COMPORTAMENTO DE SOLOS RESIDUAIS DE GRANITO-BIOTITA
ASSOCIADOS A UM MOVIMENTO DE MASSA NA GRANDE
FLORIANÓPOLIS
Marcelo Heidemann (Professor, Eng°. Civil, Universidade Federal de Santa Catarina); [email protected].
Luiz Antônio Bressani (Professor, Eng°. Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul). Juan Altamirano Flores (Professor, Geólogo, Universidade Federal de Santa Catarina).
Marco Antônio Grigoletto Conti (Eng°. Civil, Universidade Federal do Rio de Janeiro). Thayara M. Orandes da Graça (Acad. Eng Civil, Universidade Federal de Santa Catarina).
Resumo: Este artigo discute as propriedades mineralógicas e o comportamento
geomecânico de um solo residual de granito rico em biotita, que ocorre em São José, na região metropolitana de Florianópolis. O estudo busca avaliar a relação deste material com a ocorrência de movimentos de massa em uma encosta. Ensaios de condutividade hidráulica em permeâmetro de parede flexível mostraram que o solo tem menor condutividade hidráulica que outros solos residuais de granito da região, apesar do maior índice de vazios. A natureza siltosa e a presença de partículas micáceas lamelares conduzem à baixa resistência em condição residual, com φ’r da ordem de 15°. Em pico os ensaios triaxiais mostraram φ=26° e c’=20 kPa. Em estado crítico e em condição remoldada o ângulo de atrito permanece sendo similar ao de pico, mas ainda se tem c’=16 kPa. Investigações adicionais mostraram a ocorrência de lentes de argila formadas por alteração hidrotermal, na massa de solo residual, as quais se constituem descontinuidades no maciço. A influência destas lentes precisou ser considerada na construção de um modelo geomecânico (não discutido neste trabalho) representativo do problema estudado.
Palavras-chave: Solo residual, resistência residual, condutividade hidráulica, mineralogia.
ON THE BEHAVIOR OF RESIDUAL SOILS OF GRANITE-BIOTITE
ASSOCIATED TO A LANDSLIDE IN FLORIANOPOLIS REGION
Abstract: This paper discusses the mineralogical properties and the geomechanical
region of Florianópolis. One aims to analyze the relationship between the presence of this material and the landslide that occurred in a slope that is the study area for this work. The tests carried out in a flexible wall permeameter shown that this soil have hydraulic conductivity lower than the presented by other residual soils of granite that occurs in such region, despite its highest void ratio. Because of its silty texture and the occurrence of micaceous platy particles this soil presents low shear strength in residual condition (φ’r~15°). Triaxial tests resulted in shear strength parameters of φ’=26° and c’=20 kPa in peak. In critical state and for the tests using remolded specimens the friction angle is the same, but c’ remains high, around 16 kPa. Additional investigation revealed the occurrence of clay layers formed by hydrothermal alteration, which are discontinuities in the residual soil mass. The influence of these layers must be considered for the construction of a consistent geomechanical model (it was not discussed in this paper) for the reported landslide.
Keywords: Residual soils, operational shear strength, hydraulic conductivity, mineralogy.
1. INTRODUÇÃO
A porção centro-sul do litoral catarinense é dominada por rochas graníticas e metamórficas de alto grau que deram origem a perfis de solo residual com propriedades bastante variáveis. Estas rochas dizem respeito ao Cinturão Dom Feliciano (BITENCOURT et al., 2008) que se estende desde Santa Catarina até o Uruguai.
Neste domínio geológico, além da diversidade de litotipos identificados, cabe destacar a ocorrência de importantes elementos, os quais estão relacionados à atividade tectônica ocorrida durante e após a formação dos corpos rochosos, conforme relatado por Basei (1985), e ao Cinturão de Cisalhamento Sul Brasileiro, conforme Bitencourt et al. (2008). A Figura 1 apresenta o arcabouço geotécnico/geológico da porção do cinturão Dom Feliciano que diz respeito ao Escudo Catarinense.
Por causa dos processos tectônicos, atividade hidrotermal e outros agentes metamórficos, existem áreas nesta região em que ocorrem rochas graníticas ricas em biotita. Os processos posteriores de alteração, sobretudo intemperismo, acabam por dar origem a perfis de solos residuais que herdam muitas das propriedades mineralógicas e estruturais destas rochas.
Figura 1 – Unidades geológicas e traços tectônicos do Escudo Catarinense (modificado de BITENCOURT et al., 2008).
