UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO – UFPE CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS – CTG
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL MESTRADO EM ENGENHARIA CIVIL
Klayde Janny da Silva Veríssimo
AVALIAÇÃO DA COLAPSIBILIDADE E RESISTÊNCIA DE
PONTA EM UM SOLO ARENOSO COMPACTADO DE
PETROLINA-PE COM E SEM INUNDAÇÃO
Klayde Janny da Silva Veríssimo
AVALIAÇÃO DA COLAPSIBILIDADE E RESISTÊNCIA DE
PONTA EM UM SOLO ARENOSO COMPACTADO DE
PETROLINA-PE COM E SEM INUNDAÇÃO
Dissertação submetida ao corpo docente da coordenação do Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de mestre em Ciências em Engenharia Civil.
Orientador: Silvio Romero de Melo Ferreira
Catalogação na fonte
Bibliotecária Valdicéa Alves, CRB-4 / 1260
V516a Veríssimo, Klayde Janny da Silva.
Avaliação da colapsibilidade e resistência de ponta em um solo arenoso compactado de Petrolina-PE com e sem inundação / Klayde Janny da Silva. - 2016.
144folhas, Il. e Tab.
Orientador: Profº.D.Sc. Sílvio Romero de Melo Ferreira.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, 2016.
Inclui Referências e Apêndices.
1. Engenharia Civil. 2. Solos colapsíveis. 3. Colapsibilidade. 4. Resistência de Ponta. I. Ferreira, Sílvio Romero de Melo (Orientador). II.Título.
UFPE
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
A comissão examinadora da Defesa de Dissertação de Mestrado
AVALIAÇÃO DA COLAPSIBILIDADE E RESISTÊNCIA DE PONTA EM UM SOLO ARENOSO COMPACTADO
DE PETROLINA-PE COM E SEM INUNDAÇÃO defendida por
Klayde Janny da Silva Veríssimo
Considera a candidata APROVADA
Recife, 05 de maio de 2016
Banca Examinadora:
___________________________________________ Prof. Dr. Silvio Romero de Melo Ferreira – UFPE
(orientador)
__________________________________________ Prof.ª Dr.ª Stela Fucale Sukar – UPE
(examinadora externa)
__________________________________________ Prof. Dr. Joaquim Teodoro Romão de Oliveira– UNICAP
Dedico esta dissertação ao meu marido Gabriel, ao meu filho Marcus Vinícius, à minha mãe Carmenes e às minhas irmãs Kátia e Katianne. Vocês são a razão de minha alegria!
A Deus, por todos os momentos que tenho tido em minha vida, pelas muitas coisas que aprendi, pelos muitos valores que guardei e pelas vitórias que conquistei.
À minha mãe, Carmenes Tavares, meu infinito agradecimento. Por ser uma excelente mãe e um exemplo de mulher, acreditando em minha capacidade e me incentivando a fazer sempre o melhor. Obrigada pelo amor incondicional!
Ao meu filho, Marcus Vinícius, minha fonte de inspiração.
À minha irmã Katianne Veríssimo, que acabou por se tornar grande parceira nessa longa caminhada e minimizou significativamente os obstáculos apresentados. Com imenso carinho e gratidão te digo muito obrigada!
Em especial, ao meu grande amor, Gabriel Fonseca, por viver este sonho comigo e estar ao meu lado nos melhores e piores momentos de minha vida me apoiando com todo carinho e amor.
Meu muitíssimo obrigado ao meu orientador Professor Dr. Sílvio Romero. Obrigada por acreditar em mim e aceitar-me como orientanda, incentivar-me, apoiar-me sempre que precisei.
Ao Técnico Leandro Roberto por toda ajuda e orientação nos ensaios realizados no laboratório de Geotecnia da Universidade Católica de Pernambuco
Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFPE e aos professores do departamento, pela oportunidade, capacitação e pelos conhecimentos transmitidos.
Meu carinho e agradecimento a minha amiga e chefe Marileide Brito pela compreensão e incentivo.
E a todas as pessoas que de alguma forma colaboraram para a realização e conclusão deste trabalho, meus sinceros agradecimentos!
“Nas grandes batalhas da vida, o primeiro passo para a vitória é o desejo de vencer. ” Mahatma Gandhi
A colapsibilidade dos solos é um fenômeno típico de solos porosos, quando saturados apresentam variação de volume, podendo provocar danos significativos nas obras de engenharia, comprometendo total ou parcialmente estas obras. A ocorrência de solos colapsíveis é observado em vários municípios do Estado de Pernambuco, e em particular no Município de Petrolina. A investigação geotécnica e o entendimento de como se processa o fenômeno é imprescindível para a elaboração de projetos e a diminuição de possíveis danos às construções assentadas sobre esse tipo de solo. O objetivo desse trabalho é avaliar a variação de volume e de resistência de ponta com e sem inundação em solo compactado. A variação de volume devido à inundação foi avaliada utilizando ensaios edométricos simples e duplo e a resistência de ponta por meio de penetrômetro estático, em solo de um Conjunto Habitacional do Programa Minha Casa, Minha Vida, localizado no Município de Petrolina-PE, nos graus de compactação de 80%, 85%, 90% e 95% e nas umidades natural (0,22%), 4,00% e 7,00%. O solo é essencialmente arenoso com mais de 90% de sua composição de areia, fração argilosa < 8% e praticamente sem presença de silte. O solo é mau graduado (CU < 5%), não liquido e não plástico, se enquadra no grupo SM (Areia Siltosa) na classificação do SUCS o valor máximo do potencial de colapso atingido nos ensaios edométricos simples foi de 13,41% na tensão de 640 kPa no solo com GC 80% e umidade de 4,00% e o valor mínimo foi de 0,24,00% na tensão de 10 kPa, GC 95% e umidade de 7,00%. Os valores dos potenciais de colapso (CP) diminuem com o acréscimo de umidade inicial e grau de compactação. A sua resistência de ponta cresce com o aumento do grau de compactação, umidade e profundidade, atingindo valor de 19,17 MPa para GC = 95% e umidade 7,00%. Há perda de resistência de ponta durante o processo de inundação que depende da umidade inicial e grau de compactação e há acréscimo, no solo saturado após o colapso. A variação de volume e a resistência de ponta devido à variação de inundação são influenciadas pelo grau de compactação e umidade inicial do solo
The collapsibility soil is a typical phenomenon of porous soil when saturated present volume variation, which can cause significant damage to the engineering works, committing all or part of these works. The occurrence of collapsible soils is observed in several municipalities in the state of Pernambuco, and in particular in the city of Petrolina. Geotechnical investigation and understanding of how processes if the phenomenon is essential for the development of the project and the reduction of possible damage to buildings settled on this type of soil. The aim of this study is to evaluate the change in volume and tip resistance with flooding in compacted soil. The volume change due to flooding was assessed using single and double oedometric tests and tip resistance through static penetrometer in soil of a housing program of the Minha Casa, Minha Vida, located in the city of Petrolina, in degrees compretion of 80%, 85%, 90% and 95% and the natural moisture (0.22%), 4.00% and 7.00%. The soil is mainly sandy with more than 90% of its sand composition, clay fraction < 8% and virtually no presence of silt. The soil is poorly Graduate (CU <5%), not liquid and not plastic, falls within the SM group (silty sand) in classification SUCS. collapsing the maximum value of the potential in achieving simple oedometric assays was 13.41% at 640 kPa in the ground stress to GC 80% moisture and 4.00% and the minimum value was 0, 24,00% at 10 kPa pressure, GC 95% and humidity of 7.00%. The values of the collapse potential (CP) decrease with the initial moisture increase and degree of compaction. Its tip resistance increases with increasing the degree of compaction, humidity and depth, reaching a value of 19.17 MPa GC = 95% moisture and 7.00%. There is loss of peak strength during the flooding process that depends on the initial moisture content and degree of compaction and there is an increase in the saturated soil after collapse. The volume change and the tip resistance due to flood variations are influenced by the degree of compaction and soil initial moisture
