CIDADE DE PALMAS TOCANTINS

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1 1 COMPORTAMENTO DE VARIAÇÃO DE VOLUME EM SOLO COLAPSÍVEL DA CIDADE DE PALMAS TOCANTINS Silvio Romero de Melo Ferreira 1 ; Stela Paulino Fucale 2 ; Samuel França Amorim 3 & Willy Alvarenga Lacerda 4 Resumo: Solos colapsíveis são encontrados em várias partes do mundo e em vários estados do Brasil. Neste trabalho, será analisado o comportamento de variação de volume devido a inundação utilizando os ensaios de campo e de laboratório em solos colapsíveis da cidade de Palmas-To. Os ensaios de campo foram realizados com o Expansocolapsômetro em seis locais, e em cada local, foram realizados cinco ensaios em profundidades que variaram de 1,0 a 5,0 m. Em laboratório, foram realizados ensaios de caracterização edométricos simples e duplos. Verificou-se que sobre o peso das terras os valores dos potenciais de colapso são pequenos e inferiores a 2,0 %, entretanto em duas verticais estes valores atingiram 4,0 %. O equipamento apresentou bom desempenho ao realizar ensaios em profundidade acima de 3,0 m e os valores dos potenciais de campo são cerca de 83 % dos obtidos em laboratório. Abstract: Collapsible soils are found in many areas of the world and in many states of Brazil. In this project, the volume variation behavior caused by flood is analyzed using field and laboratory tests in collapsible soils of the city of Palmas-TO. The field tests were done in six locations with a field apparatus, called Expanso-colapsometer. On each of these locations, five tests were performed in depths ranging from 1,0 to 5,0m. Laboratory caracterization tests with simple and double edometrics were done. It was observed that, in general, the collapse under the overburden pressure are lower than 2,0 %, although in two verticals the values reached 4,0 %. The equipment showed a good performance on tests at depths higher than 3,0m. The field values of the collapse are approximately 83 % of the those found in the laboratory tests. Palavras-Chave: Solos Colapsíveis, Variação de Volume, Ensaios de Campo. INTRODUÇÃO Na natureza existem solos instáveis estruturalmente, não saturados, nos quais ocorrem mudança no comportamento tensão-deformação quando o grau de saturação aumenta, sem mudança de tensão vertical, ou devido aos carregamentos externos atuantes. Estes solos são colapsíveis e ocorrem em várias partes do mundo, podem ser de diversas origens: residuais, eólicos coluviais, aluviais e saprolíticos e solos compactados. No Brasil foram investigados e constatados solos naturais colapsíveis nos estados: Amazonas, Bahia, Ceará, Goiás, Minas Gerais, Paraná, Pernambuco, Piauí, Rio Grande do Sul, São Paulo, Tocantins e no Distrito Federal. Este trabalho apresenta características de variação de volume devido à inundação em solos colapsíveis do estado de Tocantins, na cidade de Palmas, no Centro Oeste Brasileiro. Neste local foi construído um empreendimento envolvendo grande área de ocupação. As instalações do empreendimento em Palmas abrangem terrenos formados por sedimentos aluvionares inconsolidados, depositados no passado pelo próprio rio Tocantins, onde parte desses sedimentos se apresentam cobertos por solos coluvionares areno-argilosos. Os terrenos formados por aluviões inconsolidados, areia e seixos, são permeáveis, onde o substrato rochoso é formado por rochas impermeáveis (argilitos e siltitos) da Formação Pimentais. As temperaturas médias anuais variam entre 24 ºC e 28 ºC, nos meses de chuvas (outubro-março), e na estação seca (maio-setembro), entre 28 ºC e 35 ºC. As condições máximas acontecem no mês de agosto: 38 ºC. O regime de chuvas é sazonal e tipicamente tropical, com acentuada máxima no verão e mínima no inverno. As precipitações médias anuais variam entre 1800 mm no norte e a leste, e 1000 mm no sul do estado de Tocantins. O relevo local é plano a ondulado. PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA O programa de investigação geotécnica desenvolvido no Laboratório de Solos e Instrumentação da UFPE para analisar o comportamento dos solos colapsíveis da cidade de Palmas, consta de duas fases: campo e laboratório. Os objetivos dos ensaios de campo foram: caracterizar o perfil geotécnico dos solos em estudo; coletar amostras indeformadas (tipo bloco) e deformadas; e avaliar as deformações volumétricas em campo devido a inundação em diferentes profundidades através do Expansocolapsômetro. Em laboratório, procurou-se caracterizar fisicamente o solo e analisar a influência do estado de tensão nos valores das deformações dos solos devido a inundação, por meio de ensaios edométricos simples e duplos. 1 UFPE e UNICAP, Dep. Eng. Civil, srmferreira@unicap.br; 2 UFPE, Dep. Eng. Civil, fucale@bol.com.br ; 3 UFPE, Dep. Eng. Civil, samuel.amorim@bol.com.br ; 4 UFRJ, COPPE, Eng. Civil, willyl@globo.com.