A biotita, assim como outras micas, tem estrutura foliada composta por diversas camadas que, entre si, tem fraca ligação, condicionando uma perfeita clivagem basal e resultando em partículas com formato de finas placas. De acordo com Mitchell e Soga (2005), areias e siltes contendo pequeno percentual de mica podem exibir alta compressibilidade quando carregados e significativa expansibilidade sob variação de umidade. Além disso, solos ricos em micas, mesmo que pouco plásticos, tendem a apresentar baixa resistência ao cisalhamento em condição residual, como exposto em Rigo et al. (2006).
Na localidade de Potecas, no município de São José, a ocorrência destes materiais se dá em uma encosta com extenso histórico de movimentos de massa, a qual é mostrada na Figura 2, em uma imagem de 2013. Ao se estudar este problema de instabilidade (ver Heidemann, 2015), considerou-se inicialmente a importância deste material como agente condicionante dos movimentos de massa, apesar da representatividade volumétrica relativamente baixa.
Nesse sentido o presente artigo apresenta a caracterização das propriedades mineralógicas e geotécnicas de um solo residual de granito-biotita do município de São José. Este estudo buscou avaliar se as propriedades deste material o fariam ser
considerado crítico, de fato, frente ao problema de instabilidade de encostas que se
manifestou na região estudada.
Figura 2 – Aspecto da encosta onde se localiza o ponto de estudo.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O material estudado neste trabalho ocorre em uma encosta, na qual foram feitos movimentos de terra (cortes) importantes, e que tem longo histórico de eventos de instabilidade (desde 2002). Sua localização é dada pelas coordenadas UTM: 732.279E e 6.948.068S. A altitude média deste ponto é de 53 m acima do nível do mar, mas a encosta como um todo atinge cerca de 130 m de altura. O ponto de estudo fica localizado no município de São José - SC, na Grande Florianópolis.
O solo estudado neste trabalho consiste em um solo residual de granito-biotita, e tem o aspecto mostrado na Figura 3. Para a campanha experimental o solo foi coletado sob a forma de blocos indeformados, conforme recomendações constantes na norma ABNT NBR 9604/1986.
As amostras empregadas na caracterização física foram preparadas de acordo com a norma ABNT NBR 6457/2016. A determinação dos limites de liquidez e plasticidade foi feita, em amostras secas ao ar e destorroadas, com base nas instruções das normas ABNT NBR 6459/2016 e ABNT NBR 7180/2016, respectivamente.
O ensaio de granulometria seguiu as recomendações da norma ABNT NBR 7181/2016. Um ensaio foi feito também sem o emprego de solução defloculante a fim de avaliar o nível de agregações presentes neste material. A determinação da densidade real dos grãos foi feita com base na norma ABNT NBR 6508/1984.
Figura 3 – Aspecto do material estudado quando em campo.
A mineralogia do material foi estudada por meio de análises de difração de raios-X realizadas pelo Laboratório de Difração de Raios-X do Instituto de Geociências da UFRGS. Foram ensaiadas amostras em pó e amostras orientadas nas condições natural, calcinada e glicolada. Como a difração de raios-X analisa somente a fração fina do solo, uma análise em escala maior foi realizada com emprego de microscopia ótica em lâminas delgadas, preparadas por impregnação de resina a partir de amostras indeformadas de solo.
A confirmação de aspectos microestruturais do solo estudado pode ser feita a partir de análises em microscópio eletrônico de varredura (MEV), realizadas no Centro de Microscopia Eletrônica da UFRGS. Foram executadas análises em amostras indeformadas compostas por pequenos aglomerados de solo com aproximadamente 5 mm de diâmetro. A metalização das amostras foi executada empregando carbono e platina.
A resistência ao cisalhamento do solo foi determinada por meio de ensaios triaxiais drenados (CID) conduzidos conforme procedimentos constantes na norma BS 1377-8/1990. Os ensaios foram executados em corpos de prova indeformados obtidos a partir de blocos esculpidos em campo, e em corpos de prova remoldados, sob mesma densidade, índice de vazios e umidade do solo natural.
Foram executados três ensaios, com tensões confinantes de 50, 100 e 200 kPa. A velocidade de cisalhamento adotada não pode ser definida com base no coeficiente de consolidação por causa do formato apresentado pelas curvas de consolidação obtidas (em um espaço raiz do tempo versus altura da amostra), que resultariam em velocidades muito altas. Assim, adotou-se velocidade de cisalhamento da ordem de 0,015 mm/min, similar às empregadas anteriormente em outras pesquisas também em solos residuais no laboratório em que o trabalho foi conduzido.
