaios de palheta

realizados no trecho em estudo, bem como o valor base adotado para o modelo.

Presente estudo

43

Figura 4.4 Perfil mdio de resistncia no-drenada do trecho estudado

Bjerrum (1972) estudou rupturas de aterros, fundaes rasas e escavaes e concluiu

que o valor de Su obtido pelo ensaio de palheta era mais elevado que o obtido nas

retroanlises de rupturas, e por isto o valor obtido no campo deveria ser corrigido para o

projeto atravs da expresso

onde um fator de correo que pode ser expresso por

Assim, para o estudo em questo, com os ensaios indicando IP mdio prximo de 50%,

adotou-se o fator de correo = 0,8, obtendo-se Su estudo = 8kPa.

Presente estudo

44

4.5. COEFICIENTE DE ADENSAMENTO VERTICAL

O coeficiente de adensamento vertical (cv) um valor experimental que indica a

velocidade com a qual h a dissipao de poropresses no solo. Seu valor diretamente

proporcional permeabilidade do solo, e pode ser obtido atravs de diferentes formas:

a) No ensaio de adensamento, sendo chamado de cv normalmente

adensado (cv n.a.);

b) No ensaio de piezocone, sendo obtido o coeficiente de adensamento

horizontal (ch) e, atravs de correlaes, obtm-se o cv sobreadensado (cv

s.a.);

c) Atravs da retroanlise da curva de recalque de aterros instrumentados,

sendo tambm chamado de cv normalmente adensado.

Os valores de cv apresentados na tabela 3.1 se referem a ensaios de adensamento e a

valores normalmente adensados. A figura 4.5 mostra o perfil do coeficiente de adensamento

vertical obtido a partir dos resultados dos ensaios realizados no trecho em estudo, juntamente

com o valor adotado para o modelo geotcnico do local.

Figura 4.5 Perfil do coeficiente de adensamento vertical do solo

Presente estudo

45

4.6. MODELO GEOTCNICO

As anlises dos resultados dos ensaios levaram aos parmetros que sero adotados no

modelo geotcnico, conforme mostrado na figura 4.6.

Profundidade (m)

nat (kN/m3)

Cc/(1+e0) e0 cv

(m2/s) Su (kPa)

1

15 0,3 2,5

7,0E-08 8

2 3 4 5

0,18 1,5 6

Figura 4.6 Parmetros geotcnicos utilizados na anlise

46

5 ANLISE DO MODELO GEOTCNICO

O objetivo deste captulo apresentar a anlise de alternativas de projeto de um aterro

sobre drenos verticais e de um aterro estaqueado reforado com geogrelha, ambos

considerando os parmetros geotcnicos apresentados no captulo 4.

5.1. ATERRO SOBRE DRENOS VERTICAIS

A primeira alternativa construtiva analisada foi o aterro construdo sobre drenos

verticais. Conforme mencionado no captulo 2 deste trabalho, essa alternativa consiste na

cravao de geodrenos no solo a ser drenado, com posterior execuo do aterro em etapas

espaadas em um perodo de tempo que permita a dissipao do excesso de poropresso

gerada pela construo do aterro.

5.1.1. PREVISO DE RECALQUES

O clculo dos recalques primrios foi feito com o auxlio de uma planilha eletrnica,

que possibilitou as iteraes necessrias para a considerao do efeito de submerso do aterro

embutido, uma vez que o nvel dgua do terreno elevado (0,5m abaixo da superfcie). O

recalque primrio calculado para a altura de aterro de 9,0m foi H=1,89m.

O clculo do recalque secundrio foi baseado na expresso de Martins et al. (1997)

Com isso, chegou-se ao valor de Hsec=0,24m. No foram encontradas especificaes

para recalque ps-construtivo limite nas ferrovias de carga brasileiras. Uma vez que se deseja

minimizar os recalques secundrios ps-construtivos, ser adotada uma sobrecarga de 3,5m,

capaz de pr-adensar o aterro e minimizar os recalques secundrios.

