ESTUDO DA INFLUÊNCIA DAS INTERAÇÕES FÍSICO-QUÍMICAS NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE DOIS SOLOS TROPICAIS DO MUNICÍPIO DE OURO PRETO - MG

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1 i ESTUDO DA INFLUÊNCIA DAS INTERAÇÕES FÍSICO-QUÍMICAS NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE DOIS SOLOS TROPICAIS DO MUNICÍPIO DE OURO PRETO - MG Adriana Paiva de Souza Martins TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL. Aprovada por: Prof. Willy Alvarenga Lacerda, Ph.D. Prof. Marcos Massao Futai, D.Sc. Prof. Maria Cláudia Barbosa, D.Sc. Prof. Franklin dos Santos Antunes, Livre Docência RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JULHO DE 2005

2 ii MARTINS, ADRIANA PAIVA DE SOUZA Estudo da Influência das Interações Físico-Químicas no Comportamento Mecânico De Dois Solos Tropicais do Município de Ouro Preto-MG [Rio de Janeiro] 2005 XV, 321 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Civil, 2005) Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Interações Físico-Químicas 2. Solo Laterítico 3. Solo Saprolítico 4. Compressibilidade 5. Resistência ao Cisalhamento I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )

3 iii Dedico esta tese aos meus pais (in memoriam), ao meu marido Alexandre e à minha filha Marina

4 iv Agradecimentos À Prefeitura Universitária da UFRJ, por ter me propiciado esta grande oportunidade de capacitação, e ao Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, representado pelo seu corpo técnico-administrativo e docente, por ter possibilitado minha dedicação integral à execução de correções nas etapas finais de elaboração desta dissertação. Ao Professor Willy Lacerda, pela amizade, pelo bom humor, pelos conhecimentos transmitidos, pelo apoio na viabilização dos trabalhos experimentais, pelo exemplo de vocação ao ensino, pesquisa e prática da Geotecnia. Ao Professor Marcos Massao Futai, pelo incentivo ao estudo deste tema de dissertação, pelo intenso envolvimento em todas as etapas do trabalho e pela grande disponibilidade em relação às atividades de orientação, mesmo estando à distância. Ao Professor Francisco José Casanova de Oliveira e Castro, pelo seu grande conhecimento na área de físico-química dos solos, tendo colaborado em diversos momentos desta dissertação, desde as concepções iniciais até as etapas finais de análise de resultados. À Professora Maria Cláudia Barbosa, pela valiosa ajuda nas investigações em relação ao processo de difusão. A todos os professores da área de Geotecnia da COPPE/UFRJ, por terem contribuído para a ampliação dos meus conhecimentos práticos e acadêmicos nesta área. A todos os funcionários do Laboratório de Geotecnia, em especial ao engenheiro Sérgio Iório, pela amizade e grande apoio recebido durante a realização dos ensaios triaxiais, e também por ter disponibilizado um computador para uso na etapa de revisão. Ao técnico Luiz Carlos, pela participação na coleta de amostras em campo e pela ajuda nos ensaios de caracterização. Ao França, pelos trabalhos de desenho em AutoCad. À pesquisadora Maria da Glória Marcondes Rodrigues pela apoio na preparação de soluções e realização dos ensaios químicos. A todos os colegas da fase de créditos, pela amizade e convívio, em especial Vivianne, pelas caronas, pelo compartilhamento de problemas e pela companhia nos breves intervalos de almoço.

5 v À Sílvia Suzuki, pela amizade, pelo incentivo e pela ajuda em diversos momentos, principalmente no início dos trabalhos experimentais. Um agradecimento muito grande e especial a Alexandre, Dr. Nelson e Jurema, que não mediram esforços para permitir a minha dedicação de forma mais integral às atividades do mestrado, na maioria das vezes alterando suas rotinas e prioridades individuais em favor das minhas. À Alexandre, também pela ajuda nos registros fotográficos e em alguns desenhos. À minha pequena e grande família, nas pessoas de Alexandre e Marina, que muito se privaram da minha atenção e convívio, sempre sob protestos, sem compreender exatamente a razão de tanto esforço e sacrifício. E às demais pessoas da minha família, que mesmo distantes, tenho certeza que partilham comigo mais esta conquista. A Deus, que sempre me dá forças para superar os obstáculos e prosseguir na minha caminhada.

6 vi Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) ESTUDO DA INFLUÊNCIA DAS INTERAÇÕES FÍSICO-QUÍMICAS NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE DOIS SOLOS TROPICAIS DO MUNICÍPIO DE OURO PRETO - MG Adriana Paiva de Souza Martins Julho/2005 Orientadores: Willy Alvarenga Lacerda Marcos Massao Futai Programa: Engenharia Civil A presente dissertação estuda a influência das interações físico-químicas no comportamento mecânico e hidráulico de dois solos residuais de origem gnáissica, um laterítico (1m de profundidade) e outro saprolítico (5m de profundidade), do município de Ouro Preto, MG. Para a consecução deste objetivo, foi desenvolvido um programa experimental envolvendo a realização de ensaios de caracterização (física, química, mineralógica e microestrutural), ensaios de adensamento edométrico, ensaios de permeabilidade de carga variável e ensaios triaxiais CID e CIU. O efeito das interações foi investigado provocando-se a desestruturação dos solos estudados e comparando-se os resultados obtidos nesta condição com os resultados correspondentes a solo intacto. A desestruturação foi induzida através de remoldagem (nas vizinhanças do limite de liquidez) e através de substituição do fluido intersticial por soluções de hexametafosfato de sódio (NaPO 3 ) n e carbonato de sódio (Na 2 CO 3 ) com concentrações e ph prédefinidos. Os resultados obtidos evidenciaram importantes mudanças na estrutura e no comportamento dos solos, em relação à condição intacta, em especial o de 1m de profundidade, por conter maior quantidade de argila.

