Propriedades geotécnicas de um solo expansivo de Sergipe

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1 Propriedades geotécnicas de um solo expansivo de Sergipe Erinaldo Hilário Cavalcante; Demóstenes de A. Cavalcanti Júnior e Washington José Santos Universidade Federal de Sergipe, Departamento de Engenharia Civil, Aracaju, Sergipe João Barbosa Souza Neto Universidade Federal do Acre, Departamento de Engenharia Civil, Rio Branco, Acre RESUMO: Patologias em algumas construções situadas na área metropolitana de Aracaju têm dado sinais de problemas envolvendo fundação sobre solos não saturados, expansivos. Este trabalho apresenta resultados iniciais de um estudo realizado com um solo não saturado, de comportamento expansivo, localizado no bairro Olaria, zona oeste da cidade de Aracaju. No terreno se planeja construir um condomínio residencial, como parte de um programa de habitação popular do governo federal. Ensaios para medição do percentual de expansão livre de duas amostras coletadas entre 0,60 m e 0,70 m de profundidade evidenciaram expansão vertical de até 34% para o solo investigado quando este foi saturado, para o qual o índice de vazios variou de 0,50 (natural) a aproximadamente 1,0 (final da expansão). Ensaios realizados com amostras semelhantes, porém, impedindo-se a sua expansão vertical indicaram valores para a tensão de expansão da ordem de 300 kpa, sugerindo ser o solo de alto potencial expansivo. PALAVRAS-CHAVE: Solos Não Saturados, Solos Expansivos, Expansão Livre, Tensão de Expansão. 1 INTRODUÇÃO Os solos expansivos são solos não saturados que sofrem considerável variação volumétrica quando sujeitos a variações na umidade. Portanto, seu comportamento é bastante dependente da sazonalidade. Durante períodos de estiagem, se encontram geralmente com sucção elevada, o que lhes confere resistência relativamente alta, dificultando sua escavação. Porém, com o aumento no teor de umidade (períodos chuvosos, infiltração de água decorrente de vazamentos de tubulações, etc.), esses solos podem experimentar valores de expansão bastante expressivos. A expansão de um solo de fundação é capaz de provocar danos estruturais às edificações sobre ele apoiadas, principalmente as mais leves, com custos de recuperação geralmente elevados. Segundo Murthy (2003), problemas envolvendo solos expansivos têm sido detectados em várias partes do mundo. Dentre os países com maiores ocorrências, estão a Austrália, Estados Unidos, Canadá, China, Israel, Índia e Egito. Day (1999) e Jones & Jones (1987) relatam que somente nos Estados Unidos, o custo anual associado a danos provocados por solos expansivos às obras, tais como edificios, rodovias, aeroportos, dentre outras, atingiram a cifra de 9 bilhões de dólares no ano de Este trabalho apresenta resultados iniciais de um estudo realizado com um solo não saturado, de comportamento expansivo, de ocorrência comum na área metropolitana da cidade de Aracaju SE. 2 BREVE REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Considerações Iniciais Revelando a importância dos solos expansivos na engenharia geotécnica, Murthy (2003) posiciona os danos provocados por estes solos em terceiro lugar dentre as seis catástrofes naturais mais perigosas do mundo, sendo elas: i) terremotos; ii) escorregamentos; iii) solos expansivos; iv) ciclone; v) furacão e vi) enchentes. A literatura revela que grande parte das pesquisas envolvendo estes solos têm sido desenvolvidas nas Américas do Norte e Central, principalmente na parte Oeste dos Estados Unidos (Chen 1988, Murthy 2003, Puppala et al. 2006). No Brasil diversas pesquisas também já foram desenvolvidas para estudar o comportamento de solos expansivos (Vargas et

