81 ESTUDO DO GRAU DE COLAPSIVIDADE DA ARGILA LATERÍTICA DE ALFENAS (*) ÉRICLIS PIMENTA FREIRE (**) GUSTAVO EUGÊNIO RODRIGUES (***) YASSER VASCONCELOS SOARES (***) RESUMO A presente pesquisa discute inicialmente os tipos básicos de solo, e posteriormente os conceitos de argila e a relação dos processos de formação deste material com as condições ambientais (tropicais). São apresentados ainda conceitos sobre sua estrutura, comportamento, grau de colapso e critérios para quantificação da colapsividade. E finalmente são analisadas as características físicas e comportamentais da argila laterítica de Alfenas a partir de ensaios experimentais realizados em laboratório e a análise de recalques excessivos em edificações locais. DESCRITORES: Solo, argila laterítica, colapso, recalque SUMMARY STUDY OF THE GRADE OF COLLAPSE OF THE LATERITIC CLAY OF ALFENAS The present research discusses at first the basic soil kinds, and afterwards the conception of clay and the relation of the formation process of this material with the environmental conditions (tropical). Concepts are also given about its structure, behavior, collapse grade and criteria for the quantification of collapse. Finally the physic attributes and behavior of lateritic clay of Alfenas are analyzed from experiments carried out in the laboratory, and the analysis of excessive pressing down in the local buildings. KEYWORDS: Soil, clay lateritic, clay collapse, pressing down 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho apresenta uma breve resenha sobre as argilas, com ênfase ao estudo experimental da argila laterítica, freqüente na camada superficial do subsolo da cidade de Alfenas. O objetivo principal da investigação consiste na determinação do grau de colapsividade do material estudado e suas conseqüências na prática da engenharia, principalmente no que se refere a projetos e comportamentos de fundações. O tópico 1.1 apresenta um comentário dos tipos e processos de formação dos solos e a influência destes fatores no seu comportamento, e de obras de engenharia a partir de um enfoque geotécnico. No tópico II.1 são apresentados os conceitos gerais sobre argilas e suas características a partir das propriedades físicas. No tópico II.2 são apresentados conceitos sobre as argilas lateríticas, e a forma de ocorrência deste material no território brasileiro. No tópico 1.2 são apresentados e discutidos os conceitos de “estrutura”, “grau de colapsividade” e critérios de quantificação do colapso nas argilas lateríticas, típicas de regiões tropicais. Especificamente no tópico sobre estruturas são apresentados os conceitos de “tixotropia” e “sensibilidade” das argilas, segundo Vargas (1977). No item sobre “grau de colapsividade” são apresentadas observações e conclusões sobre o tema de vários pesquisadores como Sousa Pinto (1995), Ferreira e Lacerda (1993). Neste tópico ainda são mencionadas regiões do Brasil onde foram identificados solos colapsíveis incluindo-se o local do presente estudo. Agnelli e Albiero (1997), estes autores apresentaram importantes conclusões relacionadas ao pH do solo e sua influência no colapso. Casos práticos são apresentados e discutidos por Santos et al (1998), sobre o efeito do colapso em fundações. No tópico 1.3 são apresentados vários critérios para quantificação da colapsividade dos solos. Alguns destes métodos são fundamentados nas propriedades físicas do solo, evidenciadas a partir dos Limites de Atterberg. Pode-se citar como exemplo os critérios de Denison, Priklonskij e Resnik, relatados por Spósito (1993). O método proposto por Handy e Saber, também relatados por este autor basea-se exclusivamente no teor de finos do material. No tópico 1.4 são apresentados conceitos e resultados de ensaios de laboratório relativos à caracterização física da argila laterítica de Alfenas. Os resultados obtidos estão resumidos na Carta de Casagrande, apresentada no final do tópico * Trabalho apresentado a SME (Sociedade Mineira de Engenheiros). ** Professor UNIFENAS. C.P. 23 , CEP 37130-000, Alfenas-MG *** Acadêmicos do curso de Engenharia Civil UNIFENAS R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 82 É. P. FREIRE et al. 1.4.1 E finalmente no item 1.4.2 conceitos sobre “deformabilidade”, apresentados por Vargas, são discutidos. No tópico 1.5 são apresentados, os resultados dos ensaios de laboratório realizados e na conclusão do presente trabalho são discutidos os resultados dos ensaios de colapso da argila de Alfenas, e o resultado da atuação deste fenômeno em edificações locais. 1.1. SOLO: TIPOS E PROCESSOS DE FORMAÇÃO O solo é definido pela Engenharia Civil como todo material da crosta terrestre que não oferece resistência intransponível à escavação mecânica e que perde totalmente sua resistência, quando em contato prolongado com a água. Tem sua origem imediata ou remota na decomposição das rochas pela ação das intempéries (Vargas, 1977), fato que já lhe confere uma primeira possibilidade de classificação: “Solo Residual” como sendo aquele que permanece no local da rocha matriz e “Solo Transportado” para aquele que após a desagregação das rochas é levado por algum agente (água, vento ou gravidade) para outros locais. Esta classificação geral implica em uma série de propriedades físicas e de comportamento que podem ser previstas para o material a partir deste processo de formação. A análise geotécnica de obras de engenharia portanto, sob o prisma da Mecânica dos Solos, deve sempre se apoiar neste processo dinâmico do relevo e procurar resgatar a história geológica do solo antes de qualquer projeto. Especificamente sobre este processo dinâmico, Freire (1995) sintetiza informações de vários pesquisadores do tema e ressalta: “ o relevo e seu processo de transformação tem sido abordado com destaque pelas várias disciplinas das Ciências Naturais. A Geografia Física através da Geomorfologia, a Ecologia e principalmente a Geologia, têm demonstrado a importância de tal consideração. A Geomorfologia faz uma abordagem ampla desta dinâmica ao considerar a atuação do relevo como suporte das interações naturais e sociais. Destaca o antagonismo entre as forças endógenas e exógenas sendo os trabalhos gerados entre tais forças, produtos em permanente