Geocélula:

A geocélula tem importante aplicação como proteção mecânica de talude, podendo ser indicada ainda quando da formação de pequenas ravinas e voçorocas. A geocélula pode ser usada em várias aplicações como suporte de cargas na estabilização de estruturas de contenção de terra, permitindo a configuração de muros conforme as necessidades de cada aplicação e na prevenção e controle de futuras erosão em taludes.

As geocélulas podem ser de dois tipos: de Polipropileno, geocélula de geotêxtil com ligações costuradas. Também de tiras de polietileno de alta densidade (PEAD), soldadas entre si.

Quando abertas formam células contíguas tridimensionais, semelhantes a uma colmeia. A Geocélula pode ser preenchida com areia, brita, concreto ou solo. Conforme a disponibilidade local e a finalidade da obra.

Chegada da Geocélula na obra

Fácil aplicação, note o detalhe da valeta de crista que serve como trincheira de ancoragem

Recuperação de Áreas Degradadas com solos pobres, utilizando geocélulas para adubação e consequentemente revegetação.

Aplicação da Geocélula na Crista do Talude

Início da abertura das Geocélulas deslizando a mesma sobre o talude

Ancoragem da Geocélulas na crista do talude

Abertura da malha da geocélula

Geocélula aplicada e desenvolvida sobre o talude

Talude visto de frente com a geocélula aplicada em sua extensão

Matéria orgânica - Adubo preparado para ser projetado e lançado entre as camadas de geocélula afim de promover a troca e correção do solo pobre do talude local, garantindo uma nova condição de germinação das sementes que serão aplicadas no talude.

Projeção do solo adubado e corrigido entre as camadas da geocélula através de hidrosemeadura ou adubação projetada manual ou mecanizada.

Aplicação da adubação de cima para baixo no talude preenchendo todos os espaços vazios entre as geocélulas.

Geocélulas sendo preenchidas com adubação e solo corrigido para permitir a hidrosemeadura e aplicação da biomanta para proteção das sementes.

Vista superior do talude 1 com o preenchimento da adubação pelo adubo entre as geocélulas para a troca de solo

Detalhe superior do tratamento do talude com a correção da adubação reforçando o solo existente.

Aplicação da adubação entre as geocélulas.

Aplicação da biomanta para proteção da camada de adubo e do confinamento do solo e proteção da semente até que as mesmas ganhem força e germinem após a hidrossemeadura.

Descendo as biomantas protegendo a camada de solo de adubação confinando e protegendo do sol e da chuva e do carreamento de partículas até a germinação das sementes.

Detalhe da descida das biomantas no talude pro sobre a geocélula e a camada de adubação

Detalhe da proteção do talude com Biomanta vegetal biodegradável

A geocélula é um geossintético constituído por tiras sobrepostas, de polietileno de alta densidade extrudado, unidas entre si por meio de solda em intervalos descontínuos, de forma que, quando separadas ou expandidas, durante a instalação, apresentam-se como um painel de estrutura tridimensional de células contíguas, de paredes verticais, semelhante a uma colmeia. Os painéis são fornecidos fechados, com as tiras empilhadas umas sobre as outras e são abertos para serem instalados, como mostra a figura 2.

Quando o material de preenchimento das células é granular, a geocélula comporta-se como uma placa semirrígida, resultado do confinamento celular, que transfere e distribui as solicitações de compressão e de tração de grande intensidade, proporcionando maior capacidade de carga do que qualquer geogrelha ou outro geossintético. O uso de material coesivo para enchimento das células não é apropriado para o uso como reforço, porque devido às células serem pequenas, não há condições para compactação, como também pela falta de benefícios físicos desses solos. Contudo, para proteção de superfície de taludes contra erosão e canalizações de reduzida velocidade de escoamento, há a possibilidade do preenchimento da geocélula com material coesivo, inclusive com solo para plantio de vegetação, como será visto adiante no presente manual.

Nas aplicações de reforço as células individuais da geocélula têm as dimensões da altura e do diâmetro na proporção de aproximadamente um, Richardson (2004.)

A concepção da geocélula ocorreu no final da década de 1970, quando o U.S. Army Corps of Engineers foi incumbido de desenvolver rapidamente um sistema tipo plataforma, para ser apoiado sobre solos de baixa capacidade de suporte e permitir o acesso de equipamentos militares pesados. O resultado desse desenvolvimento foi a invenção da geocélula, que ao ser preenchida com areia ou pedra suportaria cargas elevadas, quando colocada sobre esses solos pouco resistentes. Desde então, a geocélula tem sido utilizada em projetos/obras militares e civis em todo mundo.

A geocélula de PEAD está disponível no mercado com a superfície lisa ou texturizada, e com ou sem perfuração nas paredes/tiras constituintes das células dos painéis, figura 3. Quando o solo de apoio do painel da geocélula é argiloso, um geotêxtil com função separação deve ser colocado sob o painel para evitar o bombeamento de finos para o interior do enchimento granular da geocélula.

A função do confinamento celular para solo de apoio granular.

No início da pesquisa sobre geocélula, Webster e Watkins (1997) mostraram que as geocélulas apresentavam um confinamento efetivo do material de enchimento, quando a altura da célula era igual ou maior que o seu diâmetro. Segundo Richardson (2004) esse confinamento é similar àquele apresentado pela bolsa preenchida com areia, em “sandbags” convencionais. Quando a carga é aplicada no material granular confinado, sua expansão perpendicular à carga é limitada pela resistência à tração da bolsa. Isso cria uma tensão confinante, que aumenta a resistência do enchimento granular. O confinamento lateral da geocélula produz uma coesão aparente no enchimento granular, a qual é importante para o desempenho deste. O valor da coesão aparente desenvolvida é influenciado pela rigidez das paredes da geocélula e pela capacidade desta em conter o enchimento granular. O modelo da coesão aparente tem sido aplicado com sucesso a todas as configurações de solo reforçado, e para aplicações em estradas pode ser claramente demonstrado usando as análises convencionais de capacidade de carga, as quais mostram que o uso da geocélula pode aumentar em até 300 vezes a capacidade de carga, quando comparada a uma camada de areia. Na falta de um método rigoroso para a avaliação da capacidade de carga para uma geocélula especificada com preenchimento granular, a coesão aparente deve ser baseada em ensaios de laboratório.

