ESTUDOS PARA O DIMENSIONAMENTO DE UMA CORTINA DE
ARGILA PARA CONTENÇÃO DE CONTAMINANTES
Veruschka Escarião Dessoles Monteiro(1)
Curso de Mestrado em Engenharia Civil - Geotecnia, atualmente em fase de conclusão, Universidade Federal de Pernambuco. Curso especialização (Curso Internacional sobre Mecánica del Suelo y Ingenieria de Cimentaciones) - CEDEX - Madrid, España. Autora de 2 e co-autora de 4 trabalhos publicados.
Santos, Érico Almeida
Aluno de Graduação em Engenharia Civil na Universidade Federal de Pernambuco. Bolsista de Iniciação Científica UFPE / CNPq. Co-autor de 3 trabalhos publicados.
Jucá, José Fernando Thomé
Professor do Departamento de Engenharia Civil da UFPE, desde 1978; Doutor pela Universidad Politécnica de Madrid (España), concluído em 1990; Autor de mais de cinqüenta trabalhos publicados em revistas e congressos científicos nacionais e internacionais; Secretário Executivo do Comitê de Resíduos Sólidos da ABES.
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RESUMO
O estudo das cortinas de argila é parte integrante do projeto de recuperação ambiental do “Lixão da Muribeca” localizado na Região Metropolitana do Recife. A análise dos parâmetros geotécnicos de uma cortina já executada servirá de base para o dimensionamento de outras cortinas. O estudos são direcionados no sentido de que sejam atendidos os requisitos básicos de fluxo e estabilidade das cortinas para contenção de contaminantes.
PALAVRAS -CHAVE: Cortina de Argila, Contaminante, Ensaios, Parâmetros Geotécnicos.
INTRODUÇÃO
O uso de cortinas de argila para contenção de contaminantes tem sido uma prática comum na engenharia ambiental. Seu dimensionamento deve oferecer condições adequadas de estabilidade e baixa condutividade hidráulica, levando-se em consideração alguns aspectos ainda não resolvidos em projetos convencionais.
Este trabalho apresenta os primeiros resultados de um programa de ensaios realizados em uma cortina de argila executada no Aterro de Resíduos Sólidos da Muribeca na Região Metropolitana do Recife. O estudo das cortinas de argila faz parte do projeto de recuperação ambiental da área do “Lixão da Muribeca”.
O “Lixão” funciona como depósito de resíduos desde 1985 e foram depositados ao longo deste período cerca de 5.000.000 t de resíduos domésticos, industriais e hospitalares, diretamente sobre o solo, em uma área de aproximadamente 60 ha. Para a recuperação da área degradada adotou-se a técnica da bio -remediação e foram desenvolvidos estudos para conhecimento do meio físico local. No projeto, a área total ocupada pelo aterro foi dividida em 8 células as quais são destinadas ao tratamento de determinados tipos de resíduos por processos físicos, químicos e biológicos. Cada célula é isolada das demais por meio de cortinas de argila compactada, prevendo-se a execução de pelo menos 4,6km de cortina, com uma altura média de 15m (Figura 1). Estes números permitem demonstrar a importância do seu dimensionamento como elemento fundamental nos custos e prazos envolvidos.
Figura 1: Lay-out das células de bio-remediação.
Célula 1
Célula 2 Célula 3 Célula 4 Célula 5 Célula 6 Célula 7 Célula 8 Cortina de
Argila
Reciclagem
Segregação
CORTINAS DE ARGILA NO ATERRO DA MURIBECA
No aterro da Muribeca, as cortinas são estruturas verticais de argila compactada com uma altura variando de 4 a 20m e têm a função de diques de isolamento entre as células de bio-remediação, impedindo o fluxo de contaminantes de uma célula para outra.
O projeto inicial desses diques previu uma espessura de 10 metros, a qual em primeira análise foi reduzida para 5 metros, existindo ainda a possibilidade de reduzi-la para 3 metros após a conclusão de estudos no dimensionamento de uma cortina já executada. A redução desta espessura, no entanto, deve ser feita de modo a atender os pré-requisitos de permeabilidade e estabilidade, representando assim uma economia de tempo e sobretudo de equipamentos e material empregado na construção.
A metodologia usada na construção das cortinas foi a escavação do lixo em uma largura de no mínimo 10m, compactação do solo (construção da cortina) e os espaços laterais vazios foram preenchidos com lixo compactado. No final será construído um acesso para circulação de caminhões de lixo. A cortina já executada foi construída com uma espessura de 5m e profundidade 4m de solo compactado.
