O EFEITO DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E COMPRESSÃO SIMPLES NA FUNÇÃO DE UMIDADE DE SOLOS RESIDUAIS NÃO SATURADOS Alunos: Pedro Oliveira Bogossian Roque e Douglas Souza Alves Júnior Orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos Co-Orientador: Mariana Ferreira Benessuiti Introdução A função de umidade, também denominada curva característica, ou curva de retenção, é uma importante relação no estudo de solos não saturados, a qual exprime a variação da quantidade de água retida no solo, expressa em teor de umidade volumétrica (Ө), teor de umidade gravimétrica (w) ou grau de saturação (S), com a variação da sucção (ψ). 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. No caso unimodal, 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, 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). O objetivo deste relatório é avaliar a relação entre os valores de sucção de dois solos residuais jovens não saturados com suas resistências a tração e a compressão simples correspondentes. Metodologia Para os ensaios, foram utilizadas amostras de dois tipos de solos residuais jovens, provenientes da Reserva Biológica Federal do Tinguá, em Nova Iguaçu, e do município de Nova Friburgo, do estado do Rio de Janeiro. As tabelas abaixo apresentam o resumo da granulometria desses solos: Tabela 1 - SRJ Friburgo Resumo da Granulometria: Pedregulho = 1.4 % Areia Grossa = 29.4 % Areia Média = 18.9 % Areia Fina = 12.2 % Silte = 31.9 % Argila = 6.2 %
Tabela 2 - SRJ Tinguá Resumo da Granulometria Pedregulho = 0.1 % Areia Grossa = 4.6 % Areia Média = 31.5 % Areia Fina = 27.4 % Silte = 29.8 % Argila = 6.6 % A curva da distribuição incremental dos diâmetros dos poros, obtida através do ensaio de porosimetria de mercúrio, mostra duas famílias de pico para os dois solos. Como este ensaio tem estreita relação com o formato da curva característica, pode-se prever um comportamento bimodal para ambos solos. Gráfico 1 - Curva de distribuição incremental dos diâmetros dos poros do solo residual jovem de Tinguá
Gráfico 2 - Curva de distribuição incremental dos diâmetros dos poros do solo residual jovem de Friburgo Os corpos de prova foram obtidos através de amostras indeformadas extraídas do campo e armazenados de forma a preservar as condições naturais. Para os ensaios de tração, foram utilizados anéis metálicos com 2,00 cm de altura e 3,50 cm de diâmetro, enquanto que para os ensaios de compressão simples, foram utilizados cilindros com 7,95 cm de altura e 3,95 cm de diâmetro. Para amostras reconstituídas, foi utilizado solo amolgado, mantendo o índice de vazios e o peso específico originais. Figura 1 - Moldagem de amostras indeformadas para ensaio de tração (SRJ Friburgo)
Figura 2 - Moldagem de amostras reconstituídas para ensaio de compressão simples (SRJ Tinguá) Em todos os processos, as amostras foram saturadas por capilaridade e em seguida secas ao ar até atingirem determinado teor de umidade gravimétrica previamente arbitrado [1]. Ao final desta etapa, os corpos de prova foram postos em contato com o papel filtro do tipo Whatman Nº 42, sendo cada um envolvido por camadas de papel filme tipo PVC e papel alumínio. Em seguida, foram guardados em uma caixa de isopor, para maximização do isolamento térmico. O método do papel filtro [2] se fundamenta no princípio de absorção e equilíbrio que ocorre quando um material poroso, no caso, o solo, com deficiência de umidade é posto em contato com um papel filtro, que apresente menor umidade. O papel absorve uma certa quantidade de água do solo até que seja estabelecido um equilíbrio da sucção matricial, tendo como consequência valores idênticos de sucção no solo e no papel filtro. Através da relação entre sucção e umidade do papel filtro, a sucção é obtida referindo-se à curva de calibração. As amostras ficaram em repouso por no mínimo sete dias, para que a equalização da sucção matricial se estabelecesse. Após este período, os conjuntos foram abertos e os papéis filtros colocados diretamente