Caracterização, Compressibilidade e Adensamento de uma Argila
Mole da Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro, RJ
Ana Carolina Souza Lima de Campos
Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brasil
Tácio Mauro Pereira de Campos
Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brasil
Franklin dos Santos Antunes
Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro. FAPERJ, Rio de
Janeiro, RJ, Brasil
Armando José da Silva Neto
Light Serviços de Eletricidade S.A., Rio de Janeiro, Brasil
RESUMO: Um amplo trabalho de pesquisa, envolvendo extensivas investigações de campo e
laboratório de um depósito de argila mole localizado na Zona Industrial de Santa Cruz, Rio de
Janeiro, RJ, vem sendo desenvolvido pela PUC-Rio desde meados de 2005. Evidências de recalques
em estruturas construídas nessa região têm sido reportadas desde o final da década de 70. O presente
trabalho apresenta resultados preliminares de estudos de laboratório realizados visando a
caracterização da argila e determinação de seus parâmetros de compressibilidade e adensamento a
partir da execução de ensaios edométricos convencionais e especiais em amostras retiradas de uma
dada profundidade do solo argiloso. Aspectos de qualidade das amostras usadas são discutidos com
base nos resultados apresentados.
PALAVRAS-CHAVE: Argila Mole, Caracterização Físico-Química, Compressibilidade.
1
INTRODUÇÃO
O comportamento de solos moles tem sido motivo
de inúmeros estudos executados tanto no Brasil
quanto no exterior (e.g. Costa Fo et al, 1985;
Burland, 1990; Martins & Lacerda, 1994; Almeida
& Marques, 2002; Ladd & DeGroot, 2004). A
complexidade de problemas associados a este tipo
de terreno, seja do ponto de vista de recalques ou
de resistência, torna, entretanto, necessário um
contínuo desenvolvimento de estudos e pesquisas
que propiciem um entendimento adequado do
comportamento de engenharia desses materiais,
incluindo as técnicas utilizadas para a
determinação de suas propriedades mecânicas e
hidráulicas.
Dentro deste contexto e, também, visando a
solução de um problema prático, um amplo
trabalho de pesquisa envolvendo o estudo da
evolução de movimentos de estruturas assentes
sobre uma camada argilosa espessa vem sendo
desenvolvido na PUC-Rio. Tais pesquisas
compreendem, além do monitoramento das
estruturas, a execução de diferentes tipos de
ensaios de campo (e.g. Bello et al, 2006) e
laboratório (e.g. Campos, 2006).
A área em estudo localiza-se na Zona
Industrial de Santa Cruz, Rio de Janeiro, RJ.
Evidências de recalques em construções
estabelecidas nessa região têm sido reportadas
desde o final da década de 70 sendo, entretanto,
escassas as informações existentes na literatura
sobre propriedades mecânicas e hidráulicas do
solo local.
O presente trabalho tem o propósito de
contribuir neste sentido, apresentando dados de
caracterização físico-químico-mineralógica do
material, discutindo aspectos de qualidade das
amostras indeformadas obtidas no campo e
apresentando e discutindo, de forma preliminar,
resultados de ensaios de compressão edométrica
executados em amostras indeformadas e
amolgadas da argila, incluindo aspectos de
avaliação de permeabilidade e de compressão
secundária do solo mole.
2
LOCAL DE ESTUDO
3
A área em estudo está localizada na Zona
Industrial de Santa Cruz, à cerca de 100km à
oeste da cidade do Rio de Janeiro (Figura 1).
N
Zona Industrial de
Santa Cruz
Baía da
Guanabara
Baía de
Sepetiba
Figura 1. Localização da área estudada.
Os depósitos de solo mole nas regiões de
baixada do Grande Rio são constituídos por
sedimentos flúvio-marinhos que se depositaram
há cerca de 6000 anos nas terras baixas em
torno das Baías da Guanabara e de Sepetiba,
durante períodos de transgressão e regressão
marinha (Antunes, 1978; Massad, 1988).
Sondagens tipo SPT, realizadas na década de
70, revelaram a ocorrência de uma camada de
argila mole com espessura variando entre cerca
de 6 e 15m, com resistência à penetração
variando de 0 a 10 golpes, com valor médio de
2 golpes. A partir destas sondagens, foi possível
elaborar uma representação espacial do perfil
local (Fig. 2), que compreendia um aterro
sobrejacente à camada de argila mole, com
intrusões de lentes de areia, seguida de uma
camada de areia de espessura não definida.
Área AE-1
Figura 2 – Representação espacial do perfil local.
