Estudo do comportamento histerético de uma argila expansiva não-saturada

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL. ESTUDO DO COMPORTAMENTO HISTERÉTICO DE UMA ARGILA EXPANSIVA NÃO-SATURADA. GERSON MARQUES DOS SANTOS. RECIFE, 2008.

(2) UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL. ESTUDO DO COMPORTAMENTO HISTERÉTICO DE UMA ARGILA EXPANSIVA NÃO-SATURADA. GERSON MARQUES DOS SANTOS. Dissertação submetida ao Corpo Docente da Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil.. ORIENTADOR: Prof. Dr. José Maria Justino da Silva, D.Sc.. RECIFE, 2008.

(3) S237e. Santos, Gerson Marques dos. Estudo do comportamento histerético de uma argila expansiva não-saturada / Gerson Marques dos Santos. - Recife: O Autor, 2008. vxiii, 119 folhas, il : tabs., Grafs. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, 2008. Inclui Bibliografia e Anexos. 1. Engenharia Civil. 2. Solo Expansivo Não-Saturado. 3.Curva Característica. 4. Histerese. 5.Modelo Matemático. I Título UFPE 624. BCTG/ 2009-063.

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(5) DEDICATÓRIA. A meus pais, Otaviano Marques dos Santos – in memorian Maria José Ramos dos Santos – in memorian A meus irmãos, Edson Marques dos Santos Marlucia Marques dos Santos Edilene Marques dos Santos Eliane Marques dos Santos Aline Marques dos Santos Josélia Marques dos Santos Ivane Marques dos Santos Arnaldo Marques dos Santos Normando Marques dos Santos Airton Marques dos Santos Renata da Silva Martins Uma dedicação especial À minha tia, Maria do Carmo Marques dos Santos – in memorian.

(6) “É. também. pesquisador: tentar linguagem. função. do. observar. e. traduzir humana,. para num. determinado referencial de espaço - tempo, aquilo que a natureza tem para lhe dizer”.

(7) AGRADECIMENTOS Se eu fosse relacionar todas as pessoas que me ajudaram ao longo do mestrado, certamente tomaria mais da metade desta dissertação. Mas não poderia deixar de registrar o profundo agradecimento a Deus, que com sua eterna paciência e carinho se manteve sempre ao meu lado e nos momentos em que eu pensava que não ia conseguir, ele me dava sempre a mão na forma de um pensamento positivo ou enviando uma pessoa para me ajudar. Entre as pessoas enviadas por Deus, gostaria de agradecer pela consecução deste trabalho: Ao Professor Dr. José Maria Justino da Silva, pela paciência, confiança, orientação e por proporcionar as condições necessárias para o desenvolvimento desta pesquisa no campo e no laboratório. Ao amigo e irmão William de Paiva, por ter me convidado para desenvolver este trabalho, pela ajuda durante a coleta das amostras, pela ajuda durante a modelagem matemática e pela familiarização com os softwares utilizados. Ao Professor Dr. André Maciel Netto, pela maestria com que nos transmitiu os conhecimentos a respeito de umidade no solo. A minha noiva Valéria Gomes pelo carinho, pelos pensamentos positivos e pelas palavras incentivadoras que sempre sinalizam um porto seguro. Ao Professor Dr. José Fernando Thomé Jucá, pela motivação que nos transmitiu, não apenas durante as aulas como também fora do ambiente acadêmico. Ao Professor Dr. Jaime Cabral, que sempre se mostrou disposto a nos ajudar nas horas difíceis. Ao Professor Dr. Bernard Genevois, pelas informações a respeito da introdução do tópico estatístico na dissertação. Ao amigo, Engenheiro Calculista, Heitor Lobo Mesel, pois, num desses momentos em que eu estava em dificuldades, ele, misteriosamente apareceu e me forneceu informações imprescindíveis para que pudesse dar continuidade ao mestrado. À secretária de pós-graduação Sra. Andréa Negromonte, pela simpatia, carinho, amizade e pela competência demonstrada na condução dos trabalhos nesta secretaria..

(8) Ao Diretor da Escola Superior de Marketing, Professor José Lavanére Lemos, que através da sua simplicidade e de seu exemplo de vida, me proporcionou as condições necessárias para ingressar no campo da docência o que motivou meu ingresso no mestrado. Ao Engenheiro e Laboratorista Antônio Brito, pela maneira responsável com que nos transmitiu as informações necessárias para a condução dos ensaios relacionados à pesquisa. À Sra. Laudenice, pelo carinho e afeto, além da competência e habilidade, durante o período em que foi secretária da pós-graduação. Ao professor Dr. Ivaldo Pontes, pela grande ajuda durante o mestrado. A professora Dra.Veruschka Escarião, pelos conselhos. A professora Márcia Semente, pelas instruções a respeito do trabalho científico. Ao laboratorista Severino, pela incansável presença no laboratório de mecânica dos solos e sempre disposto a nos ajudar. Ao professor Tiago Rolim, pela confecção dos tubos-shelbes e acessórios do equipamento de extração de amostras. Ao professor Washington Moura de Amorin Jr, pelo incentivo e amizade. Aos colegas da Pós-Graduação: Elisangela Rocha, Elisangela Santos, Frankslale, Marcos Vinícios, Marcos George, Roberto Evaristo, Alan e Henrique. Ao senhor Ridelson, pela imprescindível ajuda no manuseio do trado durante a extração das amostras no campo. Ao amigo Virgílio Henrique, pelo livro presenteado (A arte da prudência – de Baltasar Gracián). Aconselhamentos no momento oportuno. Ao CNPq, pelo apoio financeiro concedido à realização dessa pesquisa..

(9) RESUMO. Este trabalho analisa a variação da histerese, em relação à profundidade, de um depósito de solo expansivo não saturado situado próximo a cidade de Paulista, na região litorânea do nordeste do Brasil. O perfil do solo é constituído de argila expansiva não saturada resultante do processo de decomposição físico-química de argilito e de rocha calcária da Formação Maria Farinha. O processo de umedecimento por vapor foi utilizado para aumentar o teor de umidade inicial do corpo de prova e durante a trajetória de umedecimento. Foram feitas medidas da sucção usando a técnica do papel de filtro, bem como a determinação do teor de umidade volumétrico em cada ponto com a finalidade de serem obtidas as curvas característica de umidade do solo. O ensaio de contração livre foi realizado juntamente com o ensaio de sucção, para a elaboração das curvas de contração e determinação da velocidade de evaporação. Foi utilizado o modelo matemático para ajuste das curvas características de umidade do solo referentes às trajetórias de drenagem e de umedecimento segundo orientação proposta por Gerscovich e Sayão (2002). A escolha do melhor modelo matemático baseou-se na comparação entre índices de desempenho tais como a soma dos quadrados residuais (SQR) e o coeficiente de determinação (R2). Utilizou-se também o critério de informação de Akaike (AIC) para a medição da parcimônia desses modelos. O teste estatístico qui-quadrado (χ2) foi aplicado para observar a existência de discrepâncias entre os pontos das curvas experimentais e do modelo. A curva ajustada através do modelo possibilitou o cálculo da área de histerese em cada profundidade. Palavras-chaves: solo expansivo não saturado; curva característica; histerese; modelo matemático..

