Introdução
A crescente necessidade de ocupação de zonas de terrenos aluvionares e coluvionares para a construção de novas estruturas tem conduzido à crescente procura de novas soluções de tratamento de solos e de fundações que permitam optimizar os prazos de execução e as questões económicas, respondendo em condições de segurança aos problemas encontrados. No enquadramento descrito, é apresentado neste artigo o caso de obra de um edifício industrial construído na cidade de Fréjus, em França, onde se recorreu à aplicação da tecnologia de Cutter Soil Mixing (CSM) para o melhoramento do solo de fundação, dada a presença no local interessado pela obra de um aterro sobrejacente a uma camada de solos coluvionares com características inadequadas para a fundação do novo edifício industrial.
O edifício apresenta uma geometria em planta aproximadamente rectangular com uma área de implantação de cerca de 3800 m2. Na Figura 1 pode observar-se a localização da obra em estudo.
A principal preocupação na concepção da solução apresentada centrou-se na minimização de assentamentos totais e diferenciais da estrutura do edifício. De acordo com o contexto geológico-geotécnico encontrado no local da obra, houve a necessidade de garantir a transmissão dos esforços da estrutura ao substrato de melhores características geomecânicas (Margas gresosas), detectado a profundidades variáveis, entre os 3 e os 7 m. A solução proposta para a referida transmissão de esforços ao estrato competente consistiu, na generalidade, na execução de uma malha regular de painéis de solo-cimento realizados através da tecnologia de CSM, executados sob uma camada de repartição de 0.60 m de altura em tout-venant, sobre a qual assentou a laje de fundo do edifício.
A tecnologia de CSM constitui uma alternativa às soluções mais tradicionais, com vantagens técnicas, económicas e ambientais, tendo sido já aplicada com sucesso no âmbito do melhoramento do solo de fundação em várias obras (Ameratunga et al., 2009; Pinto et al., 2010).
Figura 1 – Vista aérea da localização da obra (Google Earth, 2012)
O edifício a construir apresenta apenas um piso em altura e a respectiva envolvente é caracterizada pela ausência de construções adjacentes (Figura 2).
Figura 2 – Representação do aspecto final da obra
Princiapis Condicionamentos
Condicionamentos de ordem geológica e geotécnica
A concepção da solução apresentada foi apoiada num estudo geotécnico que incluiu a realização de ensaios de penetração estática (CPT). A análise dos resultados obtidos permitiu identificar uma camada de aterros com cascalho até um metro de profundidade (Zona Geotécnica 1 – ZG1), sobrejacentes a uma camada de solos coluvionares caracterizados por apresentarem reduzidos valores de resistência e deformabilidade elevada (Zona Geotécnica 2 - ZG2), repousando por sua vez num substrato de margas gresosas (Zona Geotécnica 3 – ZG3) detectado a profundidades variáveis, entre os 3 e os 7 m (Figura 3).
Figura 3 – Zonamento Geotécnico e principais parâmetros geomecânicos do terreno
Condicionamentos relativos ao prazo de execução da obra
O prazo de execução da obra exigido pelo Dono de Obra foi de 4 semanas. Sendo este um aspecto de grande importância, as soluções propostas foram concebidas tendo presente a necessidade do cumprimento deste objectivo.
Descrição da Solução Adoptada
No enquadramento descrito, a solução adoptada para garantir a correcta transmissão de esforços ao terreno competente consistiu na execução de 118 painéis de CSM, com secção transversal rectangular de dimensões 0.60 m x 2.40 m, dispostos numa malha quadrada em planta (Figura 4). Os painéis de CSM foram executados até profundidades variáveis entre 3.5 m e 7.5 m, com vista a garantir um encastramento mínimo dos mesmos de 0.5 m no estrato competente (Margas gresosas).
Para permitir um encaminhamento eficaz das cargas para os painéis de CSM foi prevista a execução de capitéis de encabeçamento dos painéis com 1.0 m de altura e uma geometria rectangular com dimensões em planta de 3.6 m x 1.8 m, realizados através de uma pré-escavação com a geometria do capitel, posteriormente preenchida pelo refluxo resultante da execução do painel de CSM em profundidade.
