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ERODIBILIDADE DOS SOLOS DE UMA VOÇOROCA DA REGIÃO DE
OURO PRETO, MINAS GERAIS.
SILVA, T.R..M.(1), LACERDA, W. A.(2) (1)tatianarodriguez@uol.com.br , Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ); (2)wlacer@openlink.com.br, Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ).
RESUMO
O estudo da erodibilidade, utilizando ensaios de laboratório, tem se mostrado eficaz na determinação dos processos atuantes na formação das voçorocas. Para o caso da voçoroca em estudo, o ensaio de Pinhole (Furo de Agulha) em amostras indeformadas, associado aos ensaios de Desagregação e Dispersão Rápida, mostrou-se bastante útil para verificação do mecanismo principal de evolução, o entubamento ou “piping”.
Palavras-Chave: Erodibilidade, Voçoroca, Pinhole, Desagregação.
ABSTRACT
The use of laboratory essays in the study of Erodibility has been efficient in the determination of the processes of gully formation. In relation to the gully in study, the Pinhole test in undisturbed samples associated with Disaggregation and Fast Dispersion tests was useful to verify the main evolution mechanism, called piping.
1 - INTRODUÇÃO
A região da Bacia do rio Maracujá, situada em Minas Gerais próximo a Ouro Preto, encontra-se marcada pela presença de inúmeras configurações erosivas como ravinas e voçorocas, sendo estas últimas as mais impressionantes devido às suas grandes dimensões.
Por estar inserida no Quadrilátero Ferrífero, esta região tem sido muito estudada por geólogos, geomorfólogos e pedólogos, porém poucos são os estudos geotécnicos nesta área. Procura-se, neste trabalho, apresentar parte do estudo geotécnico desenvolvido na área, no que diz respeito à verificação da erodibilidade dos solos de uma dessas voçorocas, segundo ensaios de erodibilidade promovidos em laboratório.
2 - OBJETIVOS
Este trabalho tem por objetivo a investigação do fenômeno de erosão ocorrente em uma voçoroca da região de Ouro Preto. Para análise da susceptibilidade à erosão dos solos que compunham as paredes da voçoroca, foram realizados ensaios de Pinhole (Furo de Agulha), Desagregação e Dispersão Rápida. Os ensaios de Pinhole, apesar de fornecerem dados qualitativos, foram utilizados para diferenciar o comportamento dos solos dos dois horizontes quanto à erosão. Os ensaios de desagregação e de Dispersão Rápida foram utilizados para melhor compreender os resultados obtidos no Pinhole.
3 - METODOLOGIA
3.1 – Característica da Região
A região da Bacia do Rio Maracujá apresenta clima Cwa, por Koppen, ou seja, clima tropical de altitude, com predominância de inverno seco e verão brando e chuvoso com pluviosidade média de 1348mm. A vegetação atual mostra o predomínio de cerrados degradados com florestas restritas. Há ainda a presença de vegetação nas voçorocas estáveis, onde o tipo mais comumente encontrado é a samambaia (FARIAS, 1992). A geomorfologia
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local demonstra predominância de anfiteatros formados por concavidades (vales) de formas circulares amplas e rasas e de rampas suaves.
Quanto à geologia, por estar inserida no Quadrilátero Ferrífero, a região da Bacia do Rio Maracujá é muito complexa, compreendendo vários tipos de unidades geológicas. A voçoroca em estudo está situada na porção central da bacia do Rio Maracujá sobre o embasamento cristalino granito-gnáissico, denominado de Complexo do Bação (Figura 1), principalmente sobre o gnaisse Funil. Segundo SALAROLI (1999), o gnaisse apresenta cor cinza, granulação fina a média, com estrutura (bandamento gnáissico) marcante ou não. Esta estrutura é dada pela alternância de bandas milimétricas a centimétricas, claras de composição de quartzo feldspática e escuras de composição rica em biotita e, mais raramente, anfibólio. 3.2 – Amostragem
Numa análise de campo, percebe-se que a voçoroca apresenta dois horizontes distintos: um superficial maduro, de provável origem coluvionar (BACELLAR, 2000), com espessura variável de até 6 metros e um profundo saprolítico de espessura superior a 10 metros. O solo superficial apresenta característica argilo-arenosa, porosidade, homogeneidade, formação laterítica e presença de grumos. Já o solo profundo apresenta característica silto-arenosa, menor permeabilidade, heterogeneidade, coloração variegada e formação não-laterítica.
