COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. Caracterização Geotécnica e Mineralógica de um Perfil de Solo Tropical às Margens do Lago Paranoá de Brasília Carlos Medeiros Silva Empresa Brasileira de Engenharia e Fundações Ltda., Brasília-DF, Brasil, [email protected] José Camapum de Carvalho Universidade de Brasília, Brasília-DF, Brasil, [email protected] Edi Mendes Guimarães Universidade de Brasília, Brasília-DF, Brasil, [email protected] Ângela Andrade Almeida Universidade de Brasília (UnB), Brasília, Brasil, [email protected] Carlos Petrônio Leite da Silva Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected] RESUMO: A caracterização mineralógica de um perfil de solo, por meio da técnica de difração de raios X, pode explicar as diferenças observadas em perfis que, embora enquadrados na mesma classificação geotécnica, têm comportamentos mecânicos antagônicos. Desta forma, apresentam-se resultados de ensaios realizados ao longo de um perfil de solo, a caracterização geotécnica de campo por meio de um ensaio SPT, a caracterização geotécnica de laboratório para solo tropicais e sua classificação MCT e finalmente a caracterização mineralógica. Para a classificação geotécnica de laboratório utilizou-se a metodologia MCT expedita (Miniatura Compactada Tropical) e a recomendada pela NBR 6502 -Rochas e Solos (terminologia) para a de campo. A composição mineral da amostra total e fração fina das amostras obtidas em três horizontes característico do perfil, foi determinada por difratometria de raios-X, e vem corroborar com o entendimento do comportamento físico e mecânico deste perfil de solo, localizado na orla do Lago Paranoá de Brasília-DF no Complexo Hoteleiro Ilhas do lago. PALAVRAS-CHAVE: Difratometria de raios-X; Ensaio de Caracterização; argilominerais; Comportamento mecânico. 1 INTRODUÇÃO características mecânicas e mineralógicas destes solos podendo provocar graves erros de interpretação e de previsão do comportamento destes solos. Na identificação da composição mineral, com ênfase nos argilos-minerais foi utilizada a técnica de difração de raios X - DRX. Técnica eficaz e viável, pois além de se obter resultados rápidos (tempo de ensaio inferior a 30 minutos) é uma técnica de baixo custo. Além disso, a técnica permite interpretar, rapidamente os resultados, de forma confiável, pois os átomos se ordenam em planos cristalinos separados A caracterização geotécnica e mineralógica dos solos tropicais foi pouco estudada, principalmente quando procura-se relacionar tais propriedades com propriedades físicas e o comportamento mecânico do solo. Geralmente os estudos voltados para subsidiar os projetos geotécnicos, baseiam-se em investigações geotécnicas-geológicas da área, estes estudos, na maioria dos casos, restringem-se as sondagens do tipo SPT, levando ao desconhecimento parcial ou total das 1 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. origem do solo. Cardoso (1995) e Luna (1997) caracterizaram os solos do Distrito Federal verificando, entre outras características, que os solos que cobrem grande parte da região apresentam elevados teores de ferro (Fe) e alumínio (Al) devido ao processo de lixiviação e apresentam elevada porosidade apesar do alto teor de argila, presente em uma espessa camada de argila porosa vermelha, com baixa resistência mecânica (NSPT<4) e alta permeabilidade. Nestes solos verificou-se que a colapsividade é conseqüência do arranjo estrutural dos solos e que por sua vez é resultado direto de sua química e mineralogia, originada basicamente durante a evolução intempérica, conforme se nota na Figura 1. Segundo Cardoso (2002), a alitização é o processo mais importante para a formação dos solos profundamente intemperizados do Distrito