Conclusões e Desenvolvimentos Futuros - Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

dar continuidade ao estudo realizado.

2. F UNDAMENTOS T EÓRICOS

2.1. I

NTRODUÇÃO

Uma área importante da Geotecnia é a que lida com os aterros, cujas características mecânicas (resistência e deformabilidade) se controlam através da escolha dos materiais e das condições de compactação.

Num aterro de vias de comunicação procura-se essencialmente assegurar uma boa resistência e baixa compressibilidade do solo. As características mecânicas do aterro podem-se ir degradando ao longo da vida útil da estrutura devido à natureza cíclica das acções, sejam elas as sobrecargas de serviço ou as acções atmosféricas (ciclos de secagem-molhagem). No entanto, no dimensionamento deste tipo de aterros procura-se assegurar uma drenagem eficiente evitando o contacto do solo compactado com a água minimizando eventuais efeitos negativos das acções atmosféricas.

Por outro lado, no caso das barragens de aterros, não obstante a preocupação em garantir boas condições de resistência e deformabilidade, o facto de a estrutura entrar em contacto com a água, leva a que sejam levados em conta os efeitos da molhagem ou, por outras palavras a variação da sucção, nessas mesmas características. Também a permeabilidade do solo é importante, no entanto a característica mais importante a controlar na compactação do núcleo de uma barragem é conferir ductilidade de modo a permitir que ele se deforme em função da rigidez relativa entre núcleo e maciços laterais e que depende do seu grau de saturação.

Ao longo deste capítulo serão abordados aspectos relevantes que permitem uma melhor interpretação do comportamento de solos argilosos pouco expansivos para condições de compactação diferentes e o efeito que a molhagem tem nas características mecânicas desses mesmos solos. Esta análise irá permitir uma melhor compreensão dos pressupostos adoptados para a construção de aterros, mais precisamente do porquê de um aterro de vias de comunicação ser compactado do lado seco da curva de compactação enquanto um aterro de uma barragem é compactado do lado húmido.

2.2. P

ROPRIEDADES DOS

S

OLOS

O solo é um material polifásico constituído por três fases: partículas sólidas, água e ar. Como tal, o seu comportamento irá depender da quantidade relativa de cada uma dessas fases e pode ser expresso por diversas relações utilizadas para expressar as proporções entre elas.

Num solo, os espaços que se encontram localizados entre as partículas sólidas são designados por vazios. Podem distinguir-se três estados distintos. Assim, caso os vazios sejam preenchidos apenas por água, diz-se que o solo está saturado. Por outro lado, se apenas conterem ar, diz-se que o solo está seco. Numa situação intermédia em que coexistem ambas as fases (líquida e gasosa), o solo designa-se por parcialmente saturado.

Na Figura 2.1 encontram-se representadas esquematicamente as várias fases constituintes de um solo, onde , , , e representam os volumes de ar, água, partículas sólidas, vazios e total de um solo, respectivamente. Por outro lado, , , e representam os pesos de ar, água, partículas sólidas e total de um solo.

Figura 2.1 – Representação esquemática das fases constituintes de um solo

Para uma melhor compreensão do comportamento de um solo e suas propriedades mecânicas e hidráulicas, convém recordar algumas grandezas que se obtêm através das relações entre os pesos e os volumes das várias fases constituintes do solo. Assim, quando se relacionam os volumes das várias fases, podem-se obter as seguintes grandezas:

 Índice de vazios ( ) – é definido como a relação entre o volume dos vazios e o volume das partículas sólidas existente num dado volume de solo (Eq. 2.1).

(Eq. 2.1)

 Porosidade ( ) – é definida como a relação entre o volume de vazios e o volume total do solo (Eq. 2.2).

(Eq. 2.2)

 Grau de saturação ( ) – é definido como a relação entre o volume de água e o volume de vazios num dado volume de solo (Eq. 2.3).

(Eq. 2.3)

Por outro lado, ao relacionar os pesos das várias fases, obtém-se a seguinte grandeza:

 Teor em água ( ) – é definido como a relação entre o peso da água e o peso das partículas sólidas num dado volume de solo (Eq. 2.4).

(Eq. 2.4)

Ao se relacionar pesos com volumes, obtêm-se grandezas relativas ao peso volúmico do solo.