2 Nos ensaios edométricos simples, as tensões aplicadas foram: 68, 76, 92, 108, 124 e 140 kpa. O tempo de duração de cada estágio de tensão era tal que a deformação entre dois intervalos de tempo consecutivos ( t/t = 1) fosse inferior a 5 % da deformação total do solo ocorrida até o tempo anterior. Os deslocamentos devido a inundação eram medidos nos tempos de 0; 0,10; 0,25; 1,00; 2,00; 4,00; 8,00; 15,00; 30,00; 60,00; 120,00; 480,00 e 1440 minutos, ou até a estabilização. Nos ensaios edométricos duplos, um corpo de prova foi carregado na umidade natural e o outro foi inundado previamente na tensão de 1,25 kpa, com vazão de 1,0 ml/s, antes de ser carregado. O procedimento geral destes ensaios foi o mesmo dos ensaios edométricos simples. As tensões aplicadas nos ensaios edométricos duplos foram: 2,5; 5; 10; 20; 40; 80; 160; 30; 640 e 1280 kpa. No descarregamento, as tensões por estágio foram 640; 160 e 40 kpa. Em campo, para analisar o comportamento de variação de volume com a inundação utilizou-se o equipamento Expansocolapsômetro, Figura 1, [1], [2], e [3]. É um equipamento simples que permite realizar no campo ensaios similares aos edométricos simples e duplos de laboratório, mantendo-se preservada a estrutura e a umidade inicial do solo no campo. Com este equipamento obtém-se a curva carga-deslocamento e conseqüentemente a relação tensãodeformação do solo, em diferentes profundidades com controle da vazão de inundação. O equipamento é composto de duas partes, sendo a primeira semelhante a um ensaio de placa (diâmetro da placa 100 mm) e a outra de controle da vazão de inundação. Os ensaios foram realizados em 6 verticais e em cada vertical foram realizados 5 ensaios, a cada metro de profundidade. Em uma das verticais (Estaca D), os ensaios foram realizados de 0,5 a 0,5 metros. A cada profundidade ensaiada era inicialmente recomposta a tensão vertical de campo em um único estágio de carregamento. Após aplicação desta tensão o solo era inundado com água, onde mediam-se as deformações devido a inundação. Na Estaca E, as tensões das terras foram aplicadas adicionadas da tensão de 60 kpa, mediam-se as deformações até a estabilização e posterior inundação do solo, quando mediam-se as deformações devido a inundação até a estabilização. Estes foram utilizados para comparar resultados de campo com os de laboratório. Após o término dos ensaios com inundação determinavam-se as umidades do solo de 0,10 m a 0,10 m abaixo da profundidade de ensaio até constatar que a umidade do solo após a inundação era igual a umidade antes da inundação. Uma nova versão (2002) do equipamento Expansocolapsômetro está em fase de desenvolvimento, conforme mostra Figura 1B. Para se avaliar os valores dos Potenciais de Colapso (CP% = ( H/Hi) x 100, onde H é a variação da altura do corpo de prova devido à inundação e Hi é a altura inicial do corpo de prova antes da inundação) é necessário definir em campo a profundidade da camada do solo envolvida no processo de colapso. Esta profundidade pode ser determinada pela variação da umidade do solo alterada com a inundação ou pela profundidade abaixo da placa em que