Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

C OMPORTAMENTO H IDRO - MECÂNICO DE UM S OLO C OMPACTADO COM D IFERENTE T EOR EM Á GUA E MESMO Í NDICE DE V AZIOS

André Manuel Soares dos Reis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Aeródromos

Júri

Presidente: Professor Jaime Alberto dos Santos

Orientador: Professora Maria Rafaela Pinheiro Cardoso

Vogais: Professor Emanuel José Leandro Maranha das Neves Professora Laura Maria Mello Saraiva Caldeira

Tenente Luís Filipe Magalhães Pereira

Dezembro 2010

R ESUMO

No presente trabalho são estudadas as características hidro-mecânicas de solos finos compactados em pontos diferentes da curva de compactação mas com índice de vazios semelhantes.

O comportamento de um solo fino argiloso em termos de expansibilidade, compressibilidade, resistência e permeabilidade depende da sua estrutura, que se relaciona com a forma como os agregados de argila se dispõem e com as ligações que se formam entre agregados (cimentícias ou devidas à sucção). A estrutura é induzida pelo processo de compactação (energia e teor em água) e é esta que confere ao solo essas características próprias.

No presente trabalho estuda-se uma argila de baixa expansibilidade usada na construção do núcleo da barragem de Odelouca onde se determinaram os limites de Atterberg, difracção de raios x e curva de compactação. A estrutura deste material compactado foi caracterizada com recurso a porosimetrias por intrusão de mercúrio e fotografias de microscópio electrónico. O seu comportamento foi estudado através da análise dos resultados de ensaios edométricos e triaxiais realizados em amostras compactadas em pontos correspondentes ao teor em água óptimo acrescido (lado húmido) e reduzido (lado seco) de 2%, logo com o mesmo peso volúmico seco.

Esperam-se diferenças na forma como o solo reage quando sujeito a um dado carregamento quer seja por variação da sucção como da tensão aplicada devido à estrutura induzida pelo processo de compactação ser diferente. Essas diferenças foram devidamente abordadas e justificadas, demonstrando e confirmando os motivos que levam um projectista a prescrever diferentes intervalos e energias de compactação para aterros de vias de comunicação ou de barragens.

Para além de se caracterizar o comportamento através da realização de ensaios, são tecidas algumas considerações acerca da modelação do comportamento de solos não saturados, analisando-se um modelo constitutivo elastoplástico com endurecimento que incorpora o efeito da sucção, o Barcelona Basic Model (BBM).

Palavras-chave: compactação, sucção, estrutura, aterros e solos não saturados

A BSTRACT

The hydraulic and mechanical properties of thin compacted soils with similar voids ratio are studied in the work presented.

The soil behavior in terms of expansibility, compressibility, resistance and permeability depends on its structure, which is related with the way the clay aggregates are arranged and with the links that are created between aggregates (cementitious or due to suction). The structure is induced by the compaction process (energy and water content) and this is what gives to the soil its own characteristics.

The soil studied is a low expansive clayey used to build Odelouca dam core, for which Atterberg limits, x-ray diffraction and compaction curve were performed. The structure of this compacted material was analyzed using mercury intrusion porosimetry and electronic microscope photographs. Its behavior was studied through the analysis of the results of oedometer and triaxial tests performed in samples compacted at points corresponding to the optimum water content increased (wet side) and decreased (dry side) of 2%, therefore with the same dry volumetric weight.

Differences are expected in how the soil reacts when subjected to a given loading either by changing suction and or the applied stress due to structure induced by the compaction process adopted. These differences were adequately approached and explained, demonstrating and confirming the reasons that lead a designer to prescribe different compaction conditions for road embankments or earth dams.

In addition to characterize this behavior by conducting laboratory tests designed for this purpose, some considerations are done about modeling the behavior of unsaturated soils, analyzing an elastoplastic constitutive model with hardening which includes the effect of suction, the Barcelona Basic Model (BBM).

Key-words: compaction, suction, structure, embankments and unsaturated soils.

A GRADECIMENTOS

Aproveito este espaço para agradecer a todos aqueles que, directa ou indirectamente, contribuíram para a realização desta dissertação.

Reconheço o enorme empenho demostrado pela professora Rafaela Cardoso, orientadora desta dissertação. A sua elevada dedicação, entusiasmo e disponibilidade foram essenciais para a transmissão de conhecimentos valiosos e indispensáveis à elaboração deste trabalho. À professora Rafaela um sentido obrigado pela forma rigorosa e preocupada com que abordou este tema.

Destaco ainda o contributo importantíssimo do Sr. José Alberto cujo conhecimento e experiência permitiram a realização, rigorosa e cuidada, dos ensaios laboratoriais. A sua boa disposição foi certamente uma mais valia nas muitas tardes passadas pelo laboratório de geotecnia do Instituto Superior Técnico.

Agradeço à Universidade Politécnica da Catalunha pela disponibilidade para a realização de alguns ensaios laboratoriais.

Ao professor Maranha das Neves, à professora Laura Caldeira e ao tenente Luís Pereira, o meu agradecimento pela forma cuidada com que leram este trabalho e o discutiram, contribuindo claramente para o seu enriquecimento.

Aos meus pais, irmã, camaradas e amigos agradeço pela força e apoio incondicionais. Apesar da distância, reconheço o vosso carinho e preocupação constantes.

Ao João Dias pelo apoio e discussões úteis para o trabalho.

Por fim, mas não menos importante, um agradecimento especial à Débora.