(10) ABSTRACT. This paper analyses the hysteresis of an expansive soil located in the city of Paulista in the northeast coast of Brazil. The soil profile is constituted of on expansive clay resulting from the physical and chemical weathering process of claystone and limestone rocks of the Maria Farinha formation. The wetting process for vapour was used to increase the content of initial wetness of the sample and during the path of the wetting. Suction measurement have been done using filter paper technique, as well as determination of the volumetric water content in each point with the pourpose of they be obtained the soil-water characteristic curve. The test of free shrinkage was accomplished together with the suction test, for the elaboration of the shrinkage curves and determination of the evaporation velocity. A mathematical model has been used for characteristic curve fitting related to drainage and watering processes following Gerscovich and Sayão (2002) guidelines. The best model mathematician´s choice based on the comparison among acting indexes such an as the sum of the residual squares (SQR) and determination coefficient (R2). It also used the criterion of information of Akaike (AIC) for the measurement of the parsimony of those models. The test statistical qui-square (χ2) was applied to observe the existence of discrepancies among the points of the experimental curves and of the model. The adjusted curve through the model made possible the calculation of the hysteresis area in each depth. Keywords: unsaturated expansive soils; characteristic curve; hysteresis; model mathematical..

(11) ÍNDICE CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO...........................................................................................................................1 1.1 Organização da dissertação....................................................................................................3 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................................................................6 2.1 Aspectos mineralógicos.........................................................................................................6 2.1.1 Características das argilas expansivas.................................................................................8 2.2 Aspectos de mecânica dos solos não saturados....................................................................11 2.3 Sucção nos Solos..................................................................................................................14 2.3.1 Sucção matricial.............................................................................................,,,,,,,,,..........14 2.3.2 Sucção osmótica................................................................................................................15 2.3 3 Medidas da sucção............................................................................................................15 2.4 Curvas Características da Umidade do Solo........................................................................16 2.4.1 Efeito do tipo de solo sobre a curva característica............................................................17 2.4.2 Modelos utilizados na estimativa da curva característica dos solos..................................20 2.4.3 Tomada de decisão para a escolha do melhor modelo......................................................22 2.4.4 Tópico de estatística..........................................................................................................23 2.5 Histerese da Curva Característica.........................................................................................24 2.5.1 Fatores referentes ao fenômeno da histerese nos solos relacionados com a umidade......26 2.6 Mecanismo de Expansão......................................................................................................28 2.7 Contração nos Solos.............................................................................................................29 2.7.1 Aspectos do fenômeno da contração.................................................................................30 2.8 Processo de secagem do solo................................................................................................34 CAPÍTULO 3 GEOLOGIA LOCAL E INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL.........................................37 3.1 Geologia...............................................................................................................................37 3.2 Atividades de Campo...........................................................................................................38.

(12) 3.2.1 Sondagem..........................................................................................................................38 3.2.2 Perfil geotécnico do local..................................................................................................38 3.2.3 Extração de amostras indeformadas..................................................................................39 3.3 Atividade de Laboratório......................................................................................................41 3.3.1 Caracterização do solo.......................................................................................................41 3.3.2 Processo de umedecimento por absorção de vapor...........................................................41 3.3.3 Sucção matricial................................................................................................................42 3.3.4 Contração livre e evaporação............................................................................................43 3.4 Modelagem...........................................................................................................................44 3.4.1 Processo para modelagem das curvas características........................................................44 3.4.2 Determinação da área de histerese....................................................................................44 CAPÍTULO 4 RESULTADOS E ANÁLISES................................................................................................46 4.1 Caracterização do Solo........................................................................................................46 4.2 Curva Característica.............................................................................................................48 4.3 Histerese...............................................................................................................................50 4.4 Contração Livre...................................................................................................................54 4.5 Velocidade de evaporação da umidade...............................................................................56 4.6 Modelo Adotado para Ajuste da Curva Característica........................................................59 4.7 Curva Experimental e Curva do modelo.............................................................................66 4.8 Aplicação do Teste Qui-Quadrado......................................................................................73 4.9 Relação Entre os Índices Físicos e a Área de Histerese....................................................74 CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA FUTURAS PESQUISAS.......................75 5.1 Curva característica............................................................................................................75 5.2 Velocidade de evaporação..................................................................................................75 5.3 Histerese..............................................................................................................................75 5.4 Modelagem.........................................................................................................................75 5.5 Teste qui-quadrado.............................................................................................................76 5.6 Recomendações para Futuras Pesquisas.............................................................................76.

(13) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................77 ANEXO A..................................................................................................................................84 Dados do Programa Computacional...........................................................................................85 ANEXO B..................................................................................................................................98 Comportamento de Contração de um Solo Argiloso Muito Plástico..........................................99 ANEXO C................................................................................................................................108 Variação da Histerese de um Solo Expansivo em Relação à Profundidade.............................109.

