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ECV5149 – Geologia de Engenharia 175 Capítulo 7 DINÂMICA de Superfície Intemperismo e Formação de Solo Uma paisagem somente estará completamente estudada quando puder ser corretamente descrita em termos de estrutura, processo e tempo o que envolve conhecimentos diversificados (da física a hidrologia, da botânica a pedologia, etc.) “A dinâmica superficial é responsável pela modelagem da superfície da Terra” 1. Processos “São eventos que envolvem a aplicação de forças sob um certo gradiente. Estas forças estão relacionadas à ação da chuva, vento, ondas, rios, gelos e etc.” Quando estas forças excedem a resistência dos sistemas naturais ocorrem modificações por alterações do terreno, mudança de posição ou mudanças na estrutura química. Diversos agentes estão envolvidos na destruição da superfície da Terra: Agentes móveis – Rios escavam canais; ondas atacam as praias e costões; vento movimenta as areias das dunas e das praias; geleiras desgastam aos ales glaciais. Agentes imóveis – Variação de temperatura e umidade; dissolução de calcários em cavernas; congelamento de águas em fraturas. “A dinâmica superficial compreende a interação de fatores físicos, químicos, biológicos e fatores antrópicos (ação do homem)” Modificações antrópicas Alteração do escoamento da água superficial Impermeabilização do solo Remoção ou destruição da cobertura vegetal Os processos da dinâmica superficial que atuam com mais freqüência no Brasil são: Intemperismo Erosão Movimento de massa Assoreamento Inundação Subsidiência e colapsos Processos Costeiros 2. Intemperismo Conjunto de processos que ocasionam a alteração e a decomposição química das rochas e dos minerais graças a ação de agentes atmosféricos e biológicos. São processos que atuam através de mecanismos modificadores das propriedades físicas dos minerais e rochas (morfologia, resistência e textura) e de suas características químicas, classificando-se nos seguintes tipos: Intemperismo físico Intemperismo químico ECV5149 – Geologia de Engenharia 176 2.1 intemperismo físico 2.1.1 Variações de temperatura repentinas Durante o dia a temperatura nas rochas chega a 60º e a 0o durante a noite. Estas variações de temperatura fazem com que os minerais das rochas estejam ora em estado de expansão, ora em contração. Os coeficientes de dilatação térmica dos minerais são diferentes, sendo assim, começam a aparecer pequenas trincas que vão se alongando com o tempo, fraturando todo o maciço com conseqüente desintegração em blocos. Exemplo: Considerando um cubo de granito, com 3 metros de lado, a penetração do calor será maior nos vértices e arestas do que no centro das faces, pos nestes pontos a superfície exposta é maior. Alteração esferoidal resulta na produção de formas arredondadas a partir de formas angulosas de blocos de rocha Apesar de ser um cubo a linha isotérmica terá a forma de uma esfera. Às 5:00hs o cubo mostraria uma casca de 15 a 20 cm,com temperatura de 26º C, enquanto que a temperatura no núcleo do granito estaria numa temperatura da ordem de 35º C. → Nesta situação a casca do granito tenderia a esmagar o núcleo. As 17:00 hs a casca do granito estaria aquecida com 63º C, estaria expandida, sofrendo esforços de tração. Como as rochas resistem mais à compressão tem-se que s esforços derivados do aquecimento, teriam maiores conseqüência na ruptura. A fadiga a tração levaria ao desprendimento de uma casca semelhante a uma cebola, com 15 a 25 cm de espessura, que tenderia a arredondar as arestas do cubo. Este processo denomina- se de esfoliação esferoidal. (Victor Hugo, 1992) Praia do Campeche/Florianópolis Barra da Lagoa / Florianópolis Ataque de um lado ECV5149 – Geologia de Engenharia 177 Esfoliação esferoidal de um bloco de rocha 2.1.2 Congelamento da água Fendas (trincas) preenchidas com água em regiões que alcançam baixas temperaturas, têm um acréscimo de pressão, da ordem de 150 kg/cm2 (Petrucci, B.;1979), quando do seu congelamento (aumento do seu volume em 10%) o que