Figura 4 - Disposição em planta dos painéis CSM
A solução incluiu ainda a execução de uma camada de repartição de 0.60 m de altura em tout-venant, sob a qual foi executada posteriormente a laje de fundo do edifício. Nas figuras 5 e 6 pode observar-se, respectivamente, um corte-tipo e a planta geral da solução executada.
Figura 5 – Corte-Tipo da solução de melhoramento do solo de fundação
Figura 6 - Planta da solução de melhoramento do solo de fundação
A figura seguinte mostra uma vista da obra onde é possível observar a superfície de alguns capitéis dos painéis de CSM executados.
Figura 7 - Vista dos capitéis de alguns dos painéis de CSM executados
Com a aplicação desta solução foi possível cumprir o prazo de execução exigido de 4 semanas, o que se traduziu num ritmo de execução médio de 6 painéis de CSM por cada dia de trabalho.
A tecnologia de CSM consiste, de uma foram geral, na mistura mecânica do solo in situ com um ligante hidráulico, normalmente calda de cimento, obtendo-se painéis de solo-cimento de secção transversal rectangular, dotados de características de resistência e de deformabilidade que permitem a sua aplicação a problemas como o que se descreve no presente documento e em outros casos como, por exemplo, estruturas de contenção e paredes de impermeabilização (Gerressen et al., 2009). A ferramenta utilizada, à semelhança do que acontece na tecnologia de paredes moldadas, é a hidrofresa, constituída neste caso por dois conjuntos de rodas de corte que giram em torno de eixos horizontais (Figuras 8 e 9).
O equipamento utilizado apresenta a versatilidade de permitir o atravessamento de todos os tipos de solos, destacando-se ainda a possibilidade de utilização do terreno in situ como material de construção, a minimização do volume de materiais a vazadouro e o conhecimento da geometria exacta do material tratado em profundidade.
Figura 8 - Equipamento utilizado para a execução dos painéis de CSM
Figura 9 – Vistas do equipamento durante a execução de um painel de CSM
Modelo de Análise
Numa fase inicial, a malha de painéis CSM foi definida com base na limitação da tensão de compressão nos painéis de CSM, quando sujeitos a cargas de serviço, ao valor máximo de 1.5 MPa, admitindo-se, pelo lado da segurança, a transmissão de toda a carga do edifício para os painéis de CSM.
Tendo por base a malha de painéis definida na fase inicial do estudo, procedeu-se posteriormente à análise do comportamento da solução em termos de assentamentos, recorrendo a um modelo numérico de elementos finitos, através do programa de cálculo Plaxis®. Para a modelação do terreno existente, da camada de tout-venant e dos painéis de CSM, recorreu-se ao modelo de comportamento Mohr-Coulomb, disponibilizado no programa de cálculo, tendo-se adoptado os parâmetros geomecânicos indicados no ponto 2.1 do presente artigo.
Para a avaliação dos efeitos da variação de determinados parâmetros nos valores finais dos assentamentos, foram também efectuadas análises paramétricas. Uma das referidas análises paramétricas consistiu na variação do módulo de deformabilidade da camada de tout-venant. A laje em betão armado foi simulada com comportamento linear elástico considerando um módulo de deformabilidade estimado tendo em conta os efeitos de fluência.
Na Figura 10 pode observar-se a geometria simplificada, a malha de elementos finitos e as condições fronteira consideradas na análise numérica efectuada.
Figura 10 - Modelo de cálculo: Geometria simplificada, malha de elementos finitos e condições fronteira consideradas
No caso da obra em estudo, obtiveram-se distorções angulares inferiores a 1/800 em todas as análises efectuadas, encontrando-se os valores obtidos dentro dos limites estabelecidos como aceitáveis para o bom comportamento da obra. A distorção angular (β) é definida como a relação entre o assentamento diferencial (Δl) entre dois pontos e a respectiva distância entre os pontos (l). O valor do assentamento total máximo obtido nas análises efectuadas foi de aproximadamente 11 mm.
Na figura seguinte pode observar-se, a título de exemplo, o aspecto da deformada obtida numa das análises efectuadas.
