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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL ESTABILIDADE DE TALUDES DE MACIÇOS DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS DAVID AMÉRICO FORTUNA OLIVEIRA ORIENTADOR: PROF. PEDRO MURRIETA SANTOS NETO, DSc. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM GEOTECNIA PUBLICAÇÃO: G.DM- 095A/02 BRASÍLIA: JULHO DE 2002 ii UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL ESTABILIDADE DE TALUDES DE MACIÇOS DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS DAVID AMÉRICO FORTUNA OLIVEIRA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL DA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE. APROVADA POR: ------------------------------------------------------------ PEDRO MURRIETA SANTOS NETO, DSc. (UnB) (ORIENTADOR) ---------------------------------------------------------- NEWTON MOREIRA DE SOUZA, DSc. (UnB) (EXAMINADOR INTERNO) ---------------------------------------------------------- MÍRIAM DE FÁTIMA CARVALHO, DSc. (UCSAL/GEOAMB-UFBA) (EXAMINADOR EXTERNO) BRASÍLIA/DF, 25 DE JULHO DE 2002 iii FICHA CATALOGRÁFICA REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA OLIVEIRA, D. A. F. (2002). Estabilidade de taludes de maciços de resíduos sólidos urbanos . Dissertação de Mestrado, G.DM-095A/02, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 155p. CESSÃO DE DIREITOS NOME DO AUTOR: David Américo Fortuna Oliveira TÍTULO DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO: Estabilidade de taludes de maciços de resíduos sólidos urbanos. GRAU/ANO: Mestre/2002 É concedida à Universidade de Brasília permissão para reproduzir cópias desta dissertação de mestrado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta dissertação pode ser reproduzida sem a autorização por escrito do autor. ------------------------------------------------- David Américo Fortuna Oliveira R. Clemente Ferreira nº 105, aptº 022, Canela CEP: 40110-200 Salvador /BA – Brasil OLIVEIRA, DAVID AMÉRICO FORTUNA Estabilidade de taludes de maciços de resíduos sólidos urbanos [Distrito Federal] 2002 xix, 154p., 210 mm x 297 mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Geotecnia, 2002). Dissertação de Mestrado – Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Civil. 1. Aterros Sanitários 2. Resíduos Sólidos Urbanos 3. Estabilidade de taludes 4. Resistência ao Cisalhamento I. ENC/FT/UnB II. Título (Série) iv DEDICATÓRIA A DEUS A minha mãe Sônia Fortuna, As Avós, Waldenice Fortuna e Maria de Lourdes A minha madrinha, Cristina Maria Fortuna A meu pai, João Américo Oliveira Neto E Irmãos, Paulo Américo, Juliana e Joana Hirata. v AGRADECIMENTOS Ao Prof. Pedro Murrieta dos Santos Neto pelos ensinamentos ministrados durante todo o período do mestrado mas principalmente pe la confiança, incentivo e estí mulo. A LIMPURB – Empresa de Limpeza Urbana de Salvador pela viabilização dos trabalhos realizados no Aterro Metropolitano Centro. Ao presidente Dr. Jalon, Dr. Ramalho, Dra. Rilda, Dra. Ana Vieira, Normando, Roberto e demais funcionários A VEGA Tratamento de Resíduos S.A. pelo apoio imprescindível na execução dos trabalhos no Aterro Metropolitano Centro e pelo interesse em entender o comportamento dos resíduos domiciliares para melhor operar o aterro sanitário. Ao Dr. Tanuri, Dr. Florent Mailly, Dr. Joselito, Engº João Fortuna, Engº Fábio, Ordélio, Pierre, Orlando (da OVS) e demais funcionários. A LCL Consultoria e Engenharia LTDA. pelo constante apoio nas pesquisas realizadas em conjunto com o Laboratório de Geotecnia da Universidade Federal da Bahia , buscando sempre o aprimoramento dos seus trabalhos. Sem o apoio desta empresa, nos ensaios de campos, este estudo não teria se concretizado. Ao Dr. Luís Carlos Lacrose, Engº Marcos, Sales e em especial ao amigo e Engº Marcelo Avena . A JSE Fundações LTDA. que me apoiou em um dos momentos críticos do trabalho. A amiga e colega de pós-graduação Silvana Foá e a minha querida amiga e comadre Eliana Foá. Ao Laboratório de Geotecnia Ambiental da Universidade Federal da Bahia pelo apoio no desenvolvimento da pesquisa. Ao professor Sandro Lemos Machado pelo constante interesse, incentivo e apoio à pesquisa e a Geotecnia. Aos estagiários , em especial a Deilton, pela grande ajuda na execução das difíceis provas de carga no aterro. Ao Laboratório de Geotecnia da Universidade Federal da Bahia pelo apoio e incentivo às pesquisas geotécnicas realizadas no estado da Bahia. Ao professor Luís Edmundo, exemplo de dedicação à Universidade e à pesquisa. Ao professor Luís Aníbal pelo fornecimento do material referente ao Aterro de Canabrava. Ao professor e colega de pós-graduação Evangelista. Ao técnico do laboratório Armando pelo apoio na realização das provas de carga e ensaios CPTU sempre com boa vontade. Ao CNPQ pelo apoio financeiro na forma da bolsa de estudos concedida. vi A todos os professores da pós-graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília pelos ensinamentos ministrados no curso. A querida amiga Clarice Romariz pela presença e apoio em momentos difíceis. De igual forma os grandes amigos Adolfo Duarte e Rodrigo Tejo. Aos amigos Dorival Pedroso, John Eloi, Márcia Mascarenha, Maruska Tatiana, José Allan, Jairo Furtado, Carlos Caldas Adriano Frutuoso, Luciana Medeiros, Anna Karina e Renato Apolinário por todos os momentos de convivência em Brasília. A minha namorada Paula pelo apoio, preocupação e carinho principalmente no final desta fase da minha vida. vii ESTABILIDADE DE TALUDES DE MACIÇOS DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS RESUMO No atual estágio da “mecânica dos resíduos” ainda não existem teorias e modelos que representem de forma realista o comportamento dos resíduos sólidos urbanos (RSU). Desta forma, têm sido comum a adoção das teorias clássicas de solos para representá -los. Isso pode conduzir a situações conservadoras ou de instabilidade dos taludes dos aterros sanitários. Assim esta pesquisa tem como objetivo principal avaliar a estabilidade de taludes de maciços de resíduos sólidos urbanos. Devido a grande heterogeneidade e complexidade das estruturas estudou-se o comportamento mecânico por meio de ensaios de campo. Os dados são analisados e comparados a comportamento relatados na literatura. Resultados de sondagens de simples reconhecimento (SPT), ensaios penetrométricos (CPTU), provas de carga sobre placa (PLT) e ensaios de caracterização são utilizados para avaliar o comportamento de maciços de RSU e obtenção de parâmetros. Retro-análises de escorregamento ocorrido em um aterro controlado em Salvador (BA) e de uma seção experimental executada no aterro sanitário do Município de Salvador foram executadas para avaliar os parâmetros de resistência ao cisalhamento mobilizados dos resíduos e comparar com os parâmetros sugeridos na literatura internacional. A variação da resistência ao cisalhamento com o tempo foi avaliada por meio de ensaios SPT realizados no decorrer de 1 ano e meio, realizados em células experimentais com sistemas de aceleração da degradação. Apósa análise de todos os resultados obtidos são sugeridas geometrias para taludes de aterros sanitários, tipo células escavadas / trincheira, de até 30 m de altura. Palavras Chaves : Resíduos Sólidos Urbanos, estabilidade de taludes, resistência ao cisalhamento, ensaios de campo. viii SLOPE STABILITY OF MUNICIPAL SOLID WASTE LANDFILLS ABSTRACT In the actual stage of “waste mechanics” it is common the use of classics principles of soil mechanics to simulate the comportment of municipal solid waste. This can conduct to conservative or critical situations of slope stability in sanitary landfills. This research discusses lessons learned in evaluation of slope stability of municipal solid waste landfills. The heterogeneity and complexity structure of MSW lead the study of the mechanical comportment using field tests. The results are analyzed and compared to existing documents on properties of refuse. Results of standard penetration tests, cone penetration test, plate load tests and characterizations were used to evaluate the comportment and parameters of the MSW. Back- analyses of a slope failure, occurred in a sanitary landfill in Salvador (BA), and a experimental section were carried out in order to obtain the mobilized shear strength and parameters of the local refuse comparing to suggested parameters in international literature. Standards penetrations tests were done along one year and a half, in experimental cells with accelerated degradation systems, trying to evaluate changes in the shear strength with time. After all analyses suggestions of slope and geometry of municipal solid waste landfill, with maximum height of 30 m, are given. Keywords : Municipal Solid Waste, slope stability, shear strength, field tests. ix SUMÁRIO CAPÍTULO PÁGINA 1 - INTRODUÇÃO ................................ ................................ ................................ .................. 1 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................ ................................ ............................ 4 2.1 - INTRODUÇÃO ................................ ................................ ................................ .....................4 2.2 - CONCEITUAÇÃO GERAL................................ ................................ ................................ ....6 2.2.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS ................................ ................................ .............................6 2.2.2 - MÉTODOS DE TRATAMENTO ................................ ................................ ................................ ..7 2.2.3 - CARACTERIZAÇÃO DA DISPOSIÇÃO................................ ................................ ........................7 2.3 - SELEÇÃO DE ÁREAS................................ ................................ ................................ ...........9 2.4 - ELEMENTOS BÁSICOS DE UM ATERRO SANITÁRIO ................................ .....................13 2.4.1 - TRATAMENTO DA FUNDAÇÃO ................................ ................................ .............................13 2.4.2 - DRENAGEM LÍQUIDOS PERCOLADOS E GASES ................................ ................................ .......17 2.4.3 - DRENAGEM DE ÁGUAS PLU VIAIS E PROTEÇÃO SUP ERFICIAL ................................ ..................20 2.4.4 - VIAS INTERNAS DE ACESSO ÀS CÉLULAS................................ ................................ ..............21 2.4.5 - COBERTURA DOS RESÍDUOS ................................ ................................ ................................ 22 2.4.6 - INSTRUMENTAÇÃO................................ ................................ ................................ .............23 2.5 - TÉCNICAS OPERACIONAIS DE ATERROS ................................ ................................ .......26 2.6 - PROPRIEDADES BIOLÓGICAS DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ............................ 28 2.6.1 - BIODEGRADAÇÃO E GERAÇÃO DE GASES ................................ ................................ .............28 2.7 - PROPRIEDADES FÍSICAS DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS................................ .....31 2.7.1 - COMPOSIÇÃO................................ ................................ ................................ .....................31 2.7.2 - CLASSIFICAÇÃO ................................ ................................ ................................ .................32 2.7.3 - DISTRIBUIÇÃO DOS TAMANHOS DAS PARTÍCULAS................................ ................................ .35 2.7.4 - TEOR DE UMIDADE ................................ ................................ ................................ ............ 36 2.7.5 - PESO ESPECÍFICO IN SITU ................................ ................................ ................................ .... 37 2.7.6 - PERMEABILIDADE ................................ ................................ ................................ ..............38 2.7.7 - COMPACTAÇÃO ................................ ................................ ................................ .................39 2.8 - PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS RSU................................ ................................ ..........40 2.8.1 - COMPRESSIBILIDADE ................................ ................................ ................................ ..........40 2.8.2 - RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO ................................ ................................ .......................46 2.8.3 - CAPACIDADE DE CARGA DO MACIÇO ................................ ................................ ...................56 x 3 - METODOLOGIA................................ ................................ ................................ ............. 61 3.1 - INTRODUÇÃO ................................ ................................ ................................ ...................61 3.2 - INVESTIGAÇÕES DOS MACIÇOS ................................ ................................ .....................63 3.2.1 - SONDAGEM DE SIMPLES RECONHECIMENTO A PERCUSSÃO (SPT) ................................ ..........63 3.2.2 - ENSAIO DE PENETRAÇÃO CONTÍNUA – CPTU................................ ................................ .......65 3.2.3 - POÇO PARA COLETA DE AMOSTRAS E DETERMINAÇÃO DE PESO ESPECÍFICO IN SITU ................ 65 3.3 - ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DOS RESÍDUOS COLETADOS.......................68 3.3.1 - TEOR DE UMIDADE ................................ ................................ ................................ ............ 69 3.3.2 - COMPOSIÇÃO GRAVIMÉTRI CA................................ ................................ .............................69 3.3.3 - ESTIMATIVA DO TAMANHO DAS PARTÍCULAS E DI STRIBUIÇÃO DOS COMPONENTES.................70 3.4 - ENSAIOS DE CARREGAMENTO DE PLACA – PLT ................................ ...........................70 3.5 - ANÁLISES DE ESTABILIDADE DE MACIÇOS DE RSU................................ .................... 73 3.5.1 - ANÁLISES DE ESTABILIDADE DO ATERRO METROPOLITANO CENTRO ................................ .... 73 3.5.2 - ANÁLISE DA RUPTURA DO TALUDE DE RSU DO ATERRO DE CANABRAVA .............................76 4 - APRESENTAÇÃO E ANÁLISES DOS RESULTADOS................................ ................... 79 4.1 - INTRODUÇÃO ................................ ................................ ................................ ...................79 4.2 - INVESTIGAÇÕES DOS MACIÇOS ................................ ................................ .....................79 4.2.1 - SONDAGEM DE SIMPLES RECONHECIMENTO A PERCUSSÃO (SPT) ................................ ..........79 4.2.2 - ENSAIO DE PENETRAÇÃO CONTÍNUA – CPTU................................................................ .......83 4.2.3 - DETERMINAÇÃO DO PESO ESPECÍFICO IN SITU ................................ ................................ ......90 4.3 - ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DOS RESÍDUOS COLETADOS.......................91 4.3.1 - TEOR DE UMIDADE ................................ ................................ ................................ ............ 91 4.3.2 - COMPOSIÇÃO GRAVIMÉTRI CA................................ ................................ .............................92 4.3.3 - ESTIMATIVA DO TAMANHO DAS PARTÍCULAS ................................ ................................ .......94 4.4 - ENSAIOS DE CARREGAMENTO DE PLACA – PLT ................................ ...........................95 4.5 - ANÁLISES DE ESTABILIDADE DE MACIÇOS DE RSU................................ ..................102 4.5.1 - ANÁLISES DE ESTABILIDADE DO ATERRO METROPOLITANO CENTRO ................................ ..102 4.5.2 - ANÁLISE DA RUPTURA DO TALUDE DE RSU DO ATERRO DE CANABRAVA ...........................107 4.5.3 - PROPOSTA DE GEOMETRIA E INCLINAÇÃO DE TAL UDES PARA MACIÇOS DE RSU...................109 5 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS................................ ...113 5.1 - CONCLUSÕES................................ ................................ ................................ ..................113 5.2 - SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ................................ ................................ .... 115 xi REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 117 APÊNDICES A – CURVAS DE ESTABILIZAÇÃO DOS DESLOCAMENTOS DAS PROVAS DE CARGA SOBRE PLACA ......................................................................................................121 B – ANÁLISES PARAMÉTRICAS DA SEÇÃO EXPERIMENTAL .................................138 C – ANÁLISES PARAMÉTRICAS DAS GEOMETRIAS PROPOSTAS ..........................143 xii LISTA DE FIGURAS FIGURA PÁGINA Figura 2.1 - Métodos de aterros sanitários. (TCHOBANOGLOUS et al. 1993) ........................9 Figura 2.2 – Considerações para aterros de RSU em condições hidrológicas favoráveis. Critérios para a não impermeabilização do terreno de fundação, (CETESB, 1993).........14 Figura 2.3 – Cons iderações para aterros de RSU em condições hidrológicas desfavoráveis. Critérios para a impermeabilização do terreno de fundação ( CETESB, 1993). ...............15 Figura 2.4 - Critério de aceitação de compactação de liners argilosos. (USEPA, 1994) ..........16 Figura 2.5 – Sistemas de impermeabilização requeridas para aterros sanitários em diversos países.