(14) LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO 1 Figura 1.1 – Fluxograma da dissertação.......................................................................................4 CAPÍTULO 2 Figura 2.1 – Arranjos de unidades tetraédricas em filossilicatos..................................................7 Figura 2.2 – Mecanismo da adsorção de água pela superfície argilosa (Mitchell, 1979 apud Pousada Presa, 1982)..................................................................................................................10 Figura 2.3 – Formação de meniscos e forças envolvidas (Badillo & Rodrigues, 1975).13 Figura 2.4 – Fenômeno provocado pela tensão superficial de um líquido: a) tubo capilar e b) meniscos capilares, Pinto (2000).........................................................................................14 Figura 2.5 – Curvas características típicas de diferentes texturas de solos, Fredlund e Xing (1994)..........................................................................................................................................17 Figura 2.6 – Variação da quantidade de água em diferentes áreas da curva característica (Vanapalli et al, 1996).................................................................................................................19 Figura 2.7 – Curvas de retenção para solos tropicais: a) Futai (2002); b) Feuerhormet et al. (2004)..........................................................................................................................................20 Figura 2.8 – Curvas características experimentais de um corpo poroso rígido (Poulovassilis, 1962).......................................................................................................................................... 25 Figura 2.9 – Geometria dos poros (Poulovassilis,1962; Hillel, 1981, Marchall.& Holmes, 1981)...........................................................................................................................................26 Figura 2.10 – Ângulo de avanço e recuo (Marinho, 1994).........................................................27 Figura 2.11 – Curvas de contração (Haines, 1923).....................................................................30 Figura 2.12 – Representação dos diversos tipos de água ao redor das partículas de argila (Head, 1980)...........................................................................................................................................31 Figura 2.13 – Fenômeno da secagem: a) linhas teóricas de graus de saturação constante e b) curvas de contração (Marinho, 1994).........................................................................................32 Figura 2.14 – a) grau de saturação versus teor de umidade e b) linhas teóricas de mesmo índice de vazios (Marinho, 1994)..........................................................................................................33 Figura 2.15 – Definição da capacidade de sucção C e o efeito do pré-adensamento (Marinho, 1994)...........................................................................................................................................33.

(15) Figura 2.16 – Correlação entre a sucção e a compressão mecânica (Marinho, 1994)................34 Figura 2.17 – Relação de perda de umidade versus tempo, para diferentes umidades relativas (Kayyal, 1995)............................................................................................................................35 Figura 2.18 – Relação da velocidade de perda de umidade versus tempo, para diferentes umidades relativas (Kayyal, 1995).............................................................................................35 CAPÍTULO 3 Figura 3.1 – Perfil geotécnico.....................................................................................................39 Figura 3.2 – Sistema utilizado para a extração da amostra indeformada tipo shelby.................40 Figura 3.3 – Processo utilizado na extração da amostra do shelby.............................................40 Figura 3.4 - Histerese proveniente da trajetória de secagem e de umedecimento modeladas a partir de dados experimentais.....................................................................................................45 CAPÍTULO 4 Figura 4.1 – Curva granulométrica nas profundidades de 0,30m; 0,50m; 1,00m; 1,50; 2,00m e 2,50m..........................................................................................................................................47 Figura 4.2 – Curvas características de secagem..........................................................................49 Figura 4.3 – Curvas características de umedecimento................................................................49 Figura 4.4 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento na profundidade de 0,30m..........................................................................................................................................51 Figura 4.5 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento na profundidade de 0,50m..........................................................................................................................................51 Figura 4.6 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento na profundidade de 1,00m..........................................................................................................................................52 Figura 4.7 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento na profundidade de 1,50m..........................................................................................................................................52 Figura 4.8 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento na profundidade de 2,00m..........................................................................................................................................53 Figura 4.9 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento na profundidade de 2,50m..........................................................................................................................................53 Figura 4.10 – Curvas de contração livre nas profundidades de 0,30m e 0,50m.........................54 Figura 4.11 – Curvas de contração livre nas profundidades de 1,00m e 1,50m.........................55.

(16) Figura 4.12 – Curvas de contração livre nas profundidades de 2,00m e 2,50m.........................55 Figura 4.13 – Velocidade da evaporação de umidade em relação à sucção dos corpos de prova, na profundidade de 0,30m...........................................................................................................57 Figura 4.14 – Velocidade da evaporação de umidade em relação à sucção dos corpos de prova, na profundidade de 0,50m...........................................................................................................57 Figura 4.15 – Velocidade da evaporação de umidade em relação à sucção dos corpos de prova, na profundidade de 1,00m...........................................................................................................58 Figura 4.16 – Velocidade da evaporação de umidade em relação à sucção dos corpos de prova, na profundidade de 1,50m...........................................................................................................58 Figura 4.17 – Velocidade da evaporação de umidade em relação à sucção dos corpos de prova, na profundidade de 2,00m...........................................................................................................59 Figura 4.18 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento, utilizando o modelo de Fredlund e Xing (1994) na profundidade de 0,30m..................................................61 Figura 4.19 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento, utilizando o modelo de Fredlund e Xing (1994) na profundidade de 0,50m..................................................62 Figura 4.20 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento, utilizando o modelo de Fredlund e Xing (1994) na profundidade de 1,00m..................................................62 Figura 4.21 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento, utilizando o modelo de Fredlund e Xing (1994) na profundidade de 1,50m..................................................63 Figura 4.22 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento, utilizando o modelo de Fredlund e Xing (1994) na profundidade de 2,00m..................................................63 Figura 4.23 – Histerese devido as trajetórias de secagem e de umedecimento, utilizando o modelo de Fredlund e Xing (1994) na profundidade de 2,50m..................................................64 Figura 4.24 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de secagem, na profundidade de 0,30m...........................................................................................................67 Figura 4.25– Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de secagem, na profundidade de 0,50m...............................................................................................................67 Figura 4.26 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de secagem, na profundidade de 1,00m...........................................................................................................68 Figura 4.27 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de secagem, na profundidade de 1,50m...........................................................................................................68 Figura 4.28 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de secagem, na profundidade de 2,00m...........................................................................................................69.

(17) Figura 4.29 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de secagem, na profundidade de 2,50m...........................................................................................................69 Figura 4.30 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de umedecimento, na profundidade 0,30m......................................................................................70 Figura 4.31 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de umedecimento, na profundidade de 0,50m.................................................................................70 Figura 4.32 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de umedecimento, na profundidade de 1,00m.................................................................................71 Figura 4.33 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de umedecimento, na profundidade de 1,50m.................................................................................71 Figura 4.34 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de umedecimento, na profundidade de 2,00m.................................................................................72 Figura 4.35 – Curvas características experimentais e do modelo para a trajetória de umedecimento, na profundidade de 2,50m.................................................................................72 Figura 4.36 – a) perfil dos índices físicos e b) perfil das áreas de histerese em relação à profundidade...............................................................................................................................74 Figura A.1 – Equação e curva característica, de secagem, do modelo ajustadas para a profundidade de 0,30m...............................................................................................................86 Figura A.2 – Equação e curva característica, de umedecimento, do modelo ajustadas para a profundidade de 0,30m...............................................................................................................87 Figura A.3 – Equação e curva característica, de secagem, do modelo ajustadas para a profundidade de 0,50m...............................................................................................................88 Figura A.4 – Equação e curva característica, de umedecimento, do modelo ajustadas para a profundidade de 0,50m...............................................................................................................89 Figura A.5 – Equação e curva característica, de secagem, do modelo ajustadas para a profundidade de 1,00m...............................................................................................................90 Figura A.6 – Equação e curva característica, de umedecimento, do modelo ajustadas para a profundidade de 1,00m...............................................................................................................91 Figura A.7 – Equação e curva característica, de secagem, do modelo ajustadas para a profundidade de 1,50m...............................................................................................................92 Figura A.8 – Equação e curva característica, de umedecimento, do modelo ajustadas para a profundidade de 1,50m...............................................................................................................93.