a transmissão de tensão não é mais significativa, [2} e [3] e [4]. A distribuição de tensão em um meio elástico abaixo de uma placa rígida enterrada calculada por PROGEO [5] mostra que se Z/R = 5,0 (Z profundidade e R raio da placa) a razão σ/q ( σ acréscimo de tensão)é cerca de 0,05 em outras palavras, o bulbo de tensão devido ao carregamento "q" é praticamente encerrado na profundidade afetada pela mudança de umidade. Os Potenciais de Colapso, em campo, foram calculados dividindo os respectivos valores das deformações devido a inundação e devido a aplicação de tensão por 250 mm. Isto é uma simplificação, porque pode ocorrer deformação lateral em campo, contrário ao que ocorre ao ensaio edométrico de laboratório. Entretanto, o coeficiente de Poission é pequeno para a condição de campo e esta aproximação é aqui considerada como aceitável, para comparar os resultados de campo com os de laboratório l RESERVATÓRIO SUPERIOR l ESTRUTURA SUSTENTAÇÃO DOS RESERVATÓRIOS RESERVATÓRIO INFERIOR TORNEIRA DE PASSAGEM TUBO MESA ESTABILIZADORA φ=0.220 CARGAS ROLAMENTO DEFLECTÔMETRO LUVAS HASTES FURO DE ENSAIO PLACA DE TRANSFERÊNCIA COTA DE ENSAIO MEDIDAS EM METROS φ=0.10 Figura 1. Equipamento Expansocolapsômetro. A) Primeira versão (1993). B) Versão atual (2002).

3 ANÁLISE DOS RESULTADOS Perfil Geotécnico dos Solos O perfil dos solos é constituído por camadas de areia fina argilosa, argila arenosa e areia grossa argilosa, Figura 2. Os valores da resistência a penetração dinâmica N spt tendem a crescer com a profundidade variando de 3 golpes/0,30m nas camadas mais superficiais e atinge valores superiores a 40 golpes/0,30m, na última camada investigada. Os valores dos potenciais de colapso determinados em campo utilizando o Expansocolapsômetro são mostrados na Figura 2. Verifica-se que sobre as tensões das terras, nas Estacas A, B (exceto na profundidade de 2,0m) e C os valores dos potenciais de colapso foram menores do que 2% indicando tratar-se de solos não colapsíveis segundo critério de Vargas [5]. Na Estaca D, os valores dos potenciais de colapso tendem a crescer com a profundidade, atingindo o valor máximo de 3,53% a 4,0m de profundidade. Na Estaca F, os valores dos potenciais de colapso decrescem com a profundidade. Na Estaca E, para as tensões das terras adicionadas da tensão de 60 kpa, os valores dos potenciais de colapso são maiores do que os demais, para todas as profundidades ensaiadas. Um perfil do solo colapsível de Palmas-To é apresentado na Figura 3 de forma mais detalhada, onde o mesmo é constituído de duas camadas, a primeira, de uma areia medianamente compacta e a segunda, de argila arenosa. Os valores do SPT são aproximadamente constantes até 6,50m de profundidade (10 golpes/0,30m). A partir desta profundidade, o SPT cresce atingindo o valor de 37 golpes/0,30m a 11,50m. A fração de areia prepondera sobre as demais e a umidade média do solo em campo até 5,5m de profundidade é 8%. Caracterização Física Os ensaios de granulometria permitiram definir os percentuais relativos das frações de areia, silte e argila, Figura 4A. Os resultados do solo de Palmas estão no geral compatíveis