contribui para o seu fraturamento. Fragmentação por ação do gelo. A água líquida ocupa as fissuras da rocha (a), que posteriormente congelada expande e exerce pressão nas paredes (b). Bloco de gnaisse fraturado pela ação do gela nas fissuras A força de expansão da água durante o seu congelamento é muito superior à força de tração de muitas rochas. Alguns valores típicos de resistência a tração das rochas: Granito → da ordem de 70 kg/cm2 Mármore → 49 a 63 kg/cm2 Arenito → 7-14 kg/cm2 ECV5149 – Geologia de Engenharia 178 2.1.3. Alívio de tensão As rochas que se formaram a grandes profundidades (15-30 km), tais como as rochas ígneas plutônicas abissais (granito, gabro), estiveram submetidas a elevadas pressões Posteriormente,com o soerguimento daquele ponto da placa continental, tais rochas foram alçadas a profundidades menores e sua cobertura foi erodida até que afloraram ficando expostas a atmosfera. Estas rochas estiveram submetidas a elevadas pressões passam a ser submetida a pressão de 1 atm sofrendo assim uma acentuada descompressão. A conseqüência será a ruptura intensa da rocha segundo a direção paralela a superfície do terreno com espaçamento de 1 a 10 metros condicionando a fragmentação desta rocha em formato de placas paralelas. Formação de juntas de alívio em conseqüência da expansão do corpo rochoso sujeito a alívio de pressão. Exemplos: Desplacamento abrupto, assemelhando-se a explosão, que ocorrem nas paredes das galerias da Mina do Morro Velho – MG. Destacam-se espontaneamente placas de rocha, em pontos imprevisíveis de forma violenta, que tem causado vítimas fatais. Túneis da adução de água da Hidroelétrica Capivari-Cachoeira. Ocorreu desprendimento, frequentemente violento, de placas de rocha das paredes das escavações. 2.1.4 Cristalização de sais e Ação física dos vegetais As águas presentes no interior de fendas de rochas podem evaporar e precipitar os sais que se encontram em solução. Esta cristalização exerce uma pressão que contribui para a desintegração das rochas (comum em regiões costeiras) Ação do crescimento de raízes ao longo das fraturas também separa e remove fragmentos de rochas. A porção superficial da rocha é comumente habitada por algas, musgos e liquens que liberam produtos químicos ativos que atacam a rocha. ECV5149 – Geologia de Engenharia 179 Ação do crescimento de raízes alargando as fisssuras e contribuindo para a fragmentação da rocha 2.2 Intemperismo químico Transformação química dos minerais que compõem a rocha. Ocorre fragmentação das rochas aumentando a superfície exposta ao ar e à água. O intemperismo físico abre caminho e facilita o intemperismo químico. O principal agente do intemperismo químico é a água de chuva, que infiltra e percola as rochas. Esta água rica em oxigênio (O2) em interação com o CO2 da atmosfera adquire caráter ácido. Ao entrar em contato com o solo, que enriquecem o ambiente em CO2, tem o seu pH diminuído. O aumento da acidez destas águas proporciona o aumento do seu poder de ataque em relação aos minerais, intensificando assim o intemperismo químico. Na maior parte dos ambientes da superfície da terra, as águas percolantes têm pH entre 5 e 9. Neste ambiente as principais reações de intemperismo são: Hidratação Dissolução Hidrólise Oxidação 2.2.1 Hidratação A hidrataçãodos minerais ocorre pela atração entre os dipolos das moléculas de água (não rompidas em H+ e OH-) e as cargas elétricas não neutralizadas da superfície dos grãos. Na hidratação, moléculas de água se incorporam e entram na estrutura dos minerais, modificando-as e formando um novo mineral. ECV5149 – Geologia de Engenharia 180 Exemplos: 1) CaSO4+2H2O → CaSO4.2H2O. (anidrita) (gipsita) 2) Entre os minerais que se hidratam merecem destaque as argilas que apresentam comportamento de expansão. Como exemplo tem-se a presença de nontronita em basalto que pode levar a rocha à ruptura. 