47

Os valores previstos para os recalques primrio e secundrio so elevados para

operaes ferrovirias, tornando-se necessria a estabilizao do aterro, ou seja, deve-se

aguardar o tempo necessrio para que no mnimo 95% dos recalques previstos ocorram. O

aterro ser calculado para ser realizado em 4 etapas, com intervalo entre elas tal que a

dissipao de poropresses possa ser de, no mnimo, 80%. Isso permitir um ganho de

resistncia da argila mole, possibilitando o alteamento da prxima etapa do aterro sem que

haja comprometimento do fator de segurana quanto a rupturas globais. A espessura de cada

etapa e o seu recalque esto mostrados na tabela 5.1.

Tabela 5.1 Espessura, recalque e cota final das etapas construtivas Etapa Espessura (m) Recalque (m) Cota final (m)

1 3,80 1,20 2,60 2 3,70 0,46 5,84 3 3,60 0,28 9,16 4 3,54 0,20 12,50

Remoo -3,50 - 9,00

A carga do lastro, dormentes e trilhos inferior tenso de pr-adensamento gerada

pela sobrecarga aplicada, fazendo com que no haja recalques quando da construo do

pavimento. O efeito dinmico da carga de trfego no foi considerado para o clculo do

recalque primrio, mas parmetro fundamental para a anlise de estabilidade, como ser

mostrado no item 5.1.2.

5.1.2. PRAZO CONSTRUTIVO

Para clculo do prazo construtivo, deve-se considerar o tempo para alteamento do

aterro e o tempo necessrio para dissipao das poropresses. Para o alteamento do aterro,

foram previstos os tempos conforme a tabela 5.2.

O clculo do tempo para dissipao das poropresses foi feito considerando drenagem

combinada (vertical e radial). A drenagem dupla, uma vez que o perfil geotcnico mostra

presena de areia sob a camada de argila. A drenagem radial por drenos fibroqumicos

verticais, considerados em malha triangular com espaamento de 1,5m, dimetro de

contribuio de=1,575m e dimetro equivalente dw=0,0525m. Foram obtidos os valores de

tempo de dissipao de poropresses mostrados na tabela 5.3.

48

Tabela 5.2 Tempo de construo e dissipao de poropresses das etapas construtivas

Etapa Tempo de

construo (ms) Tempo de dissipao de

poropresses (ms) 1 1,0 4,0 2 0,5 4,0 3 0,5 4,0 4 0,5 4,0

Remoo 0,25 - Pavimento 0,25 - Subtotal 3,0 16,0

Dos tempos referidos na tabela 5.2, apenas os de construo so variveis em funo

da quantidade ou produtividade das equipes de terraplenagem utilizadas na obra. Isso mostra

que cerca de 85% do tempo necessrio para a alternativa executiva independente da fora de

trabalho disponvel.

A curva do recalque em funo do tempo est mostrada na figura 5.1.

Figura 5.1 Curva tempo x recalque, com as etapas de carregamento do aterro e os valores de

dissipao de poropresses.

49

5.1.3. ANLISE DE ESTABILIDADE

O modelo adotado para a anlise da estabilidade mostrado na figura 5.2. O perfil

aterro e material de fundao simtrico, sendo suficiente a verificao da estabilidade em

apenas uma das faces do talude. Para possibilitar a execuo de todas as camadas, foi preciso

calcular a largura da base do aterro necessria para que o mesmo pudesse atingir a cota final

da etapa 4 com largura de 3,0m, suficiente para que os equipamentos de terraplenagem

pudessem trabalhar. Considerando a soma das espessuras e recalques ocorridos at a

construo da etapa 4, e garantindo uma inclinao de talude de 1V:1,5H, chegou-se

necessidade de uma largura de base do aterro na etapa 1 de 48m, sem considerar a berma, que

ser descrita posteriormente.

Cabe ressaltar que a campanha de ensaios foi realizada a um afastamento de 15m a

60m da via existente, uma vez que a premissa do projeto bsico era a da execuo de

duplicao com entrevia elevada. Tal condio foi adotada para evitar que os acrscimos de

tenses gerados pela construo do aterro de duplicao levassem a recalques na via existente,

o que obrigaria a paralisao no trfego para manutenes de via permanente, a fim de se

evitar acidentes.