Figura 1 – Elemento de solo não saturado - Carvalho et al (2015) ... 21 Figura 2 – Porcentagem de solos colapsivos encontrados nas regiões do Brasil – Ferreira (2008) ... 28 Figura 3 - Algumas ocorrências dos solos colapsíveis no Brasil - Adaptado de Ferreira (2008) e Rodrigues e Vilar (2013) ... 29 Figura 4 – Modelos propostos para estruturas instáveis de solos colapsíveis - Dudley (1970) e Clemence e Finbarr (1981) apud Ferreira (1995). ... 31 Figura 5 – Microestrutura do solo (amostra indeformada) – Silva (2003). ... 32 Figura 6 – Interpretação microestrutural do colapso e do adensamento - Presa (1997) . 34 Figura 7 – Variação do potencial de colapso com o peso específico aparente seco para mesma umidade inicial e diferentes tensões verticais de inundação. Guimarães Neto (1997) ... 40 Figura 8 – Ensaios Edométricos- Lutenegger e Saber (1988). ... 46 Figura 9 – Danos em edificações ocasionados pelo colapso do solo - Rodrigues e Lollo (2008) ... 48 Figura 10 – Conjunto Habitacional Privê Village – Petrolina/PE - Silva (2003) ... 49 Figura 11 – Eixo Leste do canal de irrigação - Munícipio de Custódia/ PE - Mendonça Neto (2010), ... 49 Figura 12 – Perfil de Sondagem e Nspt do Solo de Petrolina – Torres (2014) ... 50 Figura 13 – Caracterização física do solo: a) distribuição granulometria e b) curvas de compactação e saturação - Torres (2014). ... 51 Figura 14 – Resistência de ponta obtida com penetrômetro estático: a) solo natural, b) solo inundado e c) relação entre a resistência de ponta no solo natural e inundado - Torres (2014). ... 51 Figura 15 – Resistência de ponta obtida com penetrômetro de impacto (DPL): a) solo natural, b) solo inundado e c) relação entre a resistência de ponta no solo natural e inundado - Torres (2014). ... 52 Figura 16 – Resultado dos ensaios edométricos simples e duplos - Torres (2014) ... 53 Figura 17 – Curvas de deformação volumétrica específica e do potencial de colapso com a tensão vertical aplicada obtidas através de ensaios de laboratório e de campo - Torres (2014). ... 53
compacidade estudados (Edométrico Simples) - Santos Neto (2015) ... 54
Figura 19 – Curvas de deflexões para o solo no estado natural e inundado: a) ensaio de LWD com kg massa de 10 kg e b) ensaio de LWD com massa de 15kg - Borges (2016). ... 56
Figura 20 – Curvas de deflexões individuais para o solo no estado natural (Área A) e inundado (Área C) - Borges (2016) ... 57
Figura 21 – Análise comparativa entre as massas de 10 e 15 kg para o solo no estado natural e inundado: a) área A; b) área C - Borges (2016)... 58
Figura 22 – Processo de compactação dos corpos de prova para o ensaio edométrico. . 63
Figura 23 – Moldagem do corpo de prova em Lisímetro ... 64
Figura 24 – Preparação do corpo de prova em cilindro Proctor ... 66
Figura 25 – Ensaio de Penetração Estática ... 69
Figura 26 – Etapas do Ensaio CPT com Inundação ... 70
Figura 27 – Caracterização Física do Solo ... 72
Figura 28 – Microestrutura do Solo Natural ... 73
Figura 29 – Porcentagem de volume de sólido, líquido e ar nas diferentes umidades e graus de compacidade – Ensaios edométricos simples. ... 75
Figura 30 – Porcentagem de volume de sólido, líquido e ar nas diferentes umidades e graus de compacidade – Ensaios de resistência de ponta. ... 76
Figura 31 – Critério de DESIGN OF SMALL (1960 – 1974). ... 77
Figura 32 – Variação do índice de vazios com a tensão vertical de consolidação, na umidade natural. ... 78
Figura 33 – Variação do índice de vazios com a tensão vertical de consolidação, na umidade de 4,00%. ... 79
Figura 34 – Variação do índice de vazios com a tensão vertical de consolidação, na umidade de 7,00%. ... 80
Figura 35 – Critério de Reginato e Ferrero (1973). ... 81
Figura 36 – Variação do índice de vazios com a tensão vertical de consolidação na umidade natural, nos diferentes Graus de Compacidade (GC). ... 84
Figura 37 – Variação do índice de vazios com a tensão vertical de consolidação na umidade de 4,00%, nos diferentes Graus de Compacidade (GC). ... 85
Figura 38 – Variação do índice de vazios com a tensão vertical de consolidação na umidade de 7,00%, nos diferentes Graus de Compacidade (GC). ... 86
Figura 40 – Potenciais de colapso das amostras com mesmo GC e diferentes umidades ... 88 Figura 41 – Potenciais de colapso com a variação do grau de compactação para as umidades estudadas. ... 89 Figura 42 – Potenciais e Colapso com a Variação de Umidade para os Graus de Compactação Estudados ... 90 Figura 43 – Potencial de Colapso com a Tensão Vertical aplicada obtidas através de ensaios de laboratório e de campo. ... 91 Figura 44 – Deformação Volumétrica na Umidade de 0,22% e Diferentes Graus de Compactação ... 91 Figura 45 – Deformação Volumétrica na Umidade de 4,00% e Diferentes Graus de Compactação ... 92 Figura 46 – Deformação Volumétrica na Umidade de 7,00% e Diferentes Graus de Compactação ... 93 Figura 47 – Deformação Volumétrica: a) Em Laboratório, b) Em Campo (TORRES, 2014) ... 94 Figura 48 – Microestrutura do Solo Após o Colapso ... 95 Figura 49 – Variação do potencial de colapso associado a tensão de expansão, índice de vazios crítico e grau de saturação crítica ... 96 Figura 50 – Gráficos de Análises dos Componentes Principais dos Ensaios Edométricos Simples ... 97 Figura 51 – Variação da resistência de ponta com a profundidade obtidos em amostras compactadas em lisímetros: a) W = 0,22%, b) W = 4,00%, c) W = 7,00% ... 99 Figura 52 – Comparação variação da resistência de ponta em campo e laboratório. ... 100 Figura 53 – Resistência de ponta do solo com diferentes graus de compactação e umidades de moldagens: ... 102 Figura 54 – Saída de bolhas de ar dos corpos de prova. ... 103 Figura 55 – Variação da resistência de ponta com: (a) índice de vazios, (b) desvio de umidade. ... 104 Figura 56 – Gráficos de análises dos componentes principais dos ensaios de resistência de ponta. ... 105 Figura B.1 – Gráfico das variáveis do ensaio edométrico...125 Figura C.1 – Gráfico das variáveis referente a resistência de ponta...129
Tabela 1- Ocorrência de solos colapsíveis em diversos países- Medero (2001), Vilar
(2015) ... 27
Tabela 2- Critérios de identificação do colapso baseados nos índices físicos e Limites de Atterberg- Futai, 1997 Modificada por Torres, 2014. ... 42
Tabela 3 – Métodos indiretos e diretos de identificação de solos colapsíveis - Modificado por Ferreira (1995) ... 43
Tabela 4- Comparativo entre o teor de finos e a probabilidade do solo em sofre colapso- Handy, 1973, Lutenegger e Saber, 1988. ... 44
Tabela 5- Classificação de Jennings & Knight e da Norma ASTM D5333/96 ... 45
Tabela 6- Classificação de Lutenegger e Saber (1988) ... 45
Tabela 7 – Programa de investigação geotécnica ... 59
Tabela 8 – Características dos Lisímetros ... 64
Tabela 9 – Características dos cilindros Proctor ... 66
Tabela 10 – Variação da porcentagem de volume de sólido, líquido e ar com os graus de compactação e umidades estudadas – Ensaios edométricos simples. ... 74
Tabela 11 – Variação da porcentagem de volume de sólido, líquido e ar com os graus de compactação e umidades estudadas – Ensaios de resistência de ponta. ... 74
Tabela 12 – Índices de Compressão do Solo - (Cc) ... 82
Tabela 13 – Índices de expansão do solo - (Cs) ... 83
Tabela A.1– Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 85% e W= 0,22% ...116
Tabela A.2 – Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 90% e W= 0,22%...116
Tabela A.3 – Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 95% e W= 0,22%...117
Tabela A.4 - Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 80% e W= 4,00% ...117
Tabela A.5 - Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 85% e W= 4,00%...118
Tabela A.6 - Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 90% e W= 4,00%...118
Tabela A.7 - Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 95% e W= 4,00%...119
7,00%...119
Tabela A.9 - Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 85% e W= 7,00%...120
Tabela A.10 - Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 90% e W= 7,00%...120
