DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS DE COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO BASEADA NA RELAÇÃO TENSÃO - ESTADO - PERMEABILIDADE EM SOLOS ARGILOSOS
*José T Araruana Júnior **Milton R. D. Villela *** Milton P Soares Júnior .
RESUMO
O presente trabalho apresenta e discute uma nova metodologia para a determinação de parâmetros necessários ao cálculo de recalques de fundações. A metodologia proposta utiliza a compressibilidade e adensamento. Ensaios de adensamento convencional (step loading test) e de carga variável realizados em solos reconstituídos do Município de Campos dos Goytacazes sugerem a viabilidade da utilização dessa metodologia.
PALAVRAS - CHAVE: Fundações, Solos Argilosos, Ensaios Laboratoriais
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1 - INTRODUÇÃO
A natureza do comportamento do subsolo para orientação de projetos de fundações no Brasil é geralmente determinada através de ensaios de penetração dinâmica do tipo SPT.
Em solos granulares, os resultados de ensaios SPT podem ser correlacionados com a densidade relativa. Contudo, estes resultados estão sujeitos a críticas, já que o ensaio é conduzido no fundo do furo de sondagem, onde os efeitos decorrentes de alívio de tensão e entubamento (piping) são muitas vezes imprevisíveis e severos (CLAYTON et al., 1982).
Segundo Clayton et al. (1982), os resultados de ensaios SPT em solos argilosos são questionáveis, já que são afetadas pela sensitividade, compressibilidade e resistência ao cisalhamento do material. Contudo, em argilas rijas é possível obter correlações entre a resistência ao cisalhamento não-drenada, cu, e N- SPT.
Em face da incapacidade do método de penetração dinâmica SPT de prover informações acerca da compressibilidade e da permeabilidade dos materiais componentes do subsolo, apresenta-se uma metodologia para estimar os parâmetros de compressibilidade e adensamento utilizando-se amostras recuperadas durante o ensaio de penetração dinâmica SPT. A metodologia proposta é baseada em estudos da relação tensão - estado - permeabilidade em solos argilosos (Nagaraj 1983, Nagaraj et al. 1993, Nagaraj et al. 1994). Através desses estudo foram encontradas relações do tipo
e/e L = a - b log p (1)
e/e L = c+d log k (2)
onde e é o índice de vazios para a tensão p, e eL é o índice de vazios no teor de unidade
correspondente ao limite de liquidez (wL), k é o coeficiente d permeabilidade para a tensão p e a, b, c
e d são constantes.
Utilizando as equações 1 e 2, para um solo que tenha o seu limite de liquidez conhecido é possível prever as mudanças de permeabilidade como resultado de mudanças de no estado de tensão ou, para uma determinada permeabilidade, o nível de tensão pode ser calculado. Ademais, as relações
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e x log p e e x log k podem ser obtidas para um determinado solo caso o seu limite de liquidez seja
conhecido. A determinação da relação e x log k é bastante útil na estimativa dos parâmetros de compressibilidade e adensamento necessários na orientação de projeto de fundações.
O presente trabalho apresenta os resultados realizados na UENF no intuito de atestar a validade da metodologia proposta para os solos do Município de Campos dos Goytacazes.
Identificação Pressão (kPa) log p e e/eL k k/kl
U. SAPUCAIA Amostra 1 (deformada) Atividade de Skempton Inativa LL 25 1,398 1,99 1,07 1,45E-07 1,318 73 50 1,699 1,82 0,98 8,73E-08 0,794 LP 100 2,000 1,65 0,89 5,17E-08 0,469 25 200 2,301 1,47 0,80 3,15E-08 0,286 IP 400 2,602 1,31 0,70 3,00E-08 0,272 48 800 2,903 1,15 0,62 1,65E-08 0,149 UENF Amostra 2 (deformada) Atividade de Skempton Inativa LL 25 1,398 1,93 1,12 1,54E-07 0,786 68 50 1,699 1,79 1,05 1,12E-07 0,573 LP 100 2,000 1,63 0,95 6,20E-08 0,316 27 200 2,301 1,48 0,86 3,70E-08 0,193 IP 400 2,602 1,33 0,78 2,90E-08 0,148 41 800 2,903 1,18 0,69 2,46E-08 0,126 C. Stilbe J. Saquarema Amostra 1 (deformada) Atividade de Skempton Inativa LL 25 1,398 2,00 1,06 1,30E-07 0,542 70 50 1,699 1,87 0,99 7,77E-08 0,322 LP 100 2,000 1,72 0,91 5,62E-08 0,233 24 200 2,301 1,58 0,84 3,36E-08 0,139 IP 400 2,602 1,44 0,76 1,87E-08 0,077 46 800 2,903 1,30 0,69 8,99E-09 0,037 C. Stilbe J. Saquarema Amostra 2 (deformada) Atividade de Skempton Ativa LL 25 1,398 1,80 0,93 1,47E-07 0,688 52 50 1,699 1,67 0,86 8,94E-08 0,406 LP 100 2,000 1,52 0,78 5,28E-08 0,240 33 200 2,301 1,35 0,70 3,77E-08 0,171 IP 400 2,602 1,20 0,62 3,57E-08 0,163 19 800 2,903 1,05 0,54 3,05E-08 0,139 Turfa F. Paciência Amostra 1 (deformada) Atividade de Skempton Ativa LL 25 1,398 3,47 1,11 1,40E-07 2,490 124 50 1,699 3,19 1,02 6,34E-08 1,130 LP 100 2,000 2,85 0,91 4,82E-08 0,861 97 200 2,301 2,50 0,80 3,34E-08 0,597 IP 400 2,602 2,23 0,71 1,33E-08 0,238 27 800 2,903 1,91 0,61 9,42E-09 0,168