7 vii Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) INFLUENCE OF PHYSICO-CHEMICAL INTERACTIONS ON THE MECHANICAL BEHAVIOR OF TWO RESIDUAL SOILS FROM GNEISS Adriana Paiva de Souza Martins July/2005 Advisor: Willy Alvarenga Lacerda Marcos Massao Futai Department: Civil Engineering The influence of physico-chemical interactions on the mechanical and hydraulic behavior of two residual soils from gneiss is studied. One is lateritic, sampled at 1m depth, and the other is saprolitic, sampled at a depth of 5m, near the city of Ouro Preto, MG. In order to attain this objective an experimental program involving characterization tests (physical, chemical, mineralogic and microstructural), and oedometric, permeability under variable head, CID and CIU triaxial tests, was made. The effect of the physico-chemical interactions was investigated through tests performed on the destructured soil. A comparison between test results for both intact and destructured soil was made. Destructuration was obtained through remolding near the liquid limit and through the substitution of the interstitial fluid by solutions of sodium hexametaphosphate (NaPO 3 ) n and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) with predefined concentrations and ph. The results indicated important changes in the structure and behaviour of the two soils, specially for the lateritic soil, which contains a greater amount of clay minerals.

8 viii Índice 1 Introdução Revisão Bibliográfica: Solos Tropicais e Algumas Considerações Sobre Propriedades Físico-Químicas Solos residuais tropicais Considerações gerais Intemperismo Aspectos peculiares: laterização, heterogeneidade, anisotropia e estrutura reliquiar Perfil de intemperismo Sistemas de classificação Compressibilidade Permeabilidade Resistência ao cisalhamento Comportamento dos solos estruturados, conforme Leroueil e Vaughan (1990) Interações físico-químicas Importância do estudo das interações físico-químicas Conceitos fundamentais Interações físico-químicas e limites de Atterberg Interações físico-químicas e compressibilidade Interações físico-químicas e permeabilidade Interações físico-químicas e resistência ao cisalhamento Apresentação do Local de Estudo, Pesquisas Anteriores e Amostragem de Campo Local de estudo Algumas pesquisas anteriores relacionadas à área...47

9 ix Bacellar (2000) Fonseca (2000) Moraes Silva (2000) Santos (2001) Futai (2001) Futai (2002) Aspectos gerais da região Outras características Amostragem de campo Ensaios de Caracterização Física, Química, Mineralógica e Microestrutural Granulometria e limites de Atterberg Índice de atividade (Skempton, 1953) Classificação Índices físicos Limites de Atterberg usando soluções Granulometria usando soluções Caracterização química Capacidade de troca catiônica Análise química seletiva por ataque sulfúrico ph do solo em água, em KCl e em soluções de hexametafosfato de sódio Caracterização mineralógica Caracterização mineralógica completa dos solos de 1 e 5m de profundidade (Futai, 2002) Caracterização mineralógica por difração de raios X Caracterização microestrutural Caracterização microestrutural dos solos estudados Caracterização microestrutural do solo de 1m de profundidade Solo intacto (Futai, 2002) Solo remoldado w=51,39% (0,9w L )...96

10 x Solo pré-tratado com solução de hexametafosfato de sódio 0,1N Caracterização microestrutural do solo de 5m de profundidade Solo intacto (Futai, 2002) Solo remoldado w=41,3% (w L ) Solo pré-tratado com solução de hexametafosfato de sódio 0,1N Ensaios de Adensamento Edométrico e Permeabilidade Ensaios de adensamento edométrico Introdução Apresentação e análise de resultados, solo de 1m de profundidade Curvas (e x log σ v) Figura 5.1-a Curvas (ε v x log σ v) Figura 5.1-b Influência do índice de vazios inicial Apresentação e análise de resultados, solo de 5m de profundidade Curvas (e x log σ v) Figura 5.3-a Curvas (ε v x log σ v) Figura 5.3-b Influência do índice de vazios inicial Expansão livre Parâmetros obtidos Parâmetros obtidos para solo de 1m de profundidade Parâmetros obtidos para solo de 5m de profundidade Velocidade de recalque Coeficiente de variação volumétrica (m v ) Comentários finais Ensaios de permeabilidade de carga variável Introdução Apresentação e análise dos resultados, solo de 1m de profundidade Apresentação e análise dos resultados, solo de 5m de profundidade...144

11 xi 6 Ensaios Triaxiais Introdução Materiais e métodos Apresentação e análise de resultados Ensaios com solo remoldado Solo remoldado de 1m de profundidade Ensaios CID Ensaios CIU Solo remoldado de 5m de profundidade Ensaios CID Ensaios CIU Ensaios com soluções de hexametafosfato de sódio Soluções 0,001N de hexametafosfato de sódio Ensaios CID Ensaios CIU Soluções 0,1N de hexametafosfato de sódio Ensaios CID Ensaios CIU Comparação de resultados efeitos de estrutura Solo de 1m de profundidade Ensaios CID: comparação de resultados de ensaios com solo intacto e solo remoldado Ensaios CIU: comparação de resultados de ensaios com solo intacto e solo remoldado Ensaios CID: comparação de resultados de ensaios com solo intacto, solo remoldado e solo com soluções de hexametafosfato de sódio Ensaios CIU: comparação de resultados de ensaios com solo intacto, solo remoldado e solo com soluções de hexametafosfato de sódio Solo de 5m de profundidade Ensaios CID: comparação de resultados de ensaios com solo intacto e solo remoldado...202

12 xii Ensaios CIU: comparação de resultados de ensaios com solo intacto e solo remoldado Módulos de deformação secante para 50% e 25% da tensão desviadora máxima (E 50% e E 25% ) Conclusões e Sugestões Para Pesquisas Futuras Principais conclusões Sugestões para pesquisas futuras Referências Bibliográficas Anexo I Preparo de Soluções de Hexametafosfato de Sódio e Preparo de Amostras Para Ensaios de Laboratório Anexo II Ensaios de Adensamento Edométrico e de Permeabilidade: Materiais e Métodos e Alguns Resultados Anexo III Ensaios Triaxiais: Materiais e Métodos, Índices Físicos dos Corpos de Prova e Alguns Resultados...262

