Caracterização geotécnica de uma areia siltosa pertencente ao Município de Caruaru.

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1 Caracterização geotécnica de uma areia siltosa pertencente ao Município de Caruaru. Marilia Mary da Silva Faculdade do Vale do Ipojuca, FAVIP - Departamento de Engenharia Civil Caruaru, Pernambuco, Brasil, smariliamary@hotmail.com Cristiano Romero da Silva Faculdade do Vale do Ipojuca, FAVIP - Departamento de Engenharia Civil Caruaru, Pernambuco, Brasil, cristianoromero2006@hotmail.com RESUMO: Este trabalho apresenta o estudo das características geológico-geotécnicas de uma camada de areia siltosa, originária dos granitóides da Província da Borborema, localizada na Cidade de Caruaru e presente no subsolo da FAVIP onde a mesma executou suas obras de edificação do Campus Universitário I. Em especial para a caracterização física, o solo foi submetido a processos de compactação mecânica, para avaliação da variação do peso específico e da umidade ótima, através de diferentes energias de compactação, diferentes granulometrias, processos de secamento prévio e reuso de material. No que se refere à caracterização mecânica foram avaliados os parâmetros de resistência, bem como os parâmetros de compressibilidade do material e avaliação de colapsibilidade. PALAVRAS-CHAVE: caracterização geotécnica, compactação de laboratório, parâmetros de resistência e compressibilidade. 1 CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA O município de Caruaru está inserido na unidade geoambiental do Planalto da Borborema, sendo constituído pelos litotipos da Suíte Serra de Taquaritinga, dos Complexos Belém do São Francisco e Vertentes, de Granitóides Indiscriminados, do Complexo Surubim-Caroalina e das suítes Peraluminosa Xingó, Calcialcalina de Médio a Alto Potássio Itaporanga e Shoshonítica Salgueiro/Terra Nova. A unidade litoestatigráfica da área em estudo refere-se a suítes magmáticas (ny2k). Este conjunto de rochas possui uma representação muito ampla, correspondendo a uma região de embasamento muito remobilizado e retrabalhado em etapas sucessivas, constituindo-se em complexo policíclico metamorfizado na fácies anfibolito e chegando a fácies granulito. São rochas Neoproterozóicas com plutonismo Sin a Tardi Tectônico, representadas por granitos do tipo Biotita-anfibólio a quartzo monzonítico (por vezes com piroxênio), apresentam enclaves dioríticos e fácies sieníticas, é uma rocha maciça e apresentam uma textura porfirítica com fenocristais de feldspatos cinza. Os migmatitos, presentes, estão intimamente associados aos núcleos graníticos, apresentando contatos difusos o que torna dificil sua delimitação. Ocorrem em forma tabular, maciça e topograficamente destacados quando mais homogêneos (CPRM, 2005). 2 RESULTADOS DA CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DOS MATERIAIS UTILIZADOS A areia siltosa estudada apresenta textura grossa, (com menos de 50% passando na peneira de malha Nº 200). O percentual de solo retido na peneira nº 200, foi de 87%. Os percentuais das frações do solo, segundo a escala do Sistema Internacional, foram de 5% de argila, 8% de silte, 70% de areia e 17% de pedregulho. Não foi possível a obtenção do limite de liquidez e plasticidade devido ao

2 elevado teor da fração areia do material. A densidade real dos grãos obtida foi de 2,67. Segundo a Classificação Unificada (USCS), o solo estudado foi classificado como um solo de granulometria grossa, correspondente ao Grupo SM. O solo utilizado para modificação da granulometria do material original estudado foi uma areia mal graduada, classificada no grupo SP, com predominância da fração fina e média. 3 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE COMPACTAÇÃO A Figura 3 apresenta as curvas de compactação do solo estudado utilizando as energias de compactação normal e intermediária. Verificase, como era esperado, que quanto maior a energia de compactação aplicada, maior a densidade seca máxima do solo. Na aplicação da energia normal, o material atingiu uma densidade seca máxima de 19,48 kn/m³, enquanto que com a aplicação da energia modificada, este mesmo material alcançou uma densidade seca máxima de 20,22 kn/m³. 20,50 Energia normal Energia intermediária Figura 3. Curvas de compactação. Energias normal e intermediária. Areia siltosa. Com relação à umidade ótima o solo na energia normal atingiu o valor de h ot = 12,2%, enquanto que com a energia modificada o valor atingido da umidade ótima foi de 8%. Observa-se que os resultados estão de acordo com a bibliografia (Pinto 2006; Vargas 1978). À medida que a densidade seca máxima atinge maiores valores com mais facilidade, temos como conseqüência menores valores de umidade ótima. Para avaliação da influência da granulometria do material