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Rebaixamento temporário do lençol freático - Revista Fundações
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Rebaixamento temporário do lençol freático

15:07 21 setembro in Edição 70, Em Foco, Matérias
Rebaixamento temporário do lençol freático

O rebaixamento do lençol freático é indicado em todos os casos em que seja necessária a construção de qualquer obra civil que esteja situada parcialmente ou totalmente abaixo do lençol freático, até que possam ser instalados os sistemas de drenagem e impermeabilização que forneçam a segurança e a estabilidade da obra.

Esta técnica pode ser empregada em qualquer obra cuja existência do nível freático possa gerar interferência direta ou indireta na operação. Não existe uma regra em função da dimensão da obra para que este método seja utilizado, sendo apenas escolhido o melhor método que seja adequado à necessidade da obra, ou seja, rebaixamento raso ou profundo e vazão esperada, levando sempre em consideração a influência que o emprego da técnica pode gerar nas áreas vizinhas da própria obra.

A implantação de um sistema de rebaixamento do lençol freático se faz necessária nos casos em que novas obras serão construídas, ou obras já existentes serão reformadas ou apenas submetidas a uma manutenção preventiva ou corretiva, estando estas obras em cota inferior à do lençol local. O rebaixamento permite que os trabalhos sejam feitos com melhores condições de acesso e segurança, e muitas vezes proporcionem economia de recursos em relação à situação de trabalho submerso.

Edição 70 - Em Foco - Foto 01
Foto 01 – Aspecto geral das fundações da Barragem San Juan em solo residual jovem com passagens de rocha alterada
Métodos de rebaixamento

Dentre os métodos existentes que permitem o rebaixamento temporário do lençol freático podem ser citados:

Bombeamento direto é um método bastante simples de aplicação às escavações rasas, em que a água é acumulada em valas abertas no fundo da escavação, e conectada a poços, sendo esgotada por meio de bombeamento, cujo sistema de operação é dimensionado conforme a necessidade da obra, não evitando que as áreas fiquem levemente encharcadas, devido à lentidão do processo e ocupando espaços importantes da obra.

Apesar de simples este método não é muito indicado, inclusive quando as paredes são suportadas por sistemas impermeabilizantes e que geram elevados gradientes hidráulicos, sob a pena de rompimento do fundo da escavação e taludes, se for o caso. Outro fato que deve ser observado é se existe o carreamento de finos (piping) na água que sai das bombas, já que podem resultar recalques em construções e obras vizinhas. A remediação pode ser feita pela instalação de filtros ou pela instalação de drenos sub-horizontais profundos.

Edição 70 - Em Foco - Foto 02
Foto 02 – Processo de bombeamento após o erguimento da ensecadeira

Well-points ou ponteiras filtrantes aplicados a escavações rasas a pouco profundas, representam tubos de 4” com ranhuras espaçadas conectadas a ponteiras filtrantes (tubos de PVC – Policloreto de Polivinila de diâmetro inferior), com proteção de tela de nylon, instaladas em perfurações previamente executadas, com circulação de água. Uma característica que resulta da eficiência desse método é que a água retirada do solo se dá por meio do método a vácuo, exigindo assim, plena vedação do sistema. Apresenta vantagens quanto a instalação ser simples e rápida a um baixo custo, proporcionando um rebaixamento mais localizado.

Na prática não é possível a obtenção do vácuo absoluto e desta forma sua utilização contempla um rebaixamento máximo entre 5 m e 7 m. Caso exista a necessidade de rebaixamentos mais profundos, recomenda-se o uso de vários estágios conectados pelo presente método. Existe dificuldade quanto à instalação em materiais pedregulhosos que exigem supervisão na operação.

Poços profundos são utilizados em profundidades superiores a 5 m. Este tipo de sistema pode ser realizado por meio de dois processos distintos; o primeiro são poços injetores: escavações pouco profundas, caracterizadas pela simplicidade de instalação, baixo custo de instalação e manutenção, além de ser um rebaixamento localizado, porém o método usa baixa vazão com a necessidade de instalação de vários poços junto à escavação, dessa forma, não alcança grandes profundidades, bem como utiliza sistemas de alimentação de energia reserva para manutenção da operação.

O segundo método é por meio de poços de bombeamento que utilizam bombas de recalques submersas. Este é mais indicado para escavações profundas e subterrâneas, ou em lençóis confinados permitindo a instalação em qualquer profundidade, sem limitador para o rebaixamento, além da execução que pode ser feita afastada da área escavada com o uso de vazões elevadas. Todavia, o seu custo e operação são elevados e necessita de um sistema auxiliar de geração de energia com impacto em grande área.