Í NDICE

1. Introdução ... 1

2. Fundamentos Teóricos ... 3

2.1. Introdução ... 3

2.2. Propriedades dos Solos ... 3

2.3. Solos Compactados ... 6

2.3.1. Princípios da Compactação ... 6

2.3.2. Estrutura de Solos Argilosos Compactados ... 10

2.3.3. Compactação do Lado Seco e do Lado Húmido ... 13

2.4. Expansibilidade ... 15

2.5. Compressibilidade e Resistência do Solo ... 18

2.6. Importância do Processo de Compactação para o Tipo de Aterro ... 22

3. Modelação do Comportamento de Solos Não Saturados ... 25

3.1. Breves Considerações Sobre Solos Não Saturados ... 25

3.2. Sucção ... 25

3.3. Barcelona Basic Model, BBM ... 26

3.3.1. Modelo Constitutivo para Solos Não Saturados ... 26

3.3.2. Superfícies de Cedência ... 27

3.3.3. Leis de Endurecimento no Plano ( , ) ... 33

3.4. Efeito do Tipo de Compactação nos Parâmetros do Modelo ... 37

3.5. Aplicação de Sucção em Ensaios de Laboratório ... 38

4. Caracterização Experimental do Material Compactado ... 41

4.1. Características do Material Utilizado ... 41

4.2. Análise Mineralógica das Argilas ... 42

4.3. Curva de Compactação ... 43

4.4. Limites de Atterberg ou de Consistência ... 45

4.5. Curva de Retenção... 46

4.6. Porosimetria por Intrusão de Mercúrio ... 49

4.7. Fotografias de Microscópio Electrónico ... 53

4.8. Ensaios Edométricos e de Expansibilidade ... 54

4.8.1. Breves Fundamentos ... 54

4.8.2. Preparação das Amostras ... 55

4.8.3. Ensaios Edométricos ... 57

4.8.4. Resultados do Ensaio Edométrico ... 58

4.8.5. Medição da Expansibilidade ... 78

4.8.6. Medição Indirecta da Permeabilidade ... 80

4.9. Ensaios Triaxiais ... 83

4.9.1. Considerações Iniciais... 83

4.9.2. Preparação das Amostras ... 84

4.9.3. Realização do Ensaio ... 85

4.9.4. Resistência do Solo no Estado Crítico ... 88

4.9.5. Resultados do Ensaio Triaxial Consolidado Não Drenado ... 91

5. Calibração do Barcelona Basic Model Considerando os Resultados Experimentais... 99

6. Conclusões e Desenvolvimentos Futuros ... 103

7. REFERÊNCIAS ... 107

ANEXOS ... 111

Í NDICE DE F IGURAS

Figura 2.1 – Representação esquemática das fases constituintes de um solo ... 4 Figura 2.2 – Curva de compactação de um solo fino argiloso e respectiva curva de saturação . 7 Figura 2.3 – Possíveis mecanismos de absorção de água pela superfície das partículas de argila. (a) ligação de hidrogénio. (b) hidratação iónica. (c) atracção osmótica. (d) atracção dipolo-dipolo (Lambe & Whitman, 1976) ... 8 Figura 2.4 – Equilíbrio entre as forças de repulsão entre as partículas de argila e a atracção da água. Adaptado de (Lambe & Whitman, 1976) ... 9 Figura 2.5 – Influência da energia específica de compactação ( ) na curva de compactação . 10 Figura 2.6 – Comparação entre o comportamento do solo completamente desestruturado e do solo com estrutura (Vaughan et al., 1988) ... 11 Figura 2.7 – Representação esquemática da estrutura do solo ... 12 Figura 2.8 – Estrutura floculada e dispersa do solo dependendo do lado da curva de compactação de solos finos argilosos (Lambe, 1958) ... 12 Figura 2.9 – Variação da resistência do solo com o teor em água da curva de compactação (Bastos, 2010) ... 14 Figura 2.10 – Mapa de deformações volumétricas ao saturar amostras com diferentes condições de compactação. Areia argilosa de plasticidade média (SC) saturada sob tensão vertical constante de 400 kPa (Lawton et al., 1989, citado por Alonso, 2004) ... 16 Figura 2.11 – Esquema da tendência da alteração de volume ao saturar amostras compactadas do lado seco com diferentes densidades e influência da tensão de confinamento (Alonso, 2004) ... 18 Figura 2.12 – Superfície de cedência de amostras de argila siltosa de Barcelona do lado seco (D) e do lado húmido (W) da curva de compactação (Alonso & Pinyol, 2008) ... 19 Figura 2.13 – Efeito da compactação do lado seco e do lado húmido trajectória tensões do solo (CS representa o índice de expansibilidade e CC o índice de compressibilidade) ... 20 Figura 2.14 – Efeito da compactação do lado seco e do lado húmido (diferentes teores em água logo, diferentes sucções) na trajectória de tensões do solo ... 21 Figura 3.1 – Compactação estática da argila de Boom e influência do teor em água na sucção (Alonso, 2004) ... 26 Figura 3.2 – Variação do volume específico com o excesso de tensão média sobre a pressão atmosférica e com a sucção ao longo de carregamentos virgens e de descargas-recargas (Maranha das Neves, 2007) ... 29 Figura 3.3 – Curvas de compressão isotrópica para o solo saturado e não saturado (Maranha das Neves, 2007) ... 29 Figura 3.4 – Trajectórias de tensão indicadas na Figura 3.3 e uma curva de cedência representadas no plano de tensões ( , ) (Maranha das Neves, 2007) ... 30 Figura 3.5 – Funções de cedência LC e SI (Maranha das Neves, 2007) ... 31

Figura 3.6 – Análise do comportamento de um solo não saturado sob tensão vertical alta de acordo com o BBm. Exemplificação do fenómeno de colapso: a) no plano ( , ); b) no plano

( , ) ... 32

Figura 3.7 – Superfícies de cedência do Barcelona Basic Model no plano ( ) (Alonso et al., 1990) ... 33

Figura 3.8 – Análise do comportamento de um solo saturado sob tensão vertical baixa de acordo com o BBM: a) no plano ( , ) b) no plano ( , ) ... 34

Figura 3.9 – Análise do comportamento de um solo não saturado sob tensão vertical alta de acordo com o BBM: a) no plano ( , ) b) no plano ( , ) ... 35

Figura 3.10 – Análise do comportamento de um solo não saturado de acordo com o BBM: a) no plano (s,p) b) no plano ( , ) ... 36

Figura 3.11 – Análise do comportamento de um solo não saturado de acordo com o BBM: a) e no plano (s,p) b) e no plano ( , ) ... 36

Figura 3.12 – Trajectória de tensões no plano ( , ) de um solo não saturado de acordo com o BBM ... 37

Figura 3.13 – Superfície de cedência de amostras de argila siltosa de Barcelona do lado seco (D) e do lado húmido (W) da curva de compactação (Alonso & Pinyol, 2008) e representação da trajectória ABC ... 38

Figura 4.1 – Barragem de Odelouca vista de jusante ... 41

Figura 4.2 – Registo difratométrico de uma amostra do solo em análise ... 42

Figura 4.3 – Curva de compactação do solo e pontos do lado seco e do lado húmido usados no estudo ... 44

Figura 4.4 – Definição dos limites de consistência ou de Atterberg ... 45

Figura 4.5 – Carta de plasticidade do solo em estudo ... 46

Figura 4.6 – Curva de retenção ajustada da amostra compactada do lado húmido ... 48

Figura 4.7 – Curva de retenção ajustada da amostra compactada do lado seco ... 48

Figura 4.8 – Sobreposição da curva de retenção da amostra do lado seco e do lado húmido .. 49

Figura 4.9 – Análise de porosimetria para uma amostra do lado húmido da curva de compactação ... 50

Figura 4.10 – Análise de porosimetria para uma amostra do lado seco da curva de compactação ... 51

Figura 4.11 – Análise de porosimetria para uma amostra desestruturada ... 51

Figura 4.12 – Análise comparativa das porosimetrias analisadas ... 52

Figura 4.13 – Fotografia de microscópio electrónico de uma amostra compactada do lado húmido (a)). Ampliação de um pormenor para melhor visualização da distribuição (estrutura) das partículas de argila (b)) ... 53

Figura 4.14 – Fotografia de microscópio electrónico de uma amostra compactada do lado seco (a)). Ampliação de um pormenor para melhor visualização da distribuição (estrutura) das partículas de argila (b)) ... 54

