I
'I
i:.' . '!1",t
rt {t I
i
irl'{
\
Ely
Borges
Frazão
Dissertação de Mestrado
apresentada
ao
Institutode
Geociênciasda
Uni-versidade
de
São PauloOrientador: Prof. Dr. José Eduardo S. Farjallat
São Paulo
1981
ü
l
CONTRTBUIçÃO
DA PRESSÃO
à METoDoLoGIA
DE EXPANSÃO EM
PARA DTTERMINAçÃO
SOLOS E ROCHAS
ELY BORGIS FRAZÃO
Di
ssertação
de
Mestradoapresentada
ao
Insti
tuto
de
Geoci ências da
Universi
dade
de
São Paul o0ri
entador:
Prof. Dr.
José
tduardo
S.
Farjal
I atSão Pau I o
l9Bt
DEDALUS -Acervo - tGC
I lililt ilil ililt ltil ilIil ilil ilil ilil till ltil ililt ilil ltil
["
"..,or\
ô -/
\o
.ì
u,",-rorEcA ?.:^
*o
-' -.1,', o:f
f
lU-'
åFabi
o e ã
Luciana;meus f i I hos,
l.
2. 3.3.1.
3.2.
3.3.
4.4.1.
4.2.
4.3.4.4 .
SUMÃRIO
RESUMO
INTRODUçÃO OB.JETIVOS
O FENOMINO DA EXPANSÃO
Concei tuação
As
pectos
Teõricos do
FenômenoFatores que
Infl
uenci ama
Expa nsão
.,..
METODOLOGIAS UTILIZADAS NA AVALIAçÃO DADADT. EXPANSIBILI P. 0ì 03 05 05 05 06 08
Crit6rio
Baseadona
ComposiçãoMineralógica
..,....
Cri
t6ri
o
Baseado nosLimites
de
Consistência
.,.,..
Cri
téri
os
Ba sea dos em Ensaios de
Expansão.,
Cri
tõri
os
Ba seados em Ensaios de
pres sãode
Expan
-são
. ,APARELHAGENS UTILIZADAS PARA DETERMINAçAO DA
TXPAN-SÃO E DA PRESSÃO DE EXPANSÃO CONSTANTES DA LITERATU
R4...
Expansão
,..,..16
Pressão
de
Expansão
...,.,.
1l
METODOLOGIA E APARELHAGTM ADOTADOS PARA MINSURAçÃO
DA PRTSSÃO DT
EXPANSÃO
..,.
18M6todo
de
Ensaio
,,4 Volume Constante,,.,
..,..
lg
Aparelhagem
,
,.,....,
ìg
Cõlula
edom6trica
...
...
lBPrensa
...,.,.,
19Servo-controle
....
.,...20
Registrador
,,.23
Calibração
do sistema
prensa/servo-controle/regis
-trador
... ...
.,
23ll.
7.
B.
9.
9.L
9 .2.
9. 3.
9.4.
9. 5.
9.6 .
10.
ll.r.
il.2.
11.2.1.
11 .2 .2.
ìt.3.
ll.3.1.
il.3.2.
ll.4.
12.r2.t.
12.2. 't3.ì3. r .
13.1.ì. 13.t.2.
13.1.3.
MATERIAL
PREPARAçÃO DO MATERIAL
CARACTERIZAçÃ0 D0 MATERTAL
Anãl i
ses
Quími casAnãlise
Mineralóg.ica
.Anãl i
se
Granul ométrica
, . .Determinação
do
Pesotspecífi
co
Reat ..,.
Limltes
de
Consi stência
....
Expansão
Livre
.DISCUSSÃ0 D0S RTSULTAD0S DA CARACTERIZAçÃ0 DA
AMos-TRA
..
DETERMINAçÃ0 D0s pARAMETR0S DE ENSAT0
DE
pRtssÃ0DE EXPANSÃO
Preparação
dos
Corposde
ProvaTeor de
UmidadeProcedimento operaci
onal
.Cãlcuto...
Determi nação
da
De ns i dadedo
Corpode
ProvaProcedimento operac i ona
I
.Cãlcu1o..,.
Massa .
ENSAIO DE PRESSÃO DT EXPANSÃO
Procedìmento 0perac i ona
I
.Cãtcuto
....
EXPERIMINTOS
,...
Veri
fi
caçãoda
Infl
uôncia
da
Massana
Pres sãode
Expansao
,...,,4ì
Procedimentos
opqracionais
.
....,4.¡
Resultados
,,,.4?
13.2.
13.2.1.
t3 .2 .2.
13.2,3. 13.2.4.
.l3.3.
13.3. I .
13,3.2.
t3.3.3. t3.3.4.
13. 4.
13.4.1. 13.4.2.
13.4.3.
-t 3.4. 4.
14.
Veri
fi
caçãoda
Infl
uência
da
Dens i dade Seca
na
Pressão
de
Expansão
.....
OOProcedimentos
operacionais
.
...
44Resultados
,..,.,
,...4b
Correlação
e
discussão
dosresultados
.
'.,,..
45Conclusões
parcìais
.,..
,,.
46Veri
fi
caçãoda
Infl
uência
do Teor de
Umidade
Ini
-cial
na
Pressãode
Expansão
,....
46Procedimentos
operaclonais
.
.,...
46Resultados
....
47Correlação
e
discussão
dosresultados
'
...
47Conclusões
parciais
.,..
...
48Estudo Comparativo
do
Desempenhodo
Sistema AdotadoFrente
a
um SistemaConvencional
...
49Modalidade
nq
I ....
...
49Modal
idade
nQ2
....
....
'.
'
50Ensaios
"a
volumeconstante"
comas
amostrasde
arenitos
si
lto-argilosos
.
.'..
52Discussão dos
resultados
,
....'.,52
C0NCLUS0ES
.,..62
AcRADtCil',ltNToS
..
....
640l -
Corte
esquemãticoda
cãlula
edomõtrica
,.
'.,..26
OZ
-
Vista
frontal
da
prensauti
I i zada na determi nação dapressão
de
expansãoO3
-
Detalhe
da
prensa
comdistribuição
dos
elementos
demedição
...'...'