(18) Figura A.9 – Equação e curva característica, de secagem, do modelo ajustadas para a profundidade de 2,00m...............................................................................................................94 Figura A.10 – Equação e curva característica, de umedecimento, do modelo ajustadas para a profundidade de 2,00m...............................................................................................................95 Figura A.11 – Equação e curva característica, de secagem, do modelo ajustadas para a profundidade de 2,50m...............................................................................................................96 Figura A.12 – Equação e curva característica, de umedecimento, do modelo ajustadas para a profundidade de 2,50m...............................................................................................................97.

(19) LISTA DE TABELAS CAPÍTULO 2 Tabela 2.1 – Modelos de curvas características utilizados.........................................................21 CAPÍTULO 4 Tabela 4.1 – Análise granulométrica e limites de Atterberg......................................................46 Tabela. 4.2. –. Valores. médios. dos. critérios. de. escolha. para. cada. modelo. analisado.....................................................................................................................................60 Tabela 4.3 – Resultado do cálculo da área de histerese em cada profundidade.........................61 Tabela. 4.4. –. Parâmetros. de. ajuste. utilizados. na. modelagem. das. curvas. experimentais..............................................................................................................................65 Tabela 4.5 – Resultado do teste qui-quadrado...........................................................................73 Tabela A.1 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de secagem na profundidade de 0,30m............................................................................................86 Tabela A.2 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de umedecimento na profundidade de 0,30m..................................................................................87 Tabela A.3 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de secagem na profundidade de 0,50m............................................................................................88 Tabela A.4 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de umedecimento na profundidade de 0,50m..................................................................................89 Tabela A.5 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de secagem na profundidade de 1,00m...........................................................................................90 Tabela A.6 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de umedecimento na profundidade de 1,00m..................................................................................91 Tabela A.7 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de secagem na profundidade de 1,50m............................................................................................92 Tabela A.8 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de umedecimento na profundidade de 1,50m..................................................................................93 Tabela A.9 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de secagem na profundidade de 2,00m............................................................................................94.

(20) Tabela A.10 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de umedecimento na profundidade de 2,00m..................................................................................95 Tabela A.11 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de secagem na profundidade de 2,50m............................................................................................96 Tabela A.12 – Valores de umidade previstos para modelagem da curva característica de secagem na profundidade de 2,50m............................................................................................97.

(21) CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO. Um solo potencialmente expansivo é aquele que apresenta contração ou expansão quando sofre variação na umidade ou na sucção. Normalmente, a fração argila, especialmente na dispersão coloidal, é constituída de minerais expansivos (Justino da Silva, 2001). A variação de umidade em um solo potencialmente expansivo provoca uma instabilidade volumétrica, que é transferida às obras através de suas fundações, como levantamento nos períodos mais úmidos e recalques devido à contração do solo, nos períodos secos. Os mecanismos de variação volumétrica destes solos dependem de uma quantidade de fatores que envolvem as propriedades do solo, o meio ambiente e o estado tensional a que estão submetidos. Os problemas originados pelos solos expansivos continuam sendo motivo de constantes preocupações entre pesquisadores de diversas partes do mundo. Murthy (2003) apud Cavalcante (2007) posiciona os danos provocados por estes solos em terceiro lugar dentre as seis catástrofes naturais mais perigosas do mundo, sendo elas: i) terremotos; ii) escorregamentos; iii) solos expansivos; iv) ciclone; v) furacão e vi) enchentes. O uso indiscriminado desse material, seja compactado ou em seu estado natural, vem ocasionando grande prejuízo nas obras devido à mudança de volume que experimentam ao produzirem-se modificações no seu estado de tensões devido à variação de umidade. Solos potencialmente expansivos têm sido identificados em todos os continentes. A maior ocorrência tem sido verificada nas regiões áridas e semi-áridas, em locais onde a evaporação anual excede a precipitação pluviométrica, acarretando uma acentuada variação de umidade. Embora o fenômeno da expansão do solo seja conhecido há bastante tempo, só após o crescimento das construções nas regiões áridas, como o oeste dos estados Unidos e Canadá, a Austrália e a África, é que os problemas associados com a expansão e a contração do solo passaram a receber maior atenção..

(22) No Nordeste do Brasil existem extensas áreas, distribuídas nos estados de Pernambuco, Rio Grande do Norte, Alagoas e Bahia, onde foi constatada a ocorrência de solos potencialmente expansivos. No litoral Norte de Pernambuco, encontram-se grandes áreas que apresentam argilas potencialmente expansivas. Os solos expansivos são constituídos estruturalmente por quatro fases: partícula sólida, água de poro, ar de poro e membrana contráctil (Fredlund e Rahardjo, 1993a). Essencialmente, esses solos contém os argilo-minerais que atraem e absorvem a água tais como: montmorilonita, caulinita, ilita, vermiculita e clorita. Do ponto de vista da microestrutura do solo, as partículas dos minerais da argila têm uma forma lisa distinta, elevada superfície específica, elevada capacidade de troca catiônica e geralmente uma atividade físico-química específica e uma forte afinidade por água (Ferber et al,. 2006). Wheeler e Karube (1996) dividiram a água dos poros em três tipos: água adsorvida, água capilar e água de menisco. A água adsorvida está firmemente aderida às partículas do solo e age como parte integral das partículas. A água capilar ocorre nos espaços vazios completamente inundados. A água de menisco ocorre nos contatos entre as partículas do solo, os quais não são cobertos pela água capilar, em lentes como forma de anel de água. A água capilar é drenada facilmente para fora e substituída imediatamente pelo ar durante a secagem. Entretanto, toda água capilar não pode reentrar nos poros quando o solo é umedecido, o que explica a ocorrência da histerese na curva característica da umidade do solo. Com relação à situação do ar e da água nos poros, os solos expansivos podem ser divididos em diferentes grupos, tais como: •. Solo expansivo com água descontínua e ar contínuo;. •. Solo expansivo com água contínua e ar contínuo;. •. Solo expansivo com água contínua e ar descontínuo.. Para os solos expansivos com água descontínua e ar contínuo, o teor de umidade é muito baixo e a água está isolada nos poros, existindo apenas em torno dos pontos de contato entre as partículas do solo (menisco), neste caso a água não transmite pressão positiva nos poros, enquanto que o ar tem situação completamente contrária. Com o aumento do grau de saturação, a continuidade das duas fases tende a mudar, ou seja, tanto a água como o ar.

