ESTUDO DA RESISTÊNCIA À PENETRAÇÃO DINÂMICA (SPT) EM ATERROS DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS Stela Paulino Fucale (*) Doutoranda em Engenharia Civil (Geotecnia) pela Universidade Federal de Pernambuco; Membro do Grupo de Resíduos Sólidos –GRS/UFPE. José Fernando Thomé Jucá Professor do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco; Doutor em Engenharia Civil pela Universidad Politécnica de Madrid; Coordenador do Grupo de Resíduos Sólidos – GRS/UFPE; Coordenador do Programa de Monitoramento do Aterro da Muribeca. Endereço (*) Rua José Nunes da Cunha, 331/702, Piedade, CEP: 54.410-280 – Jaboatão dos Guararapes – PE,Brasil. Tel: (0xx81) 9166 8438 / (0xx81) 3271 8224, Fax: (0xx81) 3271 8222. E-mail: [email protected] RESUMO O estudo da resistência dos resíduos sólidos urbanos é de fundamental importância para fins de se prever acidentes ou movimentos indesejáveis da massa de lixo. A análise de estabilidade de um aterro depende de vários fatores, mas talvez o mais importante seja a resistência do lixo. Neste trabalho, é abordado um dos aspectos da resistência dos aterros de lixo, que é sua avaliação através de ensaios de penetração dinâmica. Neste sentido, estudos realizados através de ensaios de penetração dinâmica (SPT – Standard Penetration Test) foram desenvolvidos em 2 (dois) aterros controlados de resíduos sólidos, localizados na Região Metropolitana do Recife, 1 (um) aterro sanitário de resíduos sólidos da Região Metropolitana de Salvador, e 1 (um) lixão da Região Metropolitana de João Pessoa. A partir dos perfis de sondagens podem ser evidenciados os valores de resistência à penetração bem como as espessuras das camadas do resíduo, solo de cobertura, solo da camada de fundo e profundidade da rocha local, além da posição do nível de chorume, e parâmetros de caracterização dos resíduos como umidade e sólidos voláteis. Palabras Clave: Aterros, Resíduos Sólidos, Ensaios SPT, Umidade, Sólidos Voláteis. INTRODUÇÃO O projeto e operação de aterros de resíduos sólidos urbanos (RSU) envolvem uma variedade de problemas geotécnicos, onde o conhecimento seguro de suas propriedades geotécnicas (peso específico, compressibilidade, resistência, ...) é necessário para a realização de análises básicas. A determinação destas propriedades é muito difícil em função de: i) o resíduo sólido urbano é heterogêneo e variável para diferentes locais; ii) a dificuldade de obtenção de amostras de tamanho relevante, representativas das condições in situ; iii) não existem, geralmente, procedimentos de amostragem e ensaios padrões para os materiais do lixo; iv) as propriedades dos materiais do lixo mudam com o tempo. A resistência é um parâmetro geotécnico de interesse fundamental na descrição das propriedades dos resíduos sólidos, sendo afetada por diversos fatores, dentre eles, o estado em que o lixo se encontra no aterro (fresco, seco, úmido), a composição e densidade do lixo, e as tensões atuantes no mesmo. Uma das formas de se avaliar a resistência dos RSU tem sido por meio de ensaios de campo, tais como SPT, CPT e Vane Test, por diversos pesquisadores (Siegel et al. 1990, Sánchez-Alciturri et al. 1993, Coumoulos et al. 1995 e Jucá et al. 1997). A execução destes ensaios, na maioria das vezes, são difíceis devido a presença de materiais resistentes como madeira, metal, pedra, dentre outros, que provocam grandes picos na resistência, desvio das hastes dos equipamentos e avarias nos amostradores, paletas e ponteiras. Os ensaios de penetração são normalmente utilizados na Mecânica dos Solos para obtenção de informações sobre as características e parâmetros de resistência dos solos. Sua interpretação quantitativa requer um conhecimento das relações empíricas e semi-empíricas entre a resistência à penetração in situ e o comportamento de resistência e deformabilidade do material. A utilização deste