ANÁLISE DO EFEITO DA VARIAÇÃO DA ESTRUTURA E SUCÇÃO NA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE SOLOS LATERÍTICOS COMPACTADOS

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1 ANÁLISE DO EFEITO DA VARIAÇÃO DA ESTRUTURA E SUCÇÃO NA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE SOLOS LATERÍTICOS COMPACTADOS Gioconda S. e S. Martínez 1 ; Adriano V. D. Bica 2 ; Wai Ying Yuk Gehling 2 1 Prof. MSc. Universidade Federal de Roraima; 2 Prof. PhD. Universidade Federal do Rio Grande do Sul RESUMO Uma das principais características dos solos lateríticos diz respeito a sua estrutura concrescionária, que interfere no comportamento destes solos. Este artigo analisa a resistência ao cisalhamento em duas condições de estruturas, tendo sido as amostras compactadas no ramo seco e nas condições ótimas. Os solos estudados pertencem a três jazidas de solos lateríticos (ferralíticos) localizadas no estado da Paraíba - região nordeste do Brasil e foram escolhidas em função do potencial que pode oferecer às obras de engenharia geotécnica. O estudo da influência da sucção na resistência ao cisalhamento foi realizado através de ensaios de cisalhamento direto convencional e com controle de sucção. Para o controle da sucção desejada, foram determinadas as curvas características dos solos (SWCC) em trajetória de umedecimento e secagem. O artigo analisa ainda a influência do percentual de óxido de ferro e relação sílica-sesquióxidos nos parâmetros de resistência ao cisalhamento.os resultados obtidos permitiram verificar a influência da sucção no incremento de resistência ao cisalhamento, através de um aumento do intercepto coesivo das envoltórias de resistência, como também o efeito cimentante presentes nestes solos nos parâmetros efetivos de resistência. ABSTRACT One of the main characteristics of lateritic soils is their concretionary structure that interferes their compressibility s behavior. This article analyses the shear strength of lateritic soils compacted at optimum moisture content (OMC) and below OMC, and at maximum dry unit weight. The soils, chosen due to their fitness for geotechnical works, were collected in three sites in Paraiba State (Northeastern Brazil). The influence of suction on these soils shear strength was analyzed carrying out a series of conventional direct shear tests and direct shear tests with suction control. In order to control suction, the soils characteristics curves were determined in wetting and drying paths. An analysis of the influence of iron oxide content and the ration silica/oxides (Kr) on shear strength parameters was also carried out. Test results allowed verifying that suction contributes in increasing soils shear strength, by means of an increase of the cohesive interception, and that soil concretion affects shear strength effective parameters. PALAVRAS-CHAVE Solos lateríticos compactados, sucção, resistência. 1. Introdução Este artigo apresenta os resultados de ensaios de resistência realizados com solos lateríticos provenientes do estado da Paraíba. Buscou-se avaliar o efeito da variação da estrutura e da sucção nos parâmetros de resistência ao cisalhamento. Foram realizados ensaios de cisalhamento direto convencionais (inundados) (ECD) e ensaios de cisalhamento direto com controle de sucção (CDCS) em duas condições de umidade de compactação (ramo seco e nas condições ótimas) e em três condições de sucção imposta (inundado, 1kPa e 3kPa). Os resultados da composição mineralógica dos solos em estudos foram apresentados por Queiroz de Carvalho [1]. 2.Caracterização dos solos e procedimentos de ensaios 2.1.Localização e características geológicas. Os solos em estudo são solos residuais tropicais de diferentes formações geológicas pertencentes a Formação Barreiras e Serra dos Martins, situadas no estado da Paraíba. Os solos foram selecionados considerando-se o potencial de uso em obras de engenharia civil no Estado de Paraíba. As três jazidas estão situadas nos municípios de João Pessoa (JPPB), Areia (ARPB) e Sapé-Mari (SAPB), conforme localização mostrada na Figura 1. Estes solos tem como característica predominante a natureza concrescionária quando da exposição ao ar, devido a presença marcante dos teores de materiais cimentantes (%Al 2 O 3 e %Fe 2 O 3 ). Esta característica de cimentação conduz à formação de agregações entre partículas e entre agregados de partículas levando a um aumento na rigidez dos solos. Os solos apresentam os minerais de quartzo, hematita, goetita sendo a caulinita o argilo mineral existente. Há predominância nas frações grossas de hematita e goetita e o quartzo. (Martínez, [2]).

