Descrição
Reconhecimento dos fatores relacionados aos projetos de terraplenagem e de drenagem de rodovias.
PROPÓSITO
Compreender os requisitos necessários para o desenvolvimento dos projetos de terraplenagem e de drenagem de rodovias.
Preparação
Antes de iniciar o estudo deste conteúdo, tenha em mãos papel, caneta e uma calculadora científica ou use a calculadora de seu smartphone ou computador.
OBJETIVOS
Módulo 1
Reconhecer os aspectos referentes à terraplenagem e aos equipamentos de terraplenagem
Módulo 2
Calcular movimentos de terra associados às obras em vias de transporte
Módulo 3
Reconhecer os aspectos referentes à drenagem superficial
Módulo 4
Reconhecer os aspectos referentes à drenagem subterrânea
Introdução
Processo de projeto de rodovias
Construir uma rodovia passa além de decidir seu traçado e associá-lo com a topografia. Há outros aspectos que devem ser considerados, principalmente aqueles que se ligam ao aumento dos custos: transporte de solos para aterros, desmonte de rochas, soluções caras de drenagem e de transposição de cursos d´água, para citar apenas alguns exemplos.
Neste conteúdo, vamos estudar a influência de dois grupos de situações:
- A primeira delas refere-se aos movimentos de terra ou de solo necessários para se construir a rodovia. Essas operações de desmonte de terra ou solo e de seu transporte para o local de construção em que serão aterrados ou descartados são denominadas de operações de terraplenagem.
- A segunda refere-se a destinar um caminho adequado para as águas que caem sobre a rodovia, seja por meio da chuva, seja por meio de interferências do lençol freático. Para isso, será necessária a construção de dispositivos de drenagem, superficiais ou subterrâneos.
Assim, vamos conhecer as principais definições e os cálculos relacionados com os projetos de terraplenagem e de drenagem na construção de uma rodovia.
AVISO: orientações sobre unidades de medida.
Em nosso material, unidades de medida e números são escritos juntos (ex.: 25km) por questões de tecnologia e didáticas. No entanto, o Inmetro estabelece que deve existir um espaço entre o número e a unidade (ex.: 25 km). Logo, os relatórios técnicos e demais materiais escritos por você devem seguir o padrão internacional de separação dos números e das unidades.
MÓDULO 1
Reconhecer os aspectos referentes à terraplenagem e aos equipamentos de terraplenagem
Equipamentos de terraplenagem
Projeto de terraplenagem de uma rodovia
Terraplenagem é a operação destinada a conformar o terreno existente aos gabaritos definidos em projeto. Então, vamos estudar primeiro os equipamentos utilizados para executar a terraplenagem. Em seguida, vamos aprender sobre as principais operações de terraplenagem e as relações volumétricas que ocorrem em cada uma delas.
Os equipamentos utilizados em terraplenagem são encaixados dentro de funções específicas, classificadas a seguir:
Chama-se trator uma unidade autônoma que executa a tração ou empurra outras máquinas e pode receber diversos implementos destinados a diferentes tarefas. Essa unidade básica pode ser montada sobre esteiras ou sobre pneumáticos, recebendo as denominações genéricas de trator de esteiras ou trator de rodas (ou de pneus), respectivamente.
O trator de lâmina ou de pneus pode receber a adaptação de um implemento, que o transforma em uma unidade capaz de escavar e empurrar a terra, sendo chamada, por isso, de unidade escavo-empurradora. Dentre as tarefas de terraplenagem desenvolvidas pelos tratores de lâminas, destacam-se: desmatamento, destocamento e limpeza de terreno, execução de compensações laterais, escavação e transporte de pequenos volumes a distâncias inferiores a 50m.
Executam as atividades de escavação, carga, transporte e descarga de materiais soltos. Há dois tipos de unidades escavo-transportadoras: o scraper rebocado e o motoscraper, com funcionamento similar. O scraper é uma unidade tracionada por uma unidade tratora, composta por uma caçamba montada sobre dois eixos equipados com pneumáticos. Já no motoscraper, a caçamba dispõe de um único eixo de pneumáticos, apoiando-se diretamente na unidade tratora, que poderá ser um trator rebocador de um único eixo ou de dois eixos de pneumáticos.
Executam operação de escavação e carga do material escavado sobre outro equipamento, este último participando nas tarefas de transporte e descarga. Enquadram-se em dois grupos distintos: as escavadeiras e as carregadeiras, que executam as mesmas operações (escavação e carga). As escavadeiras são em geral apoiadas sobre esteiras, que suportam conjunto superior que pode girar em torno de seu eixo vertical, geralmente trabalhando estacionadas. Por outro lado, as carregadeiras são montadas sobre tratores de esteiras ou de pneumáticos, possuindo uma caçamba frontal acionada por braços de comando hidráulicos.
Você sabia?