aos resultados típicos dos solos colapsíveis do estado de Pernambuco, onde a composição granulométrica é constituída a maior parte de areia (> 63%). A Figura 4B mostra a carta de atividade e plasticidade do solo colapsível de Palmas-To. Os pontos estão situados ligeiramente acima da linha A e os valores dos limites de liquidez estão compreendidos entre 20 e 46 %, exceto algumas amostras que os solos são não líquidos e não plásticos. De uma forma geral, o solo é classificado como SP e SM. Quanto a atividade, as amostras passam de inativa para normal. O ensaio de compactação utilizando a energia Proctor Normal foi realizado em amostra coletada a 1,00 m de profundidade na Estaca D. A umidade ótima é 10,50 % e um peso específico aparente seco máximo de 19,15 kn/m 3. Aplicando-se o critério de identificação baseado no ensaio Proctor Normal, o solo foi classificado como potencialmente colapsível de acordo com a faixa sugerida por Mello [7], apresentando desvio de umidade em relação à umidade ótima de 3,85 % e grau de compactação de 79,5 %. Caracterização de mudança de volume devido a inundação através de ensaios de laboratório A variação da deformação volumétrica com a tensão vertical de consolidação do solo de Palmas obtida através dos ensaios edométricos duplo e simples está apresentada na Figura 5. Os valores da tensão de pré-consolidação vertical do solo foram 190 kpa (solo na umidade natural) e 120 kpa (solo previamente inundado ) e a tensão vertical devido ao peso próprio do solo em campo a 1,0m de profundidade é 16,80 kpa. Pelo critério de Reginatto e Ferrero [8], o solo de Palmas-To foi classificado como condicionalmente colapsível, ou seja, aquele capaz de suportar certo nível de tensão na inundação com a possibilidade de colapso dependendo da tensão vertical aplicada. A variação do potencial de colapso ou expansão obtida a partir dos ensaios edométricos duplo (CP ou SP (%) = ( H/Hi) x 100, onde H é a variação da altura do corpo de prova devido à inundação e Hi é a altura inicial do corpo de prova antes da inundação) com a tensão vertical de consolidação é apresentada na Figura 6. Para efeito de comparação também colocado nesta figura, resultados dos solos colapsíveis de Petrolina-PE e Petrolândia-PE Os potenciais de colapso dos solos colapsíveis de Petrolina-PE e Petrolândia-PE aumentam com a tensão vertical de consolidação, apresentando um valor máximo nas tensões de 640 kpa e 320 kpa, respectivamente, conforme Figura 6. Já os potenciais de colapso do solo de Palmas-TO apenas crescem com o acréscimo de tensão, não apresentando comportamento de pico para a faixa de tensão aplicada. Este comportamento de pico é típico de solos colapsíveis, [9], [10], [11] e [4]. Em Petrolina-PE, observou-se uma pequena expansão para tensões verticais menores que 40 kpa.

4 Figura 2. A) Potenciais de Colapso. B) Perfil do Solo

5 Figura 3. Um perfil do solo estudado Palmas-To. Figura 4. A) Curvas Granulométricas. B) Cartas de Plasticidade-Atividade [6]. Figura 5. Variação da deformação volumétrica com a tensão vertical de consolidação e inundação. A) Edométrico Duplo B) Edométrico Simples.

