Caracterização de um Depósito de Argila Mole de Guaratiba Rio de Janeiro RJ

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1 Caracterização de um Depósito de Argila Mole de Guaratiba Rio de Janeiro RJ Ivânia Silva de Lima PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, Tácio Mauro Pereira de Campos PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, RESUMO: Os solos moles geram preocupações nos projetos de engenharia devido sua alta compressibilidade e baixa resistência. Estes tipos de solos têm sido alvo de pesquisas, especialmente no litoral brasileiro, necessitando de contínuas investigações para sua melhor compressão. Neste contexto, o presente trabalho apresenta a caracterização de um depósito de argila mole em Guaratiba, zona oeste do município do Rio de Janeiro. As amostras foram coletadas de uma área onde seria realizada a Missa da Jornada Mundial da Juventude - JMJ, denominada Campus Fidei. Para caracterização do depósito foram realizados ensaios de campo e laboratório, a saber, SPT, CPTu, Vane test, adensamento convencional e ensaios triaxiais drenados e não drenados, além dos ensaios de caracterização físico-química. Os resultados obtidos possibilitaram a obtenção de propriedades consideradas fundamentais para entendimento do comportamento desses solos, tais como, resistência ao cisalhamento não drenada, razão de sobreadensamento dos depósitos e coeficientes de adensamento. Os parâmetros geotécnicos obtidos mostraram-se concordantes com os valores encontrados na literatura no que tange aos solos moles da região. PALAVRAS-CHAVE: Argila mole, Ensaios de campo, Ensaios de laboratório. 1 INTRODUÇÃO O desenvolvimento deste trabalho ocorreu em virtude da realização da Jornada Mundial da Juventude 2013 (JMJ), um evento de proporções gigantescas que ocorreu na cidade do Rio de Janeiro durante o mês de julho de Durante cinco dias, cerca de 2 milhões de jovens participaram de atividades diversas, dentre as quais os atos centrais que ocorreriam em Guaratiba, onde seria realizada uma Vigília dos jovens e a missa de encerramento, ambas com o Papa Bento XVI. Assim o presente trabalho tem como objetivo apresentar e avaliar os resultados de investigações de campo e de laboratório visando à determinação das características geotécnicas de uma região de argila mole a muito mole de cerca de 5 milhões de metros quadrados, para um evento com duração de dois dias. 2 ÁREA DE ESTUDO Os materiais estudados foram coletados em Guaratiba, Zona Oeste da Região Metropolitana do Rio de Janeiro. As amostras foram retiradas de uma área onde seria realizada a Missa da Jornada Mundial da Juventude - JMJ, denominada Campus Fidei. Conforme observado no mapa de localização apresentado na Figura 1, a área compreende duas regiões, o empreendimento imobiliário Vila Mar que está situado a oeste do Rio Piraquê e possui, aproximadamente, m² de área, e a Fazenda SAGAP (Mato Alto) que se encontra a leste, com cerca de m².