Cada sistema tem sua aplicabilidade a tipos específicos de escavações. Distinguem-se, como principais, os seguintes grupos de pás mecânicas:
A pá frontal, ou shovel
A escavadeiras com caçamba de arrasto, ou dragline
A retroescavadeira, ou back-shovel
As unidades aplainadoras (motoniveladoras) são equipamentos dedicados essencialmente a operações de acabamento da área terraplenada. São constituídas por uma unidade tratora, equipada com uma lâmina posicionada entre os seus eixos dianteiro e traseiro. A grande versatilidade das motoniveladoras decorre da diversidade de posições de trabalho que a lâmina pode assumir, garantindo os movimentos de: rotação em torno do eixo vertical, rotação em torno de seu eixo longitudinal, translação vertical de uma ou de ambas as suas extremidades e translação segundo o eixo longitudinal.
São utilizadas em operações de terraplenagem, quando as distâncias de transporte são elevadas a ponto de tornar-se antieconômico o emprego de motoscrapers. Executam apenas operações de transporte e descarga, devendo o seu carregamento se dar pela ação de unidades escavo-carregadoras. As unidades transportadoras mais frequentemente empregadas são: o caminhão basculante, os dumpers, e os caminhões fora-de-estrada.
Objetivam densificar os solos distribuídos nos aterros, reduzindo os seus índices de vazios e conferindo-lhes maior estabilidade. Existem diversos tipos de unidades compactadoras à disposição no mercado, sendo de uso mais comum os rolos pneumáticos (para compactação de solos e de misturas asfálticas), os rolos pé de carneiro (aplicáveis a solos finos, siltosos ou argilosos, consistem em um tambor equipado com saliências denominadas “patas”) e os rolos lisos vibratórios (que se aplicam à compactação de solos não coesivos).
Classificação quanto à dificuldade extrativa
A maior ou menor resistência que um material pode oferecer, durante a sua extração de um corte, influencia de maneira direta o custo dessa operação. É só pensarmos: é mais difícil escavarmos um solo ou uma rocha?
A especificação de serviço DNER-ES-T 03-70 define 3 (três) categorias de materiais com relação à dificuldade extrativa, são elas:
Materiais de 1ª Categoria: São constituídos por solos em geral, de origem residual ou sedimentar, seixos rolados ou não. Para escavação, são usados os tratores de lâmina, os motoscrapers, as carregadeiras e os caminhões. O acabamento dos taludes e da plataforma, para conformá-los às cotas e configurações definidas no projeto, deve ser feito com motoniveladora.
Materiais de 2ª Categoria: Compreendem aqueles materiais com resistência ao desmonte mecânico inferior à da rocha sã. Não podem ser escavados de forma normal e econômica pelos equipamentos usuais, sejam tratores de lâmina, motoscrapers, escavadeiras ou carregadeiras, devendo ser utilizados os chamados escarificadores, montados na parte posterior dos tratores de esteiras e de motoniveladoras.
Materiais de 3ª Categoria: Correspondem àqueles materiais com resistência ao desmonte mecânico equivalente à da rocha sã, cuja extração e redução, a fim de possibilitar o carregamento, se processem somente com o emprego contínuo de explosivos.
No quadro a seguir, podemos observar a relação entre a categoria e os materiais correspondentes.
| CLASSIFICAÇÃO | CARACTERÍSTICAS |
|---|---|
| 1ª Categoria | Material incoerente (solos, em geral). | Seixos rolados ou não: max. < 15cm. |
| Qualquer teor de umidade. | |
| 2ª Categoria | Resistência à extração inferior à da rocha sã. |
| Uso contínuo de escarificador pesado. | |
| Uso eventual de explosivos ou processos manuais. | |
| Blocos ou matacões: V < 2m³; 15cm < médio < 1m. | |
| 3ª Categoria | Resistência à extração equivalente à da rocha sã. |
| Blocos de rocha: V < 2m³; médio > 1m. | |
| Uso contínuo de explosivos. |
Extraído de DNIT, 2010, p. 175-176, adaptado por Giuseppe Miceli Junior.
Principais operações de terraplenagem
De maneira geral, a terraplenagem engloba os serviços de corte (escavação de materiais) e de aterro (deposição e compactação de materiais escavados).
A conjugação desses dois serviços tem por finalidade proporcionar condições geométricas compatíveis com o volume e tipo dos veículos que irão utilizar a rodovia. Vamos conhecer agora os serviços relacionados à terraplenagem de uma via de transporte:
Serviços Preliminares de Terraplenagem
Antes de dar início às operações básicas, é necessária a retirada de todos os elementos, naturais ou artificiais, que não participarão diretamente ou que possam interferir nestas duas operações: corte e aterro. Os naturais são constituídos por árvores, arbustos, tocos e raízes; e os artificiais por construções, cercas, postes, entulhos etc.
Caminhos de serviço
Da mesma maneira, em se tratando de terraplenagem de trecho virgem, ou seja, trecho que não possui uma estrada de ligação, é necessário abrir caminho para os equipamentos que levarão o material retirado dos cortes para os aterros. É o que chamamos de caminhos de serviço para execução da terraplenagem, sem grandes requisitos técnicos, um revestimento primário já é suficiente para a passagem regular do tráfego.