transformação, dada a constante ação e reação entre matéria e energia, interagindo através dos diferentes componentes da natureza. A tese ecológica do Desenvolvimento Sustentável, em um de seus grupos de ações previstas, refere-se aos esforços do desenvolvimento científico e tecnológico voltados a compatibilizar as atividades humanas com a dinâmica do meio físico. Também num contexto ambientalista, Santos et al. (1998) comentam as R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 intensas e dinâmicas transformações internas e externas do planeta, forjadas pelo movimento de seu calor interno e pela transformação da energia solar em trabalho mecânico, através principalmente da movimentação das águas superficiais e subsuperficiais. Acrescenta ainda que a Geotecnia, sendo uma interface entre a geologia e a engenharia civil, como ciência natural e tecnológica, tem em seu material de trabalho e suas características gerais a manifestação destas constantes transformações do relevo”. Freire (1995) comenta também em seu trabalho que várias abordagens têm sido feitas pela comunidade geotécnica sobre a consideração deste aspecto. O Instituto Tecnológico do Estado de São Paulo (IPT) ressalta ser a superfície do planeta o resultado entre as chamadas forças internas – que atuam no sentido de elevar a superfície da terra – e as externas, que tendem a arrasar estas elevações. Para o entendimento desta dinâmica natural Freire ressalta ser fundamental a consideração dos processos de formação, que estão geralmente associados a movimentos orogenéticos ou decorrentes da epirogênese, e dos processos de erosão. O autor acrescenta os comentários de Wolle sobre a atuação antagônica da natureza: “ de um lado o diastrofismo, através de dobramentos e flexuras ou através de tectônica rígida, falhamentos e basculamentos, cria os relevos acidentados, a elevação dos terrenos de que resultam serras e montanhas e os afundamentos que dão origem a vales, planícies, lagos e mares. Por outro lado ocorre a ação dos processos erosivos, através de seus agentes principais, que são a água e o vento, sob a condicionante básica da gravidade, procurando transportar para cotas mais baixas o material presente em maiores altitudes, numa permanente tendência a peneplanização”. A partir destas considerações iniciais sobre o processo de formação dos solos de uma forma geral e sua relação com a dinâmica do relevo, o presente trabalho pretende-se ater especificamente sobre os solos denominados de “formação pedogenética” (lateríticos), ou seja, aqueles que adquiriram características próprias, em função da atuação das condições climáticas, após e independentemente de sua condição de “residual” ou “transportado”. O tópico 1.2 abordará especificamente sobre as características das argilas lateríticas, também conhecidas como “solos tropicais”, objeto principal do presente trabalho. 1.2. ARGILAS Aglomerado de argilo minerais e de outros elementos tais como quartzo, feldspato e mica, e ainda certo teor de impurezas, tais como óxidos de ferro e ESTUDO DO GRAU DE COLAPSIVIDADE DA ARGILA LATERÍTICA DE ALFENAS matéria orgânica. Quanto a influência dos processos geológicos e da composição dos solos no seu comportamento, a composição mineralógica pode ser um dado valioso para prever ou resolver alguns problemas poucos usuais na engenharia de solos. Entretanto, sozinha é insuficiente para explicar o comportamento dos solos, havendo a necessidade da consideração de outros fatores: arranjo das partículas, origem geológica, tamanho e forma das partículas, características do fluido dos poros e dos íons adsorvidos, e finalmente da natureza complexa das características mineralógicas dos solos naturais (Massad, 1996). Com relação ao processo de formação, como foi comentado no item anterior, todo solo tem sua origem imediata ou remota na decomposição das rochas pela ação das intempéries. Concomitantemente com a fragmentação pela expansão e contração térmica a rocha sofre oxidação e ataque de águas aciduladas por ácidos orgânicos. A argila é formada através da decomposição dos feldspatos e mica , pela água acidulada. O termo argila não pode ter em mecânica dos solos o significado de rocha que tem em geologia, pois se referirá sempre a um solo. (Vargas, 1977). A primeira característica que diferencia o solo é o tamanho das partículas que os compõe. Existem grãos de areia com dimensões de 1 a 2 mm e existem partículas de argila com espessuras da ordem de 10 angstrons (0,000001 mm). Há porém situações de grãos de areia envoltos por grande quantidade de partículas argilosas finíssimas ficando com o mesmo aspecto de uma aglomeração formada exclusivamente de partículas argilosas. Quando secas as duas formações (areia/argila) são dificilmente diferenciadas, quando úmidas, entretanto a aglomeração de partículas argilosas, se transforma em uma pasta fina enquanto a partícula arenosa revestida é facilmente reconhecida pelo tato. (Sousa Pinto, 1998). Granulometricamente os solos são classificados em quatro tipos básicos (pedregulho, areia, silte e argila), a partir do diâmetro médio dos grãos, conforme especificado em Vargas (1977), apresentado a seguir: Pedregulho – diâmetro médio > 2 mm Areia – 0,02 mm < diâmetro médio ≤ 2 mm Silte – 0,002 mm < diâmetro médio < 0,02 mm Argila (micro cristais) – diâmetro médio < 0,002 mm ( 2µ ) 1.3. ARGILAS LATERÍTICAS Grandes áreas do território brasileiro, assim como de muitos outros países tropicais, estão cobertas 83 de um manto de solo com características pedogenéticas, ou seja, estruturados a partir da laterização: fenômeno característico de regiões de clima tropical e intertropical (quente e úmido), condicionado pela lixiviação de bases e sílica produzidos por hidrólise, acumulação de sesquióxidos de ferro e alumínio e produção de argilo minerais do grupo caulinítico. A denominação de lateríticos se incorporou na terminologia dos engenheiros, embora não seja mais usada nas classificações pedológicas que atualmente utilizam o termo Latossolo (EMBRAPA, 1999). Os solos lateríticos têm sua fração argila constituída predominantemente de minerais cauliníticos e apresentam elevada concentração de ferro e alumínio na forma de óxidos, hidróxidos e oxihidróxidos donde sua peculiar coloração avermelhada. Estes sais se encontram, geralmente, recobrindo agregações de partículas argilosas. Os solos lateríticos apresentam-se, na natureza, geralmente não saturados, com índice de vazios elevado, e consequentemente pequena capacidade de suporte, porém podendo ser reestruturado a partir de compactação. Por isto são muito empregados em pavimentação. Após compactado, apresenta contração se o teor de umidade diminuir, mas não apresenta expansão na presença de água (Sousa Pinto, 1998). 