13 xiii Lista de Símbolos e Abreviaturas A = coeficiente de poropressão A r = coeficiente de poropressão na ruptura a = coeficiente linear da linha K f, valor efetivo a v = coeficiente de compressibilidade (m 3 /kn) α = coeficiente angular da linha K f α = coeficiente angular da linha K f, valor efetivo B = coeficiente de poropressão CID = ensaio triaxial adensado drenado CIU = ensaio triaxial adensado não drenado CW = ensaio triaxial sem saturação do corpo de prova, adensado na umidade natural e drenado CP = corpo de prova c = intercepto de coesão (kpa) c` = intercepto de coesão efetiva (kpa) C c = índice de compressão C r = índice de recompressão C s = índice de expansão C v = coeficiente de adensamento (cm 2 /s) γ nat = peso específico natural (kn/m 3 ) γ d = peso específico seco (kn/m 3 ) d = diâmetro do corpo de prova u = excesso de poropressão (kpa) u r = excesso de poropressão na ruptura (kpa) v = variação volumétrica (cm 3 ) E 25% = módulo de deformação secante para 25% da tensão desviadora máxima E 50% = módulo de deformação secante para 50% da tensão desviadora máxima e = índice de vazios e adensto = índice de vazios após o adensamento (ensaios triaxiais) e o = índice de vazios inicial

14 xiv ε a = deformação específica axial (%) ε ar = deformação específica axial estimada na ruptura (%) ε v = deformação específica volumétrica (%) ε vr = deformação específica volumétrica na ruptura(%) G = densidade real dos grãos I a = índice de atividade I P = índice de plasticidade (%) k = coeficiente de permeabilidade (cm/s) L = altura do corpo de prova (mm) m v = coeficiente de variação volumétrica (m 2 /kn) p = (σ 1 +σ 3 )/2 p = (σ 1+σ 3)/2 q = (σ 1 -σ 3 )/2 q = (σ 1-σ 3)/2 p f ou p r = valor de p na ruptura (kpa) q f ou q r = valor de q na ruptura (kpa) S = grau de saturação (%) S o = grau de saturação inicial (%) S f = grau de saturação final (%) σ = tensão σ 1 = tensão principal maior total (kpa) σ 1 = tensão principal maior efetiva (kpa) σ 3 = tensão principal menor total (kpa) σ 3 = tensão principal menor efetiva (kpa) σ c = tensão confinante efetiva σ d = tensão desviadora (kpa) σ dr = tensão desviadora na ruptura (kpa) σ d max = tensão desviadora máxima (kpa) σ v = tensão vertical efetiva (adensamento edométrico) (kpa) σ vo = tensão vertical efetiva de campo (kpa) σ vy = tensão de escoamento edométrica (kpa) T = fator tempo para 90% de adensamento

15 xv t = tempo t 90 = tempo correspondente a 90% de compressão primária t 100 = tempo correspondente a 100% de compressão primária tr = tempo mínimo de ruptura (minutos) U = porcentagem de adensamento (%) V max = velocidade máxima de cisalhamento (mm/min) φ = diâmetro dos grãos φ = ângulo de atrito interno do solo (graus) φ = ângulo de atrito interno efetivo do solo (graus) w o = teor de umidade inicial do corpo de prova (%) w L = limite de liquidez (%) w nat = teor de umidade natural (%) w P = limite de plasticidade (%) # = malha de peneira

16 1 1 - Introdução Na engenharia, os solos desempenham papéis variados, ora como materiais de fundação, nos quais se apóiam as estruturas, ora como materiais de construção (pavimentos, aterros, barragens, fabricação de tijolos e telhas, barreiras impermeabilizantes em aterros sanitários, etc). Entretanto, as propriedades requeridas para uma determinada aplicação nem sempre existem na condição natural, e nestes casos são feitas intervenções que provocam mudanças nas propriedades físico-químicas e resultam em características mais adequadas (trabalhabilidade, compressibilidade, expansão e contração, etc.). Como exemplos, pode-se citar a construção de liners argilosos e a estabilização dos solos (por compactação ou por uso de aditivos químicos) para utilização em aterros, reforços de fundações, pavimentos, taludes, escavações, etc. Muitas vezes, as interações físico-químicas provocam efeitos deletérios, tais como recalques e expansões excessivos, rupturas por entubamento ( piping ) associadas a argilas dispersivas, contaminação das águas subterrâneas por migração de contaminantes, etc. Nestes casos, o conhecimento das propriedades físico-químicas constitui uma ferramenta importante para o diagnóstico e solução dos problemas. Dentro deste contexto, esta dissertação visa contribuir para um melhor entendimento da relação entre as propriedades físico-químicas, estrutura e comportamento mecânico e hidráulico dos solos tropicais lateríticos e saprolíticos. Os solos tropicais constituem sistemas com propriedades físico-químicas muito peculiares, decorrente de uma mineralogia bastante diferente daquela apresentada pelos solos de regiões temperadas. Novas pesquisas precisam ser feitas visando a ampliar o conhecimento dos mecanismos e condicionantes relacionados aos processos de interações físico-químicas, e as conseqüências em termos de comportamento geomecânico. Casanova (1989) ressalta a importância do estudo das propriedades físico-químicas dos solos tropicais e a necessidade de incorporação destes conceitos no dia-a dia da Mecânica dos Solos. Para estudar a influência das propriedades físico-químicas no comportamento hidráulico e mecânico de dois solos residuais, um laterítico e outro saprolítico, foi estabelecido um programa experimental, cujos pontos fundamentais foram o escopo dos