em estudo no ensaio de compactação, foram adicionados 20% e 80% de areia (Grupo SP) com predominância de grãos finos e médios no material em estudo (areia siltosa SM). A energia de compactação utilizada foi a energia normal. A Figura 4 apresenta os resultados. material sem adição adição de 20% de areia fina adição de 80% de areia fina Figura 4. Curvas de compactação (Energia normal) Avaliação da influência da granulometria na curva de compactação. Na Figura 4, observa-se que os valores da densidade seca máxima do material sem mistura, conforme já relatado, foi de γ smáx = 19,48 kn/m³, apresentando uma umidade ótima de h ot = 12,2%. Com a adição de 20% da areia (SP), a densidade seca máxima passou a ser de γ smáx = 18,21 kn/m³ com uma umidade ótima de h ot = 6,9%. Dando seqüência ao procedimento, adicionou-se 80% da areia (SP) o que fez o solo apresentar uma densidade seca máxima de γ smáx = 17,45 kn/m³e umidade ótima de h ot = 11,5%. Com estes resultados pode-se verificar que para o material em estudo, a adição da areia, tendeu a diminuir o valor da densidade seca máxima, o que faz a princípio concluir que o material original passou a ter uma granulometria com maior predominância de finos. Para a avaliação da influência da reutilização do material nos valores da densidade seca máxima e nos valores da umidade ótima, na curva de compactação, foram utilizadas as energias normal e intermediária. Analisando os resultados das curvas de compactação apresentadas na Figura 5, verifica-se que

3 utilizando a metodologia com reutilização de amostra para o solo em estudo (areia siltosa), a densidade seca máxima de 19,48 kn/m³ foi atingida quando o material apresentou uma umidade de 12,2%, conforme já visto também na Figura 1. Quando do emprego da metodologia sem reutilização da amostra, a densidade seca máxima de 17,83 kn/m³, foi atingida com uma umidade de 7%. Amostra sem reutilização - com secagem prévia Amostra com reutilização - com secagem prévia Figura 5. Curvas de compactação (Energia normal) Avaliação da influência da reutilização do material na curva de compactação. 21,00 20,50 Amostra sem reutilização - com secagem prévia Amostra com reutilização - com secagem prévia Figura 6. Curvas de compactação (Energia intermediária) Avaliação da influência da reutilização do material na curva de compactação. Dando seqüência ao ensaio, foi analisado o resultado da curva de compactação também para energia intermediária. Observa-se na Figura 6 a mesma tendência de comportamento apresentado para a energia normal (Figura 5). Maior valor da densidade seca máxima de γ smáx = 20,22 kn/m³, é observado (Figura 6), quando da utilização da metodologia empregando a reutilização da amostra. Sem reutilização da amostra, o valor da densidade seca máxima obtida é menor (γ smáx = 19,01 kn/m³). Na maioria dos laboratórios é prática comum utilizar a mesma amostra de solo para obtenção dos postos sucessivos da curva de compactação, implicando numa contínua recompactação da mesma amostra. Segundo Badillo e Rodríguez (1973), essa prática se revelou inconveniente, uma vez que a investigação experimental tem demonstrado que utilizando a mesma amostra de solo para obtenção de todos os pontos da curva de compactação, as densidades secas são maiores que as mesmas obtidas com amostras de solo sem reutilização. Uma possível explicação para tal comportamento pode ser atribuída a deformações volumétricas do tipo plásticas produzidas pelas sucessivas compactações numa mesma amostra de solo. Deste modo, adotando-se a metodologia com reutilização da amostra de solo, o ensaio pode chegar a ser não representativo. Outro aspecto a considerar, é que em alguns casos, e se tratando de obras de engenharia, é imprescindível que a análise do material (solo) seja feita pela metodologia de ensaio sem reutilização da amostra nos sucessivos pontos de ensaio de compactação. Este método de ensaio é utilizado especialmente nos casos onde o solo apresenta partículas que se caracterizam por serem facilmente quebradiças, de tal maneira que a amostra para o segundo ponto já se mostra diferente da original pela quebra de grãos. No entanto, vale salientar que a execução do ensaio desta maneira, é pouco empregada, em virtude da maior quantidade de amostra requerida. Isso nos faz observar que possivelmente, o resultado do material sem reutilização, ou seja, com material virgem para cada ponto, é mais fiel, embora exija uma maior quantidade de material. Vale salientar que, quando da compactação no campo ( in situ ), o solo não sofre nenhuma recompactação. Sendo assim, Badillo e Rodríguez (1973), aconselham que a prática de laboratório utilizada deva ser a de utilizar amostras de solo diferentes para obtenção de cada ponto da curva de compactação. Resultados diferentes da densidade seca máxima e umidade ótima podem ser obtidos

