CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DO EMPOLAMENTO DOS SOLOS

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1 CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DO EMPOLAMENTO DOS SOLOS Ronaldo Rocha Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Est. de São Paulo - IPT, São Paulo, Brasil, rrocha@ipt.br José Maria de Camargo Barros Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Est. de São Paulo - IPT, São Paulo, Brasil, jmbarros@ipt.br Rubens Vieira Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Est. de São Paulo - IPT, São Paulo, Brasil, rvieira@ipt.br RESUMO: Para determinar o fator de empolamento dos solos escavados em duas jazidas situadas na cidade de Vitória, onde ocorrem solos sedimentares da formação Barreiras, e em uma jazida situada na cidade de Goiânia, em área de solos resultantes da alteração de rochas do Complexo Goiano, foram realizados ensaios de campo em verdadeira grandeza que consistiram basicamente em medir as densidades e umidades dos solos escavados, tal como estes se encontravam na natureza, e destes quando embarcados em caminhões. Para as medições dos volumes escavados e dos embarcados, contou-se com apoio de levantamentos topográficos de precisão. A caracterização geotécnica dos solos foi realizada em laboratório a partir de coleta de amostras indeformadas e deformadas. Os resultados obtidos permitem concluir que o empolamento não depende unicamente do tipo de solo das jazidas, como indicado na maioria da bibliografia pesquisada, mas é altamente influenciado pela sua densidade in situ, podendo variar significativamente para um mesmo tipo de solo dentro da mesma jazida. Além do mais, se for válida a hipótese, a ser comprovada em outros solos, de que a massa específica seca solta do solo embarcado varia de maneira pouco significativa numa dada área de empréstimo, como os dados obtidos nesta investigação sugerem, a variação do empolamento com a densidade seca in situ pode ser considerada linear. Propõe-se que, em locais como os estudados neste trabalho, o controle tecnológico do fator de empolamento seja feito a partir da determinação da sua massa específica seca natural, obtida em ensaios sobre amostras indeformadas coletadas à medida que a escavação progride. PALAVRAS-CHAVE:, Terraplenagem, Escavação, Geotecnia, Formação Barreiras, Complexo Goiano. 1 INTRODUÇÃO Um fenômeno característico dos solos, importante nos trabalhos de terraplenagem, é o empolamento ou expansão volumétrica do solo. Após a escavação, o solo apresenta um volume solto (V solto ) maior do que aquele em que se encontrava em seu estado natural (V corte ). O fator de empolamento, geralmente apresentado em porcentagem, é definido pela expressão: f V V solto corte = (1) Vcorte ou então em termos de massa específica: f = corte solto 1 sendo corte e solto respectivamente os valores das massas específicas do material do corte e do material após desmonte. Para o cálculo do volume de transporte em obras de terraplenagem é usual a adoção de valores de fator de empolamento dos solos indicados na literatura técnica (Tabelas 1 a 4) e menos frequentemente a realização de ensaios de campo para a sua obtenção nas condições reais em que este se encontra na natureza. Ricardo e Catalani (199) e Trenter (21) apresentam valores do fator de empolamento (2)

