Características de compressibilidade de uma argila mole
da Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro
Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio.
Orientadores: Tácio Mauro Pereira de Campos Franklin dos Santos Antunes
Rio de Janeiro Novembro de 2006
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Ana Carolina Souza Lima de Campos
Características de compressibilidade de uma argila mole
da Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.Tácio Mauro Pereira de Campos Orientador DEC/PUC-Rio Franklin dos Santos Antunes Orientador DEC/PUC-Rio José Tavares Araruna Júnior DEC/PUC-Rio Armando José da Silva Neto Light Serviços de Eletricidade S.A Ian Schumann Marques Martins
COPPE/UFRJ José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio
Rio de Janeiro, 10 de Novembro de 2006
CDD: 624
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador.
Ana Carolina Souza Lima de Campos Graduou-se em Engenharia Civil pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC-Rio, em 2002. Foi bolsista da ANP de 2000 a 2002, realizando pesquisas no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Ingressou no curso de mestrado em Engenharia Civil - Geotecnia no início de 2004. Principais áreas de interesse e linhas de pesquisas: Geotecnia Ambiental, Geotecnia Experimental e Mecânica dos Solos.
Ficha Catalográfica Campos, Ana Carolina Souza Lima de
Características de compressibilidade de uma argila mole da Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro/Ana Carolina Souza Lima de Campos; orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos; co-orientador: Franklin dos Santos Antunes, - Rio de Janeiro: PUC, Departamento de Engenharia Civil, 2006.
175 f. ; 30 cm
Dissertação (Mestrado) - Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, Rio de Janeiro, 2006
Inclui bibliografia.
Engenharia Civil - Teses. 2. Argila Mole. 3. Compressibilidade 4. Adensamento I. de Campos, Tácio Mauro Pereira. II. Antunes, Franklin dos Santos. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. IV. Título
Dedico esta dissertação: A meus pais, Tácio e Elza, pelo amor verdadeiro e incondicional. Aos meus irmãos, Rodrigo, Ana Paula, Ana Luiza e Samuka, pelo eterno companheirismo. E à Julia, por iluminar a minha vida todos os dias. Tudo o que sou devo a vocês!!
Agradecimentos
Ao meu pai e orientador, que me iniciou na geotecnia e a quem devo muito do que sei, do que aprendi e do que sou hoje em dia, como profissional e ser humano. Pai, obrigada por aceitar a árdua missão de me orientar nessa jornada.
Ao professor Franklin Antunes, por quem tenho profundo carinho e admiração. Obrigada pela orientação e por todos ensinamentos. Cada conversa é um novo aprendizado.
Agradeço ao Leonardo Bello por realizar as amostragens do solo estudado, por todo apoio e carinho durante o meu trabalho.
À Mônica, por praticamente me co-orientar junto ao prof. Franklin. Mais uma vez, obrigada por toda a ajuda e por estar sempre disponível a me ajudar, principalmente na reta final.
Aos profissionais do LGMA da PUC-Rio. Agradeço ao William pela paciência e por toda ajuda e orientações nos ensaios de laboratório. Ao laboratorista Josué pelo apoio e execução dos ensaios de caracterização. Ao laboratorista Amauri por estar sempre disponível a ajudar e esclarecer dúvidas. E ao seu José, cujo trabalho é essencial para o bom funcionamento do laboratório.
Ao Ronaldo do DCMM da PUC-Rio pela eficiência e disponibilidade na realização dos ensaios de difração de Raio X.
Aos funcionários do Departamento de Engenharia Civil, Ana Roxo, Rita, Lenilson, Cristiano e Fátima por me ajudarem sempre que foi necessário.
Agradeço ao colega Pedro Tha pelos inúmeros esclarecimentos sobre o funcionamento do equipamento triaxial.
À prof. Denise, que considero como uma irmã. Muito obrigada pelo interesse e por todo o incentivo.
Às grandes amigas que fiz para toda a vida durante o mestrado, Mônica, Lica,
Taíse e Bernadete. Meninas, muito obrigado por todo o apoio, companheirismo e pelos inúmeros momentos de descontração. Eles foram fundamentais para que eu conseguisse chegar até aqui.
Agradeço também a outros colegas que tive o prazer de conviver durante o mestrado e por quem tenho muito carinho: Vivi, Tânia, Luciana, Vinicius e Ygor.
Agradeço aos meus pais por todo o amor, carinho e dedicação. Obrigada por estarem sempre ao meu lado me incentivando e me guiando. Com vocês a vida fica bem mais fácil.
Aos meus irmãos e à Júlia, obrigada por todo o apoio incondicional e por acreditarem em mim.
À minha avó Elza, que com certeza, aonde quer que esteja, sei que está muito orgulhosa por mais essa etapa vencida na vida.
Agradeço ao Álvaro pelo amor e companheirismo. Obrigada pelo eterno apoio e por sempre acreditar em mim e me incentivar.
Ao Sr. Milton e à D. Grace por todas as palavras de apoio e incentivo ao longo deste trabalho.
Ao meu chefe, Marcelo, por compreender a dificuldade de estudar e trabalhar ao mesmo tempo, me liberando uma vez por semana, desde Maio/06, quando comecei a trabalhar.
Agradeço aos meus colegas de trabalho, principalmente a Luciana, Aloésio, Juliane, Georgina, Flavinha, Ana Paula, Ana Cristina e Mansur pelo interesse, incentivo e apoio nesses últimos meses de mestrado.
Ao CNPq pelo apoio financeiro
Ao projeto P&D Light/ANEEL que possibilitou a realização desse trabalho.
E finalmente a Deus, por me dar a força e a energia necessárias para cumprir mais uma etapa na minha vida.
Antunes, Franklin dos Santos. Características de compressibilidade de uma argila mole da Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2006. 175p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Um amplo trabalho de pesquisa, envolvendo extensivas investigações de campo e laboratório de um depósito de argila mole localizado na Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro, RJ, vem sendo desenvolvido pela PUC-Rio desde meados de 2005. Evidências de recalques em estruturas construídas nessa região têm sido reportadas desde o final da década de 70. O presente trabalho apresenta resultados de estudos de laboratório realizados visando à caracterização do depósito argiloso e a determinação de seus parâmetros de compressibilidade e adensamento. Para tanto, desenvolveu-se um programa experimental compreendendo a caracterização físico-químico-mineralógica de amostras do perfil e a execução de ensaios de adensamento edométrico e triaxial hidrostático e anisotrópico. Os experimentos em células edométricas envolveram ensaios convencionais, com medida de permeabilidade e com determinação de compressão secundária. Aspectos de qualidade das amostras ensaiadas são discutidos. Os resultados obtidos propiciaram uma estimativa do K0 do material normalmente adensado, um entendimento do estágio de
adensamento hoje existente e uma estimativa preliminar de recalques que podem ainda vir a ocorrer sob as presentes condições de carregamento.
Palavras-chave
Argila mole, compressibilidade, adensamento
(Advisor); Antunes, Franklin dos Santos (Advisor). Compressibility characteristics of a soft clay from the Santa Cruz Industrial Zone, Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2006. 175p. MSc. Dissertation – Department of Civil Engineering, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
A large research work comprising extensive field and laboratory investigations on a soft clay deposit located in the Industrial Zone of Santa Cruz, Rio de Janeiro, RJ, is being developed at PUC-Rio since 2005. Occurrences of settlement of structures built in this region have been reported since the end of the decade of 1970. This work presents results of laboratory studies aiming at the characterization of the soft clay deposit and the determination of compressibility and consolidation parameters of the clay. The experimental program developed comprised physical-chemical-mineralogical characterization of samples from the soil profile and the execution of oedometric consolidation tests and hydrostatic and anisotropic triaxial tests. The experiments in oedometric cells comprised conventional tests and tests with measurement of permeability and determination of secondary compression. Aspects of quality of the samples are highlighted. The obtained results propitiated an estimation of the K0 of the normally consolidated material, an
understanding of the present stage of consolidation of the deposit and a preliminary assessment of settlements that may still occur in the site under the present loading conditions.