6 Figura 6. Variação do potencial de colapso com a tensão vertical de consolidação. Comparação da avaliação da caracterização de mudança de volume devido a inundação através de ensaios de laboratório e campo Os valores dos potenciais de colapso obtidos em campo e em laboratório são mostrados na figura 7, em conjunto com uma série de outros ensaios. Os potenciais de colapso medidos através dos ensaios de campo com o Expansocolapsômetro são, para todos os ensaios, menores do que os medidos pelos ensaios de laboratório. A relação entre os valores dos potenciais de colapso determinados por ensaios de campo e laboratório é aproximadamente linear, CP CAMPO = 0,83 CP LAB, Figura 7. Relação similar CP CAMPO = 0,85 CP LAB foi determinada também por Ferreira [5] em estudos realizados na areia amarelo-avermelhada do solo colapsível de Petrolândia-PE através de ensaios de campo, com o Expansocolapsômetro, e de laboratório, edométricos simples. A diferença entre as duas técnicas de ensaios está associada aos seguintes fatores: não uniformidade da tensão transmitida em campo que se reduz com a profundidade, e a não uniformidade de umidade, a qual também se reduz com a profundidade. Este comportamento foi também verificado por Ferreira e Lacerda [2] em estudos no solo colapsível de Petrolândia-PE, onde os valores das deformações (campo) são inferiores aos valores das deformações (laboratório), em média 11%. Figura 7. Relação entre Potencial de Colapso obtida nos ensaios de laboratório e campo. Conclusões O solo colapsível da cidade de Palmas-TO é preponderantemente arenoso (% de areia. 63%), a umidade natural média de 8%, são solos que quando tem consistência estão situados ligeiramente acima da Linha-A da Carta de Plasticidade e a fração argila é inativa ou de atividade normal. Os valores do potencial de colapso avaliados por meio

7 dos ensaios de campo são cerca de 83% dos valores obtidos em ensaios de laboratório. O equipamento Expansocolapsômetro apresentou um bom desempenho em avaliar deformações em profundidades superiores a 3m em solos arenosos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FERREIRA, S.R.M., (1993). Comportamento de Mudança de Volume em Solos Colapsíveis e Expansivos". 7º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia. V.1, pp Poços de Caldas-MG. [2] FERREIRA, S.R.M. & LACERDA, W. A. (1993), "Variação de Volume em Solo Colapsível Medidas Através de Ensaios de Campo e de Laboratório" (in Portuguese) Revista Solos e Rochas. Vol 16, Nº 4 pp [3] FERREIRA, S. R. M. & LACERDA, W. A. (1995). Volume Change Measurements in Collapsible Soil By Laboratory and Field Test. 1 st International Conference on Unsaturated Soils. Vol. 2 pp Paris. [4] FERREIRA, S.R.M. (1995), "Colapso e Expansão de Solos Naturais Não Saturados Devidos à Inundação" Rio de Janeiro, COPPE/UFRJ. PhD dissertation (in portuguese), 379p. [5] LOPES, F. R. (1980). "PROGEO - A Finite Element Solution for Static Analysis of Geotechnical Problems". Program Documentation - COPPE/UFPJ. Rio de Janeiro [6] VARGAS, M. (1985). "The concept of Tropical Soils". 1st International Conference on Geomechanics of Tropical Lateritic and Saprolitic. Soils, ISSMFE, Brasília - Brazil. [7] MELLO, V. F. B. (1973). Mecânica dos Solos: Notas de aula. EPUSP. [8] REGINATTO, A. R., e FERRERO, J. C. (1973). Colapse Potencial of Soils and Soil- Water Chemistry. Proc. Of the 8 th I.C.S.M.F.E., Moscow, Vol.2.2, pp [9] VARGAS, M. (1973). Structurally Unstable Soils in Sourther Brazil. Proc. of the 8 th I.C.S.M.F.E., Moscow, Vol.2, pp [10] ARAGÃO, C. J. G. & MELO, A. C. (1982). "Fundações Rasas em Solos Colapsíveis no Semi-árido em Pernambuco", (in Portuguese) VII COBRAMSEF, Olinda, Vol. 2 pp [11] ALONSO, E. E.; GENS, A. e HIGHT, D. W. (1987). Special Problems Soils. Proceedings of the 9 th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Dublin, General Report, Session 5, pp AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao LSI-UFPE, a FINEP e a Construtota Noberto Odebrech