Destacam-se os seguintes:

 Peso volúmico ( ) – é definido como a relação entre o peso do solo e o seu volume total (Eq. 2.5). Quando o grau de saturação é 100%, designa-se por peso volúmico saturado ( ).

(Eq. 2.5)

 Peso volúmico seco ( ) – é definido como a relação entre o peso das partículas sólidas e o volume total (Eq. 2.6).

(Eq. 2.6)

 Peso volúmico submerso ( ) – é definido como a diferença entre o peso volúmico do solo e o peso volúmico da água (Eq. 2.7).

(Eq. 2.7)

 Peso volúmico das partículas sólidas ( ) - é definido como a relação entre o peso das partículas sólidas e o volume dessas mesmas partículas (Eq. 2.8).

(Eq. 2.8)

Por fim, caso se relacionem os pesos específicos das partículas sólidas e o peso específico da água, obtém-se a densidade das partículas sólidas ( ) (Eq. 2.9).

(Eq. 2.9)

Na prática, em laboratório apenas são determinadas as grandezas relativas ao teor em água, ao peso volúmico seco e à densidade das partículas sólidas.

A curva granulométrica e os limites de consistência são mais duas características físicas do solo que se obtêm em laboratório.

2.3. S

OLOS

C

OMPACTADOS

2.3.1. P

RINCÍPIOS DA

C

OMPACTAÇÃO

A construção de aterros envolve a escavação e o uso de solo de manchas de empréstimo.

Quando o solo é retirado do terreno vem em pedaços, mais ou menos desagregados, e o seu emprego em obra requer uma compactação adequada de modo a dar-lhe todas as características necessárias para garantir as melhores condições de serviço durante o tempo de vida útil da estrutura que irá servir.

A técnica da compactação de solos é relativamente recente e deve-se ao engenheiro Ralph Proctor que em 1933 publicou os seus estudos pioneiros sobre a compactação de aterros, nos quais mostra que a compactação depende de quatro variáveis: peso volúmico seco, teor em água, energia de compactação e tipo de solo.

A compactação pode ser entendida como um processo mecânico de adensamento do solo que visa a melhoria das suas características de resistência, deformabilidade (diminuição da compressibilidade) e permeabilidade através da expulsão de ar dos vazios. Pretende-se assim, através da aplicação rápida e repetida de cargas ao solo, uma diminuição do seu volume e, consequentemente, uma diminuição do índice de vazios e aumento do peso volúmico seco. Tal consegue-se à custa da redução do volume de vazios mas mantendo o teor em água do solo praticamente constante. Esta é, aliás, a principal diferença entre a compactação e a consolidação, uma vez que, nesta última, o solo está saturado e a variação de volume consegue-se por expulsão de água dos vazios.

De uma forma geral, quanto menor o índice de vazios, maior é a resistência e menor a deformabilidade e a permeabilidade do solo. No ponto sobre compactação do lado seco e do lado húmido que será discutido adiante, serão abordadas estas características e o efeito que a compactação tem nas mesmas.

O nível de energia aplicado e o teor em água são determinantes para o resultado da compactação. Na Figura 2.2 encontra-se representada uma curva de compactação típica de um solo fino argiloso, que resulta da relação entre o teor em água ( ) e o peso volúmico seco ( ) do solo para uma determinada energia específica de compactação ( ). Os valores do teor em água e do peso volúmico seco são obtidos a partir da Eq. 2.4 que juntamente com as Eq.

2.5 e Eq. 2.6 permite obter a Eq. 2.10.

Figura 2.2 – Curva de compactação de um solo fino argiloso e respectiva curva de saturação

(Eq. 2.10)

Como se pode observar na Figura 2.2, ao valor cuja ordenada é máxima dá-se o nome de peso volúmico seco máximo ( ) que ocorre para um teor em água que se designa por óptimo ( ). À esquerda do ponto óptimo, o ramo da curva designa-se por ramo seco (teores em água inferiores ao óptimo) e à direita por ramo húmido (teores em água superiores ao óptimo).