Edição 70 - Em Foco - Foto 03
Foto 03 – Escavação da fundação da barragem após o início do rebaixamento

DHP (Drenos Horizontais Profundos) são bastante utilizados quando é necessária a drenagem de camadas ou determinadas feições geológicas de forma localizada, porém nada impede que seu uso possa ser feito em arranjos com espaçamentos distintos. Apesar do seu nome, ele pode ser instalado levemente inclinado para baixo, para evitar a colmatação das entradas por precipitados de compostos ferrosos, sendo recomendado o uso de bombas de vácuo para melhorar sua eficiência. O sistema permite o alívio de poropressões em pontos distantes da face de escavação, taludes de corte e fundação de aterros, melhorando a estabilidade, útil na drenagem de obras subterrâneas (aquíferos confinados). Apesar da eficiência esse sistema é dependente da compartimentação estrutural e hidrogeológica do maciço, e muitas vezes sua instalação é feita por tentativa e erro.

Drenos de Alívio – Da mesma forma que os DHPs podem ser instalados em camadas e feições geológicas, os drenos de alívio têm como objetivo principal a redução da subpressão, principalmente na fundação de barragens de concreto. Devido a sua grande utilização neste tipo de obra, eles são responsáveis, no caso de fundações em maciços rochosos por drenar a água que percola as descontinuidades mais permeáveis do maciço, sendo instalados no interior das galerias de drenagem.

Quando o maciço de fundação é composto por solo, são utilizados os chamados drenos de areia (devido ao seu preenchimento por este material) também verticais, que podem ser empregados na consolidação da fundação, como também aplicados em aterros, ou no caso de solos de baixa permeabilidade de poços de alívio (utilizados para transferência de volumes maiores de água, em relação aos outros métodos, além da prevenção de piping).

Edição 70 - Em Foco - Foto 04
Foto 04 – Detalhe do dreno de alívio instalado na fundação

Galeria de Drenagem é um sistema geralmente utilizado em grandes obras, quando há a necessidade de aporte de elevados volumes de água, ou o uso dos outros sistemas anteriormente citados. Ele não é aplicável ou funcional e costuma ser usado especificamente em fundações de barragens, drenagem em túneis e taludes de cava de mineração, apresentando elevado custo. Representa uma sequência de drenos horizontais profundos em maciços de solo ou drenos de alívio em maciços rochosos.

Ensaios preliminares

Para a aplicação do sistema de rebaixamento temporário do lençol freático é recomendada a realização de mapeamento geológico, com definição de aspectos estruturais e hidrogeológicos para a escolha do sistema de rebaixamento e posteriormente a execução de investigações geotécnicas, desde sondagens a percussão, rotativas até mesmo ensaios especiais, como CPTu (Piezocone Penetration Test) em situações mais específicas, além de ensaios de permeabilidade em solo (Lefranc) ou em rochas (Lugeon).

Podem ser coletadas amostras deformadas para ensaios de caracterização, por exemplo, entre outros métodos. Em alguns casos, são coletadas amostras indeformadas para ensaios laboratoriais mais específicos, como ensaio de adensamento e ensaios triaxiais. Quando existente, podem ser usados resultados de instrumentação geotécnica. Desta forma, devem ser utilizadas todas as técnicas disponíveis para o perfeito conhecimento da permeabilidade e regime de fluxo nos materiais envolvidos, definição das propriedades constitutivas e comportamento geotécnico do maciço envolvido.

Edição 70 - Em Foco - Foto 05
Foto 05 – Perfuração para instalação de drenos de alívio
Execução

O rebaixamento temporário do lençol freático na maioria dos casos é caracterizado por ser executado um pouco antes do início das escavações, sendo da mesma forma, finalizado após o seu término imediato. Em casos específicos, quando é necessário a redução da subpressão e conhecimento dos seus efeitos, as etapas de início e fim podem acontecer em intervalos de tempo maiores às operações de pré-escavação e pós-escavação. Em certas situações, a obra pode exigir que o rebaixamento do lençol freático seja permanente.

De qualquer forma, para a realização do rebaixamento é necessário o conhecimento prévio da compartimentação estrutural e hidrogeológico do maciço, para dimensionar o melhor sistema a ser utilizado e que atenda seguramente a obra de maneira eficaz. Devido à existência de métodos diversificados para o rebaixamento, são feitas incialmente intervenções no maciço, por meio de aberturas, seja por escavação direta ou por perfuração de poços. São instaladas as aparelhagens necessárias ao rebaixamento, como tubos com ou sem filtros, sistemas de bombas, que podem estar conectadas a sistemas individuais ou múltiplos.

