Compressão Unidimensional e Resistência ao Cisalhamento de Areias de Dunas

Compressão Unidimensional e Resistência ao Cisalhamento de Areias de Dunas Tahyara Barbalho Fontoura Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, Brasil, tahyara_barbalho@hotmail.com Olavo Francisco dos Santos Junior Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, Brasil, olavo@ct.ufrn.br Paulo Leite Souza Júnior Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, Brasil, pauloleitesjunior@yahoo.com.br RESUMO: O solo da área costeira da cidade do Natal/RN é composto, consideravelmente, por areias de Dunas, possuindo, em alguns casos, cimentação natural. Sabe-se que os modelos utilizados na Mecânica dos Solos Clássica consideram que o comportamento dos solos depende essencialmente do índice de vazios (no caso de areias) e da história de tensões (em se tratando de solos argilosos). Este trabalho apresenta os resultados parciais de uma pesquisa a respeito dos solos da região de Natal/RN e tem como objetivo estudar o efeito do índice de vazios sobre o comportamento tensãodeformação e resistência das Areias de Dunas de Natal/RN. Foram realizados ensaios de caracterização, de compressão unidimensional confinada e de compressão triaxial confianda drenada. Os ensaios de compressão confinada e compressão triaxial foram realizados para 3 valores de índice de vazios entre os índices de vazios máximo e mínimo:,6;,7;,8. Os ensaios de compressão triaxial mostraram que o comportamento tensão desviatória x deformação axial é dependente do índice de vazios. A amostra mais compacta apresentou pico de resistência bem definido, sob pequenas deformações, seguido de diminuição da resistência até um valor residual. A resistência de pico aumenta com o aumento da compacidade, no entanto, a resistência residual é a mesma para todos os índices de vazios. Os ensaios de compressão triaxial mostraram ainda que a amostra compacta apresenta uma compressão inicial seguida de expansão volumétrica. As amostras mais fofas apresentaram apenas compressão. Os resultados mostram que o ângulo de atrito variou de 31,58 a 37,74, aumentando com a redução do índice de vazios. Os ensaios de compressão confinada mostraram que a deformação é maior à medida que se aumenta o índice de vazios. O módulo oedométrico aumenta com a elevação do índice de vazios e para um dado índice de vazios, o Eoed aumenta com o acréscimo de tensão vertical. PALAVRAS-CHAVE: Areias de Dunas, Resistência ao Cisalhamento, Índice de vazios. 1 INTRODUÇÃO O litoral do Estado do Rio Grande do Norte é formado pelos seguintes tipos de relevo: campos de dunas, tabuleiros costeiros, falésias e planícies formada por praias arenosas. Ocorrem ainda planícies fluvio-marinhas nos estuários dos rios que chegam ao mar. A cidade do Natal/RN, capital do Estado, está inteiramente assentada sobre dunas. Em termos geológicos, as dunas correspondem a sedimentos de granulometria arenosa, composição quartzosa, transportados pela ação do vento. Os sedimentos tem origem nas praias arenosas, sofrem o tranporte eólico e se depositam quando o vento perde velocidade ou muda de direção. Em alguns casos, os depósitos eólicos possuem cimentação natural resultante de alterações pós-deposição. A legislação ambiental define as dunas como áreas de preservação. Na cidade de Natal, há dois importantes campos de dunas que são áreas de preservação permanente: O Parque Estadual Dunas do Natal, popularmente conhecido como Parque das Dunas, e o Parque da Cidade. Sabese, entretanto, que a cidade foi construída sobre dunas e que ainda há locais onde a permissão