2 como sendo uma função somente do tipo de solo. Por outro lado, Pereira (1961) considera também o estado em que o solo se encontra (natural ou compactado) e finalmente o Manual Caterpillar de Terraplenagem (apud portal.riocusto.com.br) considera o tipo de solo e a sua condição de umidade. Tabela 1. Valores do fator de empolamento segundo Ricardo e Catalani (199) Material Solo arenoso seco 12 Terra comum seca (solos argilo-siltosos com areia) 25 Terra comum úmida 25 Solos argilosos 4 Tabela 2. Valores do fator de empolamento, modificado de Pereira (1961) Material Areia Argila Terra comum Estado do solo Natural 11 Compactado 17 Natural 43 Compactado 59 Natural 25 Compactado 39 Tabela 3. Valores do fator de empolamento, modificado do manual da Caterpillar Material Massa específica (kg/m 3 ) Corte Solto Areia seca Areia molhada 1 a a a 213 Argila seca Argila molhada Terra seca 15 a Terra molhada Tabela 4. Fatores de empolamento segundo Trenter (21) Solo Granular 1 a 15 Coesivo 25 a 4 Turfa 25 a 45 Vegetal 25 a 45 De modo geral, todas as publicações concordam que quanto maior a porcentagem de finos, maior é o fator de empolamento. Por exemplo, apresentam valores desde 1% para solos granulares até 43% para solos coesivos no estado natural. Além disso, os dados das Tabelas 1 e 3 sugerem que a umidade não influi significativamente no valor do empolamento. Outro aspecto que se destaca nas publicações consultadas é a utilização de nomenclatura não técnica para definir os materiais investigados, tais como terra comum ou terra molhada, o que dificulta a interpretação geotécnica dos dados e a sua síntese. Nesse aspecto, a classificação utilizada por Trenter (21) está melhor explicitada, além do que fornece faixa de valores para o fator de empolamento em função do tipo de solo. Para avaliar o fator de empolamento dos solos escavados em jazidas de duas obras de grande porte situadas em Vitória e Goiânia, em formações geológicas distintas, realizaram-se ensaios de campo e laboratório cujos detalhes e resultados estão apresentados a seguir. Os dados obtidos nessa investigação contribuem para o entendimento dos fatores que influenciam no empolamento dos solos. 2 LOCAIS ESTUDADOS E ASPECTOS GEOLÓGICO-GEOTÉCNICOS 2.1 Locais Estudados Foram selecionados três locais para estudo na cidade de Vitória-ES e um na cidade de Goiânia-GO. Em Vitória, os locais foram denominados de Jazida A, Jazida B (distante cerca de 15 km da jazida A) e Jazida C (distante cerca de 14 km da jazida A e cerca de 6 km da jazida B). As três jazidas foram investigadas geotecnicamente, mas os ensaios de empolamento foram realizados somente nas Jazidas A e B. Em Goiânia, na única jazida estudada, foram selecionados para caracterização geotécnica quatro locais distintos, denominados de D1 a D4. Os ensaios de empolamento foram realizados em três desses locais, a saber: D1, D2 (distante 88m de D1) e D4 (distante 6 m do D1 e 36m de D2).

3 2.2 Aspectos Geológicos das Jazidas Nas Jazidas A, B e C ocorrem solos sedimentares da Formação Barreiras. Essa formação acompanha o litoral brasileiro, estendendo-se desde o Estado do Rio de Janeiro até o Amapá. Segundo estudos paleontológicos e sedimentológicos (Arai 26), é constituída por sedimentos continentais com forte influência marinha, decorrente da elevação eustática ocorrida entre 12 e 2 milhões de anos atrás. A Figura 1 apresenta um detalhe das camadas de solos estudadas e que estão caracterizadas a seguir. máfico-ultramáfico (Complexo Goiano). Estes solos têm composição predominantemente argilosa de coloração vermelha escura com grânulos de quartzo esparsos e às vezes veios de quartzo que resistiram aos processos intempéricos e hoje aparecem em meio ao solo. Apresentam ainda minerais máficos e raras lamelas de mica em alguns pontos. A Figura 2 apresenta um detalhe deste solo e da sua amostragem para ensaios de laboratório. 