Cortes
Segmentos que requerem escavação no terreno natural para se alcançar a linha do greide projetado, definindo assim transversal e longitudinalmente o corpo estradal. As operações de corte compreendem a escavação dos materiais constituintes do terreno natural até a plataforma de terraplenagem definida pelo projeto e o transporte desses materiais para aterros ou bota-fora.
Aterros
Constituem segmentos cuja implementação requer o depósito de materiais, para a composição do corpo estradal segundo os gabaritos de projeto. Os materiais de aterro se originam dos cortes e dos empréstimos. As operações de aterro compreendem a descarga, o espalhamento, a correção da umidade (umedecimento ou aeração) e a compactação dos materiais escavados.
Bota-fora
São os volumes de materiais que, por excesso ou por condições geotécnicas insatisfatórias, são escavados nos cortes e destinados a depósitos em áreas externas à construção rodoviária. O local de depósito desses materiais deve ser criteriosamente definido a fim de não causar efeitos danosos às outras obras de construção e ao próprio meio ambiente.
Empréstimos
São escavações efetuadas em locais previamente definidos para a obtenção de materiais destinados à complementação de volumes necessários para aterros quando houver insuficiência de volume nos cortes, ou por razões de ordem qualitativa de materiais ou de ordem econômica (elevadas distâncias de transporte). Dependendo da situação, podem ser considerados dois tipos distintos de empréstimos: os empréstimos laterais, que se caracterizam por escavações efetuadas próximas ao corpo estradal, sempre dentro dos limites da faixa de domínio; e os empréstimos localizados ou concentrados, definidos por escavações efetuadas em áreas fora da faixa de domínio, em locais que contenham materiais em quantidade e qualidade adequadas para confecção dos aterros.
Fatores de conversão de volumes
É de grande importância para as operações de terraplenagem que se conheça como o volume do solo pode variar de acordo com a movimentação dos materiais envolvidos.
Um material a ser terraplenado possuidor de massa m ocupa no corte de origem um volume Vcorte. Ao ser escavado, esse material sofre um desarranjo em suas partículas, de forma que a mesma massa passa a ocupar um volume Vsolto. Finalmente, após ser descarregado e submetido a um processo mecânico de compactação, o material ocupará um terceiro volume, Vcomp.
Para os solos, materiais mais frequentemente envolvidos nas operações de terraplenagem, prevalece entre esses volumes a seguinte relação:
Em se tratando de uma mesma massa m a ser terraplenada, é fácil concluir que as variações nas densidades (ou massas específicas aparentes) do material obedecerão às desigualdades abaixo:
Desse modo, conceitua-se alguns fatores, chamados de fatores de conversão, que permitem a transformação imediata entre os volumes nestas três etapas. São eles:
Fator de Empolamento:
A partir daí, pode ser definida a quantidade chamada “empolamento”, que representa, em termos percentuais, qual o incremento de volume que resulta após a escavação de um material de um corte:
Fator de Contração:
Fator de Homogeneização:
Teoria na prática
Para realizar um aterro com 50m³, vamos calcular a quantidade de material que será necessário cortar, bem como o material solto correspondente que será transportado. Sabe-se que 1m³ de solo medido no corte após a compactação contrai para 0,9m³.
Fatores de correção de solos
A contração ocorre quando o volume final é inferior ao que havia no corte. Se 1m³ de solo (medido no corte) contrai para 0,9m³ no aterro após compactação, a redução volumétrica é de 10%.
Para saber quanto de terra será necessário cortar para fazer um aterro com 50m³, e considerando redução volumétrica de 10%, vamos utilizar a seguinte fórmula:
Em que:
= Volume de terra medido no corte
= Volume compactado no aterro
= Contração (se a redução volumétrica é de 10%, a contração é de 90%.)
Aplicando a fórmula, lembre-se de mudar a porcentagem. Assim: 90% = 0,90. Portanto:
Também podemos saber o volume de terra solta a ser transportada usando a mesma taxa de empolamento de 25%. Basta utilizar, novamente, a fórmula:
Volume de terra solta = 69,4m³
Concluímos, portanto, que para fazer um aterro com volume final de 50m³ é necessário escavar 55,55m³e transportar 69,4m³ de terra.
Mão na Massa
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MÓDULO 2
Calcular movimentos de terra associados às obras em vias de transporte
Cálculo de volumes
Cálculo da terraplenagem
Aprendemos sobre as operações de terraplenagem e como lidar com a movimentação de solos calculando as áreas das seções e convertendo os solos entre os estados in situ, solto e compactado. Agora, vamos aplicar esses conhecimentos diretamente ao projeto de terraplenagem.
Diversos são os procedimentos de cálculo que poderão ser mobilizados com vistas à determinação dos volumes de cortes e aterros. Geralmente, os volumes de cortes ou aterros são calculados para os prismas compreendidos entre duas seções transversais consecutivas, os quais são denominados interperfis.
O cálculo do volume é elaborado a partir das áreas das seções transversais, pela aplicação do método da média das áreas:
Em que d é o espaçamento entre duas seções subsequentes. Considerando que é uma constante igual a 20m, a fórmula passa a ser o seguinte:
Agora imagine que existam três seções, , , (exatamente equidistante das outras duas seções) e . Se d é a distância entre as seções extremas, a fórmula do prismoide é dada por esta outra fórmula:
Para calcularmos cada uma das áreas das seções transversais, é necessário empregar outras fórmulas. O caso particular em que a seção é calculada por meio de bases retas é dado pela fórmula abaixo:
, em que b e h são as dimensões do trapézio e n é a inclinação do talude (n/1).
