Análise de Variação de Volume e da Resistência de Ponta Devido à Inundação de um Solo Colapsível de Petrolina-PE

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1 Análise de Variação de Volume e da Resistência de Ponta Devido à Inundação de um Solo Colapsível de Petrolina-PE Moacy Silva Torres Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil, moacyatc@hotmail.com Marta Lúcia de Almeida Almendra Freitas Universidade Federal de Pernambuco e Universidade Católica de Pernambuco, Recife, Brasil, marta.rolim@uol.com.br Renata Freire Sellaro Universidade Católica de Pernambuco, Recife, Brasil, renatafsellaro@gmail.com Michele Maria Costa de Araujo Silva Universidade Católica de Pernambuco, Recife, Brasil, michelemcas@gmail.com Sergio Carvalho de Paiva Universidade Federal de Pernambuco e Católica de Pernambuco, Recife, Brasil, spaiva@unicp.br Silvio Romero de Melo Ferreira, Universidade Federal de Pernambuco e Universidade Católica de Pernambuco e Universidade de Pernambuco, sr.mf@hotmail.com RESUMO: A interiorização e o desenvolvimento do estado de Pernambuco tem levado a construção de barragens, indústrias, canais de irrigação, conjuntos habitacionais, em vários municípios e regiões. No sertão do Estado as condições geomorfológicas, geológicas, pedológicas e climatológicas favorecem a formação de solos potencialmente colapsíveis. Há ocorrência de solos colapsíveis nos municípios de Petrolina, Petrolândia, Santa Maria da Boa Vista, Gravatá, Carnaíba e no Recife. O Sistema de Informações Geográficas dos Solos Expansivos e Colapsíveis do Estado de Pernambuco (SIGSEC - PE), mostram uma suscetibilidade ao colapso alta em 13,0% da área do Estado, média em 49,8% e baixa em 33,6% Amorim (2004). O trabalho analisa a variação de volume e de resistência de ponta de um solo colapsível de Petrolina devido à inundação. O programa de investigação geotécnica desenvolvido em campo abrange: sondagens de reconhecimento com determinação do NSPT; coleta amostras indeformadas (tipo bloco) e deformadas; ensaios com penetrômetros dinâmico DPL (Dynamic Petermeter Light) e estático (cone) e de colapsibilidade com o Expansocolapsômetro (terceira versão) no solo natural e inundado. Em laboratório, foram realizados ensaios para a caracterização física (distribuição dos grãos, consistência e compactação) e de colapsibilidade do solo devido à inundação, por meio de ensaios edométricos simples e duplos. Os potenciais de colapso crescem com o acréscimo da tensão vertical de consolidação, apresentando comportamento de pico, o colapso em campo devido à inundação é menor do que o obtido em laboratório e o tempo para ocorrer o processo de colapso é maior em campo. Os penetrômetros DPL e Estático é uma técnica de investigação promissora para avaliar a perda de resistência do solo colapsível devido a inundação em solos colapsíveis superficiais. PALAVRAS-CHAVE: Solo Colapsível, Penetrômetro e Petrolina. 1 INTRODUÇÃO Petrolina é um dos principais centros socioeconômicos do sertão do Estado de Pernambuco, está situada à margem esquerda do rio São Francisco e dista da capital do Estado, em linha reta, 722 km, no rumo W.SW, estando a uma altitude de 377 metros. O clima semiárido quente (BShw') na classificação Thornthwaite. As temperaturas são muito