Keywords
Soft clay, compressibility, consolidation
1 INTRODUÇÃO 20
2 CARACTERÍSTICAS DE DEPÓSITOS MOLES 23
2.1. Origem e Formação dos Depósitos Moles 23
2.2. Constituição Mineralógica 24
2.3. Efeitos do Amolgamento da Amostra 26
2.4. Argila Mole da Baixada Fluminense 30
3 APRESENTAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO E DO PROBLEMA 38
3.1. Área de Estudo 38
3.2. Apresentação do Problema 44
4 AMOSTRAGEM DO SOLO E EXTRUSÃO DA AMOSTRA NO LABORATÓRIO 52
4.1. Amostragem do solo 52
4.1.1. Amostragem na Camada de Aterro Compactado 53
4.1.2. Amostragem na Camada de Argila Mole 54
4.1.2.1. Equipamentos Utilizados 54
4.1.2.2. Procedimento de Amostragem 56
4.2. Extrusão de Amostras 58
5 ENSAIOS REALIZADOS E METODOLOGIAS EMPREGADAS 63
5.1. Ensaios de Caracterização 66
5.1.1. Caracterização Física 66
5.1.2. Caracterização Mineralógica 68
5.1.3. Caracterização Físico-Química 69
5.1.4. Determinação de Matéria Orgânica 69
5.2. Ensaios de Adensamento Edométrico 70
5.2.1. Ensaio de Adensamento Edométrico Convencional 73 5.2.2. Ensaio de Adensamento Edométrico com Medida de Creep 73 5.2.3. Ensaio de Adensamento Edométrico com Medida de Permeabilidade 73
5.3. Ensaios de Adensamento Hidrostático 76
5.3.1. Equipamento Utilizado 76
5.3.2. Metodologia dos Ensaios 77
5.4. Ensaios de Adensamento Anisotrópico 79
5.4.1. Equipamento Utilizado 80
5.4.2. Metodologia dos Ensaios 83
6 CARACTERIZAÇÃO DO SOLO 86 6.1. Caracterização Geotécnica 87 6.1.1. Índices Físicos 87 6.1.2. Análise Granulométrica 87 6.1.3. Limites de Atterberg 89 6.1.4. Classificação do Solo 90 6.2. Caracterização Mineralógica 92 6.3. Caracterização Química 95 6.3.1. pH em Água e em KCl 95
6.3.2. Análise Química Parcial 96
6.3.3. Condutividade Elétrica e Teor de Sais Solúveis 98
6.4. Determinação de Matéria Orgânica 99
7 COMPRESSIBILIDADE DO SOLO 102
7.1. Ensaios de Adensamento Edométrico 102
7.2. Ensaios de Adensamento Hidrostático 111
7.3. Ensaios de Adensamento Anisotrópico 115
7.4. Discussão e Comparação de Resultados 121
7.4.1. Efeitos de Amostragem 121
7.4.2. Características de Adensamento e Permeabilidade 124
7.4.3. Características de Compressibilidade 125
7.4.4. Estimativas de Recalque 126
8 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 129
8.1. Conclusões 129
8.2. Sugestões Para Trabalhos Futuros 131
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 132
APÊNDICE I DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DOS ENSAIOS DE
ADENSAMENTO ANISOTRÓPICO 137
ANEXO I RESULTADOS INDIVIDUAIS DA CARACTERIZAÇÃO 139
ANEXO II DIFRATOGRAMAS DE RAIO X 150
ANEXO III RESULTADOS INDIVIDUAIS DOS ENSAIOS DE ADENSAMENTO
EDOMÉTRICOS 155
ANEXO IV RESULTADOS INDIVIDUAIS DOS ENSAIOS DE ADENSAMENTO
HIDROSTÁTICO 169
ANEXO V RESULTADOS INDIVIDUAIS DOS ENSAIOS DE ADENSAMENTO
ANISOTRÓPICO 172
Figura 2.1 – a) Unidade e folha tetraédrica. b) Visão espacial da lâmina tetraédrica. c) Representação da unidade tetraédrica (Mitchell, 1976). 25 Figura 2.2 – a) Unidade e folha octaédrica. b) Visão espacial da lâmina octaédrica. c) Representação da unidade octaédrica (Alshawabkeh, 2001) 25 Figura 2.3 – Efeito do amolgamento durante a amostragem na compressão unidimensional da argila de Sarapuí (Coutinho,1976) 28 Figura 2.4 – Efeito do amolgamento na curva mv vs σ’v (Correia & Lacerda, 1982) 29 Figura 2.5 - Perfis Geotécnicos das Argilas do Rio de Janeiro (Futai et al., 2001) 32
Figura 3.1 – Localização da área de estudo (fonte: Google Earth) 38 Figura 3.2 – Planta de locação dos pontos de sondagem realizada na década
de 70. 39
Figura 3.3 – Representação gráfica dos laudos de sondagem tipo SPT 40 Figura 3.4 – Representação espacial do perfil local (De Campos et al., 2004). 41 Figura 3.5 – Localização das áreas experimentais. 42 Figura 3.6 – Resultados do ensaio CPTU-1 na área AE-1 43 Figura 3.7 - Geradores mostrando tendências a tombamento, com trincas horizontais na base dos coroamentos das fundações 44 Figura 3.8 - Trinca vertical na base dos geradores 45 Figura 3.9 - Trinca horizontal na base de edifícios 45
Figura 3.10 - Trincas na laje do calçamento 46
Figura 3.11 - Poste desalinhado e fundações com trincamento. 46
Figura 3.12 - Postes mostrando distorção. 47
Figura 3.13 - Poste com distorção para o lado menos pesado. 47
Figura 3.14 - Distorções de pórticos. 48
Figura 3.15 - Canaleta de drenagem superficial deformada tanto vertical quanto
horizontalmente. 48
Figura 3.16 - Placas de concreto com fissuras e deslocamentos diferenciais. 49 Figura 3.17 - Recalques diferenciais do aterro. 49 Figura 3.18 - Aparente perda de material junto à base de um conjunto de
pórticos. 50
Figura 3.19 - Aterro com recalques diferenciais. 50
Figura 3.20 - Passarela com distorções. 51
Figura 4.1 – Locação dos pontos de amostragem na área AE-1. 52 Figura 4.2 – Fotos ilustrativas da retirada do bloco BL-1 53 Figura 4.3 - Fotos da máquina perfuratriz de trado oco 54 Figura 4.4 – Segmentos de trados ocos da perfuratriz e ponteira com abertura. 55
Figura 4.5 – Amostradores tipo Shelby 55
Figura 4.6 - Detalhes da perfuração e da inserção do amostrador para a retirada
de amostras indeformadas. 57
Figura 4.7 – Metodologia empregada na amostragem com tubos shebies. 57 Figura 4.8 – Procedimentos seguidos após a retirada da amostra com tubo
shelby 58
Figura 4.9 – Procedimento para extração do solo do tubo de amostragem
(modificado de Ladd & DeGroot, 2004) 59
Figura 4.10 – Shelby marcado indicando o local do corte 60 Figura 4.11 – Shelby apoiado no torno mecânico 60
Figura 4.12 – Shelby sendo serrado 60
Figura 4.13 – Indicação da parte do shelby,onde a parede não foi serrada 61 Figura 4.14 – Separação da sub-amostra do shelby 61 Figura 4.15 – Corda de violão sendo inserida no shelby 62 Figura 4.16 – Molde que ajuda a empurrar a amostra para fora do shelby 62 Figura 4.17 – Amostra de solo extrudida do shelby 62
Figura 5.1 - Prensa de adensamento tipo Bishop do LGMA da PUC-Rio. 71 Figura 5.2 – Prensa de adensamento tipo Bishop do LGMA da PUC-Rio. 71 Figura 5.3 – Adaptação realizada na prensa de adensamento para a realização
dos ensaios de permeabilidade. 74
Figura 5.4 – Detalhe da vedação utilizada para impedir a evaporação da água
durante os ensaios de permeabilidade. 75
Figura 5.5 – Equipamento triaxial utilizado nos ensaios de adensamento
hidrostático 77
Figura 5.6 – Molde para cortar o dreno lateral (Bishop & Henkel, 1962) 78 Figura 5.7 - Montagem do corpo de prova na prensa triaxial 79 Figura 5.8 – Equipamento triaxial utilizado nos ensaios de adensamento
anisotrópico 81
Figura 5.9 – Monitoramento dos ensaios por meio de gráficos 81 Figura 5.10 – Motores de passo do equipamento triaxial 82
Figura 5.11 – Tabela controle dos ensaios 84
Figura 6.1 – Curvas Granulométricas 88
Figura 6.2 – Carta de Plasticidade 91
Figura 6.3 – Difratograma de Raio X da fração fina (passante na #40) do solo na profundidade de 5,25 a 5,75m (Ct-caulinita, I-Ilita, Em-Esmectita, Q-Quartzo). 93 Figura 6.4 - Difratogramas das lâminas do solo (material passante na #400) na
profundidade de 3,50 a 4,00 metros 94
Figura 6.5 – Comparação dos difratogramas das lâminas sem tratamento e glicolada (Ct-caulinita, I-Ilita, Em-Esmectita, Q-Quartzo) 95 Figura 6.6 – Curva Temperatura x Perda de Massa 101
Figura 7.1 – Comparação curvas logσ’ x e/e0 para os ensaio edométricos 103 Figura 7.2 -Curva logσ’ x e/e0 dos ensaios de adensamento AEI-1, AEA-1 e AEA-2 104 Figura 7.3 - Curva logσ’ x log (1+e) do ensaio de adensamento AEA-1 105 Figura 7.4 - Curvas logσ’ x mv dos ensaios de adensamento edométrico 107 Figura 7.5 – Curvas logσ’ x cv dos ensaios de adensamento edométrico. 108 Figura 7.6 –Curva logσ’ x cα do ensaio de adensamento AEI-2 109