ensaio em aterros de resíduos sólidos exige um cuidado adicional no uso dos resultados. No presente momento, no caso dos resíduos sólidos, tais correlações ainda não estão disponíveis (Grisolia et al., 1991). Apesar disso, é aconselhável realizar investigações com penetrômetros, em resíduos sólidos, para obtenção de registros preliminares sobre a consistência do material, em condições indeformadas in situ. Os ensaios de penetração dinâmica (SPT – Standard Penetration Test) estão entre as propostas mais comuns para caracterizar os materiais de um aterro de resíduos sólidos, e resultam na via mais prática para estimar o comportamento resistente de um aterro. O emprego de penetrômetros apresenta como vantagem ser um procedimento fácil e econômico para avaliar qualitativamente a variação da resistência relativa do terreno com a profundidade. Outra característica que apresenta é que, repetindo-se sua realização periodicamente, pode-se contrastar ensaios realizados em diferentes ocasiões, o que permite avaliar a variação das características resistentes de um terreno no tempo ou por um tratamento adotado. Como desvantagem, pode-se citar a dificuldade de realizar as interpretações quantitativas, o que em resíduos sólidos é de escassa experiência. Na literatura internacional (Manassero et al, 1996), existem algumas críticas ao uso deste ensaio embora seja largamente utilizado em vários locais. Vários autores (Siegel et al. 1990, Sánchez-Alciturri et al. 1993 e Jucá et al. 1999) têm avaliado a resistência do lixo por meio de ensaios SPT. Nas Regiões Metropolitana de Recife, Salvador e João Pessoa, foram executados ensaios de penetração dinâmica (SPT) nos principais aterros de resíduos sólidos com a finalidade de se obter as propriedades dos resíduos (umidade e sólidos voláteis), através da coleta de amostras; definição dos perfis das células de lixo; além de obter informações sobre o comportamento mecânico (número de golpes/30cm) através da resistência com a profundidade. CARACTERÍSTICAS DOS LOCAIS ESTUDADOS Aterro da Muribeca Está situado na Região Metropolitana de Recife no Município de Jaboatão dos Guararapes. Recebe diariamente cerca 3.100 toneladas de resíduos domésticos, hospitalares e industriais, e corresponde ao maior Aterro do Estado de Pernambuco em operação, atendendo aos municípios de Recife e Jaboatão dos Guararapes. Possui uma área de 60 hectares e funcionava como depósito de resíduos a céu aberto desde 1985. O processo de transformação da área em aterro controlado iniciou em 1994 e consistiu na construção de 09 (nove) células, cuja espessura da camada de lixo varia de 20 a 30 m. A técnica de tratamento implantada, a partir de setembro de 1998, foi a recirculação de chorume, tratamento biológico para acelerar o processo de decomposição dos resíduos. Atualmente, está sendo implantado uma estação de tratamento de chorume constituída de lagoas de estabilização e decantação, associada a uma lagoa de fitorremediação. O processo de recirculação do chorume será efetuado apenas na Célula 5, no caso em que a vazão de chorume na estação de tratamento for excedente Aterro de Aguazinha Está situado no Município de Olinda, na zona norte da Região Metropolitana do Recife. Recebe diariamente 500 toneladas de resíduos domésticos, hospitalares e entulhos da construção civil, e corresponde ao segundo maior aterro em operação do Estado de Pernambuco, atendendo ao município de Olinda desde 1986. Antigo lixão, funcionava como depósito ao céu aberto desde 1986 e possui uma área de 17 hectares. O processo de transformação da área em aterro controlado iniciou em 1998 e consiste na construção de 04 (quatro) células. Apenas duas células foram construídas (C1 e C4), com espessura média da camada de lixo de 12 m. Até o presente momento nenhuma técnica de tratamento de gás e chorume foi implantada, e sua vida útil está estimada