1.4. ESTRUTURA E COMPORTAMENTO DOS SOLOS “ Chama-se estrutura de um solo o arranjo ou configuração das partículas entre si” (Vargas, 1977). Dentre os fatores que proporciona o arranjo estrutural de um solo destacam-se: tamanho das partículas; a mineralogia; e o arranjo físico (Feitosa, 1993). Especificamente sobre a macroestrutura dos solos de evolução pedogenética Vargas (1977) salienta que esta poderia ser descrita como se faz na pedologia a descrição das estruturas do solo para agricultura. Destaca ser a estrutura dos solos porosos (lateríticos) colapsível, ou seja, destroi-se pela saturação com conseqüente diminuição de vazios, mesmo que sobre ele não esteja atuando pressão externa alguma. O estudo da estrutura do solo considera inicialmente o processo de formação: “solos sedimentados em água”, “residuais e evoluídos”, e por último os “Loess” (transportados pelo vento). Seqüencialmente parte-se para a investigação da “Sensibilidade” definida como propriedade das argilas de perder resistência com o amolgamento, e da “Tixotropia” que descreve o reestabelecimento da R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 84 É. P. FREIRE et al. resistência num solo amolgado. Skempton e Nortey apresentaram dados sobre esta recuperação de resistência em um trabalho sobre sensitividade das argilas. Segundo estes autores “ a recuperação de resistência raramente atinge 100 % do valor primitivo, pois o remolgamento diminui as distâncias entre as partículas, desequilibrando o campo atrativo entre elas levando a um estado que não é estável. Quando o solo é deixado em repouso ou sobre ele atuam pressões de adensamento ou ainda quando trocam-se as condições coloidais do meio, a distância entre as partículas tendem a um nível de energia de repouso que será maior que o anterior “(Vargas, 1977). 1.4.1. GRAU DE COLAPSIVIDADE Existem solos que apresentam comportamento característico sob determinadas condições e, dentre eles, destaca-se o solo colapsível. Esse tipo de solo, ao ser inundado e estando sob a ação de uma sobrecarga, sofre uma brusca e significativa redução de volume. Portanto, são caracterizados por apresentarem estruturas instáveis, não saturadas, porosas e com partículas ligadas por pontes de argilas, colóides, óxidos de ferro, etc; que quando submetidos ou não a um aumento de tensão seguido de acréscimo de umidade sofrem um rearranjo estrutural com a conseqüente redução de volume (Guimarães Neto e Ferreira, 1998). Estes autores apresentam em seu trabalho relação entre Tensão Vertical de Consolidação e Índice de Vazios, na qual o colapso está nitidamente evidenciado (Figura 1). Figura 1. Relação entre Tensão Vertical de Consolidação e Índice de Vazios (Guimarães Neto e Ferreira, 1998). Um solo colapsível apresenta, em sua condição natural, elevada porosidade e baixo teor de umidade. Essa estrutura porosa geralmente se associa à presença de agentes cimentantes, que podem ser óxidos ou hidróxidos de ferro e de alumínio e carbonatos. Essa cimentação, aliada a uma sucção suficientemente elevada, confere ao solo uma resistência aparente ou R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 temporária, que pode ser destruída com a inundação , levando o solo a um colapso estrutural. Sousa Pinto (1998) também apresenta uma definição para Solos Colapsíveis destacando que são solos não saturados que apresentam uma rápida e considerável redução de volume quando submetidos a um aumento brusco de umidade, sem que varie a tensão total a que estão submetidos. São vários os fatores que influenciam no comportamento de colapso dos solos devido à inundação: estado de tensão, teor de umidade, peso específico aparente seco, teor de finos, plasticidade, etc. Obviamente os maiores valores dos potenciais de colapso estão associados a menores graus de compactação e maiores desvios do teor de umidade em relação à umidade ótima. Diversos problemas têm sido observados em edificações construídas em solos colapsíveis, quando não são identificadas na fase de projeto. Edificações de obras de engenharia nestes solos podem sofrer diversos danos: trincas, fissuras, rupturas de casas, edifícios, reservatórios e canais de irrigação, depressões em pavimentos rodoviários e formação de superfície de escorregamento de taludes. Valores altos ou baixos do SPT (Standard Penetration Test) não indicam se o solo é ou não potencialmente colapsível. Valores altos do SPT em solos colapsíveis estão associados à baixa umidade (w<5%) ou altas sucções. Valores do potencial de colapso medidos através de ensaios de campo são inferiores aos de laboratório em cerca de 20%, conforme Ferreira e Amorim (1998). Os solos colapsíveis são localizados geralmente nos horizontes mais superficiais e sofrem profundo intemperismo químico (processo de alitização e fenalitização). O processo de alitização que sofrem os solos é responsável pela forte agregação das partículas de solo com a conseqüente geração de grandes vazios e o elevado potencial de colapso. Tem-se então que: os solos colapsíveis são parcialmente saturados e que a tensão de sucção representa uma tensão efetiva a que o solo está submetido. Quando saturado, os meniscos capilares se desfazem, e a tensão efetiva diminui. Tal fato, se interpretado sob a luz do princípio das tensões efetivas, deveria provocar um aumento de volume e não uma redução. Ocorre, entretanto, que a redução da tensão de sucção provoca um enfraquecimento das ligações entre as partículas e pequenos escorregamentos entre elas, gerando uma macrocompressão (Sousa Pinto,1996). Ferreira e Lacerda (1993) também descrevem sobre solos colapsíveis salientando que solos não saturados podem ser encontrados em diversas condições na natureza: em argilas expansivas de alta plasticidade, em solos residuais saprolíticos e ESTUDO DO GRAU DE COLAPSIVIDADE DA ARGILA LATERÍTICA DE ALFENAS lateríticos, em depósitos naturais de solos aluviais, coluviais e eólicos. Alguns destes solos têm seus comportamentos típicos relacionados a instabilidade volumétrica: expansão e contração nas argilas expansivas; e colapso em solos de estruturas porosas, metaestáveis, com grãos de areias interligados por argilas ou agentes cimentantes. Em todos os casos, o histórico de tensões e a variação de umidade impõe uma avaliação para análise de seu comportamento. A ocorrência dos solos naturais colapsíveis no Brasil é geralmente verificada em solos aluviais, coluviais e residuais que têm sofrido lixiviação dos horizontes mais superficiais, em regiões onde se alteram estações secas e de precipitações intensas e em solos de regiões semi-áridas com baixo teor de umidade. A identificação de solos colapsíveis no Brasil está normalmente associada a obras de engenharia que envolvem grandes áreas. No Brasil já foram identificadas algumas ocorrências de solos colapsíveis em: Manaus (AM), Parnaíba (PI), Gravatá (PE), Carnaíba (PE), Petrolândia (PE), Santa Maria da Boa Vista (PE), Petrolina (PE), Rodelas (BA), Bom Jesus da Lapa (BA), Manga (MG), Brasília (DF), Três Marias (MG), Itumbiara (MG), Uberlândia (MG), Ilha Solteira e Pereira Barreto (SP), Rio Sarapuí (SP), São Carlos (SP), Rio Mogi-Guaçu (SP), São José dos Campos (SP), São Paulo (SP), Sumaré (SP), Paulínea (SP), Itapetininga (SP), Bauru (SP), Canoa (SP), Carazinha (RS) e especificamente Alfenas (MG); conforme resultados apresentados na conclusão do presente trabalho. Tem sido verificado que o comportamento colapsível dos solos está intimamente relacionado com sua estrutura, conseqüência do processo de sua formação. Colapso também ocorre em solos compactados, sendo reduzido na medida em que a umidade de compactação é maior ou o grau de compactação é elevado. O fenômeno da colapsividade é geralmente estudado em ensaios de compressão edométrica, por representarem adequadamente a situação do terreno abaixo de elementos de fundação superficial. O Colapso depende do nível de tensão aplicado no solo: é praticamente nulo para tensão baixa, atinge um valor máximo e não ocorre para valores de pressão acima de certo valor. Nos ensaios edométricos o colapso se dá em microescala, pois o confinamento impede a ruptura generalizada; e são estas as responsáveis pela colapsividade dos solos. (Sousa Pinto, 1998). A Figura 2 apresenta resultados de ensaios edométricos realizados por Ferreira e Amorim (1998), nos quais estão demonstrados uma avaliação comparativa do grau de colapsividade para os solos das cidades de Petrolina, Santa Maria da Boa Vista e Petrolândia - PE. 85 Figura 2. Resultados de ensaios edométricos realizados por Ferreira e Amorim (1998). Alguns autores têm estudado a influência da composição química (e do pH) do líquido inundante no comportamento dos solos colapsíveis. Tem sido constatado, regra geral, que com o aumento do pH do líquido inundante, acentua-se o valor do colapso do solo, o que parece explicar a magnitude e a velocidade de recalque que sofrem as construções executadas sobre solos colapsíveis, quando estes são encharcados com água de esgoto doméstico, que, normalmente, possui grande quantidade de sabões e detergentes, substâncias essas de elevada alcalinidade. Contudo, nem sempre um líquido de pH elevado provoca colapso no solo, tendo-se como exemplo, a constatação feita por Cruz et al. (1994) citado por Agnelli e Albiero (1997), que ao se usar uma solução de hidróxido de cálcio, com pH 13, o solo, ao invés de sofrer colapso, apresenta expansão, o que aponta para a importância da composição química do líquido inundante, e, nem sempre, para o valor do pH. O ácido sulfúrico, formado a partir das águas servidas, agride o óxido de ferro, que é um dos principais cimentos dos solos porosos tropicais (lateríticos). A literatura técnica especializada tem apresentado trabalhos de pesquisa relacionados a Solos Colapsíveis. A seguir são apresentadas algumas conclusões obtidas nestas investigações (Agnelli e Albiero, 1997): - Determinou-se os coeficientes de colapso mediante os critérios baseados em índices físicos e limites de Atterberg e, também, de acordo com o critério proposto por Vargas (1977). Com os resultados obtidos nas provas de carga, pôde-se avaliar a intensidade do recalque sofrido pela placa, quando o solo é inundado com líquidos de diferentes composições químicas. - Constatou-se, através da M.E.V. (Microscopia Eletrônica de Varredura), que o arranjo é de partículas grandes, subangulares, em alguns casos, cimentadas por partículas da fração argila. Existem, também, os grumos de areia-argila-silte, formando os “torrões”. - Observou-se que os agregados, na sua maioria, são formados por encaixe (empacotamento) R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 86 É. P. FREIRE et al. de grãos de diversos tamanhos e, em alguns casos, constituídos por cimentações, através dos sesquióxidos. - Os resultados dos ensaios de adensamento são úteis, para avaliar a velocidade e a magnitude do colapso, considerando-se os diferentes líquidos inundantes empregados. - Observa-se que a solução de sabão em pó (presença de hidróxido de sódio), é mais agressiva que a água potável. Esse resultado está coerente com o que foi constatado em ensaios de adensamento. - Em solos que apresenta uma estrutura bastante porosa, formada por grãos de quartzo, interligados por contrafortes de silte e micronódulos de argila, em estado floculado, cujos contatos são reforçados por uma cimentação de óxidos de ferro e alumínio, o estado floculado pode ser explicado pela baixa presença de sódio e elevada acidez do solo. Quando um fluído rico em sódio penetra nesse solo, provoca uma defloculação e um rearranjo das partículas coloidais, gerando o colapso. - O caráter colapsível é evidenciado, mediante um dos critérios adotados. Contudo, o colapso depende da composição química (e do pH) do líquido inundante. O líquido, a base de ácido muriático, de pH 3, não causa colapso em alguns solos, segundo o critério de Vargas(1977). - Com base em provas de