( KNOCHENMUS et al, 1998) ..............................................................................16 Figura 2.6 –Detalhes típicos de drenagem de nascentes utilizados no aterro sanitário Bandeirantes. (ENGECORPS, 1996)................................................................................17 Figura 2.7 - Sistema de drenagem de fundação. (TCHOBANOUGLOS et al., 1993) .............18 Figura 2.8 - Drenos de fundação e drenos horizontais (modificado ENGECORPS, 1996). .....18 Figura 2.9 - Sobreposição das zonas de influência dos drenos de gás......................................19 Figura 2.10 - Drenos Verticais de concreto (ENGECORPS, 1996) ..........................................20 Figura 2.11 - Elementos de drenagem superficial (apud CARVALHO, 1999). .......................21 Figura 2.12 - Camadas do recobrimento final de um aterro sanitário (apud CARVALHO, 1999)..................................................................................................................................23 Figura 2.13 - Instrumentação (ENGECORPS, 1996). ..............................................................25 Figura 2.14 - Influência do teor de umidade no peso específico seco do RSU. (MARQUES, 2001)..................................................................................................................................27 Figura 2.15 - Influência da espessura da camada no peso específico em profundidade (MARQUES, 2001)...........................................................................................................27 Figura 2.16 - Influência do número de passadas do equipamento no peso específico em profundidade (MARQUES, 2001). ...................................................................................27 Figura 2.17 - Relação entre o peso específico dos resíduos e o número de passadas do equipamento e espessura das camadas (Schomaker, 1972 citado por MARQUES, 2001). ...........................................................................................................................................28 Figura 2.18 - Fases de estabilização de um aterro (ENGECORPS, 1996). ...............................31 Figura 2.19 - Composição Gravimétrica do RSU de Brasília (JUNQUEIRA, 2000). ..............32 Figura 2.20 – Classificação do RSU pela carta de Schmertman (PALMA, 1995). ..................34 Figura 2.21 – Classificação do RSU através do CPT segundo MANASSERO et al (1996). ...34 xiii Figura 2.22 - Classificação pelo Diagrama Triangular. (GRISOLIA et al, 1995) ....................35 Figura 2.23 - Distribuição granulométrica do RSU. (JEEBERGER, 1994 apud KNOCHENMUS et al, 1998)............................................................................................35 Figura 2.24 – Variação do Teor de Umidade do RSU com a profundidade (apud CARVALHO, 1999). ........................................................................................................36 Figura 2.25 – Variação do Teor de Umidade dos RSU com a matéria orgânica. (LANDVA & CLARK, 1990) ..................................................................................................................37 Figura 2.26 - Peso específico para o RSU. (apud CARVALHO, 1999)...................................38 Figura 2.27 - Coeficientes de Permeabilidade medidos em poços de reconhecimento por ensaio de infiltração (LANDVA & CLARK, 1990) .........................................................39 Figura 2.28 - Curvas de compactação para diferentes tipos de resíduos (modificado de MARQUES, 2001). ...........................................................................................................40 Figura 2.29 - Parâmetros de resistência obtidos por retro-análises (SINGH&MUPHY, 1990). ...........................................................................................................................................47 Figura 2.30 - Ensaios de SPT realizado por diversos autores. (apud CARVALHO, 1999) .....48 Figura 2.31 - Ensaios de CPT por diversos autores. (apud CARVALHO, 1999) ....................49 Figura 2.32 - Curvas tensão x deformação típicas dos RSU. (apud CARVALHO, 1999) .......50 Figura 2.33 - Modelo do RSU. (KOCKEL, 1995 apud KÖNIG & JESSEBERGER, 1997) ...50 Figura 2.34 - Mobilização do angulo de atrito e do intercepto de coesão com a deformação. (KOCKEL & JESSEBERGER, 1995, apud KÖNIG & JESSEBERGER, 1997) ............51 Figura 2.35 - Modelo de interação das forças de atrito e de tração dos RSU. (KÖLSCH, 1993) ...........................................................................................................................................51 Figura 2.36 - Envoltórias de cisalhamento direto de RSU. (apud KÖLSCH, 1993) ................52 Figura 2.37 - (a) Variação da resistência com o tempo (KÖNIG & JESSEBERGER, 1997). (b) Proposta de WALTER (1992) apud PALMA (1995) .................................................53 Figura 2.38 - Envoltória de parametros proposta por SINGH & MURPHY (1990). ...............53 Figura 2.39- Apresentação dos parametros de resistência e área recomendada. (CARVALHO, 1999, modificado de SINGH & MURPHY, 1990) ...........................................................54 Figura 2.40 - Área recomendada para projetos. (PALMA, 1995) .............................................54 Figura 2.41 - Superposição das faixas de parâmetros propostas...............................................55 Figura 2.42 - Envoltórias de ruptura. (apud CARVALHO, 1999) ............................................55 Figura 2.43 - Mecanismos de ruptura em aterros sanitários (SOWERS, 1968). .......................57 Figura 3.1 - Lavage m por circulação de água no ensaio SPT. ..................................................64 Figura 3.2 – Amostra recuperada pelo ensaio SPT. ..................................................................64 xiv Figura 3.3 - Equipamento de cravação do piezocone................................................................66 Figura 3.4 - Retirada da camada de cobertura antes da execução do poço de inspeção. ..........66 Figura 3.5 - Coleta de amostra do RSU. ...................................................................................67 Figura 3.6 - Quarteamento da amostra coletada........................................................................67 Figura 3.7 - Determinação do peso específico in situ. ..............................................................68 Figura 3.8 - Armazenamento dos diversos componentes da amostra de RSU..........................69 Figura 3.9 - Sistema de reação do ensaio de carregamento de placa. .......................................71 Figura 3.10 - Sistema de aquisição de dados do ensaio de carregamento de placa. .................72 Figura 3.11 - Modelado do terreno do antes da terraplenagem.................................................73 Figura 3.12 - Modelado do terreno após a terraplenagem e esquema dos marcos e aplicação da sobrecarga..........................................................................................................................74 Figura 3.13 - Vista geral do corte subvertical realizado no talude do aterro. ...........................74 Figura 3.14 - Marco superficial instalado na crista do corte realizado no aterro. .....................75 Figura 3.15 - Seção central do corte realizado no AMC e configuração das superfícies de rupturas analisadas (centros e raios) no programa SLOPE/W. .........................................76 Figura 3.16 - Vista aérea do escorregamento da massa de lixo no Aterro de Canabrava.........77 Figura 3.17 - Seção anterior a ruptura no Aterro de Canabrava utilizada nas análises de estabilidade. .......................................................................................................................78 Figura 3.18 - Seção utilizada nas análises da ruptura do Aterro de Canabrava e configuração das superfícies de rupturas no programa SLOPE/W.........................................................78 Figura 4.1 - Perfil de sondagem SPT do AMC. ........................................................................80 Figura 4.2 - Número de golpes das sondagens nas Células experimentais do Aterro do Jóquei Clube de Brasília. ..............................................................................................................81 Figura 4.3 - Resultado do ensaio de penetração contínua CPTU-01 (topo da célula 01/02, ao lado dos ensaios PLT-01 e PLT-02)..................................................................................84 Figura 4.4 - Resultado do ensaio de penetração contínua CPTU-02 (topo da célula 01/02, ao lado da sobrecarga da seção experimental).......................................................................85 Figura 4.5 - Resultado do ensaio de penetração contínua CPTU-03 (berma da célula 01/02, ao lado do SPT)......................................................................................................................86 Figura 4.6 - Histograma de resistência de ponta obtido nos três ensaios CPTU.......................88 Figura 4.7 - Histograma de razão de atrito obtido nos três ensaios CPTU ...............................88 Figura 4.8 - Dados dos ensaios CPTU plotados na carta de Schmertmann ..............................89 Figura 4.9 - Correlação entre qc x N obtida por CARVALHO (1999).....................................89 xv Figura 4.10 - Valores de resistência a penetração N obtidos no ensaio SPT versus os valores da tendência de crescimento da resistência de ponta do ensaios CPTU-03. .....................90 Figura 4.11 - Composição do RSU coletado.............................................................................92 Figura 4.12 - Composição gravimétrica média dos municípios de Salvador, Lauro de Freitas e Simões Filhos (modificado de SANTOS & PRESA, 1995). ............................................93 Figura 4.13 - Descarga de caminhão contendo somente material plástico. ..............................93 Figura 4.14 - Curva granulométrica de cada componente da amostra de RSU coletada ..........94 Figura 4.15 - Curva granulométrica total da amostra de RSU coletada, com e sem plásticos..95 Figura 4.16 - Curva carga x recalque do ensaio PLT-01 ..........................................................96 Figura 4.17 - Curva carga x recalque do ensaio PLT-02 ..........................................................96 Figura 4.18 - Curva carga x recalque do ensaio PLT-03 ..........................................................97 Figura 4.19 - Curvas carga x recalque dos três ensaios PLT. ...................................................99 Figura 4.20 - Provas de carga sobre placa realizados no Aterro da Muribeca (SANTOS et al, 