Figura 7.7 – Gráfico σ’ x kdos ensaios de adensamento AEI-3 e AEI-4 110 Figura 7.8 - Gráfico k x edos ensaios de adensamento AEI-3 e AEI-4 111 Figura 7.9 – Curvas logσ’ x e dos ensaios de adensamento hidrostático 112 Figura 7.10 - Curvas logσ’ x mv dos ensaios de adensamento hidrostático 114 Figura 7.11 – Corpo de prova durante o ensaio de adensamento hidrostático 115 Figura 7.12 – Curvas tensão-deformação dos ensaios de adensamento
anisotrópicos 117
Figura 7.13 – Caminhos de tensões efetivas dos ensaios anisotrópicos 118 Figura 7.14 – Curva deformação axial x deformação radial dos ensaios
anisotrópicos 119
Figura 7.15 – Envoltória de resistência dos ensaios CIU 120 Figura 7.16 – Caminhos de tensão efetiva incluindo as estimativas de K0 121
Figura 7.17 – Comparação das curvas logσ’ x e e logσ’ x mv 123 Figura 7.18 - Condições do depósito argiloso antes e após a implantação da
camada de aterro 126
Figura A.1 – Curvas tensão-deformação 138
Figura A.I.1 – Curva granulométrica do aterro 141 Figura A.I.2 – Curva granulométrica da amostra AM-01 (prof. 2,50 a 3,00 metros) 141 Figura A.I.3 - Curva granulométrica da amostra AM-01 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 142 Figura A.I.4 - Curva granulométrica da amostra AM-01 (prof. 5,25 a 5,75 metros) 142 Figura A.I.5 - Curva granulométrica da amostra AM-01 (prof. 6,00 a 6,50 metros) 143 Figura A.I.6 - Curva granulométrica da amostra AM-02 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 143 Figura A.I.7 - Curva granulométrica da amostra AM-03 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 144 Figura A.I.8 - Curva granulométrica da amostra AM-04 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 144 Figura A.I.9 - Curva granulométrica da amostra AM-05 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 145 Figura A.I.10 - Curva granulométrica da amostra AM-06 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 145 Figura A.I.11 - Curva granulométrica da amostra AM-07 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 146 Figura A.I.12 - Curva granulométrica da amostra AM-08 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 146 Figura A.I.13 - Curva granulométrica da amostra AM-09 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 147 Figura A.I.14 - Curva granulométrica da amostra AM-11 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 147 Figura A.I.15 - Curva granulométrica da amostra AM-12 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 148 Figura A.I.16 - Curva granulométrica da amostra AM-13 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 148 Figura A.I.17 - Curva granulométrica da amostra AM-14 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 149 Figura A.I.18 - Curva granulométrica da amostra AM-15 (prof. 3,50 a 4,00 metros) 149
Figura A.II.1 – Difratograma de Raio X da profundidade de 2,50 a 3,00 metros
Método do pó no material passante na #40). 150
Figura A.II.2 - Difratograma de Raio X da profundidade de 3,50 a 4,00 metros
Método do pó no material passante na #40). 151
Figura A.II.3 - Difratograma de Raio X da profundidade de 5,25 a 5,65 metros (Método do pó no material passante na #40). 151 Figura A.II.4 - Difratograma de Raio X da profundidade de 3,50 a 4,00 metros (Método do pó no material passante na #200) 152 Figura A.II.5 - Difratograma de Raio X da profundidade de 3,50 a 4,00 metros (Método do pó no material passante na #400) 152 Figura A.II.6 – Difratograma de Raio X da profundidade de 3,50 a 4,00 metros (Lâmina sem tratamento do material passante na #400) 153 Figura A.II.7 - Difratograma de Raio X da profundidade de 3,50 a 4,00 metros (Lâmina aquecida do material passante na #400) 153 Figura A.II.8 - Difratograma de Raio X da profundidade de 3,50 a 4,00 metros (Lâmina glicolada do material passante na #400) 154
Figura A.III.1 – Curva σ’ x e do ensaio AEI-1 155 Figura A.III.2 – Curva σ’ x cv do ensaio AEI-1 156
Figura A.III.3 – Curva σ’ x mv do ensaio AEI-1 156
Figura A.III.4 - Curva σ’ x k do ensaio AEI-1 157 Figura A.III.5 – Curvas raiz tempo x altura do c.p. do ensaio AEI-1 158 Figura A.III.6 - Curva σ’ x e do ensaio AEA-1 159 Figura A.III.7 – Curva σ’ x e do ensaio AEI-2 159 Figura A.III.9 - Curva σ’ x e do ensaio AEI-2 160 Figura A.III.10 – Curva σ’ x cv do ensaio AEI-2 160
Figura A.III.11 – Curva σ’ x mv do ensaio AEI-2 161
Figura A.III.12 – Curva σ’ x k do ensaio AEI-2 161 Figura A.III.13 – Curvas raiz tempo x altura do c.p. do ensaio AEI-2 162 Figura A.III.14 - Curva σ’ x e do ensaio AEI-3 163 Figura A.III.15 – Curva σ’ x cv do ensaio AEI-3 163
Figura A.III.165 – Curva σ’ x mv do ensaio AEI-3 164
Figura A.III.17 – Curva σ’ x k do ensaio AEI-3 164 Figura A.III.18 – Curvas raiz tempo x altura do c.p. do ensaio AEI-3 165 Figura A.III.19 – Curva σ’ x e do ensaio AEI-4 166 Figura A.III.20 – Curva σ’ x cv do ensaio AEI-4 166
Figura A.III.21 – Curva σ’ x mv do ensaio AEI-4 167
Figura A.III.22 – Curva σ’ x k do ensaio AEI-4 167 Figura A.III.23 - Curvas raiz tempo x altura do c.p. do ensaio AEI-4 168
Figura A.IV.1 - Curva σ’ x e do ensaio AI-1 169 Figura A.IV.2 - Curva σ’ x mv do ensaio AI-1 170
Figura A.IV.3 - Curva σ’ x e do ensaio AI-2 170 Figura A.IV.4 - Curva σ’ x mv do ensaio AI-2 171
Figura A.V.1 – Curva s’ x υ para o ensaio K=1,0 sem dreno lateral 172 Figura A.V.2 - Curva s’ x υ para o ensaio K=1,0 com dreno lateral 172 Figura A.V.3 - Curva s’ x υ para o ensaio K=0,9 173 Figura A.V.4 – Curva s’ x υ para o ensaio K=0,8 173 Figura A.V.5 – Curva s’ x υ para o ensaio K=0,8 repetido 173 Figura A.V.6 - Curva s’ x υ para o ensaio K=0,7 174 Figura A.V.7 - Curva s’ x υ para o ensaio K=0,6 174
Figura A.V.8 – Curva s’ x υ para o ensaio K=0,6 repetido 174 Figura A.V.9 - Curva s’ x υ para o ensaio K=0,5 175 Figura A.V.10 - Curva s’ x υ para o ensaio K=0,5 repetido 175
Tabela 2.1 - Critério de avaliação de qualidade de amostras (Lunne et al., 1997) 30 Tabela 2.2 – Critério de avaliação de qualidade de amostras (Oliveira, 2002) 30 Tabela 2.3 - Propriedades Geotécnicas de Alguns Solos Moles do Rio de
Janeiro 33
Tabela 2.4 – Correlações estatísticas para o depósito mole de Santa Cruz
(Aragão, 1975) 34
Tabela 2.5 – Análises químicas no solo de Santa Cruz (Aragão, 1975) 35 Tabela 2.6 - Análises químicas no solo de Santa Cruz (Aragão, 1975) 35 Tabela 2.7 – Caracterização do solo de Santa Cruz (Santos, 2004) 36 Tabela 2.8 - Análises químicas no solo de Santa Cruz (Santos, 2004) 37 Tabela 2.9 – Resultados dos ensaios de adensamento no solo de Santa Cruz
(Santos, 2004) 37
Tabela 5.1 – Programa experimental dos ensaios de caracterização. 64 Tabela 5.2 – Programa experimental dos ensaios de adensamento. 65 Tabela 5.3 – Classificação da atividade de solos segundo Skempton 67 Tabela 5.4 –Análises realizadas para a determinação do teor de matéria
orgânica. 70
Tabela 5.5 – Programa Experimental dos ensaios de Adensamento
Anisotrópico 80
Tabela 5.6 – Identificação dos motores de passo 83 Tabela 6.1 –Índices físicos da camada de aterro e do depósito mole. 87 Tabela 6.2 – Tabela resumo da análise granulométrica 88 Tabela 6.3 – Tabela resumo dos limites de Atterberg e da atividade do solo 89
Tabela 6.4 –Classificação SUCS do solo 91
Tabela 6.5 – Distâncias interplanares basais típicas para argilominerais
(Santos, 1975) 92
Tabela 6.6 –Resultados da análise de pH em água e em KCl 96 Tabela 6.7 – Resultados das análises químicas por complexo sortivo 97 Tabela 6.8 – Resultados das análises químicas por ataque sulfúrico 97 Tabela 6.9 – Faixa de valores de CTC associadas ao argilomineral (Santos, 1975) 98 Tabela 6.10 – Análises de condutividade elétrica e teor de sais no depósito mole. 99 Tabela 6.11 – Determinação do teor de matéria orgânica pelo carbono
orgânico 99 Tabela 6.12 –Determinação do teor de matéria orgânica pelo método da
P.P.A. 100
Tabela 6.13 – Perda de massa do solo para diferentes temperaturas 100 Tabela 7.1 – Identificação dos ensaios de adensamento edométrico 102 Tabela 7.2 – Características dos corpos de prova dos ensaios de
adensamento edométricos 102