2704 -
Diagramade
blocos
do
servo-controle
...27
O5
-
Detalhe
do
ci rcu ito
eiétri
co dos Ùransdutores
."...
2806 -
Distribuição
dos
valores
do
transdutor de
carga
emfunção do
rel69io
comparadorde carga
'
..'....29
07 -
Distribuição
dos
dadosda
calibração
do
registrador
en
função do
relõgio
comparadorde carga
.
....
3008 -
Resultados da
anãl i se mi nera l õgica da
amostra
de
ar-gila Volclay-SPV
...
3609 -
Distri
bui çãodos
valores
das
freqüôncias
em porcentagem das densidades
secas
.
...'...'
54lO -
Distri
bui ção dos valores
de
pressãode
expansão
emfunção
dosde
massa.
.'..".
56'I
I -
Distri
bui çãodos
valores
de
pressãode
expansão
emfunção
dosde
umi dadefi nal
.
. . . ..
5612 -
Di stri
bui çãodos
valores
de
umi dadefinal
em
funçãodos de massa
.
'... '.
"
57l3 -
Di strì
bu i çãodos
valores
de
pressãode
expansão
emfunção dos de
densidadeseca
.
..
'.
58l4 -
Distri
bui çãodos
va Iores de
pressãode
expansão
emfunção dos de
umidadefinal .
""'
58l5 -
Distri
bui çãodos
valores
de
umidadefi
nal
em
funçãodos
de
densidadeseca
.
..."
59l6 -
Distri
bui çãodos
va lores
de
pressãode
expansão
emfunção
dosde
umidadeinicial
""
6017 -
Distri
bui çãodos
resultados
do
ensaio
de
pressão
deexpansão
de
acordo
coma
modalidade nQI '"""""
60l8 -
Di stri
bu i çãodos
resultados do
ensaio
de
pressão
defunção do
relõgio
comparadorde
carga
.
,...
Zg0? -
Resultadosda calibração
do
registrador
emfunção
dorelógio
comparadorde
carga
.,.,.,
?g03 -
Composiçãoqulmlca da
amostrade
argila
Votclây-SPV,
3S04 -
Capaci dadede
troca
de
cãtions
e
cãti
ons
trocáveis
da
amostrade
argila
Volclay-SPV
,...,
3505 -
Algumaspropriedades
físicas
da
amostrade
argila
Volclay-SPV
....36
06 -
Freqtlências em númeroe
em porcentagem dasdensida
-des
secas
.,,...
5407 -
Resultadosda
verificação
da
inftuência
damassa
napressão
de
expansão
...
5508 -
Resu Itados
da veri
fi
caçãoda
influôncia
da
densidadeseca na
pressãode
expansão
...
5709 -
Resultadosda
verificação
da
infìuência
da
uniidade inicial
na
pressãode
expansão
....
Sgt0 -
Resu Itados
dos ensaios de
pressãode
expansão nosA expansão
de solos
e
de
rochas,
por
absorçãode
ãgua,
e
apressão
manifestada no curso da
expansão têm causado danosa
o-bras
civis
emvãrias
regiões
do
Globoe,
por esta
razã0,
têmsi
do
objeto
de
atençãode
geõlogose
engenheiros quelidam
nacons
trução
ci vil,
Existem
diversos
meiospara
avaliação
e
determinaçãoda
expansão
e
da
pressãode
expansão, sendo que esta
6
de
maior
im
-portânci
a
na
prãti
ca
da
Engenharia
Civil.
Para
a
determi naçãodo
valor
da
pres sãode
expansãode
umsolo,
ou de
umarocha,
ã
desejável
um mõtodoe
umprocesso
deensaio
que sejamo
mais
simples, rãpido e exato possível
e
queme I
hor
refl
i tamas
situações
peìas quais
passarão
materi
aI
como
qual,
ou
sobre
o
qual,
se
edifi
carã
umaobra
civ.ll.
Escol
heu-se, neste estudo,
o
mõtodo"a
volume constante'i common i
toração
automátìca
dos
ensaios, por
ser
o
quemais
atendeaos
requisitos
aci ma ci tados.A manu
tenção da
constãncia
de
vol umedas
amo s tras
foi al
-'cançada
atrav6s da uti
1i zaçãode
un transdutor que,
co l ocadoen
tre
os'pratos
de
uma prensamotorizada,
envia
sinais
a
um
cir-cuito
eletrôni
co
que aci onao
motor
da
pre nsa
para
apl icar
oureti
rar
carga
quandoa
amostra,
entre
os
pratos,
tende
a
expan-dir
ou
a
contrai
r,
res pect i vamente.
0s
va Iores
das
cargas
sãolidos
em umrelõgio
comparadorou
num registrador,
onde,
a
par-tir
de
sinais
envi adospor
outro
transdutor,
tem-seos
regis-tros
convertidos
diretamente
para
vaìores de
pres são.Uti I i zando-se
de
uma amostrade
umaargila
denominadaVolcìay-SPV,
executaram-seensaios visando
conhecera
influôncla
da massa,
da
densi dade secae
da
umi dadeinicial,
de
corpos
deprova,
na
pressãode
expansã0.Pa
ra
compararo
desempenho desse si stema reai i zaram-seen-saios,
tambãm coma
argila
Volclay-SPV, de acordo
com um métodoem que
se
permitiu
a
expansãodos corpos
de
prova
sobtrês
valores
pré-fixados de pressão, os quais
foram
aplicad.osatravãs
dequ a
tro
amos tras
de
arenitos
"a
vol umeconstante,'
e
com moñitora
ção
automática
e,
de
acordo como
mesmo mãtodo em quese
perm.i-te
a
expansãodos
corposde
prova,
mas sob pressões comvalores
que obedecem
a
escala
de
uma progressãogeom6trica,
comonos
ensaios
roti
neiros
de
adensamento.Es
te
estudo
permiti u
c hegar
ãs
seguintes
pri
nci pa is
conclusões:
'I
)quanto
maior
a
massados corpos
de. prova,
maior
foi
a
pressão
de
expansão;a
infl
uência
foi
maior
na
faixa
de
3
a
15ge
decresceua
partl
r
desta;2)
quantomaior
a
densidade secados corpos
de prova,
maiorfoi
a
pressãode
expansão;3)
quantomaior
a
umidadeinicial
dos corpos de
prova, menorf
o.i
a
pressãode
expansão i4)
o
sistema de
monìtoraçãoautomãtica de
acordo como
mã-todo
"a
volumeconstante"
foi
mais
exato e
mais
rãpido
que
o'I
I NTR0puÇÃ00
fenômenoda
variação volum6trica
emsolos
e
emrochas
,devi
do
a
modi f .l cações em seuteor
emãgua
,
tem merecido
atençãode
pesquisadores no mundointeiro.