2 A Tabela 1 apresenta os resultados das frações granulométricas, características de plasticidades (LL,LP, IP), porcentagem de óxido de ferro e alumínio, a relação Kr ( relação sílica e sesquióxido), matéria orgânica (MO) e potencial hidrogeniônico (PH), bem como as condições ótimas de compactação e as características iniciais das amostras ensaiadas. Estes resultados foram obtidos em trabalhos anteriores de Martinez [2] e de Queiroz de Carvalho [1]. Observa-se que o solo JPPB apresenta maior % de Fe 2 O 3 e maior porcentagem de argila. N Brasil PARAÍBA Areia ARPB João Pessoa JPPB Sapé SAPB 8 5km Escala Figura 1. Localização das jazidas de solos estudados no estado da Paraíba Procedimentos de ensaios Os solos utilizados para preparação das amostras foram destorroados e peneirados na peneira n.1 (2mm) para serem compactadas. Todas as amostras do programa foram compactadas estaticamente com 6 mm de diâmetro e 2 mm de altura. As amostras eram compactadas em uma única camada através do equipamento de compactação estática da Wykeham Farrance e verificando que as condições iniciais sejam alcançadas e definidas através do volume e do peso de solo. Os parâmetros ótimos de compactação foram estabelecidos pelo ensaio de compactação dinâmica conforme norma da ABNT MB-33. As amostras foram compactadas nas condições ótimas e nas condições de variações de teor de umidade de - 2% a +4,5% do valor ótimo de umidade (Tabela 2). Tabela 1. Caracterização geotécnica e mineralógica dos solos estudos conforme resultados obtidos por Martínez [2] e Queiroz de Carvalho [1]. Solo ARPB JPPB SAPB (%) pedregulho 15,16 16,49 31,93 (%) areia 53,84 55,51 47,7 (%) silte 18, 8, 8,7 (%) argila 13, 2, 12,3 PH 4,3 4,4 4,35 MO (%) 1,39,9 1,1 LL (%) LP (%) IP (%) %Fe ,88 11,4 %Al 2 O ,2 1,71 %SiO ,96 7,18 Kr 5,36 2,7 2,57 ωot (%) 17,9 2,4 18,9 γ d max 1,685 1,68 1,698 Si (KN/m 2 ) e i,6,61,59

3 Tabela 2.- Condições iniciais das amostras compactadas a serem utilizadas nos ensaios. Solo Ramo Seco Condições ótimas γ d (kn/m 3 ) ω (%) γ d (kn/m 3 ) ω (%) ARPB 14,95 15,9 16,85 17,9 JPPB 15,8 18,4 16,8 2,4 SAPB 16,48 16,92 16,98 18,9 a) Ensaios de cisalhamento direto convencionais Os parâmetros convencionais de foram obtidos através de ensaios de cisalhamento direto compactadas na umidade ótima e no ramo seco, estabelecida no ensaio de compactação dinâmica, em equipamento Wykeham Farrance. Os ensaios foram realizados numa velocidade de,122mm/min, até o deslocamento máximo horizontal de 7mm, sendo definidas as envoltórias sob tensões verticais de 1kPa, 2kPa e 3kPa. b) Ensaio de cisalhamento direto com controle de sucção Os parâmetros de resistência não saturados foram avaliados através de ensaios de cisalhamento direto com controle de sucção, em equipamento construído com base no proposto por Gan e Fredlund [3] a partir da adaptação de um equipamento convencional Wykeham Farrance. A sucção foi imposta às amostras através de pré condicionamento por umedecimento ou por secagem até atingir a umidade correspondente (sucção desejada) com base nas curvas características obtidas através do papel de filtro. Após montagem do ensaio, as amostras permaneciam por um período de 7 dias para equilíbrio de sucção dentro do equipamento de cisalhamento direto. Este período de permanência foi estabelecido nos estudos realizados por Jucá [4]. 