A vibro substituição é uma técnica de construção de colunas de brita, a partir do preenchimento de solos de baixa resistência com material granular, para melhorar suas características de carga e para diminuição de recalques. Ao contrário dos solos de granulação uniforme e grossa, os solos de granulação fina (como argilas e siltes) não são densificados efetivamente sob vibrações.

Surge a necessidade de executar colunas de brita a fim de reforçar e melhorar com materiais de preenchimento, os solos coesivos de baixa resistência e mistos.

Princípio da Vibro substituição

A coluna de brita e o solo de intervenção formam e integram o sistema de suporte da fundação tendo baixa compressibilidade e capacidade de carga melhorada. Em solos coesos o excesso de poro pressão da água é dissipado rapidamente pelas colunas de brita e por essa razão a redução dos assentamentos ocorre em ritimo mas acelerado do que é o normal para solos coesivos.

Existem diferentes métodos de instalação de colunas de brita conforme classificados abaixo:

• Método úmido de alimentação superior;

• Método seco de alimentação inferior;

• Método de Offshore de alimentação inferior.

O processo de instalação pode ser descrito conforme abaixo:

1. Penetração

O vibrador profundo é utilizado para penetrar o solo que será tratado por uma combinação de vibrações , o próprio peso força para baixo (Método Vibrocat) ou com auxílio de jatos de água (Método Úmido), auxiliam a penetração. Sensores de profundidade garantem ao operador saber quando a profundidade do projeto é alcançada.

2. Alimentação de Brita e Compactação

A brita é inserida no furo, realizado pelo vibrador, através da superfície por meio de uma pá carregadeira ( Método de Alimentação Inferior) ou através da caçamba conectado ao tubo do vibrador que recebe a brita de uma pá carregadeira e a leva através desse tubo até a ponta do vibrador (Método de alimentação Superior).

Essa quantidade de brita é compactada, sendo inserida no solo pelo vibrador que desce e sobe compactando a brita, é possível perceber que após esse processo o diâmetro do furo fica maior que o furo inicial criado pelo vibrador. Assim que essa etapa é concluída, outra quantidade de brita é introduzida e compactada. Esse processo é repetido até que o comprimento desejado seja alcançado.

Resumo: Vibro Substituição

Princípio

• Reforço

• Drenagem

Aplicado em Solos

• Depósitos Mistos de argila, silte e areia

• Solos moles e Siltosos

• Argila mole e muito mole

• Preenchidos com escombros

Efeitos

• Aumento da resistência ao cisalhamento

• Aumento da rigidez

• Redução do potencial de liquefação

Aplicações Comuns

• Pistas de Aeroporto e pistas

• Plantas Químicas

• Tanques de Armazenamento e Silos

• Oleodutos

• Pontes de suporte e de acesso

• Pontes Suporte Off-shore

• Aterros de Rodovias e Ferrovias

Profundidade Máxima

• 20-40 m

Aplicação: Terra / off-shore

• Ambos

Melhoramento do solo com colunas de brita

Edição 187 - Outubro/2012

fONTE: http://techne17.pini.com.br/engenharia-civil/187/artigo286953-1.aspx

Eng. Marcelo Felix

gerente comercial

felix@kellerbrasil.com.br

A técnica de melhoramento de solo com colunas de brita foi desenvolvida no final da década de 1950 na Europa. Essa técnica consiste na formação de colunas de brita por meio de vibrossubstituição com material granular (brita) de camadas com baixa capacidade de suporte do subsolo.

Essas inclusões de brita são flexíveis, com módulo de deformabilidade elevado, sem coesão e com grande capacidade de drenagem, reduzem o período de consolidação pela concentração e redistribuição das cargas aplicadas, aumentam a capacidade de suporte do solo e diminuem os recalques.

A Keller Engenharia emprega a tecnologia desde 2007, tendo executado mais de um milhão de metros lineares de colunas de brita no País.