Para a seção de corte, adota-se entre n = 2/3 a n = 1; para a seção de aterro, n = 3/2.
Distribuição de materiais
Para decidirmos sobre o projeto de terraplenagem de uma rodovia, é necessário calcularmos os volumes de cortes e aterros existentes, considerando ainda as classificações quanto à dificuldade extrativa, os fatores de homogeneização e os critérios para seleção. Entretanto, é particularmente importante a decisão sobre a distribuição do material a ser escavado, ou seja, definir toda a origem e o destino dos materiais envolvidos na terraplenagem, seus volumes, sua classificação e as correspondentes distâncias médias de transporte.
Define-se a distância média de transporte (DMT) de um volume escavado pela expressão:
Em que:
= volumes parciais escavados
= distâncias de transporte parciais
= volume total escavado
Por outro lado, em terraplenagem, define-se como momento de transporte o produto do volume escavado pela distância segundo a qual esse volume é transportado. O numerador da expressão do cálculo de DMT indica, então, o momento de transporte total de distribuição:
Atenção
O custo de construção de uma rodovia depende, dentre outros fatores, da forma como a distribuição de material é realizada. Assim, o projeto de terraplenagem deverá indicar a melhor distribuição de terras, de sorte que a distância média de transporte e, consequentemente, o custo das operações de terraplenagem sejam reduzidos a valores mínimos.
Para isso, é necessário recorrer a métodos gráficos para se atingir uma adequada distribuição de materiais na terraplenagem. Sabendo disso, vamos agora aprender o chamado diagrama de Brückner, junto com as considerações teóricas a seguir.
Diagrama de Brückner
A metodologia de Brückner, em termos de sua finalidade e seus respectivos produtos, se consubstancia por meio da elaboração de instrumentos específicos, compreendendo, principalmente, o diagrama de Brückner e quadros auxiliares.
Para construirmos o diagrama de Brückner, é necessário calcular as chamadas ordenadas de Brückner, isto é, volumes de cortes e aterros acumulados sucessivamente, seção a seção, considerando-se positivos os volumes de cortes e negativos os de aterros. Nas seções mistas, o volume a considerar em cada estaca deve ser o excedente em corte ou aterro. Adota-se um volume acumulado inicial arbitrário, em geral um volume grande, de modo a operar-se apenas com valores acumulados positivos.
O preenchimento dessa planilha obedece a uma sequência de cálculo, conforme apresentado a seguir:
1. Registrar a quilometragem e/ou o estaqueamento completo do trecho.
2. Designar, relativamente à estaca ou à quilometragem da rodovia, os elementos geradores do serviço de implantação: cortes, aterros, empréstimos etc.
3. Registrar a área, em corte ou em aterro, da seção transversal correspondente à estaca enfocada. Devem ser empregados os métodos de cálculo já apresentados. Consideram-se em separado os tópicos relacionados com o rebaixamento dos cortes em solo, os encontros de pontes, os acessos e as interseções, bem como as situações de seção mista.
4. Registrar a soma das áreas relativas às seções transversais relacionadas a cada par de estacas sucessivas, na coluna devida.
5. Registrar a semidistância correspondente a cada um dos pares de estacas sucessivas focalizadas nas colunas anteriores.
6. Calcular os volumes pertinentes à execução dos cortes e aterros, multiplicando a área das seções e a semidistância correspondente a cada um dos pares de estacas sucessivas. Referente aos cortes, o volume geométrico (total) de cada componente deve ser calculado pelo método de média das áreas, sendo posteriormente distribuídos nas três categorias de materiais. Relativamente aos volumes de aterro, o fator de empolamento deve, igualmente, ser determinado por meio dos estudos geotécnicos, sendo que, ordinariamente, esses fatores se situam entre 1,20 e 1,30.
7. Registrar valores de compensação lateral, colocando-se a soma algébrica dos volumes de cortes e os volumes de aterro, atribuindo-se a estes últimos o sinal negativo.
8. Registrar o volume de bota-fora.
9. Registrar as ordenadas de Brückner, correspondentes à soma algébrica dos valores lançados, marcando-se sempre os valores de aterros com o sinal negativo.
As ordenadas de Brückner calculadas são plotadas em gráficos, geralmente sobre uma cópia do perfil longitudinal do projeto. Nas abcissas, é marcado o estaqueamento. Os pontos marcados são unidos por uma linha que sintetiza o diagrama de Brückner.
A distribuição de terras deve ser feita pela escolha criteriosa de linhas horizontais de compensação (LT) que interceptam ramos ascendentes (cortes) e descendentes (aterros).
