Colunas de Brita e Jet Grouting

Grupo: Renan Cysne Novaes Rangel

Wendell

Motivação

Hoje em dia é cada vez mais freqüente recorrer-se a tratamento de solos, uma vez que as zonas urbanas apresentam uma elevada ocupação do solo e o que ainda se encontra disponível, deve-se ao fato de apresentarem má qualidade para a construção civil. Assim, houve necessidade de pensar-se em várias técnicas de tratamento de solos. (PINTO et al.,2009)

Nessa apresentação objetivamos atentar o olhar para as técnicas de Jet Grouting e de Colunas de Britas. Estas técnicas começaram a ser utilizadas algumas décadas atrás, no entanto, através da evolução tecnológica dos últimos anos sua prática se tornou mais corriqueira e viável.

Colunas de Brita

Está técnica está relacionado ao melhoramento do maciço e de suas propriedades, atuando principalmente:

• Aumentando a capacidade de carga • Reduzindo os assentamentos • Acelerando sua consolidação

Concentraremos nosso foco de visão no caso do uso dessa técnica em solos moles. Neste âmbito a coluna funciona de duas maneiras:

1 – Reforçando o Solo:Na coluna, o solo circundante confina

lateralmente a brita, o que permite à coluna desenvolver uma capacidade portante superior à do solo que a envolve (RIBEIRO et al., 2010).

Com o rearranjo das cargas aplicadas ocorre um redistribuição de esforços nas zonas sujeitas a grandes concentrações de tensões.

A conseqüência disso é uma melhor resposta do conjunto, em termos de aumento de resistência (capacidade de carga) e redução de deformações (recalques).

2 – Atuação como dreno em solos moles:Maciços de argila mole, em geral, possuem

uma baixa permeabilidade e uma alta porosidade, sendo assim estão sujeitos a um desenvolvimento de poropressão e com o tempo, recalques. Concentrando nosso olhar nos recalques, podemos dizer que a baixa permeabilidade nos da uma expulsão da água dos poros muito lenta (dissipação de poropressão), e depende do caminho que a água terá que percorrer ate ser expulsa.

Dito isso podemos dizer que a introducao de um elemento de alta permeabilidade pode proporcianar a agua um “caminho mais facil” para escoar, tanto de maneira radial quanto horizontal.

Associamos ao fato de que, em linhas gerais, sempre se instala uma malha de colunas, o efeito de drenagem é potencializado.

Possibilidade de Aplicação

O espectro de solos que podem receber o tratamento com colunas de brita vão desde solos argilosos até as áreas finas ( partículas menores de 0,002 mm até 0,6 mm).

Quanto menor a resistência do solo natural menor será o efeito de confinamento da coluna de brita, reduzindo assim a carga axial máxima por ela suportada, resultando numa maior deformação desta última e numa menor capacidade de carga do conjunto.

Solos argilosos com valores de cu inferiores a 10kPa não são aconselhados para serem reforçados com colunas de brita, pois o confinamento lateral induzido pelo solo à coluna de brita é muito reduzido.

Solos com valores de cu entre 50 a 100kPa começam a oferecer uma muito elevada resistência ao avanço dos diversos aparelhos para execução das colunas de brita. Acresce que solos deste tipo já apresentam características tais que, regra geral, não necessitam de serem reforçados.

Um outro tipo de solos em que pode ser vantajosa a aplicação desta técnica são os solos arenosos de baixa a média compacidade, tendo como objetivo a redução do seu potencial de liquefação.

Para uma grande parte das aplicações práticas (solos com valores de cu entre 15 a 35kPa) os diâmetros realizados compreendem-se entre 70 a 120cm.

Procedimento de execução

1 – Métodos não vibratórios:Os métodos não vibratórios são

caracterizados pela abertura de um furo no terreno preenchido com material brita. O furo é obtido através da retirada do solo até a superfície, e o material de preenchimento é compactado. Este método foi evoluindo com a disponibilidade de novas tecnologias como poderemos ver a seguir.