Para a execução dos ensaios de laboratório foram retiradas amostras indeformadas em blocos cúbicos de 30 cm de aresta, obtidos segundo as técnicas descritas em EARTH
MANUAL (1968) nas profundidades de 1m e 5m representando, respectivamente, o solo
superficial e o solo profundo. As características geotécnicas, obtidas em laboratório, constam da Tabela 1.
Tabela 1 –Principais Características Físicas, Químicas e Mineralógicas
Solo superficial Solo profundo
Densidade Real dos Grãos (G) 2.60 a 2.62 (0,5 a 3,0m) 2.66 a 2.69 (4,0 a 5,0m) Limites de Atterberg pela
ABNT com amostras secas ao ar
W. L. = 50.0% W. P. = 23.0%
W. L. = Não plástico W. P. = Não plástico Limites de Atterberg com
amostras na umidade natural
W. L. = 61.0% W. P. = 28.7%
W. L. = 46.5% W. P. = 21.4% Granulometria (divisão segundo
a NBR – 6502/95)
Areia = 38%, Silte = 7%, Argila = 55%
Areia = 35%, Silte = 60%, Argila = 5%
Classificação MCT Solo argiloso laterítico Solo siltoso não-laterítico Classificações Usuais CH (USCS) e A7-5 (HRB) CL (USCS) e A6 (HRB) Mineralogia (Raios-X) quartzo, gibsita e caulinita quartzo, feldspato,
caulinita e ilita Relação sílica-sesquióxidos (Ki)
e sílica-alumina (Kr)
Ki = 0.81 Kr = 0.74
Ki = 1.73 Kr = 1,61 3.3 – Ensaio de Furo de Agulha (Pinhole test)
Este ensaio, normalizado pela ABNT na NBR 14114/95, é conhecido como o mais indicado para identificar e classificar os solos argilosos no que diz respeito à dispersibilidade em água (piping por dispersão). O esquema do aparelho pode ser visto na Figura 2.
O ensaio consiste em se fazer percolar água sob um gradiente hidráulico, definido através de um furo de 1mm em amostra cilíndrica obtida por cravação de cilindro metálico biselado em amostra indeformada. A análise do ensaio consiste basicamente na verificação da coloração do efluente e medição da vazão de saída durante os estágios de carga hidráulica (50mm, 180mm, 380mm e 1020mm), porém tanto o tempo de duração de cada estágio quanto os critérios para finalização do ensaio dependem dos resultados encontrados no decorrer do
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mesmo. Para auxiliar na realização e avaliação dos resultados, a norma NBR 14114/95 apresenta um fluxograma orientativo que contém, além dos critérios de execução, a classificação quanto à dispersibilidade.
Duas linhas de pesquisa foram determinadas. A primeira consistiu em seguir os procedimentos da NBR 14114/95 e classificar os solos quanto à dispersibilidade. A segunda objetivou a realização de estágios de carga de longa duração, para verificar se os solos apresentariam comportamento dispersivo em estágios de carga inferiores. Dentro da primeira proposta, foram realizados ensaios segundo as recomendações de SANTOS & CAMAPUM (1998), que sugerem a saturação prévia e a realização de ensaios no sentido inverso, diminuindo-se progressivamente a carga hidráulica.
3.4 – Desagregação
O ensaio de Desagregação, proposto por HOLMEGREN & FLANAGAN (1977), consiste na colocação de amostra cúbica, de 6cm de aresta, dentro de bandeja com água, observando-se, então, a sua reação ao fenômeno de submersão.