Tipos de solos

Os solos coesivos têm frequentemente baixa resistência. Em geral, solos constituídos por mais de 10% a 15% de silte e argila, como, por exemplo, areias siltosas ou argilosas, siltes, siltes argilosos e argilas, podem ser melhorados pela técnica de colunas de brita. Essa técnica é também aplicável a aterros não evolutivos, tais como resíduos de construção, resíduos urbanos, escórias ou aterros heterogêneos. Na figura 2, pode-se observar o domínio de aplicação da técnica de colunas de brita entre as argilas muito moles até areias com baixa compacidade. Para garantir a construção de colunas de brita em solos ultramoles, é importante que eles apresentem valores de resistência não drenada suficientes para permitir a formação das colunas.

Figura 2 - Faixa granulométrica para aplicação de colunas de brita

Figura 3 - Solo mole

Equipamentos

Como regra, as colunas de brita são executadas com um vibrador trémie, que tem na sua extremidade superior um crivo e uma tremonha para alimentação da brita. Esses equipamentos, desenvolvidos especialmente para execução de colunas de brita, são dotados de tubos vibradores de baixa frequência, que podem ser montados sobre esteiras, chamadas vibrocat (figura 5). Os vibrocats podem ser empregados na execução de colunas de brita até 20 m de profundidade. Em situações em que a profundidade de instalação das colunas de brita for acima de 20 m, os vibradores são acoplados a guindastes - Sistema S-Alpha (figura 6) - e podem executar colunas em profundidades superiores a 30 m. O sistema S-Alpha também é utilizado em obras offshore, onde pode ser montado em gruas sobre embarcações.

Em relação às características do vibrador, é relevante referir que este é constituído por um motor elétrico montado dentro de um cilindro, que faz girar uma massa excêntrica em torno de um eixo vertical, provocando as vibrações radiais (figura 4). O comprimento dos vibradores varia entre 3 m e 5 m, sendo conectados a tubos prolongadores para se atingir profundidades maiores. Os equipamentos vibratórios, além de garantirem a verticalidade das colunas de brita por meio do peso do vibrador, também são fundamentais para compactação e expansão lateral da brita contra o solo envolvente.

Em situações em que houver camadas superficiais de solo muito compactas, faz-se necessária a execução de pré-furo para auxiliar a penetração do equipamento vibratório.

Projeto

O dimensionamento das colunas de brita depende da resistência do solo mole ao redor da coluna, do diâmetro da coluna e da malha a ser adotada. Dependendo do equipamento a ser utilizado e do solo circundante, as colunas de brita podem ser executadas com diâmetros entre 60 cm e 100 cm. As malhas podem ser quadradas ou triangulares, com espaçamentos entre as colunas de 1,40 m a 3 m, de acordo com o tipo de solo a ser tratado e a geometria da área a reforçar.

Para avaliação dos solos melhorados com colunas de brita, o método de Priebe (1995) é o mais utilizado para estimativa de magnitude dos recalques. Esse método considera principalmente que a base da coluna de brita está assente em uma camada rígida e os recalques da coluna e do solo são iguais.

Quando o conjunto solo-coluna é carregado, ocorre concentração de tensões nas colunas pelo efeito de maior rigidez das colunas, comparativamente ao solo mole circundante.

Numa coluna, o material que constitui a brita não apresenta coesão interna, então, quando ela é carregada verticalmente, apresenta uma tendência de se expandir radialmente. Assim, o solo atua por um mecanismo de reação passiva contrária à brita pela tensão de confinamento.

A distribuição uniforme das colunas pela área de solo a tratar é essencial para alcançar um bom resultado quanto ao melhoramento do solo. Desse modo, Priebe apresenta um ábaco que permite expressar graficamente a relação entre o fator de redução dos recalques (fator de melhoramento do solo) e a razão de substituição de áreas (Ac/As; Ac= área das colunas e As= área do solo).

Metodologia construtiva

Outro aspecto positivo da técnica de melhoria de solos com uso de colunas de brita é a facilidade construtiva que apresenta, garantindo produtividade e redução de custos a obras construídas sobre solos moles. O método construtivo é realizado em cinco etapas:

1 - Preparação

O equipamento é instalado no ponto de penetração e estabilizado com macacos hidráulicos. A alimentação da brita é assegurada por uma caçamba elevatória.