3) A conjugação de processos de intemperismo físico, tais como a variação e temperatura, alívio de tensão e hidratação tem grande interesse na intemperização de folhelhos. Quando aquecidas ou hidratadas as lâminas dos folhelhos, formadas pelas fissilidades, se expandem, desprendendo-se das Lâminas subjacentes. Este processo de desplacamento do folhelho cessará, quando as plaquetas que se desprenderem, não escorregarem recobrindo a rocha. Este fato ocorrerá quando a inclinação da encosta ou do corte for de 1:1, ou seja, 45º. (Victor Hugo, 1992). Empastilhamento de rocha Este processo é considerado um fenômeno de instabilidade superficial e apresenta de maneira semelhante à erosão, características de destruição da estrutura do material e sua posterior remoção. É comum a sua ocorrência em regiões tropicais e resulta de uma ação cíclica de umedecimento e secagem. • Rochas sedimentares, como siltitos e folhelhos das formações lrati e Estrada Nova, quando expostas às intempéries manifestam desagregação superficial, conhecida por empastilhamento. • O material desagregado pode atingir a via, colmatar obras de drenagem, bem como descalçar blocos de rocha de outras camadas mais resistentes em um processo conhecido com erosão diferencial. Empastilhamento em rochas xistosas ECV5149 – Geologia de Engenharia 181 Erosão diferencial Empastilhamento de solo – Serra do Corupá/SC Medidas corretivas • Impedimento da ocorrência de ciclicidade (umedecimento/secagem) através da proteção superficial, ou confinamento do talude com camada de solo compactado. 2.2.2 Hidrólise A hidrólise é a principal causa do intemperismo químico dos minerais das rochas. A hidrólise resulta da dissociação quase que completa da água, gerando íons de hidrogênio (H+) e consequentemente a formação de pH ácido. A hidrólise está relacionada intimamente a hidratação. Pela hidratação a água é incorporada à estrutura cristalina do mineral. Na hidrólise ocorre a decomposição do mineral pela água transformando-o em outras substâncias inteiramente novas. ECV5149 – Geologia de Engenharia 182 Os silicatos são atacados quimicamente pela água em dois passos sucessivos: 1º passo: A água penetra nos capilares dos minerais, afrouxando-os 2º passo: Ocorre a hidrólise propriamente dita com a quebra da estrutura cristalina do mineral. Exemplo: Alteração de feldspato potássico. Alteração de um feldspato potássico em presença de água e ácido carbônico, com a entrada de H+ na estrutura do mineral substituindo o K+. O potássio é totalmente eliminado pela solução de lixiviação e a sílica apenas parcialmente; a sílica não eliminada recombina-se com o alumínio também não eliminado, formando uma fase secundária argilosa (caulinita) 2.2.3 Dissolução Alguns minerais estão sujeitos à dissolução que consiste na solubilização completa. É o caso da calcita e da halita que entram em solução conforme a equação abaixo: Exemplos: CaCO3 → Ca+ 2+CO3 -2 (Calcita) NaCl → Na++ Cl- (Halita) 2.2.4 Oxidação Alguns elementos podem estar presentes nos minerais em mais de um estado de oxidação. ECV5149 – Geologia de Engenharia 183 Exemplo: Ferro – Encontra-se nos minerais ferro-magnesianos (inossilicatos → piroxênios e anfibólios; nesossilicatos → Olivina; Filossilicato → Biotita) sob a forma de Fe +2 e quando liberado em solução oxida-se a Fé +3 e se precipita como um novo mineral, a geotita que é um óxido de ferro hidratado. Formação da geotita: 2FeSiO3 + 5H2O + ½ O2 → 2FeOOH + 2 H4SiO4 (Geotita) A geotita pode transformar-se em hematita por desidratação: 2FeOOH → Fe2O3 + H2O (Hematita) A alteração intempérica de um mineral com Fe+2 resulta, por oxidação do Fe+2 para Fe+3, na formação de geotita. 