carga, constata-se que o colapso diminui com a profundidade e a velocidade média de colapso, empregando-se a solução de água e sabão em pó, de pH 11, é da ordem de 2 mm/h, enquanto que, com o emprego de água potável, de pH 7, essa velocidade diminui para 1 mm/h. A diferença explica o efeito devastador que vazamentos de esgotos doméstico têm causado em solo. Santos et al. (1998 ) apresenta um caso prático de colapso em obra e faz alguns comentários sobre o assunto: “para projeto de fundação é indispensável que se tenha informações quanto do solo do local. Existe sempre a possibilidade de se encontrar um terreno com comportamento especial como, por exemplo, um solo colapsível, que nem sempre são detectados pelas investigações geotécnicas usuais para fins de fundação (SPT). O comportamento destes solos podem ser determinados através de ensaios específicos de mecânica dos solos, como o ensaio de adensamento” (edométrico). Acrescenta então que “nos solos colapsíveis, o fenômeno ocorre pela destruição de uma estrutura muito instável do arranjo das partículas, o que provoca uma movimentação total das mesmas. Essas modificações que são físico-químicas são resultantes da adição de água ou não; podendo alterar sua estrutura somente devido ao carregamento. Analisando-se a diminuição do volume de um solo colapsível, ver-se-á R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 que ele se dá num intervalo muito curto de tempo e essa movimentação é da ordem de 10%. Em função de condições hidrológicas ou hidrogeológicas específicas, como concentração de fluxo de água, inundações, flutuações do nível do lençol freático, ou mesmo vazamentos de esgotos e adutoras, o fenômeno da colapsividade pode se manifestar, tendo como conseqüência o rompimento de tubulões, recalques e várias em estruturas de concreto”. A Figura 3 seguinte mostra um caso típico de colapso de solo sob adutora, observado em tubulões instalados em sedimentos colapsíveis. No caso de linhas de transmissão, a situação é mais crítica, pois ocorre inclinação de torres, com ruptura de cabos elétricos e das estruturas de concreto das fundações. S OLO COLAPS ÍVEL ATERRO N.A. 1 - FAS E PÓS -CONS TRUÇÃO - S ITUAÇÃO PRÉ-COLAPS O N.A. Figura 3. Caso típico de colapso de solo sob adutora (ABMS/ABGE, São Paulo) 1.4.2. CRITÉRIOS DE QUANTIFICAÇÃO DA COLAPSIVIDADE Antes de iniciar a discussão dos critérios de colapsividade e considerando todas as informações sobre o fenômeno apresentado anteriormente, pode-se concluir que: - um solo potencialmente colapsível é aquele que apresenta um alto índice de vazios e umidade natural menor que a necessária para a saturação; - a forma com que se dá o colapso depende das características inerentes do solo e do modo de variação da umidade natural e da carga aplicada; um solo colapsível se caracteriza pela estrutura macroporosa, meta-estável, com partículas de grandes dimensões, mantidas em sua posição pela presença de algum vínculo; - quanto a sua formação pode-se citar os processos eólicos, residual e transportado pela água. Comum em regiões tropicais, áridas e semi-áridas; - especialmente sobre o processo de colapso ainda pose-se mencionar que sua ocorrência está relacionada à diminuição da resistência ao cisalhamento nos vínculos, podendo ser desencadeado ESTUDO DO GRAU DE COLAPSIVIDADE DA ARGILA LATERÍTICA DE ALFENAS por umedecimento do local e também em função de um nível de tensões suficientes para provocar a quebra dos vínculos entre os grãos com um rearranjo estrutural sem aumento da umidade natural do solo. Quanto aos critérios, vários pesquisadores têm estudado o fenômeno e consequentemente proposto modelos para identificar e quantificar esta característica de alguns solos tropicais, desde os meados dos anos cinqüenta. Denison (1951) propõe ser o grau de colapsividade (K) a relação entre o índice de vazios do solo amolgado correspondente ao limite de liquidez e o índice de vazios natural. A partir desta relação tem-se que para K maior que 0,5 e menor que 0,75 o solo seria altamente colapsível. Para K maior que 1 seria não colapsível . Priklonskij (1952) defini como grau de colapsividade (K D) a relação da diferença do limite de liquidez e a umidade natural, e o índice de plasticidade (diferença entre o limite de liquidez e o limite de plasticidade): KD = (LL – W0 / IP) sendo que para as situações de KD < 0 o solo seria altamente colapsível; para KD > 0,5 não colapsível e quando KD for maior que 1 o solo seria expansivo (Spósito, 1993). Um outro critério também citado por Spósito (1993) refere-se ao “Código de Obras da U.R.S.S.” mencionado por Resnik (1989), no qual o solo é identificado como colapsível quando o grau de saturação for menor que 80 % e o coeficiente CI = (e0 – e1 / 1 + e0 ) for menor que : 0,10 para 1 % < IP < 10 %; 0,17 para 10 % < IP < 14 %; e 0,24 para 14 % < IP < 24 %. E um último critério ainda citado pelo autor identifica a probalidade de colapso baseado no teor de finos (% < 0,002 mm) do solo. Segundo estes autores os solos com (% < 0,002 mm ) < 16 % apresentam alta probalidade de colapso; com (% < 0,002 mm) variando de 16 a 24% seria provavelmente colapsível; com (% < 0,002 mm) de 24 a 32 % teria a probabilidade menor que 50% para apresentar colapso; e finalmente aqueles com (% < 0,002 mm) > 32% seriam geralmente não colapsíveis. Este critério não se aplica para os solos de Alfenas (MG). A utilização de qualquer um dos métodos apresentados e os referidos resultados obtidos não devem ser aceitos como conclusivos na identificação e quantificação da colapsividade, devido as circunstâncias regionais específicas em que foram estudados. Um estudo preciso do assunto deve utilizar vários critérios simultaneamente e, quando possível, executar um ensaio edométrico com inundação em amostra indeformada, pois assim a verificação estará simulando as condições reais de utilização do solo. Esta última consideração norteou o presente trabalho. 