A correção de área dos corpos de prova foi realizada com base na metodologia proposta por La Rochelle et al. (1988) e Head (1982). A determinação do índice de vazios final do corpo de prova foi feita a partir da variação volumétrica sofrida pelo mesmo ao longo de todas as fases do ensaio.
Por meio de ensaios tipo ring shear, mediu-se a resistência ao cisalhamento em condição residual. Os ensaios foram realizados em um equipamento tipo Bromhead (1979). A execução dos ensaios, em estágio único, seguiu as recomendações constantes na norma ASTM D6467/2006. Para o ensaio utilizou-se apenas a fração passante na peneira #40, visto que, de acordo com a norma adotada, as partículas devem ter diâmetro máximo não superior a 10% da altura da amostra, que é de 5 mm. O teor de umidade do solo foi corrigido de forma a atingir o LP, conforme sugerido por Bromhead (1986). Foram executados ensaios com tensões normais de 25, 50 e 100 kPa. A velocidade utilizada durante o cisalhamento foi da ordem de 0,12º/min (0,089 mm/min).
A determinação da condutividade hidráulica saturada foi medida em um permeâmetro de parede flexível com coluna de mercúrio, construído com base no equipamento proposto por Bjerrum e Huder (1957). O ensaio foi executado em um corpo de prova indeformado com 50 mm de altura e 50 mm de diâmetro. Empregou-se confinamento de 25, 50, 100, 200 e 400 kPa. A execução de ensaio seguiu as instruções constantes na norma ASTM D5084/1990.
Os ensaios de resistência ao cisalhamento, permeabilidade e caracterização física foram executados no Laboratório de Geotecnologia (LageoTec) da UFRGS.
3. RESULTADOS
3.1. Comportamento Geotécnico
O solo estudado apresenta as propriedades físicas e índices constantes na Tabela 1, e as curvas granulométricas são apresentadas na Figura 4.
Este material caracteriza-se como um silte de alta plasticidade. O índice de plasticidade é moderado, muito em função do teor relativamente baixo de argilas. O uso de solução defloculante dá origem a uma descontinuidade na curva granulométrica. Esta revela que parte da fração siltosa deste solo ocorre, in situ, sob a forma de aglomerações. Quando
a solução defloculante é empregada estes grumos acabam se desfazendo e revelam partículas de diferentes dimensões, e resultam em uma curva mais contínua.
Tabela 1 – Propriedades e índices físicos do solo estudado.
Densidade real dos grãos 2,714
Teor de umidade (%) 35,0 Limite de Liquidez 51 Limite de Plasticidade 38 Índice de Plasticidade 13 Índice de Vazios 1,12 Grau de Saturação 85,7
Peso específico aparente natural (kN/m³) 16,98 Peso específico aparente saturado (kN/m³) 17,72 Índice de atividade das argilas 0,94
Classificação SUCS MH
Figura 4 – Curvas granulométricas do material estudado.
As curvas tensão-deformação do material são apresentadas na Figura 5. A Tabela 2 contém os valores de c’ e φ’ obtidos para este material. Das curvas deformação axial versus tensão desvio verifica-se a ausências de picos de resistência neste material, mesmo em estado indeformado. Exceção é o corpo de prova indeformado ensaiado sob 50 kPa de confinamento, em que ocorre um suave e persistente pico. Tendo em conta esse comportamento, os parâmetros de resistência de pico e estado crítico acabam sendo bastante similares.
Figura 5 – Resultados dos ensaios triaxiais em corpos de prova indeformados (I) e remoldados (R).
Tabela 2 – Parâmetros de resistência do solo estudado.
Pico Est. crítico Est. crítico (c’=0) φ' (°) c' (kPa) φ' (°) c' (kPa) φ' (°)
Indef. 26,4 20,4 26,8 16,0 30,0
Rem. 27,3 16,0 27,1 16,3 30,3
As curvas deformação axial versus tensão desvio do solo remoldado, como esperado, não tem picos de resistência. Cabe notar que a magnitude das tensões
mobilizadas em estado crítico para o solo remoldado é igual ao que se tem no solo indeformado. Consequentemente os parâmetros de resistência são muito similares.
Enquanto que sob σ3=200 kPa a curva tensão-deformação é suave, sob 50 kPa verifica-se uma inflexão clara (yielding) quando a deformação axial é pouco inferior a 2%. É interessante notar que esta mudança de comportamento se dá tanto no solo indeformado quanto no remoldado, embora neste último de maneira não tão marcante.