Fatores que influem na capacidade de carga da geocélula em solos de baixa capacidade de suporte

Avesani Neto (2013) cita que entre as características da geocélula que influem diretamente na capacidade de carga, de um sistema de reforço, estão o formato, as dimensões e a quantidade de células, a geometria do reforço e o material de composição (resistência/rigidez) da célula. Assim sendo, os parâmetros significativos para essa aplicação são: a razão de forma (altura dividida pela largura da célula) e a razão do carregamento (largura do carregamento dividido pela largura da célula). Por outro lado, Richardson (2004) chama atenção que se deve ter em mente o papel da rigidez na geocélula, estrutura em forma de colmeia de material polimérico, quando esta é selecionada para um projeto. Painéis de geocélula podem ter uma porcentagem significativa das suas paredes removidas pela perfuração das tiras. As perfurações reduzem muito a rigidez da estrutura em forma de colmeia. Desta forma, as perfurações devem ser apenas suficientes para melhorar o atrito de interface.

O desempenho das geocélulas constituídas por tiras de PEAD texturizadas, como também das constituídas por paredes perfuradas, é essencialmente o mesmo para a maioria dos materiais granulares. As perfurações são realizadas para permitir que os painéis de geocélula sejam drenantes, quando usados em taludes na aplicação de proteção e controle de erosão, e não melhoram o desempenho destas em aplicações de capacidade de suporte, objeto do item 7. Por outro lado, quando a texturização é realizada, reduz significativamente a espessura nominal e consequentemente reduz a rigidez da estrutura de colmeia da geocélula.

Durabilidade da geocélula

As propriedades físicas e de durabilidade da geocélula apresentadas na tabela 1 do item 2 ˗ Propriedades Técnicas ˗ são similares às propriedades da geomembrana de PEAD. É importante notar que as geocélulas devem ter grande resistência ao stress cracking, a qual é necessária, uma vez que o material granular será compactado diretamente em contato com as paredes das células. Além disto, a geomembrana e a geocélula de PEAD devem possuir uma proteção muito boa contra os raios ultravioleta, pois em várias aplicações podem ficar expostas longos períodos de tempo. Geralmente, a geocélula fica exposta aos raios UV por um período curto, somente durante a instalação.

2.0. Especificações Técnicas

As geocélulas são fabricadas por diversas empresas, desta forma a maioria das propriedades físicas são as mesmas para todos os fabricantes. No entanto, o fabricante deve assegurar os valores mínimos das propriedades, incluindo as de durabilidade, por meio de um bom controle de qualidade de fabricação, e o projetista deve confirmar a veracidade dos valores mínimos, antes de especificar a geocélula.

3.3. Principais aplicações da geocélula na proteção e controle de erosão

Principais aplicações da geocélula na proteção e controle de erosão

Canais (como alternativa a soluções tradicionais, como o concreto armado e colchão reno).

Revestimento e proteção de taludes (não reforçados e reforçados).

3.4. Escolha do material de preenchimento

Escolha do material de preenchimento

• Solo e vegetação: indicado para taludes íngremes, bermas, diques, canaletas e vertedouros.

• Areia e material granular: apropriado para taludes com inclinação moderada.

• Cascalho (diâmetro máximo 760 mm ): canais e taludes, exceto para os mais íngremes, e com fluxo moderado.

• Pedra britada: canais e taludes, exceto para os mais íngremes, e com fluxo moderado.

• Concreto: Encontro de pontes, taludes íngremes, canais com velocidade de fluxo alta, vertedouros e canaletas.

3.5. Geotêxtil

Geotêxtil

Dependendo do material de enchimento da geocélula e do tipo de solo da superfície de apoio, pode ser necessário o uso de um geotêxtil sob os painéis. Quando o material de enchimento e o solo de apoio são diferentes, ou se o solo de apoio for muito mole ou saturado, o geotêxtil desempenhará a função separação impedindo a migração de finos para dentro do enchimento, assim como a possibilidade do afundamento do material de enchimento no solo mole. No entanto, o uso do geotêxtil pode reduzir significativamente o atrito de interface na base dos painéis geocélula, aumentando dessa forma a força de deslizamento. Por isso, a decisão de usar ou não o geotêxtil deve ser estudada com cuidado, depois da avaliação dos benefícios e dos custos.

Geocélulas em Revestimento de Canais

4.1. Introdução

A geocélula oferece várias opções para resolver problemas erosivos no fundo e nos taludes de canais com fluxo intermitente ou contínuo. Nesta aplicação as geocélulas podem ser preenchidas com solo e vegetação, material granular, concreto ou uma combinação desses materiais, dependendo das condições e particularidades de cada obra.

Em canais onde a velocidade de escoamento da água é inferior a 2 m/s, a geocélula pode ser preenchida com brita ou solo e vegetação, onde o fluxo de água é intermitente, figura 4. Quando a velocidade da água for superior a 2 m/s, a geocélula pode ser preenchida com concreto, eliminando a necessidade de formas, armadura e mão de obra especializada. A flexibilidade do sistema permite que os painéis fiquem bem conformados na superfície de apoio durante a instalação, proporcionando maior contato com essa superfície, além da vantagem de elevada velocidade de execução. A geocélula pode também ser instalada sobre uma geomembrana polimérica, com a função de proteção, quando a infiltração de água é indesejada, como no caso dos canais de irrigação, figura 5. O emprego da geocélula reduz significativamente o custo e o tempo de execução, quando comparado a projetos de canais com soluções convencionais.