Tabela 7.3 – Parâmetros de compressibilidade dos ensaios de adensamento
edométrico 106
Tabela 7.4 - Características dos corpos de prova dos ensaios de adensamento
hidrostático 112
Tabela 7.5 – Parâmetros de compressibilidade dos ensaios de adensamento
hidrostático 113
Tabela 7.6 - Características dos corpos de prova dos ensaios de
adensamento anisotrópicos 116
Tabela 7.7 – Parâmetros de compressibilidade dos ensaios anisotrópicos 117 Tabela 7.8 - Critério de avaliação de qualidade de amostras (Oliveira, 2002) 122 Tabela 7.9 – Classificação da qualidade das amostras 122 Tabela 7.10 – Comparação dos parâmetros de compressibilidade com dados
da literatura 125
Tabela A.1 – Características iniciais dos corpos de prova dos ensaios de adensamento anisotrópico para diferentes velocidades 137 Tabela A.I.1 – Tabela resumo dos ensaios de caracterização 140
O comportamento de solos moles tem sido motivo de inúmeros estudos executados tanto no Brasil quanto no exterior (e.g. Costa Filho et al., 1985; Burland, 1990; Martins & Lacerda, 1994; Almeida & Marques, 2002; Ladd & DeGroot, 2004). A complexidade de problemas associados a este tipo de terreno, seja do ponto de vista de recalques ou de resistência, torna, entretanto, necessário um contínuo desenvolvimento de estudos e pesquisas que propiciem um entendimento adequado do comportamento de engenharia desses materiais, incluindo as técnicas utilizadas para a determinação de suas propriedades mecânicas e hidráulicas.
Dentro deste contexto e, também, visando a solução de um problema prático, um amplo trabalho de pesquisa envolvendo o estudo da evolução de movimentos de estruturas assentes sobre uma camada argilosa espessa vem sendo desenvolvido na PUC-Rio. Tais pesquisas compreendem, além do monitoramento das estruturas, a execução de diferentes tipos de ensaios de campo (e.g. Bello et al., 2006) e laboratório.
A área em estudo localiza-se na Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro, RJ e evidências de recalques em construções estabelecidas nessa região têm sido reportadas desde o final da década de 70 sendo, entretanto, escassas as informações existentes na literatura sobre propriedades mecânicas e hidráulicas do solo local.
O presente trabalho tem o propósito de contribuir neste sentido, apresentando dados de caracterização do material e apresentando e discutindo parâmetros de compressibilidade e de adensamento do depósito mole. Para tanto, desenvolveu-se um programa experimental compreendendo a caracterização físico-químico-mineralógica de amostras do perfil e a execução de ensaios de adensamento edométrico e triaxial hidrostático e anisotrópico. Os experimentos em células edométricas envolveram ensaios convencionais, com medida de permeabilidade e com determinação de compressão secundária.
Com os resultados dos ensaios de adensamento obteve-se uma estimativa do K0
do material normalmente adensado e se discutiu aspectos de qualidade das amostras ensaiadas.
Procurou-se ter um entendimento do estágio de adensamento existente hoje na área estudada e fornecer uma estimativa preliminar de recalques que podem ainda vir a ocorrer sob as presentes condições de carregamento.
Dentro desse projeto de pesquisa e visando a elaboração de um modelo de comportamento do solo estudado, também foram realizados no laboratório da PUC-Rio ensaios de adensamento CRS e radial, além de ensaios triaxiais drenados e não drenados. Entretanto, por fugirem do escopo do presente trabalho, esses dados não serão aqui apresentados.
Esta dissertação, além do capítulo atual, apresenta-se dividida em mais 7 capítulos.
O segundo capítulo aborda de forma sucinta algumas características de depósitos moles, assim como apresenta estudos realizados em solos semelhantes ao do presente trabalho.
O capítulo 3 apresenta a área investigada e algumas características da mesma, explicitando o problema de recalque existente no local, enfatizando a relevância desse projeto de pesquisa.
O capítulo 4 descreve as metodologias de amostragem e de extrusão de amostras no laboratório adotadas nessa pesquisa, que serão analisadas baseadas em uma proposta de avaliação da qualidade de amostras.
No capitulo 5 estão apresentados o programa experimental, as metodologias adotadas e os equipamentos utilizados na realização dos ensaios de laboratório, incluindo as caracterizações físico-químico-mineralógicas, assim como, os ensaios de adensamento edométrico convencional e especiais, adensamento hidrostático e adensamento anisotrópico.
A apresentação e discussão dos resultados serão abordadas nos capítulos 6 e 7, sendo que o primeiro deles está relacionado às caracterizações físico-químico-mineralógicas e o segundo trata da compressibilidade do solo.
Finalmente, as conclusões e sugestões para trabalhos futuros se encontram no capítulo 8.
Ainda neste trabalho são apresentado o Apêndice A e os Anexos I a V. O Apêndice A descreve a metodologia empregada para a definição da velocidade do ensaio de adensamento anisotrópico.
Nos Anexos I e II encontram-se, respectivamente, os resultados da caracterização física e mineralógica do perfil. Já os Anexos III a V apresentam os gráficos individuais dos ensaios de adensamento.
Neste capítulo serão apresentados aspectos a respeito da formação dos depósitos moles, a sua constituição mineralógica, e alguns efeitos e influencias que o processo de amostragem pode causar nos resultados dos ensaios de laboratório em amostras indeformadas desse tipo de solo. Também serão apresentadas características e parâmetros de compressibilidade de outros estudos realizados em solos moles da Baixada Fluminense, Rio de Janeiro.
Não cabe, no escopo do presente trabalho, apresentar aspectos teóricos da teoria do adensamento, pois esse assunto é clássico na Mecânica dos Solos.
2.1.
Origem e Formação dos Depósitos Moles
O conhecimento prévio da origem e formação de um solo é importante para uma melhor compreensão de algumas de suas propriedades, como por exemplo, o seu sobreadensamento.
Os depósitos moles encontrados no litoral brasileiro são constituídos por solos de granulometria fina que se depositaram em ambientes marinhos. Do ponto de vista geológico, esses depósitos são bastante recentes, formados no Período Quaternário quando, segundo Massad (1988), ocorreram pelo menos dois ciclos de sedimentação, um no Pleistoceno e outro no Holoceno.
Estes ciclos estão diretamente relacionados com as variações do nível do mar. Há cerca de 120 mil anos (Pleistoceno) o nível marinho elevou-se em aproximadamente 8 metros, originando os sedimentos denominados de Formação Cananéia. Posteriormente, há cerca de 15 mil anos, o nível do mar abaixou em 130 metros durante o período de glaciação, onde grande parte da água do mar foi desviada para os pólos e para as regiões setentrionais da terra para a formação das geleiras e das calotas de gelo. Como conseqüência, houve um intenso processo de erosão que removeu parte dos sedimentos já depositados. Com o término da
glaciação, iniciou-se outro processo de transgressão marinha, há aproximadamente 6 mil anos (Holoceno), resultando em uma elevação do nível de água de 4 metros e na formação dos depósitos atuais.
De acordo com Massad (1988), após o Holoceno, o mar entrou em um processo contínuo e lento de regressão, interrompido por “rápidas” oscilações negativas de seu nível. O conhecimento dessas oscilações negativas é importante sob o ponto de vista geotécnico, pois pode justificar o leve pré-adensamento observado em algumas camadas superficiais desse tipo de solo.
2.2.
Constituição Mineralógica
Conforme é de conhecimento geral (e.g., Santos, 1975), os solos argilosos são constituídos essencialmente por argilominerais, podendo conter também matéria orgânica, outros minerais não considerados argilominerais, como por exemplo, o quartzo e a alumina, e outras impurezas.