para construir é liberada, uma vez que a ocupação antecedeu a lesgislação vigente. Diante disso, são necessários estudos que esclareçam o comportamento mecânico desses sedimentos arenosos. Muitos trabalhos tem sido desenvolvidos visando a compreensão da natureza geológica e geomorfológica destes solos. Barbosa (1997) destacou que os estudos sobre dunas costeiras têm sido realizados em várias regiões do mundo referindo-se à morfometria e à geometria interna das dunas, a fim de compará-las com sistemas eólicos antigos. A respeito do Parque das Dunas, já existem alguns trabalhos relacionados a sua biodiversidade (fauna e flora) e sobre a legislação existente, entre eles estão Carvalho (1998), Oliveira (1999) e Carvalho (21). Porém, não é comum a ocorrência de trabalhos sobre estabilidade das encostas, exceto alguns poucos realizados nas encostas já ocupadas, como por exemplo, Santos et al. (1998). Alguns trabalhos foram desenvolvidos sobre as propriedades geotécnicas das areias de dunas, abordando suas características geológicas e morfológicas (Jesus, 22). Este trabalho tem como objetivo estudar o efeito do índice de vazios sobre o comportamento tensão-deformação e resistência das areias de dunas. O trabalho apresenta resultados parciais de um projeto de pesquisa que visa analisar o efeito da cimentação no solo arenoso. O estudo do solo sem cimentação servirá como uma referência inicial para a análise do comportamento dos solos cimentados. Na pesquisa foram utilizados sedimentos arenosos situados no Campus da UFRN, no entorno do Parque das Dunas. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais O Parque Estadual das Dunas possui uma área de 1172 hectares, com dunas de até 12m de altura. Está localizado paralelo à orla marítima de Natal, apresentando a largura média de 1,5 km e comprimento de 9 km como é possível ver na Figura 1. O campo de dunas possui seu comprimento alinhado na direção N-S. Em suas imediações está localizada a Universidade Federal do Rio Grande do Norte com 123 hectares de área. O Campus Central está localizado na Av. Senador Salgado Filho, no bairro de Lagoa Nova, na zona sul de Natal, rodeado pelo campo de Dunas do Parque Estadual das Dunas. O solo presente no Campus é formado por sedimentos arenosos uniformes provenientes das dunas do seu entorno. Este trabalho utilizou o solo da região da UFRN para estudo. Figura 1. Localização do Parque das Dunas. 2.2 Métodos Inicialmente foram coletadas amostras deformadas para ensaios de laboratório com vistas à caracterização dos sedimentos e à obtenção das suas propriedades de resistência e compressibilidade. As amostras foram submetidas a ensaios de granulometria por peneiramento (NBR 7181:1984), determinação do peso específico dos sólidos (NBR 658:1984) e dos índices de vazios máximo (NBR 124:199) e mínimo (NBR 1251:1991), de acordo com as respectivas normas da ABNT. Os resultados dos índices de vazios máximo e mínimo foram tomados como referência para a moldagem dos corpos de prova utilizados nos ensaios de compressão triaxial confinados drenados (ASTM WK 3821) e de compressão unidimensional confinada (NBR 127:199). Para tal, foi utilizado um intervalo de valores entre emáx e emín. Os ensaios de compressão triaxial foram realizados para observar a influência da variação do índice de vazios sobre a resistência ao cisalhamento. Os corpos de prova foram

Percentual que Passa moldados com molde cilíndrico tripartido como mostra a Figura 2. A massa de solo para a moldagem foi previamente calculada de acordo com o índice de vazios e com o teor de umidade desejados. O solo foi compactado em 4 camadas, de iguais alturas, no interior do molde, com umidade de 6%. Os resultados obtidos dos ensaios de caracterização são mostrados na Tabela 1. A Figura 3 apresenta o gráfico com o resultado da análise granulométrica das amostras de sedimentos arenosos. Tabela 1. Resultados dos ensaios de caracterização. Silte Granulometria Areia fina Areia média Areia Grossa e mín emáx s (g/cm³),1% 3,3% 67,% 2,6%,59,79 2,6 Figura 2. Molde tripartido. As dimensões dos corpos de prova eram de 5 mm de diâmetro e altura de 1 mm. Os ensaios foram conduzidos com tensão confinante de 1 kpa e velocidade de carregamento de,1 mm/min, até a deformação axial de 2%. Os ensaios de compressão unidimensional confinada foram realizados para analisar a variação do índice de vazios sobre o comportamento tensão-deformação do solo estudado. Antes da moldagem, as amostras foram secas ao ar, o que resultou em amostras com teor de umidade de,2%. A massa de solo para a moldagem foi previamente calculada de acordo com o índice de vazios desejado. Os corpos de