1998)................................................................................................................................101 Figura 4.21 - Desenvolvimento dos recalques da seção experimental. ...................................103 Figura 4.22 - Resultado da análise de estabilidade da seção experimental utilizando para o RSU a envoltória de resistência bi-linear proposta por KAVAZANJIAN et al (1995). .105 Figura 4.23 – Avaliação das faixas de parâmetros de resistência propostas para RSU. .........106 Figura 4.24 - Parâmetros de resistência dos diversos ensaios e análises e área sugerida de parâmetros. ......................................................................................................................107 Figura 4.25 - Fator de segurança obtido (FS = 1,067) para rupturas internas no maciço RSU com angulo de atrito de 15º e coesão de 1,5 kPa. ...........................................................108 Figura 4.26 - Resultado da retro-análise da ruptura do Aterro de Canabrava. FS=0,996 C=0 kPa e f = 20 º...................................................................................................................109 Figura 4.27 - Parâmetros de resistência obtidos por análise paramétrica para as geometrias propostas. .........................................................................................................................112 xvi LISTA DE TABELAS TABELA PÁGINA Tabela 2.1 - Restrições para locação de aterros sanitários (EPA apud ENGECORPS, 1996)..11 Tabela 2.2 - Critérios para avaliação das áreas para instalação de aterro sanitário, (IPT, 1995). ...........................................................................................................................................11 Tabela 2.3 - Constituição típica de Biogás formado em aterros sanitários...............................30 Tabela 2.4 - Composição (em volume) do resíduo sólido urbano para diferentes cidades (modificado CARVALHO, 1999).....................................................................................33Tabela 2.5 - Peso específico do RSU segundo diversos autores (ENGECORPS, 1996)..........38 Tabela 4.1 - Umidade dos componentes do RSU coletado .......................................................91 Tabela 4.2 - Valores de coesão obtidos nas retro-aná lises paramétricas das provas de carga. .........................................................................................................................................100 Tabela 4.3 -Recalques dos marcos da seção experimental pelo levantamento topográfico....103 Tabela 4.4 - Resultados das análises paramétricas da seção experimental desconsiderando a sobrecarga (Q = 0 kPa)....................................................................................................104 Tabela 4.5 -Resultados das análises paramétricas da seção experimental considerando a sobrecarga (Q = 20 kPa). .................................................................................................104 Tabela 4.6 - Fatores de Segurança e Coesões obtidos nas análises paramétricas para geometria 01 (1V:1H e H=20m). .....................................................................................................110 Tabela 4.7 - Fatores de Segurança e Coesões obtidos nas análises paramétricas para geometria 02 (1V:1H e H=30m). .....................................................................................................111 Tabela 4.8 - Fatores de Segurança e Coesões obtidos nas análises paramétricas para geometria 03 (1V:1,5H e H=30m). ..................................................................................................111 xvii LISTA DE SIMBOLOS a = coeficiente de perda de massa e = deformação específica % g = peso específico em kN/m3 s = tensão vertical efetiva Ds = acréscimo de tensão vertical atuante no meio da camada em consideração l/b = taxa de compressão secundária s0 = tensão vertical efetiva inicial atuante no meio da camada gd = peso específico seco DH = recalques medidos DH1 = recalque primário DH2 = recalque secundário Dt = intervalo de tempo entre as medidas sv = tensão vertical efetiva atuante qw = umidade volumétrica % f = ângulo de atrito u = coeficiente de Poisson g = peso específico a = parâmetro de compressibilidade que varia com a espessura do aterro e com o tempo de construção AMC = Aterro Metropolitano Centro b = parâmetro de compressibilidade que varia com a espe ssura do aterro e com o tempo de construção c = coesão Ca = índice de compressão secundária c* = coesão considerada para ruptura localizada C’a = coeficiente de compressão secundária C’a1 = coeficiente de compressão secundária do 1º trecho C’a2 = coeficiente de compressão secundária do 2º trecho Cc = índice de compressão primária Cc = índice de compressão primária xviii COD =quantidade de matéria orgânica biodegradável presente nos resíduos por ano CPTU = piezocone penetration test (ensaio penetrométrico com medida de poropressão) D = profundidade da fundação DQO = demanda química de oxigênio e = índice de vazios E = módulo de Young e0 = índice de vazios inicial e100 = índice de vazios final dos recalques primários EV = evapotranspiração fs = atrito lateral H = altura inicial do aterro H0 = espessura da camada inicial dos recalques primários H100 = espessura da camada final dos recalques primários k = coeficiente de condutividade hidráulica Kh = coeficiente de hidrolisação (dia -1) kv = módulo de reação vertical m = compressibilidade de referência m = taxa de recalque N = número de golpes para penetrar os 30 últimos cm no ensaio SPT n = taxa de compressão Nc = coeficiente de capacidade de carga Nq = coeficiente de capacidade de carga Ng = coeficiente de capacidade de carga P = precipitação PLT = plate load test – prova de carga sobre placa q = pressão aplicada qc = resistência de ponta Qrup = carga de ruptura em kN (admitida como 98,1 kN) R = raio da fundação Rf = razão de atrito lateral % RSU = resíduos sólidos urbanos ru = coeficiente de poropressão xix SPT = Standard penetration test t = tempo t = tempo de ínicio da construção à leitura t1 = tempo inicial do período para obtenção do recalque secundário t2 = tempo final do período para obtenção do recalque secundário tc = tempo de construção do aterro u = poropressão w = recalque w = umidade gravimétrica % f* = ângulo de atrito considerado para ruptura localizada 1 1 - INTRODUÇÃO Têm chamado a atenção de todos o aumento da necessidade de novas áreas para a deposição dos resíduos sólidos urbanos (RSU). A cidade de Nova York, por exemplo, transporta seus resíduos a quilômetros de distância, através de barcas, para depositá-los em locais adequados na Flórida. Como exemplo brasileiro têm-se a região metropolitana de São Paulo que produz mais de 8.000 toneladas de resíduos urbanos por dia e tem seu principal aterro, o Aterro Sanitário do Bandeirantes, com esgotamento de capacidade de disposição previsto para 2003 . Aliado a este quadro, fica cada vez mais difícil encontrar novas áreas adequadas, próximas aos centros geradores, devido às regulamentações ambientais restritivas para este tipo de obras. Além disso há grande resistência por parte da população na aceitação de depósitos de resíduos próximos às residências, existindo nos Estados Unidos uma expressão bastante interessante que representa esta recusa: “NIMBY – Not in My Back Yard” que significa “não no meu quintal”. Desta forma têm sido comum a tentativa de solucionar esse problema aumentando-se a capacidade de deposição dos locais já em operação ou reutilizando-se locais antigos encerrados. Os novos projetos e os projetos de alteamento de aterros sanitários existentes têm sido desenvolvidos com alturas sem precedentes. Essa situação tem conduzido diversos geotécnicos a avaliar a estabilidade de taludes dos maciços dos aterros sanitários e a resistência do RSU. Como resultado têm-se publicações diversas que apresentam dados muitas vezes contraditórios. Isto acontece devido a complexidade e heterogeneidade da estrutura do RSU e a dificuldade de se adaptar métodos convencionais de ensaios, tanto de laboratório como de campo. Assim questões básicas sobre o valor da resistência, dos parâmetros dos resíduos e sobre a aplicabilidade de certas técnicas de análises de estabilidade, comuns na geotecnia clássica, ainda permanecem. É importante frisar que os projetos e cons truções de aterros sanitários no Brasil têm sido caracterizados pela adoção de critérios e parâmetros internacionais. Isto pode conduzir a problemas de estabilidade e operação, visto que a composição dos resíduos é diferente em Capítulo 01 - Introdução 2 cada país. Desta forma, torna-se necessário também a validação destes parâmetros para as condições locais. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo geral o estudo da resistência dos resíduos sólidos urbanos, com foco principal nas análises de estabilidades de taludes dos aterros sanitários. Constituem objetivos específicos desta pesquisa: a) determinação do perfil de resistência à penetração in situ, com uso de ensaios SPT e CPTU; b) determinação de poropressões no interior dos maciços de lixo, com uso dos ensaios CPTU; c) determinação da variação de resistência à penetração in situ ao longo do tempo, com uso de ensaios SPT; d) caracterização física dos resíduos domiciliares aterrados; e) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento, por retro-análises; f) determinação do comportamentotensão deformação in situ, através de ensaios de prova de carga sobre placa; g) verificação da aplicação das faixas de parâmetros recomendadas na literatura para os resíduos brasileiros, por análise dos dados obtidos; h) recomendação de configurações geométricas seguras para aterros sanitários, principalmente do tipo trincheira / células escavadas. Buscando atender estes objetivos e obter o conhecimento necessário para o desenvolvimento das respectivas análises foi realizada uma revisão bibliográfica, sobre os temas envolvidos, que é apresentada no Capítulo 02. No item 2.2 é apresentada uma conceituação geral. Os pontos importantes a serem avaliados na seleção de áreas para implantação de aterros sanitários, são apresentados no item 2.3. No item 2.4 são apresentados os elementos necessários a um aterro sanitário para um confinamento seguro dos resíduos domiciliares. As técnicas operacionais de aterros sanitários são apresentadas no item 2.5. No item 2.6 são discutidas as propriedades biológicas dos RSU. Nos itens 2.7 e 2.8 são apresentadas as propriedades de maior interesse do ponto de vista geotécnico que são as propriedades físicas e mecânicas. No Capítulo 03 apresentam-se os locais de estudo e os métodos e equipamentos utilizados na realização do trabalho. São discutidos os motivos que levaram a seleção de diferentes áreas para o desenvolvimento da pesquisa. No Capítulo 04 são apresentados os diversos resultados e análises a partir da realização dos ensaios de campo. Apresenta-se os perfis de resistência à penetração obtidos nos diferentes ensaios e diferentes locais de estudo, bem como a variação dessa resistência ao longo do tempo. É apresentada também a caracterização física do resíduo aterrado em um dos aterros estudados. Parâmetros de resistência ao cisalhamento são estimados e as faixas de Capítulo 01 - Introdução 3 parâmetros propostas na literatura são avaliadas. É proposta também uma geometria, para aterros de até 30 m de altura, de forma a otimizar a capacidade de deposição. Finamente no Capítulo 05, as pr incipais conclusões a cerca do trabalho desenvolvido são apresentadas, bem como algumas sugestões para futuras pesquisas. 4 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 - INTRODUÇÃO O constante crescimento econômico e demográfico dos grandes centros urbanos tem como uma de suas conseqüências maior produção de resíduos sólidos. Paralelo a esse crescimento aumenta também a preocupação da disposição adequada dos mesmos em condições que minimizem os impactos ao meio ambiente Os dados de 1990 da situação brasileira de saneamento básico (IPT, 1995) mostram que 76% do lixo urbano gerado são dispostos a céu aberto e apenas 24% recebe disposição com algum controle. Destes, 13% vão para aterros controlados, 10% para aterros sanitários, 0,9% para usinas de compostagem e 0,1% para usinas de incineração. Segundo BOSCOV & ABREU (2001), o estado de São Paulo apresenta melhores estatísticas. São gerados 18.223 ton/dia de resíduos domiciliares em 643 municípios, onde 59,3% do total dos resíduos do estado são dispostos em condições adequadas, 17,9% em condições controladas e 22,7% em condições inadequadas. Porém os autores alertam que em relação ao percentual de municípios apenas 28,4% desses dispõem seus resíduos em condições adequadas, 21,2% em condições controladas e 50,4% em condições inadequadas. Como uma das formas adequadas de disposição dos resíduos, o aterro sanitário se apresenta como solução necessária, mesmos nos países de mais alto nível de gerenciamento de resíduos. Todo processo tecnológico, quer sejam processos que visam a recuperação da matéria, como por exemplo, os sistemas de triagem, reciclagem e compostagem, como aqueles que visam a eliminação da mesma através de processos térmicos (incineração), geram resíduos. Tal constatação faz com que os aterros sanitários se apresentem como a forma principal, mais usual e econômica para disposição final dos resíduos no Brasil e em grande parte do mundo. Porém, aliado ao aumento da produção de resíduos sólidos urbanos (RSU), ficam cada vez mais escassos locais adequados próximos aos centros geradores, devido às regulamentações ambientais restritivas para este tipo de obras. Desta forma, este quadro induz a necessidade da otimização da capacidade dos locais já em operação. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 5 A demanda de maiores capacidades tem sido resolvida, na maioria das vezes, com a construção de aterros mais altos, o que tem levado a projetos com alturas sem precedentes e ampliações dos aterros existentes. Como exemplo temos o aterro sanitário dos Bandeirantes (SP) que já supera os 100 metros de altura. A operação e funcionamento dos aterros sanitários envolvem diversos problemas geotécnicos que, para serem solucionados, torna-se necessário um melhor entendimento do comportamento a médio e longo prazo destes maciços, assim como, o desempenho dos mesmos a distintas técnicas construtivas e operacionais. Atenta-se ainda , a importância nos dias atuais para a recuperação e reaproveitamento de antigas áreas de disposição, as quais demandam igualmente o conhecimento das condições geomecânicas do maciço, bem como a previsão do seu comportamento futuro (MARQUES 2001) . Desta forma, com o objetivo de se obter conhecimento mínimo para o entendimento das propriedades mecânicas dos maciços de RSU, diferentes técnicas de disposição e elementos estruturais, será apresentada a seguir uma revisão de trabalhos anteriores. Problemas envolvendo operação, funcionamento, estabilidade e deformabilidade dos aterros sanitários são comuns e podem ser encontradas na literatura. Esta situação tem levado o engenheiro geotécnico a analisar as condições de operação dos aterros de RSU se deparando com dois problemas principais: o primeiro, de trabalhar com um “solo” incomum (altamente heterogêneo e de comportamento mecânico complexo), sem equipamentos adequados, e o segundo, que o material é degradável, tópico incomum na geotecnia clássica. A obtenção de parâmetros e leis de comportamento para os resíduos sólidos urbanos em laboratório, ou mesmo em células experimentais de maior porte, podem conduzir a resultados insatisfatórios, quer pelas características do material quer pela impossibilidade da simulação das mesmas condições presentes nos locais de disposição (fatores ambientais, histórico de carregamento, drenagem de gases e líquidos, etc). A realização de ensaios in situ e a monitoração de aterros sanitários apresentam-se como formas para contornar as limitações mencionadas, podendo ser utilizadas para o estudo de certas características e mecanismos dos resíduos sólidos urbanos. Como resultado existe uma vasta determinação de parâmetros e comportamentos dos RSU. O entendimento destes dados é muito complexo devido a heterogeneidade da estrutura e dificuldade de se adaptar ensaios convencionais. Algumas vezes os dados são contraditórios. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 6 Desta forma algumas dúvidas ainda devem ser respondidas para o desenvolvimento das análises, projetos e construção de aterros sanitários seguros e de grande capacidade de disposição, tais como: § Parâmetros confiáveis para o RSU. § Método de análise de estabilidade adequado para taludes de RSU. § Consideração do comportamento do RSU semelhante ao de solos (critérios de ruptura, modelos de recalque, etc.). Vale ainda ressaltar que os projetos de construção de aterros sanitários no Brasil têm sido caracterizados pela adoção de critérios e parâmetros de projetos “importados”, ou seja, baseados na literatura internacional. Assim torna-se necessário validar estesparâmetros para o tipo de resíduo local, pois as propriedades mecânicas do mesmo variam com sua composição, teor de umidade, etc.. 2.2 - CONCEITUAÇÃO GERAL 2.2.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS A ABNT (87), na norma NBR - 10.004, define resíduos sólidos como: “resíduos no estado sólido e semi-sólido, que resultam de atividades da comunidade, de origem: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviço de varrição, etc. Ficam incluídos os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos, cujas particularidades tornam inviáveis o seu lançamento na rede de esgoto ou em corpos d’água, ou exijam para isso soluções técnicas economicamente inviáveis, face a melhor tecnologia disponível”. A NBR – 10.004 classifica os tipos de resíduos em: § classe I: abrange os resíduos perigosos, ou seja, aqueles que apresentam periculosidade por inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade e/ou patogenicidade; § classe II: abrange os resíduos não inertes, ou seja, todos aqueles não incluídos nas classes I e III, podendo apresentar propriedades como combustibilidade, biodegradabilidade ou solubilidade em água; § classe III: abrange os resíduos inertes e não perigosos (rochas, tijolos, vidros, etc). Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 7 BOSCOV & ABREU (2001) definem resíduos sólidos urbanos como os resíduos gerados por um aglomerado urbano, exceto os resíduos industriais perigosos, hospitalares sépticos e de aeroportos e portos, ou ainda, como os resíduos gerados nas residências, no comércio ou em outras atividades desenvolvidas nas cidades, excetuado os de indústria e de serviços de saúde. 