Os argilominerais são constituídos por duas unidades básicas, que se associam formando folhas e se agrupam em camadas. A distância perpendicular entre essas camadas é definida como distância interplanar ou espaçamento basal. Os diversos tipos de argilominerais existentes são resultado das diferentes ligações entre essas camadas e da substituição de íons de alumina ou sílica.
As unidades básicas são:
i) Unidade tetraédrica, que normalmente é constituída por um átomo de
silício (SiO4) no centro e quatro de oxigênio igualmente distanciados do
primeiro. A Figura 2.1 ilustra essa unidade e suas ligações formando folhas.
a)
b)
c)
Figura 2.1 – a) Unidade e folha tetraédrica. b) Visão espacial da lâmina tetraédrica. c) Representação da unidade tetraédrica (Mitchell, 1976).
ii) Unidade octaédrica, que geralmente é constituída por um átomo de
alumina (Al-3) eqüidistante de seis de oxigênio ou hidroxilas, formando a
configuração octaédrica ilustrada na Figura 2.2.
a)
b)
c)
Figura 2.2 – a) Unidade e folha octaédrica. b) Visão espacial da lâmina octaédrica. c) Representação da unidade octaédrica (Alshawabkeh, 2001)
Existem três grupos de argilominerais de interesse na prática da engenharia: o da caulinita, da esmectita e da ilita. A caulinita é formada pelo empilhamento de uma folha tetraédrica com uma folha octaédrica, originando estruturas de camada 1:1. É considerada uma estrutura estável, sem moléculas de água entre as camadas, tendo como propriedades baixos valores tanto de expansão como de retração.
A esmectita, argilomineral do tipo 2:1, é constituída por uma folha octaédrica entre folhas de silicato tetraédricas, unidas entre si por oxigênios comuns às folhas. Essas camadas sucessivas estão fracamente ligadas entre si e moléculas de água ou polares, de espessuras variáveis, podem entrar entre elas, chegando a separá-las totalmente. Este argilomineral quando em contato com água ou ambiente úmido pode ter o seu espaçamento basal aumentado, fazendo com que os cátions interplanares fiquem susceptíveis de serem trocados por outros cátions, formando, desse modo, novos argilominerais. Conseqüentemente, as argilas constituídas por esmectitas geralmente possuem, em elevado grau, propriedades plásticas e coloidais, e apresentam grandes variações em suas propriedades físicas (Santos, 1975).
A ilita também é um argilomineral do tipo 2:1, e possuí uma estrutura cristalina semelhante à da esmectita, porém, o alumínio é substituído pelo silício e o cátion neutralizante é o potássio. Como conseqüências dessas diferenças, as camadas estruturais são rigidamente ligadas e não expandem (Santos, 1975).
2.3.
Efeitos do Amolgamento da Amostra
A qualidade dos processos de amostragem tem sido motivo de muita preocupação no meio geotécnico. A influência da qualidade de amostras em ensaios de adensamento é observada desde a década de 30 por Casagrande (1936), entretanto ainda vêem-se resultados de ensaios com indícios de má qualidade das amostras.
Rutledge (1944) sugere que os efeitos do amolgamento em amostras de ensaios de adensamento são:
i) Diminuição do índice de vazios para qualquer nível de tensão efetiva. O processo de amolgamento ocorre de maneira praticamente não drenada,
e no caso das argilas moles do litoral brasileiro, que se encontram saturadas, esse processo ocorre com índice de vazios constante. Desse modo, não há deformação volumétrica no solo, mas sim distorções que destroem parcialmente ou totalmente a sua estrutura, fazendo com que
se modifique, por exemplo, a relação e vs σ’v no ensaio edométrico.
ii) A história de tensões do solo (e conseqüentemente a tensão de pré-adensamento) torna-se mascarada ou indefinida;
iii) Redução do valor estimado da tensão de pré-adensamento;
iv) A compressibilidade é majorada na região de recompressão e reduzida na região de compressão virgem.
Martins & Lacerda (1994) acrescentaram a esta lista a influência do amolgamento na forma geométrica do trecho de compressão virgem da curva
, v
vs
e σ , ressaltando que ensaios realizados em amostras de boa qualidade
apresentam esse trecho curvilíneo, enquanto que em ensaios realizados em amostras de má qualidade esse trecho apresenta-se retilíneo. Diferenças de comportamento de curvas apresentadas para amostras de boa e má qualidade já haviam sido observadas por Ferreira & Coutinho (1988). A Figura 2.3 ilustra bem tanto os diferentes comportamentos para as amostras de boa e de má qualidade, como as observações de Martins & Lacerda (1994) a respeito do trecho de compressão virgem.
Figura 2.3 – Efeito do amolgamento durante a amostragem na compressão unidimensional da argila de Sarapuí (Coutinho,1976)
Martins & Lacerda (1994) também realizaram um estudo visando avaliar o efeito da qualidade da amostra sobre o cálculo de recalques, e constataram que o amolgamento pode conduzir a erros da ordem de 100%. Estes erros podem ser maiores ou menores dependendo do domínio de tensões em que se esteja trabalhando.
Correia & Lacerda (1982) apresentaram a influência do amolgamento na curva
, v v
vs
log
m
σ
. Esta curva, como pode ser observado na Figura 2.4, apresenta umpico na região na tensão de pré-adensamento, e quanto menor a perturbação da amostra, mais pronunciado é o máximo desta curva. Os autores também sugerem que, em amostras de boa qualidade, uma estimativa da tensão de pré-adensamento seria utilizar a pressão correspondente ao ponto médio entre o
ponto de inflexão e o ponto máximo da curva mvvslogσ,v.
Figura 2.4 – Efeito do amolgamento na curva mv vs σ’v (Correia & Lacerda, 1982)
Lunne et al. (1997) propuseram uma avaliação da qualidade de amostras utilizadas em ensaios de adensamento. Esta avaliação é baseada na relação
o o vo e e e −
, onde evo é o índice de vazios corresponde à tensão efetiva de campo e
eo é o índice de vazios inicial do corpo de prova. A Tabela 2.2 mostra os critérios
de avaliação sugeridos por Lunne et al. (1997) para as argilas da Noruega.
Tabela 2.1 - Critério de avaliação de qualidade de amostras (Lunne et al., 1997) 0 e e ∆ OCR Muito Boa a Excelente Boa a
Regular Pobre Muito Pobre
1 - 2 < 0,04 0,04 – 0,07 0,07 – 0,14 > 0,14
2 - 4 < 0,03 0,03 – 0,05 0,05 – 0,10 > 0,10
No Brasil, Coutinho et al. (1998) adaptaram o critério de Lunne et al. (1997) para as argilas de Recife, e posteriormente, Oliveira (2002) sugeriu que um novo critério de classificação, adaptado para a estrutura plástica das argilas brasileiras, fosse adotado. Este se encontra na Tabela 2.3 abaixo.
Tabela 2.2 – Critério de avaliação de qualidade de amostras (Oliveira, 2002)
Muito Boa a Excelente
Boa a
Regular Pobre Muito Pobre
0
e e
∆ < 0,05 0,05 – 0,08 0,08 – 0,14 >0,14
2.4.
Argila Mole da Baixada Fluminense
De acordo com Antunes (1978) os depósitos moles da Baixada Fluminense são constituídos por sedimentos flúvio-marinhos, que se depositaram há cerca de 6000 anos atrás, durante o período Quaternário, nas terras baixas em torno da Baía de Guanabara. A formação desses depósitos se deu pelo carreamento de sedimentos erodidos das montanhas adjacentes transportados por rios que desembocam nas Baías de Guanabara e de Sepetiba, e por sedimentos marinhos depositados durante os períodos de transgressão e regressão marinha.
Alguns desses depósitos já foram amplamente estudados por diversos profissionais da área de geotecnia, principalmente em meados dos anos 70 até o início dos anos 90, quando a PUC-Rio e a COPPE/UFRJ, em cooperação com o IPT-DNER executaram um amplo programa experimental na região de Sarapuí envolvendo ensaios de campo e laboratório, além da construção e monitoramento de dois aterros experimentais e a execução de uma escavação instrumentada.
Existem estudos também para outras regiões de solo mole da cidade do Rio de Janeiro, tais como: Santa Cruz (Aragão, 1975; Santos, 2004), região da Rua Uruguaiana - próximo ao metrô (Vilela, 1976), Botafogo (Lins & Lacerda, 1980), Itaipu (Carvalho, 1980; Pinheiro,1980), Juturnaiba (Coutinho, 1986), Caju (Cunha, 1988), Baixada de Jacarepaguá (Garcés, 1995) e Barra da Tijuca (Almeida, 1996) dentre outras.
Muitos desses estudos indicaram que a composição mineralógica predominante na fração argila é a caulinita, com indícios de ilita e esmectita, ocorrendo também alguns minerais primários como o quartzo, a mica e o feldspato. De acordo com Antunes (1978), a coloração cinza escura desses depósitos se deve ao ambiente redutor. Apesar de serem descritas como argilas orgânicas, estes solos apresentam muitas vezes baixos teores de matéria orgânica (4 a 6,5%).