Isto
6
demostradopor
inúme-ros
trabal
hossobre
o
assunto.Por
vari ação vo t umEtrica
entendem-sea
expansãoe
ação dev i do
ao
ganhoe à
perdade
ãgua,
respectivamente.nifestar-se
macroscopica
ou mi croscopi camentee
ser,
emcasos,
mens u rãve1
direta
e,
emoutros,
i ndi retamente.Se
por
um I adoa
vari
açãode
vol ume pela
vari
açãode
umi dade
ã desejãvel,
como,por
exemplo, emargilas
empregadas
comof'l
uído de
perfuração
de
poçosde
petrõleo,
por
outro,
õ
nociva,quando
se
trata
de
materi ais
comos
quais
ou sobre
os
qua.is
seedi
fi
ca
umaobra
civil.
'
Apesarde
o
fenômenoser
bemconhecido, os
mecanismos queo
regem nãoforam
ainda
bem compreendidos,malgrado
o
empenhode
pesqu i sadoresde
diferentes
especialidades
na
sua elucìdação.Isto
6
co ns tatado
peìa diversidade
de
enfoquese
pelos
diferen-tes
nÍveis
de tratanento
dadosao
ass,unto,chen
(ìg7s)
ressaìta,
contudo
'
que g ra ndes prog res sos
foram
aì cançados nos úìtimos
20anos,
apesarde
certos
danosa
obras
ci vis,
nos
EUA,
terem sidoadmitìdos
como conseqüênciado
fenômenoda
expansão,iã
emfins
da
d6cadade
30.A
previ sãoda vari
ação vol umõtrica de
um su bs trato
geotõgico
assume, em algumasãreas do
Globo, importância relevante
pa-ra
a
Engenharìa
Civil. t
o
casode
certas
regiões
da
Austrãl
.i a ,Canadã, Tndi
a,
Israel
,
Mãxico,
Ãfri ca do
Sul,
Es pa nhae
Venezue1a,
de ntre
outros paÍses,
ondeo
comportanentodos
solos
expan-sivos
tem causadosõrios
prejuízos
econômicos,decorrentes
dasdani
fi
cações cau sadas
nasobras
ci vis,
peta
instabiìização
pro-vocada em suas fundações (Chen, 197S
e
Horta da
S.i1va,
l97l
er s75
).
contra
Pode ma
Sobre probl emas cau s ados em ga
leri
as,
des ta cam_se
os
tra ba'I hos
de
Bjerrum,
Brekke,
Moume
Selmer-0lsen
(ì964)
e
Brekke
(I966).
Rêlatrn
desâbamentos provocadospera
presençade
montmorllonita,
durante
e
apõsa
perfuração de
túneis,
cortando
zonalci sal hadas de macl
ços
rochosos pré- cambr i a nos
e
paì eozóicos
daNoruega. Thenoz,
Farran
e
Capdecomme(1966)
citam acidentes
o
_corridos
emtúneis
perfurados
emgranitos e
gnaìsses,
na
França,onde alãm
de
ocorrer
desabamentos a põsperfurações dos
túne.is
,houve rompìmento
do
revestimento de
concreto,
pela
expa n são
demontmori I on i tas
,
emcertos
trechos .No Brasi
l,
contudor
pou c0s
sãoos
rel
atos
sobre
materi ai snaturais
expansivos,
se
comparado comos
paÍses
citados,
e ra
-ros
sãoos
estudos mais detalhados sobre
o
processoda
expansão.Isto
se deve,
talvez,
ã,
ainda,relat.i
varnentepoquena
ocupaçãourbana nas ãrea
s
onde ocorrem solos
jã
conhecidos
como expans i-vos
e
a-distribuição
relati
vamente restri
ta
dos mesmos em nossoPafs.
Apesardisso,
aìgumas conseqtlônc.ias danosas,devido
ã
presença de mi nerai
s
expans ivos
em solos
e
rochas,
jã
foram
experimentadas pel
a
EngenhariaCivil
brasi I ejra,
em algumas
obras..Ruìz
(1963), Farjal
lat
(l969),
e
Farjaltat,
Montezzoe
Ratti
(1972),
ab6rdarama influência
da
expanslbllidade
no
processode
desagregaçãode
rochas
basãlti
cas,
contend6 esmecti tas,
comvistas
ao
seu desempenho comomaterial
de
construção,
Fìeury (.l978 ),
estudoua
expansibilidade
de alguns
arenitos sìlto-argi
I osos
do
Grupo Tubarãoa
parti r
do
d'esempenho insati
sfatõrio
a-presentadopor estes
materi ais
nas fundaçõesde
umaobra civil
em Sumar6, Estado
de
São Paulo.Do
ponto de
vista
prãti
co,
tão
importante
quahto
o
entendimen
to
do
fenômeno,é exlstirem
metodologiase
i nstrumentações adequada
s
ã
sua quant ifi
cação.Es
te
trabal
ho pretende
ser
umacontri
bu i çãoã
metodologiae
ao
processode
mensuraçãoda
pfessão de
expansãode
soìos
ede rochas
emcontato
comãgua, atravãs da
propos ìção de
umsis-tema
que
permite medir
a
pressão de
expansão,a
voìumeconstan-te.