17 2 ensaios a serem realizados, a escolha dos solos para ensaio e a definição do fluido intersticial. a) escopo dos ensaios a serem realizados Foi definida a realização de ensaios de adensamento edométrico, permeabilidade de carga variável e triaxiais CID e CIU. Como o comportamento mecânico e hidráulico dos solos depende essencialmente da composição (granulométrica e mineralógica) e da estrutura (estado particular em que as partículas se encontram na condição intacta), o programa experimental incluiu, de forma complementar, a caracterização dos solos estudados sob diversos aspectos (físico, químico, mineralógico e microestrutural) e em diferentes estados (natural, remoldado e tratado com soluções de hexametafosfato de sódio). b) escolha dos solos Procurou-se usar dois solos que fossem distintos em relação aos índices físicos, propriedades índices, mineralogia, estrutura, compressibilidade, permeabilidade e resistência mecânica, para melhor evidenciar as respostas de cada um em cada aspecto estudado. O requisito exigido é que não fossem predominantemente arenosos. c) definição do fluido intersticial Escolheu-se um fluido que, ao interagir com o solo, viesse a provocar modificações significativas na sua estrutura. Para esta definição, procurou-se seguir as sugestões de especialista em físico-química dos solos (Casanova, 2003). A proposta de substituição do fluido dos poros procura simular, em laboratório, situações reais em que o solo é inundado com produtos químicos variados, como exemplo, situações de derramamentos acidentais, vazamentos em tubulações e em reservatórios de armazenamento, barreiras de contenção de rejeitos, etc. Como os efluentes reais apresentam variabilidade de composição e características físico-químicas, optou-se por trabalhar com soluções de uso corriqueiro nos laboratórios de solos, com composição química e propriedades conhecidas. Procurou-se também substâncias que a priori não dissolveriam argilominerais, como por exemplo hidróxido de sódio (Costa Júnior, 2001) e ácido acético (Anandarajah e Zhao, 2000). A etapa de percolação, prevista nos ensaios edométricos, triaxiais e de permeabilidade fez com que houvesse uma preocupação de se optar por substâncias que fossem miscíveis em água, porque permeiam o solo de forma mais uniforme, em virtude de suas moléculas poderem deslocar a água da camada de hidratação dos cátions e assim serem mais facilmente adsorvidas nas superfícies dos argilominerais (Mariz, 1993). A partir de todas as considerações anteriores, optou-se

18 3 pelo uso de soluções de hexametafosfato de sódio, nas concentrações de 0,001N, 0,01N, 0,1N e 1N, preparadas conforme procedimentos descritos no Anexo I. Para evitar a reversão das soluções para ortofosfato de sódio e para acentuar os efeitos dispersantes associados ao ph, foi adotado valor de ph igual a 10,5 para todas as concentrações utilizadas. A manutenção de ph constante facilitou as análises paramétricas. Esta dissertação é constituída por sete capítulos e três anexos. No Capítulo 2 fazse uma revisão sobre alguns aspectos relativos aos solos tropicais e ao comportamento dos solos estruturados, apresentando-se também alguns conceitos fundamentais relativos às interações físico-químicas. Procura-se demonstrar, através de exemplos da literatura, a influência destas interações nos limites de consistência e nas características de compressibilidade, permeabilidade e resistência dos solos. No Capítulo 3 descreve-se o local de coleta das amostras e o processo de amostragem, fazendo-se também uma retrospectiva das pesquisas anteriores relacionados à área, e enfatizando aquelas que tratam das características geomecânicas (Moraes Silva, 2000; Fonseca, 2000; Futai, 2002). No Capítulo 4, faz-se a caracterização física, química, mineralógica e microestrutural dos solos estudados, nos estados natural e tratado com soluções de hexametafosfato de sódio com concentrações pré-definidas e ph igual a 10,5. No Capítulo 5 são apresentados os resultados e análises dos ensaios de adensamento edométrico e permeabilidade, e no Capítulo 6 faz-se o mesmo em relação aos ensaios triaxiais CID e CIU. As conclusões obtidas e as sugestões propostas para pesquisas futuras são apresentadas no Capítulo 7. Os Anexos estão organizados da seguinte forma:. Anexo I: inclui procedimentos de preparo de soluções de hexametafosfato de sódio e preparo de amostras para ensaios de laboratório;. Anexo II: descreve os materiais e métodos utilizados nos ensaios de adensamento edométrico e permeabilidade, incluindo também alguns resultados referentes a estes ensaios;. Anexo III: refere-se aos ensaios triaxiais, abrangendo os materiais e métodos, os índices físicos dos corpos de prova e alguns resultados.

19 4 2 Revisão Bibliográfica: Solos Tropicais e Algumas Considerações Sobre Propriedades Físico-Químicas Os solos tropicais recobrem grandes áreas do território brasileiro, em conseqüência das condições favoráveis de formação e de desenvolvimento (clima quente, alto índice de pluviosidade e boas condições de drenagem). Desta forma, é esperado que o estudo deste tipo de solo seja responsabilidade dos países de clima tropical, fato já sugerido por Terzaghi na década de 40, em seu discurso de abertura da 2ª Conferência Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações. Estes solos apresentam composição química e mineralógica bastante diferente dos solos de regiões frias, e esta característica resulta em comportamento eletroquímico muito distinto, sendo constituídos predominantemente por minerais de carga superficial variável (Casanova, 1989). No caso de solos com fração fina expressiva, o conhecimento das propriedades físico-químicas é requisito essencial para o entendimento do comportamento geotécnico nas diversas aplicações da Engenharia. A revisão bibliográfica se subdivide em duas partes distintas: a primeira parte aborda aspectos relativos aos solos residuais tropicais e a segunda aspectos relativos às interações físico-químicas nos solos argilosos. Procurou-se enfatizar a importância das interações físico-químicas no comportamento mecânico e hidráulico dos solos. O comportamento dos solos estruturados e a influência das ligações interpartículas também foi destacado. 2.1 Solos residuais tropicais Considerações gerais Não há uma definição universal para solo residual (Brand, 1985). Blight (1997) define solo residual como sendo o material derivado do intemperismo in situ e decomposição da rocha, o qual não sofreu transporte a partir de seu local de formação. O conceito de solo, segundo Salomão e Antunes (1998), citando Birkeland (1974), é todo material natural consistindo de camadas ou horizontes de compostos minerais e/ou orgânicos com variadas espessuras, diferindo do material original por

