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i SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL MEC – SETEC INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATO GROSSO CAMPUS CUIABÁ – OCTAYDE JORGE DA SILVA DEPARTAMENTO DA ÁREA DE CONSTRUÇÃO CIVIL KARYN FERREIRA ANTUNES RIBEIRO INFLUÊNCIA DA EXPANSÃO DO SOLO NA OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS OBTIDOS COM ENSAIOS DE LABORATÓRIO Cuiabá – MT, novembro de 2011 i INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATO GROSSO – IFMT CAMPUS CUIABÁ – OCTAYDE JORGE DA SILVA CURSO DE TECNOLOGIA EM CONTROLE DE OBRAS KARYN FERREIRA ANTUNES RIBEIRO INFLUÊNCIA DA EXPANSÃO DO SOLO NA OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS OBTIDOS COM ENSAIOS DE LABORATÓRIO Cuiabá – MT, novembro de 2011 KARYN FERREIRA ANTUNES RIBEIRO ii INFLUÊNCIA DA EXPANSÃO DO SOLO NA OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS OBTIDOS COM ENSAIOS DE LABORATÓRIO Trabalho de Conclusão do Curso de Tecnologia em Controle de Obras, apresentado à Departamento da Área Da Construção Civil Campus Cuiabá – Octayde Jorge da Silva do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso, como exigência para a obtenção do título de Tecnólogo. Orientador: Prof. Especialista Ilço Ribeiro Junior. Cuiabá – MT, novembro de 2011 iii Karyn Ferreira Antunes Ribeiro. INFLUÊNCIA DA EXPANSÃO DO SOLO NA OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS OBTIDOS COM ENSAIOS DE LABORATÓRIO Trabalho de Conclusão de Curso em Controle de Obras, submetido à Banca Examinadora composta pelos Professores do Departamento da Área de Construção Civil do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso, Campus Cuiabá – Octayde Jorge da Silva como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Tecnólogo. Aprovado em: ____________________ ______________________________________________ Prof. Especialista Ilço Ribeiro Junior (Orientador) ______________________________________________ Prof. MSc. Enio Fernandes Amorim (Membro da Banca) ____________________________________________ Prof. MSc. Luiz Carlos de Figueiredo (Membro da Banca) Cuiabá – MT, novembro de 2011 iv DEDICATÓRIA Dedico este trabalho aos meus pais, Luiz Carlos e Aracy, e ao meu Eterno Namorado Rafael César. v AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Trindade, Deus Pai, Filho e Espírito Santo que sempre me guiam e me iluminam em cada passo que dou. Ao meu esposo Rafael César pelo apoio, atenção e pelo seu imenso amor e carinho. Aos meus pais Luiz Carlos e Aracy que me ensinaram a caminhar na direção certa e me incentivaram a chegar até aqui. As minhas irmãs Kellyn e Kennya, os meus cunhados Emerson e Júnior, vocês são especiais para mim. A minha sogra Iolanda e o Sr. Paulo, muito obrigada pelo carinho. A minha cunhada Ani, meu concunhado Eduardo e a princesinha Sophia. Amo todos vocês. Ao meu orientador, professor Ilço que acreditou e me ajudou para que este trabalho concluísse. Muito obrigada pelo conhecimento que adquiri com você. A professora Simone, que me auxiliou muito. Quero também agradecer a todos os meus colegas laboratoristas do IFMT e da UFMT que me ajudaram e a turma 2008/2, jamais me esquecerei de vocês. vi “E desceu a chuva, e correram os rios, e assopraram os ventos e deram com ímpeto contra aquela casa, e não caiu, porque fora edificada sobre a rocha”. Mateus 7:25. vii RESUMO Inúmeros problemas têm ocorrido nas obras da Baixada Cuiabana, devido ao solo saprolítico de filito possuir caráter expansivo, ou seja, aumentam de volume quando sofrem redução da sua sucção por inundação, e se contraem quando ressecam. Em alguns casos as patologias também podem ocorrer pela má compactação do solo, pois suas curvas de compactação apresentam anomalias devido à característica expansiva do solo. Este trabalho tem o objetivo apresentar o estudo do comportamento de um solo expansivo da Baixada Cuiabana quando estes se encontram compactados. O método para este estudo é de carácter experimental e, consiste em comparar as formas e parâmetros obtidos nos ensaios de compactação, considerando que seu resultado é influenciado pela expansão do solo. Utilizou-se o método de Proctor com as energias Normal, Intermediária e Modificada, utilizando amostras com e sem o reuso, avaliando assim a alteração textural oriunda do trabalho excessivo com a amostra. Outra análise sobre estas amostras foi à inserção da água de compactação no ato do ensaio, e a inserção de água realizada 24 horas de antecedência à compactação do material. A expansão deste solo é causada pela presença de argilominerais do grupo das ilitas contidas na fração silte e argila. Sua tensão de expansão é em torno de 20 kPa e sua expansão livre em torno de 20%, causando trincas e fissuras nas edificações. Os resultados obtidos permitem concluir que a umidade ótima da amostra sem reuso apresenta o peso específico seco maior que a amostra com reuso. Já as umidades ótimas dos ensaios, cuja água fora inserida no ato da realização dos ensaios foram de 14%, baixo se comparada com a que se acrescentou a água com 24h de antecedência, que obtiveram cerca de 20% de umidade ótima. De uma forma geral os resultados mostram que a curva de compactação do solo estudado sofre influência da energia aplicada, a opção de reutilizar a amostra altera os parâmetros obtidos na curva de compactação, pois altera a textura do solo, e a inserção de água no momento do ensaio, leva a cada ponto da curva, a retomar o processo expansivo, levando-a a uma total instabilização. Conhecer o processo de desencadeamento de um solo expansivo, associado ao ensaio geotécnico mais realizado na engenharia, o ensaio de compactação, eleva exponencialmente a chance de sucesso e conduz a obra à segurança. Palavras-chaves: Solo saprolítico, expansão, compactação. viii ABSTRACT Numerous problems have been in the works of Cuiabana Lowlands, due to the soil of phyllite saprolite has expansive nature, ie, increase in volume when they suffer reduction in their flood suction, and contract when dry. In some cases the conditions may also occur due to poor soil compaction because their compression curves show anomalies due to expansive soil characteristics. This paper aims to present the study of the behavior of an expansive soil Baixada Cuiabana when they are compressed. The method for this study is experimental and character, is to compare the shapes and parameters obtained in compression tests, considering that its result is influenced by the expansion of the soil. We used the method of Proctor with energies Normal, Intermediate and modified using samples with and without reuse, thus evaluating the textural changes arising from overwork with the sample. Another analysis of these samples was the insertion of water in the act of compression test, and the insertion of water held 24 hours prior to compaction of the material. The expansion of this soil is caused by the presence of clay minerals of illite group contained in the silt and clay. Your tension expansion is around 20 kPa and its free expansion around 20%, causing cracks and crevices in buildings. The results showed that the optimum moisture content of the sample without reuse has the specific gravity greater than the dry sample with reuse. Since the optimum moisture content of the tests, whose water had been inserted at the time of the tests were 14% lower compared to the water which was added 24 hoursin advance, which had about 20% of optimum moisture. In general the results show that the curve of soil compaction are influenced energy applied, the option of reusing the sample changes the parameters obtained in the compression curve, because it changes the texture of the soil, and the insertion of water at the time of test leads to each point of the curve, to resume the process of expansion, leading her to a total destabilization. Knowing the process of triggering an expansive soil associated with the most accomplished test geotechnical engineering, the compaction test, exponentially increases the chance of success and leads the work safety. Keywords: Soil saprolite, expansion, compression. ix LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Profundidade de meteorização dos solos, associados com alguns fatores ambientais da região do Equador às regiões Árticas. [Strakhow, (1967) apud Patinõ (2004)]. ................................................................................................................................................................. 5 Figura 2 - Corte Rodoviário, com Camada Laterítica Sobrejacente a uma Camada Saprolítica de Origem Sedimentar, com as Correspondentes Microfábricas. ............................ 6 Figura 3 - Perfil do Solo Saprolítico de Folhelho. ............................................................................ 7 Figura 4 - Perfil do solo proveniente da alteração da rocha (PINTO, 2000). .............................. 