Estudo da Influência da Expansão do Solo nos Parâmetros
Obtidos com a Curva de Compactação
Karyn Ferreira Antunes Ribeiro
Instituto Federal de Educação, Ciência, e Tecnologia de Mato Grosso, Cuiabá, Brasil,
[email protected]
Ilço Ribeiro Júnior
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso, Cuiabá, Brasil,
[email protected]
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, dificultando assim encontrar a umidade ótima e
o peso específico seco máximo. 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 experiemental 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 reúso de amostras, avaliando assim a alteração textural oriunda do
trabalho excessivo com a amostra. Outra análise sobre estas amostras foi o fato de realizar ensaios
inserindo a água de compactação no ato do mesmo e ensaios cuja inserção de água foi realizada 24
horas de antecedência à compactação do material. A expansão deste solo é causado 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 a água
fora inserida no ato da realização dos ensaios foram de 14%, baixo se comparada com a que se
acrescentou a água com 24 horas 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 o
solo a cada ponto da curva, a retomar o processo expansivo, levando a curva de compactação 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-CHAVE: Expansão dos Solos, Compactação, Métodos de Compactação.
1
INTRODUÇÃO
As características dos solos tropicais são ainda
pouco estudadas, e, portanto pouco 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.
Na Baixada Cuiabana os problemas mais
comuns dos solos são de expansão. 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 (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.
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1
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 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).
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 argilosiltosa, com percentual de material passando na
peneira # 200 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.
A composição mineralógica dos solos
expansivos tem grande importância no potencial
de expansão, onde as cargas elétricas da
superfície dos minerais de argila, a resistência
entre camadas e a capacidade de troca catiônica
contribuem para o potencial de expansão
(CHEN, 1975).
Segundo López & Zepeda (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.
2.3
Solos da Baixada Cuiabana
2.3.1 Características Geológicas
2.2
Solos Expansivos
Cavalcante et al. (2007), relata que os solos
expansivos são solos não saturados que sofrem
considerável variação volumétrica quando
sujeitos a variação no teor de umidade.
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, estratificações planoparalelas e clivagem ardosiana, como pode ser
visto na Figura 1. A formação Rio Coxipó,
como pode ser observada na Figura 2, 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.
volumétrica para a situação livre (sem
carregamento), como pode ser visto na Figura 3.
Figura 3. Ensaio de expansão livre do solo da Baixada
Cuiabana. (Ribeiro Júnior, 2005).
Figura 1. Formação Miguel Sutil. (Migliorini, 1999).
Figura 2. Formação Rio Coxipó. (Migliorini, 1999).
2.3.2 Característica
Cuiabana
do
Solo
da
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
4 mostra tal anomalia, onde não é possível
determinar os valores de massa específica seca
(ρd) 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. Pode-se
associar esta instabilidade da curva de
compactação à presença de argilominerais
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).
Baixada
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 & Conciani (2005) estudaram o
solo saprolítico da Baixada Cuiabana e
observaram cerca de 25% de expansão
Figura 4. Curva de compactação do solo saprolítico de
filito da Baixada Cuiabana. (Ribeiro Júnior, 2005).
2.3.3 Fundações em 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 tipo 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 Conciani (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.
3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1
Material
Figura 5. Local da coleta de amostra de solo, AV. Miguel
Sutil, próximo à entrada do Centro de Eventos do
Pantanal - Obra Construtora GMS.
3.2
Métodos Alternativos de Compactação
3.2.1 Ensaio Sem Reuso de 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,
2006). 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.
3.1.1 Solo da Baixada Cuiabana
3.2.2 Ensaio Com Inserção de Água Com 24
Horas de Antecedência
As amostras de solo para este trabalho foram
coletadas na obra do Residencial: Torres do
Parque, próximo ao Trevo do Centro de
Eventos do Pantanal como indica a Figura 5.
Este local pertence à Formação Miguel Sutil
pertencente
ao
grupo
Cuiabá,
cuja
granulometria é predominantemente silteargilosa 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.
Este método foi utilizado para verificar a
diferença entre os resultados obtidos pelo
método recomendado pela ABNT NBR7182/86 - 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 6. Este procedimento foi
adotado para o solo poder se expandir antes de
se compactado. Pelo método referendado pela
NBR 7182/86 (Figura 7), o solo expande
durante o processo de compactação, levando a
curva a obter anomalias devido à expansão.
Figura 6. Solo armazenado em sacos plásticos.
resultados obtidos não fossem distorcidos pelo
processo de expansão durante o ensaio de
compactação. De modo usual, e normatizado
pela ABNT NBR 7182/86, esta água seria
acrescida a amostra minutos antes do processo
de aplicação da energia sobre o solo.
Pode-se observar na Figura 8 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 horas,
processo o qual eliminou em grande parte as
anomalias na curva de compactação.
Figura 7. Método recomendado pela ABNT.
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1
Ensaio de Compactação
4.1.1 Influência da Energia de Compactação
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
Figura 8. Curva de Compactação sem reuso com
diferentes energias.
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.
4.1.2 Influência da 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 9 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.
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 9 tentam
definir as umidades ótimas e os pesos
específicos secos máximos.
Figura 9. Curva de Compactação com e sem reuso,
acrescentando água no momento e com antecedência de
24 horas.
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.
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.
4
CONCLUSÃO
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 água de compactação com
antecedência de 24 horas, 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.
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