AVALIAÇÃO DO EFEITO DA HISTERESE E DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FUNÇÃO DE UMIDADE EM SOLOS NÃO-SATURADOS

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1 AVALIAÇÃO DO EFEITO DA HISTERESE E DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FUNÇÃO DE UMIDADE EM SOLOS NÃO-SATURADOS Aluno: Carlos Besso Orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos 1. Introdução A função de umidade, também denominada curva característica, ou curva de retenção, é uma importante relação na mecânica dos solos não saturados, a qual exprime a variação da quantidade de água retida no solo, expressa em teor de umidade volumétrica (Ө), gravimétrica (w) ou grau de saturação (S), com a variação da sucção (y). Sua representação completa consiste em curvas de umedecimento e secagem, onde a primeira representa a adsorção de água no solo (diminuição da sucção com o aumento da umidade) e a segunda, a dessorção de água (aumento da sucção). A relação solo-água pode seguir diferentes trajetórias durante os ciclos de umedecimento e secagem que ocorrem na natureza, sendo que, tipicamente, a quantidade de água liberada pelo solo no processo de secagem é superior a retida no processo de umedecimento [1]. A diferença entre as curvas é conhecida como histerese. Em problemas que envolvem ciclos de molhagem e secagem, como por exemplo na estabilidade de taludes, não existe uma curva predominante (figura 1). Desta forma, é necessário levar-se em conta os efeitos da histerese, pois a diferença entre os processos é significativa. Dependendo da disposição estrutural do solo, a curva característica pode apresentar formato uni ou bimodal, sendo esta característica estreitamente relacionada à distribuição do tamanho dos poros do solo [2]. No caso unimodal (figura 1), a curva de retenção pode ser dividida em três regiões. A primeira, denominada zona de efeito limite, corresponde ao trecho onde a fase líquida é predominante nos poros do solo, e em que acréscimos de sucção geram pouco, ou nenhum, decréscimo de saturação. A segunda, fase de transição, se inicia no valor de entrada de ar, e corresponde ao trecho de dessaturação do solo. E a terceira fase, de saturação residual, inicia-se no grau de saturação residual, valor a partir do qual a água se encontra descontínua no solo, em finos filmes entre as partículas sólidas, e em que, novamente, acréscimos de sucção causam variações insignificantes de saturação. No caso bimodal (figura 2), a curva apresenta um patamar intermediário, onde ocorre pouca variação da quantidade de água, situado entre duas zonas de dessaturação. Nesta circunstância, o solo se caracteriza por dois valores distintos de entrada de ar, devido à presença de duas famílias predominantes de dimensões de poros (macro, meso, ou micro). Figura 1. Histerese na curva de retenção unimodal. [2] Figura 2. Curva de retenção bimodal. [4]

2 Entende-se a correlação entre a resistência à tração do solo (st) e sua erodibilidade como a facilidade com que os grãos se destaquem uns dos outros [3]. Esta resistência depende, dentre diversos fatores, da sucção presente em sua estrutura. No processo de secagem, a saturação parcial produz um aumento na sucção e, consequentemente, nas ligações entre os agregados e internas a estes. Desta forma, a relação entre sucção e resistência à tração vem a ser uma ferramenta significante para projetos geotécnicos [4]. Neste contexto, este estudo visa analisar características da curva de resistência à tração versus sucção matricial e da curva de retenção de umidade, de dois solos do estado do Rio de Janeiro. Adicionalmente, visa-se tornar operacional um equipamento de medição de sucção recém importado (WP4C Dewpoint PotentiaMeter), ainda não utilizado para tal finalidade. 2. Materiais e Métodos Experimentais 2.1. Solos estudados Foram realizados uma série de ensaios em amostras indeformadas de um solo residual jovem micáceo e um coluvionar, ambos provenientes da Reserva Biológica de Tinguá, Nova Iguaçu-RJ. As características dos dois solos estão apresentadas na Tabela 1. Solo Tabela 1 Caracterização dos solos coluvionar e residual Índice de vázios Índices físicos Densidade relativa dos grãos Umidade inicial (%) Pedregulho (%) Distribuição Granulométrica Areia (%) Coluvionar,98 2,661 25,27 2,9 46,5,1 4,5 Residual 1,19 2,77 26,45, 63,6 29,8 6,6 Silte (%) Argila (%) A curva da distribuição incremental dos diâmetros dos poros (figura 3), obtida através do ensaio de porosimetria de mercúrio, mostra duas famílias de pico para os dois solos, sendo que no residual os dois se encontram na região dos macroporos, e no colúvio, o primeiro pico situase na região dos microporos e o segundo, na dos macros. Como este ensaio tem estreita relação com o formato da curva de retenção de umidade, pode-se prever um comportamento bimodal para ambos solos. Figura 3. Curva de distribuição incremental dos diâmetros dos poros (cm³/g) versus diâmetro dos poros (mm), para os dois solos estudados.