Figura 11 - Deformada obtida na modelação numérica
Controlo de Qualidade
A obtenção de boas soluções por aplicação da tecnologia de CSM é fortemente condicionada por diversos factores como por exemplo as características do solo que serve de base ao tratamento, os requisitos específicos de cada projecto, a experiência do projectista, a disponibilidade de equipamento apropriado e de pessoal qualificado, entre outras. As particularidades associadas ao processo de execução da tecnologia de CSM e, sobretudo, a utilização do solo in situ como material de construção, tornam fulcral o controlo de qualidade durante a execução. Este controlo é efectuado numa primeira fase durante a execução dos painéis de CSM pelo manobrador do equipamento que através do painel de controlo do equipamento acede em tempo real aos parâmetros de execução. O manobrador do equipamento efectua o ajuste dos parâmetros de execução de forma a optimizar o aproveitamento da energia e criar uma massa de material homogéneo que permita facilmente a descida e a subida do equipamento, podendo ajustar também a posição da ferramenta de corte sempre que é detectado um ligeiro desvio (Bringiotti et al., 2009). Na Figura 12 pode observar-se o painel de controlo do equipamento de execução do CSM.
Figura 12 - Painel de controlo do equipamento
O controlo de execução é ainda efectuado através de ensaios de resistência à compressão uniaxial realizados sobre provetes recolhidos dos painéis CSM. O conhecimento dos parâmetros de resistência do solo-cimento permite ajustar os parâmetros de execução de forma a obter soluções adequadas aos objectivos pretendidos, bem como avaliar a qualidade e a fiabilidade da solução final obtida. No caso da obra apresentada, foram recolhidos provetes “em fresco” dos painéis CSM da obra em estudo que posteriormente foram submetidos a ensaios de resistência à compressão uniaxial. No Quadro 1 encontram-se resumidos os valores médios de resistência obtidos nas duas séries de ensaios realizadas.
| Serie I | Serie II | |
|---|---|---|
| Tensão de rotura à compressão uniaxial (MPa) | 7.0 | 6.5 |
Analisando os valores médios apresentados no Quadro 1, verifica-se que a resistência média dos provetes aos 7 dias de idade é de 7.0 MPa e 6.5 MPa na Série I e na Série II de ensaios, respectivamente. Os valores obtidos são bastante superiores ao valor exigido para validação dos pressupostos de projecto (3 MPa), tendo por isso sido dispensada a realização de ensaios aos 14 e 28 dias de idade, como é prática corrente em obras onde é aplicada a tecnologia de CSM.
Considerações Finais
A utilização de tecnologias que permitem a utilização do solo in situ como material de construção, como é o caso da tecnologia de CSM aplicada no caso da obra descrita no presente artigo, constitui uma solução alternativa às mais tradicionais, com vantagens técnicas, económicas, ambientais e de tempo de execução.
No caso da obra apresentada (Figura 13), a integração do solo existente na solução final associada ao aproveitamento do refluxo resultante da execução dos painéis de CSM para materializar os capitéis de encabeçamento, fez com que fosse nula a quantidade de material a vazadouro resultante do processo de execução. A solução apresentada permitiu responder, na generalidade, aos objectivos pretendidos quer em termos económicos e de prazo de execução, quer em termos do seu bom comportamento enquanto solução de melhoramento do solo de fundação.
Figura 13 – Vistas do exterior do edifício industrial executado
Referências
Ameratunga, J., Brown, D., Ramachadran, R. and Denny, R. (2009). Ground improvement for a large above ground storage tank using cutter soil mixing columns. Proceedings of the 17th ICSMGE, pages 2280-2283.
Bringiotti, M., Dossi, M. and Nicastro, D. (2009). Miscelazione profonda dei terreni: metodi classici e tecnologie innovative – CSM by BAUER. Geofluid 2009.
Gerressen, F. W., Schopf, M. and Stotzer, E (2009). CSM – Cutter Soil Mixing – Wordwide experiences of a young soil mixing method. Proceedings of International Symposium on Deep Mixing & Admixture Stabilization, Okinawa, Japan.
Pinto, A., Albuquerque Núncio, J., Tomásio, R., Morais Sarmento, M. e Peixoto, A. (2010). Soluções de fundações indirectas no colégio Pedro Arrupe – Parque das Nações. Actas do XII CNG – Congresso Nacional de Geotecnia, Guimarães.