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

Eng. M.Sc. Joaquim Rodrigues - GeotecniaEngegraut 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 derupturas, além do fenômeno das terras caídas. Análises computacionais e tabelas permitiriam aoEng Geotécnico refinar soluções, para estas críticas áreas, em duas ou três dimensões. Estedocumento 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 históricode rupturas catastróficas provocadas, inicialmente, pelo fenômeno das terras caídas e agravadopelos subsequentes aterros na região portuária ribeirinha. A elevação da cota do Rio Negro, aalturas 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 220.000m2, comprofundidade de tratamento de 30m. Cinco situações chamam a atenção neste documento. Ascondições do solo de fundação com fartas características geotécnicas de rupturas desconhecidas, oprojeto do reforço do solo com CPR que, basicamente, objetivou reduzir/neutralizar as forçasatuantes 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 àmargem do Rio Negro, a instabilidade presente função das tensões provocadas no solo pelaintervenção 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 sidoaplicadas na zona portuária ribeirinha deManaus (figura 1), caracterizada por sucessivosaterros e taludes com diferentes características.Poucas técnicas, no entanto, tem conseguidosucesso frente ao enorme desafio geotécnicoproposto pelas condições locais, caracterizadaspor antigos planos de ruptura presentes nosaterros e, principalmente, pelo cíclico fenômenodo rápido esvaziamento das águas do Rio Negro(figura 2). As condições geológicas egeotécnicas da região portuária sãocompletamente afetadas pelos sucessivosaterros executados, seguidos de consequentes e

repetidas rupturas. A opção pelo CPR foijustificada pelas sucessivas rupturas ocorridas,principalmente nos meses de setembro eoutubro, em regiões anteriormente tratadas comoutras tecnologias, sem sucesso, quando o RioNegro chega a sua cota mais baixa. A figura 3mostra a execução dos serviços CPR na áreaportuária de Manaus.

Figura 1. Vista panorâmica da região portuária deManaus.

Figura 2. Situação de ruptura típica da região portuária de Manaus.

Figura 3. Serviços de CPR sendo executados em regiãopós-ruptura.

A moderna tecnologia do CPR Grouting éespecífica para tratamento de solos moles, e temcomo base geotécnica a consolidação do solo,assentada na teoria da expansão de cavidades, ecom a particularidade da não geração de resíduos.O CPR é a principal tecnologia de melhoramentode solos hoje no Brasil, com eficiência média de95%, extremamente rápida em sua execução,particularmente para estradas, aeroportos,ferrovias e áreas portuárias e industriais.

2 CONDIÇÕES DO SOLO NA ÁREAPORTUÁRIA

Toda a extensão portuária foi motivo de váriascampanhas de sondagens SPT, que deu comocaracterística variações de areia argilosa ou argilamuito mole, variando de 2 a 15 golpes, comcamadas resistentes de argila / areia média egrossa argilosa até 30m de profundidade. A figura4 apresenta sondagens típicas do tipo de soloapresentado na região portuária analisada.

Figura 4. Sondagens SPT, que caracterizam o solo defundação da região portuária de Manaus.

De forma característica, em toda a extensão daárea portuária, há predominância de cerca de 3 a7m de aterro com pedregulhos, restos deconstrução, etc. Nas regiões planas, pavimento deconcreto executado sobre camada de base de britae sub-base de rachão com cerca de 1m deespessura. Nas regiões de taludes e ribeirinhas,denominadas "praias", há presença de aterroarenoso com restos de construção. Não hámaiores informações sobre as propriedadesgeotécnicas do solo mole.

A resistência ao cisalhamento não drenada, aolongo dos 30m de profundidade, obtida comsondagens pressiométricas de certificação doCPR, antes do tratamento, variava de 2kPa a20kPa. O nível do Rio Negro, apresenta variaçãode vasante de cerca de 15m, entre os meses dejunho a novembro e, de forma característica, asrupturas ocorrem nos meses de setembro eoutubro, caracterizando o fenômeno das terrascaídas.