8 Figura 5 - Estrutura de uma camada de caulinita 1:1 (a) atômica, (b) simbólica. (Pinto, 2002). ............................................................................................................................................................... 11 Figura 6 - Estrutura simbólica de minerais com camada 2:1; (a) esmectita com duas camadas de moléculas de água, (b) ilita. ....................................................................................... 11 Figura 7– Dobras assimétricas desenvolvidas em intercalações de metarenitos quartzosos e filitos da Formação Miguel Sutil. (Migliorini, 1999)........................................................................ 13 Figura 8 – Formação Rio Coxipó, com matriz arenosa cortados por veios de quartzo. (Migliorini, 1999). ................................................................................................................................ 13 Figura 9 – Ensaio de expansão livre do solo da Baixada Cuiabana. (Ribeiro Júnior, 2005). 14 Figura 10 – Curva de compactação do solo saprolítico de filito da Baixada Cuiabana. (Ribeiro Júnior, 2005) ........................................................................................................................ 15 Figura 11 - Local da coleta de amostra de solo, AV. Miguel Sutil, próximo a entrada do Centro de Eventos do Pantanal - Obra Construtora GMS. .......................................................... 17 Figura 12 - Solos armazenados em sacos plásticos. ................................................................... 20 Figura 13 - Ensaio de compactação em andamento. ................................................................... 20 Figura 14 - Limite de liquidez com e sem secagem prévia. ......................................................... 24 Figura 15 - Carta de Plasticidade do solo saprolítico de filito com e sem secagem prévia.... 26 Figura 16 - Curva Granulométrica dos solos com e sem secagem prévia e com e sem o uso de defloculante. ................................................................................................................................... 28 Figura 17- Índices de atividade da fração argila para as amostras com e sem o defloculante e com e sem secagem prévia........................................................................................................... 30 Figura 18 - Curva de Compactação sem reuso com diferentes energias. ................................ 31 Figura 19 - Curva de Compactação com e sem reuso, acrescentando água no momento e com antecedência de 24 horas. ....................................................................................................... 34 Figura 20 - Expansão de um torrão de solo. Ensaio expedito realizado em campo. .............. 41 Figura 21 - Solo Saprólitico de Filito,com presença de xistosidade com foliação. .................. 41 Figura 22 – Diferença de nível em radier na Baixada Cuiadana. ............................................... 41 x Figura 23 - Danos em construção assente em solo expansivo. (vertisol - argila rica em montmorilonita) Foto: University of Idaho – EUA. ......................................................................... 42 Figura 24 - Patologia na calçada, devido à expansão do solo, causado pelo aumento da umidade. .............................................................................................................................................. 42 Figura 25 - Ensaio de microscopia eletrônica do solo saprolítico de filito seco: + 3000 X. (FUTAI, 1995). .................................................................................................................................... 43 Figura 26 - Ensaio de microscopia eletrônica do solo saprolítico de filito inundado: + 3000 X. (FUTAI, 1995). .................................................................................................................................... 43 xi LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Relação entre o potencial de expansão e índice de plasticidade (CHEN, 1975). .......................................................................................................................... 9 Tabela 2 - Quantidade de material ensaio de compactação. .................................... 19 Tabela 3 – Propriedades do solo com e sem secagem prévia. ................................. 25 Tabela 4 - Análise Granulométrica. ........................................................................... 28 Tabela 5 – Máximo peso específico seco e umidade dos ensaios sem reuso com variações de energia ................................................................................................. 32 Tabela 6 - Resumo dos resultados da compactação ................................................ 34 xii LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas CL - Argila pouco Compressível CH - Argila de Alta Compressibilidade ML - Silte de Baixa Compressibilidade OL - Solo Orgânico de Baixa Compressibilidade MH - Silte de Alta Compressibilidade OH - Solo Orgânico de Alta Compressibilidade γd - Peso Específico Aparente Seco W - Umidade Wót - Umidade Ótima WL - Limite de Liquidez WP - Limite de Plasticidade IP - Índice de Plasticidade Ia - Índice de Atividade da fração argila h - Horas kPa - Quilo Pascal CDSS - Com Defloculante Sem Secagem Prévia CDCS - Com Defloculante Com Secagem Prévia SDSS - Sem Defloculante Sem Secagem Prévia SDCS - Sem Defloculante Com Secagem Prévia xiii SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 1 1.1 JUSTIFICATIVA ............................................................................................. 2 1.2 OBJETIVO GERAL ........................................................................................ 3 1.2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 4 2.1 SOLOS TROPICAIS NÃO SATURADOS ....................................................... 4 2.2 SOLOS SAPROLÍTICOS ...............................................................................5 2.3 SOLOS EXPANSIVOS ................................................................................... 8 2.3.1 CONSTITUIÇÃO MINERALÓGICA DAS ARGILAS ............................................. 10 2.4 SOLOS DA BAIXADA CUIABANA ............................................................... 12 2.4.1 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS ............................................................... 12 2.4.2 CARACTERÍSTICA DO SOLO DA BAIXADA CUIABANA ..................................... 13 2.4.3 FUNDAÇÕES DE OBRAS RESIDENCIAIS NA BAIXADA CUIABANA ...................... 15 3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 17 3.1 MATERIAL ................................................................................................... 17 3.1.1 SOLO ...................................................................................................... 17 xiv 3.2 MÉTODOS ................................................................................................... 18 3.2.1 LIMITES DE ATTERBERG ............................................................................ 18 3.2.2 ENSAIOS DE COMPACTAÇÃO ...................................................................... 18 3.2.3 GRANULOMETRIA POR SEDIMENTAÇÃO ....................................................... 21 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 23 4.1 LIMITES DE ATTERBERG .......................................................................... 23 4.2 GRANULOMETRIA ...................................................................................... 26 4.3 COMPACTAÇÃO ......................................................................................... 30 4.3.1 INFLUÊNCIA DA ENERGIA ........................................................................... 30 4.3.2 INFLUÊNCIA DO REUSO DO MATERIAL .......................................................... 32 5 CONCLUSÃO ..................................................................................................... 36 5.1 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ........................................... 37 6 REFERÊNCIA BIBLIOGRAFIA .......................................................................... 38 APÊNDICE A - Características do solo Saprolítico de Filito da Baixada Cuiabana. ................................................................................................................. 41 ANEXO A - Figuras de obras com ocorrência de patologias causadas pela expansão dos solos. ............................................................................................... 42 ANEXO B - Resultado do ensaio de microscopia eletrônica realizado por Futai, (1995), com solo seco e inundado. ........................................................................ 