Este
si stemaconsiste,
basi camente,de
umaprensa,
de
umservo-control
e
e
de
um registrador;
permite
a
monitoração
2
OBJ ET IVOS0presentetraba]hofoiestruturadoparaat,ingirdo.isobje
ti
vos
bãs ì cos:a)
i nvestigar
a
infl
uência
de
al guns parâmetrosfís
icos
equím
icos
na
pressãode
expansão,através de
comparaçãodos
re
-sultados obtidos
comos
constantes
da
literatura,
fornecidos porequ ipamentos
e
mãtodos convencionais
ou
não,
eb) testar
o
desempenhodo sistema
"prensa/servo-controle",
lde
acordo como
m6todoa
volumeconstante,
frente
a
metodolo
-gì
as
e
equ i pamentos convencionai s.3
O FTNOMENO DA TXPANSÃO0
fenõmenoda
expansão em ummaterial
natural depende
dediversos.
fatores
queserão
abordadosa
seguir.
3.1
C0NCETTUAçÃ0De um modo
geral,
denomina-se expansãoou
inchamentode
umsoìo
ou de
umarocha, toda
evolução
acompanhadade
aumento
devolume (De
Lamballerie,
1962;
Karalis,
l97l
).
A
capacidade
oupotenci al i dade
ã
expansãoé
denomi nadapor
Brekke (1965 ),
de
expansibilidade.
Se um
corpo de prova de
umsolo, suieito
a
umadeterminada
l
carga,
õ
posto
emcontato
comágua,
quandose
suprimeesta
car-
lga
haverã um aumentode
volut.
.on.otitante
ao
aumentode seu
ì
teor
emágua,
A ãgua, por
suavez,
podeadentrar
o
corpo de
pro
1va por
absorçãoe
por
adsorção(tJhìte,
1958).Todos
os solos
têm capacìdadede
aumentarde
volume em presença
de
ãgua.
Dependendode
sua
compos i çãomineralõgica,
entre
tanto,
a
amplitude
do
fenõmenovariarã
amplamente. Seo
corpode
prova,
nas
condições
citadas,
for
de
um solo
grosseiro
cons-ti tuído,
por
exemplo,
de
quartzo e
mica'
sua expansãoserá
pe
-qu ena
e
serã
devida,
prì ncì palmente,
ä resti
tui
ção etãsti ca
das partfcu tas
(pri
ncipaìmente das
demica).
Se, por
outro
lado,
ocorpo de prova
for,
por
exemplo,de
umsolo
fino
argiloso
con
-tendo
esmectita,
a
expa nsãoserã
considerãvel.
Neste
caso
atémpro-gress i
vo
das
camadasde
ãgua
entre
as
partículas e
dentro
daspr6prias partÍculas
de
argiìa
(DeLamballerie,
l96A).
0
fato
dasesmectitas
expandirem em presençade
ãgua6
re-I
ati
vamente bem conhecido.
Dependendodo
ti
po de
esmectita,
ovolume
final
ati
ngido
serã
de
atõ
30 vezeso
inicial
( Deìarue
,1953,
in
DeLamballerle, 1962\,
Mlelenz
e
King (.l95S,
in
Gr.lm ,.l962
)
apresentam dadosi I
ustrativÒs
quand0 compa ram va Iores
deexpansão
entre
esmectitas
e outros
ti
posde
argi I o-mi nerai s,As
consideraçõesfeìtas
para os
sojos,
atravãs
dos
exemplosacima mencionados, são vãl
idas
tambõmpara as
rochas
sedimenta-res
e
cristal
inas
alteradas,
contendo esmect.ltas,
3.2
ASPICTOS TEORICOS DO FENOMENOA
expansão emsolos
e
rochas
emcontato
comãgua,
tem sidoes tuda
da
por
numerosos pesquisadores,
e
teorÌas
diversìficadas
têm evo
luído
para
interpretar
o
fenõmeno. Pode-se citar
a
teo
-ria
da
capi Iari dade,
a
teoria
osmõticandentre outras (
DeLamballerie,
l962).
Devido
a
controvõrsias ainda existentes
sobre
quais os reaismecani smos
da
expa nsãoe
tambémpor
fugir
do
es copo desse tra batho,
pa s s aremos em revista
apenas aì gumas i d6ias
a
respeito
doassunto,
As
teori as
existentes
cami nham para
uma expl icação
quasesatisfat6ria
da
expansão; nenhumadelas,
porõm,isoladamente
,explìca
as
diferentes
constatações
do' fenômeno.A
teoria
da
capi Iari dade,
que6
a
mais
uti
I izada,
admi teque no
curso
da
dessecaçãode
um solo
umestado
de
tensões
sedesenvoì
ve
na
águaintersticial,
ondea
i ntens I dadeaumenta
ãmedi da que
o teor
em água diminui.
Parao
solo
tudo se
passa como
se
houvesse umatensão
extêrnä,
de
valor
absoìuto
igua1
ãtensão
interna,
que
nasceno
seio
do
líquido,
masde
sentido contrãri
o.
Disso
resulta
umacontração do
materi a I.
Se, por
ou-tro
lado,
o teor
de
águaaumentar, tenderã
a
haver
uma anulaçãoda
tensão
intersti
cial,
com conseqtlente s epa ra çãodas
partícu
-las,
manjfestando-se
num aumentode
vol ume queã
a
expansão. Sees
sa
expansão folimpedida,
haverão
desenvolvimento, por
parteA teori
a
da
capi Iari
dadefornece
uma abordagemquantitati_
va
do
fenômeno,pois
permite
conheceros
parãmetrosfísicos
co-locados
emjogo,
sendo quea
pressãocapilar
podeser
determinada
em experimentosde
laboratõrio
(DeLamballerie,
1g62).Kul chi
tskij
(1962), por
sua vez,
con s idera
a
teori
a
da
ca-pilaridade
insuficiente
para
explicar o
fenômenoda
expansão
,ape sa
r
de
I argamenteutilizada.
Menci ona quea
resol uçãode
problemas complexos
de construção
civil
sobre
solos
argìlosos
saturados
,
exlge
um modelo
que
I eve emconta as
característi
cas
fí-sico-químicas
dasfases do
sistema
,' a r g i Ia - ã g u a - Í o n s ',
,
assim como das sol uções el
etrol
Íti
cas
emcontato
comas
I amelas
dos
ar-giIo-minerais.