Figura 5.2 Parmetros e geometria adotados para a anlise da estabilidade do aterro sobre

drenos verticais.

50

A anlise de estabilidade foi efetuada atravs dos mtodos de Bishop Simplificado

(equilbrio de momentos), Janbu Simplificado (equilbrio de foras) e Morgenstern-Price

(equilbrio de foras e momentos) (Abramson et al., 1995). Foram consideradas superfcies de

ruptura circulares, com pesquisas realizadas por software comercial, que apontou a superfcie

com fator de segurana (FS) mnimo. Para cada etapa, foram consideradas as situaes

extremas de segurana: fim do alteamento do aterro, quando o FS mnimo, e dissipao de

80% das poropresses, quando o FS mximo. O ganho de resistncia da argila ao final de

cada etapa foi calculado pela expresso proposta por Mesri (1975). Para foi considerada a

submerso do aterro e o percentual de adensamento ao final de cada etapa.

5.1.3.1. ETAPA 1

A primeira etapa ter espessura de 3,80m e ser realizada juntamente com uma berma

de equilbrio de 2,0m de altura e 15m de largura. A superfcie de ruptura e o FS ao final do

carregamento so mostrados na figura 5.3.

Figura 5.3 Superfcie de ruptura e FS para o final do carregamento da etapa 1

A dissipao das poropresses provoca o adensamento da argila, e o conseqente

recalque do aterro sobre ela executado. Conforme foi dito no item anterior, foram calculados

os FS para a dissipao de 80% das poropresses para cada uma das etapas. As anlises, neste

caso, levaram em conta a submerso do aterro gerado pelo seu recalque, bem como o ganho

Su=8kPa

51

de resistncia no-drenada da argila, constante com a profundidade, j que foram utilizados

drenos verticais. A figura 5.4 mostra o resultado dessa anlise.

Figura 5.4 Crculo de ruptura e FS da etapa 1 aps a dissipao das poropresses

5.1.3.2. ETAPAS 2 A 4

Para as etapas 2 a 4, foram efetuados os mesmos procedimentos descritos anteriores,

quais sejam:

a) alteamento do aterro na altura projetada;

b) verificao da condio de segurana para o final do carregamento da etapa;

c) considerao do recalque e do ganho de resistncia da argila;

d) verificao do FS para a dissipao de poropresses.

As figuras 5.5 a 5.7 mostram as condies geomtricas, a resistncia da argila, a

superfcie de ruptura e o fator de segurana para cada etapa do alteamento do aterro.

Su=18kPa Su=16kPa Su=8kPa

52

Figura 5.5 Superfcie de ruptura e FS para o final do carregamento da etapa 2

Figura 5.6 Superfcie de ruptura e FS para o final do carregamento da etapa 3

Figura 5.7 Superfcie de ruptura e FS para o final do carregamento da etapa 4

Su=18kPa

Su=31kPa

Su=45kPa

Su=16kPa Su=8kPa

Su=16kPa Su=26kPa

Su=18kPa Su=28kPa Su=31kPa

53

5.1.3.3. REMOO DA SOBRECARGA

Aps a dissipao das poropresses da etapa 4, ocorre a remoo da sobrecarga

utilizada para minimizar o recalque secundrio ps-construtivo. O clculo da estabilidade no

necessrio nesta etapa, uma vez que h alvio de carga nas fundaes do aterro. Entrentanto,

para fins didticos e comparativos, foi verificado o FS, chegando-se figura 5.8.

Figura 5.8 Crculo de ruptura e fator de segurana para a etapa de descarregamento

5.1.3.4. CARGA DO PAVIMENTO

Para considerao da carga do pavimento, foi aplicado um aterro de 20cm

correspondente ao lastro e, sobre ele, duas cargas pontuais de 175kN cada, correspondentes a

uma carga por eixo de 350kN, um pouco superior ao limite atualmente adotado na EFC, que

de 300kN/eixo. O resultado da anlise de estabilidade mostrado na figura 5.9.