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2 - METODOLOGIA PROPOSTA
As informações acerca da compressibilidade e permeabilidade de solos são necessários para o
cálculo de recalque de estruturas assentes em depósitos argilosos. Essas características são geralmente obtidas através de ensaios laboratoriais em amostras indeformadas. Essa atividade demanda tempo e pessoal especializado e, em muitos casos, não apresenta resultados fidedignos. O comportamento do solo no tocante à compressibilidade é geralmente representado pela inclinação da curva e x log p. Essa inclinação, - d e / d (log p), é definida como sendo índice de compressão Ce. Já o processo de adensamento de um depósito argiloso é comumente analisado através da Teoria de Adensamento de Terzaghi. A teoria para a previsão da taxa de adensamento prevê que o coeficiente de adensamento cv seja função do peso específico da água yw, do coeficiente
de variação volumétrica mv e do coeficiente de permeabilidade k. Assim sendo, cinco são os
parâmetros necessários para a previsão de recalques; Ce, cv, k, mv e yw.
De acordo com Velloso ( 1997), a maior parte das fundações no Brasil tem os seus projetos baseados em dados fornecidos pelo ensaio SPT na elaboração de projeto de fundações de acordo com os procedimentos descritos na NBR 6484. O ensaio SPT fornece: (a) resistência a cravação do amostrador SPT fornece e (b) amostra altamente deformada já que o amostrador padrão, o amostrador Raymond - Terzaghui, tem uma razão de área igual a 111,5 %.
115 A metodologia proposta neste trabalho para a determinação dos parâmetros de compressibilidade e adensamento baseada na relação tensão - estado - permeabilidade em solos argilosos é apresentada na Figura 1.
A metodologia consiste na utilização da amostra recuperada durante a cravação do amostrador padrão. A amostra é acondicionada e conduzida ao laboratório para que se determine: (a) limite de liquidez wL, (b) densidade das partículas G, ( c ) unidade ? e (d) grau de saturação. De posse dos
índices físicos pode-se então calcular o índice de vazios correspondente ao limite de liquidez eL e
índice de vazios in situ eO.
O processo de reconstituição da curva e x log p e a determinação gráfica do índice de compressão Cc estão ilustrados na Figura 2.
Figura 2. Procedimento gráfico para reconstituição da curva e x log p.
A relação tensão - estado para os solos argilosos (1 na Figura 2) é utilizada para traçar a curva
e/eL x log p (2 na Figura 2). Atribuindo-se valores a p e utilizando o valor determinado de eL,
reconstitui-se graficamente (3 na Figura 2) a curva e x log p (4 na Figura 2). O índice de compressão
Cc é determinado (5 na Figura 2) para que se possa calcular o coeficiente de variação volumétrica, Mv,
116 O coeficiente de adensamento para uma dada tensão, cv (p), é calculado utilizando-se o valor
do coeficiente de permeabilidade para um dado nível de tensão k(p) determinado utilizando-se o procedimento descrito a seguir: (a) para um dado valor de p determina-se o valor da razão e/eL através
da Eq. 1 e (b) substituindo o valor calculado na Eq. 2 obtém-se o valor do coeficiente de permeabilidade k(p) para o dado nível de tensão.
3-
VALIDAÇÃO DA METODOLOGIACinco solos sedimentares coletados no Município de Campos dos Goytacazes (Sapucaia, UENF, Stilbe 1, Stilbe 2 e Turfa) foram utilizados no programa experimental no intuito de validar a metodologia proposta.
As propriedades dos solos utilizados no programa estão apresentadas na Tabela 1 Ensaios de difratometria revelaram a caulinita e o quartzo como constituintes principais.
Difração de Raio X
Minerais Usina Sapucaia UENF
Quartzo 45% 27%
Caulinita 51% 56%
Feldspato 13%
Ilita 4% 4%
Os ensaios de adensamento e de permeabilidade foram conduzidos em células oedométricas convencionais conforme procedimentos descritos em Head (1986). As amostras reconstituídas, a um valor correspondente a 1,25 wL, foram adensadas com incrementos de carga de razão igual a 1 até a
tensão de 800 kPa. Ensaios de permeabilidade de carga variável foram conduzidos ao final de cada incremento de tensão, de 25 kPa até 800 kPa, para determinar o coeficiente de permeabilidade correspondente ao nível de tensão existente na amostra.