20 5 propriedades morfológica, física, química e mineralógica, e por características biológicas. Os horizontes do solo são inconsolidados, mas alguns contêm suficientes porções de sílica, carbonatos ou óxidos de ferro para cimentá-los. De acordo com Sowers (1963), os solos residuais podem ser encontrados em todos os continentes, principalmente no sul da Ásia, na África, sudeste dos Estados Unidos, Austrália, Indonésia, ilhas do Caribe e América do Sul. As ocorrências tendem a ser mais abundantes em regiões quentes e úmidas, que favorecem os processos de intemperismo químico. As ocorrências de solos residuais no Brasil, agrupadas de acordo com as rochas subjacentes, podem ser encontradas em Sandroni (1985). Diferentemente dos solos residuais, os solos sedimentares são resultantes dos processos de erosão e transporte, seguidos de deposição e adensamento sob a ação do peso próprio. O solo originado de misturas de fragmentos minerais da rocha subjacente, enriquecidos por detritos vegetais, blocos de rocha com grãos de qualquer dimensão transportados principalmente por gravidade das partes mais elevadas constitui um tipo particular de solo transportado denominado solo coluvionar, colúvio ou solo alóctone. As argilas moles e os aluviões também se classificam como solos sedimentares. Não existe uma terminologia universalmente aceita para descrever as várias classes de solos residuais. Nogami (1985), nos trabalhos do Comitê que abordou este assunto (Primeira Conferência Internacional sobre Geomecânica de Solos Tropicais), propõe uma padronização que divide o manto de solo que recobre a rocha em dois horizontes: a) solos lateríticos nas camadas superficiais; b) solos saprolíticos nas camadas mais profundas. Os solos serão lateríticos quando pertencerem aos horizontes pedológicos A e B de perfis drenados desenvolvidos em clima tropical úmido e a fração argila for constituída por caulinita e óxidos de ferro e alumínio hidratados agrupados em uma estrutura agregada, porosa e altamente estável. Os solos serão saprolíticos quando forem solo no sentido geotécnico, exibirem clara característica estrutural da rocha matriz, forem autenticamente residuais. Esta proposta apresenta algumas falhas, tendo sido adotada por alguns estudiosos (Cruz, 1996) e recebido críticas por parte de outros (Vargas, 1988). Nesta dissertação, será adotada a seguinte terminologia:. solo residual maduro, solo laterítico ou horizonte B: solo sem traços da rocha matriz, podendo haver cimentação por óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio.

21 6. solo residual jovem, solo saprolítico ou horizonte C residual: solo com alguns traços reliquiares da rocha matriz. Tendo em vista que os trabalhos desenvolvidos nesta dissertação incluem alguns resultados obtidos por Futai (2002), procurou-se adotar uma terminologia semelhante à utilizada por este autor. Outros autores que trabalharam com solos coletados no mesmo local de estudo (Fonseca, 2000 e Moraes Silva, 2000) designaram o solo de 1m de profundidade como solo coluvionar, e porisso esta nomenclatura será também mencionada:. solo coluvionar estruturado: solo que apresenta cimentação por óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio, sendo muitas vezes confundido com o solo residual maduro, devido à laterização Intemperismo O processo de intemperismo consiste na degradação da rocha matriz pela ação de agentes físicos, químicos e biológicos, atuando isolada ou conjuntamente. A predominância da ação de um agente sobre outro, assim como a intensidade do processo de intemperismo, depende da rocha de origem e de fatores ambientais relacionados ao clima, topografia e condições de drenagem. O intemperismo físico atua pela desintegração física e mecânica das rochas, promovendo um aumento da superfície específica das partículas minerais, sem alteração da composição química. O intemperismo químico ou decomposição química consiste na alteração da composição química dos minerais constituintes das rochas. Este tipo de intemperismo é predominante em regiões de clima tropical, onde as condições de elevadas temperatura e umidade propiciam o desenvolvimento de espessas camadas de solos residuais (Irfan e Woods, 1988). O intemperismo biológico se manifesta através da ação dos organismos vivos, podendo esta ação ser de natureza química ou física Aspectos peculiares: laterização, heterogeneidade, anisotropia e estrutura reliquiar

22 7 A principal característica dos solos superficiais é a laterização, que pode ocorrer em solos residuais, aluviais e coluviais (Vargas, 1981 e Cruz, 1996). Mitchell e Sitar (1982) explicam algumas etapas do processo de laterização:. em condições adequadas (chuvas abundantes, altas temperaturas, boas condições de drenagem), ocorre lixiviação de sílica e bases (Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO), rápida quebra dos feldspatos e ferromagnesianos, acumulação de sesquióxidos de ferro e alumínio (constituintes menos solúveis), formação de argilominerais do grupo caulinítico e permanência de minerais mais resistentes como quartzo e mica;. com o avanço do intemperismo parte da caulinita se transforma em gibsita, e em estágios subseqüentes os óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio, goetita e gibsita, se alteram para hematita e boemita (Fe 2 O 3 e Al 2 O 3.H 2 O, respectivamente). Os sesquióxidos de ferro e alumínio presentes na fração fina podem existir como partículas discretas, ou recobrindo grãos de outros minerais, ou como cimentos nos contatos intergranulares. Os solos saprolíticos apresentam estruturas herdadas da rocha de origem, visíveis a olho nu, e designadas como estruturas reliquiares. É comum a presença de planos (descontinuidades), geralmente de espessura milimétrica, orientação variada e coloração escura, que se originam de fissuras muito antigas, apresentando anisotropia de resistência (Koo, 1982; Massad e Teixeira, 1985; Irfan e Woods, 1988). A presença destas descontinuidades (dobras, fraturas, estratificações, xistosidades, etc) facilita a penetração da água, resultando na aceleração do processo de intemperismo. Solos lateríticos e saprolíticos podem apresentar heterogeneidade, sendo esta característica mais acentuada nas formações saprolíticas. Solos derivados de rochas sem foliação ou acamamento (granitos, basaltos e argilitos) tendem a ser mais uniformes, e solos derivados de rochas metamórficas (xistos, migmatitos, folhelhos e gnaisses) podem apresentar heterogeneidade associada à xistosidade, foliação, bandamento composicional, etc (Cruz, 1996). Lacerda e Almeida (1995) comentam que os solos residuais podem ou não apresentar anisotropia em relação à resistência, deformabilidade e permeabilidade, dependendo do grau de intemperismo Perfil de intemperismo