43 1 1 INTRODUÇÃO As características dos solos tropicais são ainda pouco estudadas, e portanto conhecidas. Os solos tropicais podem sofrer variações volumétricas com ganho no teor de umidade ou perda de sucção. Presa (1980) define que solo expansivo seja ele no estado natural, ou compactado, é aquele em que a variação volumétrica é muito elevada, de forma a produzir efeitos prejudiciais nas obras construídas sobre os mesmos ou nas proximidades. Os danos provocados por solos expansivos estão posicionados em terceiro lugar dentre as seis catástrofes naturais mais perigosas do mundo, sendo elas: terremotos, escorregamentos, solos expansivos, ciclones, furacões e enchentes. No Brasil solos expansivos podem ser encontrados em diversas regiões (VARGAS, 1989). Para Pinto (2006), quando pequenas construções são feitas em solos expansivos, o efeito da impermeabilização do terreno pela própria construção pode provocar uma elevação do teor de umidade, pois, antes da construção, ocorria evaporação da água que ascendia por capilaridade. E o aumento de umidade pode provocar expansões, que danificam as construções, provocando trincas ou ruínas. Segundo Cavalcante et al. (2007), a expansão de um solo de fundação é capaz de provocar danos estruturais às edificações sobre ele apoiadas, principalmente as mais leves, com custos de recuperação geralmente elevados, como pode ser visualizado no Anexo A, nas Figuras 23 e 24. O fenômeno de expansão dos solos é muito complexo, envolvendo um conjunto de fatores que influenciam e interagem entre si, tais como a composição das argilas (argilomineral) e fatores ambientais (clima da região, natureza do fluído, grau de saturação do solo). Segundo Vargas (1977) a presença dos argilominerais no solo, contribui de forma geral, na plasticidade, coesão, bem como no comportamento expansivo de certos solos argilosos. 2 Na Baixada Cuiabana os problemas mais comuns dos solos são de expansão, como podem ser vista no Apêndice A nas Figuras 20, 21 e 22. A expansão ocorre sob obras residenciais, prediais, rodoviárias, e também em obras de saneamento. Nas residências térreas ou sobradas o problema é muito comum. Em prédios de quatro pavimentos a ocorrência é menor, porém existe, (RIBEIRO JÚNIOR, 2006). Segundo Santos et al. (2003), os solos saprolíticos da Baixada Cuiabana apresentam uma instabilidade entre a massa específica aparente seca e o teor de umidade durante o processo de compactação. A curva de compactação destes solos apresenta não um pico, mas uma banda de pontos de máximos. Sendo assim é quase impossível determinar a umidade ótima para a compactação destes solos em campo. 1.1 JUSTIFICATIVA A presença de solo expansivo tem causado constante preocupação entre pesquisadores e profissionais que trabalham com obras geotécnicas, pois o uso indiscriminado deste material pode gerar enormes prejuízos a tais obras. Deste fato, resulta o interesse e a importância dos constantes trabalhos relacionados a este assunto. Estes materiais podem gerar instabilidades em taludes, subleito de pavimentação, fundações de grandes estruturas, desabamento de túneis, devido, principalmente, a sua propriedade de expansibilidade, (FRAZÃO E GOULART, 1976; PEREIRA 2004). Pereira e Pejon (1999) constataram uma série de dificuldades no estudo destes materiais, devido à complexidade dos fenômenos que conduzem a expansão. Desta forma, torna-se evidente a necessidade de implementar estudos mais detalhados para buscar esclarecer melhor a importância dos vários atributos no comportamento da expansão e desagregação destes materiais quando expostos à variações de umidade. Verificou-se, por exemplo, o efeito marcante da secagem sobre o comportamento desses materiais. 3 1.2 OBJETIVO GERAL Estudar a influência da expansão do solo saprolítico de filito da Baixada Cuiabana na obtenção dos parâmetros geotécnicos iniciais obtidos com ensaios de laboratório, averiguando assim a acurácia dos resultados obtidos conforme as Normas Brasileiras. 1.2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Verificar a influência do comportamento dos solos com e sem secagem prévia, conforme recomenda a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT); Verificar a influência da energia de compactação nos parâmetros iniciais do solo expansivo; Analisar a curva de compactação e o seu formato atípico em solos expansivos; Verificar a influência das amostras com e sem reuso nos parâmetros dos solos expansivos; Analisar o método de inserção de água prescrito na Norma Brasileira de compactação e compará-la com possíveis alterações. 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 SOLOS TROPICAIS NÃO SATURADOS Segundo Vargas (1987), solos tropicais não são simplesmente os que ocorrem nos trópicos, mas também devem possuir comportamento particular do ponto de vista da engenharia. A formação destes solos necessita de clima úmido e boa condição de drenagem. Ossolos tropicais podem ser divididos em duas grandes classes: solos lateríticos e solos saprolíticos. De acordo com Cozzolino e Nogami (1993) os solos lateríticos caracterizam-se pela presença de grãos muito resistentes mecanicamente e quimicamente, com elevado percentual de hidróxidos e óxidos de ferro ou alumínio. Em geral, o argilomineral mais comum é a caulinita. Resultados de microscopia eletrônica levaram a Nogami e Villibor (1995) a concluir que a parcela fina dos solos lateríticos está agregada, formando uma massa de aspecto esponjoso. Esta organização pode formar solos porosos com alta permeabilidade. As características dos solos saprolíticos estão diretamente relacionadas com a rocha matriz. Desta forma, as camadas podem variar de algumas a várias dezenas de metros e diferentes comportamentos e cores. Eles são identificados macroscopicamente por apresentarem manchas, xistosidades, vazios e outras características inerentes à rocha matriz. Sua composição mineralógica é muito variada, sendo resultante do intemperismo da rocha, depende, portanto, do grau de alteração e do tipo de rocha. A Figura 1 mostra o grau de intemperismo sofrido por um perfil de solo nas diversas regiões da terra, dependendo do nível de precipitação, da quantidade de vegetação existente, da variação de temperatura e do grau de evaporação. Nas regiões com grande variação de precipitação e temperatura, a Figura 1 mostra horizontes na superfície e profundamente intemperizados, mas em regiões de clima mais frios e com menor umidade o grau de intemperismo nesses horizontes é bem menor. O grau de intemperismo é mínimo nas regiões desérticas e nos pólos, já na região dos trópicos, há grandes variações pluviométricas e de temperatura, que afeta todos os minerais alteráveis ao mesmo tempo em que alguns desaparecem 5 dando lugar a produtos secundários neoformados. Para Toledo et al.(2000), a temperatura desempenha um papel duplo, condicionando a ação da água: ao mesmo tempo em que acelera as reações químicas, aumenta a evaporação, diminuindo a quantidade de água disponível para a lixiviação dos produtos solúveis. A cada 10ºC de aumento na temperatura, a velocidade das reações químicas aumenta de duas a três vezes. Figura 1 - Profundidade de meteorização dos solos, associados com alguns fatores ambientais da região do Equador às regiões Árticas. [Strakhow, (1967) apud Patinõ (2004)]. 2.2 SOLOS SAPROLÍTICOS Segundo Pinto (2006) é o solo que mantém a estrutura original da rocha- mãe, mas perdeu a consistência da rocha. Visualmente pode confundir-se com uma rocha alterada, mas apresenta pequena resistência ao manuseio. É também chamado de solo residual jovem ou solo de alteração de rocha e ocorre em regiões tropicais e subtropicais úmidas, onde o intemperismo é mais intenso. Os solos saprolíticos (sapro, do grego: podre) são aqueles que resultam da decomposição e/ou desagregação “in situ” da rocha matriz pela ação das intempéries (chuvas, insolação, geadas) e mantêm, de maneira nítida, a estrutura da 6 rocha que lhe deu origem. São genuinamente residuais, isto é, derivam de uma rocha matriz, e as partículas que o constituem permanecem no mesmo lugar em que se encontravam em estado pétreo, (VILLIBOR et al., 2009). Segundo os mesmos autores os solos saprolíticos constituem, portanto, a parte subjacente à camada de solo superficial laterítico (ou, eventualmente, de outro tipo de solo) aparecendo, na superfície do terreno, somente por causa de obras executadas pelo homem ou erosões. Estes solos são mais heterogêneos e constituídos por uma mineralogia complexa contendo minerais ainda em fase de decomposição. São designados também de solos residuais jovens, em contraste com os solos superficiais lateríticos, maduros. Uma feição muito comum no horizonte superficial, ou no seu limite, é a presença de uma linha de seixos de espessuras variáveis (desde alguns centímetros até 1,5 m), delimitando o horizonte laterítico do saprolítico. As Figuras 2 e 3 ilustram a ocorrência de solos lateríticos e saprolíticos. Figura 2 - Corte Rodoviário, com Camada Laterítica Sobrejacente a uma Camada Saprolítica de Origem Sedimentar, com as Correspondentes Microfábricas. 