3 OS TRABALHOS DE REFORÇO DOSOLO DE FUNDAÇÃO NA REGIÃOPORTUÁRIA

O histórico de rupturas e deformações, associadoao risco permanente de instabilidade na regiãoportuária de Manaus exige serviços de reforço desolo, preferencialmente, com base em seuadensamento de forma ativa. A solução adotadapara essa região foi o CPR. A execução dosserviços 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 naZona Portuária.

O projeto CPR desenvolvido procuroualcançar ao máximo os seguintes parâmetros: Acesso as propriedades e o comportamento

geomecânico da área portuária (análisepressiométrica).

O mecanismo e a tipologia do histórico derupturas, incluindo a velocidade, as direçõesdos movimentos e as geometrias dasrupturas.

Os fatores geológicos, hidrológicos, amagnitude e as dimensões influentes nainstabilidade da região, e que motivam ospermanentes estados de ruptura.

Os níveis freáticos, as pressões da água naextensão em questão, além dapermeabilidade através das sondagens SPTexistentes.

Os fatores ambientais e o histórico da açãohumana no local.

A premência da intervenção A futura modificação da geometria dos

taludes, o processo de drenagem consequentee, por fim:

O projeto CPR, sua adequabilidade, funçãodo reforço do solo e antigosplanos/superfícies de ruptura, culminandocom a estruturação do solo de fundação, comaumento significativo de sua rigidez.

Até o presente momento, em 3 anos deserviço, a área de tratamento atingiu 220.000m2,contando-se áreas planas de armazenagem compavimento rígido e áreas de taludes, além de"praias", totalizando cerca de 88.000 verticais degeodrenos cravados e cerca de 33.000 verticaiscom bulbos de compressão e adensamento dosolo, todos com aproximadamente 30m deprofundidade. As figuras 7, 8 e 9 apresentam asequência de serviços realizados na execução dasolução CPR.

Figura 7. Trabalhos de pré-furo, com ar comprimido, atéa profundidade de 30m, seguido da posterior formação debulbos de compressão do solo de modo a adensá-lo.

Figura 8. Serviços de pré-furo na região das "praias" doporto.

Figura 9. Área portuária tratada com CPR e com murogabião com cerca de 8m de altura definindo o novo cais.Notar que o nível do rio está em sua cota máxima e oaterro apenas aguardando a base granular paraassentamento do piso de concreto.

A malha de geodrenos projetada foi de 1,50mx 1,50m em triângulo e a malha de verticais combulbos de compressão e adensamento, de 3m x3m, também em triângulo. Como pode-seobservar, pelo projeto abaixo (figura 10), otratamento CPR abrange a retroárea portuáriaalém da região das praias, onde é feito, a seguir,um muro. A sequência executiva de formação dascolunas de compressão e adensamento, calculadade forma a provocar o mínimo de tensões no solo,de modo a não induzir rupturas, particularmentenos meses de vasante máxima, foi feito com totalsucesso.

Figura 10. Projeto básico de reforço do solo de fundação,com CPR, na Zona Portuária, abrangendo 2 segmentos detratamento, onde o segundo segmento serve de suporte aum muro de contenção com cerca de 8m de altura.

4 A CAUSA DE TODO O PROBLEMA: OFENÔMENO DO RÁPIDOESVAZIAMENTO DO RIO NEGRO

O fenômeno do rápido esvaziamento, críticonesta região do Amazonas, e causa de todos osproblemas de ruptura, se apresenta de 3maneiras distintas, conforme condiçõesclimáticas e a condição do solo nas regiõesribeirinhas (figura 11):

Figura 11. As três modalidades de esvaziamento do RioNegro ao longo da região portuária, de acordo com o tipode aterro empregado.