2.3 Características Geotécnicas dos Solos das Jazidas Jazidas A, B e C Nas jazidas A, B e C, foram coletadas amostras indeformadas e deformadas de solos que foram caracterizadas em laboratório. Os valores dos índices físicos obtidos nas amostras indeformadas estão apresentados na Tabela 5, onde se notam grandes variações nos valores de densidade e umidade ( e w). Pode-se constatar ainda uma tendência de diminuição do índice de vazios (e) e de aumento do grau de saturação (S) com a profundidade nas três jazidas. Figura 1. Jazida B: notar a linha de concreções lateríticas, identificada pelo martelo, separando os sedimentos superiores amarelados dos inferiores avermelhados. Figura 2. Jazida D: aspecto do Local D1 e detalhes da sua amostragem para ensaios de laboratório. Os demais locais estudados são muito semelhantes a este. Na Jazida D, segundo o mapa geológico do Projeto Radambrasil de 1983, ocorrem solos resultantes da alteração de rochas do complexo Tabela 5. Jazidas A, B e C: massas específicas, umidades naturais e demais índices físicos Jazida A B C Prof. w Amostra d e S (m) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) amarela 1,5-1, , ,13 56 vermelha 2,28-2, ,9 1559,73 63 variegada 5,5-5, ,6 1483,8 75 amarela 3,5-3, ,8 1529,78 62 vermelha 4,7-4, ,2 1746,57 59 amarela 2, - 2, , 161,65 57 vermelha 5,2-5, ,7 1788,48 71 As curvas granulométricas obtidas estão apresentadas nas Figuras 3 e 4, agrupadas respectivamente por jazida e pela cor do solo. Observa-se que em geral os solos são misturas argila - areia com pequena quantidade de silte. O teor de argila varia de 3 a 75% com maior concentração entre 45 e 65%. As análises mineralógicas da fração argila realizadas indicaram a presença quase que exclusiva do argilo-mineral caulinita em todas as amostras. A fração areia é bem distribuída entre areia fina, média e grossa.

4 CLASSIFICAÇÃO 1 Peneiras (ASTM) GRANULOMETRIA N mm ótimas e portanto são os mais argilosos, confirmando os resultados de granulometria linha U linha A Jazida A Jazida B Jazida C CH ARGILA SILTE AREIA GROSSA PEDREGULHO FINA AREIA MÉDIA A. DIÂMETRO DOS GRÃOS (mm) NBR 652/1995 Figura 3. Jazidas A, B e C: curvas granulométricas agrupadas por área de empréstimo. 1 Peneiras (ASTM) GRANULOMETRIA mm N CL-ML CL LIMITE DE LIQUIDEZ Jazida A - amarela ML ou OL Jazida B - amarela MH ou OH Jazida B - amarela 9 1 Jazida A - vermelha Jazida B - vermelha Jazida C - vermelha 8 2 Jazida A - variegada Figura 5. Jazidas A, B e C: posição dos solos na Carta de Plasticidade Vermelha Variegada Amarela Jazida A - amarela ARGILA SILTE AREIA GROSSA PEDREGULHO FINA AREIA MÉDIA A. CLASSIFICAÇÃO DIÂMETRO DOS GRÃOS (mm) NBR 652/1995 Figura 4. Jazidas A, B e C: curvas granulométricas agrupadas pela cor do solo. Verifica-se na Figura 3 uma tendência dos solos provenientes da jazida A, independente da coloração, se apresentarem mais argilosos que os das outras duas jazidas. Na Figura 4 observa-se que o pacote de solos vermelhos e variegados, correspondente ao segundo horizonte nas três jazidas, apresenta granulometria extremamente variável enquanto que os solos amarelos do horizonte superior parecem ser mais homogêneos com teor de argila variando de 5% a pouco mais de 6%. Na Figura 5 mostra-se a posição dos solos na Carta de Plasticidade, podendo-se notar que estes ficam próximos da Linha A, sendo classificados ora como CH ora como MH. Os valores de LL variam de 5 a 8% enquanto os valores de IP estão na faixa de 25 a 4%. As curvas de compactação determinadas na Energia Modificada com reuso estão apresentadas na Figura 6. Como se pode observar, a umidade ótima varia desde 13 a 25% e a densidade seca máxima de 166 a 196 kg/m 3, mostrando a grande variação de solos encontrados. Constata-se que os solos da Jazida A apresentam as maiores umidades Umidade Jazida A - vermelha Jazida A - variegada Jazida B - amarela Jazida B - vermelha Jazida C - vermelha Jazida C - amarela Figura 6. Jazidas A, B e C: curvas de compactação para ensaios na Energia Modificada com reuso. A partir das curvas de compactação, foi possível determinar o índice de laterização L proposto por Ignatius (1991) para identificação de solos de comportamento laterítico:

5 L Δd Δw w d max = (3) ot onde Δ d e Δw são variações da densidade seca e da umidade ótima no ramo seco da curva de compactação. Os valores de L obtidos foram sempre superiores a,3, condição em que o solo é considerado laterítico. Os solos da Jazida A apresentaram uma média de,68 ±,12, enquanto que as Jazidas B e C apresentaram média de,51 ±, Jazida D A Tabela 6 apresenta os valores dos índices físicos determinados nas amostras indeformadas coletadas na Jazida D. Há uma tendência de maior uniformidade em termos de índices físicos, particularmente na umidade natural, do que nas Jazidas A, B e C. As curvas granulométricas obtidas, a posição dos solos na Carta de Plasticidade e os resultados dos ensaios de compactação na Energia Modificada, com reuso do material, estão apresentados respectivamente nas Figuras 7, 8 e 9. 1 Peneiras (ASTM) GRANULOMETRIA mm N das esmectitas. A umidade ótima variou de 15 a 19% e a densidade seca de 178 a 192 kg/m 3. Tabela 6. Jazida D: massas específicas e umidades naturais e demais índices físicos w Local Amostra d e S (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) , ,22 55 D1 D2 D3 D , , , , , , , , , , ,9 153, , , , , , , , , ,7 12 1, , 135 1, , , , , , , , , , , , , , , , , ,1 165, , , ,2 1466, linha U linha A CH ARGILA SILTE AREIA GROSSA PEDREGULHO FINA AREIA MÉDIA A. CLASSIFICAÇÃO NBR 652/1995 DIÂMETRO DOS GRÃOS (mm) Figura 7. Jazida D: curvas granulométricas obtidas. 2 1 CL-ML CL ML ou OL MH ou OH Como se pode constatar, esses solos são argilas areno-siltosas, sendo a fração areia constituída de areia fina e média. Na Carta de Plasticidade eles se posicionam na região correspondente à classificação CL. As análises mineralógicas da fração argila indicaram a presença predominante de caulinita, com teor acima de 95%, e de argilo-minerais do grupo LIMITE DE LIQUIDEZ Figura 8. Jazida D: posição dos solos na Carta de Plasticidade. Os valores do índice de laterização L obtidos foram quase sempre superiores a,3, condição em que o solo é considerado laterítico. O valor médio foi,47 ±,17.

6 e) Levantamento topográfico da superfície do solo já carregado na caçamba. Os passos b e e permitiram calcular o volume do material depositado na caçamba. f) Levantamento topográfico da superfície do terreno após a escavação. Os passos c e f permitiram calcular o volume de material escavado na condição natural. g) Pesagem do caminhão carregado. Os passos a e g permitiram obter a massa de solo escavado e a massa específica do mesmo nas condições naturais e de transporte. h) Durante ou após as escavações foram colhidas amostras deformadas de solos para determinação da umidade natural Umidade Figura 9. Jazida D: curvas de compactação para ensaios na Energia Modificada com reuso. 3 ENSAIOS DE EMPOLAMENTO Os ensaios de empolamento foram realizados nas jazidas, ou locais, A, B, D1, D2 e D4. Na jazida A os solos ensaiados foram os de cores amarela, vermelha e variegada e na jazida B foi somente o de cor amarela. Para cada um dos solos escolhidos foram executados dois ensaios de empolamento utilizando-se caminhões distintos e que foram denominados caminhões 1 e Metodologia de Execução dos Ensaios de A metodologia de execução dos ensaios de empolamento foi a seguinte: a) Pesagem do caminhão vazio. b) Levantamento topográfico da geometria da caçamba vazia do caminhão. c) Preparação do local escolhido para a realização do ensaio e levantamento topográfico prévio da superfície do terreno. d) Escavação do terreno concomitantemente com o carregamento do caminhão (Figura 1). Figura 1. Jazida B: vista do carregamento do caminhão 2 com solo superficial de cor amarela. Notar as escavações no talude e que correspondem aos dois ensaios de empolamento. 