Federal. entre si por distâncias da mesma ordem de grandeza dos comprimentos de onda dos raios X, ou seja, ao incidir um feixe de raios X na amostra, o mesmo interage com os átomos presentes, originando o fenômeno da difração. A difração de raios X ocorre segundo a Lei de Bragg, a qual estabelece a relação entre o ângulo de difração e a distância entre os planos que a originaram, relação característica para cada fase cristalina. Ao se caracterizar argilominerais, a utilização da DRX torna-se ainda mais indicada, pois uma análise química reportaria os elementos químicos presentes no material, mas não a forma como eles estão ligados, Alberts et al. (2002). Para o estudo faz-se inicialmente necessário situar-se no contexto do perfil geológicogeotécnico da região estudada. A geologia regional é marcada por diferentes rochas de origem metamórficas, deformadas por dobramentos, o que interfere diretamente nos projetos geotécnicos. Enquanto os dobramentos podem interferir diretamente em obras geotécnicas, a rocha mãe influencía, de certa forma, a concepção de projetos de engenharia, interferindo nas técnicas de execução destes projetos. Sobrepondo-se ao substrato rochoso têm-se o manto de intemperísmo, cuja espessura e nível de alteração variam segundo essa própria rocha de origem e outros condicionantes como as condições de drenagem. O manto de intemperísmo pode variar de alguns centímetros a dezenas de metros e vai da rocha pouco intemperizada, nível saprolítico, até o solo profundamente intemperizado, poroso e colapsível. O saprolito, muito influênciado, tanto na composição quanto na deformação (dobras), pela rocha mãe. É o caso de derivados das ardósias, que influem fortemente sobre a orientação das estruturas de fundação em relação aos planos preferenciais preservados. Nos solos profundamente intemperizados, cujas propriedades e comportamentos praticamente não guardam elo com a origem, o que marca o comportamento é a metaestabilidade estrutural que os caracteriza. A meta-estabilidade estrutural guarda relação com a história do intemperísmo se distanciando, no entanto, da história de tensões e até mesmo da Figura 1. Modelo de Evolução Químico-Mineralógico dos Solos Tropicais Colapsíveis (Cardoso, 1995). 2 LOCALIZAÇÃO CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA E A área estudada localiza-se na orla do Lago Paranoá em Brasília - Distrito Federal. As coordenadas geográficas que delimitam essa área são: 47º 50' 32.87” W e 47º 50' 25.68” W de longitude e 15º 47' 21.29” S e 15º 47' 11.12” S de latitude (Figura 2). Figura 2. Localização da área de trabalho Geomorfologicamente, a área é classificada como - Área de Dissecação Intermediária - que 2 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. são áreas fracamente dissecadas, apresentando em seus interflúvios lateritos, latossolos e colúvios/eluvios delgados com ocorrência de fragmentos de quartzo, Cardoso (1995). A Região de Dissecação Intermediária corresponde ao padrão de relevo suave ondulado, situado no interior do domo Estrutural de Brasília, com cotas entre 1000 e 1.150 m, e é preservada sobre ardósias, quartzitos e metassiltitos do Grupo Paranoá. As características dos horizontes lateríticos são descritas na Figura 3, do topo para a base. exemplo, IL-2-270N apresentada na Figura 3 (a), que representa o sitio Ilhas do Lago (IL), profundidade 2,00 m (-2-), passante na peneira de 270 mesh (-270) com a letra N representando a amostra com os argilosminerais orientados. Na lâmina IL-2-270G a letra G representa a amostra glicolada. A análise granulométrica foi realizada através do Granulômetro Digital da marca Malvern Mastersizer, com lente 300Rf para 0,05 a 900µm, à temperatura ambiente (25ºC). Para esta análise, a