4.2. Preenchimento das células com solo e vegetação

Preenchimento das células com solo e vegetação

O solo confinado e com vegetação plantada, como mostra o exemplo da figura 4, tem excelente desempenho em aplicações de canais com fluxo moderado a baixo. A geocélula melhora o desempenho da vegetação por meio do reforço que proporciona na região das raízes. Além disso, direciona o fluxo da água através do topo das células, aumenta a resistência ao cisalhamento do preenchimento e proporciona uma área esteticamente mais agradável em comparação aos métodos convencionais.

Para esse tipo de preenchimento, recomenda-se:

velocidade de escoamento/fluxo máxima menor que 6 m/s (20 fps) e duração do pico do fluxo menor que 24 horas;

velocidade de escoamento/fluxo máxima menor que 4,5 m/s (15 fps) e duração do pico do fluxo menor que 48 horas;

ser usado em taludes do canal acima do nível d’água máximo.

4.3. Preenchimento das células com material granular

Preenchimento das células com material granular

O material granular, tipo brita, tem um bom desempenho, permitindo o uso de diferentes tamanhos do agregado, para as variações da velocidade de escoamento/fluxo encontradas em diversos locais. Esse preenchimento fornece uma estética agradável e uma alternativa de bom custo-benefício em relação ao rip rap, pelo confinamento e aumento do desempenho de agregados menores e mais baratos.

Para preenchimento com material granular, recomenda-se:

velocidade de escoamento/fluxo máxima menor que 1 m/s (3,3 fps) para brita graduada;

velocidade de escoamento/fluxo máxima menor que 2 m/s (6,6 fps) para brita de 38 mm (1 ½”);

velocidade de escoamento/fluxo máxima menor que 3 m/s (10 fps) para brita de 125 mm (5”);

velocidade de escoamento/fluxo máxima maior que 3,5 m/s (11,5 fps): não é recomendado o preenchimento com material granular.

4.4. Preenchimento das células com concreto

Preenchimento das células com concreto

Sistemas de confinamento celular preenchidos com concreto é uma alternativa de elevado custo-benefício, quando comparados aos tradicionais canais revestidos com concreto. A flexibilidade natural do sistema de confinamento celular preenchido com concreto permite a conformação deste com a movimentação do solo de apoio, sem o fissuramento e o desnivelamento que ocorre nas placas de concreto moldadas no local. Os custos de instalação são extremamente reduzidos pela eliminação do custo das formas e outras técnicas de construção empregadas em revestimento de canais com concreto.

Em áreas com acesso limitado, ou muito erodidas, a construção de um muro de geocélula empilhadas ao longo dos taludes do canal permite o enchimento com solo vegetado, material granular ou concreto nas células externas, de modo a gerar um talude íngreme e aumentar a resistência para velocidades de escoamento maiores, figura 6.

Para preenchimento com concreto, recomenda-se:

velocidade de escoamento/fluxo máxima maior que 1,8 m/s (6 fps) menor que 6 m/s (20 fps): Geocélula de 75 mm (3”) de altura;

velocidade de escoamento/fluxo máxima maior que 6 m/s (20 fps) e menor que 7 m/s (23 fps): Geocélula de 100 mm (4”) de altura;

velocidade de escoamento/fluxo máxima maior que 7 m/s (23 fps): Geocélula de 150 mm (6”) e 200 mm (8”) de altura.

Nota: A ancoragem necessária é função da profundidade da velocidade do fluxo máximo, da inclinação do talude e do peso próprio do sistema de revestimento. O projetista deve basear o projeto em informações especificas do local.

4.5. Altura das células

Altura das células

Na maioria das aplicações de controle de erosão, o suporte de carga não é a consideração principal. Entretanto, deve-se fazer a escolha adequada da altura das células, que geralmente é determinada através de:

tamanho e peso do material de preenchimento;

inclinação do talude;

fatores ambientais relacionados a exposição ao tempo;

custo.

O gráfico da figura 7 pode ser usado para selecionar a dimensão e a altura da célula em situações moderadas. Situações moderadas são caracterizadas por precipitações de pouca intensidade, algum escoamento de água pela crista do talude e nenhuma expectativa de que uma boa cobertura vegetal estará estabelecida antes da estação chuvosa ou de uma chuva forte. Se a situação do projeto for mais ou menos severa, a escolha da altura e dimensões das células deve ser baseada nessa situação real. O tamanho máximo de um agregado individual não deve ser maior que ⅓ da altura da célula. As dimensões nominais das células são:

Standard: 259 x 224 mm (10,2” x 8,8”);

Média: 320 x 287 mm (12,6” x 11,3”);

Grande: 508 x 475 mm (20” x 18,7”).

Na escolha das dimensões da célula, é útil observar que a célula grande apresenta superfície acabada mais flexível, enquanto a célula standard possui maior capacidade drenante entre as paredes das células, o que no caso de preenchimento com concreto proporciona maior integração entre as células. Num painel com células standard a resistência à tração do sistema é maior.

4.6. Ancoragem

Ancoragem

A ancoragem da geocélula no talude deve ser apropriada para o bom desempenho desta. As ancoragens devem permanecer após a instalação. O número e o tipo de ancoragem são determinados em função de:

densidade do solo de apoio;

peso e tipo do material de preenchimento;

comprimento do talude;

inclinação do talude;

condições ambientais ou externas, como chuvas torrenciais ou neve;

ângulo de atrito interno do material de preenchimento e do solo de apoio no talude (deve ser usado o menor dos dois valores);

altura da geocélula;

presença de geomembrana como revestimento impermeabilizante.

Antes de selecionar um método de ancoragem, é necessário primeiro calcular a força de deslizamento (NSF) ou a força que deve superar aquela que provocaria o deslizamento da geocélula talude abaixo. O resultado da força de deslizamento (NSF) negativo indica que a força de atrito entre a geocélula e o talude é suficiente para manter os painéis estáveis, sem movimentação.