7 Figura 3 - Perfil do Solo Saprolítico de Folhelho. O solo saprolítico corresponde ao horizonte inferior do solo residual, sendo o mais jovem dos três horizontes. Sua característica principal é a presença de fraturas reliquiares herdadas da rocha mãe. Granulometricamente é de difícil caracterização, podendo apresentar desde matacões até argila. As frações argila e areia variam consideravelmente, podendo predominar tanto uma como a outra, dependendo do local. A espessura média deste horizonte é de 6 m, com um máximo de 17 m. Segundo Vargas (1978), os horizontes são denominados de: horizonte I (de evolução pedogênica), horizontes II (residual intermediário), horizonte III (residual profundo), horizonte IV (alteração da rocha) e, rocha sã fissurada. A Figura 4 ilustra os respectivos horizontes. 8 Figura 4 - Perfil do solo proveniente da alteração da rocha (PINTO, 2000). O horizonte denominado residual maduro é o horizonte superficial onde o solo perdeu sua estrutura original tornando-se relativamente homogêneo. O solo saprólito é caracterizado pelo horizonte onde o solo ainda guarda características da rocha que lhe deu origem, inclusive veios intrusivos, fissuras, xistosidade e camadas. No entanto, sua resistência já se encontra bastante reduzida podendo-se, pela pressão dos dedos desfragmentarem-se completamente. Os horizontes de rocha alterada são aqueles onde a alteração progrediu, ao longo de zonas de menor resistência, deixando relativamente intactos grandes blocos da rocha original envolvidos por solo de alteração de rocha. Na mecânica dos solos, há uma distinção entre solo saprolítico e saprólito, sendo solo saprolítico aquele proveniente da alteração “in situ” da rocha, que se encontra em um estágio avançado de desintegração. Este solo possui a estrutura original da rocha, e a ela se assemelha em todos os aspectos visuais perceptíveis, salvo na coloração. A matriz deste solo é pouco resistente. São classificados como saprólito, blocos de rocha com pouca alteração, (RIBEIRO JÚNIOR, 2006). 2.3 SOLOS EXPANSIVOS Para Cavalcante et al. (2007), os solos expansivos são solos não saturados que sofrem considerável variação volumétrica quando sujeitos a variação no teor de umidade. Portanto, seu comportamento é bastante dependente de variações sazonais. Durante períodos de estiagem, se encontram geralmente com sucção elevada, o que lhes confere resistência relativamente alta, o que pode dificultar trabalhos de escavação. Porém, com o aumento no teor de umidade (períodos chuvosos, infiltração de água decorrente de vazamentos de tubulações, etc.), esses solos experimentam valores de expansão, muitas vezes bastante expressivos, tanto em termos de tensão quanto em termos de deformação (expansão vertical). A expansão em solos acontece geralmente com aqueles de natureza argilosa ou argilo-siltosa, com percentual de material passando na peneira 200 9 freqüentemente acima de 80%. Os argilominerais encontrados com maior freqüência em solos expansivos são pertencentes ao grupo das montmorilonitas, mais especificamente as esmectitas (CHEN 1988, DAY 1999, MURTHY 2003) e vermiculitas. Quanto à gênese, os solos expansivos podem provir de rochas ígneas básicas, tais como basaltos, intrusões de diabásio e os gabros, ou de rochas sedimentares, tais como os folhelhos, margas calcáreas, calcários, argilitos e alguns siltitos, que contenham argilominerais expansivos. A composição mineralógica dos solos expansivos tem grande importância no potencial de expansão, onde as cargas elétricas dasuperfície dos minerais de argila, a resistência entre camadas e a capacidade de troca catiônica contribuem para o potencial de expansão (CHEN, 1975). De acordo com Murthy (2003), problemas envolvendo solos expansivos têm sido detectados em várias partes do mundo. Dentre os países com maiores ocorrências, estão à Austrália, Estados Unidos, Canadá, China, Israel, Índia e Egito. Day (1999) e Jones & Jones (1987) relatam que somente nos Estados Unidos, o custo anual associado a danos provocados por solos expansivos às obras, tais como edifícios, rodovias, aeroportos, dentre outras, atingiram a cifra de 9 bilhões de dólares no ano de 1987. Chen (1975) demonstra que o índice de plasticidade sozinho pode ser usado como indicador preliminar das características expansivas da maioria das argilas, aplicado apenas a solos com 8 a 65% de argilas. Tabela 1 - Relação entre o potencial de expansão e índice de plasticidade (CHEN, 1975). O aumento do volume dos solos expansivos se dá principalmente por sucção d’água para dentro dos poros do solo e depois por adsorção d’água para o interior da própria estrutura cristalina. Nesta segunda etapa a água é adsorvida por efeito da dupla camada de cargas elétricas da fração cristalina argilosa dos solos. 10 Além disso, como a estrutura é mais ou menos complexa conforme a classe do mineral argila presente, a adsorção é máxima nas argilas de estrutura complexa, grupo das montmorilonitas, e mínima nas estruturas simples, como das caolinitas. É ainda maior ou menor segundo o cátion adsorvido (VARGAS, 1993). Parte da expansão de um solo pode-se dar também por deformabilidade elástica. Esta fase é inteiramente mecânica, como quando pressões atuantes sobre uma camada argilosa não-expansiva é avaliada por efeito de escavação do solo sobrejacente e que originam uma pressão neutra negativa da água dos poros, a qual produz a sucção da água, (Ibidem, 1993). Os parâmetros de expansão das argilas são função do grupo e porcentagem do argilomineral presente e do cátion adsorvido que na prática podem ser representados pelo índice de atividade do solo, além disso, esses parâmetros dependem da consistência ou compacidade do solo, representados pelo índice de vazios ou massa específica aparente seca e da sua estrutura. Segundo López et al. (1999), o método eficaz de identificação de um solo expansivo são as análises mineralógicas da matéria argilosa, permitindo assim um conhecimento profundo sobre o fenômeno da expansão. Os ensaios que fazem as análises mineralógicas podem ser de difração de raios-X, análises calorimétricas, espectropia por raios infravermelhos ou microscopia eletrônica de varredura, como demonstrado no Anexo B, nas Figuras 25 e 26. 2.3.1 CONSTITUIÇÃO MINERALÓGICA DAS ARGILAS Pinto (2002) relata que os argilo-minerais apresentam uma estrutura complexa, e que a composição química das argilas possui dois tipos de estrutura: uma estrutura de tetraedros justapostos num plano, com átomos de silício ligados a quatro átomos de oxigênio (SiO2), e outra de octaedros, em que átomos de alumínio são circundados por oxigênio ou hidroxilas [Al(OH)3]. Estas estruturas se ligam por átomos de oxigênio que pertencem simultaneamente a ambas, como podemos verificar na Figura 5. 11 Figura 5 - Estrutura de uma camada de caulinita 1:1 (a) atômica, (b) simbólica. (Pinto, 2002). Os argilominerais podem ser formados por uma camada tetraédrica e uma octaédrica (camada 1:1), como a caulinita, cuja estrutura se encontra firmemente empacotadas, com ligações de hidrogênio que impedem sua separação. Por este motivo a caulinita não expande. A haloisita argilo-mineral semelhança da camada da caulinita, pode sofrer uma desidratação irreversível, quando exposta a temperaturas entre 60-75ºC perdendo assim a água das entrecamadas. Outra forma que os argilo-minerais podem se apresentar é com estrutura de camada 2:1, ou seja, o arranjo octaédrico é encontrado entre duas estruturas tetraédricas. Com esta constituição estão as esmectitas e as ilitas. Nestes minerais as ligações se fazem por íons de O2- e O2+, que são ligações mais fracas, causando expansão das partículas. Como mostra a Figura 6. Figura 6 - Estrutura simbólica de minerais com camada 2:1; (a) esmectita com duas camadas de moléculas de água, (b) ilita. 12 Nos argilominerais 2:1 a maior proporção é de sílica, traduzida pela presença de 2 lâminas tetraédricas. Fazem parte deste grupo as esmectitas, sendo a montmorilonita a mais comum nos solos. São 2:1 támbém a vermiculita e a ilita. Os principais óxidos de ferro e alumínio são, respectivamente, a hematita, a goethita e a gibsita. De um modo geral os solos que sofrem expansão são aqueles que possuem argilo-minerais do tipo 2:1. Os argilominerais encontrados com maior freqüência em solos expansivos são pertencentes ao grupo das montmorilonitas, mais especificamente as esmectitas e vermiculitas (CHEN 1988, DAY 1999 e MURTHY 2003). 