Su=58kPa Su=31kPa Su=28kPa Su=18kPa

54

Figura 5.9 Superfcie de ruptura e FS para carga do pavimento e trfego ferrovirios

5.1.4. EVOLUO DO FATOR DE SEGURANA

Lanando-se todos os valores de FS obtidos nas anlises em um grfico que considere

o tempo para a construo dos aterros e dissipao das poropresses geradas, obtm-se a

figura 5.10. Ela mostra que, em nenhum momento o fator de segurana ficou abaixo do limite

estabelecido, que foi de FS=1,3 para as etapas intermedirias (1 a 3) e de FS=1,5 para a etapa

final.

Figura 5.10 Evoluo dos fatores de segurana para o aterro sobre drenos

Su=58kPa Su=31kPa Su=28kPa Su=18kPa

55

5.1.5. IMPACTO AMBIENTAL

O impacto ambiental gerado pela alternativa refere-se necessidade de material de

aterro para as etapas construtivas. A quantidade de material deve ser suficiente para executar

o corpo do aterro, as bermas e a sobrecarga, e ainda compensar o recalque do aterro que

sofrer submerso. Isso implica na localizao e legalizao de jazida de emprstimo capaz de

fornecer tal volume de material.

Por ser temporria, a sobrecarga deve ser disponibilizada em algum local apropriado

aps a sua utilizao. Isso deve ser considerado nos estudos de impacto ambiental, pois pode

ocorrer de no ser possvel o bota-fora na prpria jazida de emprstimo.

5.1.6. CUSTOS CONSTRUTIVOS

A avaliao dos custos construtivos foi efetuada levando-se em conta a aquisio e

execuo do volume de aterro necessrio (corpo do aterro, bermas, submerso e sobrecarga),

a aquisio e instalao dos geotxteis e geodrenos e os servios de monitoramento. Tal

avaliao se encontra na tabela 5.3.

56

Tabela 5.3 Estimativa de custos de construo do aterro sobre drenos verticais

Item Servios Unidade Quantidade Valor unitrio

(R$)

Valor do servio

(R$)

1 Mobilizao de equipamentos unid 1

18.000,00

18.000,00

2 Execuo de reforo com geotxtil 30x30 em 1 camada. Inclusive forneciamento do geotxtil.

m2 482.400

14,34

6.917.616,00

3 Execuo de colcho drenante de areia executado como aterro compactado mecanicamente, inclusive fornecimento de material. (Aterro de conquista)

m3 241.200

37,99

9.163.188,00

4 Instalao de drenos verticais pr-fabricados, em malha triangular de 1.5m de distncia, dimetro equivalente de 0.06 m, inclusive fornecimento dos drenos.

m 763.334

5,70

4.351.004,00

5 Aterro com material de primeira categoria, compactado a 95% do Proctor Normal. Inclusive fornecimento de material, DMT 4,0km. Considerado empolamento de 35%. (Etapas 1 a 4)

m3 2.756.916

12,27

33.827.359,32

6 Escavao, carga e transporte de material de primeira categoria, DMT 4km. (Remoo da sobrecarga)

m3 204.797

10,28

2.105.309,73

Total estimado R$

56.382.477,06

57

5.2. ATERRO SOBRE ESTACAS E REFORO DE GEOGRELHA

A outra alternativa construtiva considerada foi a construo do aterro sobre estacas de

concreto e com reforo de geogrelha. Conforme mencionado no captulo 2, trata-se de uma

tcnica que traz como principal vantagem a minimizao dos recalques, uma vez que a carga

do aterro no transmitida ao solo mole, mas diretamente camada de areia existente abaixo,

atravs de estacas de concreto.

5.2.1. DIMENSIONAMENTO

O aterro sobre estacas com reforo de geogrelha foi considerado com as dimenses

mostradas na figura 5.11.

Para dimensionamento das estacas foi utilizado o mtodo de Hewlett e Randolph

(1988). Alm das dimenses mostradas na figura 5.11, foram ainda considerados a sobrecarga

por trfego de 20kPa e a deformao mxima na geogrelha de 6,0%.

Figura 5.11 Dimenses consideradas para o aterro sobre estacas reforado com geogrelha

O clculo da eficincia da distribuio das cargas verticais mostra que o efeito de

arqueamento dos solos capaz de distribuir 67% da carga vertical para as estacas, enquanto

33% vai para a geogrelha, causando a solicitao e deformao da mesma. A figura 5.12

mostra o esquema da distribuio de cargas verticais para as estacas e o reforo.