3. Apresentação e análise dos resultados A Tabela 3 apresenta os parâmetros de resistência efetivos para os três solos em estudo para diferentes condições de umidade. Com base na Tabela 3 e das Figuras 1, 2 e 3 podem-se observar os seguintes aspectos: O solo JPPB tem os valores do intercepto coesivo aumentados e sofre uma diminuição do ângulo de atrito quando se varia a estrutura inicial da amostra, para o ramo seco; O solo SAPB tem os valores dos parâmetros de resistência aumentados quando as amostras são moldadas no ramo seco da curva de compactação; O solo ARPB tem um acréscimo no ângulo de atrito interno e uma diminuição no intercepto coesivo diminuído quando as amostras são moldadas no ramo seco; Para o solo SAPB, a medida que se incrementa o valor da sucção na amostra, observa-se uma elevação no intercepto coesivo (Figura 3). Este aumento de coesão é mais significativo no intervalo de kpa a 1kPa de sucção e menos significativo no intervalo de 1kPa a 2kPa; A Figura 4 apresenta a envoltória τr x (µa - µw) pelo modelo de Fredlund et al. [5] para o solo SAPB. Observa-se uma variação do intercepto coesivo efetivo a medida que se varia o valor da sucção imposta, o valor de φ b da equação de Fredlund et al. [6] varia de 15,5º caso se faça um ajuste dos três pontos em análise a 33,3º ( kpa a 1kPa) e 7,2º (1kPa a 3kPa). As Figuras 5 (a, b e c) esboçam as curvas de tensão cisalhante x deslocamento horizontal para o solo SAPB. Observase que as mesmas apresentam uma transição de comportamento normalmente adensado, quando se trata de ensaios inundados, a comportamento pré-adensado quando se aumenta o valor da sucção imposta de 1kPa e de 3kPa. Da relação (Fe 2 O 3 +%Al 2 O 3 ) versus resistência cisalhante, temos que o solo JPPB possui maior teor de cimentante e apresentou maior ângulo de atrito na condição inundada para amostra moldada na umidade ótima. Pôr outro lado, o solo ARPB, cuja relação Kr (sílica sesquióxidos) foi a maior (5,36), que resultou menor ângulo de atrito para as mesmas condições. Para o solo JPPB (maior percentual de argila), a medida que se diminui o teor de umidade inicial de moldagem, percebe-se um aumento na parcela coesiva.

4 Tabela 3. Resultados de parâmetros de resistência efetivos dos solos estudados nas condições inundadas. Solo ω ot (%) (ω ot 2% ) (%) (ω ot 3% ) (%) (ω ot +4,5% ) (%) c (kpa) φ ( ) c (kpa) φ ( ) c (kpa) φ ( ) c (kpa) φ ( ) JPPB 5,5 37,8 8,5 34,5 21,9 24,4 - - SAPB, 31,4 3,1 35, ARPB 18,8 23, , 37,4 35 Envoltórias de res is tência s olo ARPB Tensão cisalhante (kpa) Tensão norm al (kpa) inundada w ot-2,% Inundado wot (inundada wot- 2,%) (Inundado Figura 3. Envoltórias de resistência inundada solo ARPB. Envoltórias de resistência inundada solo JPPB Tensão cisalhante (kpa) Wot-2 Inundado Wot-3 inundado Wot inundado (Wot inundado) (Wot-3 inundado) Tensão normal (kpa) Figura 4. Envoltórias de resistência inundada solo JPPB.