Os corpos de prova apresentam contração durante o início do cisalhamento (Figura 5b). Este comportamento é persistente até o fim dos ensaios em todos os corpos de prova ensaiados sob 100 e 200 kPa de confinamento, quando então tendem a apresentar variação volumétrica nula. Sob 50 kPa de confinamento os corpos de prova indeformado e remoldado mostram, após a fase inicial de contração, tendência dilatante.
O ponto de máxima tensão desvio do solo indeformado coincide com a máxima taxa de dilatação, o que é consonante com o comportamento observado em solos sedimentares arenosos sob alta densidade relativa. Por outro lado, no solo remoldado a dilatação (que é mais suave) não é acompanhada por pico de resistência.
A semelhança entre curvas de variação volumétrica e de tensão desvio obtidas em ensaios em corpos de prova indeformados e remoldados sob mesma tensão confinante, assim como a pequena diferença entre ensaios sob diferentes confinamentos, mostra que o comportamento do solo parece ser pouco influenciado pela macroestrutura do solo.
No entanto, o comportamento observado não é unicamente regido pela tensão confinante empregada, já que as curvas σd/σ3 não são normalizáveis, indicando que outros fatores, que não apenas a tensão confinante controla o comportamento tensão-deformação deste material. Sugere-se que o comportamento deste solo sob cisalhamento seja regido pela natureza intrínseca do material, que congrega características próprias do solo (vide Lee e Coop, 1995), mas não relacionadas à macroestrutura.
Na Figura 6 são mostrados os resultados dos ensaios ring shear, sendo que os níveis de tensão cisalhante medidos nestes ensaios resultaram em um ângulo de atrito residual da ordem de 15°. Este valor é praticamente a metade do ângulo de atrito de estado crítico. Este valor baixo se deve, provavelmente, à importante quantidade de micas na composição do solo, as quais tendem a reduzir a parcela de resistência ao cisalhamento de natureza friccional. O ensaio executado sob tensão normal de 25 kPa requereu deformação menor que as atingidas nos ensaios sob σ’v de 50 e 100 kPa, sendo as curvas tensão x deformação pouco irregular.
Figura 6 – Resultados dos ensaios ring shear.
Rigo et al. (2006) apresentaram uma tentativa de correlação entre IP e φ’r, com base no comportamento obtidos por diferentes solos sedimentares e residuais. A Figura 7 traz o ângulo de atrito residual e o IP do solo deste trabalho inserido na carta produzida por aqueles autores.
O ponto relativo a este solo localiza-se na região da carta que agrupa dados tipicos de solos micáceos e solos compostos por minerais parcialmente alterados. Este resultado encontra-se em consonância com a natureza do solo estudado, nos quais se verifica a ocorrência de biotitas, bem como feldspatos em diversos estágios de alteração, conforme será apresentado posteriormente na caracterização mineralógica.
Na Figura 8 são mostrados os resultados dos ensaios de condutividade hidráulica. Observa-se que o material apresenta redução de condutividade hidráulica de cerca de dez vezes levando em conta a variação da tensão confinante, de 25 até 400 kPa. Os valores de ksat variam de 3x10-6 até 2x10-7 m/s. Estes valores são típicos de solo siltosos, ou siltes com pouca argila, e, portanto, são coerentes com os resultados relativos à granulometria.
Figura 8 – Resultados dos ensaios de condutividade hidráulica.
Considerando a presença de mica neste solo, é possível que ao longo de eventuais descontinuidades ou zonas de cisalhamento reliquiares a condutividade seja mais baixa. Isto porque quando orientadas de forma desfavorável, as lamelas oriundas da clivagem das micas tendem a dificultar o fluxo de água apesar de um índice de vazios razoavelmente alto.
3.2. Composição Mineralógica
As análises de difração de raios-x deste solo apontaram para a presença de biotita e quartzo como minerais primários, e caulina como mineral secundário. Por meio de uma avaliação
semi-quantitativa, estimou-se que cerca de 50% da amostra seja composta por caulinita, 30% por quartzo e 20% por biotita.
As análises de lâminas delgadas em microscópio ótico, que avaliam um espectro mais amplo de tamanho de partículas, revelam uma quantidade muito mais expressiva de biotita, o que é evidenciado na Figura 9.
Figura 9 – Imagem em lâmina delgada do solo estudado (a imagem corresponde a um quadro de 6 x 8 mm).