2 uniformes durante todo o ano, acima de 18 C, com média diária de C. A precipitação média anual está entre 400 e 600 mm, concentrada no período de dezembro a abril e a evapotranspiração potencial em torno de 5-6 mm por dia. A vegetação é conhecida como "Caatinga" sendo representada pela família das Cactáceas, das Malváceas e das Euforbiáceas Em Petrolina já foram identificados solos colapsíveis na construção de obras que abrangem grandes áreas de ocupação. No Conjunto Habitacional Massangana (CHM) foram construídas casas nas quais cerca de 50% apresentaram problemas de fissuras e trincas com as primeiras chuvas, ARAGÃO e MELO (1982). Na construção do Canal Pontal Azul (CPA) com cerca de 35 Km de extensão e na construção do Conjunto Habitacional Privê Village (CHPV), FERREIRA et al (2002). Silva (2003) elaborou cartas de zoneamento do município de Petrolina considerando os levantamentos climatológicos, pedológicos e geológicos indicando área do município com três níveis de suscetibilidade ao colapso: alto (6%), médio (44%) e baixo (50%), Figura 1. Em 2012, foram entregues mais de unidades habitacionais a população do município, estão em construção e já foram contratadas. A meta governamental Federal é chegar até o fim de 2014 a 10 mil casas do programa Minha Casa, Minha Vida. Petrolina se consolida hoje como a cidade que tem o maior programa habitacional do Norte/Nordeste. O presente trabalho visa avaliar a variação de volume e a resistência de ponta devido à inundação de um solo colapsível do município de Petrolina-PE aonde será construído um grande conjunto habitacional. PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO O programa de investigação geotécnica desenvolvido em campo consta de: sondagens de reconhecimento com determinação do N SPT ; coleta de amostras indeformadas (tipo bloco) e deformadas; ensaios para avaliar a resistência de ponta com penetrômetros de impacto DPL (Dynamic Petermeter Light) e estático (cone) em solo natural e inundado e a colapsibilidade foi avaliada com o equipamento Expansocolapsômetro (3 a versão), Figura 2. A resistência de ponta foi avaliada até a profundidade em que o comprimento da haste e a resistência do solo não atingissem a carga de flambagem do equipamento. Em laboratório, foram realizados ensaios para a caracterização física (distribuição dos grãos, consistência e compactação) e mecânica. A colapsibilidade foi avaliada por meio de ensaios edométricos simples e duplos. Figura 1. Cartas de zoneamento de solos colapíveis de Petrolina, SILVA (2003) Foram realizados 12 furos sondagens de simples reconhecimento seguindo as normas e os dados foram fornecidos pela empresa construtora do conjunto habitacional. A resistência à penetração foi avaliada com o penetrômetro estático (PE) utilizando um cone com área de 633,00 mm 2, Figura 2a. O valor do deslocamento medido no anel (y em mm) foi transformado em força (kgf) pela equação de calibração do aparelho (0,505 kgf/divisão) que corresponde a uma resistência de ponta Pq = 0,00782y (MPa). No solo, na umidade natural, foram realizados em 7 pontos e no solo inundado previamente 5 ensaios, afastados de 0,30 m um do outro.

3 a) b) c) Figura 2. Investigação de campo: a) Penetrômetro Estático, b) Penetrômetro de Impacto, c) Expansocolapsômetro (3ª versão) A resistência de ponta também foi avaliada por meio do penetrômetro de impacto de solo modelo IAA / PLANALSUCAR Stolf, operado com ponta fina com área = 1,29 cm², Figura 2b. As determinações no solo inundado foram realizadas a cada 0,30 m de profundidade e após 30 minutos de prévia inundação. A transformação dos valores da penetração da haste do aparelho no solo (cm/impacto) em resistência à penetração foi obtida pela fórmula dos holandeses, segundo Stolf (1991), Equação 1. O valor obtido no relógio de leitura foi transformado em kgf pela equação de calibração do aparelho, Equações 2, 3 e 4. (1) Onde: RP = Pq - resistência à penetração, kgf cm-2; M - massa do êmbolo (3,992 kg); Mg - corresponde a massa do aparelho sem êmbolo (2,444 kg para profundidades até 0,70 m, 2,754 kg para profundidades até 1,20 m e 3,295 Kg para profundidades até 1,70 m h - altura de queda do êmbolo (40 cm), x - penetração da haste do aparelho (cm impacto-1); A - área do cone 