23 8 Deere e Patton (1971) definem perfil de intemperismo (também denominado perfil de alteração ou perfil de solo) como a seqüência de camadas com diferentes propriedades físicas, formadas in situ por processos de alteração física e química, e que permanecem recobrindo o maciço rochoso. Ao longo do perfil, podem ser encontrados materiais variando desde a rocha sã até materiais completamente intemperizados, cuja estrutura torna impossível a identificação da rocha matriz. Lacerda e Almeida (1995) apresentaram uma revisão de novas propostas de classificação de perfil de intemperismo. Na opinião destes autores, assim como Brand (1985), cada tipo de aplicação geotécnica (estabilidade de taludes, solos compactados, pavimentos, fundações, etc) deve usar o sistema de classificação de perfil de intemperismo que seja mais conveniente e adequada ao caso. Na Figura 2.1 é feita uma comparação de perfis de intemperismo típicos do Brasil. A classificação de Pastore (1992), mostrada na última coluna, é na opinião do autor a mais adequada para uso no Brasil, porque inclui no horizonte (2) os solos tansportados que sofreram laterização Sistemas de classificação O objetivo principal dos sistemas de classificação, sob o ponto de vista de engenharia, é poder estimar o provável comportamento do solo e orientar o programa de investigação necessário nas etapas de análise, planejamento e projeto (Pinto, 2000). Os solos residuais tropicais apresentam comportamento fortemente influenciado pela estrutura, cimentação e feições herdadas da rocha de origem, e todas estas características são afetadas pelo intemperismo, gerando materiais de comportamentos bastante diferenciados. Em função disto torna-se difícil a elaboração de um sistema de identificação e classificação geral que contemple todas estas particularidades. Não existe até o presente momento um sistema de classificação geral em engenharia geotécnica que considere todas as peculiaridades dos solos residuais tropicais. A identificação é feita com base na granulometria e limites de consistência (propriedades-índices), obtidos a partir do solo remoldado. Quando não se dispõe de recursos laboratoriais, faz-se a identificação táctil-visual. A classificação consiste em se agrupar os diferentes tipos de solos em classes, de acordo com o provável comportamento, sob o ponto de vista de engenharia.

24 9 Figura 2.1 Comparação entre algumas proposições de perfis de intemperismo típicos do Brasil (Pastore, 1992) São consideradas classificações geotécnicas convencionais ou tradicionais aquelas que se baseiam nos ensaios de granulometria e limites de Atterberg. Dentre as classificações convencionais, destacam-se o USCS (Unified Soil Classification System), derivado da classificação de Casagrande (1948) e a classificação HRB (Highway Research Board), também conhecida como classificação AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), originária do Public Roads Administration.

25 10 As classificações geotécnicas não convencionais, segundo Pastore e Fontes (1998), são aquelas que não utilizam como índices classificatórios a granulometria e os limites de Atterberg. As classificações convencionais, quando aplicadas a alguns tipos de solos residuais, não apresentam sensibilidade para discernir solos de comportamentos nitidamente diferentes, enquadrando-os no mesmo grupo (Cozzolino e Nogami, 1993; Nogami e Villibor, 1995). Algumas peculiaridades dos solos residuais tais como mineralogia, gradação de materiais no perfil, maior influência da estrutura (herdada da rocha de origem ou desenvolvida pelo intemperismo) não são adequadamente descritas pelos sistemas convencionais (Wesley e Irfan, 1997). A secagem prévia do solo ao ar provoca a oxidação dos sesquióxidos de ferro e alumínio e formação de agregações de partículas finas, assim como perda de água de constituição no caso de minerais argílicos hidratados (haloisita) (Townsend, 1985 e Mitchell e Sitar, 1982). A formação de agregações de partículas finas faz com que partículas do tamanho de argila (φ < 2µ) adquiram dimensões de silte ou areia, diminuindo o teor de finos e a plasticidade. Existe dificuldade em se definir uma granulometria representativa, uma vez que esta depende do grau de destruição destas agregações (Nogami e Villibor, 1995). Os resultados dos ensaios de granulometria de solos tropicais se alteram substancialmente quando se introduzem variações na metodologia do ensaio em relação à prescrita pela ABNT (uso ou não de defloculante, execução ou não de dispersão mecânica), e este fato foi demonstrado por diversos autores (Futai, 1995, Souza Neto, 1998, Moraes Silva, 2000). Castro (1974) demonstrou que a inclusão de agregações de partículas (passadas na peneira #10 (2 mm)) no ensaio de sedimentação gera descontinuidade na curva granulométrica na transição entre o peneiramento fino e a sedimentação. O sistema de classificação USCS (Unified Soil Classification System) ou Sistema Unificado foi proposto por Arthur Casagrande, no início da década de 40, para ser utilizado na escolha de solos para a construção de aeroportos, durante a Segunda Guerra Mundial. Os solos orgânicos são tratados pela primeira vez como um grupo com características e comportamento próprio, diferente dos solos grossos e finos. A partir de 1952, outros órgãos americanos adotaram esta classificação, que passou a ser conhecida como Sistema Unificado, tendo sofrido revisões e mudanças nos anos 80. Os solos naturais necessitam de índices que possam refletir a mineralogia, a estrutura, os efeitos

