Estudo da resistência ao cisalhamento do solo residual de gnaisse Porto Alegre

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1 Estudo da resistência ao cisalhamento do solo residual de gnaisse Porto Alegre Gobbi, F. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil, Bernardes, J.A. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil, Bica, A.V.D. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil, Bressani, L.A. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil, Flores, J.A.A. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil, Azambuja, E. Azambuja Engenharia e Geotecnia Ltda., Porto Alegre, RS, Brasil, eduardo@azambuja.com.br Resumo: Durante a construção da III Perimetral na cidade de Porto Alegre foi executada uma escavação do tipo caixão com altura máxima de 11,5m, predominantemente em solo residual de gnaisse. Na fase inicial de execução da obra, foram induzidas algumas rupturas que permitiram, por retro-análise, o ajuste dos parâmetros de resistência. Durante a escavação da obra foram coletados blocos indeformados de solo residual de gnaisse, os quais foram submetidos a ensaios de cisalhamento direto e triaxiais com diversas orientações de moldagem. O trabalho apresenta uma análise destes resultados de ensaios a qual mostra uma clara anisotropia de resistência ao cisalhamento do solo. Análises de microscopia ótica e eletrônica, feitas anteriormente no mesmo solo, ajudaram na interpretação dos mecanismos envolvidos na resistência do solo residual de gnaisse Porto Alegre. Os resultados dos ensaios triaxiais obtidos com a orientação do bandamento similar à de campo (α=55º) forneceram as envoltórias de resistência inferiores, mas ainda maiores do que os valores retro-analisados. IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 173

2 Abstract: During the construction of the III Perimetral avenue in Porto Alegre, an excavation was carried out to a depth of 11,5 m mainly in a residual soil of gneiss. In the initial phases of excavation, shear strength parameters were derived from back-analyses of slope failures induced in the excavation area. During the excavation undisturbed soil blocks were sampled from the site for triaxial and direct shear tests at different orientations. This paper presents an analysis of the results which shows a clear anisotropy of soil shear strength. Previous optical and electronic microscopy carried out helped to interpret the mechanisms involved on the shear strength of this soil. The shear strength envelopes obtained from laboratory tests with the field orientation are lower than the others but still higher than those obtained from back-analyses. 1 INTRODUÇÃO Rochas gnaissicas ocupam uma área considerável da cidade de Porto Alegre. Estas rochas foram definidas como migmatitos homogêneos por Schneider et al (1974) e posteriormente foram designadas como ortognaisses por Phillip et al (1994) e Phillip (1995). Embora não esteja documentado na literatura, existe um histórico de alguns acidentes geotécnicos em estruturas de contenção executadas em solos residuais de gnaisses na cidade. Entretanto, o início do estudo sistemático do comportamento geomecânico deste material foi a partir da execução de uma viária de escavação no ano Esta obra consistiu em uma escavação para passagem de nível entre as avenidas Carlos Gomes e Protásio Alves, parte da III Perimetral (Azambuja et al, 2001). O local da obra apresenta uma geologia complexa, tendo sido encontrado dentro dos limites da escavação um dique de riolito, tangenciando parte da parede leste da escavação e um solo residual do Gnaisse Porto Alegre, com a ocorrência de veios de pegmatito, no restante da área escavada. A escavação consistiu em um corte do tipo caixão com altura máxima de 11,5m e volume total de escavação de aproximadamente m 3. O sistema de contenção utilizado foi solo grampeado. Os parâmetros de resistência ao cisalhamento adotados no projeto preliminar desta contenção foram determinados a partir de correlações empíricas com os ensaios de cone (CPT) realizados no local. Foi prevista uma campanha adicional de investigação geotécnica durante as escavações com a realização de ensaios de laboratório para a verificação dos parâmetros de resistência ao cisalhamento adotados no projeto preliminar. Durante os estágios iniciais de escavação foi verificada a presença de descontinuidades preenchidas com material argiloso no solo residual de gnaisse. Para avaliar os parâmetros de resistência ao cisalhamento utilizados no projeto, a empresa projetista realizou retro-análises de diversas rupturas induzidas na porção central da escavação, delas derivando os parâmetros utilizados no projeto final da contenção. Durante a execução da obra foram monitorados os deslocamentos de crista das paredes da escavação através de medidas topográficas, além da instalação de duas seções de grampos instrumentados. O valor da tensão de adesão solo/grampo adotado em projeto foi verificado através de ensaios de arrancamento executados em vários estágios da escavação. Foram amostrados blocos indeformados para a execução de ensaios de laboratório a duas profundidades: 3m e 11m. Bernardes (2003) realizou o primeiro estudo em laboratório com o solo residual do Gnaisse Porto Alegre. Este estudo investigou a anisotropia de resistência ao cisalhamento atra- 174 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