Teoria na prática
(Adaptada de Antas et al, 2010) Vamos analisar, a seguir, as ordenadas do diagrama de Brückner:
| Estaca | Volume (m³) | Estaca | Volume (m³) |
|---|---|---|---|
| 0 | 1000 | 60 | 600 |
| 10 | 1400 | 70 | 400 |
| 20 | 1600 | 80 | 400 |
| 30 | 1600 | 90 | 600 |
| 40 | 1400 | 100 | 700 |
| 50 | 1100 | 110 | 700 |
Calcule o número de cortes e de aterros que ocorrerão no trecho de solo cujas ordenadas do diagrama de Brückner estão descritas acima, assim como seus respectivos volumes.
Diagrama de Brückner
Vamos nos reportar sempre à sequência definida no tópico Diagrama de Brückner, que estudamos. Neste caso, já temos os volumes de cada estaca, então não é necessário seguirmos os passos de 1 a 8.
Assim, vamos utilizar uma planilha eletrônica para plotar o gráfico entre as estacas 0 a 110 da rodovia.
Elaborado por: Giuseppe Miceli Junior.
Do gráfico, temos um ramo descendente (da estaca 20 à estaca 80), com um aterro de 1200m³, e dois ramos ascendentes (da estaca 0 à estaca 20; da estaca 80 à estaca 100) com cortes de 600m³ e 300m³, respectivamente.
Agora, vamos utilizar o diagrama para encontrar os trechos a serem compensados. Vamos estudar de novo o diagrama abaixo:
Sequências de cortes e aterros ou vice-versa são facilmente identificadas como “ondas” que surgem após traçarmos linhas de compensação horizontais. Essas “ondas” possuem um trecho ascendente e outro descendente.
Olhando o gráfico acima, podemos traçar duas linhas de compensação: uma na ordenada 1000m³, nos dois pontos em que cruza o diagrama; e outra na ordenada 700m².
Vejamos, a seguir, outro gráfico, dividindo as ondas em trechos de aterro e de corte:
As duas setas marcam as compensações que serão necessárias:
- O corte da estaca 0 até a estaca 25 de 600m³ vai ser compactado no aterro da estaca 25 até a estaca 50.
- O corte da estaca 75 até a estaca 110 de 300m³ vai ser compactado no aterro da estaca 55 até a estaca 75.
- Há ainda uma quantidade de 300m³ entre a estaca 50 e a estaca 55, que será extraída de uma caixa de empréstimo para ser aterrada e compactada.
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MÓDULO 3
Reconhecer os aspectos referentes à drenagem superficial
Tipos de drenagem
Drenagem superficial
Uma drenagem superficial consiste na coleta e remoção das águas superficiais que atingem ou possam atingir a obra.
A forma que esse impedimento pode ocorrer é pela construção de vários dispositivos de drenagem, por exemplo, de canais para coleta de remoção. Tais dispositivos podem ser divididos em dois tipos:
Drenagem superficial
Destina-se a coletar as águas superficiais que atingem ou que possam atingir a obra (iremos estudar neste módulo).
Drenagem profunda
Aquela que se destina a coletar as águas que estão infiltradas dentro dos taludes e das obras de terra (iremos estudar no próximo módulo).
Em uma drenagem superficial feita em uma rodovia, podemos citar os seguintes dispositivos:
| Valetas de proteção de corte |
| Valetas de proteção de aterro |
| Sarjetas de pé de corte |
| Sarjetas de crista de aterro |
| Descidas d'água |
| Saídas d'água |
| Sarjeta de canteiro central |
| Caixas coletoras |
| Bueiros de greide |
| Dissipadores de energia |
| Escalonamento de taludes |
| Corta-rios |
Vamos conhecer, a seguir, um pouco sobre os dispositivos de drenagem superficial mais utilizados.
Dispositivos de drenagem superficial
Neste módulo, vamos apresentar um pouco de cada dispositivo de drenagem superficial, mas centralizamos nosso estudo sobre as sarjetas de corte e de aterro. Vamos conhecer também os principais cálculos necessários de capacidade hidráulica.
As valetas de proteção de corte têm por principal objetivo impedir que as águas que escorrem pelo talude natural atinjam o talude de corte. Essas valetas são necessárias onde o escoamento superficial oriundo de terrenos adjacentes possa atingir o talude de corte, o que pode comprometer a estabilidade estrutural do corpo estradal. Na imagem a seguir, você vai conhecer dois exemplos de valetas de proteção de corte.
Trata-se de canais que objetivam interceptar as águas que escoam a montante do terreno natural, protegendo o pé de talude de aterro a fim de trazer-lhe mais estabilidade. Podem receber ainda as águas das sarjetas e valetas de corte, integrando-as em apenas um fluxo. Na imagem a seguir, observe dois exemplos de valetas de proteção de aterro.
O objetivo da sarjeta de pé de corte ou simplesmente sarjeta de corte é captar as águas que se precipitam sobre a plataforma, os taludes de corte e as banquetas. Elas conduzem as águas longitudinalmente à via de transporte, ao canal ou à crista do talude, até o ponto de transição entre o corte e o aterro. Na imagem a seguir, vemos a diferença entre uma sarjeta de corte triangular e outra trapezoidal.