As Figuras 3a e 4a apresentam as curvas e x log p e e x log k para os solos estudados. Quando essas curvas são normalizadas em relação ao índice de vazios no teor de umidade correspondente ao limite de liquidez (eL = wL x G), observa-se uma convergência. As Figuras 3b e 4b mostram que as
117 convergências observadas podem ser caracterizadas através de regressão linear como relações lineares da seguinte forma:
e/eL = 1,46 - 0,29 log p (3)
e/eL = 3,74 + 0,39 log p (4)
Figura 3. (a) relação tensão-estado para os solos ensaiados; (b) relação parametrizada tensão-estado para os solos ensaiados
.
As Equações 3 e 4 foram obtidas através de ajuste de curvas pelo método dos mínimos quadrados. A Tabela 2 apresenta as medidas de correlação para a Equação 3 enquanto que a Tabela 3 apresenta de correlação para a Equação 4.
As medidas de correlação tratam de um método quantitativo do problema da dispersão dos dados amostrais, mediante parâmetros que permitem determinar quão bem uma equação linear descreve ou explica a relação entre as variáveis.
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Figura 4. (a) relação permeabilidade para os solos ensaiados; (b) relação parametrizada estado-permeabilidade para os solos ensaiados.
Segundo Costa Neto (1997), quando o coeficiente de correlação se encontra entre - 0,7 < r < 0,7 não se deve cogitar de se estabelecer uma relação linear pelo método dos mínimos quadrados, pois a mesma não consegue explicar nem a metade da variação da variável dependente. Por outro lado, quando o coeficiente de correlação for próximo ou superior a 0,9 a equação linear terá bastante utilidade, pois ela explicará mais de 80% da variação total da variável dependente.
As medidas de correlação apresentadas nas Tabelas 2 e 3 sugerem a utilidade de uma relação entre as variáveis e/eL, p e k para os cinco solos ensaiados. Sendo assim, é possível formular uma
relação única tensão - estado - permeabilidade que permita através da metodologia apresentada obter os parâmetros necessários a previsão do comportamento de fundações.
4 - CONCLUSÕES
O presente trabalho apresentou uma metodologia para determinação de parâmetros de compressibilidade e adensamento de solos argilosos necessários ao cálculo de recalque de fundações.
A metodologia apresentada é baseada na existência de uma relação única tensão-estado permeabilidade que permita a determinação do coeficiente de variação volumétrica mv e do
119 A obtenção dos parâmetros necessários ao cálculo de recalques através da metodologia proposta é simples, rápida e barata; pois não incorre em custos adicionais de amostragem, já que a sondagem SPT é compulsória aos projetos de fundação. Ademais, o custo associado a determinação de índices físicos em laboratório é mínimo.
Ensaios realizados em amostras reconstituídas de cinco solos do município de Campos dos Goytacazes sugerem a utilidade de uma relação linear ente e/eL, p e k e, por conseguinte, de uma
relação única tensão-permeabilidade.
Os solos reconstituídos foram utilizados como referência para a interpretação das características de compressibilidade e permeabilidade dos solos sedimentares naturais. Apesar da utilização de solos reconstituídos ser corriqueira (Burland, 1990), um novo programa de ensaios em amostras naturais está em andamento na UENF no intuito d verificar a influência da estrutura nas características de compressibilidade e permeabilidade dos solos locais.
AGRADECIMENTOS
Os autores do presente trabalho gostariam de registrar os seus agradecimentos a Fundação Estadual Norte Fluminense (FENORTE) pelo apoio financeiro.
Agradecimento em especial ao UNIFLU - Curso de Graduação em Arquitetura pela republicação deste artigo em comemoração aos vinte anos de pesquisa.
REFERÊNCIAS
1. BURLAND, J. B. (1990) On the compressibility and shear strenght of natural clays Géotechinique 40, No. 3, p. 329 - 37.
2. CLAYTON, C.R.I., Simons, N.E. and Matthews, M.C. (1982). Site Investigation, Granada, London.
3. COSTA NETO, P.L. (1977) Estatística,. Edgar Blücher, São Paulo, 264 pp.
4. HEAD, K.H. (1986) manual of Soil Laboratory Testing (Vol. 2), Pentech Press, London, 1238 pp.
5. NAGARAJ, T.S. (1983) Prediction of soil behaviour. In Recent developments in Laboratory and Field Tests and Analysis of Geotechinical Problems. Balkema, Rotterdam, p. 337-360.
120 6. NAGARAJ, T.S., Pandian, N.S. and Narasimha Raju, P.S.R. (1993) Stress-state- permeability
relationships for fine-grained soils. Geotechinique 43, N.º 2, P. 333-336.
7. NAGARAJ, T.S., Pandian, N.S. and Narasimha Raju, P.S.R. (1994) Stress-state-permeability realtionships for overconsolidated clays. Geotéchinique 44, No. 2, p. 349-352.
8. VELLOSO, D.A . ( 1987) Foundation engineering in Brazil. In Recent Developments in Soil and Pavement Mechanics. Balkema, Rotterdam, p.185-202.