O ensaio foi realizado com inundação controlada em estágios seguindo o procedimento descrito por SANTOS & CAMAPUM (1998). No primeiro estágio, as amostras, colocadas sobre pedra porosa, permanecem cerca de trinta minutos com água na altura da base. No segundo estágio o nível é elevado para 1/3 da altura da amostra, onde permanece por 15 minutos. No terceiro estágio eleva-se o nível para 2/3 da altura da amostra, permanecendo, também, por 15 minutos. No último estágio completa-se com água até a submersão total da amostra, permanecendo até 24 horas do início do ensaio. Durante o ensaio são anotados os tempos em que começam a aparecer fissuras e em que há a desagregação total.
Após o ensaio o fenômeno de resposta à inundação pode ser classificado como:
Sem Resposta: quando a amostra mantém sua forma e tamanho originais;
Abatimento (Slumping): quando a amostra se desintegra, formando uma pilha de material desestruturado;
Fraturamento: quando a amostra se quebra em fragmentos, mantendo a forma original das faces externas;
Dispersão: quando as paredes da amostra se tornam difusas com o surgimento de uma “nuvem” coloidal, que cresce à medida que a amostra se dissolve.
3.5 – Dispersão Rápida
Este ensaio foi proposto por SHERARD et al. (1972) para verificar o grau de dispersão de solos argilosos para uso em barragens. O ensaio consiste na colocação de torrão de solo de 2 gramas, em bécher de 150ml cheio de solução 0.001N de NaOH (hidróxido de sódio) e, após uma hora de repouso, classificar o solo quanto à dispersão através de análise visual de acordo com os critérios descritos na tabela 1. Foram realizados, ainda, ensaios com água destilada para comparar com resultados obtidos nos outros ensaios.
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Tabela 2 – Classificação proposta para o ensaio de Dispersão Rápida (modificado de
SILVEIRA et al., 1974).
Classificação Características
Não dispersiva O torrão pode espalhar-se no fundo do bécher, porém não se observa sinal de turvação causada por colóide em suspensão.
Levemente Dispersiva
Aparecimento de turvação à superfície do torrão. Moderadamente
Dispersiva
Aparecimento de nuvem de colóides em suspensão facilmente reconhecível, freqüentemente espalhando-se em finas estrias na base do recipiente.
Altamente dispersiva
Nuvem coloidal cobrindo toda a base do recipiente em uma camada fina. Em casos extremos, a água torna-se turva.
4 – RESULTADOS
4.1 – Furo de Agulha (Pinhole)
A quantidade de ensaios em cada tipo de solo e em cada bloco do mesmo foi função da análise dos resultados obtidos no decorrer dos mesmos. Na preparação dos corpos de prova para ensaio, quando utilizados solos heterogêneos, uma difícil tarefa é a escolha da parte do bloco a ser ensaiada. A tendência natural é a de se utilizar uma região menos desuniforme, porém os resultados podem não ser bem representativos das amostras. No caso do solo superficial, homogêneo, não houve problemas na preparação dos corpos de prova, porém para o solo profundo, heterogêneo, houve a preocupação de ensaiar as partes aparentemente diferentes (identificadas visualmente) presentes na massa de solo.
Para o solo superficial, todos os ensaios demonstraram tendência de comportamento único com ausência de coloração do efluente e integridade do pré-furo, sendo classificados, segundo a NBR 14114/95, como não dispersivos (ND1). Quanto ao uso de saturação prévia, não foi verificada influência significativa nas tendências de resultado. Os ensaios realizados com baixa carga hidráulica e longa duração demonstraram a mesma tendência dos ensaios prescritos por norma. Os resultados típicos estão mostrados na Figura 3.
O solo profundo foi dividido em regiões distintas de acordo com a coloração apresentada: amarela, laranja, rosa (vermelha) e branca. Não houve uma tendência única de resultados, estando estes ligados diretamente à região atravessada pelo furo de 1mm de diâmetro. Através de análise visual, utilizando microscópio óptico, esses materiais foram identificados como sendo, provavelmente:
material laranja – tamanho de fração argila (mineral não identificado)
material amarelo – quartzo tamanho silte tingido
material rosa/vermelho – quartzo tamanho areia fina tingido
material branco – caulim branco concentrado em pequenos veios
Nos ensaios realizados segundo a NBR 14114/95, as amostras de coloração predominantemente amarela, laranja e rosa demonstraram-se dispersivas, geralmente nas cargas hidráulicas de 380mm e 1020mm (ver Figura 4a), em graus variados dependendo da quantidade ao longo do pré-furo e da foliação presente nas amostras. As amostras onde havia predomínio da coloração branca foram classificadas como não dispersivas (ND1) (Figura 4b). Nos ensaios de longa duração, para carga de 50mm, as amostras classificadas com não dispersivas permaneceram com o mesmo comportamento. Para as que apresentaram dispersão, houve mudança de comportamento, pois apresentaram-na na carga hidráulica de
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50mm, quando no procedimento padrão a dispersibilidade só se revelava para cargas de 380 e 1020mm. A saturação prévia não interferiu nas amostras de comportamento não dispersivo.