Na condição lento e completo, a situação dofluxo e da poropressão ficam ambas equilibradas(condição hidrostática). Na condição rápido ecompleto o solo, tipicamente aterros argilososcompactados, funciona como não drenado, o NApermanece na condição inicial superior, emgrande parte do período de esvaziamento. Para acondição transiente, a superfície do NA écurvilínea dentro do maciço, dependente davelocidade de esvaziamento do Rio Negro e,principalmente das propriedades do solo (aterro),assim como sua condutividade hidráulica,porosidade, etc. Consequentemente, aporopressão remanescente no maciço é do tipotransiente, ou seja, varia com o tempo e com acapacidade dos aterros reterem a água.

O fenômeno do rápido esvaziamento do RioNegro, descendo cerca de 15m de altura emapenas 6 meses, talvez seja a mais severacondição a que um talude pode se submeter, razãodo conhecido fenômeno das "terras caídas" emtoda a região amazônica. Durante o esvaziamentorápido do Rio Negro, que pode chegar a cerca de15cm por dia, perde-se o efeito estabilizante daágua na região superior dos taludes e piers dasáreas portuárias, permanecendo alta a poropressãono interior dos maciços portuários. O resultado é aredução da estabilidade desses maciços e taludes,seguido de processos de ruptura.

A variação das características do aterro, aolongo dos anos em toda a extensão portuária, écrítica e influencia enormemente a dissipação daporopressão. Aterros arenosos drenam rápidodurante o esvaziamento do Rio, já aterros argilososconfinam a água, fazendo com que a descida dasuperfície piezométrica não acompanhe a do nívelda água livre do Rio, causando rupturas repentinasde toda a massa de aterros, taludes e "praias" daregião portuária. A figura 12 mostra a situação decheia em aterros argilosos. Já, na figura 13, émostrada a execução do CPR.

Figura 12. Nível piezométrico alto quando da cheia doRio Negro.

Figura 13. Os serviços de reforço CPR neutralizam acompressibilidade do solo e a ação piezométrica,restituindo a segurança necessária.

5 O CONVÍVIO COM A PERMANENTEPOSSIBILIDADE DE RUPTURA

A grande extensão portuária e os frequentes ehistóricos problemas de ruptura de seus maciços(figura 14) fazem com que se tomem medidas desegurança apropriadas, através da instalação deconsiderável quantidade de inclinômetros, demodo a se monitorar a resposta do solo aotratamento CPR, ao longo da profundidade, frenteao nível de tensões aplicado a cada metro deprofundidade, através da formação de bulbos decompressão e adensamento do solo, via teoria daexpansão de cavidades, em meio drenanteartificial.

Figura 14. Processo de ruptura, na região portuária, com perda considerável de bens e até vidas.

6 A CERTIFICAÇÃO DOS SERVIÇOSDE CPR

Melhoramento ou reforço de solos moles é amodificação de suas características, de modo aatender a performances desejadas, seja de formalocalizada ou ao longo de grandes áreas. Atecnologia CPR de tratamento de solos moles

baseia-se na teoria da consolidação do solo, ouseja, induzindo-o a perder água e volume demodo a modificar sua resistência e,consequentemente, adicionando rigidez. Aestratégia de compressão do solo baseia-se nateoria de expansão de cavidades, que possibilitaatuar ao longo de toda a profundidade do depósitode solo mole.

O modelo de tratamento CPR pode serexplicado pela célula unitária composta porquatro bulbos de compressão e adensamento,realizados via expansão de cavidades, que acabampor isolar um bulbo de solo em seu centro,comprimindo-o, confinando-o e consolidando-o(figura 15).

Figura 15. Célula unitária representativa do CPR(Almeida e Marques, 2010).

Desta forma, naturalmente torna-se obrigatórioanalisar esta célula através de testes queprivilegiam a deformação, com ensaiopressiométrico, que possibilitará analisar todo ocontexto da célula unitária, ou seja, o solocompósito, através da mesma teoria da expansãode cavidades. Equivocadamente, ensaios tipo SPTe CPT, que privilegiam a ruptura, não conseguemanalisar de maneira completa a célula unitária doCPR. A presença crescente de materialargiloso/siltoso afeta a investigação do grau dereforço obtido, particularmente com relação aresistência de ponta do CPT, que é relativamenteinsensível como medidor de incrementos deresistência e rigidez, conforme pesquisa deCampanella et al (1982).