2.4 SOLOS DA BAIXADA CUIABANA 2.4.1 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS A cidade de Cuiabá está situada sobre litologias deformadas pertencentes ao Grupo Cuiabá, as quais são constituídas por rochas de baixo grau de metamorfismo, tais como filitos, metarenitos e metarcóseos, com xistosidade bem desenvolvida e intensamente dobrada e fraturada durante vários ciclos tectônicos de idade pré-cambriana. Os primeiros trabalhos que descreveram os aspectos geológicos das rochas do Grupo Cuiabá e a constatação da existência de estruturas dobradas nas regiões da Província Serrana e Baixada Cuiabana são de Evans (1894). A individualização do Grupo Cuiabá, como unidade litoestratigráfica, foi feita por Almeida (1964). Esse autor foi o primeiro a reconhecer essa faixa de dobramentos marginal ao Cráton, propondo a designação Geossinclíneo Paraguai para agrupar as três zonas estruturais que a compõe, as quais sejam: a Zona da Baixada do Alto Paraguai, da Província Serrana e Baixada Cuiabana. Segundo Migliorini (1999), na região de Cuiabá, o Grupo Cuiabá, expõe- se pela Formação Miguel Sutil e Formação Rio Coxipó. A formação Miguel Sutil que aflora praticamente em toda a porção central e norte das cidades de Cuiabá e Várzea Grande corresponde a um solo argilo-siltoso, formado por metargilitos ou filitos de cor cinza esverdeada a marrom avermelhada, normalmente sericíticos, 13 estratificações plano-paralelas e clivagem ardosiana, como pode ser visto na Figura 7. A formação Rio Coxipó, como pode ser observada na Figura 8, onde se trata de um solo areno-siltoso formados principalmente por meta-conglomerados que sobrepõe à formação Miguel Sutil através de contatos transacionais e tectônicos e aflora principalmente na porção sul das cidades de Cuiabá e Várzea Grande. Figura 7– Dobras assimétricas desenvolvidas em intercalações de metarenitos quartzosos e filitos da Formação Miguel Sutil. (Migliorini, 1999). Figura 8 – Formação Rio Coxipó, com matriz arenosa cortados por veios de quartzo. (Migliorini, 1999). 2.4.2 CARACTERÍSTICA DO SOLO DA BAIXADA CUIABANA Futai et al. (1998) e Ribeiro Junior (2006), estudando os solos residuais de filito da Baixada Cuiabana concluíram, que este solo têm minerais do tipo 2:1, sendo predominante a montmorilonita e a ilita, que são expansivos. Ribeiro Junior, (2005) estudou o solo saprolítico da Baixada Cuiabana e observou cerca de 25% de expansão volumétrica para a situação livre (sem carregamento), como pode ser visto na Figura 9. 14 Figura 9 – Ensaio de expansão livre do solo da Baixada Cuiabana. (Ribeiro Júnior, 2005). As características dos solos saprolíticos estão diretamente relacionadas com a rocha matriz. Desta forma, as camadas podem variar de algumas a várias dezenasde metros e diferentes comportamentos e cores. Eles são identificados macroscopicamente por apresentarem manchas, xistosidades, vazios e outras características inerentes à rocha matriz. Sua composição mineralógica é muito variada, sendo resultante do intemperismo da rocha, depende, portanto, do grau de alteração e do tipo de rocha, (FUTAI, 1999). O solo saprolítico de filito apresentam xistosidade e estratificação, devido ao intemperismo da rocha. Segundo Vecchiato (1987), Cuiabá está localizada em uma depressão que dá início a Bacia Sedimentar do Pantanal, sendo esta área constituída por rochas metamórficas do Grupo Cuiabá. Migliorini (1999) classifica esta região estudada como parte da formação Miguel Sutil, pertencente ao grupo Cuiabá. Esta parte da formação Miguel Sutil é constituída por metargilitos ou filitos de cor cinza esverdeada a marrom avermelhada, normalmente sericíticos, com frequentes laminações plano-paralelas. Ribeiro Júnior (2005) apresenta anomalias nas curvas de compactação dos solos da Baixada Cuiabana, obtidas sem reuso de amostras e utilizando energia normal. A Figura 10 mostra tal anomalia, onde não é possível determinar os valores de peso específico seco (d) e a umidade ótima (ωot). Entre W2 e W3 ocorre uma região quase horizontal com dois picos mais acentuados e outros menores. Entre estes dois picos maiores ocorre uma variação de cerca de 5% na umidade ótima. 15 Pode-se associar esta instabilidade da curva de compactação à presença de argilo- minerais expansivos, que ao adsorver a água de compactação em sua camada, entra em desequilíbrio elétrico-químico. Tais características também foram anteriormente encontradas por Santos (2003). 2.4.3 FUNDAÇÕES DE OBRAS RESIDENCIAIS NA BAIXADA CUIABANA Nas obras de pequeno porte como as construções populares para habitação, as fundações são projetadas e executadas, de uma forma geral por radier, blocos, ou sapatas. Radier é o de fundação mais usada em obras habitacionais populares. Esta prática tornou-se forte, porque o radier é usado em terrenos que não oferecem boa capacidade de suporte dispensando assim análise prévia do terreno. No caso da Baixada Cuiabana, onde o solo pode ser expansivo, isso se torna grave. O radier por possuir grande área de contato, e a edificação popular serem relativamente leve, irá transmitir uma baixa tensão ao solo, ocorrendo à expansão da edificação como um todo ou expansão diferencial (RIBEIRO JÚNIOR & CONCIANI, 2005). Segundo Lew & Soares (1998) a tensão de expansão do solo saprolítico de filito a 0,5m de profundidade pode ser de 26 kPa, o que pode causar graves patologias nas edificações. 1,35 1,45 1,55 1,65 2 6 10 14 18 22 26 30 Teor de Umidade (% ) M a ss a E sp . A p . S e c a ( g /c m ³) W1 W4W2 W3 Figura 10 – Curva de compactação do solo saprolítico de filito da Baixada Cuiabana. (Ribeiro Júnior, 2005) 16 Futai (1995), afirmou que há expansão em construções com fundações em sapatas e blocos porque há um super dimensionamento dos elementos de fundações. Estes super dimensionamentos também ocorrem no número de pilares, que, sobretudo aliviam as tensões transmitidas ao solo. Segundo Concani (2009), na Baixada Cuiabana, a pressão de expansão dos solos expansivos varia entre 20 kPa e 60 kPa. Portanto, os valores de tensão transmitidos ao solo pelas fundações são menores que a pressão de expansão. Isso explica as frequentes trincas apresentadas por esses imóveis. Para Ribeiro Júnior & Conciani (2005), existem também problemas de expansão em quadras poliesportivas, reservatórios enterrados, redes de saneamento básico, como córregos, ou canais. 17 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAL 3.1.1 SOLO As amostras de solo para este trabalho foram coletadas na obra do Residencial: Torres do Parque IX, próximo ao Trevo do Centro de Eventos do Pantanal como indica a Figura 11. Este local pertence à Formação Miguel Sutil pertencente ao grupo Cuiabá, cuja granulometria é predominantemente silte-argilosa e com característica expansiva (RIBEIRO JÚNIOR 2006). Este solo é classificado como residual e saprolítico, pois é originado pela decomposição da rocha local de filito. O material coletado era de coloração amarelada e a profundidade de 0,5 m a 1,0 m. Figura 11 - Local da coleta de amostra de solo, AV. Miguel Sutil, próximo a entrada do Centro de Eventos do Pantanal - Obra Construtora GMS. 18 3.2 MÉTODOS 3.2.1 LIMITES DE ATTERBERG 3.2.1.1 Limite de Liquidez O limite de liquidez é a quantidade de umidade do solo no qual o solo muda do estado líquido para o estado plástico, ou seja, perde a sua capacidade de fluir. O ensaio foi realizado segundo a NBR 6459 (1984), Solos - Determinação do limite de liquidez. Realizando de duas formas: com e sem secagem prévia. 3.2.1.2 Limite de Plasticidade O limite de plasticidade é o teor de umidade em que o solo passa do estado plástico para o semi-sólido, onde perde a capacidade de ser moldado. O ensaio foi realizado segundo a NBR 7180 (1984), Solos - Determinação do limite de Plasticidade. Também foi realizado de duas formas: com e sem secagem prévia. 3.2.2 ENSAIOS DE COMPACTAÇÃO Santos (2003), afirma que a compactação consiste no processo mecânico que, através de uma aplicação repetida e rápida de cargas ao solo, conduz a uma diminuição do seu volume, e, portanto, a uma diminuição do índice de vazios e a um aumento do peso específico seco. Esta redução de volume é resultado, sobretudo, da expulsão de ar dos vazios do solo, não ocorrendo significativa alteração do teor em água nem alteração do volume das partículas sólidas durante a compactação. O ensaio de compactação foi realizado de acordo com a ABNT/NBR 7182/86, seguindo algumas modificações estabelecidas para tal procedimento. O 19 ensaio de compactação foi realizado com e sem reuso de amostra. E também com e sem secagem prévia. Nas energias normal, intermediária e modificada. 3.2.2.1 Ensaio sem reuso do material Os ensaios de compactação sem reuso de amostras apontam pela experiência observada na bibliografia, que para solos saprolíticos, os resultados obtidos são mais próximos da realidade, sendo assim mais confiáveis. Quando o material é formado de partículas muito quebradiças, este procedimento é necessário para não descaracterizar o resultado, (PINTO, 2000). A desvantagem é sem dúvida a maior quantidade de material utilizado. Souza (1980) recomenda que quando uma amostra sofre degradação ou há dificuldade em adsorver água, deve-se usar sempre uma amostra sem reuso para cada ponto da curva de compactação. A norma Brasileira de ensaio de compactação prevê alternativas de ensaio sem reuso do material quando as partículas são facilmente quebradiças. Tabela 2 - Quantidade de material ensaio de compactação. Cilindro Tipo de Ensaio Com reuso Sem reuso Pequeno 5 kg 25 kg Grande 8 kg 42 kg 3.2.2.2 Ensaio com inserção de água com 24 horas de antecedência Este método foi utilizado para verificar a diferença entre os resultados obtidos pelo método recomendado pela ABNT NBR- 7182 - Ensaio de Compactação e método que foi desenvolvido para solos expansivos, onde a amostra ficou armazenada em sacos plásticos lacrados por 24h, já com a umidade de compactação de cada ponto da curva, como mostra a Figura 12. Este procedimento foi adotado para o solo poder se expandir antes de se compactado. Pelo método 20 referendado pela NBR 7182 (Figura 13), o solo expande durante o processo de compactação, levando a curva a obter anomalias devido à expansão. Figura 12 - Solos armazenados em sacos plásticos. Figura 13 - Ensaio de compactação emandamento. 