amostra foi previamente passada na peneira de 40 mesh. A leitura das amostras ocorreu em condições com e sem ultra-som, dispersas em água destilada. As frações granulométricas são definidas pela norma da ABNT NBR 6502/93. Para a caracterização física do solo executou-se em laboratório ensaios de Umidade Higroscópica (Wh), (NBR-6457); Umidade Natural(Wn), (NBR-6457); Densidade Real dos Grãos(GS), (NBR-6508); Granulometria (NBR7181); Limites de Liquidez (LL), (NBR-6459) e Limites de Plasticidade (LP), (NBR-7180). A partir destes ensaios classificou-se o solo mecanicamente pela metodologia Miniatura Compactada Tropical – MCT desenvolvida por Nogami e Villibor (1981) que propuseram uma nova metodologia de classificação e identificação expedita, visando, sobretudo, agrupar os solos tropicais de acordo com suas peculiaridades de comportamento sob ponto de vista mecânico e hidráulico. Figura 3. Esquema do perfil completo (Martins, 2000). Em particular, o solo de Brasília desenvolvido sobre os níveis de ardósia é predominantemente constituído de uma argila porosa altamente colapsível, sendo que esta argila apresenta como uma das suas principais características, a presença de concreções lateríticas, conhecidas também como lateritos ou concreções ferruginosas. Estas concreções são resultantes do processo de intemperismo das rochas que gera os latossolos. De acordo com estudos pedológicos de mapeamento de solos em Brasília/DF os solos encontrados são: latossolo, cambissolo e solos hidromórficos. 4 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA DIFRATOMETRIA DE RAIO-X (DRX) Para análises por DRX, escolheu-se três amostras representativas do perfil: a primeira no manto altamente intemperizado aos 2,00 m (solum), a segunda na zona mosqueada aos 8,00 m e a terceira no saprolito fino aos 16,00 m de profundidade (Figura 3). A preparação das amostras para a análise dos argilominerais por DRX, iniciou com a separação em duas frações, uma do material que passou na peneira 270 mesh e outra que passou na peneira de 400 mesh. Escolheram-se essas duas frações, representativa da amostra total, 3 MATERIAIS, ENSAIOS GEOTÉCNICOS E ANÁLISE MINERAL Para o estudo foram coletadas dezenove amostras ao longo do perfil, uma em cada metro sondado, através do Standard Penetration Test (SPT), método de sondagem geológicageotécnica de solos descrito na NBR 6484. As amostras para estudos mineralógicos foram identificadas com a nomenclatura, por 3 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. pois se procura entender como as argilominerais podem influenciar no comportamento mecânico das obras geotécnicas implantadas neste perfil. As três frações obtidas na separação, foram submetidas à análise por difratômetro de raiosX, marca RIGAKU GEIGERFLEX, modelo D/MAX - 2AC, operando com tubo de cobre e filtro de Ni, sob 40 kV e 20 mA, com velocidade de varredura de 2°/min. Material representativo da amostra total, passantes na peneira 270 e 400 meshes, foi triturado no gral de ágata, e colocado em lâminas escavadas de 15x15 mm e levemente pressionado, de maneira a não gerar orientação preferencial dos minerais. A amostra foi analisada por DRX, com varredura de 2 a 70º, e velocidade de 2º/min. Foram também preparadas amostras orientadas da fração passante na peneira 400 meshes. Para tanto a amostra foi dispersa em água destilada, solução cuidadosamente depositada sobre uma lâmina de vidro e orientada com o auxilio de uma outra lâmina. Após secagem, a amostra foi analisada por DRX, com varredura de 2 a 35°, e velocidade de 2°/min. Esta lâmina foi solvatada em etileno-glicol por 12 horas em recipiente sob vácuo e novamente analisada nas mesmas condições aneriores. 