(23) tornam-se contínuos. Quando o grau de saturação é aumentado até cerca de 85%, o ar aparece na forma de bolhas isoladas na água, neste caso, apenas a fase líquida é contínua e pode transmitir pressão nos poros (Yu e Chen, 1965). As investigações propostas neste trabalho têm o objetivo de estudar o comportamento histerético de uma argila expansiva não-saturada do município do Paulista, situado a 20 km ao Norte do Recife; utilizar o método do papel de filtro para construção das curvas características de secagem e de umedecimento; observar os fatores relacionados com a contração durante o processo de secagem, como a velocidade da perda de umidade por evaporação; aplicar a técnica de comparação entre os índices de desempenho: soma dos quadrados residuais (SQR), coeficiente de determinação (R²) e o critério de informação de Akaike, para a escolha do modelo de melhor ajuste para as curvas características experimentais; utilizar os programas computacionais STATISTICA e MATHCAD com o objetivo de facilitar o cálculo para a determinação das equações e da área de histerese respectivamente.. 1.1 Organização da dissertação A disposição dos capítulos e a abordagem de cada um deles ao longo deste trabalho, é apresentada a seguir: O Capítulo 2 apresenta uma revisão dos aspectos relacionados a solos não saturados, em especial dos solos potencialmente expansivos no que se refere a expansão e a contração devido a secagem por evaporação; sucção matricial; curvas características da umidade do solo, histerese e modelagem da curva característica. No Capítulo 3 apresenta-se a investigação experimental composta dos aspectos geológicos do local, caracterização do solo, perfis do solo, sucção e o modelo utilizado na curva característica. São apresentadas, também, as descrições dos equipamentos utilizados na extração das amostras e a metodologia dos ensaios de laboratório. O Capítulo 4 apresenta os resultados e as análises da pesquisa inclusive o critério de escolha do melhor modelo matemático para a curva característica de umidade do solo pesquisado,.

(24) bem como a aplicação do teste estatístico Qui-Quadrado, para avaliar as diferenças entre os dados experimentais e os dados produzidos pelo modelo. O Capítulo 5 apresenta as conclusões e recomendações para futuras pesquisas. A Figura 1.1 apresenta uma visão geral da organização da pesquisa..

(25) Estudo do Comportamento Histerético de uma Argila Expansiva Não-Saturada. Revisão Bibliográfica. Coleta de Amostras. Atividade de Laboratório. Modelagem matemática. Figura 1.1 – Fluxograma da dissertação.. Akaike. SQR. R2 (médio). Critério de escolha. Fredlund & Xing (1994). van Genuchten (1980). Gardner (1956). Velocidade de evaporação. Contração livre. Sucção matricial. Caracterização. Modelos utilizados.

(26) CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Aspectos Mineralógicos. Na formação dos minerais, três fatores são importantes: pressão, temperatura e disponibilidade de material químico. Durante o processo de diferenciação geoquímica da terra, que resultou na formação da sua parte sólida mais externa (crosta terrestre), dez elementos ali se concentraram, totalizando cerca de 99% da sua composição. Destes, o oxigênio (46,6%) e o silício (28,2%) são os elementos mais comuns nos minerais formadores de rocha, os silicatos. Os demais são: Al (8,2%), Fe (5,6%), Ca (4,2%) e os 6,2% restantes para Na, K, Mg, Ti e P. Os silicatos, estruturalmente, apresentam o íon Si+4 situado entre quatro íons de O-2 compondo um arranjo tetraédrico (SiO4)-4. O alumínio (Al+3), terceiro elemento mais abundante, não só substitui em parte o silício neste arranjo, como também os cátions Fe+3 e Mg+2. O restante da estrutura dos silicatos é formada por cátions dos outros elementos comuns (Na+, K+, Ca+2, etc.), moléculas de água ou íons hidroxila (Oliveira et al, 1998). Os silicatos são divididos em subclasses conforme o tipo de ligação entre as estruturas tetraédricas. O pequeno número de elementos que compõem esses minerais se combinam nas mais diversas proporções, tornando muito grande o número de espécies, de composição variada e complexa. Os minerais da subclasse filossilicatos são hidratados e suas unidades tetraédricas se dispõem em folhas, onde cada tetraedro é ligado a outros três por oxigênios em comum. Uma série de cadeias duplas, formadas pela unidade aniônica [(Si,Al)205]-2 (Figura 2.1), repete-se indefinidamente em duas direções..

(27) Figura 2.1 – Arranjos de unidades tetraédricas em filossilicatos (Oliveira et al, 1998). O hábito destes minerais é foliáceo, com uma direção principal de clivagem segundo o plano das folhas tetraédricas. Os grupos que reúnem os minerais formadores destas rochas são as micas, argilominerais e outros filossilicatos de alteração. Os argilominerais (filossilicatos secundários) apresentam íons O-2 e OH-, desempenhando papel importante na configuração geral da estrutura, podendo construir elementos estruturais, tetraedros e octaedros, dispostos em camadas alternadas. A classificação das espécies é baseada no arranjo dessas camadas, no espaçamento entre eles e nos elementos químicos envolvidos. No ambiente continental (oxidante), óxidos de ferro pigmentam esses minerais com cores avermelhadas. Os argilominerais são formados pela alteração intempérica de outros minerais, como feldspatos (comumente alterados em caulinita), olivina, piroxênios e anfibólios, sendo também produtos da alteração de vidro vulcânico que é uma substância amorfa (não cristalina) resultante da rápida consolidação do magma. As espécies mais comuns são a caulinita, a ilita e a montmorilonita (Oliveira et al, 1998). A caulinita é constituinte das rochas sedimentares detríticas e da argila dos solos, origina-se da alteração de aluminossilicatos (feldspatos e micas, principalmente). É refratária e nãoexpansiva..