3. Formação do Solo Para a finalidade específica de engenharia civil, o termo solo corresponde a todo material da crosta terrestre que não oferece resistência intransponível à escavação mecânica e que perde totalmente toda a resistência quando em contato prolongado com a água (Vargas, 1978). A origem e evolução do solo está relacionada aos seguintes fatores: Clima – Condicionado principalmente pela ação da chuva e da temperatura Material de origem – A alteração intempérica depende da natureza dos minerais constituintes das rochas Organismos – Vegetais e animais Relevo – Interferindo na dinâmica da água Tempo. O desenvolvimento do solo inicia-se com o intemperismo físico e químico agindo sobre as rochas formando materiais não consolidados. Este material proveniente da desagregação da rocha poderá permanecer no local onde se desenvolveu ou se transportar para outro originando os seguintes tipos de solos: Solo residual – Formado no local, diretamente da desagregação da rocha subjacente ao perfil do solo. ECV5149 – Geologia de Engenharia 184 Transportado – Dependendo do agente transportador pode receber as seguintes denominações. o Coluvionar – ação da gravidade o Aluvionar – ação da água corrente o Glacial – ação de geleiras o Eólicos – ação do vento. Seção esquemática com diversos tipos de solos, em região com escarpa de serra (Serra geral, interior do Estado de São Paulo) 3.1 Fatores que condicionam a formação do solo. 3.1.1 Clima Os aspectos climáticos mais importantes na formação dos solos estão relacionados à temperatura e precipitações pluviométricas. a) Temperatura Quanto maior for a temperatura maior a profundidade do terreno submetido à alteração física e química. Mantidas as condições pluviométricas, as regiões de clima temperado apresentam solos mais profundos. Um aumento de 10º C aumenta a velocidade de uma reação química de duas a três vezes. b) Precipitação pluviométrica Na formação do solo a ação da água atua nos processos de alteração química e movimento de soluções e lixiviação do solo. Promove o aumento da alteração química por hidrólise, remoção de elementos solúveis e acúmulo de elementos insolúveis em determinadas posições do perfil do solo. 3.1.2 Relevo ECV5149 – Geologia de Engenharia 185 A influência do relevo se manifesta pela sua interferência na dinâmica da água e nos processos de erosão e sedimentação. Relevo com topografia suave facilita a infiltração de água de chuva superando as taxas de escoamento superficial. Os processos de formação do solo atuam em profundidades maiores. As perdas de solo por erosão são menos significativas Em regiões de clima úmido, como o observado em grande pare do território brasileiro, é comum a formação de solos influenciados pela circulação de água das chuvas, tendo como exemplo os solos lateríticos (ocorrem em regiões aplainadas ou ligeiramente onduladas e bem drenadas).3.1.3 Tipo de rocha Muitas propriedades físicas e químicas do solo são determinadas pelo conteúdo mineralógico. Rochas compostas por minerais ricos em sílica produzem solos de textura arenosa (Ex. granito). Rochas com relevante porcentagem de minerais ferromagnésianos (biotita, olivina e piroxênio) e feldspatos oferecem condições para a formação de solos argilosos (Ex. basalto, diabásio). Solo residual do Granito Ilha – SC401/Florianópolis Amostra retida # 2 mm Amostra passante na # 2 mm ECV5149 – Geologia de Engenharia 186 Amostra integral de solo residual de Diabásio – Itacorobi/Florianópolis 3.1.4 Ação de organismos Os restos de vegetais, acumulados na superfície do solo, passam progressivamente por transformações físico-química com produção de humos. Bactérias e fungos contribuem na alteração de certos minerais Espécies vegetais com raízes profundas e seres vivos que se instalam no interior do solo (minhoca, formiga e cupim) contribuem para a evolução do solo, desenvolvem a porosidade do solo tornando-o mais permeável. 3.1.5 Tempo As regiões de clima quente e úmido com densa cobertura vegetal desenvolvem o solo em um período de tempo menor. Superfícies topográficas mais antigas não apresentam necessariamente solos mais evoluídos, pois esta evolução depende da conjunção de todos os fatores anteriores. 