1.5.CARACTERIZAÇÃO DA LATERÍTICA DE ALFENAS 87 ARGILA 1.5.1. PROPRIEDADES FÍSICAS DO SOLO Na mecânica dos solos as propriedades profundamente estudadas, cujos resultados são importantes e aproveitados pelos engenheiros são obtidos através de propriedades físicas mais imediatas tais como: sua granulometria – ou textura, sua plasticidade e a atividade da fração fina do solo. 1.5.1.1. TEXTURA, GRANULOMETRIA, TAMANHO E FORMA DOS GRÃOS Conforme Vargas (1977), os grãos dos solos acham-se reunidos de modo a se tocarem, deixando espaços vazios: os poros do solo. Esses poros são preenchidos por água ou ar. Há portanto três fases constituintes dos solos: sólida, líquida e gasosa. A granulometria é a medida da “textura”, parte sólida relativa ao tamanho dos grãos do solo. A disposição dos grãos em relação a água intersticial e ao ar, constituem a estrutura do solo. No estudo da textura dos solos, o método usado para a determinação da granulometria das areias e dos pedregulhos é o simples peneiramento. Nas malhas das peneiras ficam retidos porções de solo, porções essas cujos grãos tem diâmetro maior que as malhas da peneira onde foram retidas, e menor que das peneiras que passaram. Para argilas e siltes, que são solos mais finos, fica impraticável o peneiramento, pois a abertura das malhas deveriam ser excessivamente pequena, difícil de ser obtida industrialmente e preservada com o uso. Assim, para grãos menores com cerca de 0,075 mm (peneira 200), emprega-se o método de sedimentação. Este método consiste em colocar uma certa quantidade de solo em um frasco de água com um antifloculante, para se obter uma suspensão fina. Sob a ação da gravidade, as partículas irão sedimentar. Segundo a Lei de Stokes, e admitindo-se que as partículas são esféricas, a velocidade num dado espaço Z num tempo T será dada pela fórmula: V = Z / T = [ ( δ - γ0 ) / 1800 η ] D2 D2 = (V 1800 η) / ( δ - γ0 ) onde: δ é a massa específica do grão do solo, γ0 a da água, η é a viscosidade do líquido e D o diâmetro da esfera, cuja a massa é equivalente à da partícula em queda. Quanto aos grãos que estão em suspensão no líquido (suspensão fina), a sua densidade é determinada através de um densímetro calibrado, a sua leitura num R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 88 É. P. FREIRE et al. determinado tempo, permitirá o cálculo da porcentagem dos grãos em suspensão (onde os grãos tem diâmetro inferior aos grãos sedimentados ). Arthur Casagrande pesquisou exaustivamente esse ensaios e os resultados dos seus estudos continuam sendo a base do ensaio de granulometria. Através de um gráfico semilogarítmico, onde as abcissas representam o diâmetro dos grãos e as ordenadas as porcentagens em peso dos grãos de diâmetro inferiores aos da abcissas, tem-se a melhor maneira de representar os resultados da análise granulométrica (Vargas, 1977). 1.5.1.2 - PLASTICIDADE E LIMITES DE ATTERBERG Os solos arenosos são facilmente identificáveis, por meio das curvas granulométricas, mas já nos solos finos (diâmetro inferior a 0,1 mm) isso não acontece. Conclui-se que o conhecimento da curva granulométrica de tais solos não é suficiente para prever seu comportamento na prática, ou seja, podemse encontrar siltes, argilas e solos argilosos com a mesma curva granulométrica, mas com comportamentos diferentes. Isto se dá porque nos solos finos, além do tamanho a própria forma dos grãos irá intervir. Nos pedregulhos e areias os grãos são arredondados e angulosos; sempre de forma aproximadamente esférica. Já nas argilas os grãos sendo, de minerais cuja estrutura cristalina é complexa, tem forma lamelar, escamosa, filiforme, ou outras ainda mais complexas. Esses grãos, tendo a espessura média muito pequena, envolvidos pela água intersticial, isto é, com a relação entre a área superficial das partículas e o seu volume, muito grande, os grãos estão ligados entre si e a água por forças capilares que lhes emprestarão uma resistência intríseca, a qual é chamada coesão. Por isto os solos finos são chamados coesivos. Sendo a forma dos grãos lamelares, eles poderão deslizar uns sobre os outros quando o solo é deformado por uma força externa; sendo que esta resistência dependerá do teor de umidade do solo (Vargas. 1977). Defini-se portanto como plasticidade, a propriedade de certos sólidos tomar outras formas sem variar o seu volume. A plasticidade de uma argila existe devido a forma lamelar de seus grãos, e depende do seu teor de umidade. As formas dos grãos possibilitam que as partículas deslizem umas sobre as outras desde que a água intersticial poça funcionar como um material lubrificante. Ésta é uma propriedade das argilas. Uma argila extremamente seca não é moldável plasticamente; se entretanto, adicionarmos progressivamente pequenas quantidades de água esta vai se tornando cada vez mais maleável . R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 A partir de um certo teor de umidade h1, o material torna-se plástico (sujeito a moldagem). Se continua-se a adicionar água, este vai se tornando cada vez mais mole, até que ao atingir um teor de umidade h2, passará a atuar como um líquido viscoso. Portanto na representação unifilar dos valores de umidade, temse um material plástico entre os valores limites h1 e h2. Esses limites foram denominados por Atterberg, h1= limite de plasticidade (LL ou WL) e h2= limite de liquidez (LP ou WP). Com umidade superior a h2 o solo fino está no estado líquido. Abaixo de h1 o solo está no estado semi-sólido. Entre h1 e h2 o solo está no estado plástico. A Figura 4 apresenta em um diagrama unifilar a variação da umidade e a indicação dos parâmetros LL e LP, conforme discutido anteriormente (Vargas, 1977). FIGURA 4. Diagrama unifilar a variação da umidade. (Vargas, 1977). Observa-se que as propriedades mecânicas dos solos vão depender da granulometria, da forma dos grãos, do teor de umidade e do arranjo desses próprios grãos. Para a determinação do Limite de Liquidez, Atterberg baseou-se no fato de que o material é fluido e toma forma do recipiente que o contém. Se for aberto uma ranhura no centro da massa de solo, esta se fechara com a aplicação de choques na base do recipiente. Se estiver mais próximo do estado sólido necessitará de um número maior de golpes. E se, próximo de um líquido viscoso fechar-se-á a ranhura imediatamente. Arthur Casagrande padronizou esse ensaio, mecanizando o primitivo processo de Atterberg. O mecanismo é provido de um recipiente de cobre, em concha, ligado a um suporte com manivela a qual faz cair a