A sarjeta de aterro tem como objetivo captar as águas precipitadas sobre a plataforma para impedir erosões na borda do acostamento e/ou no talude do aterro, levando-as a local de deságue seguro.
Note que a sarjeta está integrada com o meio-fio.
Atenção! O tipo de sarjeta de aterro com a sarjeta e o meio-fio conjugados, atualmente, é muito usado nas rodovias federais, intersecções e trechos urbanos.
As descidas d'água objetivam conduzir as águas captadas por sarjetas e por valetas de corte e de aterro. Nas descidas d’água localizadas em cortes, o objetivo principal é conduzir as águas das valetas quando atingem seu comprimento crítico, ou de pequenos talvegues, desaguando em uma caixa coletora ou em uma sarjeta corte.
Nas descidas d’água localizadas em aterro, da mesma forma, as descidas d'água conduzem as águas das sarjetas de aterro quando é atingido seu comprimento crítico, e, por meio das saídas d'água, desaguando no terreno natural.
As saídas d'água são dispositivos de transição destinados a conduzir as águas coletadas pelas sarjetas de aterro lançando-as nas descidas d'agua. Podem ainda se dar em um único sentido ou em dois sentidos, como você pode perceber nos exemplos a seguir.
Dimensionamento hidráulico de sarjetas
O dimensionamento hidráulico da sarjeta consiste na determinação de uma seção transversal com capacidade hidráulica suficiente para atender à descarga de projeto. Pela comparação entre a descarga afluente e a capacidade de vazão da sarjeta, determina-se o seu comprimento crítico, isto é, a distância máxima da sarjeta para que não haja transbordamento.
Para descobrir a descarga de projeto, calcula-se a contribuição por metro linear da rodovia pela aplicação da chamada fórmula racional, que é apresentada a seguir:
Em que:
= descarga por metro linear da rodovia (m³ /s/m)
= coeficiente médio de escoamento superficial (adimensional)
= intensidade de precipitação (cm/h)
= área de contribuição por metro linear da sarjeta (m² /m)
A área de contribuição geralmente é formada por superfícies de diferentes coeficientes de escoamento; desse modo, deve-se adotar a média ponderada de seus valores, usando-se como peso as respectivas larguras dos implúvios.
Em que:
= faixa da plataforma da rodovia que contribui para a sarjeta. Será a largura da semiplataforma nos trechos em tangente e toda a plataforma contribuinte para a sarjeta na borda interna das curvas.
= largura da projeção horizontal equivalente do talude de corte.
= coeficiente de escoamento superficial da plataforma da rodovia.
= coeficiente de escoamento superficial do talude de corte.
A capacidade hidráulica máxima da sarjeta é dada por uma fórmula derivada da fórmula de Manning. Veja:
Em que:
= raio hidráulico (m)
= declividade da sarjeta (m/m)
= coeficiente de rugosidade (adimensional)
= vazão máxima admissível (m³/s)
= área molhada da sarjeta (m²)
Em sarjetas triangulares, temos:
Em que:
Área molhada () é toda área da seção transversal da estrutura de drenagem perpendicular ao fluxo de água, ou é toda área da seção transversal da estrutura de drenagem molhada pela água.
Perímetro molhado () é o comprimento da linha de contorno transversal da estrutura de drenagem, que é molhada pela água.
Raio hidráulico () é a relação entre a área molhada e o perímetro molhado de uma estrutura de drenagem.
Lâmina d´água () é a altura que a água chega dentro de um dispositivo hidráulico.
Teoria na prática
Calcule o perímetro molhado, a área molhada e o raio hidráulico de um dispositivo de drenagem de seção transversal retangular.
Cálculo dos parâmetros de um dispositivo de drenagem
Vamos aprender a calcular os parâmetros que serão importantes para dimensionar um dispositivo de drenagem. A figura retangular é bem fácil, então você será capaz de desenvolvê-la bem!
Área molhada é toda área da seção transversal da estrutura de drenagem molhada. Nesse caso, temos:
Perímetro molhado é o comprimento da linha de contorno transversal da estrutura de drenagem, que é molhada pela água. Olhando a figura, temos:
O raio hidráulico é o quociente entre a área molhada e o perímetro molhado. Assim, temos:
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MÓDULO 4
Reconhecer os aspectos referentes à drenagem subterrânea
Dispositivos de drenagem subterrânea
Drenagem subterrânea ou profunda em rodovias
O avanço da técnica da drenagem dos pavimentos tem sido grande nas últimas décadas. Em um país como o Brasil, essa drenagem se faz necessária tendo em vista haver regiões em que se verifica uma altura pluviométrica maior que 1500 milímetros.
O objetivo da drenagem subterrânea é defender o pavimento, o talude ou a obra de terra das águas, advindas do lençol freático subterrâneo ou de infiltrações diretas de precipitações, que podem danificá-lo. Se não forem adequadamente encaminhadas, essas águas que atravessam os pavimentos podem causar danos irrecuperáveis à estrutura do talude ou até mesmo da base e da sub-base do pavimento. É necessária então a instalação de um dispositivo especial para drená-las.