(28) A ilita, também chamada hidromica, é um grupo de argilominerais, de composição e estrutura intermediária entre a muscovita e a montmorilonita. São comuns em folhelhos de origem marinha. A montmorilonita é constituinte das rochas sedimentares detríticas (grupo dos pelitos) e da argila dos solos. É o principal e, por vezes, o único constituinte dos basaltos alterados. Origina-se pela alteração dos aluminossilicatos e minerais ferromagnesianos. Em meio aquoso, caracteriza-se pela expansão, por efeito da adsorção de água entre as cadeias tetraédricas.. 2.1.1. Características das argilas expansivas. As partículas de argila possuem diâmetro equivalente menor que 2 μm. Um solo terá mais possibilidade de conter minerais expansivos quanto menor for o tamanho das suas partículas. Como a área específica da partícula é inversamente proporcional ao seu tamanho, a montmorilonita é o argilomineral que apresenta maior área específica (700 – 800 m2/g). As argilas expansivas são constituídas, predominantemente, por minerais trifórmicos, em especial os do grupo da esmectita (bentonita, montmorilonita). Os argilominerais deste grupo são constituídos de uma camada de octaedros de alumínio entre duas de tetraedros de silício, unidas entre si por oxigênios comuns às camadas; enquanto que a união entre unidades estruturais vizinhas é feita por forças de Van der Waals e cátions, que podem estar presentes para balancear a deficiência de cargas na estrutura. Essas ligações são fracas e facilmente separadas por clivagem decorrente da adsorção de água ou de outro líquido polar, permitindo seu espaçamento basal variar de cerca de 9,6 Å até sua completa separação (Mitchell, 1976). As moléculas de água, que são dipolos elétricos, são atraídas para a superfície da partícula por: excesso de carga negativa nas faces da partícula, hidratação de íons trocáveis, fenômenos osmóticos e forças de Van der Waals. A espessura da camada de água adsorvida é da ordem de 10 Å, já que mais de uma camada de moléculas de água pode ser adsorvida. Por ser um dipolo, a molécula de água apresenta uma orientação dominante, que vai diminuindo a medida que aumenta a distância à superfície da.

(29) partícula, até se tornar água livre. A Figura 2.2 apresenta os mecanismos de adsorção da água pela superfície argilosa. A outra componente da fase sólida é a água adsorvida, que faz parte da camada dupla difusa, não podendo ser retirada por ações hidrodinâmicas. Esta água é encontrada em volta da superfície das partículas sólidas da argila, e apresenta estrutura mais rígida e mais ordenada que a água livre, com grande viscosidade quando em poros muito finos. Alguns argilo-minerais são formados por lâminas que se repelem devido à carga negativa líquida de sua superfície, existindo cátions entre elas em número suficiente para neutralizar esta carga. Estes cátions têm uma energia de hidratação determinada, a qual faz com que sejam rodeados de moléculas d’água, formando ligações. No caso da montmorilonita, este mecanismo permite a formação de maneira ordenada de até quatro camadas de moléculas de água, a partir da qual começa a formação desordenada. Por outro lado, existe uma tendência dos cátions neutralizadores de se separarem da superfície do sólido, já que nela sua concentração é maior do que na solução, e difundir-se em sentido contrário para tornar uniforme a concentração. Esses cátions ficam confinados no espaço existente entre cada duas lâminas do mineral, Figura 2.2. O estado de tensões, originado da carga negativa da superfície da partícula e da carga positiva distribuída na face adjacente, dá origem a chamada camada dupla difusa (de Gouy-Chapman). Essa existe do lado externo da camada adsorvida. Sua espessura é a distância até a superfície que neutraliza as cargas da partícula. A camada dupla influi na capacidade de retenção da água dos solos argilosos, principalmente os com elevado teor de esmectita. Segundo Lambe (1958), quando o argilo-mineral é a montmorilonita, o volume de água da camada dupla corresponde a 40 vezes a de sólidos, enquanto que, para a caulinita, o volume de água é apenas 0,8 vezes o volume de sólidos. Isto indica que teoricamente a montmorilonita possui um potencial de variação volumétrica 50 vezes superior ao da caulinita, desde a condição seca até a completa saturação (Schreiner, 1987). A interação entre as partículas de argila não ocorre pelo contato sólido-sólido, mas através da camada dupla. Se a distância entre duas partículas de argila em suspensão aquosa é superior à espessura de suas respectivas camadas duplas, não ocorre interferência entre os íons de cada camada. Entretanto, diminuindo essa distância ocorrem forças de repulsão, pois, os íons são.

(30) de mesmo sinal. Essas forças decrescem exponencialmente com o aumento da distância entre partículas. As variações na espessura das camadas, adsorvida e dupla, causam a expansão e contração dos solos (Schreiner, 1987).. Figura 2.2 – Mecanismo de adsorção de água pela superfície argilosa (Mitchell 1976 apud Pousada Presa, 1982).

(31) 2.2. Aspectos de Mecânica dos Solos Não Saturados. Em relação a sua origem, os solos naturais são derivados de materiais sedimentares ou residuais em diversos estágios evolutivos variando dos saprolíticos aos lateríticos. A maioria dos solos sedimentares é depositada em ambientes aquosos, ficando inicialmente saturados e posteriormente não saturados devido a condicionantes ambientais. Os solos residuais têm sua formação condicionada aos fatores: clima, material de origem, relevo e tempo. E são normalmente encontrados na natureza em condições não saturados. Estes solos são conseqüência da intensa e profunda decomposição da rocha de origem, sob condições climáticas e biológicas muito comuns nos trópicos. Neste caso, está incluída a grande maioria dos solos residuais encontrados na região sudeste do Brasil, Vargas (1985); Sandroni (1985); Costa Filho et al. (l989). Existem considerações diversas na literatura sobre as fases constituintes dos solos não saturados. Alguns autores consideram o solo não saturado constituído de quatro fases: ar e água como as fases fluidas, e os grãos e a interface entre o ar livre e a água livre, chamada de membrana contráctil, como as fases sólidas (Fredlund e Morgenstern, 1977). Entretanto, outros autores consideram o solo não saturado constituído de três fases: sólida, ar e água. A fase sólida sendo composta por partículas sólidas e água adsorvida. A fase líquida composta por água livre, ar dissolvido na água e sais dissolvidos na água. E a fase gasosa composta por vapor de água e ar livre, Yoshimi & Osterberg, 1963. Nesta pesquisa, o solo será considerado um sistema trifásico, composto de um esqueleto sólido cujos poros são preenchidos por água e ar. O conhecimento das interações existentes entre as três fases do sistema constitui o ponto básico para o entendimento do comportamento do solo não saturado. Além das forças que atuam nos estados de tensões das fases sólida e líquida do solo, também, existem forças atrativas que atuam como ligações entre partículas, devido aos fenômenos de superfície. Esses fenômenos têm origem nas zonas de contato, onde atuam forças próprias de.