3 vés de ensaios de cisalhamento direto e estudou a mineralogia através de difratogrametria de raios-x, microscopias óptica e eletrônica, com amostras coletadas a 3m e a 11,5m de profundidade. Gobbi (2005) aprofundou o estudo do comportamento geomecânico do solo residual do Gnaisse Porto Alegre, com amostras coletadas a 3m de profundidade, através da realização de ensaios triaxiais com medição local de deformação, ensaios de compressão isotrópica e ensaios de compressão confinada. Este artigo apresenta os principais resultados do estudo da resistência ao cisalhamento do solo residual de gnaisse amostrado a 3m de profundidade. 2 SOLO RESIDUAL DO GNAISSE PORTO ALEGRE O solo residual do Gnaisse Porto Alegre estudado caracteriza-se, principalmente, por uma textura fortemente anisotrópica, herdada da rocha mãe, denominada bandamento gnáissico. Este bandamento intercala dois níveis compostos predominantemente por: (i) partículas de quartzo e feldspato e (ii) por partículas micáceas (biotita) (Figura 1). A espessura destes níveis varia tipicamente entre 5mm e 20mm. O solo tem textura areno-siltosa e IP=15 (Tabela 1). Figura 1: Fotomicrografia do solo residual de Gnaisse Porto Alegre, mostrando o bandamento micáceo (centro) entre dois níveis quartzo-feldspáticos. Tabela 1 Dados básicos do solo estudado. Solo Residual do Gnaisse Porto Alegre amostrado a 3m de profundidade Argila (%) 3 Silte (%) 39 Areia fina (%) 25 Areia média (%) 15 Areia grossa (%) 18 LL (%) 47 IP (%) 15 γ s (kn/m 3 ) 26,3 3 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DO SOLO RESIDUAL DO GNAISSE PORTO ALEGRE 3.1 Valores derivados de ensaios de campo e obra A obra de escavação supracitada abrangeu distintos materiais; entretanto neste artigo será abordado apenas o material predominante, o solo residual de gnaisse. Conforme Azambuja et al (2001), a determinação dos parâmetros de resistência ao cisalhamento dos materiais, para o dimensionamento preliminar da estrutura de solo grampeado supracitada, foi realizada através da utilização da correlação empírica para ensaios CPT proposta por Robertson e Campanella (1983) para materiais granulares. Através desta correlação foi determinado um ângulo de atrito interno equivalente (φ eq ) para o material. A partir deste ângulo de atrito interno equivalente, considerando-se a prática regional, foram determinados parâmetros de resistência ao cisalhamento, coesão efetiva (c ) e ângulo de atrito interno efetivo (φ ), que determinassem resistência ao cisalhamento semelhante àquela obtida com o valor de φ eq para um mesmo nível de tensão efetiva média da obra. IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 175

