Avaliação da Qualidade de Corpos de Prova de Solos Muito Moles da Barra da Tijuca, Rio de Janeiro.

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1 Avaliação da Qualidade de Corpos de Prova de Solos Muito Moles da Barra da Tijuca, Rio de Janeiro. Christiano F. Teixeira PUC-Rio (Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro), Rio de Janeiro, Brasil, Alberto S. F. J. Sayão PUC-Rio (Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro), Rio de Janeiro, Brasil, Sandro S. Sandroni PUC-Rio (Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro) e Geoprojetos Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, sandro@geoprojetos.com.br RESUMO: A determinação em laboratório das características geotécnicas de solos argilosos depende da disponibilidade de corpos de prova de boa qualidade. No caso particular dos solos muito moles, nem sempre é possível a obtenção de corpos de prova com qualidade satisfatória. Os procedimentos de extração e manuseio das amostras no campo e de preparação dos corpos de prova no laboratório têm grande importância para a adequada determinação em laboratório de parâmetros geotécnicos representativos do depósito mole. Este trabalho resume os procedimentos a serem adotados para se avaliar a qualidade dos corpos de prova segundo critérios objetivos, e explicita os impactos causados pelo amolgamento na determinação das características dos solos. Em particular, no caso de obras envolvendo aterros sobre solos muito moles, um dos parâmetros mais relevantes e de maior imprecisão na estimativa é a tensão de pré-adensamento ( p ). O trabalho apresenta resultados de ensaios de adensamento realizados em amostras de solos muito moles da Barra da Tijuca, no Rio de Janeiro. A partir de corpos de prova classificados como de boa qualidade, foi possível obter uma correlação para a determinação do valor de p com base nos resultados de ensaios de piezocone. PALAVRAS-CHAVE: Qualidade de Corpos de Prova, Solos Muito Moles, Ensaios de Laboratório, Tensão de Pré-Adensamento ( p ), Ensaios de Piezocone. 1 INTRODUÇÃO A avaliação do comportamento de solos muito moles sob a ação de carregamentos requer o conhecimento das características de deformação e resistência, ao longo do tempo, destes solos. Geralmente, essas características são obtidas no laboratório a partir dos resultados de ensaios de adensamento e triaxial, que são realizados em corpos de prova moldados de amostras indeformadas. Contudo, nem sempre é possível obter amostras indeformadas nesses solos muito moles, apesar de cuidados especiais fazerem parte dos procedimentos rotineiros de coleta destas amostras no campo. Em uma etapa posterior, no laboratório, os procedimentos de moldagem dos corpos de prova também representam fontes de amolgamento do solo. Ladd e DeGroot (2003) constataram que a interação desenvolvida entre a amostra e a parede do tubo amostrador pode causar um severo amolgamento durante o processo de extração das amostras do tubo amostrador e, a partir desta constatação, fizeram uma série de recomendações para se proceder tal extração no laboratório. Estes procedimentos vêm se tornando rotineiros no Brasil [Campos (2006), Andrade (2009) e Teixeira (2012)]. A importância de se adotar os procedimentos para minimização do amolgamento no laboratório será ressaltada a partir de resultados

2 de ensaios, para os quais foram e não foram adotados tais procedimentos durante a etapa de moldagem dos corpos de prova. Alguns resultados de ensaios de laboratório, considerados de boa qualidade, servirão então de referência para uma correlação empírica entre os resultados da resistência de ponta do piezocone e a tensão de pré-adensamento do solo. 2 SOLOS MUITO MOLES DA BARRA DE TIJUCA Os depósitos de solos muito moles onde foram coletadas as amostras estão localizados entre as porções sul e nordeste da lagoa de Jacarepaguá, na região da Barra da Tijuca (Baixada de Jacarepaguá), Rio de Janeiro - RJ. As localidades dos depósitos estão indicadas (A, B, C e D) na figura 1. Os depósitos são de origem marinho-flúviolagunar. A região é marcada pelas baixas declividades do terreno, que possuem cotas inferiores a 2 m, próximas às do nível do mar. Apresenta superfícies morfologicamente deposicionais, constituídas por sedimentos recentes e predominantemente sub-aquosos; mais especificamente por sedimentos classificados (CPRM 2004) como de mangues (areias finas, siltes, argilas e matéria orgânica). As espessuras dos depósitos variam entre 7 e 17 m, caracterizadas por solos com N spt = 0. As cotas dos topos dos depósitos são coincidentes com as cotas das superfícies dos terrenos, assim como o nível d água. Os solos muito moles da Barra da Tijuca possuem valores típicos de peso específico natural ( nat ) entre 10,1-13,5 kn/m 3, de teor de umidade natural (w nat ) entre %; de índice de vazios (e 0 ) entre 3,5-13,5; de grau de saturação (S) entre %, de perda por ignição (PPI) entre 4,5-13% e de densidade relativa dos grãos (G s ) entre 2,3-2,6. A PPI foi determinada expondo as amostras secas a 105 o C à temperatura de 440 ºC. 3 PROCEDIMENTOS DE COLETA DAS AMOSTRAS E MOLDAGEM DOS CORPOS DE PROVA Um total de 26 amostras foi coletado em porções virgens do terreno, isto é, diretamente da superfície dos depósitos de solos muito moles, ao longo da profundidade de oito furos (dois por localidade). Amostradores do tipo Shelby, com 10 cm (4 ) de diâmetro, de paredes finas e pontas biseladas foram utilizados. Os comprimentos dos amostradores variavam entre 0,6 e 1,1 m. Foram utilizados amostradores constituídos de aço e de latão. Os procedimentos de perfuração preliminar incluíram a utilização de lama bentonítica, que equilibram parcialmente a tensão vertical, prevenindo, em parte, o amolgamento das amostras anteriormente à coleta das mesmas. A amostragem foi realizada com sistema de pistão estacionário. A retirada das amostras foi realizada em poucos minutos, não se tendo observado a perda de recuperação das mesmas. A vedação das extremidades foi realizada imediatamente após a retirada das amostras, prevenindo aparentemente qualquer perda de umidade. A designação das amostras foi definida com base no local, na vertical (mesmo nome do furo de sondagem adjacente ou estação de monitoramento e investigação) e na profundidade em que as mesmas foram coletadas. De cada amostra coletada, foi moldado um corpo de prova no laboratório. Quatorze dos vinte e seis corpos de prova foram moldados adotando-se os procedimentos propostos por Ladd e DeGroot (2003). Estes procedimentos, com algumas adaptações, são descritos a seguir, em 4 etapas. (1) Com o tubo apoiado em um suporte horizontal, cortar a parede do mesmo com o auxílio de uma serra fina. No que se refere à facilidade de corte, qualidade que se traduz no menor risco de amolgamento dos solos, os amostradores de latão são preferidos aos de aço. (2) Deixar um pequeno segmento da parede até que, com o auxílio de uma corda de violão, a amostra de solo seja cortada.

3 Figura 1. Localização das áreas onde foram coletadas as amostras Barra da Tijuca (RJ). (3) Depois de cortar o restante do tubo, levar a seção cilíndrica contendo parte da amostra a ser ensaiada (sub-amostra) para uma mesa, onde, com o auxílio de uma corda de violão, se realiza a separação entre tubo e amostra. Diversos giros devem ser dados com a corda de violão ao longo da interface entre o solo e a parede interna do tubo amostrador. (4) Extrair a amostra do tubo amostrador utilizando um suporte de diâmetro pouco inferior ao do tubo. A altura da sub-amostra deve ser determinada pela soma da altura do corpo de prova a ser moldado e de duas sobras, que são deixadas nas partes inferior e superior do mesmo. Ressalta-se que as alturas das sobras devem ser tanto maiores quanto maiores forem as incertezas com relação ao tipo de solo, decorrentes da variabilidade do depósito, ou da presença de intrusões, tais como: conchas, veios de areia ou raízes. O restante (doze) dos corpos de prova foi moldado sem a adoção destes procedimentos. Neste caso, a amostra era extraída integralmente do tubo amostrador, adotando-se um suporte de diâmetro pouco inferior ao do tubo (como na etapa 4). 4 RESULTADOS DOS ENSAIOS E AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DOS CORPOS DE PROVA Os ensaios incrementais de adensamento unidimensional foram realizados em corpos de prova com diâmetro de 7,0 cm e altura de 2,0 cm, nos laboratórios da COPPE/UFRJ e da PUC-Rio. Nas figuras 2 e 3, são mostradas respectivamente as curvas de compressão dos ensaios para os quais não se adotou e se adotou os procedimentos de minimização do amolgamento. Lunne et al (1997) propuseram critérios de avaliação da qualidade de corpos de prova em ensaios de adensamento em função dos valores de e/e 0, onde e 0 é o índice de vazios inicial e e é a variação do índice de vazios entre o início do ensaio e o ponto em que a tensão vertical aplicada ao corpo de prova se iguala à tensão vertical de campo ( v0 ). Lunne et al (1997) sugeriram quatro classes de qualidade dos corpos de prova, como mostra a tabela 1. A variabilidade do índice de vazios inicial é marcante, contudo ela não deve ser associada aos efeitos da ocorrência de amolgamento. Na realidade, ela reflete a variabilidade dos solos

4 dos depósitos. Figura 2. Curvas de compressão dos ensaios realizados sem a utilização dos procedimentos de Ladd e DeGroot (2003) Localidades A e B. Figura 3. Curvas de compressão dos ensaios realizados com a utilização dos procedimentos de Ladd e DeGroot (2003) Localidades C e D. Tabela 1. Critério para avaliação da qualidade de corpos de prova (adaptado de Lunne et al, 1997). OCR e/e 0 MB B R MR 1-2 < 0,04 0,04-0,07 0,07-0,14 > 0, < 0,03 0,03-0,05 0,05-0,10 > 0,10 * MB (Muito bom), B (Bom), R (Ruim) e MR (Muito Ruim). Na tabela 2, está apresentada a classificação da qualidade dos corpos de prova ensaiados. Verifica-se que onze de quatorze (cerca de 80%) corpos de prova são classificados como de qualidade superior (MB = muito bom) quando se adotou (localidades C e D) os procedimentos de minimização do amolgamento (Ladd e DeGroot, 2003). Por outro lado, quando estes procedimentos não foram adotados (localidade A e B), apenas cinco de doze (cerca de 40 %) corpos de prova são classificados como muito bons. No desenvolvimento do critério da tabela 1, Lunne et al (1997) levaram em consideração ensaios de adensamento realizados para a condição de fim do primário. Ao contrário disto, os resultados apresentados se referem a ensaios incrementais, com recarregamento diário, nos quais a ocorrência da compressão secundária é significativa. Teixeira (2012) mostrou que a razão entre os índices de compressão secundária e primária (C /C c ) dos solos da Barra da Tijuca pode ter valores da ordem de 0,1. Foi verificado também que, principalmente para níveis de tensões próximos à tensão de pré-adensamento dos solos, a influência da compressão secundária se torna mais relevante. Por esta razão, quando foram obtidos valores de e/e 0 próximos ao limite entre classes, a qualidade do corpo de prova foi classificada como sendo do nível superior, ou seja, de melhor qualidade. Na tabela 2, podem ser observados valores de OCR inferiores a 1, que podem ser associados ao efeito do amolgamento dos solos que provoca uma redução dos valores de p. É interessante notar que, para estes casos, os corpos de prova foram classificados como ruins ou muito ruins. Para os locais A e C, a tensão efetiva de campo (tabela 2) foi determinada com base no peso especifico natural do solo, obtido durante a moldagem dos corpos de prova. Para os locais B e D, adotaram-se correlações entre umidade natural do solo, densidade dos grãos, índice de vazios e peso especifico natural do solo, conforme apresentadas por Sandroni (2001). Alguns dos ensaios são os mesmos do trabalho de Sandroni (2006). Havendo diferença devem prevalecer os valores da tabela 2 deste trabalho, considerados como re-interpretação mais adequada dos resultados dos ensaios e das características dos solos. 5 ESTIMATIVAS DE p A PARTIR DE ENSAIOS DE PIEZOCONE Além do amolgamento de corpos de prova, os métodos de interpretação e as técnicas de ensaios são os fatores que contribuem mais significativamente para as incertezas da determinação da tensão de pré-adensamento ( p ).