em 02 anos. Aterro Metropolitano Centro Na Região Metropolitana de Salvador, foi proposta para a destinação final do lixo a construção de quatro aterros sanitários em regime de gestão compartilhada entre os municípios desta área. Consiste no maior e mais importante aterro sanitário do Estado da Bahia, atendendo aos municípios de Salvador, Simões Filho e Lauro Freitas. O aterro possui uma área de 250 hectares e será composto de 12 (doze) células para disposição de lixo doméstico, uma central de podas, uma central de entulhos e um incinerador para resíduos hospitalares. Atualmente, o aterro recebe diariamente cerca de 2.500 toneladas de resíduos sólidos urbanos, sendo 2.400 toneladas provenientes de Salvador e o restante dos municípios de Simões Filho e Lauro de Freitas. A vida útil estimada deste aterro é de 15 anos. Lixão do Roger Localiza-se na Região Metropolitana de João Pessoa, Paraíba. A área possui 17 hectares e funciona como depósito a céu aberto aproximadamente há 40 anos. Recebe, em média, 650 toneladas/dia de resíduos domiciliares, hospitalares e entulhos, com tempo de vida útil previsto para 3 anos. A composição gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos em estudo e da média do Brasil está apresentada na Tabela 1. Estes valores indicam resíduos constituídos em sua maioria de material orgânico, facilmente degradável biologicamente, que são característicos de locais menos desenvolvidos sócio-economicamente. No Aterro de Aguazinha, o valor de matéria orgânica é inferior ao encontrado na média nacional (60%)e nos aterros estudados. O potencial reciclável no aterro de Aguazinha é superior aos demais, cerca de 41%, enquanto que nos aterros da Muribeca e Metropolitano Centro são respectivamente 27 e 30%, e no lixão do Róger esta percentagem atinge 23%. Tabela 1 : Composição Gravimétrica dos Aterros Estudados. Componentes Matéria Papel Plástico Metal Orgânica Papelão (%) (%) (%) (%) Muribeca 60 15 8 2 Aguazinha 51 24 12 2 Metropolitano 60 10,5 15 2,4 Centro Róger 53,81 6,15 13,95 1,89 Média Nacional 60 25 3 4 Vidro Outros (%) 2 3 2 (%) 13 8 10,1 1,30 3 22,91 5 METODOLOGIA DOS ENSAIOS As sondagens a percussão foram executadas segundo prescrição das normas NBR-8036 (Normas Gerais de Sondagem de Reconhecimento para Fundações de Edifícios), NBR-6484 (Método de Execução de Sondagem) e NBR-6502 (Terminologia de Rochas e Solos) da ABNT. O equipamento utilizado nas sondagens foi o convencional para Mecânica dos Solos. A metodologia utilizada nestes ensaios sofreram algumas alterações no que diz respeito às normas de sonadgens convencionais. As sondagens executadas foram do tipo contínua à percussão, sem lavagem e com o auxílio de um revestimento de 6,35cm (2 1/2”) de diâmetro interno ao longo de toda profundidade. Para a caracterização dos materiais das diversas camadas, procedeu-se a extração das amostras com amostrador padrão de 3,40cm (1 3/8”) de diâmetro interno e 5,08cm (2”) de diâmetro externo e 78,117cm (30 3/4”) de comprimento total. O ensaio é iniciado já na superfície do aterro (cobertura), havendo retirada de amostras sólidas a cada 0,5m, obtendo-se perfis de umidade e sólidos voláteis, ao longo da profundidade, através de ensaios de laboratório. Estas amostras foram armazenadas em sacos plásticos vedados e etiquetados contendo as seguintes anotações: número do furo de sondagem, profundidade, número da amostra e data da coleta. Na ficha de campo foram anotadas as profundidades do nível de percolado (chorume), além de características e observações das amostras coletadas. Durante o ensaio SPT, estas amostras devem ser conservadas dentro de um isopor com gelo, até que cheguem ao laboratório. SONDAGENS PARA MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA À PENETRAÇÃO DINÂMICA Aterro da Muribeca Os valores de teor de umidade e sólidos voláteis medidos nos resíduos sólidos do