1 – Métodos vibratórios:Comumente designado como vibrosubstituição, os métodos vibratórios são empregados pela sua rapidez e pela melhoria do solo ao redor da coluna de brita.

A vibrosubstituição consiste na introdução de uma sonda com um vibrador de baixa freqüência no solo natural, com ou sem a ajuda de um fluido de injeção, geralmente água, podendo também ser usado ar.

A ação dos movimentos radiais do vibrador tende a compactar a brita lateralmente de encontro ao solo natural, o que conduz a uma maior densificação deste, para além da densificação inicial resultante da descida e atuação da sonda.

Considerações

Deve-se ficar atento ao aparecimento de solos orgânicos, que como são muito moles, não desenvolvem muito apoio a superfície lateral da coluna, levando a grades deformações.

Devemos atentar também que a execução de métodos vibratórios em solos compressíveis e porosos pode ocasionar uma queda na resistência pela geração de poropressão.

Esquemático típico

Caso real:

Obra de fundação de um aterro construído na linha ferroviária do Norte, na zona de Aveiro, Portugal no ano de 1995. As colunas de brita foram implantadas por vibrosubstituição.

• Solo siltoso finamente micáceos, muito mole e mole;

• Resistência não drenada, cu , entre 20 e 24kPa; • Índice de compressibilidade,Cc, entre 0.60 e 0.92; • Coeficiente de compressibilidade vertical, Vc,

entre 2.8 a 3.6x10-3 cm²/s; • Índice de vazios, e , entre 2.1 a 2.87; • Coeficiente de permeabilidade vertical, Kv , 1.6 a

3.8x10-7cm/s. • Nível freático em torno de 2 metros de

profundidade• Aterro variando de 4.5 a 6.2 m

O comprimento das colunas dependeu da espessura dos estratos moles. A profundidade de penetração é limitada pelos estratos com Nspt até cerca de 5 pancadas, pelo que o comprimento executado das colunas coincide aproximadamente com o início da camada arenosa encontrada. As colunas realizadas apresentam diâmetros entre 0.8 e 1.0m e uma disposição planimétrica em malha quadrada de 2.5m de lado.

Jet GroutingPara o tratamento do solo com calda de cimento (grout) em área e profundidades conforme projeto serão executadas colunas de solo cimento tipo Jet Grouting. As colunas de solo-cimento são corpos cilíndricos executadas mediante injeção de calda de cimento em jatos de altíssima pressão, que desagregam o solo natural resultando em íntima mistura de solo e cimento, permitindo a reclassificação do maciço, aumentando significativamente os seus parâmetros de estabilidade.

MétodosO conceito fundamental da tecnologia “jet grouting” é o emprego da força de impacto do jato hidráulico para desagregar o solo. Nesta tecnologia, a pressão de bombeamento de calda de cimento, que é, inicialmente, energia de natureza potencial, transforma-se em energia cinética, injetando-se calda de cimento atravésde bicos laterais ( geralmente orifícios de diâmetro compreendido entre 1,8 a 4 mm ) à haste, com uma velocidade que atinge 200 - 320 m/s.Combinando movimentos de rotação e de translação ascendente da haste com os bicos jateadores, são criadas formas cilíndricas de solo-cimento, cujo diâmetro e resistência é função da característica do terreno e do método de execução.

O método JSG (Jumbo Special Grout ) ou JG (Jumbo Grout ) - tubo duplo com emprego de ar comprimido, Nakanishi & Yahiro 1975 – utiliza-se duas hastes coaxiais: numa delas ( a interna ) injeta-se calda de cimento e na outra ( envolvendo o jato de calda ) o ar comprimido, obtendo-se desta forma colunas de diâmetros maiores do que aquelas obtidas sem o emprego de ar comprimido. Utilizado para colunas de diâmetro maior, entre 90 e 180 cm, com utilização de jato de ar comprimido à pressão de 20 a 45 Mpa.O método CCP (Cement Churning Pile ) –haste singela, monotubo, Nakanishi, 1970, que historicamente, a letra C inicial desse método era atribuída à “chemical" devidoao uso de aglutinante químico. Neste método utiliza-se apenas uma haste de aço para jateamento da calda de cimento, sem o emprego de ar comprimido, formando, desta forma colunas de diâmetros menores. Pode-se usar neste processo, haste dupla, sem a utilização de ar.