Em algumas amostras foram realizados ensaios de descarregamento, como proposto por
SANTOS & CAMAPUM (1998). Nestes casos a classificação não foi realizada, pois o
ensaio foi interrompido antes que houvesse o carreamento total da amostra. O que se pôde verificar foi que nas amostras não dispersivas, contrariamente às dispersivas, não houve diferença entre as curvas de carregamento e descarregamento (Figura 4b). Para as amostras de alto grau de dispersão, a curva de descarregamento é muito superior à de carregamento, não se comportando como as propostas por SANTOS & CAMAPUM (op. cit.).
4.2 – Desagregação
O solo superficial manteve sua forma e tamanho originais durante todo o ensaio, sendo classificado como não desagregável ou sem resposta à desagregação. É importante salientar que foi observada a presença de algumas partículas de solo soltas sobre a pedra porosa, porém estas foram decorrentes de perturbações durante a moldagem, não sendo produto do ensaio.
O solo profundo apresentou desagregação com formação coloidal na base das paredes da amostra ao final do primeiro estágio. No segundo estágio, a amostra apresentou abertura de fissuras aos 8 minutos, chegando à desagregação total aos 13 minutos. No terceiro estágio, verificou-se formação coloidal em suspensão, permanecendo, assim, até o término do ensaio. Com base na análise visual, o solo foi classificado, segundo a reação à inundação, como desagregável por abatimento e dispersão.
4.3 – Dispersão Rápida
Como foi anteriormente dito foram realizados ensaios com solução 0.001N de NaOH (hidróxido de sódio) e com água destilada. Para o solo superficial, o ensaio em água destilada mostrou integridade e tendência não dispersiva, porém o ensaio em NaOH apresentou tendência de formação de grumos.
No caso do solo profundo, foram ensaiadas as diversas regiões, aparentemente diferentes, na tentativa de elucidação dos resultados obtidos no ensaio de Furo de Agulha. Assim sendo, foram ensaiadas amostras que compreendem as regiões: amarela, branca, rosa e laranja. Os resultados estão descritos na Tabela 3.
Tabela 3 – Resultados dos ensaios de Dispersão Rápida com 0.001N de NaOH e com água destilada.
Água destilada Solução de NaOH Classificação Solo superficial Não desagrega e
não dispersa
Desagrega formando grumos Não dispersivo e Não desagregável Material amarelo Desagrega e não
dispersa
Desagrega e não dispersa Não dispersivo e desagregável Material branco Não desagrega e
não dispersa
Desagrega formando grumos Não dispersivo e não desagregável Material rosa Desagrega e
dispersa
Desagrega e dispersa formando colóides no torrão
Moderadamente dispersivo e desagregável Material laranja Desagrega e
dispersa
Desagrega e dispersa formando colóides no torrão e bécher
Dispersivo e Desagregável
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5 – CONCLUSÕES
Todos os ensaios mostraram que o solo superficial classifica-se como não dispersivo e não desagregável, sendo, portanto, não erodível mesmo em se tratando de ensaios de longa duração. De forma geral, pode-se concluir que o solo profundo apresentou tendências dispersivas e desagregáveis, sendo classificado como erodível.
Verificou-se que quando se trata de amostras heterogêneas indeformadas, alguns cuidados devem ser tomados para que não sejam cometidos erros de interpretação no ensaio de Furo de Agulha. Por ser este um ensaio pontual, deve-se determinar qual a representatividade da região ensaiada em relação à massa total de solo. No caso do solo profundo, por exemplo, a região branca (não erodível) não é a predominante na massa total, por isso, não representa o comportamento do solo profundo, apesar de poder influenciar a erosão caso apareça em concentração em alguma parte do perfil.