A tabela 2 mostra alguns exemplos de cálculo da força de deslizamento (NSF):

4.7. Canaleta de ancoragem

Canaleta de ancoragem

A extremidade da geocélula deve ser enterrada numa canaleta de ancoragem na crista do talude para evitar que ocorra fluxo de água sob os painéis. Essa ancoragem tem a vantagem de contar com o peso do solo sobre as células enterradas. A equação apresentada a seguir pode ser usada para calcular o comprimento e a altura da canaleta para suportar a força de deslizamento:

4.8. Grampos de ancoragem dos painéis da geocélula

Estaquear ou grampear os painéis de geocélulas no talude é um método usual de ancoragem usado se não houver geomembrana sob o painel e se o solo de apoio possuir resistência adequada para reter os grampos. O tipo de grampo recomendado é constituído por barras de aço dobradas em forma de “J”. Além disso, o grampeamento dos painéis de geocélulas auxiliam na sua conformação com a superfície do talude, garantido um melhor acabamento da superfície e reduzindo a perda de material usado no preenchimento.

Como regra geral, o comprimento do grampo deve ser três vezes a altura da célula, e a quantidade de grampos usuais é de cerca de 1 unidade/m². Contudo, eles podem variar em função de diversos parâmetros, sendo necessária a sua verificação para cada caso. Esquemas típicos de detalhes de locação dos grampos estão disponíveis, sob consulta em algumas empresas do setor.

4.9. Grampos de união de painéis da geocélula

Se as condições locais exigirem que painéis adjacentes de geocélulas sejam unidos, será necessário um grampeamento entre os mesmos. Para esse grampeamento, em geral, usa-se um revólver pneumático para grampos industriais. Os grampos são colocados em cada conjunto de células adjacentes. Painéis adjacentes podem também ser amarrados e unidos com cabos.

4.10. Cabos e grampos de ancoragem

Em taludes íngremes, onde é necessária uma ancoragem adicional, são usados cabos e grampos de ancoragem. Além disto, o cabo é usado onde não é possível o uso de grampos para ancoragem, como no caso de apoio em rocha e em geomembrana. Esses tipos de ancoragem também são comumente usados quando vários painéis de geocélulas são necessários para cobrir o talude da crista até o pé.

Os cabos devem ter três importantes características: resistência mecânica, durabilidade e resistência à fluência (“creep”). Os cabos de ancoragem geralmente são constituídos por correias ou cabos de poliéster de alta resistência. A carga de projeto e o espaçamento dos cabos de ancoragem são determinados em função da força a ser suportada. Um número grande de cabos de menor resistência é preferível a um pequeno número de cabos de grande resistência. Para evitar concentração de tensões no painel inferior, é essencial usar cabos contínuos ou grandes arruelas.

4.11. Método de ancoragem

Tendo-se o resultado da força de deslizamento (NSF), calculada através da fórmula (1), o próximo passo é decidir como ancorar a geocélula. Esse procedimento é mostrado a seguir para dois dos casos calculados, apresentados na tabela 2. Para o caso com NSF = 0,8 kN/m, o método comum de ancoragem da geocélula é cravar estacas ou grampear os painéis no talude. Para o caso com NSF = 5,5 kN/m, a geocélula deve ser ancorada em canaleta na crista do talude e ser também suportada por cabos.

4.12. Instalação da geocélula utilizando cabos de ancoragem

Se a geocélula não for perfurada para passagem dos cabos, deve-se fazer os furos antes de abrir os painéis, figura 8. Os cabos devem ser medidos e cortados no comprimento desejado (acrescentando 10% aproximadamente para amarração em volta dos grampos de união das células). Ancorar os cabos numa estrutura de suporte na crista do talude. A estrutura de suporte pode ser um segmento de tubo de PVC de alta resistência, uma viga de concreto ou uma série de blocos de concreto colocados numa canaleta de ancoragem, figura 9. Uma alternativa podem ser barras do tipo de tirantes para contenção de encostas, ligadas a blocos de ancoragem (“morto”), figura 10.

A geocélula deve sempre ser ancorada na crista do talude, independente se os cabos de ancoragem são ou não utilizados, para evitar o fluxo de água sob os painéis.

Os cabos devem ser inseridos nos furos dos painéis da geocélula fechada, colocada na crista do talude. É preciso medir e marcar o perímetro da área que será coberta pelo primeiro painel que será instalado. Se possível, grampos de ancoragem devem ser colocados em volta do perímetro, para segurar o painel expandido. Ao abrir e colocar os painéis no lugar, é necessário que se tome cuidado para que os cabos não saiam dos furos. O procedimento deve ser repetido para os demais painéis a serem instalados.

O cabo deve ser amarrado, com tensionamento, nos grampos de união das células ou em barras do lado de baixo da última célula.

O uso de arruelas ou placas ajuda a aliviar os pontos de tensão. O uso dos grampos de união das células, das barras, arruelas e placas auxilia a transferência da carga da geocélula para os cabos. Os grampos de união das células, das barras, arruelas e placas devem ser fabricados com material resistente a corrosão, como aço galvanizado, plástico de alta resistência, etc.

4.13. Sequência executiva

Preparar o local, onde será instalada a geocélula, removendo toda a cobertura vegetal, pedaços de madeira e solo de má qualidade. Fazer o movimento de terra e as canaletas de ancoragem, para aplicações em taludes e canais, de acordo com as especificações do projeto.

Se for especificado um geotêxtil, a instalação deve seguir as recomendações do fabricante.

Cravar parcialmente as estacas ou os grampos de ancoragem ao redor do perímetro da área que será coberta pelo painel a ser instalado, deixando para fora um comprimento equivalente à altura da célula mais aproximadamente 50 mm, para segurar o painel expandido. Um fio de pedreiro pode ser usado para alinhar os grampos e bordas.

O painel de geocélula deve ser expandido para além do comprimento previsto no projeto, permitindo assim a acomodação posterior até o comprimento projetado. Colocar as extremidades das células da StrataWeb sobre os grampos instalados previamente e completar a cravação dos grampos até pouco abaixo das paredes das células.