4 também se o ensaio é realizado partindo de uma amostra de solo com secagem prévia e de uma mesma amostra de solo sem secagem prévia. As investigações experimentais comprovam que no primeiro caso obtêm-se pesos específicos secos maiores do que no segundo caso, para um mesmo solo (Badillo e Rodríguez, 1973). No presente estudo a influência da utilização da amostra com e sem secagem prévia foi avaliado, conforme ilustra a Figura 7. Salientase que para cada ponto da curva de compactação o solo foi reutilizado. Amostra sem secagem - com reutilização Amostra com secagem - com reutilização 20 Figura 7. Curvas de compactação (Energia normal) Avaliação da influência da secagem prévia do material na curva de compactação. Os resultados mostram uma densidade seca máxima de 19,48 kn/m³ e umidade ótima de 12,2% para o ensaio realizado com secagem prévia e para o ensaio sem secagem observa-se uma densidade seca de 17,60 kn/m³ e umidade ótima h ot = 8,5% na energia normal. Estes resultados indicam que iniciando o ensaio com secagem prévia, o solo encontra-se na umidade higroscópica. Com essa umidade, possivelmente, as partículas estão organizadas, em sua maioria, no ramo seco da curva de compactação, de forma aleatória (estrutura floculada), o que dificulta a compactação, daí percebe-se o porquê de maiores densidades secas máximas e umidade ótima. Para o ensaio sem secagem prévia, é possível que a estrutura do solo, no ramo seco, esteja mais próxima de um arranjo paralelo (estrutura dispersa) de suas partículas. Com isso, os acréscimos dos percentuais de água para obtenção de cada ponto da curva de compactação, tende a aumentar esse arranjo paralelo no decorrer do ensaio, assim, o material atinge uma umidade ótima com uma densidade seca menor do que o ensaio com secagem prévia. Podemos avaliar também este comportamento em função da pressão capilar entre as partículas de solo. É provável, que sem secagem prévia, a quantidade de meniscos presentes sejam inferiores aos meniscos formados quando da incorporação de água numa amostra com secagem prévia. No primeiro caso, a ligação entre as partículas de solo é mais frágil, fazendo com que para uma mesma energia de compactação, a condição sem secagem prévia seja mais eficiente para compactar o solo. A experiência tem mostrado que a présecagem da amostra influi nas propriedades do solo, além de dificultar a posterior homogeneização da umidade incorporada (Pinto, 2006). Na construção de aterros, o solo não é empregado na sua umidade natural, fazendo-se ajustes para cima ou para baixo de maneira a colocá-lo na umidade especificada. Com o intuito de se representar as condições de campo, seria mais adequado que o ensaio seja realizado com o solo a partir de sua umidade natural, alguns com acréscimo de água, outros com secagem da amostra. O procedimento indicado na norma, ainda que denominado como sem secagem prévia, consiste na redução do teor de umidade em até cerca de 5% abaixo da umidade ótima, evitando-se apenas a total secagem. 4 RESULTADOS DA CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA 4.1 Ensaios edométricos Foram realizados, para a mesma amostra do solo estudado dois ensaios edométricos, sendo um na umidade natural e outro inundado. A Figura 8 apresenta os resultados dos ensaios edométricos do solo estudado, através das curvas que relacionam o índice de vazios em escala linear e tensão vertical de consolidação em escala logarítmica.

5 Índice de Vazios 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 umidade natural inundado 0,00 1,0 10,0 100,0 1000, ,0 Tensão Vertical de Consolidação (kpa) Figura 8. Variação do índice de vazios com a tensão vertical de consolidação (corpos de prova na condição inundada e na umidade natural). Os índices de compressão (C c ) e expansão (C e ) obtidos para o solo em estudo foi de 0,26 e de 0,08, respectivamente (condição inundada). A variação do coeficiente de adensamento (C v ) se deu na faixa de 3,29 a 9,65 x 10 2 m 2 /s, onde os valores elevados de C v correspondem à natureza arenosa do material em estudo, indicando que a compressão primária destes solos tenha ocorrido em um período de tempo relativamente curto, com rápida dissipação de poro-pressões e que as deformações cisalhantes nestes solos devem ocorrer de forma essencialmente drenada. A colapsibilidade do solo estudado foi avaliada utilizando o critério de classificação de Reginatto & Ferrero (1973). O solo estudado foi classificado como condicionante ao colapso significando que neste caso a ocorrência do colapso é função do nível de tensões a que o solo está submetido. 