3.2 Equipamentos Utilizados Nos levantamentos topográficos utilizou-se estação total robotizada de precisão (Leica TCR121 R4) e conjunto de acessórios compatíveis. A precisão final dos levantamentos topográficos com este equipamento e nas condições de realização dos ensaios foi da ordem de 5 mm nas três direções de medição (coordenadas N e E e altitude) para cada ponto isolado. O tratamento das informações de campo foi realizado no Sistema topograph98, o que permitiu gerar os modelos digitais das superfícies de interesse aos cálculos. Os equipamentos de terraplenagem utilizados nas escavações dos solos em todas as jazidas foram equipamentos de porte

7 (Carterpillar 312 DL, Komatsu PC 2 e Case CX 22), e o transporte destes solos escavados foi realizado por meio de caminhões basculantes de dois eixos traseiros. A seleção dos equipamentos visou representar de maneira adequada as situações mais comuns em obras de terraplenagem. 3.3 Resultados Obtidos Os resultados obtidos nos ensaios de empolamento estão apresentados nas Tabelas 7 (Jazidas A e B) e 8 (Jazida D). Tabela 7. Resultados das Jazidas A e B Jazida (Solo) A (amarelo) A (vermelho) B (amarelo) Volumes (m 3 ) Caminhão Massa do solo (kg) Umidade natural Massa especifica seca (kg/m 3 ) Escavado Escavado Embarcado Embarcado 1 9,41 1,77 18, , ,143 11,298 11, , ,633 11,73 21, , ,139 13,333 19, , ,85 11,591 31, , ,57 12,25 28, , ,228 1,74 3, , ,955 9,617 2, , Tabela 8. Resultados da Jazida D Local D1 D2 Volumes (m 3 ) Escavado A (variegado) Caminhão Umidade Massa do natural solo (kg) Massa especifica seca (kg/m 3 ) Escavado Embarcado Embarcado 1 9,548 1,395 8, , ,824 14,45 9, , ,977 1,768 2, , ,367 11,31 2, , D4 1 8,598 1,312 19, , Análise dos Resultados Nas Jazidas A e B, cujos resultados foram analisados conjuntamente, os fatores de empolamento variaram de maneira muito expressiva, de 11,4 a 31,%, para massas específicas secas naturais variando de a kg/m 3 e umidades de 15,4 a 21,8%. Na Jazida D a variação no fator f foi de 8,9 a 2,7%, com massas específicas secas naturais variando de a kg/m 3 e umidades de 21,4 a 22,6%. Deve-se destacar que as faixas de empolamento para cada jazida podem ser ainda mais amplas que as mencionadas, tendo em vista os valores de massa específica determinados in situ que estão indicados nas Tabelas 5 e 6. Por outro lado, as massas específicas secas soltas, medidas nos caminhões, variaram numa faixa muito estreita de valores: variação de a kg/m 3, média de 1165 ± 23kg/m 3, nas Jazidas A e B, independentemente do tipo de material escavado e de sua umidade; e variação de 1.85 a kg/m 3, média de 1123 ± 27 kg/m 3, na Jazida D. A seguir discutem-se as consequências do fato da massa específica do material solto variar de forma muito menos significativa do que a massa específica seca do solo em sua condição natural dentro de uma área de empréstimo. Se o teor de umidade do solo solto no caminhão for igual ao do solo antes da escavação, a expressão (2) pode ser assim escrita: f = d corte d solto 1 onde d é a massa específica seca. Admitindose agora, como os dados das Tabelas 7 e 8 sugerem, que o valor de d solto é constante para uma dada área de empréstimo, o fator de empolamento deve variar linearmente com o valor de d no corte, sendo o coeficiente angular da reta igual a 1/ d solto. Na Figura 11, mostra-se a variação do fator f com d no corte, para as áreas de empréstimo de Vitória e de Goiânia, podendo-se verificar que para cada local realmente os dados se ajustam bem a uma correlação linear. Os coeficientes de determinação r 2 foram iguais a,97 para as jazidas de Vitória e de,93 para a jazida de Goiânia. Os resultados aqui apresentados permitem concluir que o fator f não depende unicamente do tipo de material, como parte da literatura técnica indica, mas é fortemente influenciado pela densidade seca do solo na sua condição in situ. Além do mais, se for válida a hipótese de que d solto varia de maneira pouco significativa numa dada área de empréstimo, como os dados das jazidas A, B e D sugerem, a variação do empolamento com a densidade seca in situ é linear e conhecida, com coeficiente angular igual a 1/ d solto e passando pelo ponto com coordenadas γ d corte = γ d solto e f=. (4)