Segundo Antunes (1978), o depósito mole de Sarapuí apresenta um teor de sais solúveis variando de 4,7 g/L a 8,5 g/L, um Ki (relação sílica/alumina) de 2,7 e
valores médios de SiO2 e Al2O3 de 28% e 18,6% respectivamente. Em
Juturnaiba (Coutinho & Lacerda, 1994), as análises químicas apresentaram um Ki de 2,2 indicando a presença de caulinita,e para as profundidades de 0,5 a 1,5 e 2,0 a 2,5 o Ki variou de 3 a 3,5 indicando a presença de argilominerais do tipo
2:1. Os cátions adsorvidos são predominantemente o Ca++, Mg++ e H+, e a
presença de matéria orgânica induz a uma elevada capacidade de troca catiônica e a um baixo valor de pH, que variou de 3,1 a 5,9.
A Figura 2.5 apresenta perfis esquemáticos de alguns depósitos argilosos do Rio de Janeiro. De acordo com Futai et al. (2001), algumas considerações, tais como a limitação dos tipos de materiais e desconsideração da cota do terreno, foram feitas para facilitar a comparação. Nesses casos a camada mole geralmente encontra-se sobrejacente a areias e argilas arenosas e possuí uma espessura variável de 5 a 15m.
Costa Filho et al. (1984) observaram que para as argilas das regiões das baixadas da Baía de Guanabara e da Baía de Sepetiba o nível d’água praticamente coincide com o nível do terreno na maioria dos perfis, com alguma variação durante o ano.
Figura 2.5 - Perfis Geotécnicos das Argilas do Rio de Janeiro (Futai et al., 2001)
A Tabela 2.3 resume os principais parâmetros geotécnicos dos solos citados acima.
Tabela 2.3 - Propriedades Geotécnicas de Alguns Solos Moles do Rio de Janeiro Santa Cruz
(Z. Litorânea)
Rua
Uruguaiana Botafogo Itaipu Juturnaiba Caju
Baixada de Jacarepaguá
Barra da
Tijuca Sarapuí Santa Cruz
A região de Santa Cruz, região estudada no presente trabalho, foi pesquisada por Aragão em 1975. A área analisada situa-se na Baía de Sepetiba, próximo ao Canal de São Francisco, e o seu perfil é constituído por uma camada de argila mole, orgânica, de espessura pouco variável, da ordem de 15 metros, seguida por uma série de camadas de areias siltosas até a profundidade de 31 metros, onde se inicia o solo residual caracterizado por um silte arenoso.
Costa Filho et al. (1984) também estudaram essa mesma região de Santa Cruz e observaram pelas analises dos ensaios de adensamento edométricos a existência de uma camada ressecada de aproximadamente 7 metros, que apresenta características de um solo pré-adensado. Abaixo dessa camada ressecada, as pressões de sobreadensamento se aproximam das pressões efetivas no local. Segundo os autores, essas observações são consistentes com as variações de umidade natural ao longo do perfil do terreno.
Aragão (1975) e Costa Filho et al. (1984) apresentaram diversas correlações estatísticas, relacionando os índices físicos com a profundidade e parâmetros de compressibilidade também com a profundidade. A Tabela 2.4 apresenta as correlações propostas, assim como os seus coeficientes de correlação. Os coeficientes de correlação abaixo de 0,4 foram julgados de validade estatística discutível, entretanto os autores consideram que devido ao grande número de determinações, as expressões médias indicadas na Tabela 2.4 são razoavelmente representativas das propriedades do depósito mole estudado.
Tabela 2.4 – Correlações estatísticas para o depósito mole de Santa Cruz (Aragão, 1975) Relação Expressão Número de pontos Valor médio Coef. correlação γt x Prof (m) γt =0,009.H+1.32±0,08 504 0,36 wi x Prof (m) w 0,35.H 2,21.H 119,6 19 2 i = + + ± 472 112 - LL x Prof (m) LL=0,14.H2+2,02.H+54,2±9 305 60 0,19 LP x Prof (m) LP=0,16.H2−0,43.H+29,7±7 305 28 - IP x Prof (m) IP=0,614.H2+2,55.H+24,6±9 305 32 - σ’vm (t/m²) x Prof (m) 0,0372.H 0,44.H 4,98 1,56 2 , VM = − + ± σ 76 0,36 cc x Prof (m) c 0,0167.H 0,22.H 0,80 0,45 2 c = + + ± 76 1,30 0,4
Foi realizada também uma caracterização química no perfil desse solo, que se encontra resumida nas Tabelas 2.5 e 2.6 abaixo.
Tabela 2.5 – Análises químicas no solo de Santa Cruz (Aragão, 1975)
Cátions trocáveis (meq/100g) Prof. (m) Ca2+ Mg2+ K+ Na+ H+ Al3+ pH % mat. orgânica 5,3 27,0 21,0 2,02 6,85 1,7 0 6,7 2,27 9,3 11,5 29,5 2,80 11,25 6,3 0,1 5,4 2,46 12,3 10,5 16,5 2,26 7,70 2,6 0 6,4 2,89
Tabela 2.6 - Análises químicas no solo de Santa Cruz (Aragão, 1975)
Sais soluveis (g/L) Prof. (m) Ca Mg K Na Total Ki 5,3 1,95 1,33 0,56 1,52 5,36 2,86 9,3 0,97 2,18 0,87 2,87 6,89 2,64 12,3 0,34 0,42 0,42 1,58 2,76 2,68
Outra pesquisa realizada na área de Santa Cruz foi feita por Santos (2004), que executou ensaios de caracterização geotécnica, físico-químico-mineralógica, além de ensaios de adensamento e de palheta no solo da região.
Neste trabalho foram apresentados os resultados dos ensaios acima citados para diferentes unidades de formação geológica, denominadas de gleissolos. A zona investigada situa-se na Baixada de Santa Cruz, e foi dividida em duas áreas, de acordo com os perfis do subsolo de duas unidades gleissolos diferentes.
A unidade GHa caracteriza-se por apresentar uma argila de alta atividade. É uma unidade de baixa permeabilidade, ácida e com características de formação sob grande influência do lençol freático, que provocam a coloração cinzenta e mosqueados característicos de reações de oxidação e redução.
A unidade GHT é um solo salino, com textura argilosa. É caracterizado por apresentar argilas de alta atividade, com elevados teores de sais solúveis, sulfetos e/ou enxofre. São ácidos, de baixa permeabilidade e apresentam coloração variando de preta a cinza esverdeado. Esta unidade apresenta alta condutividade elétrica (4,3 a 8,5 mmhoms/cm), altos teores de sais solúveis de
Ca2+, Mg2+, K+ e Na+ e porcentagem de enxofre superior a 0,75% até a
profundidade de 1 metro. Ocorrem nas desembocaduras dos rios, canais e margens de lagoas na orla marítima, com o material sedimentar de natureza argilo-siltosa ou argilosa, com detritos orgânicos. Estes solos estão sujeitos a
influência constante das marés favorecendo a acumulação de sais e compostos de enxofre.
O perfil da primeira, denominada de GHa, é constituído por um aterro, seguido de uma camada de argila silto-arenosa, com NSPT variando de 0 a 10. Abaixo desta camada, ocorrem intercalações de camadas siltosas, argilo-arenosas, argilo-arenosas, areno-siltosas, medianamente compactas a compactas, com NSPT apresentando uma tendência de crescimento com a profundidade, seguida de solo residual.
A segunda unidade geológica, denominada de GHT, é constituída por uma camada de argila siltosa cinza, de baixa consistência (NSPT de 0 a 5). Subjacente a esta camada encontra-se uma camada de areia fina a média, pouco argilosa, medianamente compacta, com NSPT variando de 5 a 12. Outras sondagens revelaram a presença de uma camada de aterro de aproximadamente 1,0 metro de espessura e apresentaram um perfil semelhante ao observado por Aragão (1975).
Dos ensaios de caracterização geotécnica, Santos (2004) obteve os resultados que se encontram na Tabela 2.7:
Tabela 2.7 – Caracterização do solo de Santa Cruz (Santos, 2004)
Unidade gleissolo Prof. (m) w (%) % argila Gs γnat (kN/m³) LL (%) IP (%) GHa 0 – 2 31 – 155,7 30 - 90 2,10 - 2,70 14,48 18,4 – 159 2,6 – 118,5 GHT 0 – 2 54 - 120 52 – 62 2,60 - 2,70 14,94 84,4 115 62,7 - 71
Apesar dos valores de densidade dos grãos para a unidade GHa se apresentarem bastante variados, a média foi de 2,60. O autor atribui os baixos valores de Gs observados à presença de matéria orgânica.