prova foram moldados diretamente dentro da célula de adensamento com anel do tipo rígido (diâmetro de 5 mm e altura de 2 mm), compactados em três camadas. Os ensaios de compressão confinada foram executados com o teor de umidade de moldagem (secos). Foram utilizados 8 estágios de carregamento e 4 de descarregamento Os estágios de carregamento foram realizados para as tensões de 12,5; 25; 5; 1; 2; 4; 8; 16 kpa e os de descarregamento para 4; 1; 25 e kpa. Para cada um dos estágios obtiveram-se leituras nos intervalos de tempo de min, ½ min, 1 min, 2 min, 4 min, 8 min, 15 min, 3 min, 1h e 2h. 3 RESULTADOS E ANÁLISES 3.1 Ensaios de Caracterização 1, 8, 6, 4, 2,,,1,1 1, 1, 1, Diâmetro da Partícula (mm) Figura 3. Curva Granulométrica das amostras ensaiadas. Através dos dados obtidos com o ensaio granulométrico é possível constatar que os sedimentos consistem predominantemente de areias médias. A análise da curva granulométrica mostra que o solo é uniforme com Coeficiente de não Uniformidade (Cu = d6/d1) em torno de 1,75. No Sistema Unificado de Classificação dos Solos, os sedimentos são classificados como SP. 3.2 Ensaios de Compressão Triaxial Confinados Drenados Os resultados dos ensaios de compressão triaxial são apresentados nas Figuras 4 e 5 e na Tabela 2. A Figura 4 apresenta as curvas tensão desviatória versus deformação axial, a Figura 5 mostra as curvas de variação volumétrica durante o cisalhamento e a Tabela 2 indica os valores de ângulo de atrito obtidos para cada índice de vazios estudado. A análise da Figura 4 mostra que o valor da tensão desviatória aumenta com a diminuição do índice de vazios. A curva tensão desviatória ( 1-

( 1-3) (kpa) 3) versus deformação axial ( a) apresenta pico de resistência mais bem definido apenas para o menor índice de vazios (,6). Após pico, a resistência diminui para um mesmo valor residual, que independe do índice de vazios inicial. Já as curvas tensão desviatória versus deformação axial para o dois índices de vazios maiores (,7 e,8) não apresentam pico e crescem com o carregamento. Para a deformação de 2%, as tês amostras apresentaram aproximadamente o mesmo valor de resistência, que corresponde ao valor residual. Analisando ainda a Figura 4, é possível obter os valores das tensões cisalhantes máximas, já que ( 1-3)max/2 =. As tensões cisalhantes máximas são iguais a 157,8 kpa, 112,1 kpa e 11 kpa, respectivamente para as amostras com índice de vazios de,6;,7 e,8. φ' ( ) q (kpa) Figura 4. Comportamento tensão-deformação para diferentes valores de índice de vazios. v (%) -6-4 -2 2 4 6 35 3 25 2 15 1 5,5,1,15,2 a e =,6 e =,7 e =,8 5 1 15 2 a (%) e =,6 e =,7 e =,8 Figura 5. Variação volumétrica dos corpos de prova. A Figura 5 mostra que a amostra com índice de vazios igual a,6 apresentou uma compressão inicial seguida de expansão. A curva para esse índice de vazios apresenta inicialmente a concavidade para cima e em seguida sofre uma inflexão mostrando uma concavidade para baixo. O ponto de inflexão nessa curva está associado ao pico de resistência da curva da Figura 4. Já as amostras com índice de vazios maiores apresentaram apenas compressão. Os valores de ângulo de atrito obtidos nos ensaios estão apresentados na Tabela 2. Os dados da Tabela 2 estão representados graficamente nas Figura 6 e 7. A análise das Figuras 6 e 7 mostra que o ângulo de atrito aumenta com a diminuição do índice de vazios, ou seja, quanto mais compacta a amostra maior o ângulo de atrito. Entretanto, é possível constatar que, para as amostras fofas, o ângulo de atrito praticamente não é alterado. Esses reusltados confirmam o que é do conhecimento geral na Mecânica dos Solos, no entanto, quantifica para esse tipo de sedimento o ganho efetivo de resistência com o aumento da compacidade. Tabela 2. Variação do Ângulo de atrito do solo ( ) em função do índice de vazios inicial. 7 6 5 4 3 2 1 Ensaio Nº Amostras e φ' ( ) 1,6 37,74 2,7 31,89 3,8 31,58 5 1 15 2 p (kpa) Linear (e =,6) Linear (e =,7) Linear (e =,8) Figura 6. Envoltórias de resistência. 4 38 36 34 32 3,5,6,7,8,9 e Figura 7. Influência do índice de vazios inicial no ângulo de atrito da areia.