5 (a) (b) RESULTADOS As análises por DRX indicaram a composição mineral dos diferentes níveis (Figura 4), permitindo a: 5.1 (c) Classificação mineralógica Apresenta-se na Figura 4, os resultados das análises por DRX obtidas com o auxílio do programa Jade, para as três profundidades características do perfil à 2,0, 8,0 e 16,0 m de profundidade. A evolução mineralógica dos solos tropicais está associada ao grau de intemperismo, como demonstrado em Cardoso (2002), com a composição mineral do solo variando em função da profundidade. Verifica-se também, (Figura 4- a, b e c), que os minerais encontrados na amostra total, passante na 270 mesh, se repetem na fração fina, passante 400 mesh. (d) Figura 4. Difratogramas das amostra coletada a 2,0 m (a), 8,0 m (b), 16,0 m (c) e comparação entre elas (d). Observa-se no perfil a mesma evolução intemperica apresentada na Figura 3, pois encontrou-se na amostra coletada a 16,0 m 4 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. de argila nos 18,0 m e 20,0 m de profundidade. Nas amostras, observou-se uma grande variação de cor ao longo do perfil, variando do branco aos 20,0 m, cor característica da Caolinita para o vermelho na superfície, característico da presença de Ferro, Fe. Entre 1,0 m e 7,0 m de profundidade as camadas apresentaram cor marrom-avermelhada, mudando para amarelado até os 12,0 m e a partir desta profundidade para um cinza-esbranquiçado. Constatou-se nas primeiras profundidades, Tabela 2-a – classificação pela metodologia MCT desenvolvida por Nogami e Villibor (1981), que devido à ação intempérica à presença de solo laterítico que gradativamente foi mudando para um solo de origem aluvionar. Observa-se também na Tabela 2-a, que com o aumento da profundidade a capacidade de suporte do solo baixou quando compactado, podendo subsidiar melhor o comportamento do solo e balizando importantes decisões geotécnicas. A resistência seca do solo foi determinada por meio da moldagem de uma bolota, ensaio empírico diretamente relacionado com o grau de contração, plasticidade e expansividade do material. Resultados apresentados na Tabela 2b, onde pode-se verificar que as camadas com maiores teores de argila apresentou maiores resistência seca o que era de se esperar pelo caráter coesivo dos solos argilosos e o aumento da sucção com a redução de umidade. Ilita, Caolinita com traços de quartzo; na amostra de 8,0 m Ilita, Caolinita e Hematita; na amostra 2,0 m, manto altamente intemperizado, evolui para Goethita, Hematita e Caolinita. Observou-se traços de quartzo na amostra de 16,0 m que podem ser explicados, por exemplo, por uma estratificação do perfil de solo. Analisando a classificação granulométrica, Tabela 1, observa-se que entre os solos do perfil estudado, Ilhas do lago, a amostra de 2,0 m é a mais argilosa, enquanto o solo saprolítico, amostra 16,0 m, possui maior teor de silte. Isto ocorre, pois a amostra de 2,0 m foi coletada no solo mais intemperizado, e possui uma maior quantidade de argilominerais como produto deste processo. Confirmado pela análise mineralógica da amostra de 2,0 m que mostra a existência de hidróxidos como a Goethita e óxidos como a Hematita. Estes constituintes determinam ações de ligação físico-química fraca, mas forte cimentação. Segundo Cardoso (2002), quanto mais intemperizado for o solo, maior será a cimentação. Já nas outras duas amostras encontram-se principalmente a Caolinita (Al4[Si4O10](OH)8 ), que apresenta empilhamento regular de camadas 1:1, uma folha de Sílica (SiO4) e uma folha de Gibsita (Al2(OH)6), baixa capacidade de troca catiônica e menor plasticidade entre as argilas devido a forte ligação entre as camada no plano de clivagem. A Ilita ( K1-1,5Al4[Si76,5Al1-1,5O20](OH)4 ) também é encontrada e apresenta estrutura 2:1, com o Potássio interlamelar impedindo a entrada de água na estrutura tornado-a não expansiva. 