2.2.2 - MÉTODOS DE TRATAMENTO Os métodos mais comumente adotados no presente são : aterros sanitários, compostagem - reciclagem e incineração (LIMA, 1988). a) Aterros Sanitários Os aterros sanitários podem ser definidos como estruturas de engenharia de disposição de resíduos, fundamentada em critérios e normas operacionais específicas, que permite o confinamento seguro em termos de controle de poluição ambiental e proteção à saúde pública. b) Compostagem – reciclagem A reciclagem é definida como ato ou ação de recuperar os resíduos e transformá -los por meio de processos físicos como peneiramento, lavagem, prensagem, enfardamento, etc., em produtos capazes de serem reutilizados. Têm como objetivo, além da recuperação, o preparo da fração orgânica, favorecendo a ação biológica. A compostagem é definida como o ato ou ação de transformar os resíduos orgânicos, através de processos físicos, químicos e biológicos, em uma matéria biogênica mais estável e resistente à ação das espécies consumidoras. O tratamento biológico consiste na fermentação ou digestão dos resíduos pela ação de microorganismos presentes ou inoculados por uma adição, resultando num produto denominado composto. c) Incineração A incine ração é definida como um processo de redução de peso e volume do lixo através de combustão controlada. 2.2.3 - CARACTERIZAÇÃO DA DISPOSIÇÃO A disposição dos RSU sobre o terreno é o destino mais usual em todo o mundo e algumas características dos locais de deposição podem ser classificadas: Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 8 a) Lixões ou Vazadouros Os lixões ou vazadouros são caracterizados pela ausência de controle sobre tipo, volume e periculosidade dos resíduos depositados. O resíduo permanece a céu aberto sem nenhum tipo de proteção. Não é realizado nenhum tipo de compactação com o objetivo de minimizar o volume, sendo os resíduos despejados sobre o solo natural. Não há também nenhum controle de entrada de pessoas ou animais. b) Aterros Controlados A diferença deste tipo de aterramento para o anterior consiste basicamente na existência de um controle mínimo como: o da entrada dos resíduos, de pessoas e animais, na compactação dos resíduos e existência de uma cobertura de solo para o controle e minimização da proliferação de vetores. Não estão presentes todos os elementos de engenharia que permitam o confinamento seguro dos resíduos, especialmente os relacionados com sistemas de impermeabilização e destinação do chorume. c) Aterros Sanitários Compreende todo um conjunto de componentes e técnicas operacionais tais como: divisão em células, compactação dos resíduos, cobertura, sistema de impermeabilização, sistemas de drenagem de líquidos e gases, tratamento do chorume, monitoramento geotécnico e ambiental, etc.. Pode-se diferenciar os aterros sanitários quanto ao tipo e quanto ao método executivo (ENGECORPS, 1996; TCHOBANOGLOUS, 1993). I. Quanto ao tipo de aterro Aterros de Resíduos Sólidos Urbanos, Aterros de Resíduos Triturados e Aterros Sanitários de Resíduos Especiais. II. Quanto ao método de aterramento § Aterros em Trincheiras ou Células Escavadas Pode-se optar por escavações de trincheiras ou células para a disposição dos resíduos. Este método é utilizado quando não se deseja alterar a topografia original do terreno. Tem como fator limitante a posição do lençol fr eático e locais de terreno rochosos. § Aterros de Superfície São usados em regiões de topografia plana, impróprios para a execução de células. Os desníveis para implantação dos resíduos são criados a partir de diques de terra. § Aterros em Depressão Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 9 São implantados em “canyons”, ravinas, áreas de empréstimos e pedreiras, principalmente quando esses locais tem baixo valor comercial. Tem como uma de suas vantagens a recuperação das áreas, pós fechamento do aterro, em áreas de bosques, parques, etc.. Figura 2.1 - Métodos de aterros sanitários. (TCHOBANOGLOUS et al. 1993) 2.3 - SELEÇÃO DE ÁREAS Antigamente, por facilidade de deposição, era comum a escolha de talvegues naturais, onde o lixo era lançado do topo sem nenhum critério técnico ou ambiental. Como os terrenos Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 10 brejosos não são propícios a áreas residenciais, eram utilizados também como área de deposição de resíduos. Por estes motivos a maioria dos antigos lixões encontra-se em uma das duas situações. A escolha de novas áreas não envolve apenas condicionantes ambientais, mas também aspectos legais, econômicos, técnicos e sociais. Conforme a NBR 13896, os aspectos a serem verificados são a minimização do impacto ambiental, maximização da aceitação da população, estar de acordo com o zoneamento da região e a utilização por longo período com necessidade mínima de obras para início de operação. Os principais condicionantes intervenientes na seleção da área para a disposição a longo prazo de resíduos são : § Distância de transporte dos pontos geradores do resíduo ao aterro; § Restrições locais; § Capacidade da área; § Condições de acesso e trafegabilidade; § Condições topográficas; § Disponibilidade de solos de recobrimento e proteção; § Condições climatológicas § Condições geológicas-geotécnicas e hidrogeológicas; § Dados de infra-estrutura; § Aproveitamento final da área; Com relação às interferências locais, algumas considerações são apresentadas. As tabelas 2.1 e 2.2 apresentam as restrições e considerações segundo o IPT e a EPA-USA (United States Environmental Protection Agency). São informações relevantes do meio físico : a geologia, geomorfologia, geotecnia, hidrogeologia e condições climáticas como tipo de solos e rochas, estruturas geológicas, posição do lençol freático, precipitação pluviométrica, evaporação, direção predominante dos ventos dentre outros. A normaNBR 13896/97, Aterros de Resíduos Não Perigosos – Critérios para Projeto, Implantação e Operação, recomenda locais com declividade superior a 1% e inferior a 30%. e considera desejável a existência de um depósito extenso e homogêneo de materiais com coeficiente de condutividade hidráulica inferior a 10-6cm/s e uma zona não saturada com espessura superior a 3m, sendo recomendado coeficiente de condutividade hidráulica menor Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 11 que 5x10-5cm/s e espessura maior do que 1,5m de solo . Valores de coeficiente de condutividade hidráulica maiores podem ser admitidos a critério do órgão de controle ambiental mas não excedendo 10-4cm/s. Tabela 2.1 - Restrições para locação de aterros sanitários (EPA apud ENGECORPS, 1996). INTERFERÊNCIA RESTRIÇÃO 3km de aeroportos com pouso e decolagem de aeronaves de grande porte Aeroportos 1,5km de aeroportos com pouso e decolagens de aeronaves de médio porte Planícies Inundáveis Período de retorno superior a 100 anos Terrenos Brejosos Evitado. Poderá ser utilizado em casos particulares que estudo s de impacto ambiental demonstrem a viabilidade Áreas Sísmicas Os aterros e sistemas de infra-estrutura deverão ser dimensionados para resistir a acelerações horizontais máximas Áreas de risco, em termos de estabilidade Os aterros e sistemas de infra-estrutura deverão ser projetados de maneira a assegurar a estabilidade e integridade geral dos seus componentes Tabela 2.2 - Critérios para avaliação das áreas para instalação de aterro sanitário, (IPT, 1995). Classificação das Áreas Itens Analisados Recomendada Recomendada com Restrições Não Recomendado Vida Útil > 10 anos 10 anos, a critério do órgão ambiental Distância do centro gerador < 10km entre 10 e 20km > 20km Densidade Populacional baixa média alta Zoneamento Ambiental áreas sem restrição de zoneamento ambiental unidades de conservação ambiental e correlatas Zoneamento Urbano vetor de crescimento mínimo vetor de crescimento intermediário vetor de crescimento máximo Uso e ocupação das terras áreas devolutas ou pouco utilizadas ocupação intensa Valor da terra baixo médio alto Aceitação popular e de suas entidades boa razoável inaceitável Distância aos cursos d’água > 200m < 200 m com aprovação do órgão de controle ambiental responsável Declividade de 1 a 20% menor que 1 e maior que 20% Profundidade do nível d’água 3m 1,5 a 3m < 1,5m Condutividade hidráulica do subsolo 10-7cm/s (classe I) 10-6cm/s (classe II) (desejável) 5x10-5cm/s (classe I) 5x10-5cm/s (classe II) (mínimo) >5x10 -5cm/s (medidas de contenção) Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 12 Segundo TRESSOLDI & CONSONI (1998), quanto menor a condutividade hidráulica e maior a espessura da zona não saturada (menor a flutuação do nível d’água) maiores serão a distância percorrida, o tempo transcorrido e a sorção obtida até o contaminante atingir as águas subterrâneas, o que possibilita a retenção dos contaminantes próximo às fontes. Esses autores apresentam como os principais condicionantes para seleção de áreas os relacionados a seguir. Condicionantes Geológicos: § Zonas de alto risco sísmico; § Zonas de falhamento regionais; § Zonas cársticas e de subsidência; § Estratigrafia, tipos litológicos, heterogeneidades e anisotropias dos maciços rochosos; § Estruturas geológicas, como planos de acamamento, fraturas, dobras e falhas; § Características do manto de alteração e dos solos superficiais, como capacidade de troca catiônica, conteúdo de matéria orgânica, composição geoquímica, (principalmente a presença de óxidos-hidróxidos, fosfatos e carbonatos), espessura, granulometria e estrutura. Condicionantes Hidrogeológicos: § Presença de aqüíferos regionais; § Zonas de recarga de aqüíferos regionais; § Cargas e gradientes hidráulicos, condutividade hidráulicas e transmissividades, porosidades totais e efetivas, armazenamentos específicos e coeficientes de armazenamento, velocidades e direções de fluxo regional e local da águas subterrâneas, coeficientes de dispersão e retardamento; § A posição do nível d’água e suas variações em relação à base de disposição; § Qualidade e utilização das águas subterrâneas; § Proximidade, qualidade e utilização das águas superficiais Condicionantes Geotécnicos: § Características granulométricas, porosidade, densidade e umidade; § Características de resistência, colapsibilidade e deformabilidade; § Localização e características de áreas de empréstimo. Condicionantes Geomorfológicos: § Áreas sujeitas à inundação; § Áreas com declividades elevadas; Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 13 § Áreas suscetíveis a escorregamentos, erosões e subsidências. 