Os painéis adjacentes da geocélula devem estar nivelados e alinhados uns com os outros. Os painéis devem ser justapostos e colocados juntos às extremidades, coincidindo. A união dos painéis deve ser feita com grampos pneumáticos ou similar, conforme especificado para a aplicação em questão.

Cravar o restante das estacas ou grampos de ancoragem, conforme especificado no projeto.

Após a colocação dos painéis, geocélula deve ser preenchida com o material especificado no projeto.

Para evitar danos à geocélula, o material de preenchimento deve ser lançado a uma altura menor que um metro.

Em taludes ou canais, o material de preenchimento deve ser lançado dentro dos painéis da crista do talude para o pé, usando uma “bobcat”, retroescavadeira ou correia transportadora.

Quando o enchimento for areia, material granular ou solo, o enchimento deve ter uma espessura adicional acima do topo do painel, de 25 mm a 50 mm, para permitir a compactação.

Areia e enchimento granular devem ser compactados com placa no topo das células. Enchimento com solo deve ser compactado com rolo compactador, caçamba da retroescavadeira ou placa compactadora.

Enchimento com concreto deve ser lançado manualmente e o acabamento feito com máquina.

As figuras 12 a 15, a seguir, mostram algumas etapas da instalação da geocélula.

4.14.1. Dimensionamento Hidráulico

Dados necessários

Finalidade do canal;

Seção transversal do canal;

Tipo de revestimento previsto;

Planta do traçado do canal, curvas e interferências;

Informações de projeto: velocidade, declividade, coeficiente de rugosidade, outros;

Natureza e impacto das condições hidráulicas que poderão ocorrer no sistema de proteção com geocélula a ser projetado.

Características do terreno de apoio: topografia, tipo de solo, nível freático, outros fatores locais.

4.14.2. Conceitos utilizados

O dimensionamento hidráulico da geocélula para revestimento de canais é similar ao dos canais convencionais e depende de aspectos relacionados à velocidade de escoamento, declividade do fundo e ao coeficiente de rugosidade, em função do tipo de preenchimento.

A versatilidade da solução, com geocélulas em revestimentos de canais, permite alternativas com excelente custo-benefício em algumas situações e/ou locais peculiares, como por exemplo as situações descritas a seguir:

Locais onde há limitação para a largura do canal

Em áreas urbanas é comum haver restrições para a largura do canal. Esses canais geralmente são projetados com talude quase vertical e o fundo revestido. Neste caso, os taludes podem ser protegidos por um muro de contenção com geocélulas empilhadas, preenchidas com material granular e vegetação, e o fundo do canal com painéis apoiados no solo, como mostra a figura 16.

Canais com baixa velocidade de escoamento

Uma seção transversal constituída por pouca profundidade e grande largura reduz a velocidade, a eficiência hidráulica e as tensões geradas no escoamento (Chow, 1959; Presto, 2008).

Canais com alta velocidade de escoamento

Um canal de seção trapezoidal pode ter alta eficiência hidráulica se a sua geometria seguir as proporções mostradas na figura 16. A eficiência hidráulica, que está associada a altas velocidades de fluxo, se o revestimento for liso (baixa rugosidade) (Chow, 1959), pode ser expressa como a vazão dividida pela seção transversal unitária, para uma dada declividade do fundo do canal. Essa eficiência aumenta à medida que a rugosidade do revestimento “n” diminui e o raio hidráulico “R” aumenta. O revestimento escolhido para o canal, neste caso, deve ser resistente às tensões que resultam da alta velocidade de escoamento.

Todos os métodos de dimensionamento de canais usam a fórmula de Manning para determinação da capacidade de escoamento. Essa fórmula relaciona a geometria da seção transversal, a rugosidade do revestimento, a declividade do fundo do canal e a velocidade média a várias profundidades:

Os fatores mais importantes que afetam a escolha do coeficiente de Manning para o dimensionamento de canais são: o tipo e as dimensões dos materiais que constituem o fundo e as margens, e a forma geométrica do canal. Cowan (1956) desenvolveu um procedimento para avaliar os efeitos desses fatores na determinação do valor do coeficiente de rugosidade para um canal.

A figura 17 mostra os parâmetros que são considerados na fórmula de Manning, usada para determinar a vazão total (m3/s):

Segundo Chow (1959), é possível testar empiricamente combinações dos parâmetros que satisfazem as duas equações e descrevem as condições de fluxo para um dado escoamento. Para a maioria dos casos de fluxo constante, o escoamento é constante através de todo o canal, ou seja, o fluxo é contínuo e o princípio da continuidade pode ser expresso da seguinte forma:

Q1 = A1 v1 = A2 v2 = Q2 (5)

Onde os índices designam as diferentes seções do canal. Na figura 18, os índices 1 e 2 indicam as seções 1 e 2 consideradas.

4.14.3. Geocélula preenchida com solo e vegetação

A geocélula confina o solo, onde a vegetação germinará, assim como reforça as raízes da vegetação quando esta se estabelece. O solo de preenchimento usualmente é depositado sobre um geotêxtil não tecido de 120 a 150 gr/m2, colocado sob o painel da geocélula, com uma altura de aproximadamente 10 centímetros maior que altura da célula. A ancoragem dos painéis é realizada com grampos numa densidade de cerca de um grampo por metro quadrado, conforme os itens 4.8 e 4.11, e a união dos painéis, conforme o item 4.9.

Após o plantio da vegetação e até o completo estabelecimento desta, podem-se utilizar as biomantas, que proporcionarão uma proteção temporária adicional.

Para taludes com inclinação maior que 2H : 1V é recomendável usar uma altura de célula de 10 centímetros, e uma maior densidade de grampos de ancoragem será necessária. Essa verificação pode ser efetuada conforme o item 4.11.