2 al. 1989, Ferreira 1997, Ferreira et al. 1998a, Ferreira et al. 1998b, Bastos 1994, Justino da Silva 2001, Burgos e Campos 2002, Justino da Silva 2005), principalmente no semi-árido da região Nordeste, onde as precipitações pluviométricas são baixíssimas na maioria dos meses do ano e elevadas nos demais. Há ocorrência de expansão de solos também em áreas próximas ao litoral (Bastos 1994, Justino da Silva 2001). Casos de rachaduras em residências ocasionadas por expansão e contração de solos têm sido registrados com alguma freqüência na literatura brasileira (Lew e Soares 1998). 2.2 A Gênese dos Solos Expansivos A expansão de solos acontece geralmente com aqueles de natureza argilosa ou argilo-siltosa, com percentual de material passando na peneira 200 freqüentemente acima de 80%. Os argilominerais com maior freqüência em solos expansivos são pertencentes ao grupo das montmorilonitas, mais especificamente as esmectitas (Chen 1988, Day 1999, Murthy 2003) e vermiculitas. Quanto à gênese, os solos expansivos podem provir de rochas ígneas básicas, tais como basaltos, intrusões de diabásio e os gabros, ou de rochas sedimentares que contenham argilominerais expansivos, tais como os folhelhos, margas calcáreas, calcários, argilitos e alguns siltitos. Quando esses solos se encontram não saturados, aumentam de volume com a elevação do teor de umidade (w). Geralmente eles possuem elevados valores de limite de liquidez (w L ) e índice de plasticidade (I P ). Em termos de coloração, é comum eles se apresentarem entre as tonalidades cinza e preta. 2.3 Diagnóstico de Solos Expansivos O reconhecimento desses solos em campo pode ser feito com relativa facilidade, principalmente durante períodos de estiagens, quando eles se mostram bastante fissurados, devido à contração que sofrem em virtude da perda da umidade. É relativamente fácil identificar a presença desses solos quando construções leves sobre eles apoiadas sofrem levantamentos e desaprumos em períodos chuvosos, ocasionando o aparecimento de trincas de diversas naturezas, principalmente quando retorna o período de estiagem. Para exemplificar isto, nas Figuras 1 e 2 são mostradas fotos de residências no Estado de Sergipe que sofreram os efeitos do mecanismo da expansão e contração de solos, cujas fundações estão sobre ele assentadas. Do ponto de vista de formação, os solos expansivos podem ser encontrados até 6 m de profundidade em depósitos de solos residuais. Normalmente o nível do lençol freático encontrado em locais de solos expansivos estão em profundidades maiores. Na época da seca, o teor de umidade natural fica próximo da higroscópica. Na superfície do terreno, o valor pode ser o do limite de contração do solo (w c ). Para estimar o potencial de expansão de um solo, há na literatura diversas propostas (p.ex. Seed et al. 1962, Van Der Merwe 1964, Chen 1988). O comportamento expansivo de um solo é governado sobretudo pelo tipo de argilomineral presente na sua microestrutura, como é o caso das argilas montoriloníticas sódicas, esmectitas e vermiculitas. Segundo Day (1999), a técnica de laboratório mais comumente empregada para avaliação da expansibilidade de um solo segue recomendações da norma americana ASTM D (1998). De acordo com esse método, uma amostra indeformada é colocada no anel edométrico e em seguida é inundada com água destilada. Neste caso, tanto se pode medir o percentual de expansão do solo (caso seja permitida a livre expansão da amostra) quanto a tensão de expansão, que pode ser obtida impedindo-se que a amostra se expanda verticalmente, mantendo-se uma sobrecarga de igual valor da tensão que causa a expansão sobre a amostra. Como alternativa, também pode-se fazer a amostra retornar à sua altura inicial depois da expansão livre ter sido completada (Chen 1988).

3 Figura 1. Ruptura de um pórtico causada por expansão de solos Município de Poço Verde SE. Figura 3. Localização geográfica de Aracaju (adaptado de Barison et al. 1998). Figura 2. Inclinação de pilares devido a expansão do solo de fundação Município de Santo Amaro SE. 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Local do Estudo As amostras de solo expansivo foram coletadas da localidade bairro Olaria, zona oeste da cidade de Aracaju, local onde se planeja construir um condomínio residencial Aspectos Geológico-Geotécnicos de Aracaju e Áreas Periféricas O perfil típico do subsolo de Aracaju evidencia a presença de materiais diversificados, com propriedades geotécnicas distintas, em virtude da história geológica característica da Bacia Sergipe-Alagoas (Barison et al. 1998), sendo predominante solos originários de folhelhos, argilitos, siltitos, diabásios e margas calcáreas. A cidade de Aracaju localiza-se a de latitude Sul e de