Admite quedurante
a
interação
,,ãgua-minerais argi l
osos",
apõsa
di ssoci ação i ônica
na
s u perf íc.ie
da
partícuì
a,hã
o
aparecimentode
umcerto
númerode centros de
adsorção nãoequilibrados,
do ponto
devista
e l etrostãti
co,
quecriam
umcampo
el6tri
co.
A
i ntens i dadede
mov i mentosde cãti ons dissocia
dos na
sentido
desse campo excederia
a
i ntens i dadede
movimento emsentido
contrãrio.
Então,
emtorno
da
partícuìa argilosa
for
mar-se-ia
umaatnosfera de cátions
quefavoreceria
a
migraçãode
mol ãcul as
de
ãgua
na direção da particu
I a,
como num processoosm6ti
ço,
cri
ando uma pressão osmõtica
na
camada difusa,
h idra-tada
e
ionizada da
partícula.
Verweye
0verbeek(1948,
in
Didier,1972),
defendem tamb6mesta
concepçãoe
enfatizam
quea
pressãoosmõti
ca
õ
função da
concentraçãode
ions
no
pl ano i nter'l amel ardo
arg i I o-mi nera lKulchitskij
s u stenta esta
concepçãoa
parti
r
de
experÍmen-tos
com osmõmetros comos
quais
simulou
as
s ituações
vigentesnum
solo
argi
loso
saturado,
Conc'lui
quepara
amostras remolda-das,
a
pressãode
expansão,ou
seja,
a
pres são necessãria
paraque não
haja
expansã0,é
igual
ã
pressãoosmõtica,
e
que
paraargl I
as
natura'l mente compa c tadas
a
p res sãode
expa nsãoã
igual
a
40%da
pressão osmõtica.Delarue (1953,
in
DeLamballerie,1962),
admitiu que
apres são
de
expansãode
um material
6
i 9uá1ã
pres sãode
consoli
dação que
este
suportou no
curso de
sua
histõria
geolõgica
eque seri a
,
em valor
absoluto,
igual ã
pressão capi ìar
desenvolde
expansão,e
pressãode
consolidação,
determinadas emlabora-tõri
os,
sobre
argilas
naturais,
onde na maiori
a
dos
casos
aspressões
de
expansão nãodiferjam
em mais que l0%das
pressõesde
consoli
daçã0.A mai
ori
a
dos
traba l hos quetratam
da
expa nsão em solos
erochas
ressaltam, contudo,
a
preponderância
da
infl
uência
mine-raìógica
no
processo,3.3
FATORES QUE INFLUENCIAMA
EXPANSÃOBrekke (1965
)
agrupaos
fatores
i ntervenientes
na
expansãoem
fatores
internos
e
externos.
São internos
aqueles
1ìgados
ãnatureza
do
solo,
ou da
rocha,
e
quedefi
nirão
a
possibÍlidade
de haver
expansão. Sãoexternos
aqueles
quedefi
nirão
se
acontecerã
a
expansãoe
quecaracterísti
cas
terã
esse
processo quandose efeti
var,
0s
fatores
internos
são:
ti
pode
arg i I o-mi neraI
presente
,quanti dade
de
fração
argila,
ti
po
de
cãti
on
trocãvel
do
argilo-nineral,
concentraçãode
íons
na
fração
argila,
dimensões
daspartículas
de
argi la,
es tru tura
do
argÍ I o-mi nera I,
teor
de
umi-dade
e
densi dade secano
iníci
o
do
proces so
de
expa nsãoe
exis-tônci
a,
ou
não,
de
ci mentação di agenãti ca.A esses
fatores
Holtz e
Gibbs
(l956,
in
Chen, 1974)
acres-centam
a
constante
diel6tri
ca
da
argila,
a
"ati
vi dade"da
argi-la,
o
índi
ce
de
plasticidade e
o
limite
de
contração.0s
fatores
externos,
segundo Bre kke
(.l965),
são:
possibìli
dade
de
acessode
ãguaaos
argi I o-mi neraìs,
concentraçãoe
natureza
dosíons
di ssol vidos na
ãguae
possibilidade
de
aumento devo l ume peì
a
exi stôncia,
ou
não,
de "contra-pressão" externa
so-bre
a
argiìa.
Holtz e
Gibbs
(1956,
jn
Chen, 1975)e
Seed,l^loodward
eL u ndg
ren
(1962)
denomi nam essesfatores
de
"condições
in
situ",
enumerando-os em: pre s são
de sobrecarga,
duraçãoda
saturaçãoou
grau
de saturação,
teor
de
um i dadeinicial
,
espessurado
es-tra
to
expansivo
e
den s i dade seca.0s
fatores
internos
podemser
anal i sadosao
nÍvel
da
partí
cátions
(eìevada)
quepermitjrã
uma dada concentraçãode
cãtionsao
redor
e
dentro
da
particula.
Seo cãtion
presente
for,
p.ex.,o
sõdio
or¡o
litio,
a
expansãoserã
maior do
quese, p.ex.,
for
o
cãlclo
ou
o
magnõsio, porqueo
sõdio e
o
litio atraem
umamaior
quantidade demol6culas de
ãgua queo
cãlcio
ou
o
magn6-sio.
Mielenz
e
King (1955,
in
Grim,
1962)
apresentam resultadosde
expansão em dJferentes
ti
posde
argi
lo-ni
nerais,
emque
umamontmorl I onl
ta,
contendo sõd1o comocãtl
on
trocáveI
,
mostrou aumentos rel
ati
vos de
volume
da
ordemde
1.400
a
I.600%,
Entreos
diferentes
ti
posde
argilo-mi
nera is,
os
menores valores
fo-ram a pres en tados
pelas
caul i nitas,
!'lhi
te
(t958)
efetuou
ensaios
de
adsorçãode
ãgua emdife
-rentes
ti
posde
minerais,
encontrandoos
ma iores
valores
(l.100
a
'l .200%de
ãgua adsorvida)
para
as
montmori I onitas
com
al tacapacidade
de
troca
de
cãti
ons
(CTC)
e
queti
nham Nae
Li
comocãti ons
trocãveis
(cT).