O dimensionamento é efetuado levando-se em conta além do coeficiente de rugosidade de Manning, o qual depende do tipo, da densidade e do comprimento da vegetação, a velocidade de escoamento atuante. Segundo o Guia FHWA-TS-84-204, a quantificação do efeito da vegetação no coeficiente de rugosidade depende da profundidade do escoamento, da porcentagem de perímetro molhado coberto pela vegetação, da densidade da vegetação abaixo do nível máximo da água e de quanto a vegetação se abate pelo escoamento e pelo alinhamento da vegetação com o escoamento. O alinhamento da vegetação paralelo ao escoamento pode impactar menos que um alinhamento perpendicular ao escoamento. O coeficiente de Manning, para um canal regular com superfície vegetada, pode ser estimado pela tabela 3, extraída do Guia FHWA-TS-84-204.

Quanto à velocidade de escoamento, deve ser seguida a mesma recomendação do item 4.2, a seguir:

a velocidade de escoamento máxima deve ser menor que 6 m/s (20 fps) e ter duração do pico do fluxo menor que 24 horas; ou

a velocidade de escoamento máxima deve ser menor que 4,5 m/s (15 fps) e ter duração do pico do fluxo menor que 48 horas.

4.14.4. Geocélula preenchida com material granular

Quando as condições do escoamento não permitem a utilização de vegetação para preenchimento da StrataWeb, deve ser usado um material mais resistente, como os granulares. Nesse caso, o geotêxtil colocado sob os painéis deve ser de 250 a 350 g/m2.

O cálculo da velocidade média para o dimensionamento do canal é realizado usando a equação (3) de Manning. Para preenchimento da geocélula com material granular, o coeficiente de rugosidade para essa equação pode ser calculado pela expressão:

O coeficiente de Manning do material granular depende do tamanho, da forma e da graduação desse material.

Através das equações (3) e (6), o projetista pode avaliar rapidamente as alternativas de preenchimento granular e as seções de canal para encontrar o melhor projeto técnico e econômico. Geralmente o agregado é bem graduado e o tamanho máximo de um agregado individual não deve ser maior que ⅓ da altura da célula.

Richardson (2004) apresenta o cálculo da velocidade média de escoamento para um canal revestido com material granular (sem geocélula), o qual é efetuado através da equação:

Tomando-se como exemplo o cálculo da velocidade média em um canal com 2 metros de profundidade e com ângulo de inclinação dos taludes de 14º:

Portanto, esse exemplo mostra que, para um canal revestido com material granular, sem a geocélula, a velocidade de escoamento a longo prazo é de 2,10 m/s.

Experimentos no Canadian National Water Research Institute, Engel and Flato, 1987, baseados no ensaio flume, indicaram que a velocidade de escoamento do canal pode ser aumentada em 60% quando este for revestido com geocélula. Assim sendo, no exemplo acima, a velocidade poderia ser aumentada para 3,36 m/s, se o canal fosse revestido com geocélula preenchida com material granular.

Richardson (2004) comenta que se nota que a velocidade de escoamento aumenta à medida que a geocélula torna-se visível devido à expulsão de algumas partículas da superfície do material granular de preenchimento, e que essa é uma das causas do conservadorismo das equações usadas no dimensionamento. A literatura dos fabricantes recomenda que a expulsão do agregado da superfície das células pode ser reduzida misturando argamassa aos primeiros três centímetros do agregado. Embora esse procedimento seja óbvio, não há uma orientação de projeto específica para o caso.

4.14.5. Geocélula preenchida com concreto

Quando as velocidades de escoamento do canal excedem os limites permissíveis para a geocélula preenchida com solo e vegetação ou com material granular, o preenchimento das células deve ser com concreto. Nesse caso, a geocélula atuará como a forma do concreto, durante a execução do revestimento, e como um mecanismo de ancoragem para os blocos individuais de concreto contidos na sua estrutura no longo prazo. Os painéis da geocélula devem ser ancorados no talude e na crista, para permanecer estável no talude e resistir aos esforços gerados pela correnteza, conforme indicado nos itens 4.6 a 4.11, dependendo das condições do projeto.

A altura das células é escolhida em função das forças de arranchamento que poderão ocorrer durante a operação do canal.

De acordo com ensaios realizados na Inglaterra na década de 1980 (CIRIA, 1987), geocélulas preenchidas com concreto podem tolerar velocidades máximas de escoamento de 8 m/s se o peso dos painéis exceder 135 kg/m2. Para concreto usual, esse peso está relacionado a uma altura de célula de 76 mm (3 in). Para velocidades maiores que as dos testes do CIRIA, a altura da geocélula deve ser maior. Essa pesquisa usou geocélula de paredes lisas, não perfuradas.

O coeficiente de rugosidade para o concreto lançado em revestimento de canais tem uma estreita faixa de variação, que dependerá do acabamento da superfície. Para os acabamentos mais comuns os valores de variam de 0,012 a 0,022, como mostra a tabela 4.

O cálculo da velocidade média para o dimensionamento do canal é realizado pela equação (3) de Manning.

4.15. Composição de custos da geocélula

A tabela 5 apresenta a composição de custos para as cinco alturas em que as geocélulas são apresentadas. Ressalta-se que a tabela na sequência já apresenta perdas estimadas.

4.16. Comparação de custo da geocélula com outras soluções usuais

Na composição do preço, para comparação entre soluções, foram considerados somente os itens de materiais e mão de obra da solução considerada, como mostram as tabelas 6 a 9. Embora tenham sido consideradas todas as alturas disponíveis e respectivas aberturas da célula, as tabelas 6 e 8 mostram os dados, que foram considerados no cálculo do preço, apenas para geocélula de 10 centímetros de altura, a título de exemplo. No entanto, os gráficos das figuras 19 a 21 apresentam o preço de todas as opções de geocélulas e as comparações com as soluções em gabião colchão (Colchão Reno) e em concreto armado.

4.16.2. Comparação de custo entre geocélula preenchida com concreto e revestimento de concreto armado

5.1 Geocélulas no Revestimento e Proteção de Taludes - Introdução

A geocélula é uma excelente alternativa para sistema de controle de erosão de taludes de aterro e de corte em geral, não reforçados, ou reforçados, utilizando como material de preenchimento material granular, concreto, vegetação, Resíduo da Construção e Demolição (RCD) ou o próprio solo local. As propriedades de confinamento e drenagem da geocélula, quando incorporada ao material de preenchimento, minimizam os efeitos da erosão e promovem proteção de longo prazo na face do talude.