Utilizado para colunas de diâmetro médio entre 40 e 80 cm, basta a injeção da nata de cimento à pressão de bombeamento de 20 a 45 MPa.

O método CJG (Column Jet Grout) - tubo triplo, com emprego de ar comprimido, Yahiro, 1976 – utiliza-se três hastes coaxiais, e dois bicos jateadores: no superior, de menor diâmetro, injeta-se, a pressões elevadas, água envolvida por ar comprimido e no inferior, de diâmetro menor, injeta-se calda de cimento a pressões relativamente mais baixas, obtendo-se colunas de grande diâmetro (até 3 m). Este processo, pelo elevado custo da bomba, é raramente empregado no Brasil.

Utilizado para executar colunas com diâmetro superior a 180 cm, há a inclusão do jato de água, também com altíssima pressão, que, junto ao ar comprimido, faz a pré-ruptura do terreno enquanto a calda de cimento preenche os espaços abertos.

Ensaios prévios de compatibilidade cimento / solo / água

Caso haja a ocorrência de argila orgânica ou terrenos com presença de contaminantes, dado o conhecimento de que para determinadas características físico químicas destas argilas ou terrenos o processo de pega e cura do cimento pode ser muito retardado ou inibido, deve-se promover uma amostragem desta argila e investigação em laboratório de suas características físico químicas e geotécnicas, e subseqüente simulação do seu comportamento, quando misturado com calda de cimento.As amostras do solo deverão ser extraídas com tubo tipo “Shelby”, Osterberg ou outro método de retirada devendo ser protegidas contra a perda de umidade, e transportadas ao laboratório.

Nos furos de amostragem, deverá ser realizada uma coleta da água do subsolo com amostrador apropriado dotado de válvulas de retenção, de forma a permitir a extração da água do furo sem a contaminação por água de lavagem de perfuraçãodas camadas superiores. A coleta deverá ser feita em frascaria ou recipientes apropriados, seguindo estritamente as recomendações do laboratório que irá proceder às análises, observando-se os prazos máximos estipulados por este laboratório quando à validade da amostra.Os ensaios indicativos de compatibilidade mínimos são os indicados na tabela abaixo, e realizados no mínimo em UMA amostra para cada tipo de ensaio.

Outros ensaios químicos complementares eventualmente podem ser necessários tais como Sulfato, Sulfeto, Cloreto, Carbono Orgânico Total, Capacidade de Troca Catiônica, etc.

Parâmetros de injeção

Os parâmetros de injeção, tais como pressão, traço da calda, tempo de injeção, velocidade de rotação e translação da haste serão definidos após ensaios prévios de compatibilidade do solo com o cimento e aferidos em colunas testes pouco profundas onde serão verificadas características geométricas e mecânicas através de escavações para exposições das colunas aferição dos diâmetros resultantes e extração de corpos de prova para ensaios de resistência.

Atividades inerentes à execução dos serviços

As atividades inerentes à execução das colunas são basicamente as seguintes:a) Preparo do terreno com capacidade de suporte adequado aos equipamentos.b) Locação topográfica.c) Seqüência executivaA elaboração de uma seqüência executiva básica prévia que permita a execução contínua de colunas sem interrupções e sem que a perfuração e injeção de colunas não perturbem colunas recém injetadas.d) Sistema de condução e remoção do refluxoEsta atividade propicia as condições de mobilidade do equipamento dentro do canteiro, com limpeza da frente, e compreende a condução do refluxo por canaletas e acumulação provisória em bacias de contenção para posterior coleta e remoção até o bota fora ou reaproveitamento em outras frentes, além de coleta sistemática para ensaios de resistência a compressão.