As caul i nitas
apresentaram valores
cer-ca de
I0
vezes menores.Quanto
ao
teor
emargiIa,
Graft-Johnson' Bhatia
e
Yeboah(1974),
es tud andofol
hel hos argì Iosos,
si
ltosos
e
arenososr
en-contraram mai
ores
valores
de
expansãopara
os
arg i Iosos
(=6%) ,m6dios
para
os
siltosos
(=3%)e
menorespara
os
arenosos ("0,5%IA di mensão
das partícu
las
estã,
por
sua vez,
1 i gadaã
prõ-prì
a
n a tureza
dos arg i Io-m i nerais.
Quanto menora
sua d i mensã0,maior serã
a
superfíc
ie
especifica,
maior serã
a
capacidade
deadsorção
e,
portanto,
maior serã:a
expansão(Didier, 1972).
Nocaso das esmecti
tas
as
dimensões daspartícul as
encontram-sea-baixo
de
0,ì
mìcron
e
a
superfícìe especÍfica
teõr'ica 6
¿eI
x
t06.r2lg (G.i*,
1958).Ao níve
l
das rel
ações interparti
culares
resul tamas
carac-terísticas
de
estrutura
e
de
dens i dade
seca,
que têm um apreciãvel
efei
to
na
expa n são
e
pres sãode
expansão. As particu
1as
deargiìa
podemse
arranjar
emestruturas diversificadas
a
partir
do
posi ci onamentode
umas em re l açãoãs
outras'
Daí
decorrem diferentes
estruturas
de acordo
comos
posi cionamentos "face-face"," canto- canto "
,
"canto-face",
etc.
(Grim,
1958).
Essasestrutu
cargas na
superfíci e
das
partícul
as,
que geramatração
e
repu I _são
entre
elas.
Essesefei
tos
sãoainda
dependentesda
naturezados
eìetrõl
itos
domeio.
Resut tam disso
as
estruturas
ditas fto
culadas ou
dispersas
(Lambe,tg5g),
Essas associ açõesentre
aspartículas
de
argila,
e
entre
estas
e
outras
partÍculas
do
solo,são
denominadas demicroestruturas do
solo.
Kulkarni e
Katti
(.l974
)
apontama
inf
luônc.ia
da microestrutura
na expansão e pressão
de e xpa n sãoa
parti
r
do estabelecimento
de mode Ios
físjcos
baseados
na
rel açãoespacìal
entre
as
partícu
Ias
de
umsolo
ar-giloso.
Chegama
propor
equaçõesque,
utjlizando
valores
de
certos
parâmetrosfís
icos
do
soio
(teor
emfração
argila,
índ i cede
vazios,
expansãoe
pressãode expansão),
permitemcalcular
aexpansão
e a
pres sãode
expansãode
umapartícuì
a
i ndi vidual
dosolo
estudado.As
macroestruturas (ìaminações,
estratificações
e
outrasfeições
macroscõpicas),
refletem,
por
suavez,
as cond.ições
de deposiçãoe
de
compactaçãoe
tambãminf
luenc.iama
expansibitida
de.
Quando
se
trata
de
amos tras
i ndeformadas,ou
intactas,
as'expansões são
mais
elevadas quandoperpendiculares
ãs
estrutu
j
ras
(Murayamae
Yagi,
I966;
Graft-Johnson,
Bathia e
yeboah, 1974;Frazão,
Mioto
e
Santos,
I976).
Pa
ra
amos tras
remoì dadasas
es tru turas
parecem infl
uenci ara
expansãode
modo diferente.
Satyanarayna (t974),
trabal
houcom
solos
expansivosda
India
("black
cotton
soils,'),
compacta-dos
estãtica
e
dinamicamente,e
ensaiados emdiferentes
dire
ções em
relação ãs
direções
de
compactação. Conc'luiu
queos
va-I
ores
de
expansãoe
de
pressãode
ex pa nsão
crescemda
d i reçãohori
zontal
at6
458 em re I açãoa
esta,
para decrescer
ã
medi daque
se
aprox'i mada
verti
cal.
Cita,
ainda,
queos
maiores
valo
-res
foram encontrados para
os
corpos
compactadosestati
camentee que,
para qualquer dos
processosde
compactação usados¡
osmai
ores
valores
de
expansãoe
pre s sãode
expa nsãode
deram paramaiores densi dades secas
e
menoresteores
de
umi dadeiniciais.
Viajayvergia
e
Ghazzaly
(1974)
chegaramãs
mesmasconclu
-sões em
rel
açãoã
intl
uência
da
dens i dade s ecae
teor
de
umie
1975),
conclui ser a
dens i dade secao
único parâmetro
fís
i corealmente
significativo
na
pressão de expansã0.Bracktey
(t974)
chegou
ã
mesma conclusão,
trabal
hando com índice
de
vazios
desolos,
Didier
(1972)
encontrouos
maioresvaìores
de
pressão deexpansão tambãm
para
maiores densidades secas.Com
relação
ã
cimentaçãodiagen6tica,
Brekke(t965)
e Didier(1972)
ressal tam queesta
diminui
a
expansã0, peìa rigi
dez
quecri
a
na es tru tura
do solo.
Quanto aos
fatores
externos,
estes
sãofortemente
dependentes
das
caracterÍsti
cas geolõgicas
e
ct i mãticas
e
dasativida
-desantrõpi
cas.
Ascaracterísti
cas
geol õg i cas
e
ct i mãti cas
res-pondem
pela
origemdos
solos
expansivos,
peto
histõrico
das
tensões
sofri
das
pe 1oestrato
expans ivo
e
peìa
flutuação do
1ençotfreãti co,
Asati
vi dades antrõpicas
res ponderãopelas modifica
-ções causadas ao
meio, prlncipalmente pela
imptantaçãode
obrascivis
de
diferentes
naturezas,
que I evama
alterações
locais
doequilíbrio
tenso-deformaci onaI
desse mei o,Dessa
forma, a
manifestaçãoda
expansão, or¡o
desenvolvi
-mento
de
pressõesdurante
o
processo,
podeou
nãoacontecer.
Dependerão essencialmente do
grau
de
conhecimentosobre
a
nature-za
dos materi ais
na tura is
sobre
os
quais
ou
comos
quais
se
pretende
'trabal
har,
para
queo
desequilíbrio
i mpostoseja
el i mina-do ou
mantido sob
controle.