Constata-se ainda que apenas se consegue um aumento do peso volúmico seco até um determinado valor de teor em água. Tal fenómeno é bastante complexo e depende de muitos factores. No entanto, de acordo com Santos (2008) pode ser explicado simplificadamente devido ao facto de, para uma massa de solo com pouca água ela se apresentar com muitos torrões de solo. A compactação permite desfazer esses torrões e, consequentemente, a expulsão do ar. No entanto, os torrões apresentar-se-ão duros, pelo que, se o solo possuísse um pouco mais de água, a acção de compactação seria facilitada e, portanto, mais eficaz.

Assim, do lado seco, um aumento do teor em água conduz ao aumento do peso volúmico seco.

Por outro lado, caso a quantidade de água ultrapasse o valor óptimo, as zonas do ar do solo deixam de estar em contacto com a atmosfera, ficando o ar aprisionado entre o solo e a água intersticial, não podendo ser expulso. A compactação não se realiza assim de forma tão eficaz e um aumento do teor em água leva à diminuição do peso volúmico seco (Santos, 2008).

Na realidade o processo é bem mais complexo e pode ser explicado através do efeito que as cargas eléctricas das partículas de água têm relativamente à maior ou menor repulsão entre as partículas de argila. Assim, de acordo com Lambe e Whitman (1976), analisando a Figura 2.3 podem-se observar alguns tipos de possíveis mecanismos de atracção entre partículas de argila e de água. Sendo uma partícula de argila um material com carga negativa é de esperar que, quando em contacto com uma outra partícula, elas se organizem de uma forma cuja

energia potencial seja mínima ou seja, segundo uma estrutura mais ou menos perpendicular.

No entanto, este efeito pode ser invertido e as partículas podem anular a repulsão entre si caso haja uma presença significativa de água no solo. Assim, ao aumentar a quantidade de água presente no solo é de esperar que as forças de repulsão se anulem e as partículas se organizem de uma forma mais compacta, diminuindo a distância entre si e aumentando deste modo o peso volúmico seco do solo. Contudo, existe um limite a partir do qual este efeito de atracção entre partículas induzido pela água é máximo. Este valor diz respeito ao teor em água óptimo do solo. A partir deste ponto a água começa a ter um efeito dispersivo nas partículas de argila que se começam a afastar e o peso volúmico seco volta a diminuir. Como é natural, para um aumento de água de tal modo que se atinja a saturação completa e se ultrapasse o seu valor, as partículas começam a comportar-se como um fluido e a ficar em suspensão.

Figura 2.3 – Possíveis mecanismos de absorção de água pela superfície das partículas de argila. (a) ligação de hidrogénio. (b) hidratação iónica. (c) atracção osmótica. (d) atracção dipolo-dipolo (Lambe & Whitman, 1976)

Este equilíbrio entre forças de repulsão entre as partículas de argila e a atracção da água até que a quantidade de água seja demasiada e provoque dispersão pode ser observado na Figura 2.4. Observa-se assim que existe uma distância entre duas placas de argila paralelas para a qual as forças de atracção são maiores do que as de repulsão e vice-versa. Essa distância

depende dos iões existentes no campo de acção de cada partícula, sendo as moléculas de água importantes nesta distribuição iónica.

Figura 2.4 – Equilíbrio entre as forças de repulsão entre as partículas de argila e a atracção da água. Adaptado de (Lambe & Whitman, 1976)

Devido à expulsão de ar que ocorre no processo de compactação, o grau de saturação aumenta já que o volume de vazios tende a ser o volume de água. Na Figura 2.2 encontra-se representada a curva de saturação que é obtida a partir da expressão Eq. 2.11. Esta traduz a situação limite correspondente à total expulsão do ar ( =100%) e equivale a um limite superior para uma curva de compactação de um dado solo. Como é natural a total expulsão do ar não é possível já que parte dele acaba por ficar aprisionado entre os grãos de solo. O valor do teor em água óptimo corresponde habitualmente a graus de saturação que se situam entre os 80 e os 95% (Alonso, 2004).

(Eq. 2.11)

Como foi referido anteriormente, também a energia específica de compactação ( ) tem influência na curva de compactação. Verifica-se na prática que, para um dado solo, um aumento do nível de energia implica um aumento dos pesos volúmicos secos máximos e uma diminuição dos teores em água óptimos. A curva de compactação desloca-se assim para cima e para esquerda. Verifica-se ainda que existe uma assímptota que limita o peso volúmico seco máximo. Na Figura 2.5 podem ser observados os pressupostos referidos.