Tabela A.11 - Índices Físicos das Amostras dos Ensaios Edométricos com GC= 95% e W= 7,00%...121
Tabela B.1 – Estatísticas descritivas...123
Tabela B.2 – Matriz de correlação (Pearson (n)) ...123
Tabela B.3 – Análise de Componentes Principais (autovalores) ...123
Tabela B.4 – Análise de Componentes Principais (autovetores) ...123
Tabela B.5 – Cargas fatoriais ...124
Tabela B.6 – Correlações entre as variáveis e fatores ...124
Tabela B.7 – Contribuições das variáveis (%) ...124
Tabela B.8 – Cossenos quadrados das variáveis ...124
Tabela C.1 – Estatísticas descritivas...127
Tabela C.2 – Matriz de correlação (Pearson (n)) ...127
Tabela C.3 – Análise de Componentes Principais (autovalores) ...127
Tabela C.4 – Análise de Componentes Principais (autovetores) ...127
Tabela C.5 – Cargas fatoriais ...128
Tabela C.6 – Correlações entre as variáveis e fatores ...128
Tabela C.7 – Contribuições das variáveis (%) ...128
CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO ... 17 1.1 Considerações Iniciais ... 17 1.2 Justificativa ... 18 1.3 Objetivos ... 19 1.3.1 Objetivos Específicos ... 19 1.4 Estrutura da dissertação ... 19
CAPÍTULO II – REFERENCIAL TEÓRICO ... 21
2.1 Solos Colapsíveis ... 21
2.1.1 Origem dos Solos Colapsíveis ... 24
2.1.2 Locais de Ocorrência dos Solos Colapsíveis ... 26
2.1.3 Características e Estrutura dos Solos Colapsíveis ... 29
2.1.4 Mecanismo do Colapso ... 33
2.1.5 Principais Fatores que Influenciam o Colapso ... 35
2.1.6 Métodos de Identificação ... 41
2.1.7 Danos Provocados pelo Colapso do Solo ... 46
2.2 Aspectos Geotécnicos do Município de Petrolina-PE no Colapso ... 50
CAPÍTULO III – MATERIAIS E MÉTODOS ... 59
3.1 Caracterização Física ... 59
3.2 Caracterização Microestrutural... 60
3.3 Preparação das Amostras e Corpos de Prova ... 61
3.3.1 Preparação das Amostras ... 61
3.3.2 Preparação dos Corpos de Prova dos Ensaios Edométricos Simples e Duplos ... 62
3.3.3 Preparação dos Corpos de Prova em Lisímetros para Avaliação da Resistência de Ponta ... 63
3.3.4 Preparação dos Corpos de Prova em Cilindros do Proctor Normal para Avaliação da Resistência de Ponta em Solo Inundado ... 65
3.4 Ensaios Edométricos ... 66
3.4.1 Ensaios Edométricos Duplos ... 67
em Lisímetros ... 68
3.6 Ensaios de Avaliação da Resistência de Ponta em Solo Inundado em Cilindro Proctor ... 70
3.7 Análise dos Componentes Principais que Influenciam o Colapso e Resistência de Ponta do Solo ... 71
CAPÍTULO IV – RESULTADOS E ANÁLISES ... 72
4.1 Caracterização Física ... 72
4.2 Caracterização Microestrutural... 73
4.3 Influência da Umidade e do Grau de Compactação nas Características Físicas do Solo ... 74
4.4 Avaliação da Colapsibilidade ... 77
4.4.1 Edométrico Duplo ... 77
4.4.2 Edométrico Simples... 84
4.4.3 Caracterização Microestrutural Após o Colapso ... 94
4.4.4 Relação entre distribuição granulométrica, compactação, compressibilidade, colapso e microestrutura ... 95
4.4.5 Análise dos Componentes Principais ... 96
4.5 Avaliação da Resistência de Ponta ... 98
4.5.1 Influência da Inundação na Resistência de Ponta ... 101
4.5.2 Análise dos Componentes Principais em Relação à Resistência de Ponta . 104 CAPÍTULO V– CONCLUSÕES E PROPOSTAS PARA NOVAS PESQUISAS 106 5.1 Principais Conclusões ... 106
5.2 Proposta para Novas Pesquisas ... 107
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 108
APÊNDICE A – TABELAS DOS ÍNDICES FÍSICOS NAS CONDIÇÕES INICIAIS E FINAIS DAS AMOSTRAS DE SOLO DOS ENSAIOS EDOMÉTRICOS NOS GRAUS DE COMPACTAÇÃO DE 80%, 85%, 90% E 95% NAS UMIDADES NATURAIS, 4,00% E 7,00%. ... 115
APÊNDICE B – ANÁLISE DAS COMPONENTES PRINCIPAIS – PCA. UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA XLSTAT: ENSAIOS EDOMÉTRICOS ... 122
UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA XLSTAT: ENSAIOS DE RESISTÊNCIA DE PONTA ... 126
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO
1.1 Considerações Iniciais
Os modelos utilizados na Mecânica dos Solos Clássica foram desenvolvidos considerando uma condição particular em que o solo se encontrava saturado. Porém, inúmeros casos encontrados na prática da engenharia apresentam situações em que o comportamento geomecânico do solo não é bem descrito pelos parâmetros geotécnicos convencionais, como é o caso dos solos não saturados. Nas últimas décadas, foram obtidos avanços considera base teórica da Mecânica dos Solos para solos não saturados, com a incorporação de novos conceitos e modelos (PRESA, 2015).
A utilização de novas técnicas e equipamentos está possibilitando a determinação do comportamento mecânico dos solos não saturados tanto em laboratório quanto em campo.
O auxílio de novas ferramentas utilizadas por pesquisadores de diferentes áreas também tem contribuído para o avanço de novas metodologias que possibilitam avaliar e monitorar o comportamento geotécnico de solos não saturados.
As condições microclimáticas são fatores relevantes para que se estabeleça um solo não saturado. Uma grande parcela do território brasileiro está situada em regiões que apresentam climas áridos, semiáridos e tropicais, onde a condição não saturada nos maciços terrosos é muito expressiva. Nos solos não saturados, o comportamento mecânico e hidráulico depende do grau de saturação. Portanto, deve-se ter uma atenção especial nas camadas situadas acima do nível d’água, que apresentam baixa umidade, alta porosidade e argilo minerais expansivos (FREDLUND & RAHARDJO, 1993 apud SILVA, 2009).
Dentre os solos não saturados problemáticos geotecnicamente, destacam-se os solos colapsíveis, que vem provocando sérios problemas de engenharia relacionados à variação de volume e perda de resistência devido à mudança de umidade. A investigação e identificação de solos colapsíveis são etapas fundamentais para o sucesso dos projetos de
engenharia, uma vez que falhas neste estágio podem levar à ruptura de obras ou à necessidade de recuperação. Desta maneira, o conhecimento prévio da existência deste tipo de solo e das condições que potencializam o seu colapso, permite uma melhor adequação das obras de engenharia a esta realidade (FERREIRA, 1995).
1.2 Justificativa
Devido à grande ocorrência de solos não saturados em nosso país, aliado ao crescimento populacional e a consequente necessidade de ocupação territorial, tornou-se cada vez mais comum a construção em regiões onde as condições geomorfológicas, geológicas, pedológicas e climatológicas favorecem a formação de solos potencialmente colapsíveis, o que tem se constituído em um grande desafio para os engenheiros geotécnicos. Diante deste quadro, faz-se necessário um estudo mais aprofundado deste tipo de solo. A falta de investigação ainda na fase de projeto pode causar sérios danos às obras de engenharia, em virtude do colapso do solo, quando aumentado a umidade.
Localizado no sertão Pernambucano, o município de Petrolina é um importante centro de desenvolvimento socioeconômico do estado, atraindo nos últimos anos investimentos significativos do Governo Federal e de Empresas Privadas, o que lhe concedeu uma posição de destaque entre os outros municípios da região. Com esses investimentos várias obras de engenharia foram realizadas, como a construção de barragens, indústrias, canais de irrigação e conjuntos habitacionais. Muitos problemas têm sido relatados nas obras de engenharia deste município, devido à presença de solos colapsíveis não identificados ainda na fase de projeto, como é o caso do Conjunto Habitacional Massangana (CHM), onde foram construídas 1.200 casas nas quais cerca de 50 % apresentaram problemas de fissuras e trincas (ARAGÃO E MELO, 1982). Na construção do Canal Pontal Azul (CPA) com cerca de 35 Km de extensão, também foi encontrado solo colapsível (FUCALE, 2000), e no Conjunto Habitacional Privê Village (CHPV), constituído por quatorze casas, onde oito delas apresentavam fissuras (SILVA, 2003), na construção do Conjunto Habitacional Nova Petrolina também foram encontrados solos colapsíveis por (TORRES, 2014; SANTOS NETO, 2015; BORGES, 2016).