A Figura 2 mostra um detalhe de execução do dique de isolamento, de acordo com a especificação do projeto.
Figura 2: Detalhe de execução do dique de isolamento (Jucá et al. 1997).
ENSAIOS DE LABORATÓRIO
Caracterização Física, Química e Mineralógica do Solo
A caracterização física dos materiais foi realizada com o objetivo de verificar a aplicabilidade destes materiais na construção das cortinas das células projetadas para bio-remediação. Os resultados encontram-se no Tabela 1.
Tabela 1: Propriedades dos solos.
Propriedades Jazida 1 Jazida 2 Jazida 3 Jazida Jazida 5
Tipo de solo SM CL CL SM ML Textura (%) Pedregulho - 5 3 - - Areia Grossa 2 1 1 1 - Areia Média 30 17 24 18 18 Areia Fina 38 21 24 43 29 Silte 18 10 8 27 37 Argila 12 46 40 11 16 Limites (%) LL 28 48,5 47,58 64,66 42,75 LP 25 31,8 30,99 45,46 28,51 LC - - 19,4 42,26 25,96 IP 3 16,7 16,59 19,20 14,24 ? (kN/m3 ) 26,6 26,4 26,1 27,2 26,7
?max (kN/m3) 18,7 15,7 16,3 14,8 15,67 Wot ( % ) 13 22,8 22 25 22 Permeabilidade Ksat (m/s) 1,1 x 10 -8 - 1,52 x 10-8 - 5,94 x 10-8
As amostras analisadas revelaram que o solo local é próprio para utilização na execução das cortinas. De uma forma geral, os solos presentes têm características silto -argilosas, revelando uma grande capacidade de retenção de água e de contaminantes.
A composição química do solo foi determinada utilizando amostras indeformadas retiradas da cortina às profundidades 1 e 2,5m e os valores encontram-se na Tabela 2.
Tabela 2: Composição química do solo.
Meq / 100g de solo Prof. (m) Na+ K+ Ca++ Mg++ H+ Al+++ pH ppm de P N% C% M.O (%) 1 0,29 0,06 2,50 1,15 0,50 0,00 6,9 2,46 0,03 0,20 0,34 2,5 0,06 0,10 3,50 0,90 0,99 0,00 6,5 2,12 0,07 0,84 1,45
Obteve-se também a mineralogia do solo para identificar os minerais presentes na fração fina do solo (silte e argila) verificando a capacidade de expansão e contração do solo utilizado na construção das cortinas.
Para a caracterização mineralógica do solo utilizou-se materiais coletados das amostras indeformadas às profundidades 1 e 2,5m da cortina executada. Os resultados apontam a presença de caulinita nas frações silte e argila com alguma mica degradada sendo a mineralogia compatível com alteração de cristalino.
O comportamento físico-químico indica um desempenho geotécnico condicionado mais pela textura que pela mineralogia. Não se prevê expansão/contração e a capacidade de troca é pequena. Portanto, o chorume deverá percolar pelo material sem muita variação química.
Medida da Densidade do Chorume
A densidade do chorume foi determinada através de dois métodos: densímetro e picnômetro. Os valores obtidos foram: 10,04 kN/m3 e 10,06kN/m3 respectivamente, sendo bastante próximos ao valor da densidade da água.
Determinação da Viscosidade dos Permeantes (água e chorume)
Os ensaios de viscosidade cinemática no chorume e na água foram realizados (pH variável), às temperaturas de 27o e 20o Celsius, devido ao fato de que a permeabilidade do solo é função da viscosidade e da temperatura do fluido permeante.. Nos ensaios de laboratório a permeabilidade foi medida para a temperatura de 27o Celsius. Os resultados de viscosidade obtidos são mostrados na Tabela 3.
Tabela 3: Viscosidades cinemáticas dos líquidos.
Viscosidades Cinemáticas (cSt)*
Temperatura(oC) Água Chorume pH 5,0 Chorume pH 7,8
27 0,8575 0,9228 0,9252
20 1,0068 1,0897 1,0836
razão (?27/?20) 0,8517 0,8468 0,8538
*cSt = 0,01 Stoke
Stoke = unidade de viscosidade cinemática do sistema c.g.s. = gm
s x cm x massa específica (oF)
A razão entre as viscosidades (?27/?20) para cálculo do coeficiente de permeabilidade do solo
praticamente não variou, significando que as viscosidades cinemáticas dos diferentes permeantes são praticamente iguais.