3.2.2.3 Ensaio sem secagem prévia do solo De acordo com Pìnto (2006), a experiência mostra que a pré-secagem da amostra influi nas propriedades do solo, além de dificultar a posterior homogeneização da umidade incorporada. A influência da pré-secagem, para alguns solos, é considerável. A pré-secagem provoca, por exemplo: em solos argilosos de 21 composição de gnaisse, umidades ótimas menores e densidade secas máxima maiores. Os ensaios realizados sem a secagem prévia, portanto, são mais representativos principalmente aos solos tropicais, mas a prática corrente é fazer a pré-secagem, provavelmente pela facilidade de padronizar os procedimentos nos laboratórios, diminuindo o grau de supervisão. 3.2.3 GRANULOMETRIA POR SEDIMENTAÇÃO O ensaio de análise granulométrica do solo foi executado segundo ABNT/NBR 7181/82. O comportamento granulométrico do solo foi observado de quatro maneiras: I. Sem secagem prévia e sem o uso de defloculante, II. Sem secagem prévia e com o uso de defloculante, III. Com secagem prévia e sem uso de defloculante, IV. Com secagem prévia e com uso de defloculante. Esta medida foi adotada para quantificar o poder desagregador do defloculante e observar o seu comportamento perante as amostras com e sem secagem prévia. Molinero et al. (2003), estudaram a influência do defloculante químico na análise granulométrica dos solos do Distrito Federal e concluíram que o defloculante é um agente significativo na classificação dos solos. Além destes ensaios mencionados acima, foram realizados mais cinco ensaios de granulometria com uso de defloculante com materiais das amostras advindas dos 5 pontos do ensaio de compactação com reuso de amostras e deixadas expandir por 24h em sacos plásticos fechados com a umidade de compactação de cada ponto, com objetivo de verificar a modificação granulométrica significativa de cada ponto da curva de compactação, obtida pela quebra de grãos oriunda das repetidas energias aplicadas. Nos solos tropicais os resultados dos ensaios de granulometria se alteram substancialmente quando se introduzem variações na metodologia do ensaio em relação à prescrita pela ABNT (uso ou não de defloculante), e este fato foi 22 demonstrado por diversos autores (Futai, 1995, Souza Neto, 1998, Moraes Silva, 2000). Castro (1974) demonstrou que a inclusão de agregações de partículas (passadas na peneira #10 (2 mm)) no ensaio de sedimentação gera descontinuidade na curva granulométrica na transição entre o peneiramento fino e a sedimentação. 23 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 LIMITES DE ATTERBERG A GSEGPW (1997) - (Geological Society Engineering Group-Working Party Revised Report) recomenda que os ensaios de caracterização sejam realizados em amostras partindo do estado natural (sem secagem), a não ser que ensaios comparativos não indiquem influência desse efeito nos resultados dos ensaios. Os ensaios de caracterização do solo foram realizados de duas maneiras: com e sem secagem prévia. Este procedimento visa comparar os dois métodos e verificar a influência da pré-secagem nas propriedades do solo. Segundo Mitchell e Sitar (1982), dois efeitos importantes podem estar relacionados à secagem das amostras: 1) formação de agregados e cimentações por óxidos de ferro alumínio; e 2) perda de água de minerais argílicos hidratados. Em alguns casos estes efeitos podem ser irreversíveis. Segundo Townsend (1985) e Mitchell e Sitar (1982), a secagem prévia do solo ao ar provoca a oxidação dos sesquióxidos de ferro e alumínio e formação de agregações de partículas finas, assim como perda de água de constituição no caso de minerais argílicos hidratados como a haloisita. É apresentado na Figura 14, o gráfico do limite de liquidez (WL) do solo com e sem secagem prévia. Para a amostra com secagem prévia, como recomenda a ABNT, o Limite de Liquidez (WL) é de 31,2%. Já o limite de liquidez obtido com a amostra na umidade de campo, ou seja, sem secagem prévia, é de 30,1%. Observa- se também que o coeficiente angular das duas linhas de tendência (com e sem secagem prévia) têm praticamente o mesmo valor. Este desempenho da curva aponta para a idéia que este solo com característica expansiva solo não modifica sua estrutura intermolecular de capacidade de adsorver água, mantendo-se na mesma proporção. O deslocamento da curva sem secagem prévia para baixo indica apenas uma mudança no potencial inicial de adsorver água, totalmente entendível, pois quanto menor o teor de umidade inicial, maior é o potencial inicial de adsorção de água pelos argilo-minerais. 24 O Coeficiente de determinação (R²), é uma medida sobre a qualidade do modelo. Quanto mais próximo de 1, mais explicativo é o modelo. A amostra com secagem prévia obteve resultados com variância maior que as amostras sem secagem prévia, mesmo assim, para as duas amostras, o R² foi satisfatório, estando acima de 0,97, ou seja, 97% da variância de Y é explicada pela variância de X. Já o limite de plasticidade (WP) é de 16,3%, logo o seu Índice de plasticidade (IP) é de 13,8%. Através do IP é possível saber a classificação do solo quanto à plasticidade, para este solo a classificação foi de plasticidade média. R² = 0,9758 R² = 0,9949 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 10 100 T e o r d e u m id a d e ( % ) Nº de golpes Sem secagem prévia Com secagem prévia Figura 14 - Limite de liquidez com e sem secagem prévia. Os resultados dos ensaios dos Limites de Atterberg estão apresentados na Tabela 3. O limite de plasticidade (WP) do solo com e sem secagem prévia são 16,3% e 17,45%, respectivamente. Assim os seus respectivos índices plasticidade são de 13,8% e 13,75%, sendo sua plasticidade classificada como média. O mesmo decréscimo de teor de umidade na variação inicial de adsorção de água do solo sentida na amostra sem secagem prévia em relação ao solo com secagem prévia nos resultados do Limite de Liquidez pode ser observada no Limite de Plasticidade. Isso mostra que o tamanho da região plástica do solo saprolítico de filito com característica expansiva não muda, pois o IP é muito parecido. Portanto, o 25 fato de secar ou não a amostra previamente torna o solo inicialmente mais, ou menos susceptível a adsorver água. Estes resultados não condizem com os resultados comentados por GSEGPW (1997), Mitchell e Sitar (1982) e Townsend, (1985), onde amostras com secagem prévia obteriam resultados menores que as amostras sem secagem prévia. Isto se dá provavelmente, por se tratar de um solo expansivo, onde o potencial de adsorção inicial é proporcional a sua umidade inicial. Tabela 3 – Limites de Atterberg do solo com e secagem prévia Propriedades Sem secagem prévia Com secagem prévia WL 30,1% 31,2% WP 16,3% 17,45% IP 13,8% 13,75% Vargas (1978) adverte que somente o IP não é suficiente para julgar a plasticidade dos solos e que há a necessidade de se conhecer os valores de LL e IP. Para tanto, o gráfico idealizado por Casagrande serve de referência para a classificação da plasticidade do solo. Souza Neto (2000) destaca dizendo que a secagem prévia das amostras nos ensaios de caracterização tem conduzido a significativas reduções no percentual de finos (especialmente na fração argila) e na plasticidade (redução nos limites de Atterberg). Esta redução tem comprometido a posição do solo na Carta de Plasticidade e, conseqüentemente, sua classificação. Como pode ser visto na Figura 15, para o solo em estudo, não foi observado para solos com secagem prévia uma redução na plasticidade como o comentado por Souza Neto (2000), mas sim um ganho de plasticidade. Este comportamento inverso, provavelmente se dá por se tratarde um solo expansivo, e conseqüentemente seu potencial de adsorção e plasticidade aumentam proporcionalmente com o aumento de sucção. Este ganho de plasticidade foi pequeno, não levando o solo a alterações significantes em seu comportamento. Segundo a Carta de Plasticidade de Casagrande este solo é classificado como CL - Argila de baixa compressibilidade. 26 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Ín d ic e d e P la s ti c id a d e Limite de Liquidez Com secagem Sem secagem CH MH ou OH ML ou OL CL Figura 15 - Carta de Plasticidade do solo saprolítico de filito com e sem secagem prévia. 4.2 GRANULOMETRIA Os comportamento granulométrico do solo foi observado de quatro maneiras: I. Com Defloculante Sem Secagem Prévia - (CDSS) II. Com Defloculante Com Secagem Prévia – (CDCS) III. Sem Defloculante Sem Secagem Prévia – (SDSS) IV. Sem Defloculante Com Secagem Prévia – (SDCS) Para Nogami e Villibor, 1995, a formação de agregações de partículas finas faz com que partículas do tamanho de argila (φ < 2µ) adquiram dimensões de silte ou areia, diminuindo o teor de finos e a plasticidade. Existe dificuldade em se definir uma granulometria representativa, uma vez que esta depende do grau de destruição destas agregações pelo defloculante. 