Atualmente, encontra-se em construção vários conjuntos habitacionais ligados ao Programa Minha casa, minha vida, do Governo Federal. Em um deles, Conjunto Habitacional Nova Petrolina, Torres (2014) estudou a variação de volume e da resistência de ponta devido a inundação de através de ensaios de campo com Expansocolapsômetro e com os Penetrômetros Estático (PE) e Dinâmico (DPL). Santos Neto (2015) adicionou ao solo resíduos de construção civil em diferentes proporções visando a estabilização do solo. Borges (2016) analisou a influência da variação do Módulo de Elasticidade obtido com o Light Weight Deflectometer (LWD) com a inundação em campo.
O presente trabalho dá continuidade aos estudos dos solos colapsíveis de Petrolina-PE, analisando o comportamento de variação de volume e da resistência de ponta em amostras do solo compactado em laboratório.
1.3 Objetivos
A pesquisa tem por objetivo avaliar o comportamento da variação de volume e resistência de ponta de um solo colapsível do Município de Petrolina-PE, compactado em laboratório com diferentes graus de compactação e umidade.
1.3.1 Objetivos Específicos
Avaliar a influência da variação do grau de compactação e umidade na colapsibilidade do solo compactado estaticamente em laboratório;
Avaliar a influência do grau de compactação, umidade e inundação na resistência de ponta em solo compactado estaticamente em laboratório;
Avaliar a microestrutura do solo natural antes e após da inundação
Analisar a influência do estado de tensão na colapsibilidade do solo devido à inundação.
1.4 Estrutura da dissertação
No presente Capítulo são apresentados as relevâncias e os objetivos da pesquisa.
No Capítulo II expõem-se o Referencial Teórico, onde são apresentados os conceitos fundamentais relativos aos solos colapsíveis e todo embasamento necessário para a realização dos ensaios, além dos aspectos relevantes referentes ao Município de Petrolina-PE.
O Capítulo III descreve os Materiais e Métodos utilizados no programa de investigação geotécnica realizados em laboratório.
No capítulo IV estão descritas a apresentação e análise dos resultados obtidos por meio de ensaios de laboratório.
CAPÍTULO II
REFERENCIAL TEÓRICO
2.São abordados dois aspectos importantes relacionados ao trabalho da pesquisa: solos colapsíveis e fatores influentes no colapso do solo de Petrolina-PE do Conjunto Habitacional Novo Petrolina abordado por Torres (2014), Santos Neto (2015) e Borges (2016).
2.1 Solos Colapsíveis
Alguns solos não saturados ao se aumentar o teor de umidade ou quando solicitados por cargas e posteriormente umedecidos sofrem variação de volume, denominado de colapso ou expansão (FERREIRA, 1995). Nos solos colapsíveis há uma redução brusca dos índices de vazios e consequentemente uma mudança significativa no comportamento tensão-deformação, quando aumentado o seu grau de saturação, sem que necessariamente haja carga externa adicional.
Embora alguns autores considerem os solos não saturados como um sistema de quatro fases: sólido, ar, água e película contrátil (Figura 1), sendo esta última devido à interface ar-água, a maioria dos modelos constitutivos e o comportamento do solo pode ser explicado considerando como um sistema trifásico (sólido, ar e água), uma vez que a película contrátil possui uma espessura de ordem de poucas camadas moleculares, sendo desnecessário estabelecer uma separação da parte física, do ponto de vista peso-volume (SILVA, 2012).
Desta maneira, a deformação volumétrica de uma camada de solo dependerá da variação de umidade, da distribuição de ar nos vazios e do seu estado tensional. Estes solos se diferenciam dos solos saturados, principalmente pela existência de uma pressão negativa na água dos poros, comumente denominada de sucção, o qual tende a aumentar a tensão intergranular, e consequentemente a resistência e a rigidez do solo (MOTTA, 2006).
Várias definições para solos colapsíveis e explicações para o fenômeno do colapso foram propostas por diferentes autores. A seguir uma seleção das mais relevantes:
Na convenção anual da ASCE (1976), na Filadélfia, definiu-se solo colapsível como sendo solos não saturados, com estrutura porosa metaestável, que ao serem inundados e estando submetidos ou não a um carregamento, experimentam um rearranjo radical de suas partículas com significativa redução de volume (CLEMENCE & FINBARR, 1981). Sua estrutura é mantida pela presença de partículas cimentantes e pela tensão capilar, o que lhe confere uma resistência adicional devido à falsa coesão entre os grãos.
Para Lutenegger e Saber (1988) solo colapsível é aquele que, ao se aumentar o teor de água em seus vazios ou ao ser carregado e posteriormente umedecido, exibe uma redução de volume caracterizada por uma brusca variação do índice de vazios sem que haja aumento das cargas aplicadas.
Cintra (1998) define colapso como sendo um recalque suplementar, repentino e de grandes proporções que alguns solos não saturados apresentam quando submetidos à inundação. Algumas vezes o termo recalque é utilizado para se referir, também, ao deslocamento provocado pela redução de sucção, entretanto, o termo recalque refere-se ao deslocamento vertical produzido apenas pelo acréscimo de carregamento. Vale salientar que o termo colapso deverá ser empregado exclusivamente nos casos em que o fenômeno for provocado pela inundação do solo (diminuição de sucção).
A existência de uma estrutura porosa e o baixo grau de saturação são requisitos essenciais para que um solo se configure como potencialmente colapsível (CINTRA, 1998, apud FEUERHARMEL, 2003). Nestes solos o acréscimo de umidade faz com que a sucção seja dissipada e as ligações entre as partículas são enfraquecidas e/ou destruídas, o que
faz com que o solo não resista mais à tensão aplicada, resultando no colapso de sua estrutura.
Os solos potencialmente colapsíveis apresentam um alto índice de vazios determinando uma estrutura porosa e um baixo teor de umidade, resultando um solo com baixo grau de saturação. Nestas condições o colapso do solo se manifesta por uma brusca redução em seu índice de vazios (SOUZA, 1992).
Futai (1997) descreve colapso como sendo a variação de volume causada pela redução da sucção com o umedecimento, para um determinado estado de tensões isotrópico. E, mais ainda, sugere que as deformações produzidas pelo colapso são plásticas, ou seja, irrecuperáveis
Abelev (1931) observou por meio de ensaios edométricos que algumas amostras quando submetidas a uma tensão vertical de 300 kPa sofriam no momento da inundação um decréscimo brusco de volume, a partir deste estudo o autor introduziu o índice de Potencial de Colapso (CP), Equação 1, propondo que o solo com PC > 2% seria considerado colapsível.
CP (%) =∆ 100 Equação 1
Onde,
∆H é a variação da altura do corpo de prova devido à inundação H0é a altura do corpo de prova antes da inundação
Segundo Reginatto e Ferrero (1973) os solos colapsíveis podem ser divididos em: "Solos verdadeiramente colapsíveis", os quais quando inundados não suportam o seu peso próprio e colapsam, e os "Solos condicionados ao colapso", que quando inundados suportam certos níveis de tensão, colapsando ao ultrapassar estes níveis.
O solo colapsível apresenta uma estrutura instável, porém com uma rigidez temporária mantida pela sucção e/ou cimentação. Essa instabilidade é resultante do aumento da umidade, pois quando esta ultrapassa um limite crítico sobrevém o colapso, devendo a carga atuante também estar acima de um certo limite (CONCIANI, 2005).
Muitas vezes é difícil definir com precisão qual comportamento que o solo apresentará. Ferreira (1995) mostrou um caráter expansivo em alguns solos colapsíveis, devido a um umedecimento sob baixas tensões, como também um caráter colapsível em alguns solos expansivos quando umedecidos sob altas tensões.
2.1.1 Origem dos Solos Colapsíveis
Os solos colapsíveis têm sua origem relacionada com fatores climáticos e com o ambiente geológico. Mendonça (1990) verificou que o clima árido e semiárido favorece a ocorrência deste tipo de solo, devido ao longo período de seca e as fortes chuvas num curto período de tempo, comumente o lençol freático, nestes locais, está localizado em grandes profundidades ou é inexistente. As regiões tropicais também apresentam condições para o desenvolvimento de solos colapsíveis, já que estes podem ser formados pela lixiviação de finos dos horizontes superficiais nas regiões onde se alternam estações de relativa seca e de precipitações intensas. Porém, têm-se muitos outros exemplos de ocorrências em regiões com outros tipos de clima (VILAR et al., 1981).