Figura 4.15 – Preparação do ensaio edométrico ... 55

Figura 4.16 – Esquema das variações impostas às amostras de solo ... 56 Figura 4.17 – Preparação dos provetes para ensaio: a) montagem do provete e b) provete pronto para ensaio ... 56 Figura 4.18 – Output do ensaio edométrico com a respectiva trajectória ( , ) ... 59 Figura 4.19 – Output do ensaio edométrico no plano ( , ) e representação do cálculo dos índices de compressibilidade e expansibilidade ... 59 Figura 4.20 – Output do ensaio edométrico no plano ( , ) e representação do cálculo do coeficiente de compressibilidade ... 60 Figura 4.21 – Output do ensaio edométrico no plano ( , ) com representação do cálculo da tensão de cedência pelo método de Casagrande... 61 Figura 4.22 – Output de cada nível de carregamento do ensaio edométrico no plano ( , ) e representação esquemática do método de Casagrande para determinação do coeficiente de consolidação ... 62 Figura 4.23 – Trajectória das deformações sofridas ao longo do tempo para a amostra saturada ... 63 Figura 4.24 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra saturada ... 63 Figura 4.25 – Trajectória das deformações sofridas ao longo do tempo para a amostra com HR de 75% ... 64 Figura 4.26 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra com HR de 75% ... 64 Figura 4.27 – Trajectória das deformações sofridas no tempo para a amostra com HR do laboratório (53%) ... 65 Figura 4.28 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra com HR do laboratório (53%) ... 65 Figura 4.29 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra saturada, respectiva tensão de cedência e linha de compressão elástica e troço de compressão virgem ... 66 Figura 4.30 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra com HR de 75%, respectiva tensão de cedência e linha de compressão elástica e troço de compressão virgem ... 66 Figura 4.31 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra com HR do laboratório (53%), respectiva tensão de cedência e linha de compressão elástica e troço de compressão virgem ... 67 Figura 4.32 – Trajectória das deformações sofridas ao longo do tempo para a amostra saturada ... 69 Figura 4.33 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra saturada ... 69 Figura 4.34 – Trajectória das deformações sofridas ao longo do tempo para a amostra com HR de 75% ... 70

Figura 4.35 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra com

HR de 75% ... 70

Figura 4.36 – Trajectória das deformações sofridas no tempo para a amostra com HR do laboratório (53%) ... 71

Figura 4.37 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra com HR do laboratório (53%) ... 71

Figura 4.38 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra saturada, respectiva tensão de cedência e linha de compressão elástica e troço de compressão virgem ... 72

Figura 4.39 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra com HR de 75%, respectiva tensão de cedência e linha de compressão elástica e troço de compressão virgem ... 72

Figura 4.40 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaio edométrico da amostra com HR do laboratório (53%), respectiva tensão de cedência e linha de compressão elástica e troço de compressão virgem ... 73

Figura 4.41 – Representação esquemática da curva de cedência (Loading collapse – LC) no plano de tensões ( , ) para as amostras compactadas do lado seco e do lado húmido ... 76

Figura 4.42 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaios edométricos de amostras com vários valores de HR, compactadas do lado húmido ... 76

Figura 4.43 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaios edométricos de amostras com vários valores de HR, compactadas do lado seco ... 77

Figura 4.44 – Trajectória ( , ) do solo obtida a partir de ensaios edométricos de amostras saturadas compactadas do lado seco, do lado húmido e da amostra desestruturada ... 77

Figura 4.45 – Representação no plano ( , ) do comportamento na molhagem de amostras compactadas do lado húmido com HR de 75% ... 80

Figura 4.46 – Valores do coeficiente de permeabilidade da amostra compactada do lado húmido em função do índice de vazios (várias fases de carregamento) ... 81

Figura 4.47 – Valores do coeficiente de permeabilidade da amostra compactada do lado seco em função do índice de vazios (várias fases de carregamento) ... 81

Figura 4.48 – Sobreposição dos valores do coeficiente de permeabilidade de ambas as amostras em função do índice de vazios (várias fases de carregamento) ... 82

Figura 4.49 – Provete de solo na câmara para o ensaio triaxial ... 83

Figura 4.50 – Colocação do provete na câmara triaxial ... 85

Figura 4.51 – Provete de solo após um ensaio triaxial consolidado não drenado ... 87

Figura 4.52 – Tensões e trajectórias de tensão num ensaio triaxial consolidado não drenado (Maranha das Neves, 2006) ... 88

Figura 4.53 – Linha dos estados críticos (LEC) e linha de compressão normal (LCN) ... 89

Figura 4.54 – Comportamento de um solo quando submetido a tensão de corte com drenagem impedida (Maranha das Neves, 2006) ... 90

Figura 4.55 –Círculos de Mohr em tensões totais e efectivas e representação dos parâmetros de resistência do solo, típicos de um ensaio triaxial consolidado não drenado (Maranha das Neves, 2006) ... 90 Figura 4.56 – Trajectórias no plano ( , ) do ensaio triaxial não drenado de uma amostra compactada do lado húmido, consolidada para uma tensão isotópica de 100 kPa, considerando ou não a correcção da área ... 92 Figura 4.57 – Envolvente de rotura Mohr Coulomb (LEC) para as amostras compactadas do lado húmido ... 93 Figura 4.58 – Envolvente de rotura Mohr Coulomb (LEC) para as amostras compactadas do lado seco ... 94 Figura 4.59 – Trajectória das tensões efectivas para as várias amostras do lado húmido, consolidadas para tensões diferentes ... 97 Figura 4.60 – Trajectória das tensões efectivas para as várias amostras do lado seco, consolidadas para tensões diferentes ... 97 Figura 4.61 – Variação das deformações axiais e das tensões deviatóricas ao longo do ensaio triaxial consolidado não drenado da amostra compactada do lado húmida e consolidada para uma tensão de 100 kPa ... 98 Figura 4.62 – Variação das deformações axiais e das pressões intersticiais ao longo do ensaio triaxial consolidado não drenado da amostra compactada do lado húmida e consolidada para uma tensão de 100 kPa ... 98 Figura 5.1 – Curvas de cedência obtidas para as amostras compactadas do lado húmido e do lado seco ... 100 Figura 5.2 – Curvas de cedência obtidas para a amostra compactada lado seco admitindo ou não a tensão média de cedência saturada ... 102 Figura 5.3 – Curvas de cedência obtidas para as amostras compactadas do lado húmido e do lado seco admitindo a tensão média de cedência saturada ... 102

Í NDICE DE Q UADROS

Quadro 3.1 – Humidade relativa e sucção para as várias amostras de solo utilizadas nos ensaios edométricos ... 39 Quadro 3.2 – Relação entre a sucção e a humidade relativa de acordo com a lei psicométrica para uma temperatura de 25 ºC (Maranha das Neves, 2007) ... 40 Quadro 4.1 – Quadro resumo dos valores óptimos da curva de compactação ... 43 Quadro 4.2 – Quadro resumo dos valores obtidos para as amostras do lado húmido e do lado seco da curva de compactação (valores obtidos e valores esperados) ... 44 Quadro 4.3 – Limites de Atterberg ... 46 Quadro 4.4 – Parâmetros adoptados para o desenho das curvas de retenção ... 47 Quadro 4.5 – Índice de vazios obtidos para as várias amostras ensaiadas no edómetros após montagem nos anéis ... 57 Quadro 4.6 – Trajectória de carregamentos adoptada para os vários ensaios edométricos realizados ... 58 Quadro 4.7 – Valores dos parâmetros obtidos nos vários ensaios edométricos ... 67 Quadro 4.8 – Valores dos parâmetros obtidos nos vários ensaios edométricos ... 73 Quadro 4.9 – Comparação dos valores dos parâmetros obtidos nos vários ensaios edométricos ... 74 Quadro 4.10 – Valores finais admitidos dos parâmetros obtidos nos ensaios edométricos ... 75 Quadro 4.11 – Valores dos parâmetros de compressibilidade obtidos no ensaio edométrico da amostra desestruturada ... 77 Quadro 4.12 – Comportamento na molhagem das amostras compactadas no lado húmido .... 79 Quadro 4.13 – Comportamento na molhagem de duas amostras teste compactadas no lado húmido ... 79 Quadro 4.14 – Comportamento na molhagem das amostras compactadas no lado seco ... 79 Quadro 4.15 – Quadro resumo dos valores obtidos para os provetes do lado húmido e do lado seco da curva de compactação (valores obtidos e valores esperados) ... 84 Quadro 4.16 – Parâmetros de resistência ao corte das amostras compactadas no lado húmido ... 93 Quadro 4.17 – Parâmetros de resistência ao corte das amostras compactadas no lado seco . 94 Quadro 4.18 – Parâmetros de resistência ao corte das amostras compactadas do lado húmido e do lado seco ... 94 Quadro 4.19 – Resumo dos valores do gradiente da linha de estados críticos obtidos ... 98 Quadro 5.1 – Valores utilizados para a calibração da curva de cedência da amostra compactada do lado húmido ... 99 Quadro 5.2 – Valores utilizados para a calibração da curva de cedência da amostra compactada do lado seco ... 99