26 11 físico-químicos e os efeitos de sucção, que muitas vezes são determinantes do comportamento geotécnico, e o Sistema Unificado não incorpora a influência destes fatores. Vargas (1982, 1988, 1992) propõe uma adaptação da classificação USCS para os solos tropicais, no sentido de levar em conta a mineralogia das frações argila e silte. Para tanto sugere que os critérios relativos à fração grossa sejam mantidos, e que na classificação dos solos finos o gráfico de plasticidade seja combinado com o gráfico de atividade de Skempton para identificar a natureza micácea ou caulinítica das frações argila e silte. A proposta de Vargas (1982, 1988, 1992) não consegue enquadrar adequadamente alguns tipos de solos tropicais, conforme demonstrado por alguns pesquisadores (Ferreira, 1995; Souza Neto, 2000; Silva, 2001; Futai, 2002). Nas regiões tropicais, alguns solos lateríticos apresentam excelente desempenho para aplicações na área de pavimentos. Entretanto, os sistemas de classificação convencionais (AASHO-HRB, USCS) não conseguem prever adequadamente o potencial de aproveitamento dos mesmos. Considerando as limitações apresentadas pelas classificações convencionais, Nogami e Villibor (1981, 1995) propuseram uma nova classificação, denominada MCT (Miniatura, Compactado, Tropical), para determinação das propriedades mecânicas e hidráulicas de solos tropicais compactados para uso em obras viárias. Esta classificação separa de maneira bastante nítida os solos de comportamento laterítico daqueles de comportamento não laterítico, e esta separação não se baseia em critérios geológicos ou pedológicos, e sim, tecnológicos. Não são empregados os índices de consistência, mas parâmetros obtidos em ensaios de compactação com energias diferentes. Dentre as diversas limitações do sistema MCT, cabe destacar o fato de que a diferenciação dos grupos é feita com base em propriedades de interesse para a engenharia rodoviária (como por exemplo a capacidade de suporte), não sendo possível estimar outras propriedades importantes em obras de terra diferentes de pavimentação Compressibilidade A compressibilidade dos solos não é um fenômeno estritamente mecânico, havendo também a influência de fatores físico-químicos. Esta propriedade mecânica depende da granulometria, da natureza da fração argilosa e do conteúdo iônico dos sistema solo-fluido intersticial.

27 12 A compressibilidade dos solos residuais é governada por suas características mecânicas e físico-químicas e pode ser avaliada por meio de ensaios de laboratório ou ensaios in situ. Os processos de intemperismo in situ que conduzem à formação dos solos residuais provocam perda de massa (diminuição do peso específico natural) e consequente aumento do índice de vazios. A perda de massa ocorre por lixiviação e erosão interna de partículas muito finas, associada a piping ou processos geoquímicos. Quando submetidos a carregamentos verticais com confinamento lateral, os solos residuais comprimem de forma semelhante às argilas sedimentares, diferindo entretanto, em relação à tensão correspondente a uma mudança acentuada no gradiente da curva tensão-deformação. Esta tensão, denominada tensão de escoamento, tem um significado físico diferente, não estando relacionada com a tensão vertical das camadas de terra sobrejacentes, e sim com a resistência de ligações interpartículas (herdadas da rocha de origem ou geradas pelo intemperismo e pedogênese). Representa o ponto no qual ocorre o escoamento do material, a exemplo do que ocorre com o aço. A tensão de escoamento para solos residuais é conseqüência da história de intemperismo, e resulta principalmente de dois fatores: índice de vazios e estruturação. Vargas (1953) enfatiza que a tensão de escoamento pode ser eliminada por remoldagem e Barksdale e Blight (1997) explicam que esta tensão é uma medida da resistência das ligações interpartículas, ou das ligações entre os minerais que permanecem após o intemperismo do material. Os recalques tendem a ocorrer de forma rápida, tanto nos ensaios de laboratório quanto nas condições in situ. A grande maioria dos solos residuais tem comportamento reológico semelhante às areias, mesmo quando a quantidade de argila é elevada. A estrutura é o fator responsável pela rápida dissipação do excesso de poropressões. Nos ensaios de laboratório, torna-se difícil a aplicação da teoria do adensamento de Terzaghi&Frolich para ajuste da curva experimental, em virtude do adensamento primário ocorrer em alguns segundos. Leroueil e Vaughan (1990) definiram no espaço tensão-índice de vazios uma região onde somente um material estruturado pode se situar. Esta região, que corresponde à área hachurada da Figura 2.2, é limitada pelas curvas de compressão do solo desestruturado no estado mais fofo possível e pela curva de compressão do material estruturado. O índice de vazios do solo estruturado se mantém maior que o do solo

28 13 desestruturado, exceto para tensões verticais mais elevadas, quando estes valores se tornam convergentes. Vaughan (1992) sugere parâmetros diferentes para descrever a compressão do solo estruturado e do solo desestruturado. Para o solo estruturado, o gradiente do trecho virgem é C cs, que é função do índice de vazios inicial e tensão de escoamento, enquanto que para o solo desestruturado, o gradiente é C c, função da granulometria e plasticidade. A quebra das ligações interpartículas ocorre de forma progressiva. O primeiro ponto de quebra é o ponto Y da Figura 2.2. Até este ponto, as deformações sofridas pela estrutura não são suficientes para romper as ligações. A partir do ponto Y, o processo se desencadeia, exigindo deformações significativas até se alcançar a perda total das ligações, e a curva de compressão do solo indeformado tende a convergir para a curva do material remoldado. Figura 2.2 Comparação entre compressão estruturada e desestruturada em ensaio edométrico (Leroueil e Vaughan, 1990) A desestruturação provoca diminuição da rigidez e da tensão de escoamento do solo, assim como aumento da compressibilidade e diminuição do índice de compressão. Para solos sedimentares, a determinação da tensão de pré-adensamento é feita pelos métodos empíricos de Casagrande e Pacheco Silva. Estes métodos se baseiam em