e) PerfuraçãoA perfuração do terreno é feita pelo processo rotativo convencional com o emprego de água como elemento de lavagem. É empregada nesta fase, perfuratriz rotativaque apresente recurso de rotação da coluna entre 6 a 20 RPM. A coluna empregada é constituída por hastes especiais, com capacidade para absorver até 900 kg/ cm² de pressão. Para estes solos sem matacões (soloshomogêneos) recomenda-se as brocas tricônicas.O hidromonitor é constituído por um cilindro vazado, com rosca API nas duas extremidades. Junto à extremidade inferior onde se acopla a broca de perfuração,existe um orifício de diâmetro entre 1,8 a 4,0 mm. O diâmetro do orifício é determinado em função da compacidade ou consistência do subsolo. No punho da broca de perfuração é usinado um assentamento de válvula esférica que tem por objetivo impedir a circulação da calda de cimento através da saída da broca, durante o processo de injeção.

f) Injeção de calda de cimentoA injeção da calda de cimento é executada através de orifícios de pequeno diâmetro no hidromonitor. A injeção tem início quando a perfuração atinge a profundidade desejada, instante em que se interrompe a injeção d’água e, conforme parâmetrospré estabelecidos, a calda de cimento é lançada através de orifícios de pequenos diâmetros alojados no corpo do hidromonitor em altíssima velocidade.A calda de cimento normalmente tem traço a/c = 1,0 em peso e será ajustado após ensaios prévios de compatibilidade com o solo local e colunas testes.g) Preparação da caldaA calda de cimento é preparada inicialmente num agitador de alta turbulência. O fornecimento de água é importante. Por isso mesmo recomenda-se manter juntoa cada misturador ao menos duas caixas de água de no mínimo 10.000 l, mesmocontando com o fornecimento de água contínuo pelas redes oficiais.

Controles executivosDurante a execução são procedidos vários controles rotineiros de verticalidade, do diâmetro, e da resistência tanto da coluna quanto do refluxo, para que sejam atendidas todas as requisições estabelecidas pelo projeto. Estes controles se referem a:a) Perfuração- Verificação da locação e cota do terreno superficial, anotandoimediatamente no mapa do controle de execução.- Verificação do posicionamento da haste e sua correta inclinação.- Verificação do perfeito estacionamento e nivelamento da máquina,assegurando-se que não haverá nenhum deslocamento durante aexecução dos serviços. Reiniciar os serviços se ocorrer qualquerproblema.- Verificação e anotação da profundidade de perfuração, atravésdo comprimento das hastes utilizadas, bem como controle automáticoe escala graduada externa. Repetir essas mesmas operações com asprofundidades de início e fim de injeção das colunas, e início e fim detrecho de eventual pré-ruptura.

b) Injeção- Verificação e anotação do tempo gasto na perfuração, pré-ruptura e injeção da coluna. O controle do tempo deverá ser feito com cronômetro.- Verificação e anotação da pressão na bomba injetora durante a execução da coluna JG, durante toda a fase de injeção, anotando eventuais variações de pressão.- Verificação e anotação da velocidade de rotação da haste em rpm.- Verificação e anotação do tempo de subida da haste (translação) em cada passo, com uso de cronômetro; controle do passo de injeção do equipamento.- Verificação e anotação do traço da calda de água-cimento do misturador.- Verificação e anotação do consumo real de calda de água-cimento na execução da coluna.- Anotação do tipo e a marca do cimento utilizado.

c) MateriaisOs materiais constituintes das colunas deverão satisfazer às condições específicas na ABNT em ensaios prévios com Certificado de Conformidade.

d) Boletim de controle de execuçãoEstas informações e eventuais outras observadas durante a execução das colunas serão registradas em documento denominado Boletim de Controle de Perfuração e Injeção de Jet Grouting.