2,5m

=18kN/m3

=25

2,5m

0,8m

0,3m

9m

58

Figura 5.12 - Distribuio da carga vertical para as estacas e o reforo

(Kempfert et al., 1997).

O resultado da anlise do dimensionamento das estacas e da geogrelha se encontra na

tabela 5.4.

Tabela 5.4 Parmetros de sada do dimensionamento das etacas e geogrelha

Carga na estaca 963 kN Trao atuante no reforo 251 kN/m

Com esses valores, h condies de entrar em contato com fornecedores para se

conseguir o material com as dimenses e resistncia necessrias para a resposta adequada em

campo.

5.2.2. PRAZO CONSTRUTIVO E IMPACTO AMBIENTAL

O prazo construtivo considerado para a cravao das estacas, instalao da geogrelha e

alteamento do aterro foi de 2,0 meses. Tal prazo varivel com a composio e produtividade

das equipes de estaqueamento, geossintticos e terraplenagem. Por haver baixo carregamento

da camada de argila, no h necessidade de se aguardar a dissipao das poropresses.

O impacto ambiental da alternativa construtiva se refere necessidade de jazidas de

emprstimo para o material do corpo do aterro. Como a tcnica no necessita de bermas de

equilbrio ou sobrecarga e no envolve submerso do aterro, o impacto ambiental menor do

que no caso dos aterros sobre drenos.

59

5.2.3. CUSTOS CONSTRUTIVOS

Para o clculo dos custos de construo, foram consideradas a aquisio dos materiais,

cravao das estacas, execuo dos capitis, instalao da geogrelha e execuo do corpo do

aterro. A estimativa dos custos construtivos do aterro sobre estacas com reforo de geogrelha

encontra-se na tabela 5.5.

60

Tabela 5.5 Estimativa de custos de construo do aterro sobre estacas com reforo de geogrelha

Item Servios Unidade Quantidade Valor unitrio

(R$)

Valor do servio

(R$)

1 Mobilizao de equipamentos unid 1

20.000,00

20.000,00

2 Execuo de reforo com geotxtil 30x30 em 1 camada. Inclusive forneciamento do geotxtil.

m2 201.000

14,34

2.882.340,00

3 Execuo de aterro de saibro executado como aterro compactado mecanicamente, inclusive fornecimento de material. (Aterro de conquista)

m3 241.200

37,99

9.163.188,00

4 Cravao de estacas de concreto pr-moldadas, carga de trabalho 100tf, seo quadrada 30x30. Inclusive fornecimento de estacas.

m 321.600

170,40

54.800.640,00

5 Capitis de concreto 80x80x20cm. Inclusive fornecimento do material m3 4.116

300,00

1.234.944,00

6 Execuo de reforo com geogrelha Fortrac 150x150kN/m, em 2 camadas. Inclusive forneciamento da geogrelha

m2 402.000

46,50

18.693.000,00

7 Aterro com material de primeira categoria, compactado a 95% do Proctor Normal. Inclusive fornecimento de material, DMT 4,0km. Considerado empolamento de 35%. (Etapas 1 a 4)

m3 956.760

12,27

11.739.445,20

Total estimado R$

98.533.557,20

61

6 CONCLUSES

No projeto geomtrico de uma ferrovia, deve-se evitar trechos a serem construdos

sobre depsitos de argilas muito moles. Quando isso no for possvel, deve ser realizado

amplo estudo geolgico-geotcnico no depsito encontrado, com ensaios de laboratrio

(caracterizao, adensamento, triaxiais, entre outros) e de campo (sondagens, palheta,

piezocone, entre outros), projetos bsico e executivo e monitoramento da soluo adotada. As

alternativas construtivas devem ser analisadas quanto tcnica (recalques construtivos e ps-

construtivos), prazos construtivos, exigncias ambientais (jazidas de emprstimo e bota-fora,

materiais utilizados) e custos (de construo e manuteno) associados.