2 procedimentos adotados seguiram recomendações de Bishop e Henkel (1962) e Head (1986). Os ensaios de campo consistiram em 52 sondagens a percussão, com determinação da umidade em todos os pontos, 5 ensaios CPTu e 20 Vane Test, sendo cinco em cada vertical, a cada metro, posição dos ensaios apresentados na Figura 2. Figura 1. Área de estudo. 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL Foram coletadas dez amostras indeformadas do tipo shelby em cinco pontos, sendo duas amostras em cada ponto, em profundidades diferentes. Para caracterização físico-química das amostras foram realizados os limites de consistência, peso específico dos grãos, análise granulométrica, teor de matéria orgânica, teor de umidade natural, sais solúveis. As amostras foram preparadas e ensaiadas conforme recomendação das Normas Técnicas Brasileiras. Bjerrum (1973) menciona os possíveis erros na determinação dos limites de consistência com amostras secas ao ar, então foram utilizadas amostras em seu estado natural, prática também recomendada por Ladd e DeGroot (2003). Para caracterização mineralógica foram realizados ensaios de difração por raios-x, Pelo método pó e através de lâminas delgadas pelo método do gotejamento com material passante na peneira # 40. Os ensaios de adensamento edométrico foram realizados em prensas de adensamento tipo Bishop com drenagem dupla e anel fixo. Os corpos de prova indeformados foram moldados a parti dos shelbies seguindo procedimento recomendado por Ladd & DeGroot (2004). Para obtenção dos parâmetros de resistência em laboratório foram realizados ensaios triaxiais drenados e não drenados. Os Figura 2. Localização ensaios de campo. 4 PROPRIEDADES GEOTÉCNICAS 4.1 Caracteristização físico-química No total foram analisadas 11 amostras, sendo dez retiradas de shelbies, identificadas como SHB seguidas da numeração do ponto e da posição de retirada de coletadas em shelbies, extraídas cinco pontos diferentes. As amostras retiradas dos shelbies caracterizaram-se por apresentar coloração cinza escura, odor de enxofre, pouco material orgânico e algumas conchas. A Tabela 1 apresenta os dados inicias das amostras. Verificou-se que a maioria das amostras apresenta umidade elevada, característica de solos moles, também há um aumento da umidade com a profundidade, visto que as camadas mais superficiais sofrem variações do nível de água. Há um aumento do índice de vazios com a profundidade, em todas as amostras. Já os pesos específicos naturais apresentam valores próximos para as amostras dos pontos dois, três, quatro e cinco. Tabela 1. Índices físicos. γ Amostra n (kn/m³) Gs e w (%)

3 SHB ,28 2,57 0,63 21,14 SHB ,59 2,63 0,85 34,00 SHB ,10 2,56 2,15 77,17 SHB ,10 2,56 3,30 124,77 SHB ,48 2,67 2,53 95,62 SHB ,39 2,73 4,69 184,91 SHB ,28 2,58 3,12 116,41 SHB ,18 2,65 3,61 134,84 SHB ,72 2,75 2,43 87,46 SHB ,10 2,74 2,86 88,68 A densidade dos grãos apresente um ligeiro aumento com a profundidade para algumas amostras, evidenciando assim que há uma variação mineralógica em cada perfil. As curvas granulométricas são apresentadas a seguir, Figura 3. A falta de padrão das curvas entre as amostras pode ser explicada pelas condições do ambiente de formação do solo sedimentar, onde há variações nas velocidades de correntes e nas dimensões das partículas depositadas, além do ambiente salino que favorece a floculação das partículas finas em suspensão. Através destas curvas fevericamos que são materiais diferentes. (1973), Boggossim & Lima (1974), Ladd & DeGroot (2004). Duas amostras apresentaram LL menor que a umidade natural. O Índice de atividade das argilas (Ia) determinado através da utilização da expressão de Skempton, apresentada na (1, serve como indicativo da influência da fração argila no comportamento do solo. IP Ia = % < 2µ m (1) Argilas com índice de atividade menor que 0,75 são consideradas inativas, quando esse índice está entre 1,25 e 0,75 a atividade é considerada normal, sendo então ativa para valores maiores que 1,25. Para Bjerrum (1973) a atividade de uma argila é reduzida consideravelmente com a diminuição da concentração de sal. A Tabela 2 apresenta os limites de Atterberg e índice de atividade das amostras, mostra que, de um modo geral, as amostras mais profundas apresentam atividade. Tabela 2. Limites de Atterberg e índice de atividade. LL LP IP Amostra w(%) (%) (%) (%) IA SHB ,14 26,05 13,98 12,07 0,77 SHB ,00 61,49 22,38 39,11 1,03 SHB ,17 78,19 32,70 45,49 1,03 SHB ,77 146,97 47,11 99,86 1,60 SHB ,62 83,23 32,25 50,98 1,40 SHB ,91 123,40 38,61 84,78 1,55 SHB ,41 116,95 43,36 73,59 1,15 SHB ,84 143,53 51,39 92,14 1,39 Figura 3. Curvas granulométricas. O aterro e as amostras do ponto 01 foram classificados como areias argilosas (SC) e as demais amostras como argilas inorgânicas com alta plasticidade (CH). Os limites de Atterberg foram realizados com amostras no estado natural, exceto amostra 01, areia argilosa. Os limites de liquidez (LL) apresentam, na maioria, valores próximos ou superiores ao teor de umidade natural, diversos autores ressaltam a importância da realização do LL com a amostra no estado natural, Bjerrum SHB ,46 72,00 27,03 44,96 1,23 SHB ,68 148,35 47,46 100,89 1,53 Para Almeida & Marques (2002) o teor de umidade dos solos sensitivos é, na maioria dos casos, superior ao LL, este comportamento é observado nas amostras SHB e SHB De acordo com Bjerrum (1973) os limites de liquidez são influenciados pelo teor de sais solúveis e pela mineralogia de solos moles. Com o aumento da quantidade de sal consequentemente há um aumento no LL.