Novas investigações, realizadas pela PUC-Rio,
em 2005, revelaram uma espessura do aterro
variando entre 2m e 3m e um nível d’água a cerca
de 1,60m abaixo do topo do aterro.
AMOSTRAGEM E EXTRAÇÃO DO
SOLO DO SHELBY
O comportamento de um solo mole é muito
afetado pelo amolgamento durante a
amostragem, por isso cuidados devem ser
tomados para se ter amostras de boa qualidade.
A retirada de amostras no campo foi
realizada com amostradores shelby de pistão
estacionário, construídos na PUC-Rio. Os
mesmos são constituídos por um tubo de
alumínio de 3” de diâmetro externo com ponta
bizelada, 1,5mm de parede e 55cm de
comprimento; uma cabeça de adaptação para
hastes de SPT e um sistema de pistão com anéis
de vedação de borracha.
A metodologia empregada para a
amostragem envolveu três etapas distintas: a
abertura de pré-furos; a retirada da amostra de
solo e a proteção da amostra para o transporte.
A abertura do pré-furo foi efetuada
utilizando-se trados ocos acionados por uma
perfuratriz motorizada (Fig. 3a e 3b). O trado da
extremidade inferior possui um sistema com
tampa basculante que previne a entrada de solo
durante a perfuração. Essa tampa é travada por
meio de um selo feito com arame recozido para
facilitar a sua abertura. Ao chegar à
profundidade desejada, os trados ocos são
içados o suficiente para permitir a abertura da
tampa, travando-os nesta profundidade. Então,
o conjunto de composição do shelby é inserido
pelo interior dos trados ocos da perfuratriz (Fig.
3c) até a tampa da ponteira, forçando a sua
abertura. Com o shelby em posição, mantém-se
travada a composição das hastes do pistão
estacionário, enquanto crava-se a camisa
amostradora a uma velocidade constante de
2cm/s. Ao chegar no limite de penetração, rodase a composição para cisalhar a amostra,
içando o conjunto, em seguida. Com este
procedimento, obteve-se amostras do solo mole
com 100% de recuperação até cerca de 6m de
profundidade dentro da argila.
Após a amostragem, as extremidades dos
tubos foram protegidas com filmes de PVC e
alumínio, com parafina formando o selo final.
Para minimizar amolgamento de amostras no
ato de suas retiradas dos shelbies em laboratório, seguiu-se o procedimento de extração
indicado em Ladd e DeGroot (2004), ilustrado
na Figura 4. Assim, cada shelby foi
cuidadosamente serrado, formando subamostras com comprimentos adequados ao
ensaio em vista. Após a separação da subamostra da parede do tubo utilizando o fio de
aço, a mesma era extraída e, em seguida,
moldada conforme requerido.
a) Posicionamento da perfuratriz para executar o pré-furo
são usuais, poderiam existir dúvidas a respeito
da qualidade das amostras indeformadas.
Realizou-se, então, uma avaliação de sua
qualidade, baseada na proposta de Oliveira
(2002). Tal avaliação é apresentada no item 5.
4
CARACTERIZAÇÃO DO SOLO
O solo estudado, saturado, representado por
amostras retiradas da profundidade de 3,50 a
4,10m na área AE-1 (Fig. 2), foi caracterizado a
partir de observações de campo, análises físicoquímico-mineralógicas e ensaios geotécnicos
executados segundo procedimentos recomendados pela EMBRAPA e Normas Brasileiras
pertinentes. Resultados de tais investigações
encontram-se resumidos nas Tabelas 1 a 4.
Tabela 1: Cátions adsorvidos e sais solúveis principais
Cátions Adsorvidos
Sais Solúveis
cmolc/kg
cmolc/kg
Ca2+ Mg2+
H+
K+
Na+
K+
Na+
10,9
14,2
5,3
1,3
1,0
0,22
2,35
b) Perfuração na camada c) Amostrador sendo inserido
de argila
dentro do trado oco
Figura 3 – Detalhes da perfuração e da inserção do
amostrador para a retirada de amostras indeformadas.
Tabela 2: Outros parâmetros químicos / físico-químicos
Cond.
Matéria
Teor de Óxidos
pH
Elétr. Orgânica (%) CTC
(g/kg)
C
400oC
SiO2 Al2O2
µS/cm
5,7
3,85
1,32
3,6
32,4
254
151
Tabela 3: Caracterização geotécnica (valores médios)
Granulometria (%)
Limites de Atterberg*
Ac ou
wL
wP
IP
Areia Areia
Ia
Silte Argila
Média Fina
(%)
(%)
(%)
0,5
3,5 42,7 53,3
130
49
82 1,54
*Ensaios executados a partir da umidade natural do solo
Tabela 4: Índices físicos médios naturais
wn
γd
γt
e
(%)
(kN/m³) (kN/m³)
13,94
6,20
125,1
3,28
Corte do tubo + solo com
serra de aço fina
Amostras para ensaios
de caracterização
Sub-amostra a ser separada
do tubo usando corda de violão inserida com auxílio de
agulha de seringa.