Quadro 5.3 – Valores utilizados para definir a curva de cedência das amostras compactadas do lado húmido e do lado seco ... 100 Quadro 5.4 – Valores utilizados para a calibração do Barcelona Basic Model para o lado húmido e lado seco, admitindo que têm a mesma tensão média de cedência saturada ... 101

S IMBOLOGIA E N OTAÇÕES

– Parâmetro de Skempton

ASTM – American Society for Testing and Materials – Coeficiente de compressibilidade

– Parâmetro de Skempton BBM – Barcelona Basic Model C – Argila

– Coesão aparente

CC – Índice de compressibilidade CC

1 – Índice de compressibilidade do lado húmido CC

2 – Índice de compressibilidade do lado seco CCM – Cam Clay Modificado

CS – Índice de expansibilidade

– Coesão não drenada ou resistência não drenada CU – Consolidado não drenado

– Coeficiente de consolidação D – Lado seco

– Deformações troço a troço

– Deformações volumétricas plásticas devidas a variações de sucção

– Deformações volumétricas plásticas devidas a variações de tensão isotrópica – Energia específica de compactação

– Índice de vazios – Índice de vazios inicial

– Rigidez distorcional para uma deformação axial de 0,5%

– Densidade das partículas sólidas H – Alta expansibilidade

– Altura inicial do provete HR – Humidade Relativa IP – Índice de Plasticidade – Coeficiente de permeabilidade LC – Loading Collapse

LCendur – Loading Collapse após endurecimento LCN – Linha de Compressão Normal

LEC – Linha de Estados Críticos

LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil LVDT – Linear Variable Differential Transformer

– Taxa de aumento da resistência à tracção com a sucção – Massa molecular da água

M – Silte

- Módulo edométrico

– Declive da linha de estados críticos – Módulo de compressibilidade volumétrica NaCl – Cloreto de Sódio

– Porosidade

–

OCR – Grau de sobreconsolidação

– Tensão média de cedência do solo saturado

– Tensão média de cedência do solo saturado após endurecimento – Tensão média de cedência do solo com uma sucção

– Pressão de entrada do ar (a calibrar com os resultados experimentais) – Tensão média de compressão

– Pressão atmosférica

– Tensão de referência para a qual – Pressão do líquido

– Resistência à tracção – Tensão média de cedência – Tensão deviatórica

– Constante adimensional relacionada com a máxima rigidez do solo – Constante universal dos gases

R.C. crítica – Linha de compactação relativa crítica – Valor máximo de sucção previamente atingido – Sucção

– Tensão média de compressão em ( ) SC – Areia argilosa

SEM – Scanning Electron Microscope SI – Suction Increase

SIendur – Suction Increase após endurecimento – Grau de saturação

– Raio do círculo de Mohr em ( ) – Temperatura absoluta

– Tempo decorrido desde o início do ensaio TTE – Trajectória das Tensões Efectivas

– Factor tempo para consolidação – Pressão intersticial

– Pressão no ar dos vazios

UPC – Universidade Politécnica da Catalunha – Pressão da água

– Volume específico – Volume de ar de um solo – Volume específico no ponto i

– Volume das partículas sólidas de um solo – Volume dos vazios de um solo

– Volume da água de um solo – Volume total de um solo W – Lado húmido

– Peso total de um solo – Teor em água

– Peso do ar de um solo – Limite de liquidez

– Teor em água óptimo – Limite de plasticidade

WP4 – Water Dewpoint Potentiometer – Limite de retracção

– Peso das partículas sólidas de um solo – Peso da água de um solo

– Parâmetro que controla a taxa de aumento da rigidez do solo com a sucção – Peso volúmico submerso

– Peso volúmico seco

– Peso volúmico seco máximo – Peso volúmico

– Peso volúmico das partículas sólidas – Deformação horizontais – Deformações axiais

– Deformações radiais – Deformações volumétricas – Deformação vertical

– Deformação volumétrica devido a variação de sucção

– Variações volumétricas elastoplásticas devido a variação de sucção a tensão constante – Variações volumétricas elásticas devido a variação de sucção a tensão constante – Variações volumétricas plásticas devido a variação de sucção a tensão constante – Variações volumétricas elastoplásticas devido a variação de tensão a sucção constante – Variações volumétricas elásticas devido a variação de tensão a sucção constante – Variações volumétricas plásticas devido a variação de tensão a sucção constante

– Variação do índice de vazios - Variação da altura

– Índice de compressibilidade elástica para variações isotrópicas de tensão – Índice de expansibilidade para variações de sucção adoptado

– Índice de compressibilidade elástica para variações de sucção

– Constante da curva de retenção (a calibrar com os resultados experimentais) – Índice de compressibilidade para variações de tensão isotrópicas

– Índice de compressibilidade elastoplástico para variações de sucção

– Índice de compressibilidade elastoplástico quando é aplicada uma variação isotrópica de tensão sob sucção nula (solo saturado)

– Índice de compressibilidade elastoplástico quando é aplicada uma variação isotrópica de tensão sob sucção constante

– Massa volúmica da água – Tensão total

– Tensão efectiva

¹ – Tensão de cedência do solo do lado húmido ² – Tensão de cedência do solo do lado seco – Tensão efectiva vertical actual

– Tensão de cedência do solo

– Tensão principal segundo a direcção i – Tensão axial

– Tensão radial – Tensão vertical

– Ângulo de resistência ao corte

1. I NTRODUÇÃO

O processo construtivo de aterros de barragens de terra ou de vias de comunicação requer cuidados especiais pois o material compactado tem que obedecer às especificações do caderno de encargos. As prescrições dos cadernos de encargos procuram essencialmente garantir a compactação num dado intervalo, com um dado teor em água e peso volúmico seco, pois estas correspondem a uma dada resistência e compressibilidade necessárias ao bom desempenho do aterro.

Com o avanço da mecânica dos solos não saturados já é possível ter uma noção mais científica da importância da escolha deste intervalo para cada obra, isto porque as diferenças do solo compactado para cada ponto da curva de compactação estão associadas a uma dada estrutura do solo. Como se verá, o comportamento hidro-mecânico de um solo depende da sua estrutura que induz ao solo certas características que o levam a comportar-se de uma dada maneira, havendo portanto a necessidade de compreender o melhor possível esse comportamento para que não ocorram assentamentos excessivos em serviço ou, no limite, a segurança não seja posta em causa.

Neste trabalho pretende-se caracterizar experimentalmente o comportamento hidro-mecânico de amostras compactadas com a mesma energia e peso volúmico seco, mas com estruturas diferentes pois são compactadas ou no lado seco ou no lado húmido da curva de compactação.