Ensaios de Permeabilidade
No que se refere as propriedades de fluxo foram realizados ensaios utilizando dois tipos de permeantes - água e chorume (com variação de pH) - para reproduzir a condição real de fluxo “in situ”, bem como se estabelecer uma relação comparativa entre o comportamento destes permeantes. Para estes ensaios utilizou-se o permeâmetro de parede rígida com fluxo nas direções paralela (permeabilidade horizontal) e perpendicular (permeabilidade vertical) à direção de compactação das camadas de solo e os resultados estão apresentados na Figura 3.
Figura 3: Permeabilidade horizontal e vertical.
Os resultados dos ensaios mostraram a permeabilidade do solo variando de 10-7 a 10-8 m/s, no
caso dos dois permeantes. Os valores de condutividade hidráulica indicam que a cortina atende ao requisito de minimizar o fluxo de contaminantes, uma vez que trata-se de valores de permeabilidade muito baixos (Mitchell et al, 1995).
Como se observa na Figura 3 as permeabilidades horizontal e vertical do solo ao chorume (pH ácido e básico) são bastante similares, o que já era esperado, uma vez que, não houve controle de compactação durante a execução da cortina. Alguns valores de umidade do solo compactado se encontravam no ramo seco da curva Proctor.
Ensaios de Sucção
Foram realizados ensaios com sucção controlada para obtenção da curva característica ou relação sucção-umidade do solo, que permitirão determinar a capacidade de retenção do solo e também a sua permeabilidade em condições não saturadas. Os resultados destes ensaios estão mostrados na Figura 4.
Figura 4: Curva sucção-umidade (água e chorume).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 sucçao (kPa) 15 17 19 21 23 25 27 29 umidade(%) agua
chorume pH inicial pH 7,63 pH final 8,85
Como se observa na Figura 4 as permeabilidades horizontal e vertical do solo ao chorume (pH ácido e básico) são bastante similares, o que já era esperado, uma vez que, não houve controle de compactação durante a execução da cortina. Alguns valores de umidade do solo compactado se encontravam no ramo seco da curva Proctor.
ENSAIOS DE CAMPO
Os ensaios de campo envolveram a execução de um poço na cortina para análise do solo compactado em profundidade e obtenção de amostras indeformadas para posterior análise e obtenção de parâmetros geotécnicos. Durante a escavação foram obtidos perfis de umidade, densidade e sucção ao longo da profundidade. Estes ensaios foram complementados com dois furos de sondagem tipo SPT próximo ao local do poço, além de mais dois furos para ensaios de permeabilidade in situ (ensaio de perda d’água) na cortina. Foram realizados ainda, ensaios utilizando técnicas recentes de investigação do solo como o uso da técnica de reflectometria do domínio de tempo (TDR) para determinação da umidade e estimativa da condutividade hidráulica “in situ”, através do acompanhamento do avanço da frente de infiltração na cortina. Os resultados dos ensaios então apresentados na Figura 5.
Figura 5: Resultados dos ensaios de campo. 171921 2325 2729 3133 umidade (%) umid. grav. TDR 12 13 14 15 16 17 18 densidade seca (kN/m3) 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 profundidade (m) 0 5 10 15 20 SPT (golpes/0,30 m) SP1 SP2 0 100 200 300 400 500 succao (kPa) Mc Queen & Miller (1968) Greacen, Walker & Cook (1987)
Os dados de resistência a penetração SPT com a profundidade mostram uma grande concordância com os valores de sucção do solo, como se tem observado em outros trabalhos (Jucá et al., 1995). Os valores de SPT diminuem de forma significativa a partir de 1m de profundidade, atingindo valores indesejáveis para a estabilidade da cortina.
Os resultados dos ensaios com TDR não foram os esperados, devido a diversas dificuldades operacionais encontradas na realização do ensaio. Estas dificuldades referem-se principalmente a calibração do equipamento feita em laboratório a qual não se obteve resultados satisfatórios. Embora os resultados sejam preliminares o TDR mostrou-se sensível a variação de umidade do solo, que juntamente com os dados de sucção do solo, será possível fazer-se estimativas da permeabilidade do solo ao chorume e a água.
ANÁLISE DE ESTABILIDADE E FLUXO
A análise de estabilidade foi realizada com o objetivo de determinar a seção (espessura e inclinação) e o fator de segurança da cortina em cada etapa do processo de bio -remediação. A situação mais crítica do processo corresponde a abertura de uma das células a qual garante a estabilidade lateral da cortina, ficando a outra célula preenchida com lixo.
A seção adotada, considerando um fator de segurança mínimo de 1,5 está representada na Figura 6.