No caso de certos sistemas, como em poços profundos, por exemplo, é necessária a provisão de sistemas de energia complementares de forma a não interromper o processo de rebaixamento. Em todos os casos é necessária a vistoria dos equipamentos utilizados e monitoria do nível d’água e piezométrico. Para estes últimos é recomendada a instalação de instrumentação geotécnica compatível. Durante o processo de escavação é preciso observar os efeitos causados pelo processo de rebaixamento, não apenas no local da obra, mas em seu raio de influência. Terminada a escavação, o processo de rebaixamento pode ser interrompido, protelado ou mantido permanentemente, conforme a necessidade da obra.

Equipamentos
Edição 70 - Em Foco - Foto 06
Foto 06 – Detalhe de parte da fundação da Barragem San Juan, em que pode ser observada a sequência de drenos de alívio instalados

Os equipamentos geralmente utilizados são máquinas escavadoras ou perfuratrizes, para criação de acessos no maciço. São utilizadas outras ferramentas nas fases de operação do rebaixamento do lençol como bombas, de variados portes, tubos, filtros, sistemas coletores etc.

Drenagem e impermeabilização

A existência de sistemas de drenagem e impermeabilização em obras, principalmente relacionadas a escavações são bastante necessárias, tendo em vista que permitem a redução da possibilidade de ruptura de taludes, melhoram a eficácia de processos de compactação, diminuem ou evitam infiltrações nas zonas escavadas, dentre outras aplicações. Entretanto, é preciso ressaltar que o rebaixamento do lençol freático, independentemente do período de duração, altera as condições do maciço e das áreas vizinhas, já que este processo diminui a poropressão e aumenta a tensão efetiva, podendo gerar recalques, por exemplo. A presença de água, além de afetar o estado de tensões no maciço ainda pode gerar modificações físico-químicas e reduzir as soluções executivas.

Edição 70 - Em Foco - Foto 07
Foto 07 – Perfuração para instalação de piezômetro junto à ombreira direita da barragem
Melhorias
Edição 70 - Em Foco - Foto 08
Foto 08 – Processo de escavação da fundação da barragem mostrando a eficácia do sistema de rebaixamento

Com o rebaixamento do lençol evita-se o fluxo de água nas etapas de escavação, o que traz maior estabilidade e, por conseguinte, segurança à obra. A presença de água muitas vezes impossibilita a execução de alguns serviços na construção civil, em outras, exige o uso de técnicas mais complexas e de maior custo. Embora seja imprescindível para a execução de determinadas obras subterrâneas é evidente que há riscos de danos na própria obra e em imóveis vizinhos quando se usa o rebaixamento.

Impactos

Independentemente do sistema que será empregado para o rebaixamento esta operação sempre irá provocar alteração no estado de tensões dos solos, podendo causar recalques em estruturas vizinhas, em especial se estas estiverem apoiadas sobre a camadas de solos compressíveis (por exemplo, argilas moles). Um exemplo dos efeitos danosos pode ser observado nas fotos de número 09, 10 e 11. Para a implantação de uma obra fez um corte do terreno natural, tendo-se implantado algumas ponteiras para rebaixamento temporário, a fim de permitir a execução das fundações.

Dadas as características de compressibilidade do solo local e ao fato das edificações vizinhas terem sido construídas sobre fundações diretas, o processo de rebaixamento provocou recalques diferenciais que afetaram seriamente o desempenho de alguns imóveis. Outro problema que pode ocorrer é o levantamento de fundo de escavações, quando o rebaixamento induz forças de percolação elevadas em locais onde existam areias finas.

Alterações
Edição 70 - Em Foco - Foto 09
Foto 09 – Desenho esquemático ilustrativo de um dos processos de rebaixamento do lençol freático

O rebaixamento do lençol freático impõe uma diminuição das pressões neutras no solo e, consequentemente, um aumento das tensões efetivas. Aumento de tensões efetivas podem provocar recalques absolutos ou diferenciais nas estruturas que estejam dentro do raio de influência do rebaixamento em curso. Estes recalques, dependendo das características dos solos e das estruturas, podem comprometer o desempenho e até mesmo a segurança de algumas construções.

Cuidados
Edição 70 - Em Foco - Foto 10
Foto 10 – Sistema de ponteira empregado para permitir a execução de fundações por estacas escavadas

Antes do início do processo de rebaixamento recomenda-se vistoriar e registrar a condição em que se encontram as estruturas existentes no raio de influência previsto do rebaixamento, para que se possa acompanhar depois eventuais efeitos danosos do processo. Outra medida importante é monitorar, por meio de instrumentação específica, as estruturas mais sensíveis à variação do nível do lençol e também a posição do lençol durante o processo de rebaixamento. O monitoramento do próprio rebaixamento é fundamental para evitar o carreamento de materiais, e também para evitar o surgimento ou agravamento de patologias em imóveis vizinhos.