Forças equilibram-se

Repulsão

Figura 2.5 – Influência da energia específica de compactação ( ) na curva de compactação

Como se compreende, um solo compactado é, por isso, um solo não saturado. Esta característica, juntamente com a estrutura induzida pelo processo de compactação, vai ser fundamental para compreender a variação de volume dos solos compactados na molhagem.

2.3.2. E

STRUTURA DE

S

OLOS

A

RGILOSOS

C

OMPACTADOS

Para uma melhor compreensão do comportamento de solos argilosos compactados é importante considerar a sua estrutura induzida pelo processo de compactação. Deste modo, a estrutura é função do teor em água e da energia adoptada para a compactação.

De facto, a compactação dos solos representa uma forma de modificação do posicionamento das partículas do solo. Nos solos não saturados, a maior ou menor presença de água vai influenciar a forma como as partículas do solo se vão posicionar quando são aplicadas cargas.

A essa disposição das partículas dá-se o nome de fábrica. A estrutura diz respeito à fábrica do solo e ainda a eventuais ligações cimentícias que se formem entre essas mesmas partículas.

O conceito de estrutura pode ser também utilizado para justificar as diferenças entre as propriedades de um solo que se encontre no estado natural ou no estado desestruturado. Para além dos solos compactados, todos os solos naturais que foram sujeitos a uma dada história de consolidação têm uma estrutura que reflecte os processos quer físicos quer químicos a que estiveram sujeitos durante essa história. Essa estrutura é determinante para o comportamento mecânico do solo quando é carregado.

Como se observa na Figura 2.6, o comportamento é diferente consoante a estrutura do solo.

Um solo no estado desestruturado tem geralmente um comportamento pior quer em termos de 𝒘^(%)

𝜸𝒅(kN/m3 )

𝑺_𝒓 = 100%

𝐸3>𝐸2>𝐸1

Curva de Compactação 𝑬𝟏 Curva de Compactação 𝑬𝟐 Curva de Compactação 𝑬𝟑 Curva Saturação

Curva de 𝒘_{𝒑𝒕𝒊𝒎𝒐}

resistência como de deformabilidade que um solo com alguma estrutura. As suas características de resistência e de rigidez vão diminuindo à medida que a desestruturação é maior.

Figura 2.6 – Comparação entre o comportamento do solo completamente desestruturado e do solo com estrutura (Vaughan et al., 1988)

De acordo com Alonso (2004), os trabalhos de Proctor (1933) e as interpretações microestruturais proporcionadas por Lambe (1958) e Seed e Chan (1959) contribuíram para a criação de um modelo básico de referência que permitisse uma interpretação do comportamento dos solos compactados. Alonso (2004), citando Lambe (1958), refere que na compactação do lado húmido se alcançam estruturas “dispersas”, caracterizadas pela disposição das partículas segundo uma orientação preferencial. Por outro lado, do lado seco, as partículas de argilas apresentam uma orientação aleatória denominada de floculada.

Relativamente à compactação do lado seco da curva compreende-se que, devido à sucção instalada (aspecto que será abordado no capítulo 3 em secção própria), surgem ligações de atracção entre a face e a aresta das partículas, as quais não conseguem ser vencidas pela energia de compactação. Resulta daí a existência de uma estrutura floculada com poros de dimensões relativamente grandes.

Por seu turno, na compactação do lado húmido, o teor em água faz com que a repulsão entre partículas aumente e o processo de compactação orienta as partículas segundo uma estrutura dispersa. Para o mesmo teor em água, percebe-se que um aumento da energia de compactação implique uma maior dispersão das partículas. Os poros entre as partículas neste caso assumem dimensões inferiores às da compactação do lado seco. Na Figura 2.7 encontra-se uma representação esquemática da ligação entre as partículas de argila numa estrutura floculada ou dispersa.

Figura 2.7 – Representação esquemática da estrutura do solo

Este efeito que a presença de água tem na disposição das partículas e consequente influência na estrutura do solo deve-se à interacção entre as cargas eléctricas da água discutida anteriormente nas Figura 2.3 e Figura 2.4 e dos minerais presentes no solo.