na balança com precisão de 0,1 mg. Para cada valor de tempo pré-determinado (10, 20, 30, 40, 50 e 60 segundos) a massa do papel foi obtida e, por correlação exponencial, foi determinada a massa de papel filtro úmido no tempo igual a zero. Este procedimento foi repetido para a obtenção da massa do papel filtro seco após secagem por um período de duas horas, em estufa a 110 C. A umidade do papel filtro é calculada a partir da massa seca e da úmida. O valor da sucção de cada amostra é determinado, a partir da umidade do papel filtro, segundo a equação de calibração, permitindo a construção da curva característica de cada solo. Paralelamente, o aparelho WP4C Dewpoint Potentiometer foi utilizado para medir valores elevados de sucção matricial das amostras. A equação de calibração para o cálculo da sucção é dada por: Sendo: = umidade do papel filtro; = sucção matricial., para wp > 47%, para wp < 47%
Os corpos de prova foram então submetidos aos ensaios mecânicos. A resistência a tração é obtida através da compressão diametral dos anéis [3], enquanto a resistência a compressão simples é obtida através da compressão axial dos cilindros [4]. As amostras sofrem um carregamento sob velocidade de ensaio constante previamente determinada. Através dos dados gerados pelo sensor de deslocamento (LVDT) e pela célula de carga, foi traçado a curva de tensão versus deformação para cada ensaio. Para os ensaios de compressão diametral, a tensão é dada pela fórmula abaixo: Sendo: = força registrada pela célula de carga; = diâmetro do corpo de prova; = altura do corpo de prova. Para os ensaios de compressão simples, a tensão é dada pela força registrada pela célula de carga dividida pela área corrigida do corpo de prova. A resistência do solo é o ponto máximo da curva tensão versus deformação. Figura 3 - Corpo de prova submetido ao ensaio de compressão diametral (SRJ Friburgo)
Figura 4 - Corpo de prova submetido ao ensaio de compressão axial (SRJ Tinguá) Resultados e Discussão Os ensaios de ambos os solos estudados apresentaram os seguintes resultados, descritos nas tabelas abaixo: Tabela 3 Resistência a Tração - SRJ Friburgo - indeformado SRJ Friburgo - reconstituído Anel Sucção - Sucção - RT Umidade Umidade Grau de PF (kpa) WP4C (kpa) (kpa) (%) Volumétrica (%) Saturação (%) 1 878.87 1050 10.24 7.17 9.97 22.65 4 25.32 70 4.58 18.52 27.67 62.91 5 282.98 290 9.76 10.64 15.99 36.61 6 5.63-3.88 25.68 38.65 88.68 7 14.96-3.94 18.49 28.11 65.40 11 8.91-4.51 21.34 32.06 73.41 19 7.69-0.65 21.64 32.77 75.82 71 84.67 120 6.47 13.87 20.29 44.94 73 33.90-4.51 16.79 25.34 58.40 801 5566.82 7860 10.26 3.25 4.71 10.31
Tabela 4 - Resistência a Tração - SRJ Friburgo - reconstituído SRJ Friburgo - indeformado Anel Sucção - Sucção - RT Umidade Umidade Grau de PF (kpa) WP4C (kpa) (kpa) (%) Volumétrica (%) Saturação (%) 5 86.94 30 8.66 12.62 18.75 42.34 9 43.30 10 5.34 17.97 26.77 60.68 11 1964.41 2560 17.25 5.74 8.52 19.19 12 747.93 810 16.39 14.56 20.45 43.23 71 4.18-2.51 27.39 38.72 82.39 72 18.21-4.69 21.93 30.95 65.71 113 13.78-3.82 21.47 31.26 68.82 212 9.57 20 5.26 23.49 34.38 76.18 434 39.68-7.03 15.80 23.22 51.72 Tabela 5 - Resistência a Compressão Simples -SRJ Friburgo - indeformado SRJ Friburgo - indeformado Cilindro Sucção - Sucção - RCS Umidade Umidade Grau de PF (kpa) WP4C (kpa) (kpa) (%) Volumétrica (%) Saturação 31 3173.33 3960.00 114.38 4.89 7.30 16.58 34 1616.33 1320.00 108.43 5.85 4.69 6.71 35 13.68-56.24 22.55 33.69 76.57 37 22.55-72.64 17.93 27.26 63.40 38 123.10 80.00 96.32 16.99 25.13 56.43 39 194.40 150.00 116.52 12.30 18.79 44.01 41 5.08-28.27 24.32 29.97 55.73 42 604.81 320.00 78.72 9.60 14.09 31.34 Tabela 6 - Resistência a Compressão Simples - SRJ Friburgo - reconstituído SRJ Friburgo - reconstituído Cilindro Sucção - PF (kpa) Sucção - WP4C (kpa) RCS (kpa) Umidade (%) Umidade Volumétrica (%) Grau de Saturação 17 914.10 890 183.22 8.05 12.63 30.65 19 2615.49 2790 217.16 5.05 7.92 19.25 23 4641.23 4770 187.6 4.12 6.53 16.10 24 253.91 430 145.05 10.58 16.78 41.39 28 12.65-34.96 21.94 33.43 77.97 30 7.02-32.91 23.24 35.38 82.40 31 19.37-48.54 19.48 30.32 72.82 34 47.14-71.77 16.41 25.83 63.02 36 66.74 130 96.41 14.85 23.31 56.69 37 95.74 190 134.43 12.46 19.73 48.60