2.4 - ELEMENTOS BÁSICOS DE UM ATERRO SANITÁRIO 2.4.1 - TRATAMENTO DA FUNDAÇÃO Quando a água contida nos resíduos proveniente da decomposição ou procedente de precipitações percola através da massa de lixo produz um efluente denominado chorume que constitui-se de um contaminante potencial para os solos e as águas subterrâneas e superficiais. Desta forma o tratamento de fundação de um aterro sanitário deve assegurar um controle mínimo, envolvendo a impermeabilização do terreno de fundação, conformação da superfície em plataformas inclinadas para drenagem do chorume, captação e drenagem de nascentes e cursos d’água. Este tratamento depende das condições geológicas - geotécnicas e hidrogeológicas da área de implantação do aterro e suas adjacências. A CETESB (1993) (apud CARVALHO, 1999), levando em consideração as particularidades do local previsto para implantação de aterro sanitário, apresenta algumas recomendações do tipo de tratamento da fundação. As condições hidroló gicas são determinadas pela diferença entre a evaporação e a precipitação (Figs.2.2 e 2.3). Para solos do terreno de fundação que apresentem coeficientes de condutividade hidráulica inferiores a 10-6cm/s e profundidade do lençol freático maiores que 3,0m, não há necessidade de impermeabilização do terreno natural de fundação. Por outro lado, para subsolos mais permeáveis, com coeficientes menores que 10-4cm/s, e profundidades do lençol freático menores ou igual a 1,5m, há necessidade de impermeabilização. Basicamente existem dois tipos de impermeabilização. O primeiro se constitui de solos compactados de baixa permeabilidade (k » 10-7cm/s) também conhecidos como barreiras minerais ou liners argilosos. O outro se baseia na utilização de geossintéticos (geomembranas, GCL, etc.). Alguns autores e projetistas consideram os dois materiais como complementares, existindo desta forma um grande número de combinações de impermeabilizações. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 14 (a) Condições climáticas favoráveis (b) Condições climáticas desfavoráveis – impermeabilização da cobertura final Figura 2.2 – Considerações para aterros de RSU em condições hidrológicas favoráveis . Critérios para a não impermeabilização do terreno de fundação, (CETESB, 1993). Nos liners argilosos, além da dificuldade de se obter condições semelhantes em campo das estudadas em laboratório, verifica-se como ponto desfavorável a possibilidade do aparecimento de trincas, devido a contrações, que diminuem sua eficiência. Esse problema é agravado ainda mais quando existe uma quebra da capilaridade por uma camada drenante natural abaixo do liner ou por uma camada drenante de detecção de chorume. Essa quebra de capilaridade impede que o liner argiloso reponha por capilaridade as perdas por evaporação. Como ponto favorável desse sistema a argila pode atenuar alguns contaminantes por processos desorção e precipitação. Já os liners sintéticos tem como ponto desfavorável a possibilidade de furos e rasgos durante a instalação que da mesma forma diminuem sua eficiência, além de estarem sujeitos a ataques químicos. Daí a idéia de combinar os revestimentos. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 15 (a) Condições climáticas favoráveis (b) Condições climáticas desfavoráveis. Figura 2.3 – Cons iderações para aterros de RSU em condições hidrológicas desfavoráveis. Critérios para a impermeabilização do terreno de fundação (CETESB, 1993). Como o critério de compactação dos liners argilosos é a obtenção de baixas permeabilidades, diferente das demais obras nas quais o critério normalmente é a resistência, devem ser executados dentro do ramo úmido da curva de compactação. O EPA (1994) recomenda um teor de umidade de compactação de 2 a 6% acima da umidade ótima conforme apresentado na Figura 2.4. Umidades acima da ótima também contribuem para a quebra de torrões de argila que tendem a aumentar a permeabilidade. Os tipos e combinações do sistema de impermeabilização e drenagem dos percolados variam também em função da regulamentação existente nos diversos países conforme apresentado na Figura 2.5 .( KNOCHENMUS et al, 1998). Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 16 Figura 2.4 - Critério de aceitação de compactação de liners argilosos. (USEPA, 1994) Figura 2.5 – Sistemas de impermeabilização requeridas para aterros sanitários em diversos países.( KNOCHENMUS et al, 1998) Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 17 A drenagem de nascentes é realizada através da instalação de drenos, como apresentado na Figura 2.6, conduzindo as águas para fora da região do aterro. Figura 2.6 –Detalhes típicos de drenagem de nascentes utilizados no aterro sanitário Bandeirantes. (ENGECORPS, 1996) 2.4.2 - DRENAGEM LÍQUIDOS PERCOLADOS E GASES Um sistema de drenagem deve ser projetado e executado para a coleta e remoção do chorume gerado no interior do maciço, conduzindo-o para fora das células para os devidos tratamentos. Este sistema deve assegurar que no máximo uma lâmina de 30 cm de chorume permaneça sobre o sistema de impermeabilização, minimizando desta forma as possibilidades de contaminação das águas subterrâneas (EPA, 1994). O sistema de drenagem de percolados deve ser constituído de: § Coletor de área – Dreno que cobre totalmente a área do liner (camada drenante). Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 18 § Coletores laterais – Rede de drenos que captam o percolado da camada drenante e o conduzem para fora do aterro. Pode ser dividido em drenos secundários e principais. Os coletores laterais (drenos de fundação) devem ser executados nas bases de diversos planos inclinados de modo a formar divisores de água conforme apresentado a Figura 2.7. Figura 2.7 - Sistema de drenagem de fundação. (TCHOBANOUGLOS et al., 1993) Camada drenante Tubo de concreto perfurado (CA-3) Ø 200 a 600mm Geomembrana HDPE e=2mm Rachão Solo argiloso compactado Brita 0.60 0.60 Recobrimento de proteção Figura 2.8 - Drenos de fundação e drenos horizontais (modificado ENGECORPS, 1996). A biodegradação dos resíduos nos aterros sanitários resulta na geração de gases que são constituídos principalmente pelo metano (CH4) e gás carbônico (CO2). Esses gases são gerados em grandes volumes, podendo concentrar-se em bolsões e sair de forma descontrolada do aterro. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 19 Dessa forma deve existir no aterro dispositivos apropriados para conduzir os gases, principalmente o metano pois este pode provocar explosões. O método mais comum de controle de movimentação dos gases é pelo alívio da pressão interna do aterro com a instalação de drenos verticais que vão desde o fundo do aterro até a camada de cobertura superficial. Esses drenos são executados concomitantemente com o aterro ou são instalados após a conclusão de algumas células. Auxiliam também na drenagem vertical do chorume sendo muitas vezes interligados a drenos horizontais implantados junto ao topo da camada de solo da célula subjacente. Os drenos deverão ser espaçados de forma que suas zonas de influência se sobreponham como demonstra a Figura 2.9. Em geral os drenos de gases são instalados com espaçamentos horizontais entre 30 e 50m. Figura 2.9 - Sobreposição das zonas de influência dos drenos de gás Devido a alta compressibilidade dos aterros sanitários algumas soluções são adotadas buscando garantir a integridade e continuidade destes elementos. No estado de São Paulo é consagrada a adoção dos drenos verticais em concreto conforme as duas soluções apresentadas na Figura 2.10. Também são utilizados tubos de PVC e/ou polietileno de alta densidade (PEAD). Em muitos locais, na extremidade superior dos drenos, são instalados queimadores metálicos, denominados flares. Um aspecto importante que vem sendo discutido é a possibilidade de obstrução parcial ou total dos drenos pela formação de um filme biológico que pode aderir à superfície, obstruindo os poros. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 20 A maior preocupação com os elementos de drenagem é que estes devem manter sua funcionalidade ao longo da vida do aterro. Figura 2.10 - Drenos Verticais de concreto (ENGECORPS, 1996) 2.4.3 - DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS E PROTEÇÃO SUPERFICIAL Durante todas as fases do aterro é necessária a instalação de um sistema de drenagem superficial para captação das águas pluviais, de modo a evitar ao máximo que atinjam os resíduos, aumentando assim o volume de líquidos percolados e evitando também erosões e carreamento de poluentes. Estes sistemas devem ser constituídos por canaletas de berma, descidas d’águas nos taludes, caixas de passagem, bacias de dissipação, escadas hidráulicas, etc. Atenção especial deve ser dada aos elementos que estarão instalados no corpo do aterro, pois estarão sujeitos a recalques significativos. Assim as canaletas de berma devem ser implantadas com declividades adequadas e as descidas d’água nos taludes devem ser instaladas nas linhas de maior recalque (ENGECORPS, 1996). Independente dos tipos empregados, constantemente, há a necessidade de manutenção nesses elementos, quer seja para limpeza de materiais carreados quer seja para corrigir declividades e danos. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 21 A proteção final dos taludes é em geral feita com grama. O método mais efic iente de plantio é com gramas em placa, porém é um dos mais dispendiosos. Alternativamente, têm sido empregadas a semeadura direta ou hidrosemeadura. Figura 2.11 - Elementos de drenagem superficial (apud CARVALHO, 1999). 2.4.4 - VIAS INTERNAS DE ACESSO ÀS CÉLULAS Durante a fase de operação do aterro sanitário, as vias internas de acesso às células se constituem em um grande problema operacional, principalmente durante períodos chuvosos. Durante a operação, as cama das de solos de cobertura são pouco espessas o que, aliado às grandes deformações devido a alta compressibilidade do RSU, ao tráfego de máquinas pesadas e às chuvas intensas, resulta em constantes atolamentos. Esse problema é agravado ainda mais na frente de serviço onde há a necessidade de manobra das carretas e caminhões compactadores para a descarga do resíduo. Uma das formas de melhoria destes acessos é a inclusão de reforços geossintéticos e/ou o aumento da espessura do solo de cobertura. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 22 2.4.5 - COBERTURA DOS RESÍDUOS Durante a operação do aterro os resíduos recebem, em princípio,dois tipos de recobrimento. O primeiro, denominado recobrimento diário tem como objetivo evitar o arraste de detritos pelo vento e o aparecimento de vetores. A questão da necessidade de implantação dos recobrimentos diários é freqüentemente debatida. É muito questionado o volume perdido do aterro por ocupação das camadas de solo argiloso (cobertura diária), representando cerca de 10 a 20% do volume total e constituindo-se em um custo significativo para sua implantação, chegando a 30% do custo global do aterro (ENGECORPS, 1996). Outro ponto importante é que estas camadas podem diminuir substancialmente a permeabilidade vertical do aterro, resultando em lençóis suspensos de chorume e bolhas de gás. Diversos materiais podem ser empregados para a cobertura diária como solos, materiais inertes, geossintéticos, etc. A escolha da melhor solução deve ser baseada em estudos técnicos e econômicos. De forma geral a solução mais adotada é a de solo. O segundo tipo de recobrimento é o final podendo-se destacar como funções, além das citadas para o recobrimento diário, a minimização da infiltração de águas, provenientes de precipitações, impedir o escape de gases, propiciar a plantação de vegetação. Para atender estes objetivos a camada de recobrimento deve apresentar características como: resistir às condições climáticas, ser resistente a erosões, aceitar recalques acentuados, suportar sobrecargas e ser resistente a ataques químicos (ENGECORPS, 1996). Nos aterros modernos a cobertura final é constituída por diversas camadas (Figura 2.12). A camada superficial é tipicamente composta por solo vegetal, não compactado com espessura variando de 15 a 60 cm. Em seguida, uma camada de solo compactado para proteção, uma camada para drenagem de águas pluviais, podendo ser de material granular ou geossintéicos, uma camada impermeabilizante (barreira hidráulica), podendo ser um liner argiloso e/ou geossintético, uma camada para a coleta de gás semelhante a camada drenante e uma camada de regularização. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 23 CAMADA SUPERFICIAL CAMADA DRENANTE BARREIRA HIDRÁULICA CAMADA DE COLETA DE GÁS CAMADA DE PROTEÇÃO SOLO DE REGULARIZAÇÃO Figura 2.12 - Camadas do recobrimento final de um aterro sanitário (apud CARVALHO, 1999). 2.4.6 - INSTRUMENTAÇÃO O monitoramento geotécnico tem como objetivo o acompanhamento da evolução dos aterros, visando a obtenção de subsídios para a realização de alterações de projeto ou da seqüência executiva de forma a garantir sua estabilidade e eficiência. No caso dos aterros sanitários a instrumentação se apresenta como uma das melhores formas de se conhecer o comportamento e funcionamento de maciços de resíduos sólidos urbanos, frente a grande heterogeneidade, tamanho das partículas e condições específicas de campo. De forma geral, o monitoramento dos aterros sanitários se restringe a observações topográficas dos recalques e a monitoramentos ambientais. Porém, frente as grandes dimensões dos atuais aterros, tornou-se necessário o conhecimento de outros valores tais como medidas das pressões internas do aterro, deslocamentos horizontais e verticais, nível d’água, pressões de gás, movimento do solo de fundação, temperatura, etc. De forma geral os instrumentos utilizados são: § Marcos superficiais – medição de deslocamentos verticais e horizontais por controle topográfico. § Medidores de recalque por placa – permitem avaliar os recalque a diversas profundidades. § Piezômetros – permitem avaliar as pressões internas do maciço devido a presença de gases e chorume. § Termopares – permitem medir a temperatura a diversas profundidades. Solo de cobertura Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 24 Equipamentos como inclinômetros também tem sido utilizados para monitorar movimentos laterais dos aterros sanitários. Os piezômetros do tipo Casagrande, em geral, apresentam problemas de operação, devido à presença de gás, que gera borbulhamento e/ou elevação do volume de líquidos percolados, falseando as medidas de pressão líquida (CARVALHO, 1999). Diante disso, os piezômetros são substituídos por piezômetros do tipo Vector, os quais permitem medir separadamente as pressões de gás e líquido devido a um processo de sifão. Outro ponto importante na instrumentação diz respeito a periodicidade das leituras e sua correlação com a estabilidade e segurança do aterro. As leituras devem ser feitas, em situações normais de operação, em períodos de 15 a 30 dias. A Figura 2.13 apresenta um esquema das instrumentações usuais em aterro sanitários. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 25 Figura 2.13 - Instrumentação (ENGECORPS, 1996). Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 26 2.5 - TÉCNICAS OPERACIONAIS DE ATERROS A operação de um aterro sanitário consiste, basicamente, na compactação dos resíduos em células com altura variando de 2 a 4m e inclinação do talude máxima de 1V:2H. Após a compactação destas células deverá ser feita a cobertura diária dos resíduos. Conforme exposto anteriormente, esta cobertura é bastante discutida. A compactação dinâmica do RSU, além de reduzir volume, melhora as características mecânicas dessas estruturas, principalmente na redução dos recalques. Para aumentar ainda mais a vida útil dos aterros alguns processos são utilizados, tais como, a trituração e o enfardamento. A trituração, como o próprio nome diz, consiste na redução das dimensões dos resíduos, sendo necessária sua compactação posterior no aterro sanitário. O enfardamento caracteriza-se pela compactação prévia, gerando fardos auto- sustentáveis e amarrados, os quais são transportados e dispostos também no aterro sanitário. Em técnicas operacionais comumente utilizadas, os resíduos são espalhados e compactados pelo talude de baixo para cima, com 3 a 5 passadas do trator de esteira, de modo a se obter um peso específico, quando bem compactado, próximo de 10kN/m3. MARQUES (2001) avaliando diversas variáveis (teor de umidade, tipo de equipamento de compactação, número de passadas, espessura das camadas e inclinação do plano de compactação) concluiu que a variável que tem maior efeito sobre o peso específico seco do RSU é o teor de umidade conforme apresentado na Figura 2.14. Como pode notar -se, ao contrário de solos, os valores obtidos para a relação entre o peso específico seco e o teor de umidade dos resíduos sólidos submetidos à compactação, não se ajustam segundo curvas convexas com um peso específico seco máximo e correspondente teor de umidade ótimo. Segundo o autor isso pode estar associado, em uma primeira avaliação, ao não desenvolvimento do efeito de capilaridade e de pressões neutras negativas, assim como a inexistência do efeito de lubrificação das partículas sólidas. Em se tratando do efeito da compactação no peso específico em profundidade, analisando as mesmas variáveis, o autor chegou as seguintes conclusões: § Com menores espessuras de camadas de compactação observa-se um aumento do peso específico em profundidade, principalmente para o equipamento tipo compactador 816F, provavelmente pela existência das patas no rolo as quais auxiliam na trituração e compactação. Capítulo 02 – Revisão Bibliográfica 27 § Com maiores números de passadas verificou-se o mesmo comportamento descrito anteriormente. Figura 2.14 - Influência do teor de umidade no peso específico seco do RSU. (MARQUES, 2001) Figura 2.15 - Influência da espessura da camada no peso específico em profundidade (MARQUES, 2001). Figura 2.16 - Influência do número de passadas do equipamento no peso específico em profundidade
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