O projeto do sistema de confinamento celular para proteção e revestimento de taludes requer a análise de várias características do local.

O comprimento, a altura, o ângulo de inclinação e da superfície de ruptura interna do talude são parâmetros importantes para a escolha da altura da célula e da ancoragem mais apropriada.

A geocélula melhora o desempenho a longo prazo dos taludes vegetados por reforçar as raízes e direcionar o fluxo hidráulico sobre o topo das células, com estas funcionando como uma série de barragens, e também evitando a formação de sulcos e ravinas.

Neste caso, é função do ângulo de inclinação do talude e da profundidade que a raiz penetrará no solo de apoio da geocélula.

Se o solo de apoio não é adequado para plantio de vegetação, a altura da célula deve ser selecionada de acordo com a necessidade de enraizamento e estabelecimento da vegetação.

No caso das raízes penetrarem no solo de apoio, a altura da célula pode ser reduzida. Esta última condição é preferível, pois as raízes proporcionarão uma ancoragem de longo prazo reforçada pela geocélula. Parece ser irrelevante se as paredes das células são lisas ou texturizadas nesta aplicação.

Uma superfície de talude que precisa de uma proteção com geocélula geralmente tem drenagem deficiente. Neste caso, o uso de células perfuradas permitirá a drenagem da água paralela ao talude.

Pode atuar em conjunto com solo reforçado ou solo grampeado verde

A geocélula melhora o desempenho dos taludes, quando preenchida com material granular, por controlar a perda do enchimento, que de outra forma seria iniciado devido às forças hidráulicas e gravitacionais. Isso é obtido pela dissipação da energia hidráulica através e sob as células e pelo confinamento do material de preenchimento dentro destas.

5.2. Escolha do material de preenchimento, altura, ancoragem e instalação da geocélula

Na aplicação da geocélula StrataWeb para revestimento e proteção de taludes, para a escolha do material de preenchimento deve-se observar as recomendações do item 3.4. Algumas das etapas de projeto, como a escolha do tipo de geocélula, método de ancoragem e instalação são similares às etapas da aplicação em revestimento de canais, item 4, conforme indicado a seguir:

• Altura da célula: item 4.5

• Ancoragem: item 4.6

• Canaleta de ancoragem: item 4.7

• Grampos de ancoragem dos painéis da geocélula: item 4.8

• Grampos de união de painéis da geocélula: item 4.9

• Cabos e grampos de ancoragem: item 4.10

• Método de ancoragem: item 4.11

• Instalação da geocélula usando cabos de ancoragem: item 4.12

• Sequência executiva: item 4.13

​5.3. Dimensionamento da geocélula para revestimento e proteção de taludes

O dimensionamento da StrataWeb em taludes pelo método de Rimoldi e Ricciuti (1994) analisa a estabilidade da geocélula ao longo (bloco central), na crista e no pé do talude.

5.3.1. Verificação da estabilidade ao longo do talude (bloco central)

5.3.2. Verificação da estabilidade na crista do talude

5.3.3. Verificação da estabilidade da ancoragem do bloco ABCD na crista do talude

A análise da estabilidade ao longo do talude permite a escolha do tipo de geocélula adequado às condições locais e o cálculo do espaçamento entre os grampos, enquanto a análise da estabilidade da ancoragem do bloco central ABCD (figura 24A) permite determinar a largura da canaleta de ancoragem para uma profundidade preestabelecida ou vice-versa. É importante notar que, na análise do bloco central, mesmo considerando Rcrista como sendo função somente da resistência das soldas, na análise da ancoragem, deve ser considerada uma força ativa maior, porque as tiras individuais da geocélula podem ser localmente tensionadas com uma solicitação maior que Rj. Este fato foi registrado em várias observações de campo.

O fator de segurança para a ancoragem do bloco deve ser:

5.3.5. Verificação da estabilidade do solo de cobertura

Em alguns projetos a espessura do solo de cobertura é maior do que a espessura da geocélula. Nesses casos deve ser avaliada a estabilidade do solo de cobertura na interface com a face superior da geocélula (figura 24B), que corresponde à superfície C-E na figura 24A.

A força de deslizamento nesse caso é:

5.3.6. Resumo do procedimento de dimensionamento

Baseado nas equações (8) a (28), o procedimento de dimensionamento da geocélula em taludes, pelo método de Rimoldi e Ricciuti é composto das seguintes etapas:

• Determinar as características do solo de apoio e o ângulo de atrito de interface.

• Determinar a força de deslizamento NSF pela equação (9).

• Selecionar o tipo de geocélula, estabelecer o fator de segurança requerido para as soldas FSj e estabelecer o número de grampos b.

• Calcular a força resistente global RT através das equações (10) a (15).

• Determinar o fator de segurança global FSg, através da equação (16).

Não incluir a geogrelha nesta etapa, adotando portanto, Rg = 0.

• Se FSg for menor que 1,5, aumentar o número de grampos ou inserir uma geogrelha sob a geocélula. Definir b (número de grampos) e a2% (resistência à tração da geogrelha a 2% de deformação) por tentativas, até que o fator de segurança requerido seja atingido. Um processo rápido é estabelecer o número de grampos b através da equação (14), atribuindo a dp um valor igual a 2 ou 3 diâmetros de célula; então a resistência à tração requerida para a geogrelha pode ser facilmente calculada como

• Determinar La através da equação (19).

• Calcular Lt pela equação 22 com a equação (15).

• Quando a espessura do solo de preenchimento for maior que a altura da geocélula, calcular FS1 com as equações (23) a (28), adotando inicialmente Rg1 = 0.

• Se FS1 for menor do que o valor requerido, calcular a resistência à tração necessária a 2% de deformação como:

5.4. Composição de custos

A tabela 5, já apresentada no item 4.15, mostra a composição de custos para as cinco alturas que geocélulas estão disponíveis no mercado, considerando perdas estimadas.