27 Na Figura 16 são apresentadas as curvas granulométricas do solo saprolítico de filito com e sem secagem prévia e com e sem o uso do defloculante. O tamanho das partículas do solo foi classificado de acordo segundo a ABNT NBR 6502 (1985). Pode-se verificar na Figura 16 e na Tabela 4 que as amostras CDSS, CDCS, SDSS e SDCS não tiveram diferença granulométrica até atingirem o diâmetro de areia fina, ou seja, durante a etapa experimental do peneiramento grosso e fino. As discrepâncias granulométricas entre os estados da amostra começam na fase da sedimentação. Como já era de se esperar, ensaios sem uso do defloculante (SDSS e SDCS) assumem o mesmo tipo de comportamento, sendo que esta ausência do defloculante faz com que o solo não consiga quebrar os aglomerados de origem reliquiar, formados por partículas finas, assumindo, portanto, características de solo granular. O Fato de termos nesta situação amostras com e sem secagem prévia não alterou em muito seu comportamento, mostrando que, quando se tratam de amostras sem uso do defloculante, este é o que influencia com generosidade no comportamento do solo. As amostras com defloculante (CDSS e CDCS) obtiveram resultados na fase de sedimentação mais condizentes com sua verdadeira característica. Isso é devido à capacidade de desagregação do hexametafosfato (defloculante), como mencionado anteriormente. Porém, Pinto (2006), diz que a diferença de resultados mostra a importância do defloculante para a dispersão das partículas. No ensaio feito de acordo com a norma NBR-7181, as partículas sedimentam-se isoladamente, e podem-se detectar seus diâmetros equivalentes. No ensaio sem defloculante, as partículas agrupadas, como se encontram na natureza, sedimentaram-se mais rapidamente, indicando diâmetros maiores, que não são das partículas, mas das agregações. Para as amostras com uso do defloculante, é importante ainda analisar seu comportamento com e sem a secagem prévia. Ainda na Figura 16, pode-se verificar que a amostra sem secagem prévia (CDSS) obteve valores de finos (siltes e argilas) superiores a amostra com secagem prévia (CDCS). Este fato pode se dar pela amostra CDSS ter sucção inicial e coesão menor que a amostra CDCS por conta da diferença entre os teores de umidade no momento da preparação de amostras para a fase da sedimentação. 28 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,001 0,01 0,1 1 10 % q u e P a s s a Diâmetro dos Grãos (mm) SDSS CDSS SDCS CDCS SilteArgila Areia Fina Média Grossa Pedregulho Figura 16 - Curva Granulométrica dos solos com e sem secagem prévia e com e sem o uso de defloculante. Na Tabela 4 estão apresentados os resultados percentuais das análises granulométricas citadas acima, onde se pode verificar claramente que os valores são dispersos na textura fina do solo, onde o solo SDCS e SDSS possuem cerca de 58% de silte e 2% de argila, sendo classificado como solo silte arenoso. Já os solos com uso do defloculante podem ser classificados da seguinte forma: O solo CDCS obteve em média 70% de silte e 11% de argila, mas sua classificação ainda é de silte arenoso pois a quantidade de areia assume 19% de sua constituição textural. O solo CDSS é o único que pode ser classificado como silte argiloso, pois possui 17% de areia, 55% de silte e 28% de argila. Tabela 4 - Análise Granulométrica com e sem uso do defloculante e secagem prévia. GRANULOMETRIA Fração Granulométrica Sem Defloculante Com Defloculante Com Secagem Sem secagem Com Secagem Sem secagem Pedregulho 0% 0% 0% 0% Areia Grossa 8% 3% 3% 3% Areia média 1% 6% 6% 6% Areia Fina 30% 32% 10% 8% Silte 59% 57% 70% 55% Argila 2% 2% 11% 28% 29 Segundo Pinto (2002), os Índices de Atterberg indicam a influência dos finos argilosos no comportamento do solo. Para calcular este índice de atividade da fração argila, foi utilizada a Equação 1. (1) Onde: IP: Índice de Plasticidade do solo (%). % argila < 2µm: Fração argila menor que 0,002mm. Como pode ser visto na Figura 17, foram obtidos os índices de atividade (Ia) para as quatro situações anteriormente estabelecidas: CDSS, CDCS, SDSS e SDCS. Para as amostras com defloculante (CDSS e CDCS) os índices de atividades foram 0,49 e 1,25 respectivamente. A primeira, CDSS, com Ia = 0,49 pode ser classificada como inativa. A segunda, CDCS, com Ia = 1,25, encontra-se no limite superior, podendo ainda ser classificada como normalmente ativa. Este aumento na segunda amostra é devido à secagem prévia, onde o aumento de sucção aumenta a energia disponível para adsorção de água. As amostras sem defloculante tiveram comportamentos idênticos. As amostras SDCS e SDSS obtiveram índice de atividade igual a 6,87 e 6,9 respectivamente, cerca de 5,5 vezes mais o limite máximo para considerar o solo como normalmente ativo, sendo assim classificado como ativo, ou seja, com grande capacidade de expansão. 30 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 CDSS CDCS SDCS SDSS Ín d ic e d e A ti v id a d e Amostras de solo Limite Máximo Limite Mínimo Figura 17- Índices de atividade da fração argila para as amostras com e sem o defloculante e com e sem secagem prévia. 4.3 COMPACTAÇÃO 4.3.1 INFLUÊNCIA DA ENERGIA Para o estudo da influência da energia na obtenção dos parâmetros oriundos do ensaio de compactação, optou-se por compactar as amostras nas energias normal, intermediária e modificada. Por conta da quebra da estrutura reliquiar vinda da matriz rochosa, optou-se por compactar sem a reutilização de amostras, necessitando assim, de uma quantidade maior de solo para tal experimento. Para estes ensaios, foram adicionadas as devidas quantidades de água para compactação de cada ponto da curva de próctor 24 horas antes do ensaio. Este procedimento foi necessário para que os resultados obtidos não fossem distorcidos pelo processo de expansão durante o ensaio de compactação. De modo usual, e normatizado pela ABNT 7182, esta água seria acrescida a amostra minutos antes do processo de aplicação da energia sobre o solo. Segundo Pinto (2006), uma maior energia de compactação conduz a uma maior densidade seca máxima (dmáx) e uma menor umidade ótima (Wót), deslocando-se a curva para a esquerda e para o alto. Os pontos de máxima densidade seca e umidade ótima para várias energias de compactação, com o 31 mesmo solo, ficam ao longo de uma curva que tem um aspecto semelhante ao deuma curva de igual grau de saturação. Pode-se observar na Figura 18 que o comportamento do solo saprolítico de filito foi como o esperado e descrito por Pinto (2006). O teor de umidade foi decrescente com a energia de compactação e o peso específico seco, crescente. As anomalias da curva de compactação para este solo, descritas por Santos (2003) e Ribeiro Junior (2005) não foram observadas, pelo fato destas anomalias serem oriundas do processo expansivo durante o ato da compactação, uma vez que a água fora acrescida instante antes a este processo. Para este trabalho, acresceu-se a água de compactação com antecedência de 24 hs, processo o qual eliminou em grande parte as anomalias na curva de compactação. 16,50 16,75 17,00 17,25 17,50 17,75 18,00 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 γ d (k N /m ³) Umidade (%) Energia Normal Energia Intermediária Energia Modif icada Saturação 100% Figura 18 - Curva de Compactação sem reuso com diferentes energias. Na Tabela 5, estão os valores obtidos no ensaio de compactação descrito acima, submetido à energia Normal. Os pesos específicos secos não assumem valores muito diferentes nas várias energias, porém, a variação da umidade ótima é significante. 32 Tabela 5 – Máximo peso específico seco e umidade dos ensaios sem reuso com variações de energia Energia γd( kN/ ³) Wót (%) Normal 17,6 19 Intermediária 17,7 14 Modificada 17,9 12 Para Santos (2003), a influência da energia no processo de compactação passa então a ser fundamental. Ao se aumentar a energia de compactação a curva se aproxima do formato tradicional, isso provavelmente se deve a redução do consumo de água no ensaio. 4.3.2 INFLUÊNCIA DO REUSO DO MATERIAL Para o estudo da influência do reuso do material, foram realizados quatro ensaios com e sem reuso, e com inserção de água no momento da compactação e com antecedência de 24 horas. Os ensaios foram assim denominados: com reuso/ com 24h; com reuso/ sem 24h; sem reuso/ com 24h e sem reuso/ sem 24h. O objetivo deste procedimento foi verificar qualitativamente se o manuseio do material pode ocasionar quebra de partículas. O fato de estudar as amostras com inserção de água no momento da compactação e com antecedência de 24 horas, se dá na verificação da formação das anomalias já anteriormente descritas em relação ao reuso ou não das amostras. Para Pinto (2006), os ensaios feitos com amostras virgens para cada ponto da curva obtêm resultado mais fiel. Embora seja necessária maior quantidade de material. Ao analisar a Figura 19 é possível confirmar o que Santos (2003), diz sobre a compactação com reuso de amostras, que geram curvas mais achatadas, isto é, o manuseio das amostras muda o comportamento do solo. Entretanto, estas alterações indicam que o solo continua a sofrer influências da possível adsorção inicial de água e pela mineralogia. 