COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Estudo das Propriedades Físicas e Mecânicas de Solos Não
Coesivos Usados em Aterros de Dutovias
Thaise da Silva Oliveira Morais
Universidade Federal de Alagoas, Maceió, Brasil, [email protected]
João Manoel Sampaio Mathias dos Santos Filho
Universidade Federal de Alagoas, Maceió, Brasil, [email protected]
Viviane Carrilho Leão Ramos
Universidade Federal de Alagoas, Maceió, Brasil, [email protected]
RESUMO: Neste trabalho é avaliado a influência da adição de fibras poliméricas de polipropileno
no comportamento mecânico de uma areia utilizada como material de aterro na instalação de dutos
subterrâneos. Para tanto foi elaborada uma campanha de ensaios de cisalhamento direto com e sem
material de reforço, além dos ensaios convencionais de caracterização realizados em laboratório. Os
resultados indicam um aumento na resistência ao cisalhamneto com adição de fibras.
PALAVRAS CHAVES: Dutovias, Areia, Solos Não Coesivos, Aterros Reforçados.
1
INTRODUÇÃO
estes executados por processo destrutivo que
consiste na escavação de vala ou trinxeira no
solo para sua instalação. Dutos subterrâneos são
aqueles que foram enterrados para evitar a sua
vulnerabilidade
à
acidentes
diversos,
curiosidade da população e vandalismo, ou seja,
são tubos que são envolvidos pelo solo, que no
contexto participa como meio protetor do
sistema, consequentemente, as linhas de dutos
enterrados são estruturas que trabalham em
meio ambientes de grande complexidade.
Entre as características vantagens e
desvantagens que o mecanismo de dutos
subterrâneos proporcionam, existe um ponto
negativo que é incontestavelmente cruscial para
a definição dos estudos e no desenvolvimento
de pesquisas com o propósito de identificar,
prevenir e principalmente evitar possíveis
acidentes devido a vazamentos destas vias, os
quais causam riscos de incêndio e explosões,
bem como desconforto respiratório à população,
e as ocorrências que causam impacto ambiental
como por exemplo a contaminação de
mananciais, solos e de áreas litorâneas.
Desta forma, esta pesquisa se desenvolve
tomando como principal objetivo a preservação
e garantia da integridade física e mecânica dos
dutos, e na busca do melhor aproveitamento das
Com o desenvolvimento industrial no Brasil,
incluindo
especialmente
às
indústrias
petroquímica e petrolífera, tornou-se rotineiro o
uso de sistema de dutos enterrados os quais
devido à grande relevância destes setores no
cenário econômico mundial e ambiental, vêm a
cada dia promovendo a necessidade do
desenvolvimento de pesquisas e trabalhos
diversos nesta área, buscando principalmente
um melhor entendimento do comportamento
das linhas de tubos. De acordo com Colussi et
al. (2009), um sistema estrutural composto por
dutos é constituído basicamente por tubos
desenvolvidos e construídos de acordo com os
procedimentos normativos em vigor para:
transportar petróleo e seus derivados, álcool,
gás, produtos químicos diversos e entre outros,
por distâncias consideravelmente longas, sendo
então denominados de acordo com o tipo de
material que transporta, ou seja, oleodutos,
gasodutos, polidutos, minerodutos, adutoras e
etc.
Tal mecanismo de condução, é dividido em
três tipos principais: subterrâneos, submarinos,
e aparentes ou aéreos. Neste trabalho serão
abordadados apenas os subterrâneos, tendo sido
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funcionalidades deste mecanismo de condução
indispensável para o desenvolvimento.
O trabalho estuda e avalia o comportamento
mecânico de solo não-coesivo com e sem
reforço, corriqueiramente utilizado como meio
circundante dos sitemas de tubos enterrados. A
principal função deste meio é garantir o
decréscimo das solicitações aos tubos, pois este
age como dissipador dos esforços que solicitam
o sistema.
Para tanto, o presente trabalho foi
desenvolvido em três etapas: uma preliminar de
obtenção e escolha do solo, incluindo ensaios
laboratoriais para a determinação das suas
propriedades físicas; em seguida, foram
realizados ensaios de cisalhamento direto com o
objetivo de obter os parâmetros de resistência
do solo com e sem reforço. Por fim, comparouse os resultados dos ensaios de resistência
nestas duas condições, buscando assim, avaliar
a eficiência do reforço.