Deformação (%) 3.3 Ensaios de Compressão Unidimensional Confinada Os resultados dos ensaios de Compressão Unidimensional Confinada são apresentados nas Tabelas 3 a 6 e nas Figuras 9 a 11. Os índices de vazios utilizados foram os mesmos do ensaio de Cisalhamento Direto (,6;,7 e,8). Com o incremento de tensões foi possível plotar gráficos que representam a influência da variação do índice de vazios sobre a compressibilidade do material. Na Figura 9 é apresentado o gráfico da deformação x tensão vertical. Através dele é possível perceber que a deformação é maior à medida que se aumenta o índice de vazios. Esse comportamento é explicado pelo volume de vazios existente na amostra. Quanto mais espaços vazios, maior será a liberdade de rearranjo das partículas. 1 2 3 4 5 6 7 Tensão vertical (kpa) 5 1 15 2 8 e =,6 e =,7 e =,8 Figura 9. Comportamento tensão-deformação da areia. Com os dados da Figura 9 foi possível calcular os valores de Eoed (módulo oedométrico) para os 8 estágios de carregamento e os 4 estágios de descarregamento, como apresentado nas tabelas 3, 4 e 5. A tensão correspondente a cada Eoed é dada pela tensão média do respectivo estágio de carregamento ou descarregamento. A expressão utilizada para o cálculo do Eoed é dada pela equação 1. Eoed = d v/d v (1) Tabela 3. Valores de E oed para e =,6. e =,6 Estágio Tensão (kpa) Eoed (kpa) 1 6,25 36,76 2 18,75 53,19 3 37,5 119,5 4 75, 158,73 5 15, 222,22 6 3, 314,96 7 6, 432,43 8 12, 82,51 1 1, 159,43 2 25, 437,96 3 62,5 245,9 4 12,5 52,63 Tabela 4. Valores de E oed para e =,7. e =,7 Estágio Tensão (kpa) Eoed (kpa) 1 6,25 19,23 2 18,75 125, 3 37,5 71,43 4 75, 14,17 5 15, 148,15 6 3, 29,42 7 6, 36,36 8 12, 72,72 1 1, 1777,78 2 25, 4, 3 62,5 174,42 4 12,5 45,5 Tabela 5. Valores de E oed para e =,8. e =,8 Estágio Tensão (kpa) Eoed (kpa) 1 6,25 14,88 2 18,75 65,79 3 37,5 44,64 4 75, 64,52 5 15, 1, 6 3, 177,78 7 6, 312,5 8 12, 529,8 1 1, 1188,12 2 25, 4, 3 62,5 192,31 4 12,5 3,12 A Figura 1 apresenta o gráfico de Eoed x tensão vertical. Os valores que formam a curva são encontrados nas Tabelas 3 a 5 apenas para os 8 estágios de carregamento. É possível perceber que Eoed é tanto maior quanto menor é o índice

Eoed (kpa) Índice de vazios de vazios. Isto significa que a compressibilidade das amostras aumenta com a diminuição da compacidade. Nota-se também que Eoed cresce com o aumento da tensão.,8,75 e =,6 e =,7 e =,8 e =,6 e =,7 e =,8 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,,, 5, 1, 15, Tensão vertical (kpa) Figura 1. Variação da Compressibilidade da areia. A compressibilidade pode também ser analisada a partir do índice de compressão, Cc. Esse índice é obtido através da curva e x log v indicando a inclinação do trecho retilínio da curva ou reta virgem. A Figura 11 apresenta a curva e x log v para os valores dos três índices de vazios. São mostrados os estágios de carregamento e descarregamento. Os valores de Cc foram calculados de acordo com a Equação 2 e encontram-se na Tabela 6. Utilizou-se apenas o último estágio de carregamento para os cálculos. Cc = - de / dlog v (2) Tabela 6. Valores de C c com a variação do índice de vazios. e,6,7,8 Cc,52,63,9 Da Tabela 6, tem-se que os valores de Cc aumentam à medida que se aumenta o índice de vazios.,7,65,6,55,5 Tensão vertical (kpa) Figura 11. Variação do índice de vazios com o aumento da tensão vertical. 