Resistência / controle tecnológico

A resistência das colunas é função do tipo do solo. Para tanto a avaliação da resistência da lama de refluxo é um parâmetro que normalmente atende. Eventualmente promove-se a extração e ruptura de corpos de prova.A definição de um programa de controle tecnológico rotineiro durante a execução das colunas, parâmetros de amostragem e aceitabilidade, caso não estejam especificados em projetos, devem ser definidos em comum acordo com a fiscalização e especificações de projeto previamente ao início dos serviços. Sugerimos para avaliação das características das colunas de solo-cimento “in situ” que se adotem os seguintes procedimentos de ensaios:

*Nota: Será feita somente se julgado necessário em função dos resultados do SPT.Deverá se utilizar barrilete duplo livre diâmetro HW para garantir integridade da amostra

Aspectos de projeto (Estimativa de diâmetro, propriedades e dosagens)

O diâmetro efetivo é obtido através da experiência de cada empresa executora, é função de características granulométricas do solo, resitência ( spt ), cimentação e parâmetros adotados para a execução.Abaixo tabelas indicativas de diâmetros estimados em função da granulometria do terreno e para cada processo.COLUNAS CCP

COLUNAS JSG

As propriedades típicas do jet grouting, em valores indicativos para etapa de projeto inicial, que deverão ser confirmados em fase adiantada dos estudos, sãoapresentadas abaixo:

Outros parâmetros, do tipo adesão e tração na flexão, recomenda-se a adoção de 1/3 e 2/3 da coesão respectivamente, para o módulo de deformação E50=~ 100xqu.

A experiência brasileira mostra que o ângulo de atrito do solo tratado é praticamente invariável, da ordem de 32º, sugerindo adotar o mesmo valor do solo “in natura”.Para o coeficiente de permeabilidade valores entre 10-8 e 10-9 m/s.A resistencia do jet grouting à compressão simples das colunas varia de acordo com o aglutinante, tipo de solo e tempo de cura. Portanto a dosagem apresentada a seguir é indicativa e para aglutinante do tipo cimento Portland.

Casos de Obras de Contenção Executadas em Jet Grouting no Rio de Janeiro

Recuperação de um muro de contenção de orla marítima. Apenas como um registro e também como uma solução alternativa ao problema bastante comum em orla marítima como do Rio de Janeiro, em 1981, a Novatecna executou o serviço descrito a seguir em Niterói. Foi o caso de recuperação de uma cortina atirantada na orla marítima, onde por ação da maré devido a ressacas, houve a remoção do solo arenoso de fundação do muro e a conseqüente instabilização dessa estrutura, bem como o carreamento do material de jusante, afetando a calçada e o pavimento urbano adjacente. Uma solução bastante simples aplicada foi a criação provisória de um pequeno aterro arenoso na região do pé do muro, por montante, isto é, pelo lado do mar, e a partir da plataforma criada, a execução de uma linha de colunas compenetrantes de jet grouting, tipo CCP, diâmetro 0,8m para criar uma espécie de “aprofundamento da ficha” da ordem de 3 m e uma contenção. Essa configuração também recalçava o muro, pois cerca da meia seção da coluna ficava na projeção do muro, aprofundando a ficha, além de criar uma contenção para evitar futuras remoções de material (ver figuras 1 e 2). Após esse serviço foi feita a reconstituição da área.

Figura 1. Aspecto dos danos e jet em execução

Figura 2. Vista das colunas CCP de contenção e subfundação do muro atirantado

Travessia subterrânea rodoviária (mergulhão) da Praça XV

O uso do jet grouting ( = 1,2m) nasceu como uma solução alternativa à ∅solução de projeto que previa uma contenção lateral em paredes diafragmas longas (20m), visando a reduzir o fluxo por percolação e a obtenção de ficha para dar estabilidade a uma estrutura embutida em solo flúvio-marinho, variando entre argila mole a média e areia fofa a medianamente compactada, todos saturados (SPT 2 a 10). O objetivo da contenção era permitir a construção de um mergulhão viário com escavação máxima de 5,5 m de profundidade. De um lado estava sob a projeção da Via Elevada Perimetral, além de interferir com as suas fundações e de outro lado, em certos trechos, colado às edificações tombadas pelo patrimônio histórico da Praça XV, no Rio de Janeiro. Foi projetada, (maiores detalhes ver Maffei et al, 1998), uma solução alternativa bastante criativa e técnica, a de se encurtar drasticamente as paredes diafragmas e sua espessura, explorando o conhecimento geológico local. Foram dimensionadas e executadas longarinas e estroncas de jet grouting, espaçadas cerca de 6m, com duas filas de colunas e 2,0m de espessura, quando o fundo de escavação