Os resultados obtidos das análises químicas estão na Tabela 2.8. O solo não salino (GHa) foi classificado em relação ao pH como de acidez alta a acidez fraca, e o salino (GHT) como de acidez alta a alcalinidade alta.
Tabela 2.8 - Análises químicas no solo de Santa Cruz (Santos, 2004) pH Unidade gleissolo Prof. (m) H20 KCl % mat. orgânica Ki C. E. (mS/cm) 25°C GHa 0 - 2,00 3,4 – 7,6 3,2 – 6 2,4 a 10,4 2,09 0,5 – 1,50 GHT 0 – 2,00 3,1 – 4,1 2,7 – 3,3 0,51 a 6,04 2,51 4,02 – 4,73
A unidade GHa apresentou a predominância dos cátions Ca2+ (3 a 9,4
Cmolc/kg), Mg2+ (3,4 a 10,9 Cmolc/kg), Al3+ (0,2 a 7,1 Cmolc/kg) e H+ (6,3 a 48,7
Cmolc/kg),e conseqüentemente um valor de saturação de bases (S) variando entre 6,9 e 22,5 Cmolc/kg e de CTC entre 20,3 e 77,8 Cmolc/kg.
Os cátions encontrados para o solo GHT foram: Ca2+ (2,1 a 6,9 Cmolc/kg), Mg2+
(2,8 a 3,7 Cmolc/kg), Al3+ (10 a 14 Cmolc/kg) e H+ (7,9 a 9,7 Cmolc/kg). Com
esses resultados, a saturação de bases (S) variou entre 8,7 e 12,1 Cmolc/kg e
os de CTC entre 30,6 e 31,8 Cmolc/kg. Os sais solúveis encontrados foram o K+
e o Na+, com valores médios de 0,09 e 1,83 respectivamente.
As análises mineralógicas identificaram em ambos os perfis a presença predominante da caulinita, ocorrendo secundariamente ilita e esmectita.
Os ensaios de adensamento nesses solos apresentaram os resultados indicados na Tabela 2.9.
Tabela 2.9 – Resultados dos ensaios de adensamento no solo de Santa Cruz (Santos, 2004) Unidade gleissolo Prof. (m) σ’vm OCR cvmédio x 10-8 (m²/s) cc cs mv x 10 -4 (m²/kN) k x 10-9 (m/s) GHa 2,00 80 2,05 62,45 0,84 0,10 10 6,2 GHT 2,00 70 2,08 80,3 0,75 0,10 11 8,8
Este capítulo tem o objetivo de apresentar a região estudada, desde a sua localização em relação ao Estado do Rio de Janeiro, como a indicação do perfil que compõe o seu terreno. Serão apresentadas também, através de um inventário fotográfico, as evidências de recalque que vem ocorrendo no terreno em estudo.
3.1.
Área de Estudo
A área estudada pertence à Subestação de Linhas de Transmissão ZIN da Light, situada na Zona Industrial de Santa Cruz, zona oeste do município do Rio de Janeiro, conforme ilustra a Figura 3.1.
Figura 3.1 – Localização da área de estudo (fonte: Google Earth)
Esta área é uma região de baixada formada por um depósito argiloso, de origem sedimentar, com espessura variando entre 6 e 15 metros. Este depósito
Zona Industrial
de Santa Cruz
Baía da Guanabara Baía de SepetibaN
sedimentar é de origem bem recente do ponto de vista geológico, formado há cerca de 6000 anos, devido aos períodos de transgressão e regressão marinha (Massad, 1988).
Existem poucas informações a respeito de estudos geotécnicos na área da Subestação, e obteve-se acesso somente a laudos de sondagem do tipo SPT, realizados na década de 70 para a elaboração dos projetos de fundação. Essas sondagens foram locadas conforme mostra a planta da Figura 3.2, e revelaram a ocorrência de uma camada de argila mole com resistência à penetração variando de 0 a 10 golpes, porém, com valor médio de 2 golpes.
Figura 3.2 – Planta de locação dos pontos de sondagem realizada na década de 70.
As variações dos NSPT, ao longo da profundidade, para as sondagens F1 a F19
estão apresentadas na Figura 3.3. As linhas tracejadas observadas nestes perfis estão separando as camadas superficiais de aterro, das camadas de argila mole e de algumas lentes de areia que penetram na camada de argila, como se observa, nos furos F1, F14 e F15. Não há indicação do nível d’água, pois os laudos de sondagem não continham essa informação.
0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Nspt100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Pr of ( m ) SPT 1 SPT2 SPT3 SPT4 SPT5 argila orgânica h = 2,2m
aterro h = 3,5m aterro h = 3,6m aterro h = 2,3m aterro h = 2,85m aterro h = 2,95m
argila orgânica h = 12,15m argila orgânica h = 10,4m argila orgânica h = 10,95m argila orgânica h = 10,95m 0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Nspt Pr o f ( m ) SPT6 SPT7 SPT8 SPT9 SPT10 argila orgânica h = 10,9m
aterro h = 3,9m aterro h = 2,85m aterro h = 3,4m aterro h = 3,4m aterro h = 3,5m argila orgânica h = 11,95m argila orgânica h = 12,6m argila orgânica h = 11,3m argila orgânica h = 15,3m 0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Nspt Pr o f ( m ) SPT11 SPT12 SPT13 SPT14 SPT15 argila orgânica h = 11,5m
aterro h = 3,1m aterro h = 2,9m aterro h = 3,5m aterro h = 2,85m aterro h = 2,95m
argila orgânica h = 9,9m argila orgânicah = 13,1m arg orgânica h1 = 2,8m h2 = 6m arg orgânica h1 = 4,1m h2 = 5,9m areia h = 3,2m areia h = 3,2m 0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Nspt Pr o f ( m ) SPT16 SPT17 SPT18 SPT19 argila orgânica h = 12,1m
aterro h = 2,5m aterro h = 3,5m aterro h = 3,7m aterro h = 4,3m argila orgânica
h = 12,1m argila orgânica
h = 14,15m argila orgânicah = 14,2m 0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0 10 20 30 40/0
Figura 3.3 – Representação gráfica dos laudos de sondagem tipo SPT
Com base nesses dados, De Campos et al. (2004) elaborou uma representação espacial das camadas de solo até a base da argila mole que está, juntamente com a locação dos furos de sondagem, apresentada na Figura 3.4. A superfície do terreno foi obtida segundo cotas de referências topográficas da época, indicando que o terreno inicial era praticamente plano. A camada de aterro
revelou-se praticamente uniforme em espessura, com aproximadamente 3 metros, enquanto que a camada de argila apresentou pequenas variações em sua espessura, com algumas intrusões de areia. As sondagens apresentadas nesta figura são as mesmas da figura 3.2, entretanto, a nomenclatura F foi substituída pela SPT, mantendo a numeração dos furos anterior.
Figura 3.4 – Representação espacial do perfil local (De Campos et al., 2004).
Para a realização do projeto de pesquisa P&D LIGHT/ANEEL, foram definidas 4 áreas experimentais no terreno da Subestação, conforme mostra a Figura 3.5, determinadas em função da localização da malha do aterramento; da existência de estruturas, como tubulações de drenagem e caixas de passagem, e do ponto de vista de segurança em relação às linhas de transmissão. Porém, a presente dissertação apresenta somente os estudos realizados na área experimental AE-1, localizada próxima ao portão de entrada da subestação.
Figura 3.5 – Localização das áreas experimentais.
AE-1
AE-3
AE-4 AE-2
Área Experimental (AE) Malha de Aterramento Entrada AE-1 AE-2 AE-3 AE-4
Em 2005, novas investigações envolvendo o ensaio de piezocone e de dissipação de poropressão (CPTU) foram realizadas até a base da camada de argila. Este ensaio consiste na cravação no solo, a uma velocidade constante, de uma ponteira cônica instrumentada eletronicamente permitindo medições de
resistência de ponta (qc), atrito lateral (fc) e o monitoramento constante de
poropressões (ub). Os resultados desses ensaios podem ser usados para a
determinação estratigráfica de perfis de solos, determinação de materiais prospectados e previsão da capacidade de carga de fundações.
Neste caso, os resultados foram inicialmente utilizados para indicar o atual perfil do terreno na área estudada, revelando um aterro com espessura variando de 2 a 3 metros e um nível d’água de aproximadamente 1,60 metros abaixo da superfície do terreno. A Figura 3.6 mostra o resultado do ensaio CPTU-1, realizado na área AE-1, indicando também a presença de lentes de areia ao longo da camada de argila. Este fato pode ser verificado observando o aumento da resistência de ponta e a diminuição da poropressão em determinadas profundidades, como por exemplo, a 5 e 11 metros.
Resistência de ponta Poropressão
NA = 1,6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 4 8 12 16 20 qc (kg/cm2) P ro fu ndi d ade ( m ) NA = 1,6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 1 2 3 4 5 u2s(kg/cm2) P ro fu ndi d ade ( m )
Figura 3.6 – Resultados do ensaio CPTU-1 na área AE-1
3.2.