Após a determinação da curva de compactação e dos limites de consistência, determinou-se a curva de retenção do solo e realizou-se uma difracção de raios x e porosimetrias por intrusão de mercúrio para amostras compactadas de um e outro lado da curva de compactação. Para complementar o estudo foram analisadas fotografias de microscópio electrónico das amostras para constatar a existência de diferentes estruturas. Finalmente foram realizados ensaios edométricos e triaxiais, onde se obtiveram as características hidro-mecânicas (compressibilidade, expansibilidade, permeabilidade e resistência ao corte) para cada tipo de estrutura estudada.

A comparação dos resultados obtidos nos vários ensaios é analisada de modo a permitir obter conclusões úteis que façam perceber o porquê da necessidade de um aterro de uma barragem de terra ter uma prescrição do intervalo de compactação diferente de um aterro de vias de comunicação. Este trabalho pretende, portanto, ser mais uma ferramenta de consciencialização da importância da mecânica dos solos não saturados na engenharia civil e o interesse que o conhecimento acerca da forma como um solo se comporta tem para o dimensionamento de uma estrutura geotécnica quando sujeito não só a variações nas cargas aplicadas mas também na sucção que lhe está imposta.

O presente trabalho vai desenvolver-se em 6 capítulos:

No presente capítulo (Introdução) procura-se contextualizar o tema abordado no âmbito da engenharia civil, analisando a sua importância para o enriquecimento desta.

No capítulo 2 (Fundamentos Teóricos) são apresentados os conceitos teóricos essenciais para a compreensão do comportamento de solos compactados.

No capítulo 3 (Modelação do Comportamento de Solos Não Saturados) são apresentados os conceitos teóricos necessários à compreensão dos princípios dos solos não saturados e sua modelação, sendo abordado o modelo elastoplástico com endurecimento, que incorpora o efeito da sucção no comportamento do solo, o Barcelona Basic Model (BBM).

No capítulo 4 (Caracterização Experimental do Material Compactado) é caracterizado o material utilizado no presente trabalho, sendo analisados os resultados dos ensaios mineralógicos, ensaios de compactação, os limites de consistência, a curva de retenção, a porosimetria por intrusão de mercúrio, fotografia de microscópio electrónico, ensaios edométricos e ensaios triaxiais.

No capítulo 5 (Calibração do Barcelona Basic Model Considerando os Resultados Experimentais) são obtidos os parâmetros necessários à definição da curva de cedência Loading Collapse (LC) do solo em estudo compactado do lado seco ou do lado húmido da curva de compactação e ainda da linha de estados críticos (LEC) em condições saturadas.

Apresentam-se os parâmetros adoptados e são tecidas conclusões relativas à determinação das curvas.

No capítulo 6 (Conclusões e Desenvolvimentos Futuros) apresentam-se as principais conclusões do trabalho desenvolvido e eventuais aspectos a considerar no futuro de forma a dar continuidade ao estudo realizado.

2. F UNDAMENTOS T EÓRICOS

2.1. I

Uma área importante da Geotecnia é a que lida com os aterros, cujas características mecânicas (resistência e deformabilidade) se controlam através da escolha dos materiais e das condições de compactação.

Num aterro de vias de comunicação procura-se essencialmente assegurar uma boa resistência e baixa compressibilidade do solo. As características mecânicas do aterro podem-se ir degradando ao longo da vida útil da estrutura devido à natureza cíclica das acções, sejam elas as sobrecargas de serviço ou as acções atmosféricas (ciclos de secagem-molhagem). No entanto, no dimensionamento deste tipo de aterros procura-se assegurar uma drenagem eficiente evitando o contacto do solo compactado com a água minimizando eventuais efeitos negativos das acções atmosféricas.

Por outro lado, no caso das barragens de aterros, não obstante a preocupação em garantir boas condições de resistência e deformabilidade, o facto de a estrutura entrar em contacto com a água, leva a que sejam levados em conta os efeitos da molhagem ou, por outras palavras a variação da sucção, nessas mesmas características. Também a permeabilidade do solo é importante, no entanto a característica mais importante a controlar na compactação do núcleo de uma barragem é conferir ductilidade de modo a permitir que ele se deforme em função da rigidez relativa entre núcleo e maciços laterais e que depende do seu grau de saturação.

Ao longo deste capítulo serão abordados aspectos relevantes que permitem uma melhor interpretação do comportamento de solos argilosos pouco expansivos para condições de compactação diferentes e o efeito que a molhagem tem nas características mecânicas desses mesmos solos. Esta análise irá permitir uma melhor compreensão dos pressupostos adoptados para a construção de aterros, mais precisamente do porquê de um aterro de vias de comunicação ser compactado do lado seco da curva de compactação enquanto um aterro de uma barragem é compactado do lado húmido.

2.2. P

S

O solo é um material polifásico constituído por três fases: partículas sólidas, água e ar. Como tal, o seu comportamento irá depender da quantidade relativa de cada uma dessas fases e pode ser expresso por diversas relações utilizadas para expressar as proporções entre elas.

Num solo, os espaços que se encontram localizados entre as partículas sólidas são designados por vazios. Podem distinguir-se três estados distintos. Assim, caso os vazios sejam preenchidos apenas por água, diz-se que o solo está saturado. Por outro lado, se apenas conterem ar, diz-se que o solo está seco. Numa situação intermédia em que coexistem ambas as fases (líquida e gasosa), o solo designa-se por parcialmente saturado.

Na Figura 2.1 encontram-se representadas esquematicamente as várias fases constituintes de um solo, onde , , , e representam os volumes de ar, água, partículas sólidas, vazios e total de um solo, respectivamente. Por outro lado, , , e representam os pesos de ar, água, partículas sólidas e total de um solo.

Figura 2.1 – Representação esquemática das fases constituintes de um solo

Para uma melhor compreensão do comportamento de um solo e suas propriedades mecânicas e hidráulicas, convém recordar algumas grandezas que se obtêm através das relações entre os pesos e os volumes das várias fases constituintes do solo. Assim, quando se relacionam os volumes das várias fases, podem-se obter as seguintes grandezas:

 Índice de vazios ( ) – é definido como a relação entre o volume dos vazios e o volume das partículas sólidas existente num dado volume de solo (Eq. 2.1).

 Porosidade ( ) – é definida como a relação entre o volume de vazios e o volume total do solo (Eq. 2.2).

 Grau de saturação ( ) – é definido como a relação entre o volume de água e o volume de vazios num dado volume de solo (Eq. 2.3).

Ar Água

Partículas sólidas 𝑉𝑎

𝑉𝑤

𝑉𝑠

𝑉𝑣

𝑉 Volume

𝑊𝑎

𝑊𝑤

𝑊𝑠

𝑊 Peso

Por outro lado, ao relacionar os pesos das várias fases, obtém-se a seguinte grandeza:

 Teor em água ( ) – é definido como a relação entre o peso da água e o peso das partículas sólidas num dado volume de solo (Eq. 2.4).

Ao se relacionar pesos com volumes, obtêm-se grandezas relativas ao peso volúmico do solo.

Destacam-se os seguintes:

 Peso volúmico ( ) – é definido como a relação entre o peso do solo e o seu volume total (Eq. 2.5). Quando o grau de saturação é 100%, designa-se por peso volúmico saturado ( ).

