15º congresso brasileiro de geologia de engenharia e...

15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

AVALIAÇÃO DAS CIMENTAÇÕES INTERPARTÍCULAS DE UM SOLONATURALMENTE ESTRUTURADO ATRAVÉS DO ENSAIO DE

COMPRESSÃO DIAMETRAL BRAZILIAN TEST

Pedro Eugênio Gomes Boehl 1; Marciano Maccarini 2

Resumo – Este trabalho apresenta algumas avaliações realizadas, durante a tentativa decorrelacionar o valor da resistência à tração dos solos residuais de granito, naturalmenteestruturados, da região metropolitana de Florianópolis, com os valores de resistência dascimentações interpartículas, que estruturam o arcabouço sólido destes solos. A análise baseou-seem comparar, os valores do intercepto coesivo, obtidos através do ensaio de cisalhamento direto,em condições inundadas, com os valores de resistência à tração, obtidos por meio da aplicaçãoindireta de tração, através do ensaio de compressão diametral, Brazilian Test, nas condiçõesnaturais e inundadas. Os ensaios de laboratório envolveram 6 amostras, que não desagregaram,por imersão em água por um período de 48 horas, de um total de 27 amostras iniciais. Foiidentificado, para estes solos, um comportamento anisotrópico, que revela que as cimentaçõesinterpartículas estão mais preservadas na direção vertical. Consequentemente, devido aoenfraquecimento das cimentações na direção horizontal, esta fica suscetível à erosão eescorregamentos. A coesão e a resistência à tração destes solos são diretamente proporcionais.A coesão aparente influencia significativamente os valores medidos para estes solos, mesmosobre condições de inundação. A resistência à tração (2 a 28 kPa) diminui com o aumento doíndice de vazios (0,5-1,6).

Abstract – This paper presents some observations, while trying to correlate the value of thetensile strength of the residual granite soils, naturally structured, the metropolitan area ofFlorianópolis, with the resistance values, of the interparticle cementation, which structure the solidframework of these soils. The analysis was based on comparing the values of the cohesiveintercept, obtained from direct shear tests in flooded conditions, with the tensile strength values,obtained by indirect application of traction through the diametrical compression test, Brazilian Test,in natural and flooded conditions. Laboratory tests involving 6 samples, not disintegrated bydipping in water for a period of 48 hours, a total of 27 original samples. Were identified for thesesoils, an anisotropic behavior, which shows that interparticle cementation are more preserved inthe vertical direction. Consequently, due to the weakening of cementing in the horizontal direction,it is susceptible to erosion and landslides. Cohesion and the tensile strength of these soils aredirectly proportional. Apparent cohesion significantly influence the measured values for these soils,even over flood conditions. Tensile strength (2 to 28kPa) decreases with the increase in void ratio(0.5-1.6).

Palavras-Chave ̶ Solos residuais; cimentações; compressão; diametral.

1 Professor, MSc, Universidade Federal da Fronteira Sul: Campus Erechim-RS, (54) 33217050, [email protected] Professor, PhD, Universidade Federal de Santa Catarina: Florianópolis - SC, (48) 37219000, [email protected] .

¹Líder do Grupo de Pesquisas em Geotecnia e Geologia da Engenharia (GPGGE-UFFS-CNPQ).

² Supervisor do LAB-SOLOS-UFSC e revisor de periódico da Soils & Rocks.