Rodrigues e Lollo (2008) diferencia em quatro os processos de formação de solos colapsíveis: por alteração da rocha matriz (residual), por ação dos ventos (eólico), por ação da água com transporte de grandes massas (aluviões e coluviões) e material compactado. Tais processos são descritos a seguir.
Perfis de Solos Residuais
São originados da desagregação e alteração da rocha sã devido à ação do intemperismo, a estrutura potencialmente colapsível é gerada pela lixiviação das camadas mais superficiais, fazendo com que estas camadas tenham elevada porosidade e baixa massa específica. Portanto, esses solos se originaram de evoluções pedogenéticas de solos superficiais residuais ou transportados.
Segundo Vargas (1993) e Collares (1997), o solo colapsível se desenvolve através de uma espécie de lixiviação das partículas coloidais das camadas superiores, que são carreadas com água da chuva para os estratos inferiores, resultando num alto índice de vazios no
material de superfície e um enrijecimento das camadas de baixo. Entre essas camadas aparece uma linha demarcatória formada por concreções lateríticas.
Depósitos de Origem Aluvial
Originado de materiais transportados pela ação da água, incluem aqueles depósitos formados por corridas de lama (mud flow). Geralmente, ocorrem em regiões que possuem períodos curtos de intensa precipitação pluviométrica e longos períodos de estiagem. Logo, os perfis de solos colapsíveis destes depósitos apresentam materiais mal consolidados, com elevada porosidade, baixa massa específica e considerável teor de argila.
Depósito de Origem Eólica
Para Clemence E Finbarr (1981) os solos colapsíveis podem ser originados pela deposição de grãos transportados pelo vento, este carrega as partículas de pequena dimensão, como os grãos de silte e argilas, formando um solo com baixo peso específico, elevado índice de vazios, baixa coesão e alta permeabilidade, fazendo com que o material apresente comportamento colapsível quando em contato com a água. Nas estações secas, a água intersticial evapora, favorecendo a cimentação dos grãos silte e de areia por sais em solução, conferindo ao solo uma resistência temporária.
O “loess” é o principal representante de solo colapsível de origem eólica, sendo constituído por partículas originalmente transportadas pelo vento e redepositadas pela ação da água. Dudley (1970) afirma que pode haver solos colapsíveis de origem eólica, formado de cinzas vulcânicas, envolto por uma crosta de matéria orgânica e óxido de ferro.
Aterro Compactado
Visando melhorar as características geotécnicas do solo através de um processo mecânico, a compactação atua diminuindo a permeabilidade, compressibilidade e aumentando a resistência ao cisalhamento do solo. Para que ocorra esse melhoramento
do solo, a construção do aterro deverá ser bem executada e o material bem compactado, caso contrário a alta compressibilidade dos materiais que compõem o aterro pode proporcionar ao maciço deformações significativas quando solicitados e umedecidos, caracterizando o processo de colapso. Já que nesses aterros mal compactados, além da elevada compressibilidade, há também permeabilidade elevada devido à estrutura porosa que possuem, o que facilita a infiltração d’água, podendo provocar recalques excessivos.
2.1.2 Locais de Ocorrência dos Solos Colapsíveis
Os solos colapsíveis ocorrem principalmente em depósitos de idade geológica relativamente recente e em regiões de climas áridos e semiáridos, porém muitos autores já relataram a existência destes solos em várias partes do mundo e nos mais variados climas. As regiões de clima tropical facilitam o desenvolvimento de solos potencialmente colapsíveis, tanto pela lixiviação de finos dos horizontes superficiais, onde ocorre alternância de estações secas e úmidas, quanto pela acentuada deficiência de umidade dos solos que se desenvolvem nestas regiões (PRESA, 1997).
A crescente ocupação de outras regiões com solos de baixa densidade e não saturados, como na Califórnia, na África e na América do Sul, permitiu constatar que o problema pode se originar em qualquer tipo de solo, inclusive nos (mal) compactados, desde que o solo esteja não saturado e apresente baixa densidade, condições essenciais para a manifestação do fenômeno. (VILAR & FERREIRA, 2015).
Ferreira (1995) cita a presença desses solos em alguns países como: Estados Unidos, Espanha e Reino Unido, Angola, Etiópia, Gana, Quênia, Nigéria, África do Sul, Tanzânia, Zíbia, Canadá, Argentina, Peru, Venezuela, Austrália, China, Índia, Romênia, Israel, Jordânia e Arábia Saudita, Além destes países, Cuba, Iran, México, Marrocos e Turquia. Além destes, menciona também França, países baixos, Alemanha, Sibéria, China, Nova Zelândia e Uruguai.
A Tabela 1 apresenta os locais onde foram registradas as ocorrências de colapso nos diversos países, com o tipo de solo e a referência bibliográfica.
Tabela 1- Ocorrência de solos colapsíveis em diversos países- Medero (2001), Vilar (2015)
Local de Ocorrência Tipo de Solo Referências
Ucrânia Loess Abeleff (1938)
Estados Unidos Loess Peck & Peck (1948)
Budapeste Jaly (1948)
África do Sul Jennings & Knight (1957)
Córdoba (Argentina) Nadeo & Videla (1975)
Zaporozhye (ex- URSS) Loess Abeleff & Askalonov (1957)
Hungria Rethati (1961)
Nebraska e Kansas (Estados Unidos)
Loess Holtz e Hilf (1961)
Transvall e Sul da África Eólico Dudley (1970)
Luanda (Angola) ¨Maceque¨ (Solo ferruginoso contendo caulinita
Dudley (1970)
Nevada (Estados Unidos) Solo Aluvional bem graduado Dudley (1970) Nordeste da Rodésia Solo residual de granito Dudley (1970) Estados Unidos, França,
Alemanha, Europa Oriental, Rússia, Sibéria e China
Loess de cor avermelhada e brumo-amarela
Dudley (1970)
África do Sul Eólico (areia vermelha) Barden & Collins (1973) Arizona (Estados Unidos) Aluvião Barden & Collins (1973) Canal de San Luis (Califórnia,
Estados Unidos)
Knodel (1981)
Romênia Loess Belles & Stanculesco (1961)
e Pompescu (1986) China e Sudeste da Inglatera Loess Derbyshire & Mellors
(1988)
China Loess Lin &Wang (1988)
San Diego (Califórnia, Estados Unidos)
Aluvião Day (1990)
Khon Kaen (Tailândia) Argila Phien-Wej et al (1992)
Odessa Loess Rezenik (1995)
No território nacional, este tipo de solo é encontrado em vários estados, tais como Amazonas, Bahia, Ceará, Minas Gerais, Paraná, Pernambuco, Piauí, Rio Grande do Sul, São Paulo e Distrito Federal e estão distribuídos (Figura 2), em 6,50% nas regiões Norte e Centro-Oeste, 37,00% nas Regiões Nordeste e Sudeste e 13% na Região Sul (FERREIRA, 2008). Estes solos são representados por aterros mal compactados e por depósitos aluviais, coluviais e residuais muito lixiviados. Os solos da região centro-Sul, principalmente do interior de São Paulo e Paraná são solos porosos que englobam solos residuais típicos, solos sedimentares ou colúvios (RODRIGUES & LOLLO, 2008).
Figura 2 – Porcentagem de solos colapsíveis encontrados nas regiões do Brasil – Ferreira (2008)
A Figura 3 apresenta um mapa, destacando-se os principais locais de ocorrências de solos colapsíveis no Brasil.
De acordo com o mapa elaborado por Ferreira (2008), a maior concentração de solos colapsíveis, já investigados no país, encontra-se na região do Nordeste e Sudeste. Vale salientar que a identificação no Brasil, em geral, está relacionada a obras de engenharia que envolvem grandes áreas, como barragens, conjuntos habitacionais, projeto de irrigação (MOTTA, 2006).
Cerca de 23% do solo superficial do estado de Pernambuco apresenta potencialidade de ser colapsível, sendo localizados solos sujeito ao fenômeno de colapso nos municípios de Arcoverde, Carnaíba, Gravatá, Petrolândia, Petrolina, Santa Maria da Boa Vista e na cidade do Recife (FERREIRA, 2008).