 Peso volúmico seco ( ) – é definido como a relação entre o peso das partículas sólidas e o volume total (Eq. 2.6).

 Peso volúmico submerso ( ) – é definido como a diferença entre o peso volúmico do solo e o peso volúmico da água (Eq. 2.7).

 Peso volúmico das partículas sólidas ( ) - é definido como a relação entre o peso das partículas sólidas e o volume dessas mesmas partículas (Eq. 2.8).

Por fim, caso se relacionem os pesos específicos das partículas sólidas e o peso específico da água, obtém-se a densidade das partículas sólidas ( ) (Eq. 2.9).

(Eq. 2.9)

Na prática, em laboratório apenas são determinadas as grandezas relativas ao teor em água, ao peso volúmico seco e à densidade das partículas sólidas.

A curva granulométrica e os limites de consistência são mais duas características físicas do solo que se obtêm em laboratório.

2.3. S

C

2.3.1. P

C

A construção de aterros envolve a escavação e o uso de solo de manchas de empréstimo.

Quando o solo é retirado do terreno vem em pedaços, mais ou menos desagregados, e o seu emprego em obra requer uma compactação adequada de modo a dar-lhe todas as características necessárias para garantir as melhores condições de serviço durante o tempo de vida útil da estrutura que irá servir.

A técnica da compactação de solos é relativamente recente e deve-se ao engenheiro Ralph Proctor que em 1933 publicou os seus estudos pioneiros sobre a compactação de aterros, nos quais mostra que a compactação depende de quatro variáveis: peso volúmico seco, teor em água, energia de compactação e tipo de solo.

A compactação pode ser entendida como um processo mecânico de adensamento do solo que visa a melhoria das suas características de resistência, deformabilidade (diminuição da compressibilidade) e permeabilidade através da expulsão de ar dos vazios. Pretende-se assim, através da aplicação rápida e repetida de cargas ao solo, uma diminuição do seu volume e, consequentemente, uma diminuição do índice de vazios e aumento do peso volúmico seco. Tal consegue-se à custa da redução do volume de vazios mas mantendo o teor em água do solo praticamente constante. Esta é, aliás, a principal diferença entre a compactação e a consolidação, uma vez que, nesta última, o solo está saturado e a variação de volume consegue-se por expulsão de água dos vazios.

De uma forma geral, quanto menor o índice de vazios, maior é a resistência e menor a deformabilidade e a permeabilidade do solo. No ponto sobre compactação do lado seco e do lado húmido que será discutido adiante, serão abordadas estas características e o efeito que a compactação tem nas mesmas.

O nível de energia aplicado e o teor em água são determinantes para o resultado da compactação. Na Figura 2.2 encontra-se representada uma curva de compactação típica de um solo fino argiloso, que resulta da relação entre o teor em água ( ) e o peso volúmico seco ( ) do solo para uma determinada energia específica de compactação ( ). Os valores do teor em água e do peso volúmico seco são obtidos a partir da Eq. 2.4 que juntamente com as Eq.

2.5 e Eq. 2.6 permite obter a Eq. 2.10.

Figura 2.2 – Curva de compactação de um solo fino argiloso e respectiva curva de saturação

Como se pode observar na Figura 2.2, ao valor cuja ordenada é máxima dá-se o nome de peso volúmico seco máximo ( ) que ocorre para um teor em água que se designa por óptimo ( ). À esquerda do ponto óptimo, o ramo da curva designa-se por ramo seco (teores em água inferiores ao óptimo) e à direita por ramo húmido (teores em água superiores ao óptimo).

Constata-se ainda que apenas se consegue um aumento do peso volúmico seco até um determinado valor de teor em água. Tal fenómeno é bastante complexo e depende de muitos factores. No entanto, de acordo com Santos (2008) pode ser explicado simplificadamente devido ao facto de, para uma massa de solo com pouca água ela se apresentar com muitos torrões de solo. A compactação permite desfazer esses torrões e, consequentemente, a expulsão do ar. No entanto, os torrões apresentar-se-ão duros, pelo que, se o solo possuísse um pouco mais de água, a acção de compactação seria facilitada e, portanto, mais eficaz.

Assim, do lado seco, um aumento do teor em água conduz ao aumento do peso volúmico seco.

Por outro lado, caso a quantidade de água ultrapasse o valor óptimo, as zonas do ar do solo deixam de estar em contacto com a atmosfera, ficando o ar aprisionado entre o solo e a água intersticial, não podendo ser expulso. A compactação não se realiza assim de forma tão eficaz e um aumento do teor em água leva à diminuição do peso volúmico seco (Santos, 2008).

Na realidade o processo é bem mais complexo e pode ser explicado através do efeito que as cargas eléctricas das partículas de água têm relativamente à maior ou menor repulsão entre as partículas de argila. Assim, de acordo com Lambe e Whitman (1976), analisando a Figura 2.3 podem-se observar alguns tipos de possíveis mecanismos de atracção entre partículas de argila e de água. Sendo uma partícula de argila um material com carga negativa é de esperar que, quando em contacto com uma outra partícula, elas se organizem de uma forma cuja

Sr = 90%

Sr = 100%

Sr = 80%

𝒘 (%) 𝜸𝒅(kN/m3 )

𝛾𝑑 𝑚 𝑥

𝑤 _𝑝𝑡

Ramo seco Ramo húmido

Curva de Compactação Curva de Saturação Curva com 𝑺_𝒓 = 90%

Curva com 𝑺_𝒓 = 80%

energia potencial seja mínima ou seja, segundo uma estrutura mais ou menos perpendicular.

No entanto, este efeito pode ser invertido e as partículas podem anular a repulsão entre si caso haja uma presença significativa de água no solo. Assim, ao aumentar a quantidade de água presente no solo é de esperar que as forças de repulsão se anulem e as partículas se organizem de uma forma mais compacta, diminuindo a distância entre si e aumentando deste modo o peso volúmico seco do solo. Contudo, existe um limite a partir do qual este efeito de atracção entre partículas induzido pela água é máximo. Este valor diz respeito ao teor em água óptimo do solo. A partir deste ponto a água começa a ter um efeito dispersivo nas partículas de argila que se começam a afastar e o peso volúmico seco volta a diminuir. Como é natural, para um aumento de água de tal modo que se atinja a saturação completa e se ultrapasse o seu valor, as partículas começam a comportar-se como um fluido e a ficar em suspensão.

Figura 2.3 – Possíveis mecanismos de absorção de água pela superfície das partículas de argila. (a) ligação de hidrogénio. (b) hidratação iónica. (c) atracção osmótica. (d) atracção dipolo-dipolo (Lambe & Whitman, 1976)

Este equilíbrio entre forças de repulsão entre as partículas de argila e a atracção da água até que a quantidade de água seja demasiada e provoque dispersão pode ser observado na Figura 2.4. Observa-se assim que existe uma distância entre duas placas de argila paralelas para a qual as forças de atracção são maiores do que as de repulsão e vice-versa. Essa distância

depende dos iões existentes no campo de acção de cada partícula, sendo as moléculas de água importantes nesta distribuição iónica.