4 CONCLUSÕES 1 1 1 1 1 Com base no estudo experimental realizado em amostras de areias de dunas por meio de ensaios de caracterização, compressão triaxial e de compressão confinada foi possível obter as conclusões apresentadas a seguir. O solo estudado consiste de areia média uniforme, com massa específica dos sólidos igual a 2,6 g/cm 3. De acordo com o SUCS o material foi classificado como SP. A areia apresentou valores de emin e emax de,59 e,79, respectivamente. Os ensaios de compressão triaxial mostraram que o comportamento tensão desviatória x deformação axial é dependente do índice de vazios. A amostra mais compacta apresentou pico de resistência bem definido, sob pequenas deformações, seguido de diminuição da resistência até um valor residual. A resistência de pico aumenta com o aumento da compacidade, no entanto, a resistência residual é a mesma para todos os índices de vazios. Observou-se que os valores de tensão cisalhante máxima, para os índices de vazios de,6;,7 e,8 são iguais a 157,8 kpa, 112,1 kpa e 11 kpa, respectivamente. Os ensaios de compressão triaxial mostraram ainda que a amostra compacta apresenta uma compressão inicial seguida de expansão volumétrica. As amostras mais fofas apresentaram apenas compressão. Os resultados mostram que o ângulo de atrito

variou de 31,58 a 37,74, aumentando com a redução do índice de vazios. Os ensaios de compressão confinada mostraram que a deformação é maior à medida que se aumenta o índice de vazios. O módulo oedométrico aumenta com a elevação do índice de vazios e para um dado índice de vazios, o Eoed aumenta com o acréscimo de tensão vertical. Os valores de índice de compressão (Cc) foram,51,,63 e,9 para os índices de vazios de,6,,7 e,8, respectivamente. dunas na cidade de Natal-RN, XI Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Brasília-DF, Vol. 1, p. 521-527. REFERÊNCIAS ASTM WK 3821 (211). New Test Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils. Barbosa, L. M. (1997). Campos de Dunas Costeiras Associados à Desembocadura do Rio São Francisco (SE/AL): Origem e Controles Ambientais. Tese de Doutorado. Curso de Pós-Graduação em Geologia, Universidade Federal da Bahia, Natal, 199p. Carvalho, M. M. (1998). Parque das Dunas do Natal/RN: Análise comparativa entre as diretrizes propostas no plano de manejo e o seu funcionamento em 1997/98. Monografia de Especialização. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 13 p. Carvalho, M. M. (21). Clima Urbano e Vegetação: Estudo Analítico e Prospectivo do Parque das Dunas em Natal. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós- Graduação em Arquitetura e Urbanismo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 278 p. Jesus, A. P. (22) Caracterização Geológica, Geomorfológica e Geotécnica de um Corpo de Dunas na Cidade de Natal-RN, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação em Geodinâmica e Geofísica, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 16 p. NBR 7181 (1984). Solos Análise Granulométrica, 12 p. NBR 658 (1984). Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm - Determinação da massa específica, 8 p. NBR 124 (199). Solo - Determinação do índice de vazios máximo de solos não coesivos - Método de ensaio, 6 p. NBR 1251 (1991). Solo - Determinação do índice de vazios mínimo de solos não coesivos - Método de ensaio, 15 p. NBR 127 (199). Solo - Ensaio de adesamento unidimensional - Método de ensaio, 15 p. Oliveira F. F. G. 1999. Utilização do Sistema de Posicionamento Global GPS no Mapeamento e Georreferenciamento Ambiental das Zonas de Proteção Ambiental de Natal-RN. Monografia, Departamento de Geografia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 121p. Santos Jr, O. F. et al (1998). Mapeamento de Áreas de risco de movimentos de massas em encostas formadas por