29 14 construções gráficas a partir dos resultados plotados em gráficos semi-logarítmicos, com as tensões em escala logarítmica e os índices de vazios ou deformações volumétricas específicas em escala aritmética. Os métodos convencionais não são satisfatórios quando empregados para solos residuais, podendo induzir a conclusões equivocadas a respeito da existência de uma tensão de escoamento (Vaughan, 1985; Wesley, 1990; Pinto et al., 1993). Só se pode afirmar que houve escoamento se for constatada uma brusca variação no comportamento tensão-deformação do solo, com diminuição da rigidez. Vaughan (1985) sugere a utilização de escalas aritmética e logarítmica em ambos os eixos para demonstrar e quantificar o escoamento. Leroueil e Vaughan (1990) demonstram, através de inúmeros exemplos, que as técnicas e operações de amostragem podem provocar perturbações mecânicas, com danos à estrutura dos solos residuais, que apresentam ligações fracas interpartículas, susceptíveis de serem rompidas com facilidade. A quebra de ligações por perturbações mecânicas torna mais difícil e imprecisa a determinação da tensão de escoamento. Estes efeitos se acentuam no caso dos solos saprolíticos. A perda de estrutura se assemelha ao problema do amolgamento dos solos sedimentares (Cruz, 1996; Sandroni, 1985). Medidas corretas das propriedades mecânicas necessitam de amostras de boa qualidade, técnicas de amostragem apropriadas e amostras suficientemente grandes, de forma a incluir os efeitos de tamanhos maiores de partículas e de fábrica (Mitchell e Coutinho, 1991) Permeabilidade Dentre as propriedades dos solos residuais que são importantes no contexto dos problemas geotécnicos, a permeabilidade é a que exibe a maior amplitude de variação para um mesmo depósito. No caso de solos finos, é a propriedade mais susceptível de ser influenciada pela estrutura. Os métodos usados para determinação da permeabilidade de solos residuais em campo e em laboratório são semelhantes aos usados para solos sedimentares. Os ensaios de laboratório podem ser feitos através de permeâmetros convencionais e permeâmetros de parede flexível, ou podem ser associados aos ensaios edométricos, através de medições de carga variável no final dos estágios de carregamento. A determinação da permeabilidade através de ensaios de laboratório utiliza amostras de pequenas dimensões, apresentando a limitação de não incluir as variações

30 15 micro e macro estruturais que podem ocorrer no campo, tais como descontinuidades e outras estruturas reliquiares. Pinto et al. (1993) comentam que, dentre as diversas propriedades dos solos residuais, a permeabilidade é talvez a de mais difícil determinação em laboratório, sendo os resultados afetados pelas heterogeneidades das amostras e por fatores associados à não saturação, ao deslocamento do ar durante a percolação e à influência da água de percolação. De forma geral, a permeabilidade sob condições de carregamento diminui pouco até que a tensão de escoamento seja alcançada, e a partir desta tensão pode exibir reduções mais acentuadas. A permeabilidade de solos residuais pode ou não depender da direção do fluxo. Costa Filho e de Campos (1991) e Bernardes et al. (1992) não constataram anisotropia de permeabilidade em dois solos residuais de gnaisse. Os solos lateríticos apresentam elevada permeabilidade in situ resultante do desenvolvimento de agregações (granulometria floculada) de partículas argilosas e da intensa lixiviação associada ao regime de chuvas. Os valores de permeabilidade não correspondem aos sugeridos pelos limites de Atterberg e granulometria. Tomando-se como exemplo a caulinita (argilomineral que predomina na composição dos solos residuais), as agregações de partículas fazem com que as partículas individuais, dimensões da ordem de 10-5 a 10-6 cm, atinjam dimensões de silte e areia fina (10-4 a 10-2 cm). As agregações são resultantes principalmente de cimentação por óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio e forças elétricas entre as partículas dos argilominerais. Os solos lateríticos podem exibir valores de permeabilidade da ordem de 10-2 cm/s (Mitchell e Sitar, 1982) ou entre 10-2 e 10-3 cm/s (GSEGWP, 1990). As feições estruturais dos solos saprolíticos, herdadas da rocha matriz ou desenvolvidas durante o intemperismo, interferem nos valores de permeabilidade. Para cada tipo de estrutura corresponde uma permeabilidade característica, e o coeficiente de permeabilidade pode variar amplamente, desde valores muito baixos até valores mais elevados. A heterogeneidade dificulta a extrapolação dos resultados dos ensaios laboratoriais. Resultados confiáveis só podem ser obtidos por métodos in situ apropriados. A presença de anisotropias de diversos tipos (laminações, bandamentos, xistosidades, dobras, etc) faz com que a permeabilidade passe a ter características vetoriais (Nogami e Villibor, 1995) Resistência ao cisalhamento

31 16 As características de resistência ao cisalhamento de solos residuais podem ser determinadas em laboratório, através de ensaios de cisalhamento direto e de compressão triaxial. Normalmente a utilização de envoltórias de resistência de Mohr-Coulomb consegue representar satisfatoriamente a resistência ao cisalhamento dos solos residuais, que sofre influência apreciável do processo de intemperismo. Sandroni (1974) e Vaughan (1992) consideram a envoltória de ruptura curva até próximo da tensão de escoamento, e acima desta consideram comportamento semelhante ao dos solos normalmente adensados. A curvatura da envoltória é devido principalmente à presença de cimentações (Sandroni, 1985 e Massey et al., 1989). Grande parte das ocorrências destes solos corresponde ao estado não saturado, com a parcela de sucção contribuindo significativamente na resistência. A resposta dos solos residuais perante as solicitações impostas pelas práticas correntes de engenharia é fortemente influenciada pela estrutura, cimentação e características herdadas da rocha matriz, e a magnitude destas influências depende do grau de intemperismo. O termo estrutura é utilizado para designar os efeitos combinados de fábrica, composição e forças interpartículas (Mitchell, 1976). Quando o solo intacto é inundado ou remoldado, as ligações interpartículas podem não ser totalmente quebradas, e neste caso uma parcela de coesão verdadeira continua existindo. No caso de inundação, reduz-se também o efeito da sucção. Cruz (1996) explica que a cimentação é um fato comprovado em solos lateríticos e mesmo em saprolíticos, sendo alguns cimentos presentes mais ou menos solúveis em água. Futai (2002) encontrou valores de coesão verdadeira da ordem de 9,5 kpa para um solo laterítico intacto na condição saturada. Como fontes principais de coesão verdadeira podem-se citar as ligações interpartículas de natureza química (agentes cimentantes tais como carbonatos, sílica, alumínio, óxidos de ferro, compostos orgânicos) e de natureza eletrostática e eletromagnética (forças de Van Der Waals), enquanto que a coesão aparente decorre da sucção (Mitchell, 1976). As propriedades mecânicas dos solos residuais são também influenciadas pela composição mineralógica, que varia em função do intemperismo. Sandroni (1977) mostrou a influência da mineralogia da fração areia na resistência ao cisalhamento de solos residuais de gnaisse, tendo constatado que a resistência aumenta com o aumento do teor de feldspato e diminuição do teor de mica. Wesley (1990) estudou solos residuais da Indonésia cujos comportamentos refletiram de forma mais dominante a