3 2.2. Metodologia dos Ensaios Para a construção das curvas características, utilizou-se como metodologia principal a técnica do papel filtro [1]. Utilizou-se, também, o equipamento recém importado WP4C Dewpoint PotentiaMeter, para avaliação de sua eficiência. Para análise da influência da sucção matricial na resistência à tração, foi empregado o ensaio de compressão diametral (método brasileiro) [2]. Em todos ensaios foram utilizados corpos de prova moldados em anéis metálicos de 47 cm de diâmetro e 21 cm de altura (figura 4). Figura 4. Moldagem dos corpos de prova. Figura 5. Secagem ao ar livre Ensaio de Sucção: Método do Papel Filtro Para a determinação das curvas de umedecimento, os corpos de provas passam por um processo de secagem ao ar (figura 5) e em seguida por um processo de saturação, por gotejamento, até atingir a massa arbitrada para estudo. Para as curvas de secagem, ocorre o inverso, isto é, primeiramente a secagem e posteriormente a saturação, por capilaridade (figura 6), até a massa arbitrada. Ao final de ambos processos, as amostras moldadas são equalizadas por 3 dias, e depois postas em contato (topo e base) com o papel filtro do tipo Whatman Nº 42 (figura 7). Cada anel é envolvido por camadas de papel filme tipo PVC e papel alumínio e, em seguida, guardado em uma caixa de isopor, para maximização do isolamento térmico. Figura 6. Saturação por capilaridade. Figura 7. Contato do solo com papel filtro (topo). As amostras permanecem em repouso por um período de 7 a dias, para que ocorra a equalização da sucção matricial. Após este intervalo, os conjuntos são abertos e os papéis filtros são colocados diretamente na balança com precisão de,1 gramas. Para cada valor de tempo pré-determinado (, 2, 3, 4, 5 e 6 segundos) a massa do papel é observada e, por correlação exponencial, é obtida a massa de papel filtro úmido no tempo igual a zero. Este procedimento é repetido para a obtenção da massa do papel filtro seco, após secagem por um período de duas horas, em estufa a C.

4 A umidade do papel filtro é calculada a partir de sua massa seca e úmida. O valor da sucção do papel filtro (que pela equalização é idêntico ao das amostras) é determinado a partir da umidade do papel filtro, segundo uma equação de calibração (equação 1), permitindo a obtenção de pontos das curvas de retenção, tanto nos processos de umedecimento, como nos de secagem. se w p > 47%, então ψ = [6,5 2,48 log(w p)] ; se w p 47%, então ψ = (4,84,622 w p) (Equação 1) Onde: w p = umidade do papel filtro; ψ = sucção matricial Ensaio de Sucção: WP4C Dewpoint PotentiaMeter O equipamento WP4C é um medidor indireto de sucção, baseado no fenômeno de equilíbrio entre o potencial de energia da água (sucção) e a pressão de vapor do ar. Para que ocorra a medição, a temperatura da amostra (medida por um termômetro infravermelho) deve ser a mesma do ar existente na câmara interna do aparelho (medida por um ponto de orvalho). Ao ocorrer a condensação do vapor de água presente no ar (detectada por um espelho interno), o potencial de energia da água livre presente na amostra de solo é idêntico ao do vapor de ar, permitindo o cálculo da sucção através de uma equação termodinâmica (equação 2). ψ = RT M. ln p p (Equação 2) Onde: ψ = sucção; R = constante dos gases (8,31 J/mol.K); T = temperatura de equilíbrio, em Kelvin; M = massa molecular da água; p = pressão de vapor do ar; p = pressão de vapor do ar saturado, na temperatura de equilíbrio. Para a medição da sucção das amostras, estas são coletadas e introduzidas no equipamento (figura 8), após a abertura dos conjuntos (papel filtro e corpo de prova). O equipamento exibe em poucos minutos, em tela digital (figura 9), o valor da sucção da amostra. Figura 8. Introdução de amostra de solo na câmara do aparelho WP4C. Figura 9. Exibição do valor de sucção pelo WP4C.