longitude Oeste (Figura 3), e abrange uma área de mais de 181,8 km 2, com população estimada em aproximadamente habitantes. A precipitação anual média em Aracaju e área metropolitana gira em torno de 1590 mm, com temperatura média anual da ordem de 26 C. O período chuvoso geralmente ocorre entre março e agosto. Para estes dados, o tipo climático é o tropical quente, úmido e subúmido, com moderada deficiência no verão. A vegetação predominante são as várzeas e os manguezais. Os solos predominantemente encontrados em Aracaju são o mangue, as areias quartzosas marinhas e o podzólico, às vezes vermelho, outras vezes amarelo. A cidade assenta-se sobre sedimentos terciários e quaternários, classificados como sedimentos clásticos finos a grosseiros, oriundos da Formação Barreiras, solos tipo massapê, da Formação Calumbi (Grupo Piaçabuçu), sedimentos de praia e aluviais (Barison et al. 1998). Em Aracaju, grande parte da cidade está assente sobre planície quaternária, cuja altitude em relação ao nível do mar é bastante pequena, com nível d água superficial na maior parte do ano, o que propicia inundações localizadas em períodos de elevada intensidade pluviométrica. É comum nessas áreas se encontrar depósitos superficiais (entre 1,0 e 6,8 m) de argilas orgânicas moles, com espessuras variando entre 1,0 e 4,2 m apenas (Barison et al. 1998), mas suficiente para causar problemas de deformabilidade aos pavimentos, às fundações de edifícios, às obras de terra e demais elementos de infraestrutura da cidade. O solo utilizado para o presente estudo é do tipo massapê, pertencente à Formação Calumbi,

4 que situa-se em áreas mais elevadas da cidade, geralmente encimados por sedimentos da Formação Barreiras, em zonas de crescente expansão imobiliária. É um solo argilo-siltoso, de cor cinza, não saturado, com elevada plasticidade (w L e I P da ordem de 55 e 30, respectivamente). Em estações de seca, ele geralmente se apresenta extremamente resistente, dificultando a escavação manualmente. As fissuras que aparecem na superfície do terreno dão indicações de ações decorrentes de tensões de contração motivadas pela redução do teor de umidade. 3.2 Ensaios Realizados Um programa de investigações geotécnicas foi iniciado no Laboratório de Geotecnia e Pavimentação da Universidade Federal de Sergipe (LGP/UFS), com duas amostras indeformadas do solo massapê, colhidas em blocos de 0,25 m de arestas, entre os meses de dezembro e janeiro de Os ensaios iniciais tiveram o objetivo de caracterizar o solo sob o ponto de vista granulométrico, propriedades índices e, principalmente, a possibilidade de comportamento expansivo. Para isso, foram realizados ensaios de granulometria (peneiramento e sedimentação), determinação do peso específico, índice de vazios, teor de umidade, sucção pelo método do papel de filtro, grau de saturação, limites de Atterberg, expansão livre e tensão de expansão Caracterização Geotécnica Os ensaios de granulometria por peneiramento e sedimentação (usando defloculante) revelaram que se trata de material muito fino, basicamente composto de argila e silte, com mais de 90 % passando na peneira Nº 200. Na Tabela 1 são apresentados os valores dos pesos específicos dos grãos do solo (γ g ) e do solo seco (γ d ), um resumo da granulometria e os limites de Atterberg. Percebe-se nesta tabela que de acordo com a classificação trilinear, o solo dos blocos F-03 e F-09 seria uma argila siltosa. De acordo com o sistema Unificado, esses solos situam-se acima da linha A, e podem ser classificados como argilas inorgânicas de alta compressibilidade (CH). Pelo sistema HRB, os solos são classificados como A-7-6. Da Tabela 1 ainda se pode observar que o valor médio do teor de umidade das amostras, colhidas a uma profundidade média de 0,65 m, era da ordem de 17,6%, o que conferia ao solo na época uma sucção relativamente elevada, da ordem de 10 MPa, medida através da técnica do papel de filtro (Marinho 1998) e calculada conforme equações propostas por Oliveira (2004). De acordo com o valor do índice de consistência (IC), essa argila poderia ser considerada de consistência dura (IC > 1). Em se tratando de atividade da fração argila, o índice de atividade proposto por Skempton (1953), classifica