15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

1. INTRODUÇÃO

Na região litorânea de Santa Catarina, frequentemente, observam-se taludes e encostasnaturais de solos residuais, derivados da Suíte granito-gnaisse, com alturas consideravelmenteexcessivas (>15m), mas que se mantém estáveis. Estes solos quando utilizadosgeotecnicamente, apresentam, as propriedades de resistência mecânica, compressibilidade,rigidez e porosidade, superiores, quando comparados com os mesmos, porém que tenham sidosubmetidos ao simples processo de deposição, sedimentação ou desestruturação (Maccarini,1987). Entretanto, estes materiais, não se comportam bem com a presença da água,apresentando instabilidades. Pode-se citar como arquétipo, os episódios ocorridos a partir denovembro do ano de 2008, devido as grandes chuvas que assolaram o estado de Santa Catarina,que se estenderam por dois meses. Durante este período ocorreram inúmeros escorregamentosde massas de solos, na região em estudo. Admite-se que estes efeitos estruturantes, ocorrampreponderantemente, devido à presença das cimentações interpartículas, no arcabouço sólidodestes materiais. Por outro lado, uma grande parcela das forças de uniões entre partículas, sãodevidas à coesão aparente e agentes instáveis físico-quimicamente ou substâncias reativas àpresença da água. Neste sentido, sobre as cimentações interpartículas, muito pouco écompreendido. Acredita-se que seja possível, entender mais razoavelmente o mecanismo dascimentações interpartículas, medindo a sua resistência, sobre condições inundadas, através daaplicação de tração indireta, induzida por intermédio do ensaio de compressão diametral(Brazilian test). Estes valores obtidos de resistência à tração, poderão ser confrontados, comvalores de coesão obtidos por meios consagrados, como o cisalhamento direto, por exemplo(Boehl, 2011). Ressalta-se que a utilização do ensaio de compressão diametral, como ferramentaefetiva de projetos geotécnicos, vem sendo utilizada no meio cientifico à muito tempo. Exemplodisto é o trabalho de Krishnayya e Eisenstein, em 1974. Devido ao sistema ser de fácil execuçãoe boa relação custo-benefício, a utilização do ensaio Brazilian Test, atualmente vem se tornandorealidade.

2. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA ESTUDADA

2.1. Materiais e amostragem

Para a seleção dos materiais, era imprescindível: que estes fossem oriundos de maciçosconstituídos por solos residuais preservados, expostos em corte há pouco tempo, para evitaralterações e amolgamentos; que a rocha mãe fosse pertencente a Suíte granítica, o que dariagrandes chances de se encontrar solos granulares com pouca presença de argilominerais,portanto, estruturado por cimentações; que tivessem pouca fração pedregulho em suagranulometria, para não dificultar a extração e a moldagem dos corpos de prova.

Figura 1. Localização geográfica das regiões exploradas 1, 2, 3, 4 e 5.


As regiões escolhidas para estudo se localizam nos municípios de: Florianópolis, São José e SãoPedro de Alcântara no estado de Santa Catarina, Brasil. São as regiões 1, 2, 3, 4 e 5, comoilustrado na Figura 1. Mais especificamente: Região 1, SC 407 próximo ao n. 144, no município deSão Pedro de Alcântara (Coordenadas UTM: zona 22; E=716549,00; N=6948627; H=213m);Região 2, Colônia Santana, município de São José (SC 407 n. 10250); Região 3, SC-401,primeiro ponto, no município de Florianópolis (27°31'42.4"S 48°30'48.5"W); Região 4, SC 401,segundo ponto, (27°31'22.1"S 48°30'52.9"W), também no município de Florianópolis; Região 5,Pantanal - Costeira, município de Florianópolis (Avenida Deputado Antônio Edu Vieira, n.122.Nestas regiões, foram coletadas 27 amostras, em forma de blocos indeformados (20x20x20cm),conforme a Figura 4.

Figura 2. A esquerda, Imagem de satélite da região 1, na direita, Foto da região 3.

2.2. Caracterização geológica

A área de estudo é composta por planícies costeiras, combinadas com elevações de até 500m,constituída por um conjunto pré-cambriano de rochas cristalinas da Suíte granítica-gnáissica,associados ao ciclo Tectônico Brasiliano, cortado localmente por diques de diabásio de idadeJuro-Cretácia, provenientes do derrame basáltico da bacia do Paraná. Ocorrem tambémformações alternantes de rochas sedimentares e metamórficas, sobre forte influência dasmudanças paleo-climáticas. Sobrepostos à estas formações, ocorrem sucessivas camadas desedimentos recentes relativos aos eventos terciários e quaternários (Bigarella, Leprevost;Bolsanello, 1985). Mais especificamente, estas formações, são reconhecidas, litologicamente por“PPZγ,pg”, Suíte Intrusiva Pedras Grandes, constituído por granitos, sieno-granitos, granitóides, eàs vezes, meta-granitos e gnaisses, com comportamento e constituição isótropa e homogênea. Aregião pode ser observada na Figura 2. Em geral, constituem-se principalmente pelos seguintesminerais: biotita, hornblenda, anfibólio, piroxênios sódicos, wolframita, cassiterita e mica branca(Boehl, 2011).