3.2 Espessura do solo e forma de relevo Sendo a formação do solo condicionada pela maior ou menor penetração da água e pela alterabilidade relativa dos minerais, que constituem a rocha, é de se esperar duas situações principais quanto à espessura do solo: Espessura do solo em áreas com variação do tipo de rocha Espessura do solo em áreas com o mesmo tipo de rocha 3.2.1 Espessura do solo em áreas com variação do tipo de rocha A espessura do solo tenderá a ser maior nas áreas de rochas constituídas de minerais de maior alterabilidade que influenciará a forma do relevo. ECV5149 – Geologia de Engenharia 187 Exemplos: a) Granito – tendo menor alterabilidade apresentará solo de menor espessura e tenderá a formar um relevo acidentado b) Diabásio – por ser mais facilmente alterado, por conter minerais com quantidade menor de sílica, tenderá a formar solo de maior espessura. 3.2.2 Espessura do solo em áreas com o mesmo tipo de rocha A espessura do solo será determinada predominantemente pelo fraturamento da rocha e da sua estrutura. Nos pontos onde o fraturamento for mais intenso, tenderá a ocorrer maior espessura de solo e o desenvolvimento de vales. Menor espaçamento das fraturas, provoca o desenvolvimento de maior espessura de solo e de vales. (Victor Hugo , 1992) 3.3 Perfil de alteração Do que foi exposto anteriormente tem-se que a formação do solo é composta de duas etapas que ocorrem simultaneamente: Formação do substrato: Ocorre por meio do intemperismo agindo sobre as rochas Diferenciação dos horizontes: a camada de detritos intemperizados vai se diferenciando em subcamadas morfologicamente distintas. Ocorre a incorporação da matéria orgânica e a migração de matéria mineral e orgânica entre os horizontes do solo Deere e Patton (1971) definem perfil de alteração com a seqüência de camadas formadas por processos de alteração física e química e que permanecem recobrindo o maciço rochoso. A migração de matéria orgânica e mineral depende da presença da água podendo ser descendente ou ascendente, na zona de aeração e de saturação, e horizontais para a água da zona de saturação. Entre estes processos de migração estão as substâncias solúveis sobre a forma de sais (lixiviação), migração de de Fe e Al sobe a forma de complexos organometálicos (queliviação) e migração de partículas de argilominerais em suspensão. ECV5149 – Geologia de Engenharia 188 Relações entre minerais formadores de rochas e os argilominerais produzidos por intemperismo Série de Goldich: Ordem de estabilidade frente ao intemperismo dos minerais mais comuns. Comparação com a série de cristalização fracionada magmática de Bowen Os três principais horizontes de solo definidos pela PEDOLOGIA são os seguintes: Horizonte Características A Superficial, acumula matéria orgânica e lixívia material para o horizonte inferior B Intermediário, com pouca matéria orgânica originada do horizonte A, acúmulo de material lixiviado (húmus,argila, óxido de ferro e alumínio transportados do horizonte A); não é encontrada estrutura ou textura da rocha original; C Corresponde a rocha alterada, mantém a estrutura da rocha original, alguns minerais ainda não sofreram intemperismo (saprolito), nenhuma matéria orgânica; podendo conter até 10% de blocos de rocha ECV5149 – Geologia de Engenharia 189 Muitos pesquisadores propuseram sua própria terminologia para designar as diferentes camadas de um perfil de solo. Baseado em diferentes proposições existentes, Pastore (1995) propôs uma padronização da terminologia para descrever o perfil do solo. As características dos horizontes de solo são descritas como: (I)Horizonte de solo orgânico – Presente em todos os perfis, geralmente com pequena espessura. Composto por areia, silte e argila e quantidade apreciável de matéria orgânica. (II)Horizonte laterítico – Pode estar presente em solos residuais ou transportados e não apresenta estrutura típica da rocha de origem. (III)Horizonte de solo saprolítico – Composto por solo residual cuja principal característica é apresentar a estrutura reliquiar da rocha de origem, podendo conter até10% de blocos de rocha. (IV)Horizonte saprolítico – É a transição entre o maciço de solo e o maciço rochoso. É composto por blocos ou camadas de rochas em vários estágios de alteração. Quantidade de blocos de rocha superior a 10%. (V)Horizonte de rocha muito alterado – Caracteriza o topo do maciço