1,29 cm2 e g é a aceleração da gravidade. Resistência à penetração (kgf cm-2) Pq = 4,9891x + 76,7777 Pq = 5,2296x + 73,2496 Pq = 5,6488x + 67,8114 Profundidade (m) < 0,70 Entre 0,70 e 1,20 Entre 1,20 a 1,70 (2) (3) (4) A avaliação do colapso devido à inundação em campo foi realizada com a 3ª versão do Expansocolapsômetro, Figura 2c, Ferreira e Lacerda (1993). O diâmetro e a espessura da placa são 0,07 m e 0,01 m, respectivamente. O sistema de aplicação de carga é composto dos pesos, viga de reação e colunas de estrutura metálica que fazem parte do sistema de mobilidade do próprio equipamento (3a versão) e de um macaco que transfere a carga para a base da placa. Inicialmente, a área a ser ensaiada era limpa e nivelada para então abrir-se o furo e ser removido o material, por meio de espátula ou trado, até a profundidade desejada 0,50 m. A base do furo era limpa e nivelada com uma plainadeira. A placa e demais peças componentes do equipamento eram colocadas com hastes adequadas a fim de se atingir a profundidade do ensaio, eram também verificada a verticalidade destas hastes e o nivelamento da estrutura de transferência de carga por meio de nível. A carga aplicada foi medida por meio de anel dinamométrico com capacidade de 100 kgf. O solo em sua condição natural era carregado por estágio até a tensão de inundação (10 kpa, 20 kpa, 40 kpa, 80 kpa e 160 kpa). O tempo de duração de cada estágio era tal que a diferença entre duas leituras de deformação consecutivas fosse inferior a 5% da deformação total ocorrida até aquele momento, com intervalos entre duas leituras consecutivas de t/t =1. Quando os deslocamentos estabilizavam, inundava-se o solo com água a uma vazão de inundação de 1,0 ml/s, e então eram medidos os deslocamentos, causados pela variação de umidade no solo, até a sua estabilização e mantida a tensão por meio da alavanca do sistema de transmissão de tensão. Após o término dos ensaios determinavam-se as umidades dos solos abaixo a cada 0,05m Os ensaios de caracterização Física foram realizados de acordo com a metodologia da Associação Brasileira de Normas Técnicas. No

4 início dos ensaios edométricos simples, era aplicada uma tensão de 1,25 kpa para que ocorresse o processo de assentamento do sistema e a leitura inicial para o processo de deformação. As tensões aplicadas nos ensaios eram acrescidas de / = 1, iniciando com 10 kpa e finalizando com 1280 kpa. O tempo de duração de cada estágio de tensão era tal que a deformação entre dois intervalos de tempo consecutivos ( t/t = 1) fosse inferior a 5 % da deformação total do solo ocorrida até o tempo anterior. Na fase de inundação, a entrada do permeante na célula era controlada por meio de uma bureta graduada de 0,1 ml, com uma torneira regulável de vidro em sua extremidade. O permeante utilizado nos ensaios foi a água destilada e a vazão de inundação foi de 0,25 ml/s. As tensões verticais de inundação foram de 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640 e 1280 kpa. Os deslocamentos devido a inundação eram medidos nos tempos de 0; 0,10; 0,25; 1,00; 2,00; 4,00; 8,00; 15,00; 30,00; 60,00; 120,00; 480,00 e 1440 minutos. Nos ensaios edométricos duplos, um corpo de prova foi carregado na umidade natural e o outro foi inundado previamente na tensão de 1,25 kpa, com vazão de 0,25 ml/s, antes de ser carregado. O procedimento geral destes ensaios foi o mesmo dos ensaios edométricos simples. As tensões aplicadas nos ensaios foram acrescidas da mesma maneira que as tensões nos ensaios edométricos simples ( / = 1), sendo o valor inicial de 10 kpa e o final de 1280 kpa. No descarregamento, as tensões por estágio foram 640; 160; 40 e 10 kpa. Cada estágio durou um tempo de 24 horas, tanto para o carregamento como o descarregamento. RESULTADOS E