O uso do gráfico de carregamento e descarregamento serve para diferenciar o comportamento de amostras não erodíveis e pouco erodíveis, mas perde o sentido se utilizado em amostras muito erodíveis.
Os ensaios de longa duração mostraram-se um novo campo de estudo, pois foi verificado que as amostras erodíveis podem apresentar dispersão em carga hidráulica mais baixa, que pode ser encontrada “in situ”.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁGICAS
BACELLAR, L. A. P., 2000. Condicionantes Geológicos, Geomorfológicos e Geotécnicos dos mecanismos de voçorocamento na bacia do Rio Maracujá, Ouro Preto, MG. Tese de Doutoramento. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, dezembro.
EARTH MANUAL, 1968, United States Departament of the Interior Bureau of Reclamation, Washington D.C. Second Printing.
FARIAS, C. A., 1992. Dinâmica da revegetação natural de voçorocas na região de Cachoeira do Campo – MG. Tese de Mestrado. UFV, Viçosa.
HOLMGREN, G. G. S. & FLANAGRAN, C. P., 1977, “Factors affecting spontaneous dispersion of soil materials as evidenced by the crumb test – Dispersive Clays, related piping and erosion in geothecnical projects”, ASTM, Special Technical Publication 623: 218-239.
MORAES SILVA, T. R., 2000. Caracterização e erodibilidade dos solos de uma voçoroca na região de Ouro Preto, Minas Gerais. Tese de Mestrado. COPPE/UFRJ. Rio de Janeiro. NBR 14114, 1995. Solo – Solos argilosos dispersivos – Identificação e classificação por meio
do ensaio do furo de agulha (pinhole test). Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT.
SALAROLI, I. S., 1999. Mapeamento litoestrutural da região de Santo Antônio do Leite, Ouro Preto. Relatório geológico número 253. UFOP/EM/DEGEO.
SANTOS, R. M. M. dos & CAMAPUM, J. de C., 1998, “Ensaios de Erodibilidade em Voçorocas do Município de Goiânia”, Proc. XI Congresso Brasileiro de Mecânica dos
Solos e Engenharia Geotécnica, v.1, p.581-588, Brasília.
SHERARD, J. L., DECKER, R. S. & RYKER, N. L., 1972, “Piping in earth dams of dispersive clay”, In SILVEIRA et al. 1974.
SILVEIRA, M. A. A., SANTOS, N. B. dos & KOSHIMA, A., 1974, “Estudo da dispersão de solos argilosos através dos ensaios químicos e de dispersão rápida”, Proc. V Congresso
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ANEXO – FIGURAS (1 a 4)
Figura 1 – Localização da área em estudo dentro da Bacia do Rio Maracujá que está inserida, em sua maior parte, no denominado Complexo do Bação (modificado de Moraes Silva, 2000).
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Figura 2 – Esquema do Aparelho de Pinhole (Ensaio de Furo de Agulha)
Figura 3 – Gráfico vazão x carga hidráulica para o solo superior não erodível
40” 15” 7” 2” Reservatório d’água conjunto com amostra Roldana Medidor deCarga saída de água 1,0 9,0 cm variável amostra Nipple Conexões piezômetro 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 10 100 1000 10000 carga hidráulica (mm) v a z ã o ( m l/s )
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Figura 4 - Gráficos do Pinhole para o solo profundo: (a) curva típica muito erodível, (b) Curva de carregamento e descarregamento para a região branca (não erodível) e para uma região amarela (pouco erodível)
(a) curvas típicas para materiais muito erodíveis
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 10 100 1000 10000 carga hidráulica (mm) v a z ã o ( m l/ s )
ensaio material branco retorno material branco ensaio material amarelo retorno material amarelo
(b) região branca (não erodível) e região amarela (pouco erodível)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 100 1000 10000 carga hidráulica (mm) v a z ã o ( m l/ s ) branca amarela