Todos os ensaios de caracterização física e
de resistência mecânica foram executados no
Laboratório de Geotecnia da Universidade
Federal de Alagoas.
3
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
Para a determinação das propriedades do solo
foram realizados ensaios de granulometria,
determinação da massa específica dos grãos,
índice de vazios máximo e mínimo.
3.1
Análise Granulométrica
A granulométrica do solo em questão foi
realizada de acordo com os procedimentos
propostos pela ABNT/NBR 7181 (1984).
A partir do ensaio, foi gerada a curva
apresentada na figura 1, onde é possível
verificar que o solo possui aproximadamente
7% de areia fina, 82% de areia média e 11% de
areia grossa; de acordo com o resultado
granulométrico obtido, foi classificado como
uma areia média à grossa, de granulometria
uniforme e mal graduada, sem pedregulhos e
isenta de finos, tendo sido enquadrada segundo
os critérios do Sistema Unificado de
Classificação de Solos (SUCS), no grupo dos
solos grossos, recebendo as siglas SP .
Curva Granulométrica
100
SOLO ESTUDADO
Percentual passando ou em suspensão (%)
2
Para o início dos estudos, foram coletadas
amostras de solos não coesivos de quatro
regiões diferentes do Estado de Alagoas. Estes
locais foram selecionados devido à constante
utilização dos solos destas regiões como
material na construção civil.
Dentre estes solos, o critério de escolha
consistiu na mineralogia, buscando o material
que fosse composto em sua maioria por quartzo.
Este critério foi adotado visando a posterior
utilização do mesmo nos ensaios em uma caixa
de teste para simulação do comportamento de
dutos enterrados.
O solo utilizado no estudo é uma areia, da
cidade de Capela-AL, obtida por processo de
dragagem de um rio da região. Todas as
amostras foram coletadas e preparadas segundo
a Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABNT/NBR 6457 (1986) para os ensaios de
caracterização física.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,01
0,1
1
10
100
Diâmetro das partículas (mm)
Figura 1. Curva garnulométrica do solo.
Segundo Das (2007), a forma das partículas
presentes em um solo é igualmete importante
quanto a distribuição granulométrica, pois tem
influência significativa nas propriedades do
mesmo.
Pinto (2006), afirma que o formato dos grãos
de uma areia influi diretamente no seu
comportamento mecânico, por determinar como
eles se encaixam e se entrosam, e, em
contrapartida, como eles deslizam entre sí
2
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12051 (1991) respectivamente. Para a
realização dos ensaios, a areia se encontrava
totalmente seca.
Após os procedimentos de ensaio, chegou-se
aos seguintes resultados: emáx = 0,89 e emín =
0,60.
quando solicitados por forças externas.
Através da observação do solo por meio de
lupa binocular, foi possível avaliar a forma das
partículas do mesmo. Utilizando esta
metodologia, concluiu-se que o solo é
basicamente composto por grãos angulares e
subangulares, Das (2007). As imagens dos
grãos são mostradas na figura 2.
4
ENSAIOS DE RESISTÊNCIA
Os esforços compressivos nos solos geram
interiormente no maciço, tensões desviadoras de
compressão e cisalhamento. O normal é que, no
caso de ruptura, nessas circunstâncias, ela se dê
por cisalhamento, dependendo no estágio
atingido pelas tensões cisalhantes geradas. Tudo
dependendo do nível atingido pelas tensões
cisalhantes geradas e da resistência do solo ao
cisalhamento (BARATA, 1984).
Os parâmetros de resistência mecânica do
solo foram determinados através de ensaios de
cisalhamento direto, utilizando diferentes níveis
de tensões normais, e realizados inicialmente
com o material natural e em seguida com
aditivo de reforço.
4.1
A metodologia empregada na realização dos
ensaios de cisalhamento direto foi a descrita por
LAMBE (1967). As envoltórias de tensões são
obtidas sempre com os mesmos valores de
tensões confinantes efetivas (50, 100 e 150
kPa), uma vez que este trabalho estuda a
resistência mecânica de um solo granular
utilizado em estruturas compactas rasas, como
em aterros nos sistemas de dutos subterrâneos.
Além dos baixos valores de tensões, o ensaio
foi executado sob deformações (deslocamentos)
controladas.