a amostra F-03 com sendo de atividade normal (índice da atividade de Skempton igual a 0,76), enquanto que a amostra F-09, com índice de atividade da ordem de 0,61, pode ser classificada como inativa. De acordo com a proposta de Seed et al. (1962), um solo com percentual de argila (fração menor igual a 0,002 mm de diâmetro) da ordem de 40% e percentual de expansão em torno de 30%, dá indicações de que na sua microestrutura pode prevalecer o argilomineral ilita ou montmorilonita Expansão Livre e Tensão de Expansão Nas Figuras 4 e 5 são mostrados os gráficos obtidos a partir dos ensaios para medida do percentual de expansão livre das amostras. Tabela 1. Características geotécnicas das amostras de solos analisadas. Limites de Granulometria (% que passa) Prof. Atterberg Propriedades de estado das amostras Amostra Argila w L I P w e S γ g γ d (m) Pedregulho Areia + Silte (%) (%) (%) (%) (kn/m 3 ) (kn/m 3 ) Bloco F-03 0,60 0,00 1,98 98, ,98 0,698 74,4 25,98 15,30 Bloco F-09 0,70 4,73 3,74 91, ,21 0,528 75,2 26,12 17,09

5 Estes ensaios foram realizados com amostras de 20 mm de altura e 50 mm de diâmetro, colocadas no anel de adensamento e totalmente saturadas. Para determinação da tensão máxima de expansão, outras duas amostras dos mesmos blocos foram novamente moldadas e instaladas nos anéis edométricos e submetidas à inundação, sendo impedida a expansão vertical da amostra. Os valores da tensão de expansão, juntamente com os valores dos índices de vazios das amostras antes e depois da expansão livre máxima são apresentados na Tabela 2. Observa-se das Figuras 4 e 5 que a expansão livre das amostras situa-se entre 27% e 34%, respectivamente, com média em torno de 31%, valor considerado bastante expressivo, pois, numa extrapolação direta, poderia se ter idéia dos danos causados a uma edificação leve quando uma camada de 1 metro de espessura expandisse 0,31 m. Expansão (%) % Expansão livre Amostra F Tempo (min) Figura 4. Percentual de expansão livre da amostra do Bloco F-03. Expansão (%) % Tempo (min) Expansão Livre Amostra F-09 Figura 5. Percentual de expansão livre da amostra do Bloco F-09. Chen (1988) sugere classificar as argilas em termos de potencial de expansão com base no valor do I P. Neste caso, a argila em estudo, que possui I P da ordem de 30% pode ser classificada como de alto potencial expansivo, por estar com I P entre 20 e 55%. Uma previsão para o valor do potencial de expansão do solos (S p ) foi sugerida por Seed et al. (1962): 2,44 S p = 60kI p (1) onde k = 3,6x10-5 para % de argila entre 8-65%. Por este critério, o potencial de expansão seria igual a 8,7%, que por estar entre 5% e 25%, permite também classificar o solo como de alto potencial expansivo. O critério de Van Der Merwe (1964), que também permite avaliar em quatro níveis (baixo, médio, alto e muito alto) o potencial de expansão de um solo, foi empregando usandose os valores médios do percentual de argila, igual a 40 %, e I p igual a 30%, obtidos nesta pesquisa. Por este critério, esse solo pode ser considerado também de alto potencial expansivo, concordando, portanto, com a classificação empírica de Chen (1988). No que se refere à tensão de expansão, da Tabela 2 observa-se que o valor máximo obtido foi igual a 300 kpa, valor que pode ser considerado bastante expressivo, se comparado com a tensão admissível do terreno, estimada em aproximadamente 50 kpa. A partir de uma previsão da tensão de expansão (p s ) feita com base na Equação 2, proposta por Komornik & David (1969), foram obtidos os valores de 278 kpa e 280 kpa para as amostras dos blocos F-03 e F-09, respectivamente: p s = 2,132 + (2) 0,0208w + 0,00065 γ 0,0269w l d Observa-se que os valores previstos estão muito próximos dos respectivos medidos em laboratório, mostrados na Tabela 2. Tabela 2. Valores de índice de vazios e grau de saturação, na expansão livre, e de tensão de expansão. Amostra Expansão Livre Tensão de Índice de S expansão vazios e i e f (%) (kpa) Bloco F-03 0,454 0, ,9 300,0 Bloco F-09 0,489 0,992 93,6 266,0 e i índice de vazios inicial; e f índice de vazios final S grau de saturação