2.3. Caracterização geotécnica

Os solos residuais que se formam ao entorno destas formações rochosas, sãopreponderantemente granulares, constituídos de siltes-arenosos com pequena presença de argilae pouquíssimo pedregulho, baixa plasticidade, permeabilidade aberta, dupla estrutura e duplaporosidade. Naturalmente compactos, com coloração predominantemente amarelo-rossácea,pedologicamente pertencem ao horizonte intermediário C, e algumas vezes B. Observa-se muitasvezes a presença de descontinuidades, compostas por rajadas escuras, distribuídasaleatoriamente em sua massa, como pode-se observar nas Figuras 3 e 4 (Boehl, 2011).


Figura 3. A esquerda, Foto da região de amostragens dos solos A1,A2 e A3, e a direita, Foto em vistalateral, ambas imagens da região de São Pedro de Alcantara-SC.

Bishop (1972) definiu o solo coesivo estruturado, como aquele em que as forças de uniãointerpartículas, contribuem significativamente no comportamento físico-mecânico do solo.Maccarini (1987) lembra que a existência de coesão verdadeira em solos residuais de granito,está diretamente ligada às cimentações entre partículas. Nestes solos, “bonding dominated soils”,o sistema de estruturação é governado preponderantemente pelas: cimentações interpartículas;quebra destas cimentações ou das partículas friáveis; presença de pequenos blocos de rochapouco ou não alterados; e coesão aparente, pois estão frequentemente em estado não saturado.Este mecanismo micro e macroestruturante, proporciona uma componente de acréscimo naresistência e na rigidez, que é independente da tensão efetiva e da porosidade, e que secomporta, como se fosse devida à presença de conexões físicas nas arestas e contatosinterpartículas. Os agentes cimentantes, destes solos, são resultados de uma complexacomposição físico-química, entre os resquícios das estruturas reliquiares da rocha mãe e dadeposição, através de agentes de transporte, e posterior cristalização nos vazios, de substânciasagregadoras e aglutinantes de natureza silico-alumino-ferruginosas (Boehl, 2011).

3. COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DOS SOLOS ESTUDADOS

Do total de 27 amostras coletadas nas áreas de estudos, apenas 6 amostras, foram submetidosaos ensaios de laboratório geomecânicos. Estas 6 amostras, permaneceram preservadas, apósimersão em água por 48 horas, o restante desagregou. Este fato atesta que, para estes solos,geralmente, a estruturação é bem instável em presença da água e muito influenciada pela coesãoaparente, fato determinante durante o processo de instabilidade de encostas. Todas as 27amostras foram caracterizadas. As amostras intactas após imersão foram denominadasselecionadas, que são: A1, A11, A18, A20, A21 e A22, sendo o restante das amostrasdenominadas rejeitadas.

Fundamentando-se na hipótese, de que a resistência à tração medida no ensaio decompressão diametral, seja a própria medida indireta das cimentações interpartículas (Maccarini,1987), o objetivo essencial da realização dos ensaios geomecânicos deste trabalho, era aavaliação e julgamento, entre uma possível correlação, entre a resistência à tração indireta obtidana compressão diametral e o intercepto coesivo propiciado através do ensaio de cisalhamentodireto. Para a realização do ensaio de compressão diametral, adotou-se como padrão, corpos deprova cilíndricos, imersos em água, com 38,1mm de diâmetro por 78,2mm de altura, do qual amoldagem e instrumentações necessárias, seguem abaixo na Figura 5. O cisalhamento direto,foi realizado, para cada amostra, em duas direções ortogonais, horizontal e vertical, utilizando-separa tal, corpos de prova indeformados, de 20,65mm de altura com 101,6mm de lados, inundadose consolidadas em estágios sob tensões normais de 31 kPa, 74 kPa e 122 kPa . Na Figura 4,pode-se visualizar a coleta de amostra de bloco indeformado do solo A2SPA, na mesma figuraem (b) e (c), através de foto do solo A18 e A11, observa-se a formação dos planos de ruptura


após a execução do ensaio de compressão diametral. Ainda na Figura 4, à direita, o padrão demoldagem dos corpos de prova: à cima (d) o torno e abaixo (e) o molde (bercinho padrão).