Aterro da Muribeca indicaram que na Célula 1, este teores são baixos (18 a 45%; 5 a 20%, respectivamente), indicando que quase toda a matéria orgânica já sofreu degradação, ou seja, que o lixo é antigo encontrando-se em um processo de decomposição avançado. Este fato deve-se à maior parte do lixo da Célula 1 ter sido depositada há muito tempo, encontrando em profundidades maiores resíduos de até 17 anos. Alguns valores mais elevados de teor de umidade são devidos aos bolsões de chorume naquelas profundidades. Na Célula 4 (lixo novo; 4 anos), os resíduos depositados apresentam umidade superior ao mínimo considerado inibitório a processos anaeróbios (> 30%), não comprometendo assim a decomposição natural dos resíduos. A variação de 4 a 30 % nos valores do teor de sólidos voláteis mostra que ainda há material a ser lixiviado e/ou dissolvido para assim sofrer mais fácil decomposição. Os valores de resistência à penetração do amostrador padrão (SPT) dos resíduos sólidos depositados na Célula 1 variaram para cada período de medição de acordo com a Tabela 2. Tabela 2 : Valores da Resistência (SPT) em Diferentes Períodos de Medição. ANO F AIXA DE VALORES DO SPT (golpes/30 cm) 1994 2–6 1996 2–6 1998 4 – 10 1999 5 – 12 2001 5 – 7 (até 7,5 m) 8 – 14 (7,5 a 15 m) Os valores de resistência (SPT) medidos na Célula 1 são considerados baixos e típicos de resíduo antigo, conforme Tabela 2 e Figura 1A. Verifica-se que a resistência apresenta-se praticamente constante ao longo da profundidade, apresentando alguns picos que indicam a presença de materiais mais resistentes (Figura 1A). De uma forma geral, comparando-se as medições de N SPT (golpes) realizadas em diferentes períodos na Célula 1 (Tabela 2), observa-se que ocorre um aumento do número de golpes com o tempo entre o período de agosto/94 a abril/99, para diferentes faixas de profundidade. Entre o período de abri/99 e jul/01, a tendência é de decréscimo com o tempo. Segundo Kaimoto & Cepollina (1996), os parâmetros resíduo-mecânicos dos resíduos sólidos, com elevados percentuais orgânicos, sob determinadas condições de drenagem interna dos efluentes, apresentam tendência de redução ao longo do tempo. Por outro lado, em maciços bem drenados, da maior eliminação dos efluentes líquidos e gasosos, propiciando a redução da taxa orgânica e o controle do teor de umidade, resulta a tendência de geração de resíduos com características inertes, granulares. Sob tal condição, o adensamento das camadas acaba por fornecer uma menor redução ou até provavelmente ganho de resistência ao longo do tempo. Os resultados de resistência dos resíduos depositados na Célula 4 (Figura 1B) sofre um acréscimo com a profundidade. Estes valores variam aproximadamente numa faixa de 4 a 16 golpes/30 cm, sendo observados picos de resistência que indicam a presença de materiais mais resistentes. O aumento da resistência com a profundidade, observado na Figura 1B, é provavelmente devido a degradação biológica do lixo e a conseqüente expulsão de água e gases (produtos da decomposição biológica) do interior da massa de lixo, diminuindo o índices de vazios. Desta forma, uma célula com atividade microbiana intensa (lixo novo) apresenta maior índice de vazios na superfície e conseqüentemente uma menor resistência. Com o aumento da profundidade, há um acréscimo de tensão efetiva devido a redução da tensão neutra, e assim há uma resistência maior e crescente. Este acréscimo da resistência é também devido ao aspecto mecânico causado pelo peso da própria massa de lixo. Quando o lixo já está praticamente degradado (lixo velho), caso da Célula 1 (Figura 1A), o índice de vazios é pequeno e assim a resistência é constante ao longo da profundidade. Figura 1 – Variação dos valores de SPT com a profundidade – Aterro da Muribeca - Recife. Aterro de Aguazinha As Células 1 e 4 do Aterro de Aguazinha são constituídas de