Figura 6: Superfície de Ruptura Crítica.
FS = 1.53 (Ângulo de Atrito : Lixo=20 Cortina=14)
0 10 20 30 40 50 3m 1 1 Nível de Chorume 1m Superfície de Ruptura
Cortina de Argila Célula de
Biorremediação Lixo Depositado Lixo Compactado
A análise de estabilidade demonstrou valores baixos para o fator de segurança no que diz respeito à estabilidade contra a ruptura para a condição atual da cortina. Este fator atinge valores satisfatórios, acima de 1,5, quando melhoram-se as características de resistência da cortina de argila, que pode ser conseguida com um controle rigoroso durante sua execução.
CONCLUSÕES
O estudo dos parâmetros do solo possibilitou verificar o comportamento da cortina de argila executada. O programa de controle aliado aos ensaios de campo e laboratório propiciaram um melhor conhecimento das questões ambientais e geotécnicas.
Os resultados dos ensaios de campo e laboratório utilizando diferentes permeantes - água e chorume com variação de pH - não indicaram alterações no comportamento do solo.
A estabilidade da cortina de argila experimental demonstrou baixos fatores de segurança quanto a ruptura. As futuras cortinas de argila serão construídas com um rigoroso controle de compactação, a fim de garantir que os parâmetros de resistência apresentem valores compatíveis com o nível de segurança e estabilidade desejados.
A análise de estabilidade e fluxo das cortinas de argila propiciou uma redução na espessura de 10m para 5m, a qual resultou em uma economia de 345.000 m3 de material em escavação e compactação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Baumgatner N.; G.W. Parkin; D.E. Elrick 1994. “Soil water content and potential measured by hollow time domain reflectometry probe”. Soil Science Soc. Am. Journal 58 pp 315-318.
2. Conciani, W.; M.M. Soares; and S. Crestana 1995 “Geotechnical use of a mini tomography”. Unsaturated Soils, Edited by E.E. Alonso & P. Delage, Balkema, Proc. of the First Int. Conf. on Unsaturated Soils, Paris, Vol. 2, pp. 447-452.
3. Jucá, J.F.T.; J.M. Justino da Silva; J.A. Gusmão Filho; E.G. Bastos 1995. ¨Laboratory and field tests on an unsaturated expansive clay¨. Unsaturated Soils, Edited by E.E.
Alonso & P. Delage, Balkema, Paris, 1995, Vol. 2 pp. 877-884.
4. Jucá, J.F.T.; M.O.H. Mariano; E.M. Barreto Campello 1996 “Ground and surface water contamination due to municipal solid waste in Recife, Brazil”. 2nd Int. Congress on Environmental Geotechnics, Osaka, Japan, 1996, Vol 1, pp. 91-96.
5. Jucá, J.F.T., W.D. Costa, V.E.D. Monteiro, E.A Santos (1997). “Geological and Geotechnical Studies Performed on The Muribeca Municipal Solid Waste Disposal in Recife, Brazil”. International Symposium Engineer Geology and the Environment, IAEG, Athenas, Greece, 1997.
6. Jucá, J.F.T.; W.D. Costa; V.E.D. Monteiro; E.A. Santos 1996 “Aspectos geológicos-geoténicos do aterro de resíduos sólidos da Muribeca, Recife”. 8o Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia, Rio de Janeiro, 1996, Vol. 2, pp 623-632.
7. Jucá, J.F.T.; M.O.H. Mariano; V.E.D. Monteiro; E.M. Barreto Campello 1996. “Geotecnia ambiental aplicada a aterros celulares de resíduos sólidos”. Seminário de Resíduos Sólidos, Petrolina, 1996.
8. Jucá, J.F.T., J.J.P.S. Cabral, V.E.D. Monteiro, S.M. Santos, G.S. Perrier Jr. (1997). “Geotechnics of a Municipal Solid Waste Landfill in Recife, Brazil”. Symposium on Recent Developments in Soil and Pavement Mechanics - COPPE-UFRJ. June 1997.
9. Mitchell J.K.; J.D. Bray; R.A. Mitchell (1995). “Material interactions in solid waste landfills”. Geoenvironment 2000, ASCE Geotechnical Special Publication No. 46, vol.
1, pp 568-590.
10. Monteiro V.E.D.; J.F.T. Jucá 1997. “Parâmetros geotécnicos para o dimensionamento de uma cortina de argila no Lixão da Muribeca,PE”. 3o Simpósio Brasileiro de Solos Não Saturados, Rio de Janeiro, 1997, Vol. 1, pp 71-76.