O uso do jet grouting ( = 1,2m) nasceu como uma solução alternativa à ∅solução de projeto que previa uma contenção lateral em paredes diafragmas longas (20m), visando a reduzir o fluxo por percolação e a obtenção de ficha para dar estabilidade a uma estrutura embutida em solo flúvio-marinho, variando entre argila mole a média e areia fofa a medianamente compactada, todos saturados (SPT 2 a 10). O objetivo da contenção era permitir a construção de um mergulhão viário com escavação máxima de 5,5 m de profundidade. De um lado estava sob a projeção da Via Elevada Perimetral, além de interferir com as suas fundações e de outro lado, em certos trechos, colado às edificações tombadas pelo patrimônio histórico da Praça XV, no Rio de Janeiro. Foi projetada, (maiores detalhes ver Maffei et al, 1998), uma solução alternativa bastante criativa e técnica, a de se encurtar drasticamente as paredes diafragmas e sua espessura, explorando o conhecimento geológico local. Foram dimensionadas e executadas longarinas e estroncas de jet grouting, espaçadas cerca de 6m, com duas filas de colunas e 2,0m de espessura, quando o fundo de escavação.

Figura 6. Mergulhão e as construções lindeiras

Contenção para escavação em solo argiloso mole para execução de blocos de fundações estaqueadas de grande carga

concentrada, REDUC, Duque Caxias

Uma série enorme de blocos de fundação (61) de dimensões e profundidades variáveis, além de contenção para escavação de uma grande área (coque), 40 x 70m até 5m, adjacente aos grandes poços foram viabilizados com o uso de jet grouting (ver figura 7). Os diâmetros dos poços variaram entre 4 e 15m, e as profundidades de escavação de 4 a 7m. O projeto explorou o formato circular para essas contenções para implantação dos blocos, mesmo que houvesse interferência de uma em relação a outra (figura 8). Nesses casos foram definidas uma seqüência de escavação que não prejudicasse o equilíbrio do carregamento previsto no projeto. Por se tratar de obra provisória não foi aplicado nenhum revestimento na estrutura de contenção. A estabilidade de fundo foi combatida com ficha em relação à dimensão e ao solo de fundo da escavação. As colunas nos poços circulares foram do tipo CCP, de 0,8 m. Somente na contenção da grande área ∅escavada (piscina do coque) em solo muito mole e espesso, de até cerca de 14 m, foram adotadas colunas JG ( = 1,2 m) sendo a algumas armadas com perfil metálico. ∅A maioria das colunas executadas ficou flutuante no solo mole. Somente as colunas que deveriam combater as superfícies potenciais de escorregamento ultrapassaram a camada de solo mole e engastaram em solo arenoso ainda sedimentar, porém de maior resistência (SPT > 10) e essas foram armadas com perfil metálico para melhorar a condição de estabilidade.

Para garantir uma resistência mínima de 1,0 Mpa de projeto, utilizou-se sistematicamente uma técnica de pré-lavagem da argila orgânica muito mole a mole da camada superficial. (figura 9)

Referências bibliográficas- ABEF, Associação Brasileira de Engenharia de Fundações - Manual de Especificações de Produtos e Procedimentos – Engenharia de Fundações eGeotecnia – 3ª Ed. Ver. E ampl. – São Paulo: Pini, 2004.

-Relatórios técnicos de obras da executadas pela Tecnogeo- www.tecnogeo.com.br-ftp://ftp.unilins.edu.br/bernardo/FUNDACOES%202%20Artigos%202a.%20prova%202s2010/Previs%C3%A3o%20%20Recalques%202.pdf