Assim, todo o serviço CPR é aferido antes edepois com análises pressiométricas que,basicamente, utiliza sonda cilíndrica inflável,posicionada a diversas profundidades. Opressiômetro utiliza unidade de controlehidráulico para carregar a sonda, monitorando aresposta do solo na profundidade ensaiada. Asfiguras 16 e 17 mostram essas análises sendoexecutadas.

Figura 16. Análise pressiométrica executada na "praia" daZona Portuária

Figura 17. Análise pressiométrica executada na áreapavimentada da Zona Portuária

Os dados coletados de cada ensaio sãoutilizados para determinar a pressão limite, quecalcula a capacidade de carga do solo e o módulopressiométrico, que informa o nível de rigidezobtido, além da resistência ao cisalhamento.Piezômetros de cordas vibrantes, instalados naárea portuária, monitoram o excesso deporopressão, parâmetro crítico durante o processode formação dos bulbos de compressão do solo,informando se a dissipação ocorria rápida osuficiente.

Todas as áreas tratadas, bem identificadas,foram submetidas a análises pressiométricas antes

e após o tratamento CPR de maneira a certificá-las. A distribuição dos ensaios varia de acordocom o tamanho da área, obedecendo-se diretrizesnormativas inerentes. Os resultados, apresentadosna tabela 1, dão uma ideia exata do nível demelhoramento/reforço imposto ao solo de

fundação, ao longo de toda a profundidadetratada, onde se observam mudanças de densidadee do regime de tensões, que interferem e alteram ohistórico de tensões das camadas de solo poucocompetentes.

Tabela 1. Resultados de Ensaios Pressiométricos: planilha com valores pressiométricos típicos obtidos pré e pós CPR.

Item EnsaioProf(m)

DATAPL

(kPa)h,o

(kPa)PL*

(kPa)Es (kPa) G

(kPa)Su

(kPa)Condição

1 PMT01_Pré 3,0

30-jan-13

115,0 28,4 86,7 696,00 0,40 248,6 23,4

Pré-CPR2 PMT01_Pré 5,0 190,0 47,3 142,8 1.992,00 0,40 711,4 34,13 PMT01_Pré 7,0 245,0 66,2 178,9 1.974,00 0,40 705,0 41,34 PMT01_Pré 9,0 180,0 85,1 95,0 1.013,00 0,40 361,8 32,75 PMT02_Pós 5,0

31-jan-13427,3 47,3 380 2.995,00 0,40 605,4 55,1

Pós-CPR6 PMT02_Pós 7,0 486,2 66,2 420 2.982,00 0,40 886,4 59,67 PMT02_Pós 9,0 561,5 85,1 480 2.906,00 0,40 823,6 54,514 PMT05_Pré 3,0

03-fev-13

145,0 28,4 116,7 1.003,00 0,40 358,2 27,8

Pré-CPR15 PMT05_Pré 5,0 141,0 47,3 93,8 820,00 0,40 292,9 27,316 PMT05_Pré 7,0 151,0 66,2 84,9 550,00 0,40 196,4 28,717 PMT05_Pré 9,0 210,0 85,1 125,0 927,00 0,40 331,1 36,818 PMT06_Pós 2,0

12-abr-1357,9 18,9 390,0 3.246,00 0,40 87,9 21,7

Pós-CPR19 PMT06_Pós 9,0 495,1 85,1 410,0 4.275,00 0,40 812,5 62,920 PMT06_Pós 11,0 906 104,0 802,0 12.552,00 0,40 4482,9 177,3

Os ensaios pressiométricos indicam,também, um aumento na rigidez do solo, assimcomo em sua resistência ao cisalhamento.Jamiolkowski e Pasqualini (1992) informamque a rigidez obtida em solos melhorados incidediretamente no grau de sobreadensamento, maisdo que qualquer aumento de densidade. Ainstalação de inclinômetros e placas derecalques em toda região portuária tratada,nestes três anos, posicionam pelo total sucessodo reforço de solo com CPR. A tabela 2apresenta valores de referência de pressãolimite e módulo de elasticidade de acordo com aclassificação do solo.