4 Conforme citado anteriormente, o dimensionamento final foi realizado utilizando parâmetros de resistência ao cisalhamento obtidos através de retro-análises de rupturas induzidas no interior da área escavada. Os valores obtidos através destes processos, para o solo residual de gnaisse, são apresentados na Tabela Ensaios de cisalhamento direto/mineralogia Foram realizados ensaios de cisalhamento direto com amostras indeformadas e reconstituídas do solo residual do Gnaisse Porto Alegre por Bernardes (2003). Os ensaios com amostras indeformadas foram realizados com duas orientações do bandamento micáceo em relação ao plano de cisalhamento, uma paralela e outra perpendicular. As amostras reconstituídas foram moldadas com índice de vazios similar ao das amostras indeformadas. A análise dos resultados feita por Bernardes (2003) mostrou uma clara anisotropia de resistência ao cisalhamento. Os valores mais baixos de resistência ao cisalhamento foram verificados nos ensaios com os corpos de prova indeformados com o plano de cisalhamento paralelo ao bandamento micáceo e estes valores eram inferiores inclusive aos verificados nos corpos de prova de amostras reconstituídas. Os valores mais altos de resistência ao cisalhamento foram verificados nos ensaios com corpos de prova indeformados com o bandamento perpendicular ao plano de cisalhamento. Esta resistência ao cisalhamento inferior para os corpos de prova com bandamento micáceo paralelo ao plano de cisalhamento foi associada ao alinhamento e à deformação das partículas de biotita observada no plano de cisalhamento (Figura 2), orientação esta que é favorecida nos corpos de prova indeformados com o bandamento paralelo ao plano de cisalhamento [Bernardes (2003); Bernardes et al (2004)]. Naquele trabalho também foi verificado que variações nos resultados dos ensaios ocorriam quando não era obtido um correto alinhamento entre o bandamento micáceo e o plano de cisalhamento. Ocorria então alguma interferência dos níveis compostos predominantemente por partículas de quartzo e feldspato que conferiam maior resistência aos corpos de prova. Os parâmetros de resistência ao cisalhamento determinados através dos ensaios de cisalhamento direto nestas diversas situações de ensaio estão apresentados na Tabela 2. Figura 2: Fotomicrografia de uma lâmina de solo residual de Gnaisse Porto Alegre obtida após um ensaio de cisalhamento direto em um corpo de prova indeformado, com bandamento micáceo paralelo ao plano de cisalhamento (Bernardes, 2003). Tabela 2 Parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo residual de Gnaisse Porto Alegre. Nota: Indef.= indeformado; Rec.= reconstituído; Pl= bandamento micáceo paralelo ao plano de cisalhamento; Pr= bandamento micáceo perpendicular ao plano de cisalhamento. 176 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

5 3.3 Ensaios triaxiais Gobbi (2005) realizou uma série de ensaios triaxiais CID, seguindo trajetórias de tensões efetivas convencionais, com medição local de deformações. Estes ensaios foram realizados com corpos de prova preparados a partir de amostras indeformadas e reconstituídas. Os corpos de prova indeformados foram moldados segundo três orientações do bandamento micáceo em relação à direção da tensão principal maior (ângulo α), tendo como finalidade o estudo da anisotropia de resistência ao cisalhamento. Os corpos de prova de amostras reconstituídas foram moldados com índices de vazios similares aos dos corpos de prova com amostras indeformadas. As tensões confinantes efetivas utilizadas de 30kPa a 200kPa foram escolhidas por englobarem os níveis médios de tensões geostáticas verticais efetivas da obra onde o solo foi amostrado. As três orientações de moldagem dos corpos de prova indeformados são apresentadas na Figura 3. A orientação α=55º corresponde à direção do bandamento micáceo do bloco amostrado. As Figuras 4 a 7 apresentam os resultados destes ensaios triaxiais no plano q:ε a e no plano ε v :ε a para as quatro tensões confinantes efetivas ensaiadas. Nestas curvas, onde q=(σ 1 - σ 3 ), ε a é a deformação axial e ε v é a deformação volumétrica, cujo valor positivo representa contração. Pode-se perceber a acentuada diferença do comportamento do solo residual do Gnaisse Porto Alegre com a variação do valor de α. Esta diferença de comportamento também se reflete nas diferentes formas de rupturas verificadas nestes ensaios. A Figura 8 apresenta fotografias dos corpos de prova após os ensaios triaxiais. Os corpos de prova com α=55º apresentaram a formação de uma zona de cisalhamento, concentrando as deformações cisalhantes ao longo dos bandamentos micáceos, gerando, ao final do ensaio, uma seção transversal do corpo de prova na forma de elipse. Os corpos de prova com α=90º apresentaram deformações homogêneas, sem a formação de planos preferenciais, fazendo com que os corpos de prova assumissem forma de barril ao final dos ensaios. Os corpos de prova com α=0º apresentaram clara formação de plano de ruptura, entretanto com uma forma não usual. O plano de ruptura formado nestes ensaios é inclinado junto às bordas do corpo de prova e verticalizado no centro (alinhado a um bandamento micáceo). Figura 3: Direções de moldagem dos corpos de prova com amostras indeformadas para os ensaios triaxiais. Os ensaios com α = 0º apresentam pico de resistência ao cisalhamento para todas as tensões confinantes efetivas utilizadas. Ocorre comportamento de dilatação para os ensaios com α = 0º apenas para as tensões confinantes efetivas de 30kPa e 60kPa; para as tensões confinantes efetivas de 120kPa e 200kPa o comportamento é exclusivamente de contração. Para as outras duas orientações de moldagem dos corpos de prova indeformados (α=90º e α=55º) a ruptura ocorreu de forma dúctil. Para as tensões confinantes de 30kPa os corpos de prova moldados com α = 90º apresentam uma leve dilatação após uma deformação axial da ordem de 8%; esta dilatação é asso- IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 177