Na Figura 2.8 encontra-se representado o efeito da compactação na estrutura do solo.

Figura 2.8 – Estrutura floculada e dispersa do solo dependendo do lado da curva de compactação de solos finos argilosos (Lambe, 1958)

Com o auxílio da porosimetria por intrusão de mercúrio é possível tecer alguns comentários relativos ao tamanho dos vazios que podem ser relacionados com a estrutura de um solo compactado do lado seco ou do lado húmido. As fotografias de microscópio electrónico (Scanning Electron Microscope – SEM) também são uma ajuda pois permitem visualizar a estrutura, possibilitando uma análise qualitativa da mesma. No capítulo 4, referente à caracterização do material compactado, será dada importância a estas duas ferramentas.

Agregado de Argila Aresta

Face

Estrutura Floculada: Aresta – Aresta ou Face – Aresta Vazios grandes

Estrutura Dispersa: Sem associação entre partículas de argila

Vazios pequenos

Elevada energia de compactação

Baixa energia de compactação Estrutura floculada

Estrutura dispersa

De acordo com Mitchell e Soga (2005), do ponto de vista da engenharia existem alguns princípios que relacionam a fábrica, a estrutura dos solos e as suas propriedades mecânicas.

Estas propriedades é que explicam os diferentes comportamentos dos solos compactados do lado seco (estrutura floculada) e dos solos compactados do lado húmido (estrutura dispersa).

São apresentados de seguida alguns desses princípios:

 Sob uma determinada tensão de consolidação um solo compactado do lado seco é menos denso que o mesmo solo compactado do lado húmido;

 Para o mesmo índice de vazios um solo compactado do lado seco, com as partículas orientadas aleatoriamente, é mais rígido que o mesmo solo compactado do lado húmido (esta rigidez explica-se pela existência de sucções maiores no lado seco);

 Uma vez atingida a máxima tensão de pré-consolidação, incrementos futuros de tensão causam maiores modificações na estrutura dos solos compactados do lado seco do que na estrutura de solos compactados do lado húmido;

 O diâmetro médio dos poros e a variação de diâmetros de poros é menor nos solos compactados do lado húmido do que nos solos compactados do lado seco;

 Duas amostras de um solo compactado podem ter estruturas diferentes para o mesmo estado de tensão efectiva e índice de vazios, se forem compactados do lado seco ou do lado húmido. Nesse caso o comportamento tensão-deformação das duas amostras vai também diferir, podendo ser medido através do OCR (grau de sobreconsolidação) que será abordado na secção sobre compressibilidade e resistência do solo do presente capítulo.

É a partir destas características dos solos argilosos compactados que se podem tecer comentários acerca do seu comportamento mecânico e hidráulico. Assim, tendo em conta o tipo de compactação e a estrutura que esta induz ao solo, será feita uma análise relativamente à influência no comportamento mecânico da forma como as partículas de argila se dispõem, nomeadamente em termos de variações volumétricas (expansibilidade), resistência, rigidez, permeabilidade e retenção de água.

2.3.3. C

OMPACTAÇÃO DO

L

^ADO

S

^{ECO E DO}

L

^ADO

H

^ÚMIDO

Como já se percebeu, o solo compactado do lado seco é diferente do solo compactado do lado húmido. Para um mesmo valor do peso volúmico/índice de vazios, as características de resistência, deformabilidade, permeabilidade e retenção de água podem ser bastante diferentes.

Começando por se analisar a resistência ao corte do solo, caso este seja compactado do lado seco, uma vez que uma grande parte dos vazios fica preenchida por ar e apenas uma diminuta percentagem deles que se encontra junto às partículas sólidas são preenchidos por água,

surgem fenómenos de capilaridade que correspondem a forças de sucção relevantes que tendem a aproximar as partículas sólidas. Verifica-se assim um aumento da resistência. Em parte é explicada pela estrutura e outra parte pela sucção elevada.

Quando a compactação se realiza no lado húmido, as forças de sucção tendem a ser sucessivamente menores, anulando-se para graus de saturação muito elevados. A resistência será, à partida, inferior à do mesmo solo compactado do lado seco. Além do mais, como irá ser

No documento Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em (páginas 24-129)