Figura 2.4 – Equilíbrio entre as forças de repulsão entre as partículas de argila e a atracção da água. Adaptado de (Lambe & Whitman, 1976)

Devido à expulsão de ar que ocorre no processo de compactação, o grau de saturação aumenta já que o volume de vazios tende a ser o volume de água. Na Figura 2.2 encontra-se representada a curva de saturação que é obtida a partir da expressão Eq. 2.11. Esta traduz a situação limite correspondente à total expulsão do ar ( =100%) e equivale a um limite superior para uma curva de compactação de um dado solo. Como é natural a total expulsão do ar não é possível já que parte dele acaba por ficar aprisionado entre os grãos de solo. O valor do teor em água óptimo corresponde habitualmente a graus de saturação que se situam entre os 80 e os 95% (Alonso, 2004).

(Eq. 2.11)

Como foi referido anteriormente, também a energia específica de compactação ( ) tem influência na curva de compactação. Verifica-se na prática que, para um dado solo, um aumento do nível de energia implica um aumento dos pesos volúmicos secos máximos e uma diminuição dos teores em água óptimos. A curva de compactação desloca-se assim para cima e para esquerda. Verifica-se ainda que existe uma assímptota que limita o peso volúmico seco máximo. Na Figura 2.5 podem ser observados os pressupostos referidos.

Forças equilibram-se

Repulsão

Figura 2.5 – Influência da energia específica de compactação ( ) na curva de compactação

Como se compreende, um solo compactado é, por isso, um solo não saturado. Esta característica, juntamente com a estrutura induzida pelo processo de compactação, vai ser fundamental para compreender a variação de volume dos solos compactados na molhagem.

2.3.2. E

S

A

C

Para uma melhor compreensão do comportamento de solos argilosos compactados é importante considerar a sua estrutura induzida pelo processo de compactação. Deste modo, a estrutura é função do teor em água e da energia adoptada para a compactação.

De facto, a compactação dos solos representa uma forma de modificação do posicionamento das partículas do solo. Nos solos não saturados, a maior ou menor presença de água vai influenciar a forma como as partículas do solo se vão posicionar quando são aplicadas cargas.

A essa disposição das partículas dá-se o nome de fábrica. A estrutura diz respeito à fábrica do solo e ainda a eventuais ligações cimentícias que se formem entre essas mesmas partículas.

O conceito de estrutura pode ser também utilizado para justificar as diferenças entre as propriedades de um solo que se encontre no estado natural ou no estado desestruturado. Para além dos solos compactados, todos os solos naturais que foram sujeitos a uma dada história de consolidação têm uma estrutura que reflecte os processos quer físicos quer químicos a que estiveram sujeitos durante essa história. Essa estrutura é determinante para o comportamento mecânico do solo quando é carregado.

Como se observa na Figura 2.6, o comportamento é diferente consoante a estrutura do solo.

Um solo no estado desestruturado tem geralmente um comportamento pior quer em termos de 𝒘 ^(%)

𝜸𝒅(kN/m3 )

𝑺_𝒓 = 100%

𝐸3>𝐸2>𝐸1

Curva de Compactação 𝑬𝟏 Curva de Compactação 𝑬𝟐 Curva de Compactação 𝑬𝟑 Curva Saturação

Curva de 𝒘 _{𝒑𝒕𝒊𝒎𝒐}

resistência como de deformabilidade que um solo com alguma estrutura. As suas características de resistência e de rigidez vão diminuindo à medida que a desestruturação é maior.

Figura 2.6 – Comparação entre o comportamento do solo completamente desestruturado e do solo com estrutura (Vaughan et al., 1988)

De acordo com Alonso (2004), os trabalhos de Proctor (1933) e as interpretações microestruturais proporcionadas por Lambe (1958) e Seed e Chan (1959) contribuíram para a criação de um modelo básico de referência que permitisse uma interpretação do comportamento dos solos compactados. Alonso (2004), citando Lambe (1958), refere que na compactação do lado húmido se alcançam estruturas “dispersas”, caracterizadas pela disposição das partículas segundo uma orientação preferencial. Por outro lado, do lado seco, as partículas de argilas apresentam uma orientação aleatória denominada de floculada.

Relativamente à compactação do lado seco da curva compreende-se que, devido à sucção instalada (aspecto que será abordado no capítulo 3 em secção própria), surgem ligações de atracção entre a face e a aresta das partículas, as quais não conseguem ser vencidas pela energia de compactação. Resulta daí a existência de uma estrutura floculada com poros de dimensões relativamente grandes.

Por seu turno, na compactação do lado húmido, o teor em água faz com que a repulsão entre partículas aumente e o processo de compactação orienta as partículas segundo uma estrutura dispersa. Para o mesmo teor em água, percebe-se que um aumento da energia de compactação implique uma maior dispersão das partículas. Os poros entre as partículas neste caso assumem dimensões inferiores às da compactação do lado seco. Na Figura 2.7 encontra-se uma representação esquemática da ligação entre as partículas de argila numa estrutura floculada ou dispersa.

Figura 2.7 – Representação esquemática da estrutura do solo

Este efeito que a presença de água tem na disposição das partículas e consequente influência na estrutura do solo deve-se à interacção entre as cargas eléctricas da água discutida anteriormente nas Figura 2.3 e Figura 2.4 e dos minerais presentes no solo.

Na Figura 2.8 encontra-se representado o efeito da compactação na estrutura do solo.

Figura 2.8 – Estrutura floculada e dispersa do solo dependendo do lado da curva de compactação de solos finos argilosos (Lambe, 1958)

Com o auxílio da porosimetria por intrusão de mercúrio é possível tecer alguns comentários relativos ao tamanho dos vazios que podem ser relacionados com a estrutura de um solo compactado do lado seco ou do lado húmido. As fotografias de microscópio electrónico (Scanning Electron Microscope – SEM) também são uma ajuda pois permitem visualizar a estrutura, possibilitando uma análise qualitativa da mesma. No capítulo 4, referente à caracterização do material compactado, será dada importância a estas duas ferramentas.

Agregado de Argila Aresta

Face

Estrutura Floculada: Aresta – Aresta ou Face – Aresta Vazios grandes

Estrutura Dispersa: Sem associação entre partículas de argila

Vazios pequenos

Elevada energia de compactação

Baixa energia de compactação Estrutura floculada

Estrutura dispersa

De acordo com Mitchell e Soga (2005), do ponto de vista da engenharia existem alguns princípios que relacionam a fábrica, a estrutura dos solos e as suas propriedades mecânicas.

Estas propriedades é que explicam os diferentes comportamentos dos solos compactados do lado seco (estrutura floculada) e dos solos compactados do lado húmido (estrutura dispersa).

São apresentados de seguida alguns desses princípios:

 Sob uma determinada tensão de consolidação um solo compactado do lado seco é menos denso que o mesmo solo compactado do lado húmido;

 Para o mesmo índice de vazios um solo compactado do lado seco, com as partículas orientadas aleatoriamente, é mais rígido que o mesmo solo compactado do lado húmido (esta rigidez explica-se pela existência de sucções maiores no lado seco);

 Uma vez atingida a máxima tensão de pré-consolidação, incrementos futuros de tensão causam maiores modificações na estrutura dos solos compactados do lado seco do que na estrutura de solos compactados do lado húmido;

 O diâmetro médio dos poros e a variação de diâmetros de poros é menor nos solos compactados do lado húmido do que nos solos compactados do lado seco;

 Duas amostras de um solo compactado podem ter estruturas diferentes para o mesmo estado de tensão efectiva e índice de vazios, se forem compactados do lado seco ou do lado húmido. Nesse caso o comportamento tensão-deformação das duas amostras vai também diferir, podendo ser medido através do OCR (grau de sobreconsolidação) que será abordado na secção sobre compressibilidade e resistência do solo do presente capítulo.