Norte 6,5%
Nordeste 37%
Centro- Oeste 6,5% Suldeste 37%
Figura 3 - Algumas ocorrências dos solos colapsíveis no Brasil - Adaptado de Ferreira (2008) e Rodrigues e Vilar (2013)
Rio Sapucai São Leopoldo
Bom Jesus da Lapa
Uberlândia
QUILÔMETROS Campo Novo de Parecis
0 200 N Carazinho Pederneiras 600 400 Itapetininga Sumaré Campinas Paulinia Terra Roxa Ilha Solteira Bauru Pereira Barreto Londrina Maringa Rondonópolis Itumbiara Brasília Três Marias Palmas São Paulo Petrolândia Nova Petrolândia
Bacia do Rio Jequitinhonha (UHE Bananal e UHE Salinas)
São Carlos Rio Claro
São José dos Campos Ribeirão Preto Araraquara
Taubaté
Bacia do Rio Pardo (UHE Samambaia) Jaíba Gravatá Recife Nova Rodelas S.M. Boa Vista Petrolina Carnaíba Belém Parnaíba Natal João Pessoa Sape Areia Cabrobó Rodelas Goías Manga Mogi Guaçu Canoas Timbé do Sul Gravati
São José dos Ausentes Manaus
Floresta
Stª Cruz do Capibaribe Juazeiro do Norte
2.1.3 Características e Estrutura dos Solos Colapsíveis
Segundo Ferreira (1995), algumas características básicas e condições próprias de ocorrência do processo dos solos colapsível devem ser satisfeitas para que o colapso ocorra, como:
Estrutura porosa metaestável; Elevado índice de vazios;
Condição não saturada, representada por baixo teor de umidade;
Presença de agentes cimentantes, como argila, óxido de ferro, alumínio, carbonatos; Sucção elevada;
Em geral, são de origem recente, ocorrendo em regiões onde a taxa de evapotranspiração é maior do que a de precipitação.
A estrutura dos solos colapsíveis é a base do seu comportamento quanto à deformação, uma vez que a mesma comanda a resistência temporária que apresentam em determinadas condições.
Para Cintra e Aoki (2009), a estrutura porosa pode estar associada a um agente cimentante que, atuando simultaneamente a uma sucção suficientemente elevada, estabiliza o solo na condição não saturada, conferindo-lhe uma resistência “aparente”. Esta estabilidade é interrompida, quando ocorrem variações de sucção por umedecimento, mudanças no estado de tensões e alterações do equilíbrio eletromagnético e das ligações cimentantes.
Segundo Dudley (1970) e Nuñes (1975), o solo colapsível apresenta uma estrutura macroporosa, metaestável, com rigidez temporária mantida por forças capilares, forças eletromagnéticas de superfície e/ou presença de alguma substância cimentantes (carbono, oxido de ferro e argila). A resistência temporária se deve a atuação da tensão de capilaridade ou é influenciada pela forma como a mesma se apresentará no solo.
De acordo com Knight (1961), a estrutura do solo colapsível consiste de grãos não lixiviados, separados por espaços vazios, com as menores distâncias entre os grãos sendo normalmente preenchidas por pontes de argila floculada, que frequentemente incluem pequenas partículas não lixiviadas. O colapso ocorre quando a magnitude das tensões cisalhantes entre os grãos excede a resistência das pontes de argila, para certo valor de umidade e estado de tensões.
Um mesmo tipo de solo pode apresentar diferentes arranjos estruturais entre as partículas. A Figura 4 ilustra os principais modelos propostos por Dudley (1970) e Clemence & Finbarr (1981) para demonstrar a instabilidade da estrutura dos solos colapsíveis e sua resistência temporária.
Na prática, a estrutura do solo é muito mais complexa do que os modelos propostos abaixo, uma vez que a estrutura do solo colapsível não é organizada de forma plana e individual por grãos de areia, silte e argila, o que acontece é uma combinação entre as diversas formas (FUTAI, 1997).
Figura 4 – Modelos propostos para estruturas instáveis de solos colapsíveis - Dudley (1970) e Clemence e Finbarr (1981) apud Ferreira (1995).
A Figura 4(a) expressa à situação em que a resistência temporária está relacionada com a tensão capilar, pois quando o solo atinge um teor de umidade abaixo do limite de contração, a capilaridade atua como uma força contrária à tensão de água, fazendo com que a tensão efetiva e a resistência ao cisalhamento aumentem DUDLEY (1970).
Comumente a resistência adicional conferida ao solo colapsível está relacionada com a presença de um agente cimentante. A Figura 4(b) apresenta grãos de areia ligados por silte, mantendo a estrutura devido à sucção atuante nos contatos entre as partículas. Quando os grãos de areias estão ligados por partículas de argila, podemos encontrar diversos tipos de arranjos dependendo do processo de formação dos grãos de argila. A Figura 4(c) ilustra as camadas finas e paralelas de argilominerais ao redor dos grãos de areia, já na Figura 4(d) as partículas de argila se encontram floculadas entre os grãos de areia. Na Figura 4(e) os grãos de areia se encontram ligados por partículas de argila ou de silte, formados por um processo de sedimentação, após corrida de lama. Por fim, na Figura 4(f) são mostrados grãos formados pela agregação de argila ou silte, que se encontram ligados entre si por pontes de argila.
Clemence e Finbar (1981), afirmam que o colapso lento ocorre quando a estrutura é mantida por cimentantes químicos, e o muito lento nos casos de cimentação por argila.
Enquanto Barden et al. (1973) indicam colapso instantâneo para estruturas mantidas pela sucção, lento para ligações com argila e muito lento para cimentantes químicos.
Ainda Clemence e Finbarr (1981), afirmam que o teor de argila influencia no comportamento destes solos. Verificaram que os recalques máximos ocorridos em função do colapso aconteciam quando o teor de argila era de 12%. Quando este teor estava abaixo de 5%, ocorria um pequeno colapso. Já quando o teor era acima de 30% o solo apresentava comportamento expansivo.
Silva (2003) analisou a microestrutura de um solo de Petrolina-PE, através da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), em seu estado natural, e em amostras após ocorrer o colapso devido à inundação
As amostras foram carregadas nas tensões verticais de consolidação de 320 e 640 kPa (Figura 5). Foi observado que nas amostras indeformadas, as partículas maiores (areia) não se conectavam diretamente entre si, mas através de grãos menores de silte e argila.
Figura 5 – Microestrutura do solo (amostra indeformada) – Silva (2003).
A Figura 5(a) apresenta os grãos de quartzo na dimensão de areia fina e média que se conectam por partículas de argilas e silte. Já a Figura 5(b) exibe as pontes de silte entre grãos de quartzo. Nas amostras inundadas sob tensão de 320 e 640 kPa, o autor observou
que a presença de poros entre os grãos de silte formam uma ligação instável Figura 5(c), e após o colapso há o empacotamento das partículas e consequente redução dos poros, Figura 5(d), conferindo ao solo uma maior estabilidade estrutural.
2.1.4 Mecanismo do Colapso
Casagrande (1932, apud Mota, 2006), relaciona a causa do colapso à fração fina do solo, onde estão presentes materiais ligantes, os quais suportam compressão local nas pequenas aberturas entre os grãos. Esses solos comprimem levemente quando aumentada a tensão a qual está submetido e mantida a umidade baixa. Porém, quando este solo sob carregamento ganha umidade, e a umidade crítica é ultrapassada, os vínculos não resistem às forças de deformação, e a estrutura do solo colapsa.
O processo de colapso pode ser entendido como um rearranjo das partículas constituintes do solo, ocupando parcialmente os vazios antes existentes em decorrência da eliminação dos vínculos entre os grãos devido à interação destes com o fluido percolante e à aplicação da sobrecarga. (MENDONÇA et al., 1993, apud MENDES, 2001).
Para Clemence (1981), desde que um solo possua uma estrutura altamente porosa, com uma situação de equilíbrio metaestável entre as partículas maiores de sua composição, estará sujeito à ocorrência de colapso. Segundo o autor, podem existir diferentes mecanismos de suporte específicos para cada situação, os quais são responsáveis pela manutenção do equilíbrio temporário.
O desequilíbrio é provocado por uma agente percolante, geralmente a água, que reduz os mecanismos de suporte, diminuindo o contato grão-a-grão do solo, fazendo com que suas partículas maiores se movimentem no sentido de preencher os vazios existentes na estrutura, reduzindo o índice de vazios e provocando, desta maneira, o colapso.