rochoso, sendo a rocha composta por minerais em avançado estado de alteração, sem brilho e com resistência reduzida. (VI)Horizonte de rocha alterada – a resistência da rocha é bem maior do que a do horizonte de rocha muito alterada. (VII)Horizonte de rocha sã Perfil de alteração típico de rochas areníticas Rocha: Arenito SOLO RESIDUAL Textura: Areia Horizonte C Horizonte B % média dos minerais da rocha Areia Silte Argila Areia Silte Argila Quartzo – 90% 90% 85% Argila – 10% 10% 15% Granulometria 90% 10% 85% 15% Classificação Arenoso Arenoso Relação esquemática da rocha mãe e solo residual ECV5149 – Geologia de Engenharia 190 Perfil de alteração típico de rochas basálticas Rocha: Basalto Colunar SOLO RESIDUAL Textura: Equigranular fina Horizonte C Horizonte B % média dos minerais da rocha Areia Silte Argila Areia Silte Argila Plagioclásio Cálcico – 50% 5% 25% 20% 20% 30% Piroxênio – 30% 5% 15% 10% 10% 20% Vidro – 15% 15% 15% Titânio, Magnetita – 5% 5% 5% Granulometria 15% 40% 45% 5% 30% 65% Classificação Argilo siltoso ou Síltico argiloso Argilo siltoso Relação esquemática da rocha mãe e solo residual Perfil de alteração típico de rochas graníticas Rocha: Granito SOLO RESIDUAL Textura: Grosseira Horizonte C Horizonte B % média dos minerais da rocha Pedregulho Areia Silte Argila Areia Silte Argila Quartzo – 20% 0 a 5% 15 a 20% 20% Feldspato k – 70% 0 a 35% 20 a 40% 10 a 25% 5 a 40% 5 a 15% 30 a 60% Biotita – 10% 0 a 5% 5 a 10% 10 a 20% 10% Granulometria 0 a 40% 35 a 85% 10 a 25% 10 a 50% 25 a 35% 10 a 20%40 a 70% Classificação Arenoso com pedregulho Areno argilo siltoso Argilo areno argiloso Argilo areno siltoso Relação esquemática da rocha mãe e solo residual ECV5149 – Geologia de Engenharia 191 3.3.1 Solos Tropicais São chamados solos tropicais aqueles que apresentam peculiaridades de propriedades e de comportamento, em decorrência da atuação nos mesmos de processos geológicos e/ou pedológicos, tipo das regiões tropicais úmidas. Encontram-se os seguintes solos nas regiões tropicais: lateríticos, saprolíticos e transportados. Solos Lateríticos São solos superficiais, típicos das partes bem drenadas das regiões tropicais úmidas, resultante de uma transformação da parte superior do subsolo pela atuação do intemperismo. No processo de laterização há um enriquecimento no solo de óxidos hidratados de ferro e/ou alumínio e a permanência da caulinita como argilo- mineral predominante e quase exclusivo, conferindo a estes solos uma coloração típica: vermelho, amarelo, marrom e alaranjado. Em alguns locais podem apresentar, inseridos em sua constituição, pedregulhos lateríticos denominados de laterita, que são massas consolidadas, maciças ou porosas, de mesma mineralogia dos solos lateríticos e que tem sido muito aproveitadas como materiais de construção rodoviária. Solos Saprolíticos São solos que resultam da decomposição e/ou desagregação "in situ" da rocha matriz pela ação das intempéries (chuvas, insolação, geadas), mantendo ainda de maneira nítida a estrutura da rocha que lhe deu origem. São solos, genuinamente residuais, isto é, derivam de uma rocha matriz e as partículas que a constituem permanecem praticamente no mesmo lugar em que se encontravam em estado Pétreo. Constituem a parte subjacente à camada de solo superficial laterítico aparecendo somente na superfície do terreno através de obras executadas pelo homem ou erosões. São mais heterogêneos e constituídos por uma mineralogia complexa, contendo frequentemente minerais ainda em fase de decomposição. São designados também de solos residuais jovens, em contraste com os solos superficiais lateríticos que seriam maduros. Perfil de solo mostrando os horizontes A, B e C (Maragon, 2004) Diferença de erodibilidade entre camada superficial laterítica e camadas subjacentes de solos saprolíticos Nogami e Villibor (1995) Horizonte A Horizonte B Horizonte C ECV5149 – Geologia de Engenharia 192 Ocorrência de solos lateríticos no Território brasileiro (Nogami et al, 2000)
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