5.2 Tabela 1. Classificação granulométrica Caracterização do perfil do solo (b). Classificacão Geotécnica A classificação granulométrica obtida de acordo com a NBR 7181, Tabela 1, mostra um solo argilo-siltoso (0,0 m – 9,0 m); silto-argiloso (10,0 m– 17,0 m); argilo-siltoso (18,0 m–20,0 m). Na Tabela 1-b, pode-se observar os valores de densidade real dos grãos variando de 1,95 à 2,97. Observa-se na Tabela 1-a, que a o solo apresenta uma percentagem decrescente de argila até os 17,0 m, com conseqüente redução de limite de liquidez, mas verificou-se bolsões (a) 5 (a) e COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. Prof. (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Wn(%) 25,00 47,45 47,45 45,65 51,08 51,38 43,76 38,96 43,15 36,79 36,21 31,89 35,34 45,84 40,11 36,07 28,29 29,90 24,65 19,65 Wh(%) 11,51 11,31 16,03 12,95 11,44 12,54 1,87 1,99 2,65 6,01 1,39 1,97 4,72 6,05 1,06 0,87 0,55 0,29 0,19 0,19 Gs 2,70 2,69 2,76 2,79 1,95 2,69 2,97 2,70 2,82 2,81 2,58 2,84 2,86 2,39 2,70 2,78 2,64 2,64 2,65 2,12 e 67,50 127,64 130,96 127,36 99,61 138,21 129,97 105,19 121,68 103,38 93,42 90,57 101,07 109,56 108,29 100,27 74,68 78,94 65,32 41,66 LL 52,86 49,75 50,04 50,51 52,06 51,88 51,03 49,89 50,00 46,70 41,95 47,58 45,83 40,80 40,09 37,17 35,33 31,21 33,22 32,53 LP 24,76 25,76 25,08 25,76 26,63 25,76 27,42 26,42 23,16 26,32 24,49 24,96 25,29 23,23 23,18 22,70 23,09 21,24 23,32 21,48 IP 11 10 10 10 9 10 8 9 12 9 11 11 10 12 12 13 12 14 12 14 principalmente, pela engenharia de fundações. Observa-se neste perfil que a resistência mecânica representada pelo numero de golpes é muito baixa até os 7,00m de profundidade, NSPT = 2 golpes, este manto coincide com o perfil altamente intemperizado e com a presença marcante dos óxidos e hidróxidos. Neste horizonte, de 0,0 (zero) à 7,0m, em função do processo de intemperização o solo é altamente poroso e colapsível e apresenta como uma das suas principais características a presença de concreções lateríticas. Analisando o perfil, fica evidente que a ressistência mecânica destes solos aumenta com a profundidade. (b) Tabela 2. Classificação MCT do perfil de solo (a) e Resistência Seca do perfil do solo (b). Prof. (m) Plasticidade Contração Expansão Capacidade de Suporte 1 MD MD B A 2 MD A B A 3 A A B A 4 A A B A 5 A A B MD 6 A A B MD 7 A A MD MD 8 A A A B 9 A A A B 10 A MD A B 11 A MD A B 12 A A A B 13 A MD A B 14 A MD A B 15 A MD A B 16 A B A B 17 A MD A B 18 A MD A B 19 A A A B 20 A A A B B = baixa LG – Solo Argiloso Laterítico MD = média NG – Solo Argiloso não Laterítico A = alta NS – Solo Siltoso não Laterítico MA = muito alta Grupo LG' LG' LG' LG' LG' LG' LG' NG' NG' NG' NS'-NG' NG' NS'-NG' NS'-NG' NS' NS' NS' NS'-NG' NG' NG' Figura 6. Caracterização geotécnica por meio do ensaio SPT. (a) Prof. (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Resistência Seca muito alta muito alta muito alta muito alta muito alta muito alta muito alta muito alta muito alta alta baixa alta média baixa baixa baixa baixa baixa Umidade 29,20% 26,34% 33,35% 41,76% 34,05% 25,37% 33,90% 33,28% 34,63% 25,27% 19,89% 24,33% 25,27% 24,24% 24,98% 21,54% 21,80% 23,42% 6 CONCLUSÕES A caracterização mineralógica realizada paralelamente a caracterização geotécnica dos solos são de grande importância e relevância para a geotecnia, pois podem contribuir na avaliação do comportamento mecânico do solo como no caso estudado, observa-se que a presença de hidróxidos e óxidos como a Goethita e a Hematita, encontrados no horizonte intemperizado pode ser um indicativo para utilização deste solo em obras geotécnicas que demandem compactação como a pavimentação, fato confirmado pela