Tabela 7 - Resistência a Compressão Simples - SRJ Tinguá - indeformado SRJ Tinguá - indeformado Sucção -PF Sucção - RCS Umidade Umidade Grau de Cilindro (kpa) WP4C (kpa) (kpa) (%) Volumétrica (%) Saturação 23 18.98-53.08 28.61 36.10 66.30 24 9.92-48.85 30.34 38.37 70.49 29 2010.56 2300.00 104.76 6.77 8.50 15.54 30 2881.63 3130.00 146.94 9.96 12.77 23.77 33 5.44-25.54 29.52 38.66 73.34 34 27.61 70.00 45.37 25.52 32.32 59.55 35 77.15 160.00 67.22 20.30 25.62 47.07 36 58.40 100.00 104.94 22.98 28.93 53.03 37 734.07 410.00 119.08 15.07 19.73 37.42 Tabela 8 - Resistência a Compressão Simples - SRJ Tinguá - reconstituído SRJ Tinguá - reconstituído Cilindro Sucção - PF (kpa) Sucção - WP4C (kpa) RCS (kpa) Umidade (%) Umidade Volumétrica (%) Grau de Saturação 11 7.27-29.83 32.11 40.88 75.65 12 8.91-36.72 32.17 39.38 70.58 13 19.54 10 51.34 27.00 34.21 63.05 14 57.61 50 78.69 23.86 31.03 58.48 15 77.09 120 98.28 21.88 28.31 53.13 17 700.17 530 124.82 16.61 21.11 39.00 18 1754.95 1350 113.67 11.39 14.20 25.83 19 2674.04 2590 124.43 9.05 11.16 20.09 Os ensaios de sucção apresentam como resultado a curva característica de cada solo, apresentadas abaixo em função da umidade gravimétrica. Gráfico 3 - Curva Característica - SRJ Friburgo
Gráfico 4 - Curva Característica - SRJ Tinguá Os gráficos de tensão versus deformação para cada solo foram montados através dos resultados dos ensaios mecânicos de compressão diametral dos anéis e compressão axial dos cilindros. Gráfico 5 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Tração - SRJ Friburgo - indeformado
Gráfico 6 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Tração - SRJ Friburgo reconstituído Gráfico 7 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Compressão Simples - SRJ Friburgo - indeformado
Gráfico 8 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Compressão Simples - SRJ Friburgo reconstituído Gráfico 9 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Compressão Simples - SRJ Tinguá - indeformado
Gráfico 10 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Compressão Simples - SRJ Tinguá - reconstituído A partir dos resultados obtidos, pode-se traçar gráficos que relacionem a sucção matricial com a resistência mecânica dos solos ensaiados. Gráfico 11 - Resistência a Tração vs. Sucção - SRJ Friburgo
Gráfico 12 - Resistência a Compressão Simples vs. Sucção - SRJ Friburgo Gráfico 13 - Resistência a Compressão Simples vs. Sucção - SRJ Tinguá Conclusões As curvas características montadas apresentaram comportamento bimodal para ambos os solos residuais estudados, com dois pontos de entrada de ar, como era esperado pelo resultado do ensaio de porosimetria de mercúrio. Os ensaios mostraram que a resistência do solo apresenta uma relação significativa com a sucção matricial. Os resultados mostraram uma faixa de crescimento da resistência até elevados valores de sucção. A partir de valores superiores a 1000 kpa, a resistência mantevese estável em alguns dos ensaios realizados e apresentou uma queda nos demais.
Referências 1 - MARINHO, F. A. M. Os solos não saturados: aspectos teóricos, experimentais e aplicados. São Paulo, 2005. 201p. Concurso de Livre-Docência na especialidade Geomecânica do Departamento de Estruturas e Fundações - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. 2 - CHANDLER, R. J.; GUTIERREZ, C. I. The filter-paper method of suction measurement. Géotechnique, v.36, n.2, p. 265-268. 1986 3 - BENESSIUTI, M. F.; BERNARDES, G. P.; CAMARINHA, P. I. M. Influência da sucção matricial na resistência à tração de solos residuais de gnaisse compactados. São Paulo, 2010 4 - VALEJOS, C. V.; BAZAN, H. W. D.; LOYOLA, J. M. T.; CECON, T. A. Cálculo de ensaios laboratoriais de mecânica dos solos. Curitiba, 2005. 183p. Universidade Federal do Paraná