1.0. Geocélulas - Conceito
A configuração tridimensional em forma de colmeia, figura 1, é uma das mais resistentes formas estruturais encontradas na natureza, sendo por isso utilizada em vários elementos na indústria aeronáutica e de naves espaciais. Na área dos geossintéticos, as células em forma de colmeia constituem uma estrutura tridimensional de solo ou de material granular reforçado, denominada geocélula, gerando uma solução para os problemas mais difíceis da engenharia civil, relacionados com a capacidade de suporte sobre solos moles, erosão em taludes, revestimento de canais e em diversas aplicações em aterros sanitários.
A geocélula é um geossintético constituído por tiras sobrepostas, de polietileno de alta densidade extrudado, unidas entre si por meio de solda em intervalos descontínuos, de forma que, quando separadas ou expandidas, durante a instalação, apresentam-se como um painel de estrutura tridimensional de células contíguas, de paredes verticais, semelhante a uma colmeia. Os painéis são fornecidos fechados, com as tiras empilhadas umas sobre as outras e são abertos para serem instalados, como mostra a figura 2.
Quando o material de preenchimento das células é granular, a geocélula comporta-se como uma placa semirrígida, resultado do confinamento celular, que transfere e distribui as solicitações de compressão e de tração de grande intensidade, proporcionando maior capacidade de carga do que qualquer geogrelha ou outro geossintético. O uso de material coesivo para enchimento das células não é apropriado para o uso como reforço, porque devido às células serem pequenas, não há condições para compactação, como também pela falta de benefícios físicos desses solos. Contudo, para proteção de superfície de taludes contra erosão e canalizações de reduzida velocidade de escoamento, há a possibilidade do preenchimento da geocélula com material coesivo, inclusive com solo para plantio de vegetação, como será visto adiante no presente manual.
Nas aplicações de reforço as células individuais da geocélula têm as dimensões da altura e do diâmetro na proporção de aproximadamente um, Richardson (2004.)
A concepção da geocélula ocorreu no final da década de 1970, quando o U.S. Army Corps of Engineers foi incumbido de desenvolver rapidamente um sistema tipo plataforma, para ser apoiado sobre solos de baixa capacidade de suporte e permitir o acesso de equipamentos militares pesados. O resultado desse desenvolvimento foi a invenção da geocélula, que ao ser preenchida com areia ou pedra suportaria cargas elevadas, quando colocada sobre esses solos pouco resistentes. Desde então, a geocélula tem sido utilizada em projetos/obras militares e civis em todo mundo.
A geocélula de PEAD está disponível no mercado com a superfície lisa ou texturizada, e com ou sem perfuração nas paredes/tiras constituintes das células dos painéis, figura 3. Quando o solo de apoio do painel da geocélula é argiloso, um geotêxtil com função separação deve ser colocado sob o painel para evitar o bombeamento de finos para o interior do enchimento granular da geocélula.
A função do confinamento celular para solo de apoio granular.
No início da pesquisa sobre geocélula, Webster e Watkins (1997) mostraram que as geocélulas apresentavam um confinamento efetivo do material de enchimento, quando a altura da célula era igual ou maior que o seu diâmetro. Segundo Richardson (2004) esse confinamento é similar àquele apresentado pela bolsa preenchida com areia, em “sandbags” convencionais. Quando a carga é aplicada no material granular confinado, sua expansão perpendicular à carga é limitada pela resistência à tração da bolsa. Isso cria uma tensão confinante, que aumenta a resistência do enchimento granular. O confinamento lateral da geocélula produz uma coesão aparente no enchimento granular, a qual é importante para o desempenho deste. O valor da coesão aparente desenvolvida é influenciado pela rigidez das paredes da geocélula e pela capacidade desta em conter o enchimento granular. O modelo da coesão aparente tem sido aplicado com sucesso a todas as configurações de solo reforçado, e para aplicações em estradas pode ser claramente demonstrado usando as análises convencionais de capacidade de carga, as quais mostram que o uso da geocélula pode aumentar em até 300 vezes a capacidade de carga, quando comparada a uma camada de areia. Na falta de um método rigoroso para a avaliação da capacidade de carga para uma geocélula especificada com preenchimento granular, a coesão aparente deve ser baseada em ensaios de laboratório.
Fatores que influem na capacidade de carga da geocélula em solos de baixa capacidade de suporte
Avesani Neto (2013) cita que entre as características da geocélula que influem diretamente na capacidade de carga, de um sistema de reforço, estão o formato, as dimensões e a quantidade de células, a geometria do reforço e o material de composição (resistência/rigidez) da célula. Assim sendo, os parâmetros significativos para essa aplicação são: a razão de forma (altura dividida pela largura da célula) e a razão do carregamento (largura do carregamento dividido pela largura da célula). Por outro lado, Richardson (2004) chama atenção que se deve ter em mente o papel da rigidez na geocélula, estrutura em forma de colmeia de material polimérico, quando esta é selecionada para um projeto. Painéis de geocélula podem ter uma porcentagem significativa das suas paredes removidas pela perfuração das tiras. As perfurações reduzem muito a rigidez da estrutura em forma de colmeia. Desta forma, as perfurações devem ser apenas suficientes para melhorar o atrito de interface.
O desempenho das geocélulas constituídas por tiras de PEAD texturizadas, como também das constituídas por paredes perfuradas, é essencialmente o mesmo para a maioria dos materiais granulares. As perfurações são realizadas para permitir que os painéis de geocélula sejam drenantes, quando usados em taludes na aplicação de proteção e controle de erosão, e não melhoram o desempenho destas em aplicações de capacidade de suporte, objeto do item 7. Por outro lado, quando a texturização é realizada, reduz significativamente a espessura nominal e consequentemente reduz a rigidez da estrutura de colmeia da geocélula.
Durabilidade da geocélula
As propriedades físicas e de durabilidade da geocélula apresentadas na tabela 1 do item 2 ˗ Propriedades Técnicas ˗ são similares às propriedades da geomembrana de PEAD. É importante notar que as geocélulas devem ter grande resistência ao stress cracking, a qual é necessária, uma vez que o material granular será compactado diretamente em contato com as paredes das células. Além disto, a geomembrana e a geocélula de PEAD devem possuir uma proteção muito boa contra os raios ultravioleta, pois em várias aplicações podem ficar expostas longos períodos de tempo. Geralmente, a geocélula fica exposta aos raios UV por um período curto, somente durante a instalação.