4
MET0D0L0GIAS UTIL IZADAS NA AVAL IA,ÇÃ0 DA TXpANSIBIL IpADE C0NSTANTES DA LITERATURA
A expansibi
lidade de
umsolo,
ou de
umarocha,
podese
avaliada
a
partir
de
diversos
critõrios.
Baseiam-sena
composiçãomi neral õgi
ca,
no
teor
emfração
argila,
nos
limites
de
consis
-tên ci
a
e
nos ensaios
de
expansãoe
de
pressãode
expansão(
DeLambal ì
eri
e,
.l962e
Horta
da
Silva,
ì 975).
4.1
cRITERI0 BASEAD0 NA C0Mp0SIç40 MINERAL0GTCA,
0
critério
baseadona
composiçãomineralõglca
assenta-se na na tu reza dos argi
I o-mi neraìs
presentes,
com atenção especì aI
naqueles de
rede
cristal
ina
expansiva,
ondese
destacamos
do grgAssoci adas
ã
na tu reza
dos argi I o-mi nerais,
e
do
seu
teor
na
fração
argi
losa,
o correm propri edades que muitas
vezesauxi-Iiam
na aval ì açãoda
expansibiIidade, por
exemp lo,
a
capacidadede
troca
de
cãtios
(CTC),a
quantidadee os
tipos
de
cãtions
trocãvei
s
(CT), etc.
Apesar
da
CTCapresentar-se
comfaì xas de
valores
mais
oumenos
constantes
para
cadati
po de
argilo-mjneral
(Grim,
1958 e1962), a
mesma podeser
utilizada
como parâmetroauxiliar
na
a-va
li
açãoda
expans i bi 1ìdade, por
pronover
maior
ou menor concentração de
cãti ons trocávei
s
nafração
argi 1a.A
na tu reza
e
o
teor
emcãt,ions
têm infl
uência
ma rc ante
naexpansão, sendo ma i
or,
p.ex"
para
Nae
Li
do
quepara
Cae
MgFi
nk
et al,
1971(in
Horta
da
SiIva,
1975),
verif
i cou quea
ex-pa n são
é
fu n çãoda
porcentagemde
sõdio
trocável
,
que denomi noude
ESP (exchange sodium percentage).
Foi
determi nada pe 1arela-ção
sõdio
trocãvel /CTC, chegandoa
uma escala
de
valores
em queESP>50% definem
solos muito
expansivos,
l0% < tSP <50%,moderada-mente expansi
vos
e
ESP>.I0%,
pouco expansìvos.Basu
e
Arul anandan (l974),
tendo
emconta
queos
solos
a
-presentam cons
tantes
diel6tri
cas
capazesde
serem mensurãveis
,propuseram um m6todo
para
determinaçãoda
dispersão
dielõt,rica
de
solos,
Compararamos
valores
da
di spersão diel6tri
ca obti
dos,com
o
ãbacode
"atividade"
de
Skempton(l953) e
de
Seed,!,loodward
e
Lundgren (1962),
concluindo
que dois dos
prìncìpais
fatores
quecontrol
amas
propriedades
dossolos
(natureza
eteor
de
argila)
sãoos
quemais
afetama
quantì dadeda
disper
-são
diel6trica.
Con s idera
esse
processo como mais
conveniente
'porqu
e
nãoafeta
os
parãmetros 1igados
ã estrutura
dos solos.
4.2
CRITERIO BASTADO NOS LIMITES DT CONSISTÊNCIANo
cri
tõri
o
baseadonos
lìmites
de
consistência
anaj i sa-sea
expansibilìdade
a
partir
dos
valores
dos
limites
da
pìastici-dade
(LP),
de
ìiquidez
(LL),
de
contração
(LC) e
o
índice
depl
asti
cidade
( IP).
A
compos i ção mi nêra I õg ica serve
comopropri
edadeíndi
ce
,permitindo
inferìr
se
umsolo
ã
passivel
ou
nãode
apresentar exstên-cia
permi tem uma ava l i ação quantitati
va
de
potencialidade
de
expansã0,
Jantey
e
Brink
(1952,
in
Horta da
Silva,
1975)preconiza
-ram serem expansivos
solos
com LL>30%, IP>l2%e
LC>8%.Skempton
(1953,
in
Grim,
1962)
propôso
conceito
de
"ativi
dade"
(A)
queconsiste
emrelacionar
o
IP
como
teor
empartícu
'I
as
<2¡rmclassificando
os
soì09
eminativos,
normaise
ativos
para
cl assesde
valores
entre 0,5
e
2.Van
der
Merwe (l964,
in
Horta
da
Si I va,
1975)
compartimen-tou
os
solos
emgraus
de
potenci al i dadeã
expansão,relacionan-do
va lores de "atl
vi dade"
de
Skempton,para substratos
geolõgi-cos
divididos
em camadas
de
proprì edades i dônticas
e
a
diferen-tes
profundidades, 0bteve
um ãbaco
onde são defi nidas
ãreas
li-mì
tadas
por valores
deatividade
de
0,5,1
e
2,
para
graus
depoten ci al i dade
ã
expa n são baixo,
m6d i o, el evadoe
muito
el evado,nesta
ordem.Hol
tz
e
Gibbs (1956)
afirmaramque
IP
e
LL
sãoútei
s
paradetermi
nar característi
cas de
expansibilidade
de
argiIas.