4 Santos (2004) realizou ensaios com amostras no estado natural e com amostras lavadas, como esperado, verificou uma diminuição do LL com a lavagem da amostra. Neste contexto verificase a importância da determinação dos sais solúveis presentes nas amostras. Os sais solúveis em maior quantidade encontrados são o sódio, cloreto e sulfato, sendo ainda encontrados, em menores quantidades, potássio, magnésio e cálcio. As concentrações dos sais aumentam com a profundidade, especialmente para os valores de sulfato. A partir da análise minerológica verificou-se que todas as amostras são compostas principalmente por caulinita, contendo traços de ilita, gibsita. 4.2 História de Tensões Para ensaios de adensamento oedométrico utilizou-se o Método de Pacheco Silva para obtenção das tensões de pré-adensamento. É observado um pré-adensamento, através do razão de pré-adensamento OCR. Através do vane test também é possível obter a razão de pré-adensamento, através de uma relação secundária de carácter semi-empírico (Schnaid,2000):, de acordo com Mayne e Mitchel (1988); Tensão efetiva inicial; Índice de plasticidade. Para obtenção do OCR a partir dos ensaios de piezocone, Schinaid (2000) recomenda uma abordagem estatística proposta por Chen & Mayne (1996), com base em mais de resultados de ensaios, dada pela Equação (3)(3. São comparados na Figura 4 os valores de OCR para ensaios adensamento, CPTu e Vane test. Há uma concordância entre os resultados dos ensaios triaxiais e Vane test, porém os (2) (3) valores previstos pelo ensaio CPTu não foram validados pelo demais ensaios. Figura 4. Comparação do OCR obtido do Vane test, CPTu e ensaio adensamento. As amostras superiores apresentam um OCR mais elevado, o que pode ser causado pelo ressecamento da camada, associado a variações do nível d água ou variações climáticas. Em outras regiões do Rio de Janeiro são observados também um pré-adensamento das camadas de argila mole, Santa Cruz (Garcés, 1995 e Campos 2003), Sarapuí (Almeida at al 2005), Guaratiba (Santos, 2004), entre outros. Apenas a amostras SHB não apresenta um préadensamento, indicando que essa camada pode ser mais recente. 4.3 Qualidade das Amostras As amostras foram classificadas de acordo com os critérios de Lune (1997), Coutinho et al (1998) e Sandroni (2006b), de um modo geral, as amostras foram classificadas de muita a excelente qualidade. Segundo Martins & Lacerda (1994) se a amostra for de qualidade, o trecho virgem da curva e x σ (log) não se apresenta retilíneo, tal fato é ratificado pela Figura 5 e Figura 6. Além deste é observado também o formato da curva mv versus σ que apresenta uma mudança acentuada no valor de mv na região da tensão de pré-adensamento, segundo Correia e Lacerda (1982) este comportamento também indica que a amostra usada foi de boa qualidade.