Ações protetivas
Edição 70 - Em Foco - Foto 11
Foto 11 – Recalques diferenciais em imóvel apoiado sobre fundação direta, em decorrência de obra de rebaixamento implantada a menos de 100 m de distância

Além da vistoria inicial e da instrumentação indicada, vistorias periódicas na região feitas por especialistas podem ajudar na identificação de sinais que apontem a iminência de danos ou riscos às estruturas, o que pode auxiliar na tomada de decisões em curto intervalo de tempo, sem que haja prejuízos à obra e às estruturas vizinhas.

Casos de Obra

O projeto construtivo da Barragem San Juan, executado no rio San Juan, Península de Samaná, na República Dominicana foi concluída em 2009. Trata-se de uma barragem, do tipo concreto-gravidade que possui aproximadamente 12 m de altura sendo fundada em solos residuais jovem de rochas xisto intercaladas com rochas mármore, com presença de dissoluções cársticas, com passagens alteradas dessas rochas. Devido a essa estrutura ser um corpo monolítico de concreto, sua estabilidade é basicamente assegurada em função das cargas (peso do corpo da barragem) aplicadas à fundação, de forma distribuída. A área, em termos de extensão abrangida para a instalação da barragem, foi em torno de 16.000 m², sendo a fundação escavada 13 m abaixo da cota original do rio.

Em função da grande necessidade da escavação da fundação da barragem em materiais inicialmente submersos, houve a necessidade da adoção de técnicas de rebaixamento para melhoria das condições geotécnicas, permitindo assim, a ampliação de soluções e possibilidades operacionais na execução do projeto.

Após o desvio total do rio, a área a ser escavada foi drenada com o auxílio de bombas e posteriormente foram instalados drenos de areia e alívio (redução da subpressão), com 75 mm de diâmetro, nas camadas subjacentes (solo residual jovem, rocha alterada) e galerias de drenagem junto à fundação do maciço, em função da presença de estruturas reliquiares, descontinuidades e marcante foliação das rochas alteradas, que resultam em uma permeabilidade anisotrópica.

Devido a não utilização de filtros em drenos de alívio, foram escolhidos pontos em que existia conhecimento sobre a granulometria dos materiais intemperizados, evitando que ocorresse carreamento de partículas e processos de piping. Na região em torno do barramento foram realizados mapeamentos geológico-geotécnicos complementares para a identificação de zonas que poderiam sofrer recalques. Para monitorar a eficácia dos drenos de alívio foram instalados cerca de 30 piezômetros e 20 medidores de nível d’água em pontos estratégicos para leitura. A técnica de rebaixamento escolhida atendeu as expectativas e não mostrou surpresas durante o período de escavação e pós-construtivo da obra.

Currículos
Edição 70 - Em Foco - Foto 12
Gisleine Coelho de Campos

Gisleine Coelho de Campos é engenheira civil pela USP (Universidade de São Paulo) 1990, possui mestrado e doutorado em Engenharia Civil pela mesma universidade na área de Geotecnia. Atualmente é pesquisadora do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo), coordenadora de curso e professora da Universidade Anhembi Morumbi. Realiza trabalhos na área de geotecnia, com ênfase em fundações e escavações, tendo experiência no desenvolvimento de pesquisas e serviços técnicos especializados em fundações por estacas, instrumentação de obras geotécnicas, investigação geológico-geotécnica, ensaios em modelos reduzidos e em temas relacionados à engenharia urbana. De 2007 a 2012, participou da Diretoria do Núcleo São Paulo da ABMS (Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica) e atualmente participa das Comissões de Ensino, Pós-Graduação e do Comitê Estratégico do IPT.

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Marcio Fernandes Leão

Marcio Fernandes Leão é geólogo e mestre em geotecnia pela UERJ (Universidade do Estado do Rio de Janeiro), mestre e doutorando em Geologia de Engenharia e Ambiental pela UFRJ, possui MBA (Master of Business Administration) em Gerenciamento de Projetos pela USP. Atualmente é geólogo sênior na empresa Drilltec e pesquisador, com linhas de pesquisa relacionadas à Mecânica dos Solos, Rochas e Ensaios Laboratoriais. É especialista na área de investigações convencionais e especiais, bem como instrumentação geotécnica, para grandes obras de arte em engenharia civil, principalmente vinculadas a perfis de alteração. É também membro da CEE-ABMS (Comissão de Estudos Especiais da ABMS), responsável pela revisão de normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) para ensaios tecnológicos.

Editora Rudder

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