8 , f Jazidas A e B Jazida D f=,868 d -97,2 (r 2 =,93) f=,835 d -96,9 (r 2 =,97) Massa específica aparente seca, (kg/m3) Figura 11. Variação do grau de empolamento com a massa específica seca do solo in situ para as Jazidas A e B e Jazida D. Portanto, em locais como os aqui estudados, em que a massa específica seca solta varie pouco, para realizar o controle tecnológico do fator de empolamento dos solos escavados, bastaria determinar a massa específica seca solta, medida nos caminhões, e a massa específica seca natural em ensaios sobre amostras indeformadas coletadas à medida que a escavação progride. 4 CONCLUSÕES Os ensaios de empolamento realizados em solos das Jazidas A e B, constituídas de solos sedimentares da Formação Barreiras, e da Jazida D, constituída de solos resultantes da alteração de rochas do Complexo Goiano, permitiram concluir que: a) o fator de empolamento, diferentemente do que sugere a literatura, pode ser altamente variável para um mesmo tipo de solo. b) embora houvesse em cada jazida estudada neste trabalho variações na granulometria, plasticidade e teor de umidade dos solos e grandes variações na densidade seca do material in situ, a densidade seca do material solto pouco variou. c) o valor da densidade seca solta foi essencialmente igual nas jazidas A e B, que apresentavam solos de mesma origem geológica mas eram distantes 15 km uma da outra. Isso permitiu que os dados dessas duas jazidas fossem analisados em conjunto neste trabalho. d) da quase constância da massa específica seca do solo carregado nos caminhões para uma dada jazida resulta que o fator de empolamento é função linear da massa específica seca do solo na condição natural. e) em locais como os estudados neste trabalho, em que a massa específica seca solta medida nos caminhões varie pouco, propõe-se que o controle tecnológico do fator de empolamento seja feito a partir da determinação da massa específica seca natural obtida em ensaios sobre amostras indeformadas coletadas à medida que a escavação progride. Finalmente, em investigações futuras, é importante avaliar qual o efeito de variações mais significativas do que as observadas neste estudo na granulometria, plasticidade e teor de umidade dos solos de uma jazida no valor da densidade seca solta do solo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem às equipes técnicas envolvidas na presente pesquisa e em particular ao Geólogo Edson Del Monte pelo suporte nos estudos geológicos das jazidas. REFERÊNCIAS Arai, M. (26) - A Formação Barreiras: recentes avanços e antigas questões. Geologia USP, Série Científica, v. 6, n. 2. São Paulo, out. 26. Pereira, A. L. (1961) - Equipamentos de Terraplenagem: Características e Emprego. Ed. Ao Livro Técnico Ltda. P.272. Ignatius, S. G. (1991) - Solos Tropicais: Proposta de Índice Classificatório. Solos e Rochas Revista Brasileira de Geotecnia, ABMS, v. 14, n. 2, p Radambrasil (1983) - Mapa Geológico da Folha SE-22, 1:1... Ministério das Minas e Energia, Brasília. Ricardo, H.S. e Catalani, G. (199) Manual Prático de Escavação: Terraplenagem e Escavação de Rocha. Ed. Pini, 2ª edição, p.668, São Paulo. Trenter, N.A. (21) - Earthworks: a guide. Editora Thomas Telford, 1ª edition, Londres. Caterpillar Brasil S.A. - Manual Caterpillar de Terraplenagem. Disponível em < lasempo.doc> (consulta em 2/1/212).