ANÁLISE DA INVESTIGAÇÃO DE CAMPO O perfil do solo de Petrolina até 9 metros de profundidade é constituído de duas camadas, uma areia fina siltosa de pouco a medianamente compacta seguida de uma areia fina e média de medianamente compacta a compacta, Figura 3a. Considerando os valores médios o índice de resistência à penetração (golpes/0,3 m) cresce com a profundidade (N SPT = 1,5Z + 3,6 com r 2 = 0,91 e Z em m), Figura 3b. A 9,5 m o impenetrável a percussão é atingido e o solo é pedregulho com argila siltosa. Os valores da resistência de ponta (Pq) no solo determinados com o penetrômetro estático até a profundidade de 1,40 m na umidade natural e inundado são mostrados na Figura 4. A resistência de ponta no solo na umidade natural cresce linearmente com a profundidade até 0,20 m e para profundidades superiores varia de 1,0 a 1,5 Mpa, Figura 4a. No solo inundado previamente a resistência de ponta variou de 0,30 a 1,50 Mpa, sem evidências de crescer com a profundidade, Figura 4b. A razão entre a resistência de ponta do solo na umidade natural e inundado (Kw = Pq/Pqw) é variável com a profundidade, com valores próximos a 1 na superfície do terreno e chegando a 3,5 na profundidade de 1,40 m, Figura 4c. Considerando os valores médios a relação (Kw = Pq/Pqw) variou de 1,2 a 1,8 com a profundidade. Os valores de Kw aqui encontrados para o solo colapsível de Petrolina são muito próximos aos valores obtidos por Reznik (1989) utilizando resultados de ensaio de cone (CPT) e para tensões inferiores as obtidas no presente trabalho. Os valores da resistência de ponta (Pq) determinados com o penetrômetros de Impacto - DPL até a profundidade de 1,40 m, no solo na umidade natural e inundado são mostrados na Figura 5. A resistência de ponta no solo na umidade natural cresce com a profundidade e no solo inundado varia de 1 a 2 MPa até 1,0 m de profundidade e de 1,2 a 3,5 MPa até a profundidade de 1,40 m. Os valores da razão entre a resistência de ponta do solo na umidade natural e inundado (Kw = Pq/Pqw) cresce com a profundidade, Kw (Mpa) = 6 Z (m), Figura 5.

5 Figura 3. Perfil do solo Figura 4. Resistência de Ponta obtida com Penetrômetro Estático: a) Solo natural, b) Solo inundado e c) Relação entre a Resistência de ponta no solo natural e inundado Figura 5. Resistência de Ponta (DPL): a) Solo natural, b) Solo inundado e c) Relação entre a Resistência de Ponta Pq/Pw

6 Os valores do Índice de Resistência a Penetração (Nspt) obtidos no solo até a profundidade em que foram coletadas as informações da resistência de ponta através dos penetrômetros estático (PE) e de impacto (DPL) foram utilizados para calcular os valores da resistência de ponta de uma estaca metálica pelo método de Velloso-Aoki (1978) e Decourt Quaresma (1978), considerando o solo como areia. Os valores assim calculados são comparados com os obtidos com os penetrômetros, Tabela 1. É importante destacar que quando se utiliza a equação dos holandeses para se avaliar a resistência de ponta por fórmulas dinâmicas, o fator de segurança recomendado é de 10 (MAIA et al, 1997) e método pelos métodos de Velloso-Aoki (1975) e Decourt Quaresma (1978) é 2. As razões médias entre as resistências de pontas obtidas com o penetrômetro estático e com as obtidas com o penetrômetro de impacto (DPL) e com as calculadas pelos métodos Velloso-Aoki (1978) e Decourt Quaresma (1978) são respectivamente: 2,04; 1,18; e 1,02. Verifica-se que os penetrômetros estático e dinâmico (DPL) utilizados como métodos de investigação semidireto são ferramentas importantes para investigar os solos arenosos em superfície e apresentando resultados consistentes da resistência de ponta admissível. Tabela 1. Valores mínimos, médios e máximos do Índice de Resistência a Penetração (N SPT ), da resistência