caracterização MCT que classificou este como LG’ e pela alta resistência seca do horizonte superficial altamente intemperizado. Já a presença de Ilita e Caolinita é um indicativo que o solo não é adequado para a compactação, mas em seu estado natural pode apresentar boa resistência mecânica para (b) Na Figura 6 apresenta-se um ensaio de sondagem SPT (Standart Penetration Test) realizado de acordo com a norma NBR 6484 e descrito de acordo com a NBR 6502. O ensaio SPT é sem dúvida o ensaio de investigação geotécnica mais utilizado no Brasil, para a caracterização geotécnica e utilizado 6 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS. e Micromorfológica de Solos Tropicais Colapsíveis e o Estudo da Dinâmica do Colapso. Dissertação (Mestrado em Geotecnia) - Universidade de Brasília . Cardoso, F. B. F. (2002). Caracterização físico-química e estrutural de solos tropicais do Distrito Federal. Tese (Doutorado em Geotecnia) - Universidade de Brasília. Luna, S. C. P.(1997) Análise Numérica de Túneis em Solos Colapsíveis. 149 f. Dissertação (Mestrado em Geotecnia) - Universidade de Brasília. Martins, E.S. (2000) Petrografia, Mineralogia e Geomorfologia de Rególitos Lateríticos do Distrito Federal. Tese de Doutorado, Instituto de Geociências, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 196 p. Nogami, J.S. & Villibor, D.F. Uma nova classificação de solos para finalidades rodoviárias. In: Simpósio Brasileiro de Solos Tropicais, 1, 1981, Rio de Janeiro/RJ. Anais, Rio de Janeiro/RJ: COPPE/ABMS, 1981. P.30-40. aplicabilidade em obras geotécnicas de fundações, comportamento confirmado pelo ensaio SPT que apresentou índices elevados neste horizonte, solo saprolítico. No estudo de caso Ilhas do Lago, os resultados obtidos pelo raio-X, foram de grande importancia na tomada de decisão das obras de fundação, pois soube-se, com os resultados obtidos pelo raio-X, que os argilominerais não são expansivos, fato de alta preocupação quando se trata de fundações profundas, primeiro, no momento da escavação, tinha-se o conhecimento de que os furos das estacas hélice contínua (opção da obra para as fundações) não sofreriam redução de resistência ao cisalhamento na interface solo-estaca (diminuição do atrito lateral) e o segundo motivo está mais ligado aos problemas de recalques da obra, que deveriam ser estudado com mais critério, caso fosse encontrado argilominerais expansivos na obra. Fica evidente a importância de se caracterizar o perfil de solo mineralogicamente, evitanto assim erros de interpretação e a adoção inadequada de soluções geotécnicas. 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT (1980). NBR-6484. Execução de Sondagem de Simples Reconhecimento. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Rio de Janeiro. ABNT (1981). NBR-7180. Limite de Plasticidade. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Rio de Janeiro, RJ. ABNT (1984). NBR-6459/1984a. Solo-Determinação do Limite de Liquidez. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, RJ. ABNT (1984). NBR-7181/1984b. Solo-Análise Granulométrica. Associação Brasileira de Normas Técnicas, RJ. ABNT (1986). NBR-6457. Preparação de amostras para ensaio de caracterização. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, RJ. ABNT (1986). NBR-6508/1986b. Determinação da massa específica. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, RJ. ABNT (1995). NBR 6502. Rochas e Solos (terminologia). Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, RJ. Albers, A. P. F., Melchiades, F. G., Machado, R., Baldo, J. B., Boschi, A. O. (2002). Um método simples de caracterização de argilominerais por difração de raios X. Cerâmica, vol.48, no.305, São Paulo. 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