(32) cada fase e de fases diferentes. Nos solos não saturados, onde coexistem as três fases, seus contatos são interfaces água-partícula, ar-partícula, ar-água e ar-água-partícula. Quando uma molécula d’água se aproxima da interface com o ar ou uma partícula sólida, seu estado de tensão se modificará pelas forças de atração das outras moléculas. Isto provoca uma resultante de forças de atração diferente de zero, que é perpendicular a interface. No sistema ar-água, as moléculas de ar exercem uma força de atração menor do que as da água. Assim, a resultante das forças de atração sobre as moléculas da água se direciona para o interior da massa de água e será perpendicular a superfície no ponto considerado, Figura 2.3. Esse fenômeno é a causa da existência de uma energia interfacial livre associada a presença de moléculas na interface. O sistema tenderá a alcançar uma energia interfacial livre mínima e, portanto, poderá ter uma superfície interfacial mínima. Devido ao fato de que o número de moléculas por unidade de superfície é sempre o mesmo, um aumento de superfície se faz sempre a medida que moléculas que estão no interior do fluido passam a superfície, aumentando a energia interfacial livre do sistema. Por este motivo, para aumentar a superfície interfacial de uma unidade de superfície, deverá ser realizado um certo trabalho, que corresponde ao conceito de tensão interfacial (de dimensões força/comprimento). A tensão de contato na interface entre o líquido e o seu vapor de saturação denomina-se de tensão superficial (Bear, 1972, apud Jucá, 1990). A tensão superficial é uma característica do líquido a uma dada temperatura, enquanto, a tensão interfacial depende também da substância com a qual o líquido está em contato. As moléculas superficiais de um líquido que estão na vizinhança imediata da área de contato desse líquido com a parede sólida do recipiente que o contém, são solicitadas por forças de coesão e adesão. As forças de coesão são provocadas pela ação das outras moléculas do líquido. Enquanto que as forças de adesão são exercidas pelas moléculas da parede do recipiente. Na Figura 2.3, são mostrados dois casos freqüentes. Em (a), dada a natureza do líquido e do sólido, a resultante das forças de adesão (FA) e de coesão (FC) se dispõe de modo a adquirir a inclinação mostrada. Em (b) dominam mais as forças de coesão e isto faz variar a inclinação da resultante..

(33) Figura 2.3 – Formação de meniscos e forças envolvidas (Badillo & Rodriguez, 1975). Para que um líquido esteja em repouso é necessário que os empuxos atuantes sejam normais à superfície correspondente. Por isto, posto que o líquido está em equilíbrio, a superfície deve curvar-se de modo que seja normal as forças R em cada caso. Em alguns líquidos, o caso (a) é representativo; em outros, apresenta-se o caso (b). Assim, são formados os meniscos côncavos e convexos, segundo a natureza do líquido e do material que constitui a parede do recipiente. A água, por exemplo, forma meniscos côncavos com o vidro, entretanto, os meniscos formados pelo mercúrio são convexos. O ângulo formado pelo menisco e a parede do recipiente denomina-se ângulo de contato, e é representado por α. Se α < 90º, o menisco é côncavo; se α > 90º, o menisco é convexo. O valor de α entre o vidro limpo e úmido e a água destilada é aproximadamente 0º. A prata pura e a água produzem ângulo de contato muito próximo de 90º (menisco reto ou ausência de menisco)..

(34) 2.3. Sucção nos Solos. 2.3.1 Sucção matricial Quando um tubo de diâmetro muito pequeno é colocado em contato com a superfície livre da água, esta se eleva até atingir uma posição de equilíbrio. Esse fenômeno está relacionado com a tensão superficial do líquido em contato com uma parede sólida e é conhecido como fenômeno capilar. A altura da ascensão capilar (h) é inversamente proporcional ao raio do tubo (r). A Figura 2.4 (a) ilustra o fenômeno capilar em um tubo. As tensões na água ao longo do tubo capilar são também apresentadas na Figura 2.4 (a). Observa-se que, à medida que aumenta o valor de h, maior (em valor absoluto) será o valor da tensão na água. Semelhante aos tubos capilares, a água nos vazios dos solos, na faixa acima do lençol freático, está com uma tensão negativa. Para a água existente nos solos, nos contatos entre os grãos, Figura 2.4 (b), existe a formação de meniscos capilares e a água neste caso se encontra, também, sob uma tensão negativa. A tensão superficial da água tende aproximar as partículas (força P), aumentando as forças entre os grãos do solo e surgindo, dessa maneira, uma coesão aparente. De acordo com Pinto (2002), a coesão aparente é frequentemente referida às areias, pois estas podem se saturar ou secar com facilidade. Entretanto, é nas argilas que a coesão atinge valores elevados.. Figura 2.4 – Fenômeno provocado pela tensão superficial de um líquido: a) tubo capilar e b) meniscos capilares, Pinto (2002).

(35) Em solos não saturados, a tensão negativa da água provocada pela tensão superficial está relacionada com a diferença entre a pressão no ar (ua) e a pressão da água (uw), e sendo denominada de sucção matricial (ua-uw). Essa sucção é representada pela Equação 2.1 quando se admite que o ângulo de atrito é nulo.. (u a − u w ) =. 2Ts r. (2.1). Onde: Ts é a tensão superficial do líquido e r é o raio capilar equivalente para os poros do solo. Nas argilas o efeito de adsorção, a partir de determinado valor de umidade, responde pela parcela da sucção matricial. 2.3.2. Sucção osmótica. A elevação capilar acima do nível de água pode agir como uma “bomba” de íons que permanentemente alimenta, de sais dissolvidos, o topo da franja capilar enquanto a água evapora na superfície. Isto resulta numa concentração de sais no topo da zona capilar e num gradiente osmótico que atrai cada vez mais água para o topo (Gray, 1969). 2.3.3 Medida da sucção O valor da sucção do solo pode ser determinado, no campo ou no laboratório, por métodos diretos e indiretos. a) Métodos diretos, quando a energia dispendida para atingir o equilíbrio com a água do solo é determinada mediante medida direta da pressão. Entre os métodos diretos estão: placa de sucção, centrífuga, célula de pressão, membrana de pressão e tensiômetro. b) Métodos indiretos, quando a energia dispendida para atingir o equilíbrio é calculada por relações termodinâmicas. Entre os métodos indiretos estão: papel de filtro, dessecador de vácuo, psicrômetro, entre outros..