de ponta obtido com os penetrômetros e os obtidos pelos métodos de Velloso-Aoki (1975) e Decourt Quaresma (1978) Nspt e Pq Prof. (m) Valor Mínimo Valores Médios Valor Máximo N SPT 0, (Golpes/0,3m) 1,30 4 6,5 8 Pq - PE MPa 0,50 0,70 1,05 1,50 1,30 1,30 1,40 1,50 Pq DPL MPa 0,50 0,30 0,35 0,40 1,30 1,00 1,35 1,85 Pq Velloso-Aoki 0,50 0,73 1,10 1,28 (1978) MPa 1,30 0,73 1,19 1,46 Pq MPa Decourt Quaresma 1978) MPa 0,50 0,80 1,25 1,50 1,30 0,93 1,33 1,57 As curvas das deformações de colapso com o logaritmo do tempo, determinadas em campo através do equipamento Expansocolapsômetro são apresentadas na Figura 6. Em campo o colapso ocorre rapidamente e estabiliza a 4 minutos do início do processo e os valores dos potenciais de colapso crescem com tensão aplicada. Figura 6. Avaliação da colapsibilidade em campo utilizando o equipamento Expansocolapsômetro RESULTADOS E ANÁLISE DA INVESTIGAÇÃO DE LABORATÓRIO O solo é essencialmente arenoso com mais de 90% de areia, com fração argilosa < 5% e praticamente sem silte (no máximo 2%). O solo é mau graduado (Cu < 5%). O valor do peso específico dos grãos (G s = 26,32 kn/m 3 ). É não líquido e não plástico e se enquadrando no grupo SM, Areia Siltosa, na classificação do SUCS. O peso específico natural do solo varia de 14,97 a 15,10 kn/m 3, a umidade natural é de 0,81% e grau de saturação 2,86%. O valor do peso específico aparente seco máximo é de 18,50 kn/m 3 e umidade ótima de 7,30%. Os resultados dos ensaios edométricos simples e duplos e os valores dos potenciais de colapso para as tensões verticais de inundação de 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640 e 1280, são apresentadas Figura 7. Os valores dos potenciais de colapso crescem atingindo um valor máximo de 3,57% na tensão de 160 kpa e depois decresce. Sendo esta, a tensão crítica para o colapso máximo, comportamento semelhante foi encontrado por Alonso at al (1990) e Ferreira (1995). Os valores dos potenciais de colapso

7 (CP) são inferiores aos encontrados por Silva (2003) no solo colapsível onde foi edificado o Conjunto Privê Village (SILVA, 2003) e o Canal Pontal Azul (FUCALE, 2000), em Petrolina. O solo é classificado como verdadeiramente colapsível pelo critério de Reginatto e Ferrero (1970). Os valores das deformações volumétricas específicas obtidas, em laboratório, através dos ensaios edométricos simples (Figura 8a) são superiores aos obtidos em campo com o Expansocolapsômetro (Figura 8b). Mesmo comportamento foi verificado em relação aos valores dos potenciais de colapso (Figura 8c). Figura 7. Resultados dos ensaios edométricos simples e duplo Figura 8. Curvas de deformação volumétrica específica e do potencial de colapso com a tensão vertical aplicada obtidas através de ensaios de laboratório e de campo O processo de variação de volume devido à inundação em laboratório (Figura 9a) é mais rápido do que em campo (Figura 9b). Em laboratório cerca de 98% do processo ocorre a um minuto do início da inundação e em campo a quatro minutos. Comportamento similar foi encontrado por Ferreira e Lacerda (1993), Ferreira (1995) e Fucale (2000). A diferença é atribuída ao caminho de água percolação ser menor na amostra de laboratório do que no campo. CONCLUSÕES O solo de Petrolina é verdadeiramente colapsível pelo critério de Reginatto e Ferrero (1973) e os valores dos potenciais de colapso crescem com a tensão até 160 kpa e decresce para valores superiores apresentando comportamento de pico. O colapso obtido em campo com o Expansocolapsômetro é inferior ao obtido em laboratório e o colapso ocorre mais rapidamente em laboratório do que em campo. Os penetrômetros DPL e Estático são uma técnica de investigação promissora para avaliar a perda de resistência do solo colapsível devido à inundação.