É a partir destas características dos solos argilosos compactados que se podem tecer comentários acerca do seu comportamento mecânico e hidráulico. Assim, tendo em conta o tipo de compactação e a estrutura que esta induz ao solo, será feita uma análise relativamente à influência no comportamento mecânico da forma como as partículas de argila se dispõem, nomeadamente em termos de variações volumétricas (expansibilidade), resistência, rigidez, permeabilidade e retenção de água.

2.3.3. C

L

S

L

H

Como já se percebeu, o solo compactado do lado seco é diferente do solo compactado do lado húmido. Para um mesmo valor do peso volúmico/índice de vazios, as características de resistência, deformabilidade, permeabilidade e retenção de água podem ser bastante diferentes.

Começando por se analisar a resistência ao corte do solo, caso este seja compactado do lado seco, uma vez que uma grande parte dos vazios fica preenchida por ar e apenas uma diminuta percentagem deles que se encontra junto às partículas sólidas são preenchidos por água,

surgem fenómenos de capilaridade que correspondem a forças de sucção relevantes que tendem a aproximar as partículas sólidas. Verifica-se assim um aumento da resistência. Em parte é explicada pela estrutura e outra parte pela sucção elevada.

Quando a compactação se realiza no lado húmido, as forças de sucção tendem a ser sucessivamente menores, anulando-se para graus de saturação muito elevados. A resistência será, à partida, inferior à do mesmo solo compactado do lado seco. Além do mais, como irá ser referido adiante, a deformabilidade dos aterros aumenta com o teor em água, pelo que, nestas condições, mesmo com solicitações que não sejam muito elevadas, essas deformações podem fazer surgir tensões neutras positivas que vão reduzir as tensões efectivas instaladas e, deste modo, diminuir ainda mais a resistência do material. Nos solos argilosos colocados em obra com um elevado teor em água e a um ritmo de construção elevado como é o caso dos núcleos das barragens de aterros, essas tensões neutras positivas geradas têm dificuldade em se dissiparem (devido à baixa permeabilidade do material) podendo, no limite, colocar em causa a estabilidade do aterro.

Na Figura 2.9, encontra-se representada a curva de estabilidade, que reflecte a diminuição da resistência com o aumento do teor em água medida em ensaios CBR (California Bearing Ratio).

Figura 2.9 – Variação da resistência do solo com o teor em água da curva de compactação (Bastos, 2010)

Relativamente à deformabilidade já foram tecidas as considerações necessárias para perceber que o solo compactado do lado seco, em virtude de ter forças de sucção instaladas que garantem uma maior coesão entre partículas, possui menor compressibilidade logo tem uma deformabilidade menor que o solo compactado do lado húmido.

Por fim, a estrutura induzida no processo de compactação afecta também o comportamento hidráulico do solo que se descreve através da permeabilidade saturada ou condutividade hidráulica e da curva de retenção. Relativamente à permeabilidade saturada, tendo em conta

as características da estrutura de um solo compactado do lado seco ou do lado húmido, o primeiro, por ter uma estrutura mais floculada, caracteriza-se pela presença de poros maiores.

Já o segundo, dada a sua estrutura dispersa, tem poros de menores dimensões. Espera-se então que a permeabilidade seja inferior no lado húmido que no lado seco.

Relativamente à curva de retenção, esta consiste na relação entre a sucção e o teor em água ou grau de saturação do solo. Depende do seu índice de vazios logo da sua densidade.

Conhecendo-se esta relação é possível saber qual a sucção instalada num solo compactado e de que forma esta varia com a sua molhagem e secagem induzindo por isso variações de volume, que se encontram descritas na secção 4 (expansibilidade) do presente capítulo.

As curvas de retenção são obtidas submetendo uma amostra de solo a um ciclo de secagem e molhagem por aplicação de níveis crescentes e depois decrescentes de sucção. Num ciclo secagem-molhagem a curva exibe uma resposta histerética, pelo que a relação entre a sucção e o teor em água não é biunívoca, ou seja, para uma dada sucção, o teor em água depende do caminho hídrico percorrido para chegar à sucção em questão (Maranha das Neves, 2007).

Enquanto a humidade relativa do ar dos vazios do solo é independente do tipo de solo, a sucção já não o é pois está associada a um dado teor em água que equilibra essa humidade e que depende da estrutura e da mineralogia do solo em causa. Assim, as curvas de retenção de materiais compactados com o mesmo índice de vazios mas com teores em água diferentes, como têm estruturas diferentes serão também diferentes. No capítulo sobre a caracterização do material compactado será apresentada a curva de retenção do solo em estudo, compactado do lado seco e do lado húmido da curva de compactação.

As curvas de retenção têm uma importância enorme para a caracterização dos solos pois, como estão associadas a variações de volume com a molhagem e secagem, traduzem o seu comportamento. A incorporação destas curvas na definição de modelos constitutivos para solos não saturados está ainda em fase de investigação.

2.4. E

A expansibilidade pode ser entendida como uma característica dos solos finos argilosos que se traduz numa variação do seu volume na molhagem. É um fenómeno que se manifesta apenas quando ocorre um aumento do teor em água e a sua amplitude traduz o potencial expansivo do solo.

A explicação do fenómeno associado à expansibilidade do material é complexa já que essas variações volumétricas estão relacionadas com várias propriedades dos materiais argilosos tais como: a superfície específica, a capacidade de troca catiónica, a natureza dos iões de troca, o

grau de consolidação, o teor em matéria orgânica e a presença de agente de cimentação entre partículas (Mitchell & Soga, 2005). Quando ocorrem sob tensão de confinamento constante, as variações de volume podem também ser interpretadas como uma resposta do solo a variações de sucção visto que um solo compactado é um solo não saturado.

Mesmo os solos argilosos pouco expansivos tais como os usados na construção de aterros podem sofrer variações de volume. Em aterros rodoviários é uma preocupação sobretudo quando a drenagem é insuficiente, ocorre ascensão do nível freático ou há absorção de água por capilaridade infiltrando-se no solo compactado provocando deformações irreversíveis. No caso de barragens o seu dimensionamento já prevê esse efeito e o solo é compactado do lado húmido para que a molhagem não seja tão prejudicial. Na secção 6 deste capítulo (importância do processo de compactação para o tipo de aterro) é analisado o efeito da molhagem no lado seco ou lado húmido da curva de compactação, permitindo uma melhor compreensão deste fenómeno.

Em função do tipo de comportamento do solo na molhagem, dependendo do nível de tensão instalado e das condições de compactação, as variações de volume podem ser classificadas de empolamento (ocorre aumento de volume sob tensão baixa) e de colapso (ocorre diminuição de volume sob tensão alta).

Como se observa na Figura 2.10, onde se representa um mapa de variações volumétricas de uma amostra compactada de areia argilosa de plasticidade média quando saturada, para além do nível de tensão instalado, a amplitude de deformação devido ao efeito da molhagem depende também da estrutura do solo, ou seja, depende se este foi compactado do lado seco ou do lado húmido da curva de compactação (secção 3 do presente capítulo).

Figura 2.10 – Mapa de deformações volumétricas ao saturar amostras com diferentes condições de compactação. Areia argilosa de plasticidade média (SC) saturada sob tensão vertical constante de 400 kPa

(Lawton et al., 1989, citado por Alonso, 2004)