4.2 Ensaios de resistência ao cisalhamento Foram realizados ensaios de cisalhamento direto convencionais, para determinação da resistência de pico na condição inundada. A metodologia adotada para realização dos ensaios de cisalhamento direto convencionais baseou-se na metodologia proposta por Head (1994). As curvas τ vs. dh, referentes às amostras ensaiadas (Figura 9), apresentam-se, em geral, crescentes com os deslocamentos horizontais, tendendo a atingir valores constantes com o aumento dos deslocamentos, com mobilizações das tensões cisalhantes máximas para deslocamentos horizontais da ordem de 14mm. Tensão Cisalhante (kpa) Deslocamento vetical (mm) ,20 0,00-0,20-0,40-0,60-0,80-1,00-1,20 50 kpa 100 kpa 150 kpa 200kPa Deslocamento horizontal (mm) -1, Deslocamento horizontal (mm) Figura 9. Curvas τ. Versus dh (tensão cisalhante vs. deslocamento horizontal) e dv versus. dh (deslocamento vertical vs. Deslocamento horizontal). Observa-se que em relação aos resultados obtidos, que estas amostras não apresentaram queda na resistência ao longo das deformações, apresentando, em geral, rupturas plásticas, com mobilização crescente das tensões cisalhantes com os deslocamentos; tendendo a atingir valores constantes após certo nível de deslocamento. Verifica-se que apenas a amostra submetida à tensão normal de 200kPa, apresenta nas curvas τ vs. dh, valores da tensão cisalhante sempre crescente com os deslocamentos, nem sempre evidenciando o valor máximo alcançado com clareza. Os resultados mostram que na condição inundada o solo estudado apresenta comportamento semelhante a uma areia fofa, apresentando

6 também maior tendência a deformabilidade, quando em presença de água. As curvas dv vs. dh (Figura 9), exibem, em sua maioria comportamento de compressão, principalmente para as maiores tensões verticais, 150 e 200kPa, atingindo valores de compressão máxima vertical de 0,882mm e de 1,170 mm, respectivamente, para deslocamentos de aproximadamente 14mm para ambas as tensões. A provável deformação de compressão máxima vertical para a tensão de 100 KPa foi de 0,621mm para um deslocamento horizontal de aproximadamente 8mm; apresentando após este deslocamento comportamento de expansão, atingindo o valor para o deslocamento máximo horizontal de 0,533mm. A tensão de 25 KPa apresentou compressão máxima, provável, de 0,400mm com deslocamento horizontal de aproximadamente 5mm, seguido de comportamento de expansão verificado até o máximo das deformações atingindo valor de 0,028mm. Esse comportamento, para a tensão vertical de 25 KPa, a princípio, não condiz com o resultado verificado da tensão cisalhante versus o deslocamento horizontal, o qual os valores da tensão cisalhante sempre se apresentaram crescentes com os deslocamentos. Esse fato pode ser justificado tanto em função do índice de vazios inicial desta amostra (0,55), estando a amostra num estado mais compacto, como em função da tensão vertical aplicada ainda ser influenciada pela questão da estrutura onde a mesma exerce maior influência no comportamento do solo. Tensão Cisalhante (kpa) Coesão: 0kPa Ângulo de atrito: 28,5º y = 0,5413x R 2 = 0, Tensão Normal (kpa) Figura 10. Envoltória de resistência de pico do solo estudado. A envoltória de resistência de pico referente aos resultados dos ensaios do solo estudado está apresentada na Figura 10. Para o intervalo de tensões normais aplicadas (50kPa a 200kPa), o ângulo de atrito de pico obtido foi de 28,5º com o correspondente intercepto de coesão nulo. Estes valores foram obtidos através de regressão linear. 5 CONCLUSÕES Os ensaios para determinação da caracterização física, compressibilidade e resistência ao cisalhamento da areia siltosa, tiveram como objetivo o conhecimento a respeito das características geomecânicas de um material bastante comum na Cidade de Caruaru. Desta forma, os resultados obtidos terão importância fundamental no conhecimento de suas características mediante a imposição de obras de engenharia na área. AGRADECIMENTOS Agradecemos a Faculdade do vale do Ipojuca FAVIP pela oportunidade e incentivo ao desenvolvimento da pesquisa aqui apresentada neste trabalho. REFERÊNCIAS Badillo, E. J. & Rodríguez, A. R. (1973). Fundamentos de la Mecânica de Suelos. 2nd Edition, Editorial Limusa, S.A. México, Tomo I, 499p. CPRM (2005). Projeto cadastro de fontes de abastecimento por água subterrânea. Diagnóstico do Município de Caruaru, estado de Pernambuco. Head, K. H. (1994). Manual of soil laboratory testing. London, Pentech Press, Second edition, Vol 2. Pinto, C.S. (2006). Curso Básico de Mecânica dos Solos em 16 aulas, 3nd edição, Oficina de Textos, Brasil, 355 p. Reginatto, A. R. e Ferrero, J. C. (1973). Collapse Potential of soil and soil water chemistry. Proceedings, VIII Int. Conf on soil Mech. And Found Eng., Moscow, V. 2, p Vargas, M. (1978). Introdução à Mecânica dos Solos,. McGRAW-HILL do Brasil. São Paulo. Vol.1, 509 p.