Para se compreender melhor esse esforço de drenagem, bastar raciocinar que a água das chuvas possui geralmente dois destinos: parte escorre sobre a superfície dos solos e parte se infiltra, podendo formar lençóis freáticos subterrâneos. Claro que isso pode variar com a permeabilidade do solo: se um solo for arenoso, mais permeável ele será; o contrário ocorrerá com um solo argiloso, que será menos permeável. A água, entretanto, pode ascender capilarmente dos lençóis freáticos para posições mais próximas da superfície. Essa ascensão, chamada de “franja capilar”, tem uma influência que deve ser eliminada ou reduzida pelo rebaixamento dos lençóis freáticos. Agora você sabe o porquê de se realizarem ensaios com piezômetros para definir o nível d´água dentro do solo.
Atenção
É necessário se manter o lençol freático a profundidades de 1,50 a 2,00 metros do subleito das rodovias, dependendo do tipo de solo da área considerada.
Os recursos utilizados para resolver os problemas causados por essa água de infiltração incluem os seguintes dispositivos:
Drenos profundos
Drenos espinha de peixe
Valetões laterais
Drenos verticais de areia
Colchão drenante
Drenos profundos
Os drenos profundos têm por finalidade captar e interceptar o fluxo de águas oriundas do lençol freático subterrâneo, aliviando sua pressão neutra, impedindo-o de atingir o subleito da via e o protegendo.
Trata-se de dispositivos que devem ser instalados em locais em que o lençol freático esteja mais aflorado e que necessite sofrer operações de rebaixamento. Geralmente, estão na proximidade de acostamentos e a 1,50 metros, no mínimo, do pé de taludes de corte, para que não surjam futuros problemas de instabilidade nessas contenções.
Os drenos profundos podem também ser instalados sob os taludes de aterro em duas situações:
A primeira é quando ocorrer a possibilidade de aparecimento de água livre comprovada por meio de sondagens e de ensaios geotécnicos.
A segunda é quando forem encontradas camadas permeáveis sobrepostas a outras camadas impermeáveis, mesmo sem a presença de água na ocasião da pesquisa do lençol freático.
Exemplificando
Suponha que uma ferrovia é lançada sobre um corte em rocha, ou seja, uma camada impermeável. Entenda que a chuva atingirá tanto a via permanente como as outras camadas do pavimento, que são permeáveis. Assim, para evitar que a água fique acumulada sobre o corte e então atinja o lastro da ferrovia, é obrigatório que se instalem drenos profundos, de modo a possibilitar que a água da chuva seja drenada para outras regiões.
Para sua construção, são utilizados:
- Materiais filtrantes: areia, agregados britados, geotêxtil etc
- Materiais drenantes: britas, cascalho grosso lavado etc
- Materiais condutores: tubos de concreto (porosos ou perfurados), cerâmicos (perfurados), de fibrocimento, de materiais plásticos (corrugados, flexíveis perfurados, ranhurados) ou metálicos
Em algumas situações, não são colocados tubos no interior dos drenos. Nesses casos, eles são chamados de drenos cegos.
Observe a imagem a seguir e conheça algumas seções típicas de drenos profundos.
Drenos espinha de peixe
Esses drenos são escolhidos quando as áreas a serem drenadas são grandes, sejam elas pavimentadas ou não. Em geral, são utilizados em série e em sentido oblíquo, tomando como referência o eixo longitudinal da área a ser drenada.
Os drenos espinha de peixe não atingem grandes profundidades, e por conta disso não utilizam tubos. Esse tipo de dreno pode ser projetado para terrenos que receberão taludes de aterro e locais cujo lençol freático estiver próximo à superfície, ou também quando o solo natural da área for impermeável, devido à sua constituição.
Valetões laterais
Os valetões laterais são formados a partir do bordo do acostamento, tendo de um lado o acostamento, e do outro o próprio talude do corte, processo este que é designado por falso aterro. Tal técnica é econômica, todavia deixará a estrada sem um acostamento confiável em chuvas, e em tempo seco, revelará um acostamento perigoso devido à rampa necessária para escoamento das águas. A forma de evitar tal perigo está em garantir alargamentos substanciais da via. Esse alargamento garante que os valetões laterais funcionarão independentemente do tipo de plataforma da via.
A tecnologia do valetão lateral, quando aplicada em regiões planas, exerce dupla função sem dificuldade, pois pode trabalhar tanto como sarjeta quanto como dreno profundo. A recomendação é de que haja o revestimento do canal com gramíneas.
Drenos verticais de areia
A eventual necessidade de executar um trecho rodoviário com aterros sobre depósitos de solos moles, tais como siltes ou argilas orgânicas, argilas sensíveis e turfas, pode representar problemas de solução difícil e onerosa. A fim de reduzir os custos de implantação, deve-se realizar cuidadoso exame do assunto na fase de projeto. Entre a extensa gama de soluções possíveis de utilização, que vão da remoção do solo por escavação ou deslocamento até as técnicas construtivas, ou seja, velocidade de construção controlada, pré-adensamento, bermas estabilizadoras etc., aparecem os drenos verticais de areia, os drenos cartão e os drenos fibroquímicos.