Suporte de Cargas em Solos Moles

A GEOCÉLULA

As geocélulas são uma estrutura tridimensional de polietileno de alta densidade (pead) em forma de painel constituído por um conjunto de células contíguas, com paredes verticais compostas por 60 lâminas de 1,25 mm de espessura e largura de 75, 100, 150 e 200 mm, unidas entre si por 10 ou 11 soldas, de forma que, quando posicionados no solo, cada célula mede nominalmente 200x225 mm (400x462 mm para a versão de célula larga).

As geocélulas, quando preenchidas com areia, brita ou concreto, comportam-se como uma placa semi-rígida, distribuindo as solicitações verticais concentradas. Concorrem para tal, o confinamento do agregado, a interação das células contíguas e o atrito entre o enchimento e as paredes das células. Esta propriedade permite aumentar a capacidade de suporte de cargas em solos moles, como por exemplo, para estabilizar a base de

estradas ou vias ferroviárias, pátios de estacionamento ou de cargas, etc, seja com ou sem pavimento.

As geocélulas constituem também um excepcional reforço para o controle da erosão. Esta solução é largamente utilizada para revestimento de canais e taludes, inclusive de orlas fluviais e marítimas. Os materiais de preenchimento - areia, brita, concreto ou solo vegetal - serão selecionados em função da severidade do agente causador da erosão, da presença ocasional ou permanente de água, etc.

APLICAÇÕES

Recomenda-se a utilização de geocélulas para obras do tipo:

- Controle de Erosão

- Solos Moles

- Taludes

- Muros de contenção

INSTALAÇÃO

Fixação das Geocélulas

A correta implantação das geocélulas exige a verificação prévia das forças que atuarão na superfície do talude. Desta análise derivará a escolha e o dimensionamento do tipo de fixação das geocélulas ao solo. Os parâmetros a considerar são:

Para calcular a resultante da interação de todas as forças que atuam, ou seja, a Força de Deslizamento (F Dz), expressa em kN/m, pode-se utilizar-se a expressão:

F DZ = {(h_*L_*g) + (L_*q)] _* [ sen w - (cos w _* tg j )]

Se a resultante for negativa, não é necessária a fixação; se positiva, deve ser escolhida (e dimensionada) uma, ou melhor, uma combinação das alternativas descritas a seguir.

Vala de Ancoragem

A borda superior das geocélulas deve sempre ser ancorada para, além de contribuir na fixação desta no talude, impedir a entrada de água por baixo dos painéis. Para dimensionar a vala de ancoragem pode ser usada a expressão:

Largura _* Profundidade da Vala =

=Lv _* Pv = F Dz _* Fator de segurança (+/- 1,5)

g _* tg j

Grampos de Fixação

Outra forma de fixar os painéis de geocélulas no talude consiste na utilização de grampos de aço com a forma de "bengala" e 40 a 50 cm de comprimento. Eles são espetados no solo, distribuídos a razão de um para cada 3 ou 4 m², de tal forma que a bengala prenda a borda superior das células.

Uma variável a ser verificada "in loco" é a resistência dos grampos a solicitações tangenciais. Ela dependerá do tipo de solo, do diâmetro do aço utilizado e do seu comprimento. O ideal é uma configuração que garanta ao menos 40 kg. Na areia, por exemplo, isso implica utilizar barras de aço de 8 mm de diâmetro com 60 cm de comprimento. Esta resistência por grampo permite utilizar malhas de aproximadamente 2 x 2 m até 2 x 3 m entre grampos, para uma fixação satisfatória em taludes com até 30 graus de inclinação.

Cabos de Ancoragem

Em taludes com 30 até 45 graus de inclinação, ou quando não for possível a utilização de grampos - por exemplo quando há uma geomembrana impermeabilizante embaixo dos painéis - é recomendável o uso de cabos de reforço orientados no sentido do caimento e ancorados na crista do talude.

Os cabos são passados por buracos previamente feitos nos painéis fechados. O espaçamento entre os cabos e sua resistência será uma função da Força de Deslizamento descrita anteriormente. O material ideal para os cabos é o poliéster, revestidos por polipropileno, pelo seu alto módulo de elasticidade. Alternativamente, podem ser utilizados cabos de polipropileno de boa qualidade que, embora mais flexíveis que os de poliester, se devidamente sobredimensionados, constituem uma opção economicamente conveniente.

Na crista do talude, os cabos serão amarrados a algum elemento que resista as solicitações do projeto, por exemplo, um lastro enterrado de concreto. Os cabos devem ser adicionalmente amarrados aos grampos de fixação descritos anteriormente. Veja esquema a seguir.

Nos extremos, os painéis deverão ser fixados uns aos outros, prendendo-se as lâminas contíguas com grampeador e grampos convencionais, obviamente de tamanhos e resistências suficientes para perfurar as duas lâminas de 1,25 mm de espessura cada. Alternativamente, podem ser utilizados grampos em "U", do mesmo tipo de aço que as bengalas, prendendo simultaneamente duas células dos painéis a serem unidos.

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Luiz Antonio Naresi Júnior é engenheiro civil com ênfase na área de Saneamento, possui pós-graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho, Analista Ambiental pela UFJF (Universidade Federal de Juiz de Fora), e em Engenharia Geotécnica pela UNICID (Universidade Cidade de São Paulo). É especialista em obras de Fundação Profunda, Contenções de Encosta, Obras de Artes Especiais, Projetos de Contenção, Infraestrutura Ferroviária e Rodoviária. Atualmente é sócio da ABMS (Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica), diretor do Clube de Engenharia de Juiz deFora (MG) desde 2005 até 2017, participa como voluntario pela ABMS como apoio a defesa civil de Belo Horizonte, Professor da Escalla Cursos para Mestre de Obras (CEJF / CREA/MG), consultor de fundação pesada e geotecnia, comercial e assessor da diretoria da Empresa ProgeoEngenharia Ltda .

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