8 Figura 9. Curvas de deformações de colapso com o logaritmo do tempo a) Laboratório, b) Campo AGRADECIMENTO Ao CNPq pelo suporte a realização da pesquisa. REFERÊNCIAS Amorim, S. A. (2004) Contribuição à cartografia geotécnica: sistema de informações geográfica dos solos colapsíveis e expansivos do estado de Pernambuco. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil)-Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 204p. Aoki, N.; Velloso, D. A. (1975) An Approximate Method to Estimate the Bearing Capacity of Piles. In: Pan American Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering, 5 th. Buenos Aires. Proceedings. ISSMGE,. v.1, p Alonso, E. E.; Gens, A. e Hight, D. W. (1987) Special Problems Soils. Proceedings of the 9 th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Dublin, General Report, Session 5, p Aragão, C. J. G. e Melo, A. C. (1982) Fundações Rasas em Solos Colapsíveis no Semi-árido em Pernambuco. VII COBRAMSEF, Olinda-PE, Vol.2, p EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, (1997).. Manual de Métodos de Análise de Solo. 2.ed. Rio de Janeiro, Centro Nacional de Pesquisa de Solos. 212p. Ferreira, S. R. M. e Lacerda, W. A. (1993). Variação de Volume em Solo Colapsível Medidas através de Ensaios de Campo e de Laboratório. Revista Solos e Rochas, Vol.16, Nº 4, p Ferreira, S. R. M. (1995) Colapso e Expansão de Solos Naturais Não Saturados Devidos à Inundação. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro-RJ, 379p, Ferreira, S. R. M., Fucale, S. P., Silva, M. J. R. e AMORIM, S. F (2002) Análise de Variação de Volume Devido À Inundação de Alguns Solos Colapsíveis do Município de Petrolina PE. X CGGE, Ouro Preto, MG, CD ROM. Fucale, S. P. (2000) Comportamento de Variação de Volume Devido à Inundação em Alguns Solos Colapsíveis do Estado de Pernambuco. Tese de Mestrado, UFPE, Recife PE. Maia, C. M. M., Falco, ni, F. F., Fígaro, N. D, Souza Filho, J. M., Antunes, W. R., Tarozzo, H., Saes, J. L., Alonso, U. R., Golomberk, S. (1998) Execucão de Fundações profundas, p In: Fundações Teoria e Prática. Hachichi, W. Falconi, F. F., Saes. J. L., Frota, R. G. O., Carvallho, C. S., Niyama, S. 2ed. São Paulo; Pini, Reginatto, A. R., e Ferrero, J. C. (1973) Colapse Potencial of Soils and Soil- Water Chemistry. Proc. of the 8 th ICSMFE., Moscow, v.2.2, p Reznik, Y. M. (1989), Discurssion of Detemination of Collapse Potencila of Soils. Geot. Test J., ASCE, V 12, n o 3, pp Silva, M. J. R. (2002) Comportamento Geomecânico de Solos Colapsíveis e Expansivos em Petrolina e Cartas de Suscetibilidade. Tese de Mestrado em fase de conclusão - UFPE, Stolf, R (1991). Teoria e Teste Experimental de Fórmulas de Transformação dos Dados de Penetrômetro de Impacto em Resistência do Solo. Rev. Bras. Cienc. Solo 15: