PROPRIEDADES GEOTÉCNICAS DE DOIS SOLOS ARGILOSOS TÍPICOS DE BELÉM-PARÁ

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1 PROPRIEDADES GEOTÉCNICAS DE DOIS SOLOS ARGILOSOS TÍPICOS DE BELÉM-PARÁ João Luiz Castro Sampaio Junior 1. Ana Amélia Buselli 2. Maria Gabriella Bouth Moura 3. Lukas Alexandre Silva De Alcantara 4. Rômullo Alex Machado Silva 5. Flávio Pinheiro Valois 6. RESUMO: Este trabalho apresenta estudos das características geotécnicas de dois solos argilosos típicos, presentes em algumas áreas da cidade de Belém, no estado do Pará. As camadas compostas por estes solos possuem espessuras variadas e se encontram subjacentes a uma camada resistente de areia que recebe grande parte das cargas aplicadas por Edificações, que podem ser transferidas para as camadas inferiores de solos argilosos. Desta forma tornou-se muio importante o estudo detalhado das propriedades geotécnicas desses materiais. Este trabalho apresenta análise dos resultados dos ensaios de caracterização geotécnica, além de ensaios de adensamento, cisalhamento direto e triaxial, visando a obtenção dos parâmetros de compressibilidade e resistência dos mesmos. PALAVRAS-CHAVE: argilas, caracterização, compressibilidade, resistência. ABSTRACT: This work presents studies of the geotechnical characteristics of two typical clayer soils, presents in some areas of the city of Belém, in the state of Pará. The layers of these soils 1 Professor Doutor do curso de Engenharia Civil da Faculdade Ideal. 2 Professora Doutora do curso de Engenharia Civil da Faculdade Ideal. 3 Aluna do curso de Engenharia Civil da Faculdade Ideal. 4 Aluno do curso de Engenharia Civil da Faculdade Ideal. 5 Aluno do curso de Engenharia Civil da Faculdade Ideal. 6 Aluno do curso de Engenharia Civil da Faculdade Ideal. 1

2 possess varied thicknesses and are underlying to a resistant sand layer that receives great part from loads applied for Constructions, that can be transferred to the inferior clayer soils layers. Therefore, the detailed study of the geotechnical properties of these materials became very important. This work presents analysis of the results of the geotechnical characterization, beyond oedometer, shear direct and triaxial tests, aiming to obtain the compressibility and resistance properties of them. Key-words: clays, characterization, compressibility, resistance 1 - INTRODUÇÃO A cidade de Belém, no estado do Pará, situa-se às margens do Rio Guamá e da Baia do Guajará, numa província geológica de cobertura Cenozóica. A estratigrafia de seu subsolo é composta basicamente por sedimentos aluvionares recentes, até uma profundidade de aproximadamente 150m, pertencentes tanto ao período do Quaternário quanto ao do Terciário, depositados sobre rochas carbonáticas do Mioceno Inferior, que não afloram na área da cidade (Sampaio Jr., 1995). Uma grande parte da região metropolitana de Belém esta assente num perfil geológico caracterizado por uma camada superficial de argila orgânica cinza com espessura variada, sobrejacente a uma camada resistente de areia. Abaixo da camada de areia, encontram-se solos argilosos com consistência variando de mole a média, encontrados em profundidades que variam de 7 m a 30 m. Os mesmos merecem um estudo detalhado de suas propriedades, tanto do ponto de vista geológico quanto geotécnico. Sendo de grande importância o estudo de suas resistência e compressibilidade. Com a verticalização das edificações na cidade de Belém, as cargas aplicadas na camada resistente de areia, nas regiões de baixada, têm se tornado muito elevadas. Nessas 2

3 circunstâncias, é de se esperar que, apesar da rigidez desta camada, exista uma transferência de parte do carregamento para as camadas de solos argilosos subjacentes, como mostrado esquematicamente na Figura 1, fato este que fez Sampaio Jr. (1995) levar em consideração a possibilidade de uma deformação excessiva na camada inferior por consolidação ou o fenômeno de subsidência, que é o recalque de grandes áreas. Contudo, devido ao desconhecimento das características geotécnicas dos solos argilosos, o dimensionamento dos projetos tem se baseado em procedimentos puramente empíricos. FUNDAÇÕES ARGILA ORGÂNICA BULBO DE PRESSÕES EQUIVALENTE AREIA SOLOS ARGILOSOS, CONSISTÊNCIA MOLE A MÉDIA Figura 1 - Esquema de distribuição das pressões sobre as camadas subjacentes a um edifício Neste trabalho são apresentados estudos das características geotécnicas dos solos argilosos subjacentes à camada de areia, com os resultados de ensaios de caracterização tais como granulometria, limites de atterberg e densidade dos grãos, além de ensaios de adensamento convencionais e de longa duração, para a obtenção de parâmetros de compressibilidade primária e secundária, e ensaios de cisalhamento direto e triaxiais para obtenção dos parâmetros de resistência dos mesmos. 3

4 2 - ASPECTOS GEOTÉCNICOS DA REGIÃO METROPOLITANA DE BELÉM O perfil pesquisado por Sampaio Jr. (1995) e Sampaio Jr., J.L.C. et al (2000), denominado aqui de perfil 1,é formado por uma camada superficial de argila orgânica de cor cinza com espessura igual ou superior a 6 metros, sobrejacente às camadas de areia medianamente compacta com espessura variando de 1 a 4 metros, e de argila de cores variadas, consistência mole à média com espessura variando de 4 a 8 metros, como mostra a Figura 2. Areia medianamente compacta a compacta Figura 2 Perfil geológico 1 da cidade de Belém Sampaio Jr. et al (2006) apresentaram um perfil presente em algumas áreas da cidade de Belém, apresentado na Figura 3 e denominado de Perfil 2, que é formado por uma camada superficial de argila orgânica mole, de 16 m de espessura, seguida por uma camada de 6 m de areia fina compacta, seguida pela camada de silte argiloso com espessura não inferior a 8 m. Figura 3 Perfil geológico 2 da cidade de Belém 4

5 Alguns trabalhos vêm apresentando propostas de mapeamento geológio/geotécnico da Região Metropolitana de Belém, como Santos Filho (1993), Costa (2001) e Salame (2002) os quais demonstram uma grande diversidade de perfis de solos sedimentares em função das cotas altimétricas da cidade. 3 SOLO ARGILOSO DO PERFIL GEOLÓGICO DESCRIÇÃO DO LOCAL O local escolhido para se coletar as amostras foi a área de construção de um prédio residencial, localizado no Bairro do Jurunas, na Cidade de Belém. As amostras do material estudado neste trabalho, foram obtidas a partir de amostradores de parede fina do tipo shelby, com 4"(10,16 cm) de diâmetro interno, que foram retirados de dois furos de sondagem, realizados no local. 3.2 CLASSIFICAÇÃO DO ESTRATO O estrato de onde foram extraídas as amostras é composto por um sedimento aluvionar, inconsolidado, de granulação fina, com cores variadas, compacto e que possui concreções ferruginosas formadas in situ. Trata-se de uma argila siltosa, com a cor possuindo alguns tons em cinza claro e amarelo, mas predominando a coloração avermelhada, de consistência variando de mole a média segundo o N-SPT, e que possui concreções ferruginosas, sendo que os grandes blocos de concreções encontram-se na superfície do estrato. De acordo com a descrição deste material, pôde-se então classificá-lo segundo Sá (in Farias et al., 1992), como um sedimento aluvionar do Terciário, pertencente ao Grupo Barreiras. 5

6 3.3 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO Os ensaios de caracterização (Tabela 1) realizados nas amostras de argila variegada estudada neste trabalho, consistiram em análise granulométrica, limite de liquidez (LL), limite de plasticidade (LP) e densidade dos grãos (G s ). Tabela 1 - Índices físicos da argila variegada. ENSAIO UNIDADE AMOSTRAS NÚM. 1 NÚM. 2 NÚM. 4 MÉDIA LL (%) 68,3 67,1 67,5 67,63 LP (%) 25,0 24,8 24,9 24,9 G s ,63 2,67 2,65 2,65 Argila (%) Silte (%) ,5 Areia (%) ,5 Com base nos valores da tabela1, notou-se que o material constituinte das amostras número 1, 2 e 4, fazem parte do grupo CH, segundo a classificação unificada dos solos do SI, classificando-o como uma argila inorgânica de alta plasticidade ENSAIOS DE ADENSAMENTO CONVENCIONAL Foram realizados ao todo 4 ensaios de adensamento convencional, representados neste trabalho pela nomenclatura de CONV (CONV1, CONV2, CONV3 e CONV4). Os corpos de prova dos ensaios CONV1, CONV2 e CONV3, retirados do amostrador número 2, encontravamse nas profundidades de 11,34 m, 11,31 m e 11,28 m respectivamente. E o corpo de prova do ensaio CONV4, retirado do amostrador número 4, estava na profundidade de 10,69 m. A Tabela 2 apresenta, para cada ensaio, os valores da profundidade original no campo (z), índices de compressão virgem (Cc) para o material amolgado e para o material indeformado obtido pela correção gráfica de Schmertmann, índice de recompressão (CR), índice de expansão (C s ), tensão vertical efetiva de campo (σ' v0 ), tensão máxima de pré-adensamento (σ' vm ) e razão de pré-adensamento (OCR). Nesta tabela, encontram-se também os valores de módulo 6

7 tangente M (Janbu, 1969), obtidos dos gráficos M versus σ' v, dos ensaios de adensamento, pegando-se o valor de módulo correspondente a pressão média, que se encontrava entre os valores da pressão de campo σ'v0 e da pressão de sobrecarregamento prevista, estimada em 150 kpa. São também apresentados os valores da tensão máxima de pré-adensamento (σ' vm ), e consequentemente a razão de pré-adensamento (OCR), para os ensaios CONV3 e CONV4, obtidas da inflexão dos gráficos M versus pressão efetiva, σ' v (módulo-pressão), proposto por Janbu (1969). Tabela 2 - Resultados dos Ensaios Convencionais e Rápidos de Adensamento ENSAIO CONV1 CONV2 CONV3 CONV4 Profund. z (m) 11,36 11,33 11,30 10,69 C c (amolgado) 0,62 0,61 0,44 0,35 C c (indeformado) 0,67 0,67 0,48 0,39 CR 0,04 0,04 0,02 0,02 C s ,06 σ' v0 (kpa) 83,5 83,3 83,1 78,5 σ' vm (kpa) (Casagrande) OCR (Casagrande) 4,1 4,2 3,3 4,0 σ' vm (kpa) (Janbu) OCR (Janbu) ,2 6,1 M (kpa) σ' vm (kpa) (Pach. Silva) OCR ( Pach. Silva) ,1 Vale salientar a maior diferença existente entre os valores de σ' vm obtidos pelo método de Janbu e pelos outros dois métodos, para o ensaio CONV4, porém, nota-se a partir destes resultados, que o material aqui estudado trata-se de uma argila sobre-adensada, e que esse sobreadensamento pode ser devido a alguns fatores, tais como: Ao alívio de tensões verticais, decorrentes da retirada de sedimentos anteriormente sobrepostos à camada de argila estudada neste trabalho, já que a mesma é um sedimento do grupo Barreiras, do período do Terciário, e que deve ter ocorrido após sua deposição, muitas alterações ao longo da história, na Bacia 7

8 Sedimentar onde ela se encontra; à variação do nível d'água na região após a deposição do material estudado neste trabalho; e às mudanças químicas sofridas por esse material num possível processo de laterização pelo qual o mesmo tenha passado, que são sugeridas por alguns autores como as possíveis causas de um sobre-adensamento aparente em argilas. 3.5 ENSAIOS TRIAXIAIS Foram realizados ao todo 9 ensaios triaxiais convencionais, de deformação controlada, do tipo CD (adensado, drenado), em corpos de prova indeformados do material em estudo, sendo que 3 ensaios tiveram problemas durante sua realização e foram refeitos, portanto, somente 6 ensaios estão apresentados como resultado deste trabalho experimental. A realização destes ensaios objetivou o conhecimento dos parâmetros de deformabilidade para a condição axisimétrica e dos parâmetros de resistência, do material em estudo. Todos os corpos de prova dos ensaios triaxiais foram moldados com as dimensões iniciais de 38,1 mm de diâmetro e de 76,2 mm de altura. Na Tabela 3 estão apresentados para cada ensaio, os valores dos teores de umidade inicial (w i ) e final (w f ), deformação axial na ruptura (ε af ), semi-soma das tensões principais efetivas na ruptura (p' f ), tensão desviadora na ruptura[(σ 1 - σ 3 ) f ], semi-diferença das tensões principais na ruptura (q f ), além dos valores de tensão efetiva de consolidação (σ' c ). Tabela 3 - Resultado dos ensaios triaxiais do tipo CD ENSAIO σ' c (kpa) w i (%) w f (%) ε af (%) (σ 1 -σ 3 ) f (kpa) p' f (kpa) q f (kpa) CIS , , ,4 29 CIS ,6 41, ,2 96,3 46,15 CIS ,8 39,1 3, ,1 62 CIS , , ,9 77 CIS ,8 38,7 20,9 269,5 435,9 134,7 CIS , ,6 346,7 573,1 173,3 8

9 Os resultados dos ensaios triaxiais realizados neste trabalho estão plotados sob a forma do diagrama p' versus q e p' versus deformação volumétrica (ε v ) na Figura q (kpa) ENSAIOS TRIAXIAIS CD CIS25 CIS50 CIS100 CIS200 CIS300 CIS DEFORMAÇÃO VOLUMÉTRICA (%) p' (kpa) Figura 4 - Diagramas p' x q e p' x ε v A partir da Figura 4 pôde-se obter do gráfico p' versus q' uma faixa de valores de pressões confinantes que iria de 250 kpa a 320 kpa, correspondente à mudança na curvatura da envoltória de resistência. Nesta faixa encontra-se o valor da possível pressão de pré-adensamento (σ' vm ) para o material estudado, confirmando o que foi obtido por Sampaio Jr., et al (2000). A curvatura da envoltória de resistência da argila em estudo, mostrada na Figura 4, é típica de argilas sobre-adensadas. A influência do sobre-adensamento na envoltória é mais visível para níveis de pressões confinantes abaixo da possível pressão de pré-adensamento (σ' vm ), nota-se que, para níveis de pressões confinantes maiores que a possível pressão de pré- 9

10 adensamento, há uma tendência do material se comportar como uma argila normalmente adensada. Foram feitos alguns ajustes na envoltória curva de resistência, que demonstraram que para níveis de pressões confinantes acima de 300 kpa, a envoltória de resistência é retilínea com parâmetros c' e φ' de 0 e 18,3 respectivamente. Já para o trecho inicial pré-adensado, esses parâmetros podem variar de c'=15,8 kpa e φ'=18,3 para pressões confinantes entre 25 e 100 kpa, até c'=21,7 kpa e φ'=14,9 para pressões intermediárias entre 100 e 300 kpa. Na Tabela 4 estão apresentados os módulos secantes E i, E 33 e E 50 obtidos nos ensaios. Tabela 4 - Valores dos módulos secantes E i, E 33 e E 50. Ensaio E i (kpa) E 33 (kpa) E 50 (kpa) CIS CIS CIS CIS CIS CIS SOLO ARGILOSO DO PERFIL GEOLÓGICO DESCRIÇÃO DO LOCAL As amostras foram retiradas pela empresa Solos e Rochas Ltda, na Travessa Apinagés, no bairro do Jurunas. Trata-se de um perfil estudado na chamada região de baixada da cidade de Belém. Notamos que o nível d água encontra-se praticamente na superfície do terreno. As amostras foram coletadas em dois amostradores do tipo shelby a 26 m e 29 m de profundidade, mas apenas o amostrador retirado a 26 m apresentou uma quantidade de amostra de solo suficiente para realização dos ensaios, devido às dificuldades de cravação encontradas. 10

11 4.2 CLASSIFICAÇÃO DO ESTRATO O estrato de onde foram extraídas as amostras é composto por um sedimento aluvionar, inconsolidado, de granulação fina. Tal solo possui características diferentes dos solos argilosos estudados por Sampaio Jr. (1995) e Saré (2001). Trata-se de um silte areno-argiloso de cor cinza escuro de consistência variando de mole a médio segundo o N SPT, e que apresenta visualmente milimétricas lentes de areia fina. De acordo com o perfil esquemático proposto por Costa (2001), o solo em estudo enquadra-se na Era Cenozóica, período quaternário, época Holoceno ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DO SOLO Foram realizados os seguintes ensaios de caracterização: análise granulométrica, limites de Atterberg, massa específica dos grãos, umidade, massa específica natural e massa específica seca. A análise granulométrica classificou o solo em silte areno-argiloso. As Tabelas 5 e 6 abaixo mostram os resultados obtidos nos outros ensaios de caracterização. Tabela 5 Índices físicos da amostra n.º 1 LL (%) LP (%) IP (%) ρ S w (%) γ nat (g/cm 3 ) γ d (g/cm 3 ) e i S (%) n (%) ,55 32,1 1,88 1,43 0, ,49 Tabela 6 Índices físicos da amostra n.º 2 LL (%) LP (%) IP (%) ρ S w (%) γ nat (g/cm 3 ) γ d (g/cm 3 ) e i S (%) n (%) ,55 33,39 1,88 1,41 0, ,76 O material foi classificado como do grupo CL, segundo o sistema de classificação unificada dos solos do SI, como uma argila inorgânica de mediana plasticidade, porém, vale salientar que a relação entre IP e LL ficou muito próxima da linha A da Carta de Plasticidade, aproximando-o também das características de um silte inorgânico de mediana plasticidade. 4.4 ENSAIO DE ADENSAMENTO 11

12 Foram realizados dois ensaios na prensa Bishop de adensamento com 10 (dez) estágios de carregamento e descarregamento para cada corpo de prova, sendo 6 (seis) de carregamento, iniciando em 25 kpa até 800 kpa; e 4 (quatro) de descarregamento, de 800 kpa até 50 kpa. Os coeficientes de compressibilidade, a v, médios obtidos nos dois ensaios foram iguais e de valor 9x10-4 m 2 /kn, bem como os coeficientes de adensamento, c v, médios que foram de 7,5x10-3 cm/s para os dois ensaios realizados. As Tabelas 7 e 8 mostram os resultados dos dois ensaios de adensamento realizados, com os valores de índice de compressão, C c, índice de descompressão, C d, tensão de pré-adensamento, σ`vm e razão de sobre-adensamento, RSA. Tabela 7 Resultados do ensaio nº: 1 Prof. C c C d σ`vm RSA (m) (kpa) 26 0,587 0, ,04 Tabela 8 Resultados do ensaio nº: 2 Prof. (m ) C c C d σ`vm (kpa) RSA 27 0,34* 0, ,01 * O valor do C c varia de 0,34 a 0,58 em função do ajuste dado a reta virgem. 4.5 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Foi realizado um ensaio de cisalhamento direto em corpos de prova indeformados do solo estudado, visando a obtenção da envoltória de resistência do mesmo e consequentemente dos valores dos parâmetros de intercepto de coesão, c, e de ângulo de atrito, φ. A Figura 5 mostra a envoltória de resistência obtida por meio de quatro pontos do ensaio de cisalhamento direto e os valores de intercepto de coesão, c=23 kpa, e de ângulo de atrito, φ=11. 12

13 Ensaio de Cisalhamento Direto Tensão Cisalhante ( φ = 11,07º c = 23 kpa Tensão Nornal (kpa) Argila Cinza Linear (Argila Cinza) Figura 5 Resultado do ensaio de cisalhamento direto 5 CONCLUSÕES PERFIL 1: O material tem comportamento de argila com elevado grau de sobre adensamento, devido aos possíveis fatores: alívio de tensões verticais, variação do nível d água na região ou às mudanças químicas sofridas por esse material num possível processo de laterização. Porém, observa-se que, ultrapassado o nível da pressão de pré-adensamento, o Índice de compressão virgem é elevado, e compatível com argilas mole a médias, como classificada com base no SPT. O elevado nível de rigidez dos solos laterizados tem sido observado por outros pesquisadores, porém, são relacionados, na quase totalidade dos casos, a solos próximos à superfície e não saturados. Assim, os resultados indicam que no tipo de perfil em questão, a faixa de carregamento a ser transmitida para a argila inferior não deve ultrapassar o nível equivalente a uma pressão de sobre adensamento referente a um OCR=3, de forma a evitar-se o avanço para o trecho equivalente ao carregamento virgem. Além da obtenção dos parâmetros de deformabilidade e resistência para projetos, os resultados dos ensaios triaxiais confirmaram o sobre-adensamento da argila estudada, com valores de pressão de pré-adensamento próximos aos encontrados nos ensaios de adensamento 13

14 realizados por Sampaio Jr., et al (2000). Confirma-se, portanto, que esse sobre-adensamento aparente é decorrente da resistência que este material adquiriu, após a cimentação de seus grãos no processo de laterização. PERFIL 2: Os ensaios de caracterização realizados demonstraram que o solo estudado possui plasticidade média (IP 25%), tratando-se de um silte areno-argiloso de acordo com o ensaio de granulometria. Os ensaios de adensamento forneceram os parâmetros de compressibilidade do material e demonstraram que o mesmo trata-se de um solo normalmente adensado com uma razão de sobre-adensamento, RSA = 1,04. Este solo, comparando-se ao estudado por Saré (2001) possui índice de vazios, limite de liquidez e umidade natural menores, no entanto apresenta maior compressibildade. Isto pode ter como causas as seguintes hipóteses: 1 - O amolgamento da amostra, já que a mesma foi retirada a uma grande profundidade (=26m), sendo sugerido a realização de mais ensaios de adensamento. 2 - A parte de Argila do solo estudado pode possuir maior atividade, devendo ser feita a mineralogia do solo em questão. 14

15 7 - REFERÊNCIAS Farias, E. S., Nascimento, F. S., & Ferreira M. A. A., (1992) - Área Belém/Outeiro, Relatório Final de Estágio de Campo III, Departamento de Geologia, Janbu, N., (1969) - The Resistance Concept Applied to Deformation of Soils, Geotechnical Division, Norwegian Institute of Technology, University of Trondheim, Buletin No. 3, Trondheim. Janbu, N., (1969) - Computation of Stress-and-Time-Dependent Settlements of Structures on Clay, Geotechnical Division, Norwegian Institute of Technology, University of Trondheim, Buletin No. 3, Trondheim. Sá, J. H. S., (1969) - Contribuição à Geologia dos Sedimentos Terciários e Quaternários da Região Bragantina, Bol. Int. Geoc. Geologia, Rio de Janeiro, 3: Salame, A.M. (2002) Mapeamento das Fundações mais Usadas na Cidade de Belém PA,Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, UFPA. Sampaio Jr, J.L.C., Alencar Junior, J.A. e Bernardes G.P. (2000) Estudo da compressibilidade de uma argila variegada da região metropolitana de Belém-PA, SEFE IV e BIC I, São Paulo, p Sampaio JR., J. L. C. (1995) - Estudo da Compressibilidade de um Solo Argiloso da Região Metropolitana de Belém - PA, Tese de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, PUC- RJ Sampaio Jr., J.L.C. (1995) Estudo da Compressibildade de um Solo Argiloso da Região Metropolitana de Belém PA, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, PUC-RJ. 15

16 Sampaio Jr., J.L.C. (1995) Estudo da Compressibildade de um Solo Argiloso da Região Metropolitana de Belém PA, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, PUC-RJ. Santos Filho, W.M. e Alencar Jr., J.A. (1993) Mapa Geotécnico de Belém: Uma proposta inicial, Trabalho de Conclusão de Curso, Departamento de Engenharia Civil, UFPA. Saré, A.R. e Mendonça, T.M. (2001) Avaliação das Características Geotécnicas de Uma Argila Mole a Média de Belém PA, Trabalho de Conclusão de Curso, Departamento de Engenharia Civil, UFPA. 16