resíduos sólidos antigos, com idade de 12 anos no período em que foram executadas as sondagens, apresentando baixos valores médios de teor de umidade (25%) e sólidos voláteis (27%). Estes resultados demonstram que a matéria orgânica destes resíduos está quase que totalmente decomposta em função da idade dos mesmos. Além disto, em alguns locais foi constatada a queima de resíduos durante os primeiros anos de deposição, favorecendo uma redução de forma significativa destes teores. De acordo com a Figura 2, observa-se que o número de golpes (SPT) nas Células 1 e 4 do Aterro de Aguazinha situa-se entre 4 e 10 golpes a cada 30 cm, apresentando em alguns casos valores mais elevados decorrentes da natureza heterogênea dos resíduos confinados tais como madeira e entulhos de construção. Esta faixa de valores corresponde a uma resistência baixa, típica de resíduos antigos, e não se demonstra nos resultados um significativo aumento com a profundidade, ou seja, apresenta-se com comportamento constante ao longo da profundidade. O comportamento de resistência à penetração observado nos resíduos sólidos de Aguazinha é semelhante ao comportamento da Célula 1 do Aterro da Muribeca, que possuem praticamente a mesma composição e idade dos resíduos confinados. Figura 2 – Variação dos valores de SPT com a profundidade – Aterro de Aguazinha - Olinda. Aterro Metropolitano Centro Os estudos no Aterro Metropolitano Centro foram concentrados em uma célula piloto de dimensões 60 m x 200 m, cujos resíduos foram depositados a partir do mês de outubro de 1997. Os teores de umidade e sólidos voláteis dos resíduos sólidos da célula piloto apresentam uma média de 34 % e 20 %, respectivamente. Os valores do teor de umidade são altos uma vez que se tratam de resíduos novos, 1 (um) ano de deposição no período em que foi realizado o ensaio (1998), onde há uma elevada atividade microbiológica. Conforme a Figura 3, os valores de resistência (SPT 1 e SPT 2) apresentam-se numa faixa de 5 a 10 golpes/30cm nas profundidades iniciais (até 4 m), aumentando para uma faixa de 10 a 20 golpes com o acréscimo de profundidade. No ensaio SPT 3, o número de golpes variou de 10 a 20. Observa-se nestes ensaios que em algumas profundidades houve dificuldade de penetração do amostrador (pontos de pico) devido a materiais muito rígidos como pedaços de madeira. De uma forma geral, verifica-se na Figura 3 que a resistência não permanece constante, apresentando valores mais elevados com o aumento da profundidade. Este fato deve-se à existência de drenagem no interior do aterro que permite a dissipação de pressões neutras geradas pelo chorume e à conseqüente compactação do lixo por elevação da pressão efetiva entre as partículas sólidas. Figura 3 – Variação dos valores de SPT com a profundidade – Aterro Centro - Salvador. Lixão do Róger Os valores do teor de umidade dos resíduos sólidos do lixão do Róger são considerados elevados (26 a 45 %) quando comparados aos valores obtidos em outros aterros de idade semelhante. Isto está atribuído a grande quantidade de solo misturado aos resíduos em todos os furos de sondagem, e também devido ao fato destes resíduos estarem dispostos a céu aberto sem impermeabilização de uma camada de cobertura. Os resultados do teor de sólidos voláteis são baixos (8 a 18 %) indicando matéria orgânica quase que totalmente decomposta, decorrente da idade avançada dos resíduos. De acordo com a Figura 4, o número de golpes obtidos foram baixos, variando em média entre 2 e 10 golpes/30cm, podendo ser atribuídos à idade avançada dos resíduos dispostos e também, por ter sido verificado durante o ensaio, a presença de grande quantidade de solo ao longo da profundidade do furo. Os resultados demonstram que a resistência não aumenta com a profundidade e que a ocorrência de alguns valores mais elevados indica a presença de materiais mais resistentes que a maioria, tais como plásticos, madeira e entulho. Figura 4 – Variação dos valores de SPT com a profundidade – Lixão do Róger – João Pessoa. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS NAS SONDAGENS SPT Uma comparação dos resultados obtidos nas sondagens à percussão dinâmica (SPT) realizadas nos aterros controlados da Muribeca e Aguazinha, no aterro sanitário Metropolitano Centro e no lixão do Róger é apresentada. Os valores de resistência à penetração (SPT) obtidos na célula 1 do aterro da Muribeca, nas células 1 e 4 do aterro de Aguazinha e no lixão do Roger apresentaram-se baixos e típicos de resíduos sólidos antigos (2 a 10 golpes), onde a decomposição da matéria orgânica está bastante avançada. Os resultados de SPT mostraram também que os mesmos não variaram significativamente com a profundidade, apresentando-se praticamente constante dentro de uma determinada faixa de valores. O resultados de SPT obtidos na célula 4 do aterro da Muribeca e na célula piloto do aterro Metropolitano Centro apresentaram-se mais altos, típicos de resíduos mais recentes, com tendência de crescimento com a profundidade. Comparando-se os resultados de resistência (SPT) dos ensaios realizados na célula piloto do Aterro Metropolitano Centro, Salvador, com os valores obtidos nos aterros de resíduos sólidos de Pernambuco (Muribeca e Aguazinha) e no lixão da Paraíba (Róger), observa-se que a resistência do primeiro é superior a dos demais. Este comportamento pode ser atribuído ao fator idade do lixo, uma vez que os resíduos do aterro da Muribeca possuem idade aproximadamente entre 4 (Célula 4) e 17 anos (Célula 1) e de Aguazinha cerca de 12 anos, do lixão do Roger aproximadamente 40 anos, enquanto que os resíduos no Aterro Metropolitano Centro são bastante recentes (1997-1998), com praticamente 1 ano de deposição. Associado a idade, está o fato de que os resíduos da célula piloto são melhores compactados, conforme um aterro sanitário deve exigir. Os valores mais elevados (pico) de SPT, observados praticamente em todos os casos aqui estudados, indicam a presença de materiais mais resistentes como restos de material de construção, plástico, borracha, metais e pedras, e caracterizam, em realidade, a energia necessária para a ultrapassagem das obstruções. De uma forma geral, os valores de SPT obtidos nos locais estudados estão de acordo com aqueles encontrados na literatura (Sowers, 1968; Singh e Murphy, 1990; Sánchez-Alciturri et al., 1993). CONSIDERAÇÕES FINAIS Os ensaios de teor de umidade e sólidos voláteis em amostras sólidas serviram para indicar as condições de degradação/decomposição do lixo depositado nos aterros e lixão. Os ensaios de penetração dinâmica (SPT) indicaram variabilidade dos resultados em função da heterogeneidade de um material como o lixo. Mostraram de uma forma geral, que em resíduos sólidos antigos, os valores de resistência são baixos e mantém-se praticamente constante com a profundidade; já em resíduos sólidos recentes, estes valores são um pouco mais elevados e apresentam uma tendência de acréscimo com a profundidade. O SPT é um ensaio de fácil execução e de baixo custo, podendo assim ser realizado periodicamente para avaliar as mudanças das propriedades dos resíduos com o tempo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Coumoulos, D. G.; Koryalos, T. P.; Metaxas, I. L. & Gioka, D. A. (1995). “Geotechnical Investigation at the Main Landfill of Athens”. Proceedings Sardinia 95. Fifth International Landfill Symposium, S. Margherita di Pula, Cagliari, Italy, October, pp. 885895. Grisolia, M.; Napoleoni, Q.; Sirini, P. & Tancredi, G. (1991). “Geotechnical Behaviour of Sanitary Landfill Based on Laboratory and In-Situ Tests”. Proc., 15th Conferences of Geotechnics of Torino, Società Ingegneri e Architetti in Torino. Jucá, J. F. 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