Por que filtros são imprescindíveis?
Sempre que houver percolação de água no solo do corpo da obra ou de sua fundação, existe a possibilidade de carreamento de partículas de solo menores passarem pelos poros dos grãos de solo maiores.
Essa situação é tanto mais grave quanto maiores forem os gradientes da água. Se suficientes para um processo de carreamento contínuo e crescente pode se estabelecer o piping, ou entubamento, conduzindo a escorregamento ou liquefação da região afetada e ruína da obra de terra ou de sua fundação.
A palavra inglesa piping vem da palavra pipe que significa tubo. Portanto piping é a formação de tubos no interior do maciço pela ação de carreamento das partículas de solo pela água.
O papel do filtro é prevenir esse carreamento e erosão, drenando adequadamente apenas a água.
A barragem de Teton (Teton Dam) no rio de mesmo nome, no Estado americano de Idaho rompeu em 1976 por piping na ombreira direita, fundação da barragem na encosta, descrito no post Barragens: caso histórico de acidente em Teton.
Ao longo das décadas seguintes, houve outros casos. Um dos casos mais recentes, ocorreu em 2021, a ruptura da barragem Yang Village Reservoir em Ningxia, China, também por piping.
Tanto a fundação quanto o maciço compactado eram de loess – um material siltoso que continha menos de 10% de argila. Uma granulometria descontínua e, portanto, não auto filtrante que permitiu o carreamento de finos.
O sucessivo carreamento de finos formou canalículos que se desenvolveram em piping amplo que abriu uma brecha no corpo da barragem. Para comprometimento adicional da estabilidade, ensaios não drenados demonstraram a suscetibilidade do loess à liquefação. Uma parte da base do aterro também sofreu liquefação.
Dimensionamento clássico de filtros granulares
Um filtro deve ser permeável para receber a água de percolação que nele chega e, com isso, reduzir sua carga hidráulica e conduzi-la com segurança para fora do maciço.
O filtro precisa ter vazios pequenos o suficiente para que a água não consiga carregar as partículas do solo vizinho.
Os critérios de filtro propostos por Terzaghi asseguram as duas condições:
1ª D15 filtro > 5. D15 solo
Assegura que o filtro deve ser mais permeável que o solo.
2ª D15 filtro < 5. D85 solo
Assegura que os finos do filtro não permitam a passagem das partículas do solo a proteger.
No exemplo da figura, o material P não é um bom filtro para o solo S, porque não é muito mais permeável que ele, enquanto o material R não atende por ser muito grosso e poderia permitir a passagem dos finos do solo S.
O material Q atende às duas condições. Sendo assim, é o filtro adequado ao solo S.
Granulometria descontínua
Chamamos de descontínua a curva granulométrica do material de filtro quando falta uma fração de determinado tamanho de grãos.
Note o trecho horizontal na distribuição do tamanho dos grãos que indica a descontinuidade da distribuição granulométrica.
A água pode carregar as partículas mais finas dessa areia pelos vazios entre os grãos maiores. Por isso, essas areias não filtram a si mesmas e exigem tratamento ou outras precauções antes de serem usadas como filtro.
No caso da barragem Yang Village Reservoir, o próprio loess tanto da fundação como do aterro compactado tinha granulometria descontínua, por isso, o carreamento pela água de percolação se instalou com o enchimento do reservatório.
Os reforços e filtros com geossintéticos, com os quais o projeto foi dotado, não foram adequados para fazer face ao comportamento mecânico e hidráulico do material.
Filtros com geossintéticos
Desde a década de 1970, a indústria iniciou a fabricação de filtros sintéticos têxteis, não tecidos, para utilização, discreta inicialmente, em razão da falta de experiência que havia de seu desempenho em obras. Entretanto, as dúvidas eram relacionadas à durabilidade e risco de colmatação, inutilizando o elemento drenante.
À época, a utilização dos filtros têxteis era recomendada apenas para obras temporárias.
Ao longo das décadas seguintes, a indústria e versatilidade dos geossintéticos cresceu geometricamente e atualmente estes são empregados largamente e para variadas funções, com destaque para reforço da resistência. Como relatado no caso da barragem de Yang Village Reservoir, em que geossintéticos foram empregados na base do aterro para reforço bem como fitros.
De uma camada singela de têxtil utilizada nos primórdios dos geossintéticos, filtros sofisticados foram desenvolvidos como, por exemplo, os reproduzidos a seguir:
- Fonte: Tektoseal Sand, Huesker.
Segundo o fabricante, o filtro pode ser utilizado em quaisquer locais e condições hidráulicas em que a instalação de filtros convencionais seria impossível ou implicariam em custos e esforço excessivos.
O peso específico elevado da areia encapsulada simplifica a instalação e minimiza o risco de deslocamento após seu posicionamento, assegurando, assim, um elemento de filtro estável, mesmo em condição submersa.
A utilização de geossintéticos em obras geotécnicas e soluções ambientais está tratada no livro Geossintéticos em geotecnia e meio ambiente – autor: Ennio Marques Palmeira
Outra concepção de filtro, geocomposto drenante da Maccaferri, é constituído pela associação de uma camada de núcleo drenante (uma geomanta ou uma rede) entre duas camadas de geotêxteis.
Segundo o fabricante, o geocomposto é capaz de fornecer a função de filtração, de separação e, às vezes, a de proteção. Mesmo com a possibilidade de usos múltiplos o principal objetivo é a drenagem, por esta razão, o desempenho de drenagem relacionado à sobrecarga deve ser bem conhecido.