Para a moldagem dos corpos de prova, foi
determinado o peso específico aparente seco
correspondente a uma Dr de 70%, pois segundo
PINTO (2006), a partir desta o solo em questão
é considerado compacto. Para a confecção dos
copos de prova, optou-se pela densificação por
vibração.
Figura 2. Fotografias das partículas de solo, escala da foto
para 1mm.
3.2
Massa Específica dos Grãos de Solo
Para a determinação da massa específica dos
grãos foi seguido o método descrito na norma
ABNT/NBR 6508 (1984); a partir daí, chegouse ao valor de 2,64 g/cm³.
3.3
Cisalhamento Direto Convencional
Índice de Vazios Máximo e Mínimo
A determinação do valor dos índices de vazios
máximos e mínimos de solo (areia) foi de
acordo com os procedimentos mencionados na
ABNT/NBR 12004 (1990) e ABNT/NBR
5
3
REFORÇO
À
RESISTÊNCIA
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MECÂNICA DO SOLO
serem quimicamente inertes e por estarem
disponíveis abundantemente no mercado. Os
filamentos poliméricos possuem espessura de
100 dtex equivalente a 0,10 mm, e comprimento
de 12 mm. As propriedades mecânicas das
fibras usadas nos ensaios estão apresentadas na
tabela 1.
Devido à sua complexidade, o solo nem sempre
atende as necesidades de projeto. Técnicas de
melhoramento destas características são
conhecidas pelo homem e cresce a utilização
das mesmas. Neste contexto, a técnica do
reforço em solos surge como alternativa de
solução, tornando viável o uso deste solo
através da adição de algum elemento de reforço.
O conceito de melhoria das características
mecânicas dos solos através da inclusão de
elementos de reforço não é recente, pelo
contrário, desde antes de Cristo o homem já
utilizava este método para proporcionar maior
resistência a tijolos de argila através da inclusão
materiais vegetais. (MACCAFERRI, 2008).
Segundo CASAGRANDE (2005), a técnica
de melhoria e reforço de solos é o uso de
processos físicos e/ou químicos que almejam o
aperfeiçoamento de caracterísiticas mecânicas
dos mesmos. O termo melhoria, está associado
ao tratamento por meio de procesos químicos,
enquanto que o termo reforço, à utilização de
inclusões em aterros ou taludes.
CASAGRANDE (2001) ainda afirma que a
busca pela melhoria no desempenho de
materiais sujeitos a problemas devido o
surgimento de tensões e deformações de
cisalhamento, vem sendo utilizada, como
alternativa, a técnica de reforço de solos pela
adição de fibras, que passam a exercer função
de elementos de ancoragem que não impedem a
formação de fissuras, mas atuam diretamente no
controle da propagação destas, melhorando as
características mecânicas do mesmo.
GOIVINHO (2009) afirma que a técnica de
reforço de solos com fibras poliméricas, faz
parte da atual tecnologia dos materiais
compósitos, que a cada dia desperta grande
interesse no meio científico.
5.1
Tabela 1. Resumo das propriedades das fibras.
Propriedades Mecânicas
Fibra
Comprimento (mm)
Diâmetro (mm)
Densidade Relativa
Módulo de Elasticidade (GPa)
Resistência à Tração Última (MPa)
Deformação na Ruptura (80%)
12
0,10
0,91
3
120
80
A proporção de fibra adicionada à mistura
foi determinada em relação à massa de solo
seco (0,5% em massa). A escolha deste teor de
fibras é devida à necessidade em delimitar os
objetivos de pesquisa e, também, com base na
literatura (FEUERHARMEL 2000; e.g.
CASAGRANDE 2001 e 2005; FESTUGATO,
2008; GOIVINHO, 2009)
Após ser determinada a quantidade de cada
material, os componentes foram adicionados em
um recipiente, passando em seguida por um
processo manual de mistura, garantindo desta
forma uma melhor homogeneização da mistura.
O exame visual do material final comprovou a
que a mistura encontrava-se devidamente
uniforme.
6
RESULTADOS E ANÁLISES
A Figura 3 apresenta os resultados dos ensaios
de cisalhamento direto realizados com as
amostras de areia sem reforço, onde, para cada
tensão confinante efetiva, é determinada uma
curva de resistência em função da deformação
distorcional e de deformação volumétrica
versos a distorcional do material.