5 Ensaio de Compressão Diametral A resistência à tração é determinada nas mesmas amostras utilizadas no ensaio de sucção com papel filtro. Uma vez determinada a massa do papel úmido, o corpo de prova é disposto em uma prensa triaxial (modelo TRISCAN-5) adaptada (figura ), na qual é imposto um carregamento, comandado pelo software Clisp Studio, ao longo de duas superfícies rígidas paralelas, uma oposta à outra, no sentido diametral da amostra, até que ocorra sua ruptura (figura 11). A partir da força de ruptura, registrada pela célula de carga, e das dimensões do corpo de prova (equação 3), obtêm-se o valor de resistência à tração da amostra. σ t = 2P/πDH (Equação 3) Onde: σ t = resistência à tração; P = força de ruptura; D = diâmetro do corpo de prova; H = espessura do corpo de prova. Figura 11. Ruptura do corpo de prova. Figura. Prensa triaxial adaptada para ensaio de compressão diametral. 3. Resultados e Discussões Os ensaios de sucção pelo método do papel filtro e pelo WP4C Dewpoint PotentiaMeter, e de resistência à tração por compressão diametral forneceram os valores apresentados nas tabelas 2 e 3, representados, também, nos gráficos 1 ao 7. Para fins de exemplificação, os gráficos serão somente apresentados em termos de umidade gravimétrica.

6 Tabela 2 Conjunto de dados obtidos do solo coluvionar SOLO COLUVIONAR Papel Filtro Secagem S (%) 76,2 85,3 66,2 67, 71,7 56,9 46,5 11,4 Ө (%) 41,2 4,9 34,9 34,4 34,2 27,7 2,6 5,3 w (%) 33,7 29,6 27,8 26,6 24,6 2,3 13,9 3,8 y (kpa) 3,8 5,5 11,5 25,4 621,1 366,8 8231, ,2 Papel Filtro Umedecimento S (%) 8,6 82, 73,9 63,8 54,8 46,6 27,6 12,9 Ө (%) 42,9 4,4 36,4 32,7 28,9 23,8 15,5 6,5 w (%) 34,5 3, 26,9 25,2 22,9 18,3 13,3 4,9 y (kpa) 2,8 4,1 16, 53,3 923,8 156,2 5463,9 1868,2 WP4C Dewpoint PotentiaMeter Secagem w (%) 26,5 24,6 2,3 17,7 y (kpa) 12, 47, 23, 513, Tabela 3 Conjunto de dados obtidos do solo residual jovem SOLO RESIDUAL JOVEM Papel Filtro Secagem S (%) 77,5 77,5 66,8 6,1 61,4 52,9 27,2 12,7 Ө (%) 44,1 41,8 36,9 31,8 32,8 29,6 15,8 6,7 w (%) 37, 35, 29,7 24,4 25,4 24,2 13,5 5,1 y (kpa) 18,2 22,8 23,4 47,5 148,8 573,9 1535,9 639,3 Papel Filtro Umedecimento S (%) 88,7 73,1 73,8 62,4 6, 46,7 25,1 9,3 Ө (%) 52, 41,9 41,9 34,8 33,3 25,8 13,5 4,9 w (%) 45,3 35,5 35, 28,3 27,1 2,8,5 3,8 y (kpa) 5,1 2,7 38,1 61,6 162,9 471,1 98,4 566, WP4C Dewpoint PotentiaMeter Secagem w (%) 29,7 24,4 13,5 5,1 y (kpa) 3, 6, 112, 752, Compressão Diametral st (kpa) 3,3 8,6 4,6 8,5 21, 3,3 3,3 3,9 y (kpa) 23,4 47,5 1535,9 639,3 221, 17,2 7,7 6,

7 Umidade Gravimétrica, w (%) Umidade Gravimétrica, w (%) Umidade Gravimétrica, w (%) Departamento de Engenharia Civil Gráfico 1 Curva de retenção do colúvio pelo método do papel filtro Umedecimento Secagem 1 Gráfico 2 Curva de retenção do colúvio pelo WP4C Dewpoint PotentiaMeter Secagem 1 Gráfico 3 Comparação das curvas de secagem do colúvio, pelo método do papel filtro e WP4C Dewpoint PotentiaMeter WP4C Papel Filtro 1