6 ciada a uma leve queda de tensão cisalhante. Para os demais ensaios a deformação volumétrica foi exclusivamente de contração. Os parâmetros de resistência ao cisalhamento obtidos a partir dos ensaios triaxiais são apresentados na Tabela Comentários sobre a resistência ao cisalhamento do solo residual do Gnaisse Porto Alegre O comportamento do solo residual do Gnaisse Porto Alegre pode ser explicado por sua microestrutura. O bandamento gnáissico herdado da rocha mãe impõe ao solo residual anisotropia de resistência ao cisalhamento e de deformabilidade. Esta anisotropia provém da diferença entre os materiais que compõem cada uma das bandas do bandamento gnáissico presente no solo residual. As partículas micáceas (biotita) de formato lamelar, que compõem predominantemente uma das bandas do solo estudado, são mais frágeis e deformáveis do que as partículas de quartzo e feldspato que compõem a outra parte da estrutura bandeada. Desta forma, nos ensaios de cisalhamento direto, quando o plano de cisalhamento coincide com um bandamento micáceo, a orientação das partículas micáceas, já pré-alinhadas no plano de cisalhamento, gera resistência ao cisalhamento inferior àquela onde o plano de cisalhamento corta as bandas de quartzo e feldspato. Esta resistência é também inferior àquela obtida de corpos de prova com amostras reconstituídas, já que nas amostras reconstituídas a disposição das partículas micáceas é aleatória, dificultando o seu alinhamento no plano de cisalhamento. Nos ensaios triaxiais, o menor ângulo de atrito interno verificado foi obtido para os ensaios com α=55º, inferiores inclusive ao ângulo de atrito interno obtido para os corpos de prova com amostras reconstituídas (Tabela 2). Analogamente ao verificado nos ensaios de cisalhamento direto, os ensaios com α=55º consistem na única orientação de moldagem, dentro das estudadas, que possibilita o alinhamento das partículas micáceas no plano de cisalhamento, sendo este fenômeno responsável pelo menor ângulo de atrito interno verificado. A diferença nas curvas q:ε a para diferentes valores de α também indica que, quando a solicitação inicial é predominantemente nos níveis de quartzo e feldspato, o solo apresenta comportamento mais rígido do que quando a solicitação inicial atinge os níveis micáceos (comparar curvas para α=90º e α=0º). Figura 4: Curvas nos planos q:ε a e ε v :ε a, para diferentes valores de α na tensão confinante efetiva de 30kPa. 178 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

7 Figura 5: Curvas nos planos q:ε a e ε v :ε a, para diferentes valores de α na tensão confinante efetiva de 60kPa. Figura 6: Curvas nos planos q:ε a e ε v :ε a, para diferentes valores de α na tensão confinante efetiva de 120kPa. Figura 7: Curvas nos planos q:ε a e ε v :ε a, para diferentes valores de α na tensão confinante efetiva de 200kPa. IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 179