33 Segundo Lee & Suedkamp (1972) apud Araújo (1996), conhecendo-se os minerais e os argilo-minerais que compõem o solo, pode-se melhor entender a forma das curvas quanto à compactação, pois se esse fenômeno não está totalmente entendido e há várias teorias para explicá-lo. A mistura de água com o solo, o tempo entre o preparo da amostra e o ensaio e o operador podem ser condicionantes na dispersão dos pontos. Estes autores sugerem quatro tipos de curvas de compactação que são: com pico simples, 1 ½ picos, picos duplos e curvas distorcidas, o que pode claramente ser verificado no arranjo de curvas obtidas na Figura 19. As amostras com e sem reuso que receberam água no momento da compactação obtiveram um coeficiente angular no ramo seco e no ramo úmido, muito alto, fato que pode ser explicado pela grande energia liberada no momento inicial da adsorção de água. As amostras com e sem reuso que tiveram a oportunidade de receber a água de compactação com antecedência de 24 horas, tiveram seu ramo seco bem mais suave, sendo que as umidades ótimas obtidas muito próximas, tanto para a amostra com reuso, quanto para a sem reuso. De acordo com Santos (2003), definir o valor da umidade ótima para esse solo é uma tarefa quase impossível. E afirma que a explicação para esse fenômeno pode ser dada por diversos fatos. Dois se destacam: a não uniformidade e a não homogeneização da amostra. Isso ocorre devido à própria estrutura do solo, que possuem placas que se desagregam durante o ensaio, fazendo com que o material não fique uniforme e homogêneo. Além do mais, os solos saprolíticos de filito têm uma elevada adsorção de água. As setas indicadas na Figura 19 tentam definir as umidades ótimas e os pesos específicos secos máximos. 34 15,2 15,4 15,6 15,8 16 16,2 16,4 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 γ d (k N /m ³) Umidade (%) Sem Reuso - Com 24h Sem Reuso - Sem 24h Com Reuso - Com 24h Com Reuso - Sem 24h Figura 19 - Curva de Compactação com e sem reuso, acrescentando água no momento e com antecedência de 24 horas. Na Tabela 6 é possível verificar quantitativamente os parâmetros obtidos com os ensaios de compactação acima descritos. Tabela 6 - Resumo dos resultados da compactação. Ensaio γd( kN/m³) Wót (%) Sem reuso - Sem 24h 16,35 14 Com reuso - Sem 24h 15,8 14 Com reuso - Com 24h 15,75 19,5 Sem reuso - Com 24h 16 20,1 Para Nogami & Villibor (1995), a umidade ótima obtida no ensaio de compactação em laboratório pode ser bem menor que a umidade obtida sem a secagem ao ar, como os ensaios feitos no campo. Com o reuso do mesmo material saprolítico nos ensaios, há muita fragmentação dos grãos em processo de intemperização, dificultando a previsão do seu comportamento quando compactado. Seria bom estar fazendo o ensaio próximo à realidade da obra. 35 Mesmo não realizando ensaios de expansão, é possível afirmar que este solo possui caráter expansivo, pois diversas pesquisas revelam que os solos oriundos do intemperismo do Filito apresentam argilominerais do grupo das esmectitas, ou seja, argilominerais do tipo 2:1 que são expansivos. Segundo Santos (2003), ao atingirem uma condição de umidade, que lhes permita adicionar moléculas de água à sua película (camada de água absorvida), eles certamente terão seu volume aumentado. Desta forma, a expansão dos argilominerais seria a responsável pela queda do peso específico seco no processo de compactação. 36 5 CONCLUSÃO A secagem prévia elevou o Limite de Liquidez em aproximadamente 1% em relação à amostra sem secagem prévia. O coeficiente angular das duas linhas de tendência (com e sem secagem prévia) têm praticamente o mesmo valor, apontando para uma característica que a expansão do solo não modifica sua estrutura intermolecular de capacidade de adsorver água, mantendo-se na mesma proporção. O deslocamento da curva sem secagem prévia para baixo indica apenas uma mudança no potencial inicial de adsorver água. O limite de plasticidade (WP) do solo com e sem secagem prévia diferiram também cerca de 1%, obtendo assim, iguais IP’s, ou seja, mesmo tamanho de região plástica. A Carta de Plasticidade de Casagrande classificou o solo como CL - Argila de baixa compressibilidade, não obtendo grandes variações entre as amostras com e sem secagem prévia. As amostras CDSS, CDCS, SDSS e SDCS não tiveram diferença granulométrica até atingirem o diâmetro de areia fina, mas houve na fase de sedimentação. Ensaios sem uso do defloculante (SDSS e SDCS) assumem o mesmo tipo de comportamento granular, independente da amostra seri seca ou não previamente. As amostras com defloculante (CDSS e CDCS) obtiveram resultados na fase de sedimentação mais condizentes com sua verdadeira característica. A amostra sem secagem prévia (CDSS) obteve valores de finos superiores a amostra com secagem prévia.Os índices de atividade para as amostras com defloculante (CDSS e CDCS) podem ser classificadas como inativa ou de atividade normal. As amostras SDCS e SDSS obtiveram índices que o classifica como ativo, ou seja, com grande capacidade de expansão. O estudo da influência da energia na compactação obteve teor de umidade decrescente com a mesma e o peso específico seco, crescente. As anomalias da curva de compactação não foram observadas, pois acrescentou-se a 37 água de compactação com antecedência de 24 hs, processo o qual eliminou em grande parte as anomalias na curva de compactação. Para o estudo da influência do reuso do material, pode-se confirmar que a compactação com reuso de amostras geram curvas mais achatadas, isto é, o manuseio das amostras muda o comportamento do solo. As amostras com e sem reuso que receberam água no momento da compactação obtiveram um coeficiente angular no ramo seco e no ramo úmido, relativamente alto, fato que pode ser explicado pela grande energia liberada no momento inicial da adsorção de água. As amostras com e sem reuso que tiveram a oportunidade de receber a água de compactação com antecedência de 24 horas, tiveram seu ramo seco bem mais suave, sendo que as umidades ótimas obtidas muito próximas, tanto para a amostra com reuso, quanto para a sem reuso. Recomenda-se o mínimo de esforço mecânico nos ensaios, pois alguns solos saprolíticos podem ter sua granulometria alterada devido à quebra de grãos durante as etapas de destorroamento e lavagem das amostras. 5.1 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS Estudos de adaptação da Norma Brasileira para os Solos Tropicais. Estudo mais aprofundado na mineralogia do solo da Baixada Cuiabana, para entender melhor o equilíbrio das cargas com teor de umidade. Para complementar os estudos realizados, recomenda-se a realização de ensaios de análise mineralógica dos solos expansivos. 38 6 REFERÊNCIA BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6457: Preparação para ensaio de caracterização e compactação. Rio de Janeiro, 1986. 9p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6459: Solos – Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro, 1984. 6p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6508: Grãos de solo que passam na # de 4,8mm determinação da massa específica. 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Controle da Expansão do solo saprolítico de filitocom cal hidratada cálcica para construções populares. In: SEMINÁRIO MATOGROSSENSEDE HABITAÇÃO DE INTERESSE SOCIAL, I. 2005, Cuiabá, Anais eletrônicos CD-ROM, Cuiabá: CEFET-MT/UFMT, 2005. 10p. SANTOS, A.C.C. Estudo da influência da energia e do reuso de amostras na compactação em solo saprolítico. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Centro de Ciência e Tecnologia, UFCG, Campinas Grande, 2003. São Paulo. Vol.1, Universidade de São Paulo, São Paulo p.509. 40 SILVEIRA, G. C. (1991). “Considerações Sobre a Granulometria dos Solos Residuais e Coluvionares do Escorregamento na Encosta do Soberbo-RJ”. Solos e Rocha. Rio de Janeiro, 14, no 1, p.59-62. SILVEIRA, G.C. (1993) “Características Geomecânicas dos Solos Residuais e Coluvionares do Escorregamento na Encosta do Soberbo, Alto da Boa Vista – Rio De Janeiro”. Dissertação de MSc, COPPE/UFRJ. Rio de Janeiro. SIMÕES DE OLIVEIRA, A. G., JESUS, A. C. e MIRANDA, S. B. (2006). 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Figura 21 - Solo Saprólitico de Filito,com presença de xistosidade com foliação. Figura 22 – Diferença de nível em radier na Baixada Cuiadana. 42 ANEXO A - Figuras de obras com ocorrência de patologias causadas pela expansão dos solos. Figura 23 - Danos em construção assente em solo expansivo. (vertisol - argila rica em montmorilonita) Foto: University of Idaho – EUA. Fonte: www.eesc.usp.br/nsat/vertisol.htm. Figura 24 - Patologia na calçada, devido à expansão do solo,
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