Apresentação do Problema
O terreno da subestação vem apresentando problemas de recalques desde a década de 70, que puderam ser evidenciados a partir de visitas técnicas realizadas no local em 2002. Desse modo, foi detectado o afundamento do terreno superficial e recalques diferenciais de estruturas de concreto, caracterizados pela ocorrência de trincas em diferentes pontos do empreendimento, como por exemplo, nas bases de postes e de máquinas pesadas.
Esses problemas foram registrados em um inventário fotográfico realizado na ocasião das visitas, e estão apresentados nas Figuras 3.7 a 3.20. Trincas tanto horizontais quanto verticais são observadas em diversas estruturas, como as das figuras 3.7 a 3.11. Observa-se também nas figuras 9.11 a 9.14 diversos postes desalinhados e na figura 3.15 percebe-se a deformação em uma canaleta superficial. Já as figuras 3.16 a 3.20 evidenciam claramente o recalque diferencial que está ocorrendo no terreno.
Figura 3.7 - Geradores mostrando tendências a tombamento, com trincas horizontais na base dos coroamentos das fundações
Figura 3.8 - Trinca vertical na base dos geradores
Figura 3.9 - Trinca horizontal na base de edifícios
Figura 3.10 - Trincas na laje do calçamento
Figura 3.11 - Poste desalinhado e fundações com trincamento.
Trincas
Poste desalinhado
Figura 3.12 - Postes mostrando distorção.
Figura 3.13 - Poste com distorção para o lado menos pesado.
Figura 3.14 - Distorções de pórticos.
Figura 3.15 - Canaleta de drenagem superficial deformada tanto vertical quanto horizontalmente.
Figura 3.16 - Placas de concreto com fissuras e deslocamentos diferenciais.
Figura 3.17 - Recalques diferenciais do aterro.
Figura 3.18 - Aparente perda de material junto à base de um conjunto de pórticos.
Figura 3.19 - Aterro com recalques diferenciais.
Figura 3.20 - Passarela com distorções.
O inventário fotográfico mostra a importância e a necessidade de se fazerem mais estudos relacionados aos movimentos que ocorrem nos solos moles. A ausência destes conhecimentos tem levado à adoção de critérios conservadores de projeto que, em muitos casos, além do comprometimento econômico imediato, envolve uma convivência duradoura com uma situação de elevado risco de ruptura dos elementos estruturais de fundação. No caso específico da Subestação Zin, as conseqüências devidas ao potencial de colapso estrutural decorrente das grandes deformações sofridas pelas estruturas de fundação podem ser extremamente graves, incluindo a paralisação não programada de transmissão de energia elétrica para parte do município do Rio de Janeiro.
LABORATÓRIO
Existe uma grande preocupação em se obter corpos de prova indeformados, entretanto os processos de amostragem e de extrusão de amostras podem causar algumas perturbações ao solo comprometendo, desse modo, a qualidade e a confiabilidade de alguns parâmetros geotécnicos obtidos a partir de ensaios de laboratório.
Com o intuito de se adquirirem corpos de prova representativos, ou seja, perturbados o mínimo possível, foram adotadas metodologias não convencionais
de amostragem e de extrusão de amostras do shelby, que estão descritas no
decorrer deste capítulo. Como poderiam existir dúvidas a respeito da qualidade das amostras indeformadas, realizou-se uma avaliação de sua qualidade, baseada na proposta de Oliveira (2002).. Essa avaliação será apresentada no capítulo 7, juntamente com os demais resultados obtidos no presente trabalho.
4.1.
Amostragem do solo
Para a realização da campanha de ensaios de laboratório foram retirados um bloco indeformado da camada de aterro compactado (BL-1) e 15 amostras indeformadas do tipo shelby da camada de argila mole (AM-1 a AM-15). Essas amostras foram retiradas por técnicos do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, sob a supervisão do engenheiro Leonardo Bello, na área AE - 1, já indicada no Capítulo 3, e estão locadas conforme ilustra a Figura 4.1.
Figura 4.1 – Locação dos pontos de amostragem na área AE-1.
Entrada da Subestação N
1m Escala
4.1.1.
Amostragem na Camada de Aterro Compactado
A retirada do bloco da camada de aterro compactado foi realizada com a abertura de uma tricheira até a profundidade de 1,10 m. Este bloco, com dimensões de 30 cm x 30 cm x 30 cm, foi amostrado no meio da camada de aterro, cuja espessura de aproximadamente 2 metros foi determinada por meio de um furo de inspeção prévio.
Para evitar a perda de umidade do bloco durante o transporte e o armazenamento, o mesmo foi recoberto com filme de PVC, papel alumínio, tecido e, por fim, parafina. Algumas das etapas da retirada do BL-1, como a escavação da trincheira, o corte, a moldagem do bloco e a sua proteção, estão apresentadas na Figura 4.2.
(a) Escavação da trincheira
(b) Corte e moldagem do bloco (c) Processo de proteção do bloco
Figura 4.2 – Fotos ilustrativas da retirada do bloco BL-1
4.1.2.
Amostragem na Camada de Argila Mole 4.1.2.1.
Equipamentos Utilizados
A retirada de amostras indeformadas em profundidade, na camada de argila, foi realizada com o auxílio de uma máquina perfuratriz motorizada de trado oco e amostradores tipo shelby. A máquina perfuratriz possui eixos com rodas para possibilitar a sua mobilização no campo e um sistema de cravação e perfuração com força hidráulica, conforme ilustram as fotos da Figura 4.3.
Figura 4.3 - Fotos da máquina perfuratriz de trado oco
Os segmentos de trados ocos, mostrados na Figura 4.4, são acopláveis até a profundidade desejada, servindo como revestimento a medida em que se avança no subsolo. A ponteira deles possui um mecanismo que permite a abertura em profundidade. Com isso, é possível a passagem por dentro dos trados e até a profundidade desejada de equipamentos de sondagem e retirada de amostras.
Figura 4.4 – Segmentos de trados ocos da perfuratriz e ponteira com abertura.
Os amostradores tipo shelby foram projetados e confeccionados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Eles são constituídos por um tubo de alumínio de 3” de diâmetro externo com ponta bizelada, 1,5 mm de parede e 55 cm de comprimento; uma cabeça de adaptação para hastes de SPT e um sistema de pistão com anéis de vedação de borracha, conforme mostra a Figura 4.5.
Figura 4.5 – Amostradores tipo Shelby Haste SPT Haste alumínio Camisas de alumínio com ponta bizelada Bolacha/Pistão estacionário
4.1.2.2.
Procedimento de Amostragem
A metodologia empregada para a amostragem envolveu três etapas distintas: a abertura de pré-furos; a retirada da amostra de solo e a proteção da amostra para o transporte.
A abertura do pré-furo foi executada utilizando-se os trados ocos acionados pela perfuratriz motorizada (Fig. 4.6a e b). O trado da extremidade inferior possui um sistema com tampa basculante que previne a entrada de solo durante a perfuração. Essa tampa é travada por meio de um selo feito com arame recozido para facilitar a sua abertura. Ao chegar à profundidade desejada, os trados ocos são içados o suficiente para permitir a abertura da tampa, travando-os nesta profundidade. Então, o conjunto de composição do shelby é inserido pelo interior dos trados ocos da perfuratriz (Fig. 4.6c e d) até a tampa da ponteira, forçando a sua abertura. Com o shelby em posição, mantém-se travada a composição das hastes do pistão estacionário, enquanto crava-se a camisa amostradora a uma velocidade constante de 2cm/s. Ao chegar no limite de penetração, roda-se a composição para cisalhar a amostra, içando o conjunto, em seguida. O procedimento metodológico da amostragem na camada de argila está ilustrado na Figura 4.7.
(a) Posicionamento da perfuratriz para executar o pré-furo
(b) Perfuração na camada de argila
(c) Shelby já montado (d) Amostrador sendo inserido dentro do trado oco
Figura 4.6 - Detalhes da perfuração e da inserção do amostrador para a retirada de amostras indeformadas.
Pré furo form ado c om a uxilio da perfuratriz c om trados oc os Trados oc os sã o leva ntados e am ostrodor é posic ionado Hastes/pistão são m antidos fixos e c rava-se o am ostrador Conjunto é girado para c isalha r o solo e solta r c am isa Amostrador c om solo é iça do para a supefíc ie Tam pa da ponteira é m antid a fec hada Selo da ta mpa é romp ido e amostrador entra em c ontato c om o solo
Figura 4.7 – Metodologia empregada na amostragem com tubos shebies.
Após a amostragem, as extremidades dos tubos foram protegidas com filme de PVC (Fig. 4.8a), papel alumínio (Fig. 4.8b) e parafina (Fig. 4.8c), formando