5 Figura 5. Ensaios de adensamento amostras mais superficiais. Os valores de c v estão compreendidos entre 0,1 a 1 x 10-3 cm 2 /s. O comportamento seguiu o descrito por Ladd (1971), para argilas levemente pré-adensadas, o valor de cv decresce significativamente à medida que se aproxima do valor da tensão de pré-adensamento. Para pressões maiores, ou seja, no trecho de compressão virgem, o valor de cv mantém-se aproximadamente constante. Os valores de c v obtidos a partir dos de dissipação foram na mesma ordem de grandeza. Figura 6. Ensaios de adensamento amostras mais profundas. 4.4 Compressibilidade A Tabela 3 apresenta os parâmetros de compressibilidade das amostras. Os valores do índice de compressibilidade (c c ) do índice de recompressão (c r ) são comparados com valores encontrados em outros locais do Rio de Janeiro. Observa-se que os valores determinados estão dentro da faixa dos valores apresentada por diversos autores [Hipólito (2010), Campos (2006), Santos (2004), Almeida et al (2005)]. Tabela 3. Parâmetros de compressibilidade dos ensaios de adensamento edométrico Amostra Cc Cs CR=Cc/1+e 0 Cs/Cc SHB ,15 0,03 0,09 0,17 SHB ,20 0,06 0,11 0,30 SHB ,77 0,16 0,24 0,21 SHB ,47 0,15 0,34 0,10 SHB ,98 0,15 0,28 0,15 SHB ,75 0,42 0,31 0,24 SHB ,88 0,17 0,46 0,09 SHB ,93 0,01 0,42 0,003 SHB ,31 0,10 0,38 0,08 SHB ,30 0,15 0,34 0,12 Figura 7. Coeficiente de adensamento. 4.5 Resistência Não-Drenada Os valores corrigidos da resistência não drenada indeformada e amolgada são apresentados na Figura 8, neste trabalho foi considerado um fator de correção µ = 0,65, e partir destes resultados, calcula-se a sensitividade da argila também apresentada na mesma figura. Verifica-se que os valores de Su indeformado nas profundidades de -1 a -5 se mantêm constantes (Su =10kPa) bem como os valores Su amolgado (Su= 2,5 kpa), Figura 8. Os valores de sensitividade estão compreendidos entre 2 e 4, sendo classificada de sensibilidade baixa, conforme proposta de Skempton & Northey (1952). Se enquadrando dentro dos valores encontradas para as argilas do Rio de Janeiro. Para argila de Sarapuí, Ortigão & Collet (1987) acharam sensitividade em torno de 4,4. Formigheri (2003) encontrou valores na faixa entre 3 e 6 para Duque de Caxias. Em Gramacho, Hipólito (2010) obteve sensitividade

6 na faixa de 1,6 a 4,6. De acordo com Schnaid (2000) a sensibilidade das argilas moles litorâneas no Brasil pode ser classificada como baixa a média. Na Figura 9 são apresentados e comparados os valores de Su de ensaios triaxiais UU, CPTu e Vane test. Verifica-se que há uma boa concordância entre os resultados. Indicando que as correlações usadas geram resultados que podem ser empregadas para estimativa da resistência não drenada. resistência de Mohr-Coulomb c e φ também estão presentes na figura. Os valores obtidos dos parâmetros são menores para o ensaio CID, no caso ângulo de atrito, já que a coesão nos dois ensaios foi nula. Figura 10. Trajetória de tensões ensaios CIU e CID. Figura 8. Resistência não drenada (Su) Sensitividade (St) da argila. De um modo geral esses resultados estão coerentes com resultados apresentados por outros autores que estudaram as argilas do Rio de Janeiro [Campos (2006), Hipólito (2010), Spannenberg (2003)]. Campos (2006) obteve valores de coesão e ângulo de atrito, da ordem de c=0 e φ = 26,3, para a argila mole de Santa Cruz. Hipólito (2010) obteve valores c =3,5 kpa e φ =31,3 para ensaios CIU executados com velocidade de 0,004 mm/min e para os ensaios realizados a uma velocidade menor (0,0013mm/min) obteve-se c =0 kpa e φ = 25,7º. Já para os ensaios CID obteve c =0 kpa e φ = 19,7º, da argila de Gramacho. 5 CONCLUSÕES Figura 9. Resistência não drenada CPTu, Vane Test e Triaxial UU. Na Figura 10 são apresentadas as trajetórias de tensões dos ensaios CIU e CID, em termos p versus q. Os valores dos parâmetros de O presente trabalho teve como objetivo avaliar resultados de investigações de campo e de laboratório visando à determinação das características de uma região de argila mole a muito mole presente em uma área com cerca de 5 milhões de metros quadrados. São apresentadas abaixo as principais conclusões após a realização de uma campanha de ensaios de campo e laboratório: Com relação à caracterização física, a maioria das amostras foi classificada como argila de alta plasticidade com baixos teores de matéria orgânica. O limite de liquidez variou de