8 Umidade Gravimétrica, w (%) Umidade Gravimétrica, w (%) Umidade Gravimétrica, w (%) Departamento de Engenharia Civil Gráfico 4 Curva de retenção do solo residual pelo método do papel filtro Umedecimento Secagem 1 Gráfico 5 Curva de retenção do solo residual pelo WP4C Dewpoint PotentiaMeter Secagem 1 Gráfico 6 Comparação das curvas de secagem do solo residual, pelo método do papel filtro e WP4C Dewpoint PotentiaMeter Papel Filtro WP4C 1

9 Resistência à Tração, s t (kpa) Departamento de Engenharia Civil Gráfico 7 Curva de resistência à tração versus sucção matricial do solo residual Conclusões e Próximas Etapas As curvas de retenção dos dois solos apresentaram comportamento bimodal, concordando com a previsão obtida pelo ensaio de porosimetria de mercúrio. O solo coluvionar apresentou um patamar intermediário bem definido, possivelmente devido à ausência de mesoporos em sua estrutura. O solo residual jovem caracterizou-se por um pequeno patamar intermediário, o que pode ser explicado pela proximidade das duas famílias de pico, na região dos macroporos, observada em sua curva de distribuição incremental dos diâmetros dos poros (figura 3). A partir dos gráficos 1 e 4, é possível observar que os dois solos estudados não apresentam histerese, já que as sucções obtidas nos processos de umedecimento e secagem foram próximas. Com isso, conclui-se que a quantidade de água liberada pelo solo no processo de secagem é igual a retida no processo de umedecimento. Os resultados obtidos pelo equipamento WP4C Dewpoint PotentiaMeter (gráficos 2 e 5) mostram que a aplicabilidade deste está associada a maiores valores de sucção. Ao comparar as duas metodologias (papel filtro e WP4C), apresentadas nos gráficos 3 e 6, é possível observar alta coerência nos resultados. Para confirmar tal aplicabilidade, novos ensaios serão realizados, com o intuito de se obter mais pontos para comparação. A curva de influência da sucção matricial na resistência à tração do solo residual jovem, gráfico 7, assinala, num primeiro momento, acréscimo da resistência à tração em função da sucção matricial até um valor máximo próximo a 2 kpa de sucção, a partir do qual passa-se a observar um decréscimo da resistência. Para o mesmo solo, ao comparar a curva de resistência à tração com a função de umidade (gráfico 4), indica-se que a resistência à tração se mantém razoavelmente constante no primeiro patamar de dessaturação, até o primeiro valor de entrada de ar. Após este valor, a resistência à tração aumenta até o seu valor máximo, próximo ao segundo valor de entrada de ar. Em seguida, a resistência apresenta uma tendência de decréscimo com o aumento da sucção matricial. A continuação deste estudo irá consistir nos seguintes itens: refinamento da curva de resistência à tração versus sucção matricial, do solo residual jovem; obtenção da curva de resistência à tração versus sucção matricial, do solo coluvionar; comparação das curvas obtidas para amostras indeformadas com amostras reconstituídas com mesmo índice de vázios e mesma umidade gravimétrica, para verificação da influência do arranjo estrutural do solo na função de umidade e na resistência à tração; comparação das curvas obtidas no horizonte vertical, com amostras obtidas horizontalmente, para verificação da anisotropia nos parâmetros estudados.

10 Referências 1 - MARINHO, F. A. M. Os solos não saturados: aspectos teóricos, experimentais e aplicados. São Paulo, p. Concurso de Livre-Docência na Especialidade Geomecânica do Departamento de Estruturas e Fundações - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. 2 - FEUERHARMEL, C.; GEHLING, W.Y.Y.; BICA, A.V.D. (25) Determination of the Soil-Water Characteristic Curve of Undisturbed Colluvium Soils. In: International Symposium Advanced Experimental Unstatured Soil Mechanics, EXPERUS 25, Trento (Itália), Proceedings, Vol. 1, p BENESSIUTI, M. F.; BERNARDES, G. P.; CAMARINHA, P. I. M. Influência da sucção matricial na resistência à tração de solos residuais de gnaisse compactados. XV Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Gramado, BOSZCZOWSKI, R. B. Avaliação de propriedades mecânicas e hidráulicas de um perfil de alteração de granito-gnaisse de Curitiba, PR. Rio de Janeiro, p. Tese de Doutorado em Geotecnia - Departamento de Engenharia Civil, PUC-Rio.