Fibras
Para este trabalho foram utilizadas fibras
poliméricas de polipropileno produzidas pela
indústria Fitesa Fibras e Filamentos S/A. Tais
fibras são freqüentemente utilizadas na indústria
têxtil, tendo sido escolhidas por apresentarem
características uniformes e bem definidas,
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Figura 4. Gráficos tensão–deformação distorcional de
10% e deslocamento vertical-distorcional do solo com
reforço submetido a diferentes tensões confinantes.
Para o solo não coesivo em questão, estando
o mesmo reforçado com fibras, foram
observados os valores para o parâmetro φ
listados na tabela 3.
Tabela 3. Ângulos de Atrito encontrados para o solo com
0,5% de fibras.
Ângulo de Atrito - φ
C/Fibra Pico
C/Fibra Pós-Pico
Figura 3. Gráficos tensão–deformação distorcional de
10% e deslocamento vertical-distorcional do solo sem
reforço submetido a diferentes tensões confinantes.
O solo reforçado apresentou um aumento no
ângulo de atrito de 10,11% na tensão de ruptura,
enquanto que no pós-pico de 2,07%. Então a
adição de fibras proporcionou ao material
granular estudado, considerável acréscimo de
resistência ao aumentar φ.
As envoltórias de resistência dos ensaios
execultados são apresentadas nas Figuras 5 e 6,
sendo, respectivamente de resistência de pico e
pós-pico.
Através dos resultados do cisalhamento,
chegou-se ao parâmetro φ (ângulo de atrito)
correspondente à resistência de pico e residual
respectivamente. A tabela 2 resume os valeres
encontrados para φ da areia ensaiada.
Tabela 2. Ângulos de Atrito encontrados para o solo com
0% de fibras.
Ângulo de Atrito - φ
S/Fibra Pico
S/Fibra Pós-Pico
42,49°
35,51°
38,59°
31,85°
São apresentados na figura 4 os resultados
dos ensaios de cisalhamento direto nas amostras
reforçadas com 0,5% (em massa) de filamentos
poliméricos de polipropileno.
Figura 5. Envoltória de resistência de pico do solo sem e
com adição de fibras.
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Figura 6. Envoltória de resistência de residual do solo
sem e com adição de fibras.
Com base na literatura (PINTO, 2006) onde
são apresentados valores típicos para φ de solos
granulares, o solo em questão trata-se de uma
areia mal graduada, composta por grãos
angulares e no estado compacto, já que ângulo
de atrito de pico estão no intervalo de 35° a 43°,
o que justifica a classificação.
As curvas de deslocamento vertical versus
deformação distorcional das amostras com e
sem reforço, apresentam valores inesperados de
deformação
volumétrica,
atribuídos
à
variabilidade inerente ao ensaio (FESTUGATO,
2008). Porém, observa-se que todas as amostras
comportaram-se volumetricamente (no ensaio
de cisalhamento) como areias compactas,
havendo inicialmente pequenas ou quase nulas
compressões seguidas de maiores expansões
(PINTO, 2006).
Na Figura 5 é apresentado por meio de
gráfico comparativo o incremento de resistência
com a inclusão de fibras.
Figura 5. Gráfico tensão–deformação distorcional de 10%
e deslocamento vertical-distorcional do solo com e sem
reforço.
As Tabelas 4 e 5 resumem os resultados do
comportamento tensão-deformação do solo com
e sem reforço.
Tabela 4. Resultados de resistência mecânica do solo.
Tensão de
adensamento
(kPa)
50
100
150
Ensaio sem fibra
Tensão
Tensão Normal
Tensão
Residual
na Ruptura
Ruptura (kPa)
(kPa)
(kPa)
51,3
40,9
31,6
102,2
88,8
69,4
154,2
118,3
104,3
Tens.
Normal Res.
55,6
111,1
166,7
Tabela 5. Resultados de resistência solo-fibra.
Tensão de
adensamento
(kPa)
50
100
150
Ensaio com fibra
Tensão normal
Tensão
Tensão
na ruptura
Residual
Ruptura (kPa)
(kPa)
(kPa)
50,9
50,0
40,2
102,4
92,6
69,8
154,1
140,8
105,3
Tens. Normal Res. Residual
(kPa)
55,6
111,1
166,7
Em vista dos resultados encontrados
observa-se que com a utilização das fibras
ocorreu um aumento na resistência de pico e
pós-pico, sendo mais significativo na ruptura.