cápsula sobre uma base padronizada. Com um gabarito executa-se uma ranhura na massa do solo colocada na concha. Girando-se a manivela o excêntrico fará com que o recipiente se eleve a uma altura constante igual a um centímetro e, em seguida, caia chocando-se contra a base ( Figura 4 ). O esforço do choque da concha na base corresponde a um esforço de cisalhamento que leva o solo lateral a move-se, fechando a ranhura . Anota-se o número de golpes necessário para fechar a ranhura e coloca-se em um gráfico relacionando-os com as umidade das amostras. Colocam-se esses valores em gráfico semilogarítmico verificando-se que os pontos correspondentes dispõese em linha reta. Convencionou-se que no ensaio de 89 ESTUDO DO GRAU DE COLAPSIVIDADE DA ARGILA LATERÍTICA DE ALFENAS Casagrande, a umidade correspondente a 25 golpes, necessários para fechar a ranhura, é o Limite de Liquidez. Para se obter esse valor determinam-se pelo menos três pares de valores, número de golpes versus umidade. Traçando-se o gráfico semilogarítmico, determinar-se por interpolação, a umidade correspondente a 25 golpes. O Limite de Plasticidade foi determinado originalmente por Atterberg. Modernamente o ensaio foi padronizado especificando que a moldagem deva ser feito por movimentos regulares de vai e vem dos dedos da mão sobre uma placa de vidro fosco, colocada em superfície horizontal. A quantidade de solo com que se faz o ensaio deve ser tal que dê para moldar um cilindro de 3 mm de diâmetro e, aproximadamente a largura da mão. Ao rolar-se a amostra esta vai progresssivamente perdendo umidade até chegar ao ponto em que o cilindro, atingindo as dimensões acima indicadas, começa a partir-se. Determina-se então, a umidade da amostra e esta refere-se ao Limite de Plasticidade. Segundo Atterberg, a plasticidade de um solo seria definida por um índice: Índice de Plasticidade, igual a diferença entre os limites de liquidez e plasticidade. Arthur Casagrande fez um gráfico onde um solo é definido por um ponto cujas coordenadas são seus IP e LL. A região onde o ponto cai defini a plasticidade do solo correspondente. O gráfico é dividido então em 4 regiões pelas linhas A e B e limitado pela linha U a qual é o limite superior, acima do qual não ocorre valores de IP e LL. Se o ponto definidor do solo cai acima da linha A, o solo é dito muito plástico; abaixo, pouco plástico. A direita da linha B é um solo muito compressivo e a esquerda, pouco compressivo. Com o conhecimento da granulometria e da posição no gráfico de plasticidade do ponto. Com o conhecimento da granulometria e da posição no gráfico de plasticidade do ponto correspondente aos IP e LL do solo, pode-se prever com certa aproximação, todas as outras propriedades do solo e portanto, classificá-lo convenientemente (Vargas, 1977). Nesta pesquisa foram executados ensaios de Limites de Atterberg utilizando-se amostra deformada da argila laterítica de Alfenas. Os resultados podem ser verificados na figura seguinte. Observa-se a partir dos valores plotados na Carta de Casagrande que o solo estudado apresenta baixa plasticidade e alta compressibilidade, indicando o potencial colapsível. A Figura 6 anterior mostra a imagem de um talude de corte no bairro de Campos Elísios na cidade de Alfenas, onde estão evidenciadas as características lateríticas do solo local. CARTA DE CASAGRANDE Vários pontos de Alfenas. IP 50 Linha B 40 pouco compressível muito compressível Linha A 30 20 muito plástico 10 pouco plástico 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 LL Figura 5. Ensaios de Limites de Atterberg. Figura 6. Talude de corte no bairro de Campos Elísios 1.5.2. DEFORMABILIDADE Conforme Vargas (1977) as deformações de um solo são obtidas com a expulsão da água de seu interior, o que demanda certo tempo em virtude da baixa permeabilidade das argilas. O processo de dissipação das pressões neutras e das deformações correspondentes é caracterizado como o adensamento dos solos. Ainda conforme o autor, o entendimento do processo de adensamento fica bastante facilitado pela analogia à mecânica de Terzaghi. O solo pode ser assemelhado a uma mola, cuja deformação é proporcional às cargas nela atuante. O solo saturado corresponde a uma mola dentro de um pistão cheio de água, no êmbolo do qual existe um orifício de reduzida dimensão. Ao se aplicar uma carga sobre o pistão, no instante seguinte a mola não terá se deformado, pois ainda não teria ocorrido qualquer saída de água. Toda a carga é suportada pela água. Estando em carga, a água começa a sair pelo orifício. Num instante qualquer, a quantidade de água expulsa terá provocado R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 90 É. P. FREIRE et al. uma deformação na mola que corresponde a uma certa carga. Neste instante, a carga total estará parcialmente suportada pela água e parcialmente pelo solo. A água, ainda em carga, continuará a sair do êmbolo, a mola continuará a se comprimir, suportando cargas cada vez maiores, até que toda a carga aplicada esteja atuando sobre ela. No anel de adensamento ou no campo, quando não há deformação lateral, sucede algo semelhante. Ao ser aplicado um acréscimo de pressão, a água nos vazios suporta todo o carregamento. A pressão neutra aumenta de um valor igual ao acréscimo de pressão aplicada, enquanto a tensão efetiva não se altera. Estando a água em carga superior à externa, passa a ocorrer percolação, para as pedras porosas, no ensaio, ou nas camadas drenantes, no subsolo. A saída de água é acompanhada da deformação do solo, que se dá com o aumento da tensão efetiva. Como na analogia mecânica, o processo continua até que toda a pressão aplicada tenha se tornado acréscimo de tensão efetiva. Adensamento secundário é uma compressão lenta que continua a ocorrer após o desenvolvimento dos recalques previstos na teoria do adensamento. Teoricamente as tensões neutras teriam se dissipado. Na realidade, alguma pressão neutra contínua presente, justificando a saída de água do interior do solo. Este fenômeno indica que pode ocorrer deformação no solo mesmo sendo constante a tensão efetiva, o que, implicitamente, contradiz o princípio que considera a tensão efetiva a única responsável pelas deformações estabelecidas por Terzaghi. Deformação lenta ocorre em todos os materiais, mas nos solos ela é mais notável em virtude das transmissões de forças pelos contatos entre as partículas. Parte das forças são transmitidas pelos contactos entre minerais argila, que se dão pela água adsorvida. Com o tempo alguns destes numerosíssimos contactos se desfazem, descarregando as forças para os contactos vizinhos, com pequenos deslocamentos. O fenômeno de deformação das argilas costuma ser dividido em duas fases, como se elas fossem bem distintas: o adensamento primário, durante o qual as pressões neutras se dissipam, e o adensamento secundário, que ocorre sem pressão neutra, ou com pressão neutra muito pequena, para justificar a saída da água. utilizou-se amostras indeformadas e prensa convencional para ensaio de adensamento. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os ensaios realizados em laboratório utilizando amostras indeformadas da argila laterítica de Alfenas, demonstram ser este material colapsível quando inundado e/ou submetido a um carregamento. Tal constatação pode ser verificada nos gráficos dos ensaios edométricos seguintes. A Figura 7 demonstra que o colapso ocorreu apenas com o carregamento, pois a inundação foi aplicada após a deformação volumétrica específica de aproximadamente 25%. No segundo ensaio (Figura 8) a amostra foi inundada quando a tensão aplicada era de 25 kPa, e a partir de então, a amostra apresentou redução brusca de volume, (colapso), atingindo um valor final de deformação volumétrica semelhante ao primeiro ensaio ENSAIO EDOMÉTRICO ARGILA LAT. VERMELHA DE ALFENAS. 0 Def. Vol. Espec. 5 (%) 10 15 20 inundação 25 30 35 40 1 10 100 1000 carga (kPa) Figura 7. Colapso pela carga. ENSAIO EDOMÉTRICO Argila Laterítica de Alfenas 0 Específ. (%) inundação 5 10 15 20 25 30 0.1 1 10 Carga (kPa) 100 Figura 8. Colapso com carregamento e inundação. 2. MATERIAL E MÉTODOS Os trabalhos de investigação da argila laterítica colapsível da cidade de Alfenas constaram de ensaios edométricos, com inundação após carregamento. Para a realização destes ensaios R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 Uma comparação dos dois ensaios (Figuras 7 e 8) podem ser observados na Figura 9, de onde podese concluir que argila laterítica de Alfenas apresenta colapso para qualquer uma das situações: carregamento e/ou inundação. ESTUDO DO GRAU DE COLAPSIVIDADE DA ARGILA LATERÍTICA DE ALFENAS 91 ENSAIO EDOMÉTRICO Def. Vol. Específ. (%) Argila Laterítica de Alfenas 0 5 inundação 10 15 inundação 20 25 30 0.1 1 10 100 Carga (kPa) Figura 9. Comparação entre resultados de ensaios. Nas Figuras 10, 11 e 12 estão demonstrados o equipamento (prensa de adensamento) utilizado, e seqüencialmente as imagens das amostras ao lado do anel de confinamento, após ensaio. Figura 10. Prensa de adensamento. Figura 11. Amostra e anel de ensaio de adensamento. Figura 12. Amostra e anel de ensaio de adensamento. Os resultados obtidos justificam a ocorrência de recalques excessivos em edificações na cidade de Alfenas, conforme ilustram as Figuras 13, 14, 15 e 16. Figura 13. Efeito de recalque excessivo em fundação. Figura 14. Efeito de recalque excessivo em fundação. R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 92 É. P. FREIRE et al. os dados apresentados confirmam que a observação feita no início da pesquisa de que o ensaio edométrico é o método mais adequado e que os critérios que têm como base as características físicas do material (Limites de Atterberg e Índice de Vazios) devem ser aplicados conjuntamente e somente nas condições específicas em que foram propostos, ou seja, em materiais de regiões não tropicais. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. Figura 15. Efeito de recalque excessivo em fundação. AGNELLI, N. e ALBIERO, J.H. Aspectos Físicos, Químicos e Mecânicos de um Solo Colapsível, Inundado com Diferentes Líquidos. Solos e Rochas. Revista Brasileira de Geotecnia. São Paulo, v. 20, n 2, p. 16 , 1997 EMBRAPA. Sistema Brasileiro de Classificação de Solos. Rio de Janeiro: Embrapa Solos, 1999. 412p. FEITOSA, S.. Seminário de Geotecnia, UNB, 1993. 22p. Figura 16. Efeito de recalque excessivo em fundação. FERREIRA, S. R. M. e LACERDA, W. A. Variação de Volume em Solo Colapsível medidas através de ensaios de laboratório e campo. Solos e Rochas. Revista Brasileira de Geotecnia. v.16, n 4, p. 8. 4. CONCLUSÃO FERREIRA, S. R. M. e AMORIM, S. F. XI Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. Volume 1, Brasília, DF, 1998. 680p. O presente estudo possibilitou a confirmação do fenômeno de colapso na argila laterítica de Alfenas, através dos resultados experimentais de ensaios de caracterização física e edométricos. A análise destes resultados indica que o colapso pode ocorrer devido a um carregamento do solo ou por processo de inundação, ou ainda com a ocorrência das duas situações simultaneamente. A confirmação da colapsividade desta argila permite ainda o entendimento dos recalques excessivos verificados em edificações da cidade de Alfenas, e sinaliza o rumo que as investigações devem tomar para as soluções de engenharia mais adequadas. Os resultados obtidos mostram ainda que os objetivos da presente pesquisa foram atingidos, ou seja, identificou-se experimentalmente o colapso do material estudado, o que abre um novo campo de investigação visando o sucesso da Engenharia Civil na região do Sul de Minas. Especificamente sobre os métodos para identificação e quantificação do grau de colapsividade, R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:81-92, 1999 FREIRE, E. P. . Estabilidade de Taludes Naturais em Solos nos Morros da Cidade de Santos.Brasília, DF, 1995.108p. (Dissertação de Mestrado de Geotecnia, UNB). GUIMARÃES NETO, J. S. F. e FERREIRA, S. R. M. XI Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. v. 1, Brasília, DF, 1998. 680p. MASSAD, F. Notas de Apoio as Aulas. , São Paulo, EPUSP. 1996. 400 p. SANTOS, A. M. et al. Geologia de Engenharia. São Paulo ABGE, 1998. 586p. SOUSA PINTO, C. Fundações. Teoria e Prática. São Paulo, PINI. 1996. 751p. SPOSITO, T. J. Seminário de Geotecnia, UNB, 1993. 9p. VARGAS, M. Introdução à Mecânica dos Solos. . São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1977. 509p.