2 - Enchimento

A brita contida na caçamba é despejada na tremonha do vibrador, que é em seguida fechada. A utilização de ar comprimido permite o fluxo contínuo da brita até o orifício de saída.

3 - Penetração

Por meio da insuflação de ar comprimido e da ativação sobre o vibrador, este desce até a profundidade do solo competente, comprimindo-o lateralmente.

4 - Compactação

Quando a profundidade estabelecida é atingida, sobe-se ligeiramente o vibrador e a brita é colocada no espaço livre. Em seguida, volta-se a descer o vibrador para expandir lateralmente a brita contra o solo, compactando-os.

5 - Acabamento

A coluna de brita é assim executada por passos sucessivos, até a superfície.

De forma a se proceder a execução das colunas de brita, são, normalmente, realizadas plataformas de trabalho por meio da construção de uma camada de materiais granulares muito pouco compressíveis, com uma espessura que pode variar entre 30 cm e 100 cm.

A construção dessa camada visa a tanto facilitar o movimento das máquinas em obra, quanto melhorar a eficiência da coluna, uma vez que essa camada promove um aumento do confinamento próximo à superfície e força o alargamento da coluna ocorrer à maior profundidade. Além disso, permite melhor redistribuição das cargas para as colunas pelo efeito de arco e também funciona como uma fronteira drenante para escoamento das águas.

Melhoramento do solo com colunas de brita

Edição 187 - Outubro/2012

Controle da qualidade

O controle da qualidade da execução é feito eletronicamente, em tempo real, do início ao fim da coluna, conferindo total transparência ao processo executivo. Por intermédio dele, o cliente pode acompanhar a construção de cada coluna, sua profundidade final, o tempo de execução, a energia de compactação desenvolvida ao longo do comprimento da coluna, o consumo e a distribuição da brita, por meio de relatórios individuais de cada coluna executada.

Aplicação das colunas

de brita Na prática, as colunas de brita garantem ao solo originalmente mole do terreno um ganho de resistência que torna possível a implantação de diversos tipos de obra sobre solos moles:

- Rodovias;

- Ferrovias;

- Encontro de pontes;

- Retroáreas portuárias;

- Pátio de estocagem ;

- Tanques;

- Aeroportos;

- Apoio para fundações diretas de diversas construções;

- Apoio para fundações de obras offshore de abrigo como quebra-mar e molhe;

- Nas obras sobre aterros de resíduos sólidos urbanos, que em geral são muito compressíveis, as colunas de brita aumentam os parâmetros de resistência desse material.

Conclusões

O dimensionamento adequado dessa solução substitui com grandes vantagens os métodos convencionais de estabilização de solos moles. A primeira delas é a expressiva redução no prazo da realização de obras dessa natureza, uma vez que o processo permite a execução de até 10 mil m de colunas, por equipamento, por mês. Isso significa o dobro de velocidade, quando comparado aos métodos convencionais. Além disso, a execução de colunas de brita vibrocompactadas proporciona grande aceleração dos recalques do terreno, previstos no projeto, e garante maior estabilidade às obras executadas sobre solos moles. A altíssima permeabilidade das colunas as transforma em grandes drenos verticais, acelerando a expulsão da água existente no solo. Mais ainda, trata-se de um processo que respeita o meio ambiente, pois a brita é um material mineral, natural e inerte. Perturbações como barulho e vibrações também são muito limitadas, permitindo a aplicação desses processos na vizinhança imediata de construções adjacentes.

REFERÊNCIAS

Execution of Special Geotechnical Works - Ground Treatment by Deep Vibration. European Standard (EN 14731:2005).

The Design of Vibro Replacement. Ground Engineering. Priebe, H.J. 1995.

Ground Improvement by Deep Vibration Methods. Kirsch, Klaus; Kirsch, Fabian. 2010.

www.naresi.com

www.consultoria.naresi.com