5 35 3 Envoltória de R esistência Solo SAP B m oldado na um idade ótim a W o t inundado S = 1kP a S = 3kP a (S = 1 k P a ) (W ot inundado) (S = 3 k P a ) Tensão Norm al (kp a) Figura 5. Envoltórias de resistência do Solo SAPB. Envoltória tr x (ua-uw)(kpa) pelo modelo de Fredlund et al. (1995) para o solo SAPB tr (kpa) (ua-uw)(kpa) Figura 6. Envoltória τr x (µa - µw) pelo modelo de Fredlund et al. (1995) para o solo SAPB. Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal SAPB (Ua-Uw)=1kPa; wot = 18,92% ; γ = 1,7 g/cm³ Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal SAPB (Ua-Uw)=3kPa; wot = 18,92% ; γ = 1,7 g/cm³ Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal SAPB (Ua-Uw)=kPa; wot = 18,92% ; γ = 1,7 g/cm³ ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Desloc Horizontal (mm) Desloc Horizontal (mm) Desloc Horizontal (mm) Tn=5kPa Tn=1kPa Tn=2kPa Tn=2kPa Tn=5kPa Tn=1kPa tn=5kpa tn=1kpa tn=3kpa tn=2kpa (a) (b) (c) Figura 7. Tensão cisalhante (kpa) x deslocamento horizontal (mm) para o solo SAPB na condição de (a) sucção = 1kPa, (b) sucção = 3kPa e (c) sucção nula.

6 Deslocamento horizontal x Deslocamento vertical SAPB (Ua-Uw)=3kPa; wot=18,92% ; γ=16,98kn/m³ Deslocamento horizontal x Deslocamento vertical SAPB (Ua-Uw)=3kPa; wot=18,92% ; γ=16,98kn/m³ Deslocamento horizontal x Deslocamento vertical SAPB (Ua-Uw)=kPa; wot=18,92% ; γ=16,98kn/m³ Deslocamento Vertical (mm) 1,2 1,8,6,4, Deslocamento Horizontal (mm) Tn=5kPa Tn = 1kPa Tn=2kPa Deslocamento Vertical (mm) 1,2 1,8,6,4, Deslocamento Horizontal (mm) Tn=5kPa Tn = 1kPa Tn=2kPa Deslocamento Vertical (mm) 1,2,7,2 -, ,8-1,3-1,8 Deslocamento Horizontal (mm) tn=5 kpa tn=1 kpa tn=2 kpa tn=3 kpa (a) (b) (c) Figura 8. Deslocamento horizontal (mm) x deslocamento vertical (mm) para o solo SAPB a condição de (a) sucção = 3Kpa, (b) sucção = 1kPa e (c) sucção nula. Conclusões A sucção influencia na envoltória de resistência, aumentando o valor do intercepto coesivo e evidenciando uma relação de pré adensamento a medida que se incrementa a sucção. Quanto mais intemperizado o material, ou seja quanto menor a relação sílica-sesquióxidos e maior concentração de materiais cimentantes, maior o ângulo de atrito interno obtido, na condição de ensaio inundado e parâmetros ótimos de compactação. Observou-se um φ b para solo SAPB mais elevado no trecho próximo ao valor de entrada de ar (determinado na curva característica (SWCC). Para intervalos maiores de sucção neste solo, o valor de φ b é inferior. O incremento da parcela coesiva do solo JPPB quando variou-se a estrutura em direção ao ramo seco (na condição inundada), foi ocasionado possivelmente devido ao maior intertravamento entre as partículas, proveniente de uma estrutura mais floculada. Este estudo continua ainda na fase de obtenção de resultados experimentais em várias condições de umidade e sucção imposta. Os futuros resultados serão apresentados em outros trabalhos. REFERÊNCIAS [1]. QUEIROZ DE CARVALHO, J. B., Soil Properties Affecting the Lime Stabilization of Red Tropical Soil from north East Brazil, Tese de Doutorado, Universidade de Leeds, Inglaterra, [2]. MARTÍNEZ, G.S.S. Avaliação do efeito da adição da cal na resistência ao cisalhamento de solos lateríticos estabilizados com cal. Tese MSc. UFPB,1993. [3]. GAN, J.K.M., FREDLUND,D.G., HAJARDJO,H. Determination of the shear parammeters of an unsatuated soil using the direct shear test. Canadian Geotechnical Journal, v.25, p.5-51, [4].JUCÁ, F.T.J., (199). Comportamiento de los suelos parcialmente saturados bajo succion controlada. Tesis doctoral. Universidad Politecnica de Madrid. Madrid. España. [5]. FREDLUND, D. G.; RAHARDJO, H.. Soil mechanics for unsaturated soils. John Wiley & Sons, Inc.. New York