Segundo Seed, llloodward
e
Lundgren(1962)
apenaso IP,
iso-I adamente, pode
ser
usado como i ndi caçãoda
expansìbi I ì dade.Altmeyer (.l955,
in
Chen, 1975) sugereo limite
de contra
-ção
e
a
contração
I inear
para
determi naçãodo
poten ci aI
de
ex
-pansão, em
que, de
acordo
com escala
de
valores
desses dois
ín-di
ces,
classjfica
os
solos
em graus
de
expa nsão denominados
decríti
co,
moderadoe
nãocríti
co.Seed, Woodward
e
Lu ndg ren
(ì 962)
estabel eceram experi men-talmente correlações
entre potencial
de
expansão(S), teor
emfração
arg i1a (C)
e
índice
de "ati
vidade"
(A),
a
parti
r
de
amostras
preparadasartificialmente,
chegandoa
classificar
osgraus de
expa n são em:baixo,
mãdìo, alto
e
muito
a1to,
para
di-feren
tes
classes
de
valores de
S.Viajayvergìa
e
Ghazzaly
(1974 ),
propõema
rel
açãoentre
oteor
de
umidade
inicial e limite
de
l
iquidez
para
ava l iação
da expansã0, denominando essarelação
de
indice
de
expansão4.3
CRITERIOS BASEADOS EM ENSAIOS DE EXPANSAONos ensai
os
de
expansã0, procu ra -se
medir
as vari
ações
devolume do
materìal,
comou
sem sobrecarga ìmpostaa
eleDentre
estes
o
mais simples
ã
o
proposto
por Foster
(
in
Zandonadi
e
Santos,
197?)
denomi nadode
teste
de
i nchamento oude
expansãoIivre.
Cons i ste
em mergulhar
'l
g
domaterial,
naforma
de
põ,
em umaproveta
gra du ada
com capaci dadede
100 m1 ,com ãgua
destitada,
e
ler
o
volumeapresentado,
ap6s 24h. Thenoz,Fa rra
n
e
Capdecomme ( .l966)
e
Chen(l975)
ci tam um proce s so
semeI
hante ao
descri
to
aci ma, em queos
resu Itados
são apresentadosem porcen tagem
a
parti
r
da
diferença
entre
o
vol umeinicial,
seco,
e
o
vo I ume final,
ap6sa
imersão em ãgua.Che
n
(1975)
cìta
um p roced i mento
para a
determi naçãodo
po tencial
de
ex p an são que consiste
emmedir
a
varì açãode
v ol umede
umcorpo
de prova,
confinado
lateralmente,
com densidademá-xima
obtida
por
compa c ta ção aoõti
mode
umìdade,
após embeb ì çãoem ãgua,
Lambe
(1960,
in
Chen,1975)'
desenvol veu um proces so
paramedir
o
potencial
da mudançade volume.
Nesteprocesso'
umaa
-mostra,
confinada
lateralmente,
pr6-compactada, com sobrecarga,e
ã qual
õ
fornecìda ãgua,
é
i mpedida
de
expandir
por
d uasho
-ras,
pela
açãode
umanel
di namométrico.
A
leitura
da
deforma-ção
ã
convertida
em pressãoó
o
valor
ã
denominadoindi
ce
dee xpan sã
o (IE).
Estabel ece categori as'de
muito críti
ca
e
nãocrí
ti
ca
para
dìferentes
valores de
It.
Esse proce s so
foi
designadope
ìa sìgla
PVC ("potenti
al
vol ume change ").
Para amostras indeformadas
de
solos
e
de rochas,
a
iSRM(1971)
su gere
a
medidada
expa n são
uni axì al,
comsobrecarga,
esem
sobrecarga,
com resultados
apre s e ntados emporcentagens.
0pri
meiro
processofoì
uti
Iizado por
Nascimento, 0l i veira
e
Gra-ça
( ì966)
e
Ducan, Dunnee Petty
(1968)
para
diferentes ti
posde
rochas,
0
segundo proces so
foi
uti
I i zadopor
Murayamae
Yagi(1966), para
argi ì itos
estrati
fi
cados,
e
por
Frazão,
Mìoto
eSantos
(i976)
para
argilitos,
fol
hel hos argììosos
e
arenitos
ar4.4
CRITERIOS BASEADOS EM TNSAIOS DE PRESSÃO DE EXPANSÃOPa
ra
os
propõsitos
da
Geo log ia
de
Engenharia,
mu itas
vezes,mai
s
ì mportante que determinar,
direta
ou
i ndiretamente, a ex
_pansão,
õ
conhecer qual
a
pre s são queo
materi aI
pode man ifes
-tar
nesse
pro ces so.
E,
depe ndendo do
ti
po de
obra
civjl,
adota_-se
o
m6todode ensaio
que merhorrefr
ita
as
cond 1 çõesãs
quaisestã
submetidoo
material
,'.in
situ,'.
Assim sendo,
a
própria
defi
n i çãodo
queseja
pressãode
expa ns
ão
fi
ca
dependendodo
métodode
ensaio,
ou
vice-versa.
Jenning
(t963,
in
Agarwale
Sharma,1974)
cita
diferentes
defi ni ções
de
pressãode
expansão,quais
sejam:a)
pres são que deveser
apl i cadapara
que não a con teça
nemexpa ns
ão,
nemcontração,
q ua ndo uma amostra
,
sob pressã0,
é
submeti
da
ã
i nundação )b)
pre s são necessãria
para
mantera
amostra
emseu
vol umeorìginal
quando6
i nundada,sob
cond.i ções
de
pressãooriginal;
c)
pressão necessãrla
parå
ma nter
â
arnostrano
seu
vol umede
campo quandoé
i nundada,isto õ,
sem modìfi
caçãode
vol umesob carga
ìgual
aquela
de soterramento,
ed)
pres são necessãr.ia
para
comprimir
a
amostra
ao
seu volume
originaì,
quandoé
inundadae
deixadaexpandir livremente
sobpequena pressão.
A
definição
a
õ
a adotadapela ISRM(197t),
Brekke(196S)
, Agarwale
Sharma(1974),
D.idier
(1972e
1974),
em quea
amostra,no
ensaio,
sofre
apenas uma pequ ena pressãode
ajuste
ou de
acomodação
do sistema,
masdeixa
emaberto
a
questãodas
cond.i çõesoriginais
de
pressãosobre
a
amostra;
o
que nãoacontece
comas
defi ni ções constantes
nos
itens
b
e
t.
A
questão da ma nu te nçãodo
vo I ume con s tante
de
amostra sob sìtuação
de
pres sõesori
gi nal,
oude
campo,
refl ete
melhor
assi tuações que preval ecem em fundações
de obras
cjvis.
0s
méto-dos.de ensaio
quese
basei am nessasdefi
nições
são
vulgarmentechamadas de m6todos