A opção pela solução mais favorável técnica e economicamente deve ser precedida de um amplo estudo de campo e laboratório e de um criterioso estudo comparativo de custos.
Sob o ponto de vista técnico-econômico, a garantia da estabilidade dos aterros construídos sobre depósitos de argila mole saturada pode, normalmente, ser alcançada com o uso da velocidade de compressão controlada ou pré-adensamento, usando, algumas vezes, uma sobrecarga que, ao reduzir os recalques pós-construtivos, vai contribuir para o aumento da resistência ao cisalhamento e, assim, atender ao equilíbrio do maciço.
Colchão drenante
Vamos voltar ao exemplo do corte em rocha apresentado anteriormente: Sobre a rocha impermeável sob a ferrovia lançada, além dos drenos profundos, é necessária também a instalação de um colchão drenante, formado basicamente por um lastro de pedra britada de granulometria bem definida e que seja permeável. O objetivo dessas camadas drenantes é, em complemento aos drenos longitudinais, drenar as águas que são situadas a uma pequena profundidade do corpo estradal, principalmente naquelas situações em que o volume não possa ser drenado pelos drenos espinha de peixe, já apresentados.
Sua utilização é indicada:
| Nos cortes em rocha. |
| Nos cortes em que o lençol freático estiver próximo do greide da terraplenagem. |
| Na base dos aterros onde houver água livre próxima ao terreno natural. |
| Nos aterros constituídos sobre terrenos impermeáveis. |
Regra geral de dimensionamento
O dimensionamento de um dreno ou de um colchão drenante ocorre de acordo com a Lei de Darcy, definida como:
Em que:
é a vazão de água que passa pelo dreno.
é o coeficiente de permeabilidade, uma constante de proporcionalidade que depende das características do solo. Determinado experimentalmente, é um coeficiente que é homogêneo a uma velocidade.
é a declividade do dreno.
é a seção transversal do dreno.
Você sabia
A seguir, você conhecerá valores comuns de coeficiente de permeabilidade de todos os tipos de solo. Para drenagem profunda, silte e argila não são recomendados!
| Tipo de solo | K (cm/s) | Condições de drenagem |
|---|---|---|
| Pedregulhos | 1 a | Muito boa |
| Areia grossa | 1 a | Boa |
| Areia fina | a | Fraca |
| Silte | a | Muito fraca |
| Argila | Menor que | Praticamente impermeável |
Elaborada por: Giuseppe Miceli Junior
Teoria na prática
Calcule a espessura de um colchão drenante por onde passa uma vazão de 216l/h, que será constituído por um material com k = 0,04m/s e que terá uma inclinação de 1%. Por aproximação, considere que o colchão será retangular e que a pista tem 6m de largura.
Cálculo de um colchão drenante
O dimensionamento de um dreno ou de um colchão drenante ocorre de acordo com a Lei de Darcy, definida como:
Temos:
= 6m x hm (sendo h a espessura do colchão drenante)
= 0,01
= 0,04m/s
= 216l/h = 0,06l/s = 0,00006m²/s
Então, temos:
H = 0,025m = 25mm
Atenção! Como vimos em nosso estudo, uma seção transversal geralmente possui a forma trapezoidal. Por aproximação, neste problema, a forma da seção será retangular.
Mão na Massa
Verificando o aprendizado
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Conclusão
Considerações Finais
Neste conteúdo, aprendemos os aspectos relacionados à terraplenagem e drenagem de rodovias, assuntos importantes no contexto de um projeto de estradas.
Conhecemos, inicialmente, os tipos de equipamentos de terraplenagem existente. Vimos como suas funções podem ser diferenciadas, cada uma relacionada com um tipo de serviço, seja o de aplainar, seja de afofar um solo, escavar e carregar o solo ou simplesmente transportá-lo por diferentes distâncias de transporte.
Estudamos as seções de terraplenagem, aprendemos como calculá-las, bem como inseri-las no planejamento de distribuição de solos dentro de uma rodovia. Vimos o diagrama de Brückner, os cálculos de movimentação de solos e até mesmo como isso pode se tornar importante ao construirmos uma rodovia mais econômica.
Aprendemos ainda os assuntos relativos à drenagem superficial e à drenagem profunda e, acima de tudo, a importância de darmos encaminhamento à água pluvial ou oriunda de lençóis freáticos para garantirmos à rodovia a manutenção de sua via útil.
Conhecemos a maior parte dos dispositivos de drenagem superficial e profunda que podem ser empregados em rodovias e, por fim, assimilamos aspectos importantes do ponto de vista hidráulico, como os cálculos da área molhada e do perímetro hidráulico, bem como a vazão a ser calculada por meio da fórmula de Manning.
Podcast
Ouça um resumo sobre o conteúdo abordado feito pelo especialista Giuseppe Miceli Junior.
CONQUISTAS
Você atingiu os seguintes objetivos:
Reconheceu os aspectos referentes à terraplenagem e aos equipamentos de terraplenagem.
Calculou movimentos de terra associados às obras em vias de transporte.
Reconhecer os aspectos referentes à drenagem superficial.
Reconhecer os aspectos referentes à drenagem subterrânea.