Para compreender melhor o fenômeno do colapso, podemos analisá-lo comparando-o com o processo de adensamento, como demonstrado a seguir na Figura 6.
Figura 6 – Interpretação microestrutural do colapso e do adensamento - Presa (1997)
Na Figura 6(a) temos inicialmente um solo com estrutura porosa, metaestável, com agregações de argila, sob uma tensão isotrópica p1 e uma sucção maior que zero. Quando a água é adicionada ao solo, a sucção diminui e as ligações entre as partículas são enfraquecidas e/ou destruídas, provocando a redução de volume do solo, Figura 6(b). Esse mecanismo é denominado de colapso e dá origem a uma nova estrutura de partículas com novas propriedades mecânicas. No adensamento, Figura 6(c) o solo é carregado sob sucção constante com uma pressão p2, a resistência ao cisalhamento dos vínculos entre as partículas é superada pelas tensões tangenciais, havendo movimento relativo entre as partículas, expulsão de água e redução de volume do solo (PRESA, 1997).
O colapso acontece quando isoladamente ou em conjunto há eliminação das tensões capilares dos meniscos, diminuição ou eliminação dos agentes cimentantes entre os grãos, diminuição da resistência ao cisalhamento das partículas menores que atuam como vínculos. (NUÑES, 1975, apud FEUERHARMEL, 2003).
Embora os processos de colapso e adensamento envolvam redução de volume, no fenômeno do colapso há expulsão de ar da estrutura, devido ao acréscimo no teor de umidade do solo, enquanto que no adensamento há expulsão de água do solo devido ao carregamento aplicado (CINTRA, 1998). Devido à adição de água, o teor de umidade aumenta no fenômeno do colapso e a resistência ao cisalhamento do solo é significativamente reduzida. Já durante o processo de adensamento, devido à expulsão de
água dos vazios, a umidade diminui e com isso a resistência ao cisalhamento aumenta. (FEUERHARMEL, 2003).
No processo de colapso, a redução de volume ocorre em um período de tempo relativamente curto e esta redução pode se repetir, caso o grau de saturação atinja novamente um valor crítico; no adensamento, a variação ocorre como um processo transiente (TADEPALLI E FREDLUND, 1991).
2.1.5 Principais Fatores que Influenciam o Colapso
Diversos fatores podem influenciar a colapsibilidade de um solo, como os apresentados a seguir.
Granulometria e Índices físicos
O solo colapsível pode apresentar variadas texturas, pois esta depende do processo de formação deste solo. Assim, a textura predominantemente arenosa está ligada a solos formados a partir de sedimentos de origem eólica e fluvial, já os perfis residuais têm sua textura controlada pela rocha matriz que lhes deu origem e pela intensidade dos processos intempéricos aos quais estiveram sujeitos, enquanto a textura tende a ser mais argilosa nos solos formados a partir de sedimentos químicos e detríticos finos e rochas ígneas, para os solos formados pela alteração de rochas sedimentares, a textura é mais grosseira. Por último, nos solos originados a partir de fluxos de lama predominam as frações finas, como por exemplo, as argilas e no caso de perfis colapsível originados a partir de aterros, a textura do perfil vai depender da textura do solo utilizado para confecção do aterro, embora haja uma predominância de solos arenosos (RODRIGUES & LOLLO, 2008).
O colapso pode ser expresso em função do coeficiente de uniformidade (Cu). Quanto mais elevado os valores de Cu maiores são os potenciais de colapso. Solos bem graduados têm colapsos maiores do que os solos mal graduados, pois possuem um maior valor de Cu. As partículas menores dos solos bem graduados após serem umedecidas tendem a encher os espaços entre os grãos, resultando em índice de vazios menores (BASMA e TUNCER, 1992).
Alwail (1990) mostrou que a composição do silte afeta consideravelmente o potencial de colapso das misturas de areia com silte, uma vez que ao adicionar areia de Ottawa com silte de partícula angular e pequena quantidade de argila (10%) o potencial de colapso foi substancialmente maior comparando-se com a mesma mistura de areia com silte de partícula arredondada desprezando-se o conteúdo de argila.
Lawton et al. (1992) comparou várias misturas compactadas com mesma densidade e teor de umidade inicial de areia, silte e argila, o mesmo observou que o potencial de colapso atinge os valores máximos para teores de argila entre 10% e 40%.
Para Basma e Tuncer (1992) quanto maior a quantidade da mistura de areia e argila, menor o potencial de colapso para uma mesma tensão vertical de umedecimento aplicada (sw), já que as frações argilosas em contato com as partículas de areia concedem uma resistência cisalhante à deformação.
Os índices físicos podem ser um indicador para a caracterização de solos colapsíveis, uma vez que há uma relação entre a potencialidade de alguns solos sofrerem colapso em função de seus índices físicos. Assim, normalmente esses solos apresentam valores de massa específica aparente seca baixos; porosidade e índice de vazios altos; baixos valores de grau de saturação; textura predominantemente arenosa e baixa plasticidade. Apresentando, em geral, limite de liquidez abaixo de 45 e índice de plasticidade menor que 25 (DUDLEY, 1970).
Clima e Geomorfologia
De acordo com Knodel (1981, apud Mota, 2006), a ocorrência de chuvas de curta duração e forte intensidade, alternadas com longos períodos secos favorecem a formação de solos colapsíveis. A geomorfologia também é um fator condicionante para ocorrência de colapso, locais com encostas íngremes e vegetação escassa, quando da ocorrência de chuvas intensas poderão deslizar e formar depósitos inconsolidados, de alta porosidade e potencialmente colapsíveis.
Peso Aparente Seco e Umidade Inicial
Vários autores, a partir de resultados experimentais, indicam que a variação do potencial de colapso com o peso específico aparente seco inicial apresenta uma relação inversamente proporcional, logo, quanto maior o peso específico menor a magnitude do colapso.
Segundo Dudley (1970) o teor de umidade que causa o máximo colapso está entre 13% e 39%. Já para Cintra (1998) o grau crítico de saturação está dividido em limite inferior (responsável pela instabilidade da estrutura do solo) e limite superior. Para o autor, o solo está em equilíbrio até que seja atingido o limite inferior, após esse limite, a elevação do grau de saturação provoca o aumento do colapso até que se alcance o limite superior, a partir do qual o mesmo deixa de ocorrer.
Basma e Tuncer (1992), após analisarem amostras de solos arenosos, argilosos e siltosos da Jordânia chegaram à conclusão que quanto maior o peso específico aparente seco inicial, sob a mesma tensão vertical de inundação e umidade inicial, menor o potencial de colapso. Para um mesmo grau de compactação e tensão vertical de inundação quanto maior o teor de umidade inicial dos solos, menor o potencial de colapso.
Vilar e Gaioto (1994) estudaram o comportamento de uma areia fina argilosa do interior de São Paulo através de ensaio edométrico. Estas amostras eram compactadas com umidades e pesos específicos aparentes secos diferentes. Os corpos de provas compactados à umidade ótima apresentaram colapsos crescentes com as tensões até alcançarem um máximo e depois decresceram.
Natureza do permeante e Velocidade de Inundação
A tensão superficial dos líquidos interfere no tempo de interação deste com o solo. Foi observado em uma Areia Amarelo-Avermelhada do Município de Petrolândia potenciais de colapso mais altos quando o pH do líquido era mais alcalino (MOTTA, 2006).
Há uma tendência de valores de colapso menores para permeantes com pH próximos de 7 (neutro), os potenciais de colapso tendem a crescer quando os valores de pH são superiores a 7 (básicos) e inferiores a 7 (ácidos) (FERREIRA, 1995).
Galvão et al (1995) analisaram amostras remoldadas de argilas inorgânicas de Minas Gerais, estas foram compactadas com pesos específicos aparentes secos próximos aos observados em campo, utilizou-se água com diferentes pH como permeante. Os autores concluíram que quanto maior o pH menor o potencial de colapso, fato explicado devido as partículas do solo em amostras remoldadas estarem mais unidas, não existir a estrutura porosa inicial, ter mais homogeneidade e proporcionar melhor controle de pH.