(36) O uso de papel de filtro como sensor indireto de medida da sucção do solo, baseia-se no fato de que quando se coloca em contato uma amostra de solo e um material com capacidade de absorção de umidade e apenas o solo está umedecido, a água se deslocará do solo para o papel até que se estabeleça o equilíbrio. O papel de filtro é um material poroso, composto de entrelaçamento de fibras de celulose. E como todo material poroso, seu comportamento quanto à capilaridade depende da intensidade e forma de seus poros, do material do qual é feito, da limpeza de suas faces e paredes e da natureza do líquido. Como a água não penetra em celulose cristalina, a capacidade de absorção do papel é controlada pelo arranjo físico das suas fibras. A quantidade de água que o papel de filtro pode absorver depende da umidade relativa e temperatura do meio ambiente e do tipo de contato com o solo.. 2.4. Curva Característica da Umidade do Solo. Existem duas maneiras em que o solo pode ser caracterizado: a primeira é por meio da quantidade de água que o mesmo contém e a segunda através da sucção. A curva que relaciona a sucção com o teor de umidade é denominada curva característica da umidade do solo. O termo curva característica já está consagrado como a representação da relação entre a quantidade de água do solo, quer seja esta água quantificada em termos de teor de umidade gravimétrico, volumétrico ou grau de saturação e a sucção correspondente. Outros termos são também encontrados na literatura como “curva de retenção”, “curva característica de umidade” ou “curva de capilaridade versus saturação”. Nesta dissertação será adotada a denominação “curva característica da umidade do solo”. É importante observar que, embora na maioria das vezes, o termo curva característica se refira à relação entre o teor de umidade gravimétrico ou volumétrico e a sucção, o aprofundamento da caracterização do solo só é possível quando se correlaciona com outros parâmetros como índice de vazios e grau de saturação e a sucção. Salienta-se, também, que devido ao fenômeno da histerese deve-se ter cuidado na utilização da curva característica..

(37) A curva característica permite a obtenção de informações sobre a estrutura porosa do solo, pois sabe-se que a água é drenada mais facilmente dos poros maiores (Brooks e Corey, 1966; Marinho e Pinto, 1997). 2.4.1. Efeito do tipo de solo sobre a curva característica. Materiais porosos, em geral, possuem a capacidade de reter líquidos. O volume retido depende das características de cada material. A forma da curva característica varia de acordo com o tipo de solo. A Figura 2.5 ilustra o aspecto geral da curva característica de solos argilosos, siltosos e arenosos. Em solos argilosos, a retenção de água se dá por capilaridade e por adsorção, enquanto que em solos granulares, o efeito capilar é predominante. A curva característica das areias apresenta patamares. Como as areias retêm água por capilaridade, a existência de faixas uniformes de vazios que perdem água quando se aplica uma determinada sucção leva à formação desses patamares. Podem ocorrer diversos patamares conforme a quantidade de faixas uniformes de vazios. O mesmo fenômeno não é observado na maioria dos solos argilosos, pois estes, além de apresentarem maior heterogeneidade nos tamanhos dos poros, com conseqüente melhor distribuição granulométrica e porosimétrica, também retêm água por fenômenos eletroquímicos (Fredlund, 1996).. Figura 2.5 – Curvas características típicas de diferentes texturas de solos, Fredlund & Xing (1994)..

(38) Em solos argilosos o mecanismo de retenção de água ao longo da curva varia de acordo com o nível de sucção. Para baixos valores de sucção, a retenção depende mais do efeito capilar e, portanto, da estrutura do solo. Para valores elevados de sucção, onde a quantidade de água presente no solo se reduz, os fenômenos de adsorção passam a predominar sobre os efeitos capilares. Nesta situação, a composição mineralógica do solo passa a ter maior importância como fator controlador do comportamento do solo (Fredlund, 1996). Diversos autores dividem a curva característica de um solo em diferentes regiões, de acordo com o fenômeno de retenção envolvido. Fredlund (1996) divide a curva característica da seguinte forma (Figura 2.6): a) região de fronteira: o solo se apresenta saturado, sem a fase gasosa livre; b) região primária de transição: após a dessaturação, a fase líquida começa a perder sua continuidade, dando espaço à entrada de ar. A dessaturação é bastante rápida predominando os efeitos capilares no aumento da sucção; c) região de transição secundária: apresenta o mesmo comportamento da região anterior, porém com o predomínio de forças de adsorção sobre forças capilares; d) região residual: a fase líquida é descontínua, aparecendo como água adsorvida, e a fase gasosa é contínua ocupando a maior parte dos poros. Esta é a região de umidade residual, onde, para a retirada de uma quantidade mínima de água, é necessário um grande aumento na sucção. A Figura 2.6 apresenta valores limites entre as diversas regiões, porém os mesmos podem variar de acordo com a distribuição de poros do solo..

(39) Figura 2.6 – Variação da quantidade de água em diferentes áreas da curva característica (Vanapalli et al., 1996)..

(40) Os solos tropicais não apresentam necessariamente comportamento similar às curvas características apresentada na Figura 2.5. Devido a estrutura e à distribuição dos poros nestes solos, suas curvas características podem apresentar patamares, causados pela ausência de poros que definem a faixa de sucção para este patamar. (Futai, 2002, apud Cardoso Junior, 2006), mostrou que um solo laterítico, mesmo sendo mais argiloso que outro solo saprolítico, pode apresentar valor de sucção menor no ponto de entrada de ar (Figura 2.7, a). Feuerharmel et al. (2004) apresentaram a curva característica para um solo coluvionar. A curva sugere comportamento intermediário entre uma areia e uma argila com formato semelhante a uma “sela”, (Figura 2.7, b). Esse formato de curva é semelhante ao encontrado por Futai (2002) para uma argila laterítica superficial.. Figura 2.7 – Curvas de retenção para solos tropicais: a) Futai (2002); b) Feuerharmet et al. (2004). 2.4.2. Modelos utilizados na estimativa da curva característica dos solos. Alguns estudos têm mostrado que existe uma relação entre a forma da curva característica e as propriedades dos solos não saturados (e. g. van Genuchten, 1980; Mualem, 1976; Fredlund et al., 1994). As correlações entre a curva característica e as propriedades hidráulicas e mecânicas dos solos não saturados exigem que se tenha uma precisa caracterização da curva característica. Isto é feito através do ajuste matemático de algum tipo de equação aos dados experimentais..