5 Tabela 2 Classificação dos Corpos de Prova. Amostra** Prof. (m)*** e 0 (kn/m 3 ) ' v0 e/e Classe**** ' p ***** OCR Ensaios realizados sem a utilização dos procedimentos de Ladd e DeGroot (2003) A_205 2,35 11,75 10,4 1,4 0,030 MB* A A A_205 4,35 7,17 11,3 3,5 0,061 R 8,1 2,31 A_205 8,35 5,78 11,9 10,8 0,212 MR 4,6 0,43 A_205 12,35 3,87 12,8 20,0 0,053 B 25,5 1,28 A_207 2,35 13,2 10,1 0,7 0,012 MB 6,2 8,86 A_207 4,90 5,58 12,4 4,4 0,074 B 6,5 1,48 A_207 7,35 6,98 11,8 10,0 0,036 MB 29 2,90 B_E1 1,80 7,16 11,26 2,62 0,036 MB 5,0 1,91 B_E1 4,00 5,85 11,72 6,32 0,060 B 8,0 1,27 B_E1 5,95 4,11 12,67 8,56 0,095 R 9,3 1,09 B_E2 2,95 5,89 11,71 5,61 0,024 MB 10,6 1,89 B_E2 5,20 3,20 13,45 11,90 0,038 B 29,1 2,45 Ensaios realizados com a utilização dos procedimentos de Ladd e DeGroot (2003) C_703 2,30 6,73 11,80 4,6 0,041 MB* 6,1 1,3 C_703 4,90 4,22 11,70 7,1 0,022 MB 29 4,1 C_703 7,90 3,55 13,20 17,5 0,027 MB 52 3,0 C_703 9,90 6,15 11,60 22,7 0,041 MB* 44 1,9 C_705 3,00 7,1 11,50 5,0 0,037 MB 6,2 1,2 C_705 9,00 3,72 13,00 28,1 0,170 MR 24 0,9 C_705 11,00 4,18 12,40 34,0 0,040 MB 53 1,6 C_705 13,00 4,08 12,70 39,5 0,280 MR 11,4 0,3 C_705 15,00 3,6 12,90 45,5 0,036 MB 58 1,3 D_101 3,10 6,63 11,43 5,0 0,030 MB 13,5 2,7 D_101 5,10 7,40 11,19 8,0 0,097 R 7,4 0,9 D_101 7,10 6,46 11,49 11,1 0,031 MB* 27,4 2,5 D_163 5,10 5,92 11,69 9,6 0,039 MB 11,8 1,2 D_163 8,10 4,92 12,16 16,0 0,038 MB* 33,5 2,1 A = não foi possível determinar. * Corpos de prova considerados de melhor qualidade por estarem no limite entre faixas de classificação. ** Nomenclatura: Localidade da Obra_furo. *** Profundidade média das amostras. **** MB (Muito bom), B (Bom), R (Ruim) e MR (Muito Ruim). ***** ' p = tensão de pré-adensamento obtida com o método Pacheco Silva (1970). As dificuldades inerentes à determinação de p de um depósito de solos muito moles justificam a tentativa de se buscar soluções expeditas para o problema. Robertson (2009) sugere a expressão empírica mostrada na equação 1, que foi proposta por Kulhawy e Mayne (1990), como sendo a forma mais simples para determinação do p a partir de ensaios de piezocone (CPTu). ' p k q t v0 (1) Onde: q t é resistência de ponta corrigida, vo é a tensão vertical de campo, k é o fator de correlação empírico e (q t - v0 ) é a resistência liquida de ponta do cone. Ensaios de piezocone foram realizados em estações de monitoramento e investigação, cujos limites da área circular (aproximadamente 7 m 2 ) englobavam também as verticais em que foram coletadas as amostras indeformadas. Os valores de p (tabela 2), obtidos nos ensaios realizados em corpos de prova classificados como excelentes a muito bons, das localidades C e D, foram levados em consideração para ajuste da equação 1 ao comportamento dos solos da Barra da Tijuca durante a penetração do cone. Quanto ao local D, consideraram-se apenas os dados da vertical 163, pois o resultado do CPTu, da vertical 101, foi considerado de baixa qualidade. Vale a pena citar que os ensaios considerados de boa