O tempo em que os vínculos de cimentação perdem a resistência dependerá do tipo de percolante e da solubilidade do cimento. Em testes de laboratório realizados por Reginatto e Ferrero (1973) com diferentes permeantes em amostras de solos loess da Argentina verificou-se que o solo levemente cimentado quando saturado com água tratada suportava uma tensão maior, porém era condicionalmente colapsível quando utilizado efluente doméstico em seu umedecimento e verdadeiramente colapsível se inundado com água ácida.
A velocidade de inundação dos solos pode ser lenta ou rápida dependendo do tipo de permeante utilizado, da capacidade da superfície do solo em absorver estes permeantes e da intensidade da força de coesão das partículas do solo (GUIMARÃES NETO, 1997).
Carregamento
Geralmente a magnitude do colapso é pequena para baixos valores de tensão e aumenta rapidamente com a elevação da pressão até atingir um valor crítico, a partir do qual pode diminuir ou permanecer constante (POPESCU, 1986; LAWTON ET AL. 1992; CINTRA, 1998). Existe certa pressão limite que destrói as ligações da estrutura, de tal forma que a partir dessa pressão os grãos apenas rodam e deslizam uns sobre os outros e a saturação não tem mais efeitos sobre a estrutura (VARGAS, 1973, apud FEUERHARMEL, 2003).
Guimarães Neto (1997), estudou a variação volumétrica devida à inundação em amostras naturais de uma Areia Amarelo-Avermelhada, do município de Petrolândia, as quais foram compactadas com pesos específicos aparentes secos de 17,00 kN/m3, 18,00 kN/m3, 19,00 kN/m3 e umidade inicial de 3,5%, 6,5% e 9,5%. A variação do potencial de colapso x tensão vertical de inundação para o mesmo peso específico aparente seco e diferentes umidades iniciais está apresentada nas Figuras 7(A), 6(B) e 6(C). Concluiu que:
Há uma redução significativa na colapsibilidade do solo com o aumento do peso específico aparente seco e da umidade, existindo valores destes índices para os quais o colapso é muito pequeno independente da tensão vertical de inundação.
A diminuição dos valores dos potenciais de colapso com o aumento do peso específico aparente seco para a mesma umidade inicial e diferentes tensões verticais de consolidação é devido ao fato de que a mostra compactada no peso específico aparente seco de 17,00 kN/m3 tem maior índice de vazios do que as outras com pesos específicos aparentes secos de 18,00 kN/m3 e 19,00 kN/m3. Resultados similares em amostras compactadas de solos arenosos em que o potencial de colapso diminuía com o aumento do peso específico aparente seco quando eram submetidos acréscimos de sobrecarga com mesma umidade inicial foram observados por BASMAN e TUNCER (1992), GAIOTO e VILAR (1994).
Para uma mesma umidade inicial e diferentes pesos específicos aparentes secos, os valores dos potenciais de colapso crescem com a tensão vertical de inundação. Os maiores valores dos potenciais de colapso foram associados a menores graus de compactação, ou seja, maiores índices de vazios iniciais.
Existem valores destes índices físicos para os quais o solo não apresenta mais problemas de colapso por inundação. Sendo estes valores inferiores àqueles correspondentes ao peso específico aparente seco máximo e umidade ótima.
Observa-se que os maiores valores dos potenciais de colapso foram associados a menores graus de compactação (maiores índices de vazios iniciais), ou seja, foram susceptíveis aos maiores colapsos do que as amostras mais densas.
Figura 7 – Variação do potencial de colapso com o peso específico aparente seco para mesma umidade inicial e diferentes tensões verticais de inundação. Guimarães Neto
(1997)
16 17 18 19 20
PESO ESPECÍFICO APARENTE SECO (kN/m³) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 POTE NCIAL DE COLAPSO ( %) 10kPa 40 kPa 80 kPa 160 kPa 640 kPa A) Umidade inicial: 3,5% 16 17 18 19 20
PESO ESPECÍFICO APARENTE SECO (kN/m³) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 POTEN CI A L D E COLAPSO (%) 10 kPa 40 kPa 80 kPa 160 kPa 640 k Pa B) Umidade inicial: 6,5% 16 17 18 19 20
PESO ESPECÍFICO APARENTE SECO (kN/m³) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 POTE NCI AL DE COLAP SO (%) 10 kPa 40 kPa 80 kPa 160 kPa 640 k Pa C) Umidade inicial: 9,5% a) Umidade Inicial: 3,5% b) Umidade Inicial: 6,5% c) Umidade Inicial: 9,5%
Diversos resultados experimentais indicam que solos colapsíveis podem sofrer expansão quando umedecidos sob baixas tensões. JENNINGS E BURLAND (1962), DUDLEY (1970), JENNINGS E KNIGHT (1975), VILAR ET AL. (1981), FERREIRA (1995)
2.1.6 Métodos de Identificação
Vários critérios e métodos de identificação têm sido propostos para avaliar a possibilidade de um comportamento colapsível da estrutura de um solo. Já que falhas na fase de investigação podem levar ao comprometimento das obras de engenharia.
Alguns autores estabeleceram critérios que qualificam o material colapsível através das relações entre os índices físicos; outros além de qualificar o colapso, também o quantificam.
Para Vilar et al. (1981) os principais critérios para identificação de solos colapsíveis são divididos em: critérios “regionais” elaborados a partir de conceitos empíricos ou de determinados ensaios rápidos, em solos ou regiões específicas; critérios baseados nos limites de consistência e critérios que utilizam ensaios de laboratório, principalmente os ensaios edométricos, os quais permitem avaliar a magnitude do colapso.
Comumente os critérios baseados nos índices físicos apresentam processos de definição mais simples e baratos que podem ser utilizados com uma infraestrutura relativamente limitada. Estes propõem expressões que levam em consideração propriedades do solo, como índice de vazios, teor de umidade e grau de saturação. A partir desses resultados o solo é classificado em colapsível ou não colapsível.
Como essas expressões, com exceção da apresentada por Basma e Tuncer (1992), foram formuladas de forma empírica, ou seja, de acordo com os solos estudados pelos pesquisadores, poderá haver solos classificados de maneira equivocada.
A Tabela 2 resume os principais critérios com as referências bibliográficas, expressões para o cálculo e limites correspondentes para classificação do solo.
Tabela 2- Critérios de identificação do colapso baseados nos índices físicos e Limites de Atterberg- Futai, 1997 Modificada por Torres, 2014.
Onde: K- coeficiente de subsidência; Kl- coeficiente de Colapsibilidade; CP- Potencial de Colapso; LL- Limite de liquidez; e0- índice de vazios inicial; el- índice de vazios
correspondente ao LL; w0- teor de umidade inicial; Sr-grau de saturação do solo; (S-C) -
diferença entre os teores de areia e argila; Cu-coeficiente de uniformidade;
γ
d- pesoespecífico seco;
σ
w-tensão de inundação no ensaio edométrico.De acordo com o critério de identificação utilizado, os métodos podem ser classificados em indiretos e diretos (Tabela 3).
Tabela 3 – Métodos indiretos e diretos de identificação de solos colapsíveis - Modificado por Ferreira (1995)
Métodos Sub-Divisões Base para Definição do Critério
Referências Bibliográficas
Indiretos
Identificativos Microscopia Eletrônica de Varredura Collins e McGow (1974); Wolle et al. (1978); Derbyshire e Mellors (1988) Orientativos Pedologia Ferreira (1990); Ferreira (1993) Ensaios Expedidos Arman e Thornton (1972); Jennings e Knight (1975)
Qualitativos Índices Físicos
Denisov (1951)1; Priklonsku (1952)1; Gibbs e Bara (1962 e 1967); Feda (1966); Kassik e Henkin (1967); Designer of Small Dams (1960 e 1974)2; Código de Obras da URSS (1977)3 Diretos
Avaliativos Ensaios Edométricos Duplos Reginatto e Ferrero (1973) Quantitativos Ensaios Edométricos Simples Bally et al. (1973); Jennings e Knight (!975); Vargas (1978); Lutenneger e Saber (1988)
Ensaios de Campo Ferreira e Lacerda (1993)
1 Citado por Feda (1966) – 2 Bureau of Reclamation – 3 Citado por Renisk (1989)
Os métodos indiretos são orientativos, já que não fornecem informações quantitativas em relação magnitude do colapso. São de obtenção simples através de ensaio rápidos de campo ou laboratório, onde se utilizam índices físicos, limites de consistência ou parâmetros ligados à textura.
A metodologia indireta nos permite ver o comportamento mecânico. No entanto, o que mais importa é analisar o comportamento mineralógico.