Figura 4. Coleta de amostras em blocos indeformados, formação de planos de ruptura e moldagem decorpos de prova para compressão diametral (Boehl, 2011).

A Figura 5 (a), traz detalhadamente, o sistema montado, para executar os ensaios decompressão diametral. Observa-se: (a) detalhamento e em (b) visão geral da adaptação doensaio ao sistema do triaxial (LMS-UFSC), mostrando a subida do pedestal com velocidadeconstante (ação). Descreve-se o sistema (Fig.5 (a)): Adaptou-se um berço com hastes (e) queposicionavam e alinhavam o corpo de prova (d), adaptado sobre o pedestal do ensaio triaxial (f).Utilizavam-se filetes de borracha para a distribuição uniforme de tensões ao longo do corpo deprova, superior e inferior (e). Pode-se observar, ainda na Figura 5, à direita, o estado à que ocorpo de prova ficava submetido durante o ensaio, e a formação dos planos de ruptura (solo A1).

Figura 5. Em (a) e (b), ensaio de compressão diametral ou ensaio brasileiro (Brazilian test), estadofísico e superfícies de ruptura (Boehl, 2011).


A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos nos ensaios geotécnicos delaboratório, para a caracterização de todos os solos estudados. A Tabela 2 apresenta osresultados dos parâmetros de resistência ao cisalhamento obtidos através do ensaio decisalhamento direto, da mesma forma, os resultados do ensaio de compressão diametral(Brazilian Test). Os solos selecionados estão marcados em azul na Tabela 1.

Tabela 1. Índices físicos dos solos investigados.

Onde: z – profundidade; wnat natural – teor de umidade; γnat – peso específico aparentenatural; γs - peso específico seco; γg - peso específico das partículas sólidas; e– índice de

vazios; Sr – grau de saturação; LL-Limite de liquidez; LP- Limite de plasticidade; IP-Índice deplasticidade.

Tabela 2. Parâmetros de resistência ao cisalhamento e de tração indireta nacompressão diametral dos solos investigados.

Onde: z – profundidade; c – intercepto coesivo; – Angulo de atrito interno; ti – resistência à

tração nas condições inundadas; tnat– resistência à tração nas condições naturais.

Abaixo segue uma análise gráfica conjunta da inter-relação entre a resistência àtração medida no ensaio de compressão diametral e o intercepto coesivo obtido noensaio de cisalhamento direto para as amostras A1, A11, A18, A20, A21 e A22. A


resistência à tração foi obtida em amostras sob condições naturais e após submersão. Ocisalhamento direto sobre condições inundadas.

Figura 6. A esquerda, o intercepto coesivo horizontal sobre condições inundadas, em função da resistênciaà tração após a inundação; e a direita, o intercepto coesivo vertical sobre condições inundadas, em função

da resistência à tração após a inundação (Boehl, 2011).

Figura 7. A esquerda, o intercepto coesivo horizontal, sobre condições inundadas, em função da resistênciaà tração natural; e a direita, o intercepto coesivo vertical, sobre condições inundadas, em função da

resistência à tração natural (Boehl, 2011).

A análise conjunta dos gráficos da Figura 6, aponta que o intercepto coesivo vertical nascondições inundadas, comporta-se, mais influenciado pela resistência à tração inundada, do queo intercepto coesivo horizontal inundado, apesar de ocorrerem valores pontuais, levemente maiselevados, na direção horizontal.