8 Figura 8: Fotografias dos corpos de prova após os ensaios triaxiais: a) α=55º; b) α=90º; c) α=0º e d) R. A Figura 9 compara as envoltórias de resistência ao cisalhamento obtidas dos diversos ensaios. As envoltórias obtidas através de ensaios triaxiais e ensaios de cisalhamento direto situam-se aproximadamente na mesma faixa. Os ângulos de atrito interno obtidos nos ensaios de cisalhamento direto são ligeiramente inferiores aos obtidos através de ensaios triaxiais, entretanto os interceptos coesivos obtidos através dos ensaios de cisalhamento direto são superiores aos obtidos dos ensaios triaxiais. É importante notar que os parâmetros de resistência ao cisalhamento obtidos através de retro-análises conduziram a valores inferiores aos obtidos através dos ensaios de cisalhamento direto e triaxiais. Isto pode ser justificado pela geologia do local da obra, uma vez que as rupturas induzidas eram influenciadas por descontinuidades milimétricas presentes no solo residual de gnaisse e preenchidas com um filme argiloso. Figura 9: Envoltórias de resistência ao cisalhamento do solo residual do Gnaisse Porto Alegre. 180 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

9 4 CONCLUSÕES Com base nos resultados da investigação sobre o comportamento geomecânico do solo residual do Gnaisse Porto Alegre estudado, podese afirmar que este solo possui uma clara anisotropia de resistência ao cisalhamento, a qual assume importante papel na análise de estabilidade de taludes e projetos de estruturas de contenção. A anisotropia de resistência ao cisalhamento verificada é devido à estrutura e à mineralogia do solo residual estudado, sendo que as partículas micáceas (biotita) comandam os valores mais baixos de resistência ao cisalhamento do material. Os resultados aqui apresentados corroboram o estudo feito por Bernardes (2003) com uso de lâminas delgadas em corpos de prova ensaiados. Isto evidencia a grande contribuição da mineralogia na interpretação do comportamento deste solo residual. As envoltórias de resistência ao cisalhamento, obtidas através de ensaios de cisalhamento direto e de ensaios triaxiais, encontramse aproximadamente em uma mesma faixa no plano s :t. Estas são inferiores às obtidas através de ensaios de campo e superiores às obtidas através de retro-análises. No caso da obra da III Perimetral, as rupturas induzidas e utilizadas nas retro-análises foram influenciadas por descontinuidades milimétricas não encontradas nos ensaios de laboratório. 5 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CA- PES) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento e Científico e Tecnológico (CNPq) pelo auxílio financeiro para a realização desta pesquisa, através de bolsas de estudo e de pesquisa. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Azambuja, E., Strauss, M., Silveira, F.G. (2001). Caso histórico de um sistema de contenção em solo grampeado em Porto Alegre, RS. III COBRAE, CONFERÊNCIA BRASILEIRA SOBRE ESTABILIDADE DE ENCOSTAS, Rio de Janeiro, RJ. ABMS, Anais, p Bernardes, J.A. (2003). Investigação sobre a resistência ao cisalhamento de um solo residual de gnaisse. Dissertação de mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 131p. Bernardes, J.A., Gobbi, F., Bica, A.V.D., Bressani, L.A., Flores, J.A.A., Martins, F. B., Azambuja, E. (2004). Geotechnical properties of a residual soil of gneiss for soil nailing design. IX INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LANDSLIDES, Rio de Janeiro, RJ. A.A. Balkema, Proceedings 2, p Gobbi, F. (2005). Investigação do comportamento mecânico de um solo residual de gnaisse da cidade de Porto Alegre. Dissertação de mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 159p. Philipp, R.P., Rego, I.T.S.F., Siviero, R. (1994). Geologia das rochas granitóides da região de Porto Alegre, RS. XXXVIII CONGRESSO BRASILEIRO DE GEOLOGIA, Camboriú, SC. Anais 1, p Philipp, R.P. (1995). Condições de posicionamento do plutonismo da Suíte Don Feliciano na região de Porto Alegre, RS. V SIMPÓSIO NACIONAL DE ESTUDOS TECTÔNICOS, Gramado, RS, SBG, Bol. Res. Exp., p Schneider, A.W., Loss, E.L., Pinto, J.F. (1974). Mapa geológico da folha de Porto Alegre, RS, escala 1:50.000, Porto Alegre, CNPq, mapa. Robertson, P.K., Campanella, R.G. (1983). Interpretation of cone penetration test: part I - sand. Canadian Geotechnical Journal 20(4): IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 181

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