7 26% a 148%, o limite de plasticidade, de 13% a 47%, implicando assim em um índice de plasticidade variando de 12% a 100%. O índice de atividade de cinco das amostras foi menor que 1,25, indicando argilas de baixa atividade. As demais apresentaram características de argilas ativas, uma vez que esse índice foi maior que 1,25; No que tange as análises mineralógicas, concluiu-se que o principal argilomineral presente é a caulinita. Os materiais também apresentaram traços de ilita, gibsita. Com relação à história de tensões, observase, através dos resultados dos ensaios de adensamento oedométricos e pelo Vane Test, um leve pré-adensamento das amostras. Já as correlações através do ensaio CPTu os valores de OCR foram maiores que 3; Os parâmetros de compressibilidade, adensamento e permeabilidade obtidos encontram-se semelhantes aos apresentados por Santos (2004) na região de Guaratiba e em concordância com outros autores para regiões de argilas moles da Baixada Fluminense; As amostras coletas do tipo shelby foram avaliadas quando a qualidade de acordo com propostas na literatura, consideradas assim de boa qualidade, com exceção da amostra SHB- 01, observa-se a importância de seguir os cuidados recomendados por Ladd & DeGroot (2004) na obtenção dos corpos de prova para os ensaios; Com relação à resistência obtida a partir dos ensaios triaxiais realizados obteve-se os parâmetros c = 0 kpa e φ = 26,7 para ensaios CIU e φ b = 21,07 para ensaios CID, a resistência não drenada variou de 7,9 kpa a 20kPa nos ensaios UU, sendo estas semelhantes com as obtidas pelo ensaios de campo, Vane test e CPTu; As amostras apresentaram sensibilidade entre baixa e média, verificadas a partir do Vane Test. AGRADECIMENTOS Ao CNPq, à PUC-Rio e a organização da Jornada Mundial da Juventude 2013 pelo apoio. REFERÊNCIAS Almeida, M.S.S., Marques, M. E.S., 2002, The behaviour of Sarapuí soft clay. In: Proc. International Workshop, Vol. 1, pp , Singapure. Almeida, M.S.S., Marques, M.E.S., lacerda, W.A., futai, M.M., (2005a), Investigações de Campo e de Laboratório na Argila do Sarapuí. Solos e Rochas, Vol. 28, No 1, pp 3-20.de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, 2006, 172p. Bishop, A. W. e HENKEL, D.J. The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Test. 2.nd ed. - London : E. Arnold, p. Bjerrum, L. (1973), Problems of soil mechanics and construction on soft clays and structurally instable soils. Proceedings of the 8th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Moscow, 3: Bogossian, F. & Lima, S.A., Sobre os Limites de Consistência das Argilas Orgânicas, 5º Congresso Brasileiro de Maecanica dos Solos e Engenharia de Fundações, São Paulo, 1974, Vol. II, p Campos A. C. S. L. de, Características de compressibilidade de uma argila mole da Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro. Dissertação Correia, M.H.C & Lacerda, W.A., Contribuição ao Estudo do coeficiente de Compressibilidade Volumétrica. Solos e Rochas, Revista Brasileira de Geotecnia, 1982, Vol.5, n 1, p Formigheri E.L, Comportamento de um Aterro Sobre Argila Mole da Baixada Fluminense. Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, 2003, 153p. Garcés, V. A. N., Características de Deformabilidade e Adensamento de Alguns Depósitos de Argila Mole do Rio de Janeiro, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, PUC-Rio, Rio de Janeiro, 1995, 195p. Head, K. H., Manual of Soil Laboratory Testing, Pentech Press, London, Playmouh, 1225p Hipólito, I. J. B. Avaliação de Condições de Estabilidade do Aterro Metropolitano de

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