Tabela 2. Tabela de referência (Briaud, 1992).Tipo de Solo Pressão

limite líquidaPL

* (kPa)

MóduloPresiométrico

Em (kPa)Argila mole 0 - 200 0 - 2.500Argila média 200 - 400 2.500 - 5.000Argila rija 400 - 800 5.000 - 12.000Argila muito rija

800 - 1.600 12.000 - 25.000

Argila dura > 1.600 > 25.000Areia fofa 0 - 500 0 - 3.500Areia medianamente compacta

500 - 1.500 3.500 - 12.000

Areia compacta

1.500 - 2.500 12.000 - 22.500

Areiam muito compacta

> 2.500 > 22.500

Tabela 3. Módulo Pressiométrico Equivalente:

O módulo de elasticidade equivalente(Geq), estabelece relação entre os módulos dascolunas do solo tratado (Gs), e das colunas deGeogrout (Gg). Esta relação é representada por umamédia ponderada entre as áreas de solo tratado e decolunas de Geogrout. A média de resultados obtidoscom ensaio pressiométrico foi:

Média de Módulos(valor médio)

% da Áreaunitária

(m²)Gs,antes = 900 kPa ******Gs,depois = 6.600 kPa 80,3 %Gg = 240.000 kPa 19,7 %Geq 100%

Nota: O valor de Gg é obtido em laboratório, e épadrão do CPR.

Sendo o módulo equivalente (ver figura 15)representado por:

Geq = 19,7% Gg + 80,3% Gs = 52.579,8kPaequivalente a uma argila dura.

7 CONCLUSÃO

A ocorrência de deslizamentos/rupturas nosaterros da zona portuária de Manaus temhistóricos exatamente por sua frequência. Nãohá nenhum mecanismo de resposta eacompanhamento sistemático destes sériosproblemas, que identifique cada situação e suasparticularidades geológicas/geotécnicas.Contudo, a totalidade das causas, as técnicas deintervenção aplicadas, seu sucesso e suas falhassão do conhecimento dos geotécnicosportuários. Um detalhe importante nestecontexto é que pela extensão dos problemas e agrandeza da região sintomática, somente oscasos catastróficos chegam a opinião pública,mascarando o problema. A zona portuária deManaus, por sua importância crescente na vidada cidade, tem apresentado situaçõescatastróficas cuja intervenção impacta em suapopulação. A utilização da técnica de reforço desolos com CPR tem demonstrado, ao longo dedois anos ininterruptos de atuação, sercompletamente eficiente para este grandeproblema da região e, por extensão, de toda aAmazônia. Como a escolha do fator desegurança é vital em qualquer projeto, o

conhecimento dos parâmetros de resistência,rigidez, distribuição da poropressão,experiência acumulada com as diversificadasmassas de aterro e solo de fundação da críticazona portuária de Manaus e, por fim, aexperiência adquirida, permitem viabilizar oCPR como sistemática de tratamento seguro,econômico e 100% eficaz para soluçõesportuárias. A nível de certificação de solos, osestudos de Jamiolkowski e Pasqualini (1992)além de Campanella et. al. (1982) representamverdadeira especificação técnica para osserviços de reforço de solos, interpretando eesclarecendo em termos de ganho de rigidez eresistência pela utilização do pressiômetro.

REFERÊNCIAS

Almeida, M. S. S. e Marques, M. E. S. (2010). AterrosSobre 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) Compactionof granular soils, remarks on quality control, V.2, pp.902-914 et aussi discussion Vol. 3, pp. 85-87, inGrouting, 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 WaveVelocity. Journal of Geotechnical Engineering 01/1986;112(8). DOI: 10.1061 / (ASCE) 0733 – 9410 (1986) 112: 8 (791).