6 4 CONCLUSÕES Neste trabalho foi feita a caracterização geotécnica de um solo não saturado, tipo massapê, expansivo, típico da Formação Calumbi. Os resultados mostraram que para esse solo mais de 90% do material passa na peneira Nº 200, com aproximadamente metade desta fração constituída de argila. Medições de sucção do solo em sua condição de umidade natural (meses de dezembro a janeiro), empregando-se a técnica do papel de filtro indicaram valores da ordem de 10 MPa, onde o índice de vazios das amostras se encontravam na faixa de 0,45 a 0,49. Ensaios para medição do percentual de expansão livre de duas amostras evidenciaram que o solo investigado quando saturado pode expandir até o valor de 34%, para o qual o índice de vazios atingiu valores próximos de 1,0. Ensaios realizados com amostras semelhantes, porém, impedindo-se a sua expansão vertical indicaram valores para a tensão de expansão do solo da ordem de 300 kpa. De acordo com os critérios de Seed et al. (1962), Van Der Merwe (1964) e Chen (1988), o solo em questão foi classificado como de alto potencial expansivo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a todos que contribuíram para o desenvolvimento desta pesquisa. REFERÊNCIAS ASTM D (1998). Standard Test Method for One- Dimensional Swell or Settlement Potencial of Cohesive Soils. Annual Book of ASTM Standards, Vol pp Barison, M.R., Cavalcanti Jr., D.A. e Assis, W. S. (1998). Caracterização do Subsolo da Cidade de Aracaju a partir da Análise de Seções Geotécnicas, XI COBRAMSEG, Vol. 1, pp Bastos, E. G. (1994). Variação Volumétrica de uma Argila Expansiva do Litoral Norte de Pernambuco. Dissertação de mestrado. DEC/UFPE. 152p. Burgos, P.C. e Campos, L.E.P. (2002). Estudo do Potencial Expansivo de um Solo Saprolítico de Granulito. XII COBRAMSEG. Vol. 2. pp Chen, F.H. (1988). Foundations on Expansive Soils. Elsevier Science Publishing Company Inc., New York. Day, R. W. (1999). Geotechnical and Foundation Engineering: Design and Construction. McGraw-Hill Companies. New York. Ferreira, R.N. (1997). Comportamento Geotécnico de uma Argila Expansiva não Saturada. Dissertação de mestrado. DEC/UFPE. 107p. Ferreira, R.N., Jucá, J.F.T e Da Silva, J.M.J. (1998a). Resistência de uma Argila Expansiva Utilizando o Equipamento de Cisalhamento Direto com Sucção Controlada. XI COBRAMSEG. Vol. 1. pp Ferreira, R.N., Bastos, E.G. e Jucá, J.F.T (1998b). Estudo de Laboratório e Campo de um Solo Expansivo. XI COBRAMSEG. Vol. 1. pp Jones, D.E. and Jones, K.A. (1987). Treating Expansive Soils. Civil Engineering Magazine, ASCE, Vol. 57, Nº 8, august. Justino da Silva, J. M. (2001). Variação Volumétrica de uma Argila Contráctil-Expansiva Não Saturada Submetida a Diferentes Condições Climáticas. Tese de Doutorado, Escola Politécnica da USP, São Paulo, 249 p. Justino da Silva, J. M. (2005). Solos Expansivos. Livro Geotecnia no Nordeste, ABMS-NRNE, Cap. 8, pp Komornik, A. and David, D. (1969). Prediction of Swelling Pressure of Clays. JSMFD, ASCE. Vol. 95, SM1. Lew, B. e Soares, M.M. (1998). Um Caso Típico de Trincas em Residência Devido a Solo Expansivo. XI COBRAMSEG. Vol. 1. pp Marinho, F. A. M. (1998). Medição de Sucção com Método do Papel de Filtro. X COBRAMSEF, Vol. 2, pp Murthy, V.N.S. (2003). Geotechnical Engineering: Principles and Practices of Soil Mechanics and Foundation Engineering. Marcel Dekker, Inc. New York. Oliveira, O. M. (2004). Estudo Sobre a Resistência ao Cisalhamento de um Solo Residual Compactado não Saturado. Tese de Doutorado. Universidade de São Paulo. 330p. Puppala, A.J., Punthutaecha, K and Vanapalli, S.K. (2006). Soil-Wather Characteristic Curves of Stabilized Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering.Vol. 132, pp Seed, H.B., Woodward, R.J. and Lundgren, R. (1962). Prediction of Swelling Potential for Compacted Clays. Journal ASCE, SMFD, Vol. 88. Nº SM 3. Skempton, A. W. (1953). The Colloidal Activity of Clays, Proceeds. III ICSMFE. Zurich, Suíça, Vol. 1, pp Van Der Merwe, D. H. (1964). The Prediction of Heave from the Plasticity Index and the Percentage Clay Fraction of Soils. Trans. S. Afr. Inst. of Civil Engineering. Vol. 6, pp Vargas, M., Gonçalves, H.H., Santos, N.B. e Marinho, F. A.M.(1989). Expansive Soils in Brazil. Suplementary Contributions by the Brazilian Society for Soil Mechanics. 12 th ICSMFE. Rio de Janeiro.