De outra forma, analisando a Figura 7, verifica-se que a tendência anteriormenteapontada, agora, não é tão evidente, pois as condições horizontais e verticais são muitosemelhantes. Neste caso a resistência à tração está sobre condições naturais. Esta semelhança,provavelmente, ocorra em consequência da coesão aparente, de comportamento mais isotrópico,exercer uma grande influência, no comportamento interpartículas no estado natural. Avaliando-seconjuntamente os resultados obtidos em condições naturais e inundadas para a resistência àtração (Figuras 6 e 7), pode-se concluir que as cimentações interpartículas possuem maiorcorrelação com o intercepto coesivo na direção vertical. Ainda na análise conjunta, verifica-se que


existe uma tendência de aumento do intercepto coesivo concomitante com o aumento daresistência à tração, comprovando que a coesão e a resistência à tração destes solos sãodiretamente proporcionais.

Figura 8. A esquerda, análise da diferença entre a resistência à tração nas condições naturais e aresistência à tração nas condições após inundação, em função dos interceptos coesivos; e na direita, a

análise das resistências à tração em função do índice de vazios dos valores obtidos neste trabalho,conjuntamente com outras pesquisas (Boehl, 2011).

A análise gráfica da Figura 8 à esquerda, revela uma tendência de aumento simultâneodos interceptos coesivos horizontal e vertical, com o aumento da diferença entre a resistência àtração natural e inundada. Para estes solos, a diferença entre as resistências à tração natural einundada, é uma variável muito semelhante à coesão aparente. Assim sendo, sobre tal evidência,pode-se constatar que a coesão aparente exerce uma influência significativa sobre a medida daresistência à tração, mesmo que em condições inundadas.

Na Figura 8 no gráfico à direita, comparam-se conjuntamente os valores de resistência àtração, obtidos na pesquisa, com valores obtidos por outros pesquisadores. Neste gráficoobservam-se a formação de famílias de curvas que podem indicar dependências e correlaçõesentre os dados comparados, relações estas que poderiam melhorar com o aumento do espaçoamostral. Os valores de resistência à tração (2 a 28 kPa) obtidos são comparativamente maioresdo que os valores publicados por outros pesquisadores, do mesmo modo que, o índice de vaziostambém é significativamente maior (0,5-1,6). A tendência verificada para as famílias de curvas ésingular e inversa, sendo possível concluir que a resistência à tração diminui com o aumento doíndice de vazios.


4. CONCLUSÕES

Identificou-se um comportamento anisotrópico da resistência à tração, para estes solos, existindouma maior afinidade entre o intercepto coesivo vertical e a resistência à tração. Observa-se,integralmente, que à aproximação de valores entre as variáveis, intercepto coesivo e resistência àtração, está relacionada à preservação ou não das cimentações, uma vez que, devido aosescorregamentos ocorridos em todas as encostas, onde as amostras foram coletadas, haviadesconfinamento horizontal (lateral). Estes desconfinamentos laterais, favorecem os principaisefeitos do intemperismo atmosférico nesta direção, como as alterações e desintegrações físico-químicas, ciclos de expansões, contrações e alívio de tensões, que por sua vez, ocasionamquebra e enfraquecimento das cimentações na direção desconfinada. Consequentemente,ocasionando na massa de solo, susceptibilidade à erosão e escorregamentos nesta direção. Porisso a resistência à tração, por consequência as cimentações interpartículas, estão maispreservadas na direção mais protegida do intemperismo, que é a direção vertical.

A coesão e a resistência à tração destes solos são diretamente proporcionais. A coesãoaparente influencia significativamente os valores medidos para estes solos, mesmo sobrecondições inundadas.

Os valores de resistência à tração (2 à 28 kPa) obtidos são comparativamente maiores doque os valores publicados por outros pesquisadores, do mesmo modo que, o índice de vaziostambém é significativamente maior (0,5-1,6). A tendência verificada para as famílias de curvas ésingular e inversa, sendo possível concluir que a resistência à tração diminui com o aumento doíndice de vazios.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a CAPES, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFSC(PPGEC-UFSC) e ao LAB-SOLOS-UFSC, pelo fomento à pesquisa, às bolsas de pesquisa e pelosuporte oferecido.

BIBLIOGRAFIA

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