A biotita é abundante, disposta em lamelas pleocroicas castanhas a verde claro, muitas vezes deformada. Em processo de alteração para clorita ela ocorre principalmente como porfiroclastos e subordinadamente na matriz. O quartzo apresenta-se como porfiroclastos, e em menor quantidade na matriz, nesse caso geralmente intensamente fragmentado. O ortoclásio é tabular e ocorre tanto na matriz como em porfiroclastos. O hidróxido de ferro ocorre nas fraturas, enquanto que o óxido de ferro se dispõe em pequenas quantidades.
A Tabela 3 apresenta a composição mineralógica obtida por contagem modal, onde fica clara a predominância de biotita sobre todos os outros minerais e sobre a matriz fina.
Tabela 3 – Composição mineralógica obtida por contagem modal em microscopia eletrônica sobre lâmina delgada.
Quartzo Ortoclásio Biotita Matriz FeO/(OH)2
As biotitas são bastante visíveis nas imagens de MEV mostradas na Figura 10, sendo confirmadas pelos espectros químicos obtidos por EDS em diferentes pontos da amostra. A Figura 10a mostra a interrelação entre os minerais que compõem este material.
Figura 10 – Imagens de microscopia eletrônica de varredura do solo estudado.
A fração quartzosa tem pouca representatividade e a ocorrência deste mineral se dá sob a forma de cristais simples. Cabe destacar a presença de biotitas deformadas, enfatizando-se a natureza plana e polida das partículas oriundas da clivagem dos cristais deste mineral.
Os feldspatos existentes mostram-se caulinitizados e formam a matriz deste solo, já citada nas análises em lâminas delgadas, não tendo sido identificados cristais de feldspatos, mesmo que na forma de pseudocristais.
5. CONCLUSÕES
O solo estudado é o material predominante na porção instável da encosta estudada. Constitui-se um material siltoso, e em função do baixo teor de argilas tem plasticidade moderada. Esta granulometria impacta diretamente na condutividade hidráulica do solo, já que para ensaios sob tensão confinante de 25 até 400 kPa, os valores de ksat variam de 3x10-6 até 2x10-7 m/s, valores típicos de solo siltosos.
submetidos a ensaios triaxiais CID, mesmo em estado indeformado. Tendo em conta esse comportamento, os parâmetros de resistência de pico e estado crítico acabam sendo bastante similares.
O solo remoldado, como esperado, não exibe picos de resistência ao cisalhamento. A magnitude das tensões mobilizadas em estado crítico para o solo remoldado é igual ao que se tem no solo indeformado, fazendo com que, por meio de corpos de prova remoldados, fossem obtidos parâmetros de resistência muito parecidos aos obtidos com o solo indeformado.
Em estado crítico o solo tem ângulo de atrito da ordem de 27º e intercepto coesivo de 16 kPa, valores obtidos mesmo em corpos de prova remoldados. Os ensaios ring shear resultaram em um ângulo de atrito residual da ordem de 15°. Este valor é praticamente a metade do ângulo de atrito de estado crítico. A relação entre IP e φ’r para este solo é típica de materiais micáceos e solos compotos por minerais parcialmente alterados. A importante quantidade de micas na composição do solo, bem como o avançado estado de degradação, foi comprovada nas análises microscópicas e mineralógicas.
Empregando as informações topográficas da encosta, perfil estratigráfico e os parâmetros de resistência ao cisalhamento obtidos nos ensaios triaxiais, Heidemann (2015) realizou análises de estabilidade para a encosta em que ocorre este solo. No entanto, os resultados do autor indicaram que a estabilidade da encosta não é governada pelos parâmetros de resistência obtidos para este solo.
Apesar dos resultados indicarem que este solo por si só não explica as instabilidades ocorridas, certos aspectos de comportamento são importantes condicionadores de instabilidades, sobretudo quando este material ocorre sob a forma de colúvios.
Nesses casos tem-se baixa resistência ao cisalhamento se mobilizada a resistência residual. O mesmo mecanismo de mobilização desta resistência (grandes deformações) é responsável pela orientação das partículas de mica, que se posicionam de forma paralela entre si junto a superfícies de ruptura, gerando gradientes de condutividade hidráulica. Movimentos de massa também promovem esforços mecânicos que levam à degradação dos pseudocristais, reduzem a granulometria e geram um teor de partículas micáceas lamelares ainda maior.
Investigações adicionais mostraram a ocorrência de lentes de argila formadas por alteração hidrotermal na massa de solo residual, as quais constituem-se descontinuidades no maciço. Heidemann (2015) mostrou que a influência destas lentes precisou ser
considerada na construção de um modelo geomecânico representativo do problema estudado.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES e CNPq pelo apoio financeiro à pesquisa, sobretudo sob a forma de bolsas de pesquisa.
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