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CONCLUSÕES
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Casagrande, M. D. T. Estudo do comportamento de um
solo reforçado com fibras de polipropileno visando o
uso como base de fundações superficiais. 2001.
Dissertação de Mestrado, Programa de PósGraduação em Engenharia Civil, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre. 95p.
Casagrande, M. D. T. Comportamento de solos
reforçados com fibras submetidos a grandes
deformações. 2005. Tese de Doutorado, Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre. 219p.
Das, Braja M. Fundamentos de Engenharia Geotécnica /
Braja M. Das; tradução All Tasks; revisão técnica
Pérsio Leister de Almeida Barros. – São Paulo:
Thomson Learning, 2007, 561p. Título original:
Principles of geotechnical engineering. Tradução da 6.
ed. americana.
Festugato, L. Análise do Comportamento Mecânico de
um Solo Micro-reforçado com Fibras de Distintos
Índices Aspecto. 2008. Dissertação de Mestrado,
Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto
Alegre. 145 p.
Feuerharmel, R. M. Comportamento de Solos Reforçados
com Fibras de Polipropileno. 2000. Dissertação de
Mestrado, Programa de Pós-graduação em Engenharia
Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Porto Alegre. 133 p.
Goivinho, M. F. Análise do Comportamento Mecânico de
Solo Reforçado com Fibras de Polipropileno. 2009.
Trabalho de Conclusão de Curso, Colegiado do Curso
de Engenharia Civil, Universidade Federal de
Alagoas, Maceió. 119 p.
Maccaferri, Catálogo - Reforço e Estabilização de Solos:
Necessidades e Soluções. 2008. Maccaferri América
Latina. Site: www.maccaferri.com.br, acesso em
08/02/2010.
Pinto, Carlos de Sousa. Curso Básico de Mecânica dos
Solos em 16 Aulas – 3. ed.. São Paulo: Oficina de
Textos, 2006, 355p.
Santos Jr., A. e Vieira, C. S. Avaliação de Aspectos
Geotécnicos Relativos à Instalação de Dutos
Enterrados Utilizados na Distribuição de Gás
Natural. 2006. Trabalho de Conclusão de Curso,
Colegiado do Curso de Engenharia Civil,
Universidade Federal de Alagoas. Maceió. 79 p.
Apartir dos resultados obtidos observou-se que
a adição do material de reforço proporcionou
significativo aumento nos parâmetros de
reisistência do solo em questão.
Os ensaios demostraram que a resistência do
solo aumenta com o aumento da tensão
confinante efetiva, confirmando desta forma a
correlação entre tensão normal e tensão de pico
do solo.
Contudo vale salientar que o estudo se
desenvolveu pressupondo que os processos de
instalação de dutovias foram execultados de
forma adequada, incluindo uma correta
compactação do solo de aterro, o que resulta na
maior capacidade de suporte dos esforços
solicitantes.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Laboratório de
Geotecnia da Universidade Federal de Alagoas
e ao CNPq pela concessão da bolsa de estudo.
À doutouranda Taíse Monique Carvalho da
Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro pelo apoio na realização deste trabalho.
REFERÊNCIAS
ASTM D2487 de 1985: Standard Classification of Soils
for Engineering Purposes (Unified Soil Classification
System).
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Solo - Análise
granulométrica : NBR 7181. Rio de Janeiro: ABNT,
1984.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Solo Determinação da massa específica aparente: NBR
6508. Rio de Janeiro: ABNT, 1984.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Amostra de
solo – Preparação para ensaios de compactação e
ensaios de caracterização: NBR 6457. Rio de Janeiro:
ABNT, 1986.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Solo –
Determinação do índice de vazios máximo de solos
não coesivos: NBR 12004. Rio de Janeiro: ABNT,
1990.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Solo –
Determinação do índice de vazios mínimo de solos
não coesivos: NBR 12051. Rio de Janeiro: ABNT,
1991.
Barata, F. E. Propriedades mecânicas dos solos: uma
introdução ao projeto de fundações. Rio de Janeiro:
LTC – Livros Técnicos e Científicos S.A. 1984.
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