6 qualidade foram realizados pela empresa Geoforma (local C) e pela COPPE (local D). Na figura 4, mostra-se a equação da reta que melhor ajusta os resultados experimentais. O fator de correlação empírico, k, é igual 0,19. A baixa dispersão dos dados, caracterizada pelo fator de correlação, R 2 = 0,94, indica que os valores de p obtidos no laboratório podem ser razoavelmente bem estimados a partir da resistência de ponta do cone nos solos em foco. Figura 4. Relação entre p (laboratório) e a resistência de ponta do piezocone (campo). 6 CONCLUSÕES Associa-se ao emprego dos procedimentos de moldagem de corpos de prova no laboratório sugeridos Ladd e DeGroot (2003) o aumento significativo (de 40% para 80%) do número de corpos de prova considerados de boa qualidade em uma campanha de ensaios de laboratório. A partir dos resultados de ensaios de laboratório realizados em corpos de prova classificados como excelentes a muito bons, propõe-se a correlação p = 0,2 (q t - v0 ) para se estimar a tensão de pré-adensamento, com base nos resultados de ensaios de piezocone, dos solos muito moles da Barra da Tijuca, Rio de Janeiro. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Eng. Dr. Edgar Odebrecht, da Geoforma, por facilitar a obtenção das amostras indeformadas na obra C. REFERÊNCIAS Andrade, M. E. S. (2009). Contribuição ao estudo das argilas moles da cidade de santos, Rio de Janeiro, Dissertação de Mestrado, COPPE/ UFRJ, 397 p. Campos, A. C. S. L. (2006). Características de compressibilidade de uma argila mole da Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Eng. Civil/Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil, PUC-Rio, 175 p. Ladd, C. C.; DeGroot, D. J. (2003). Recommended practice for soft ground characterization: Arthur Casagrande Lecture, 12 o Congresso Panamericano de Mecânica dos Solos, ISSMFE, USA. Lunne, T.; Berre, T. e Strandvik, S (1997). Sample Disturbance Effects in Soft Low Plastic Norwegian Clay, Recent Developments in Soil and Pavement Mechanics. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Vol. Único, p Kulhawy, F. H. and Mayne, P.H. (1990). Manual on estimating soil properties for foundation design. Electric Power Research Institute (EPRI), Palo Alto, Calif. Report EL Pacheco Silva, F. (1970). Uma nova construção gráfica para a determinação da pressão de pré-adensamento de uma amostra de solo, Cong. Bras. de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações, Rio de Janeiro, ABMS, vol. 3, p Robertson, P. K. (2009). Interpretation of cone penetration tests a unified approach, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 46, p Sandroni, S. S. (2001). Recalques em solos extremamente moles costeiros brasileiros. Encontro Propriedade das Argilas Moles Brasileiras, p Sandroni, S. S. (2006). Obtendo boas estimativas de recalque em solos muito moles: O caso da Barra da Tijuca, Rio de Janeiro. Cong. Bras. de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, ABMS, Curitiba. Teixeira, C. F. (2012). Análise dos Recalques de um Aterro sobre Solos Muito Moles da Barra da Tijuca RJ, Tese de Doutorado, PUC-Rio. - A ser publicada.