Foram avaliadas duas alternativas de processos executivos de aterros de ferrovias

sobre solos moles para um determinado modelo geotcnico: aterro sobre drenos verticais e

aterro sobre estacas com reforo de geogrelha.

Quanto tcnica, o aterro sobre drenos verticais apresenta recalque primrio estimado

em 1,89m, valor este extremamente elevado em termos de operaes ferrovirias,

necessitando de ser estabilizado antes da via entrar em operao. O recalque secundrio foi

estimado em 0,24m, sendo elevado, uma vez que exigiriam diversas intervenes na via para

alteamento da grade e recompletamento do lastro. No foram encontradas especificaes de

recalques ps-construtivos limites para as ferrovias de carga brasileiras, mas servem como

parmetro de comparao o valor exigido por uma ferrovia de alta velocidade na Malsia,

onde os recalques ps-construtivos foram limitados a 0,025m (Raju et al., 2004).

Quanto ao prazo, o aterro estaqueado necessita de cerca de 2 meses para ser concludo,

prazo este que pode diminuir com o emprego de maior quantidade de equipes trabalhando

paralelamente. J o aterro sobre drenos requer cerca de 19 meses para estabilizao dos

recalques, e cerca de 85% desse prazo devido ao tempo necessrio para dissipaes das

poropresses geradas pelo alteamento do aterro, no sendo possvel a sua reduo pela

contratao de maior fora de trabalho.

Quanto ao impacto ambiental, a alternativa sobre drenos necessita de mais aterro pois,

alm do corpo do aterro, h ainda as bermas, a perda por submerso e a sobrecarga que,

apesar de ser temporria, tem de ser retirada e depositada em algum local, o que implica

impactos ambientais quanto a emprstimos e bota-foras.

62

As estimativas de custos construtivos realizadas mostraram que o aterro sobre drenos

custaria cerca de R$ 56 milhes, enquanto o aterro sobre estacas custaria aproximadamente

R$ 98 milhes.

Com a anlise, foi possvel concluir que, para ferrovias, a alternativa do aterro sobre

drenos somente ser possvel de ser implantada se a espessura e os parmetros geotcnicos

(umidade, coeficiente de compresso, ndice de vazios, coeficiente de adensamento vertical,

entre outros) da camada de argila mole forem tais que os recalques primrios e secundrios

possam ser estabilizados em sua totalidade antes da ferrovia entrar em servio. Caso contrrio,

a restrio tcnica do recalque aponta o aterro sobre estacas com reforo de geogrelha como

soluo.

Recomenda-se que estudos futuros sejam realizados com avaliao de outras

alternativas construtivas para aterros de ferrovias, como colunas de brita ou aterros sobre laje

de concreto armado e estacas.

63

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

ABNT (1995) NBR 6502: Rochas e solos terminologia.

Abramson, L. W., Lee, T. S., Boyce, G. M., Sharma, S. S. (1995) Slope stability and stabilization methods, John Wiley and Sons, New York, 552 p.

Almeida, M. S. S. (1996) Aterros sobre solos moles, UFRJ, Rio de Janeiro, 216p.

Almeida, M. S. S. e Marques, M. E. S. (2004) Aterros sobre camadas espessas de solos muito compressveis, II Congresso Luso-Brasileiro de Geotecnia, Aveiro, Portugal: pp. 103-112.

Almeida, M. S. S., Santa Maria, P. E. L., Martins, I. S. M., Spotti, A. P., Coelho, L. B. M. (2001) Consolidation of a very soft clay with vertical drains. Gotechnique 50(6): 633 - 643.

Almeida, M.S.S., Marques, M. E. S., Miranda, T. C., Nascimento, C. M. C. (2008) Lowland reclamation in urban reas, Proc. do TC 41 Workshop Geotechnical Infrastructure for Mega Cities and New Capitals, ISSMGE, Buzios.

Baumann, V. and Bauer, G.E.A. (1974) The performance of foundations on various soils stabilized by the Vibro-Compaction Method, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 11, No. 4, pp 509-530.

Becker, L. B. (2001) Site characterizarion geotechnical and geo-environmental engineering handbook. Kluwer Academic Publishing, Norwell, USA, p.69-105.

Bedeschi, M. V. R. (2004) Recalques em aterro instrumentado construdo sobre depsito muito mole com drenos verticais na Barra da Tijuca, Rio de Janeiro, dissertao de mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro.

Bergado, D. T., Anderson, L. R., Miura, N., Balasubramaniam, A. S. (1996) Soft ground improvement in lowland and other environments, ASCE, New York, EUA.

Bjerrum, L. (1972) Embankments on soft ground, in Proc. Specialty Conference on Earth and Earth-Supported Structures, vol. 2, ASCE, pp. 1-54.

Caputo, H. P. (1988) Mecnica dos solos e suas aplicaes vol.1: fundamentos, 6 Ed., Ed. LTC, Rio de Janeiro, 234p.

64

Carrillo, N. (1942) Simple Two and Three Dimensional Cases in the Theory of Consolidation of Soils, Journal of Mathematics and Physics, Vol 21, pp 1-5.

Clayton, C. R. I., Matthews, M. C., Simons, N. E. (1995) Site investigation, publisher Blackwell Science, 2a ed., 584p.

Costa Fortuna, disponvel em: , acesso em: 15 set. 2008.

Coutinho, R. Q. (2008) Investigao geotcnica de campo e avanos para a prtica. XIV Congresso Brasileiro de Mecnica dos Solos e Engenharia Geotcnica, Bzios, p. 201-230.

Coutinho R. Q (2007) Characterization and engineering properties. The Second International Workshop on Characterization e Engineering Properties of Natural Soils. Tan, Phoon, Higth and Leroueil (editors). Singapore, p. 2049-2100.

Coutinho, R. Q. (1976) Caractersticas de adensamento com drenagem vertical e radial em argila mole na baixada fluminense. Dissertao de mestrado, COPPE/UFRJ.

Coutinho, R. Q. (1986) Aterro experimental instrumentado levado ruptura sobre solos orgnicos-argilas moles da barragem de Juturnaba. Tese de doutorado, COPPE/UFRJ.

Das, B. M. (2007) Fundamentos de engenharia geotcnica, So Paulo: Thomson Learning, 559p.

Futai, M. M., Almeida, M. S. S., Lacerda, W. & Marques, M. E. S. (2008) Laboratory behaviour of Rio de Janeiro soft clays. Part 1: Index and compression properties. Soils and Rocks 31(2).

Gomes Correia, A., Viana da Fonseca, A., Gambin, N. (2004) Routine and advanced analysis of mechanics in situ tests.Results on saprolitic soils from granits more or less mixed in Portugal. Proc. ISC-2 on Geotechnical and Geophysical Site Characterization, Viana da Fonseca e Mayne edts, Vol. 1, pp. 75-95.

Goughnour, R.R. and Bayuk, A.A. (1979) Analysis of stone column soil matrix interaction under vertical load, Proceedings of the International Conference on Soil Reinforcements, Paris, pp 271-277.

Hansbo, S. (1979) Consolidation of clay by bandshaped prefabricated vertical drains, Ground Engineering, 12(5), p.16-25.

Hewlett, W. J., Randolph, M. F. (1988) Analysis of Piled Embankment, Ground Engineering, Vol. 21, n. 3, 12 18.

65

Hight, D. W. (2000) Keynote Letuce: Sampling methods: Evaliation of disturbance and new practical techniques for high quality sampling in soils, Actas do 7 Congresso Nacional de Geotecnia, Porto.

Hight, D. W. e Leroueil, S. (2003) Characterization of soils for engineering purposes. Characterization and Engineering Properties of Natural Soils, Tan et al. (eds.), Balkema,1,255-360.

Indraratna, B., Sathananthan, I., Bamunawita, C., Balasubramaniam, A. S. (2005) Theoretical and numerical perspectives and field observations for the design and performance evaluation of embankments constructed on soft marine clay, Elsevier Geo-Engineering Book Series, vol.3, Ground Improvement - Case Histories, editors Indraratna Buddhima, Chu, Jian e Hudson, John A.,Oxford, Reino Unido, pp. 51 - 89.

Kempfert, H-G., Stadel, M., Zaeske, D. (1997) Design of Geosynth