Figura 4 - Procedimento para extração do solo do tubo de
amostragem (modificado de Ladd e DeGroot, 2004).
Como as metodologias de amostragem e de
extração de amostras do shelby adotadas não
Gs
2,58
Quando da amostragem de campo, verificouse ter o solo uma coloração cinza escura e um
forte odor de enxôfre. Como o teor de matéria
orgânica obtido a partir da determinação do
carbono total, C, presente no solo é baixo
(1,32%), tais características não devem decorrer
da presença de matéria orgânica. Segundo
Antunes (1978), as mesmas, potencialmente,
constituem um reflexo do ambiente redutor de
formação do depósito, com o cheiro de enxofre
sendo devido à redução de sulfatos para sulfetos
em presença de água salina (água do mar) e, a
coloração cinza escura, da transformação de
ferro férrico para ferro ferroso. O pH,
ligeiramente ácido das amostras (5,7) é coerente
com tal observação. O valor de condutividade
elétrica mensurado (3,85µS/cm), constitui um
potencial indicador da salinidade do fluído
existente nos interstícios do solo. Tendo em
vista, entretanto, os inúmeros fatores que
afetam tal tipo de propriedade físico-química
(e.g. mineralogia, teor de finos, umidade, grau
de saturação, estrutura do solo), maiores
investigações são requeridas para que se possa
estabelecer a relevância da mesma na
caracterização de solos moles saturados.
É interessante notar que o teor de matéria
orgânica, MO, obtido por meio do aquecimento
do solo a 400oC (3,6%) é ligeiramente inferior
ao obtido para argilas moles de outros locais do
Grande Rio, consideradas orgânicas (MO = 4,1
a 6%, e.g. Almeida & Marques, 2002). Tais
argilas orgânicas apresentam pH, determinado
em H2O, tipicamente maiores (pH = 6,6 a 7,8)
que o aqui obtido (pH = 5,7). Futai et al (2001),
considerando argilas do Rio de Janeiro com
elevados teores de matéria orgânica (MO = 8,4
a 53%), possivelmente determinados pelo método de aquecimento, sugerem haver uma boa
correlação entre a umidade natural da argila e o
MO. Considerando a relação proposta por esses
autores, o MO da argila em estudo deveria ser
maior que 16%, o que indica a necessidade de
uso cuidadoso de tal tipo de correlação.
Ensaios convencionais de difração de raios X
revelaram a presença preponderante do mineral
argílico caulinita na fração fina do material
estudado, em concordância com o encontrado
por Antunes (1978) em estudos envolvendo
diferentes depósitos de argila mole do Estado do
Rio de Janeiro. Tal resultado, entretanto, carece
de maiores investigações por ser possível a
ocorrência de argilominerais de alta atividade
(e.g, esmectita) no solo em estudo, tendo em
vista: (a) ocorrência de uma relação
sílica/alumina elevada (Ki = 2,86) e o ambiente
salino, indicativos de presença de argilominerais
do tipo 2:1 (Antunes, 1979); (b) capacidade de
troca catiônica relativamente elevada (CTC =
32,4); (c) valor médio de densidade relativa dos
grãos consideravelmente baixo (Gs = 2,58), em
particular quando se considera o baixo teor de
matéria orgânica presente e, (d), valor elevado de
atividade coloidal ou índice de atividade de
Skempton do solo (Ac ou Ia = 1,54).
Os dados apresentados nas Tabelas 3 e 4
indicam estar-se em presença de um solo argilosiltoso de alta plasticidade (solo CH no SUCS),
com características granulométricas, de plasticidade e índices físicos similares aos encontrados
em outros locais da Baixada Fluminense (e.g.
Costa Fo et al, 1985; Almeida et al, 2005).
5
COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO
Foram realizados ensaios de adensamento
edométrico incremental, em corpos de provas
com 19,8mm de altura e 71,5mm de diâmetro, de
três tipos: convencional (AEI-1); com medida de
compressão secundária (AEI-2) e com medida de
permeabilidade (AEI-3 e AEI-4).
Todos os corpos de prova foram carregados até
a pressão de 950kPa e descarregados até 10kPa.
As amostras AEI-1 e AEI-3 tiveram estágios de
24h, enquanto que, na AEI-2, os estágios foram
de 72h. Já no ensaio realizado com a amostra
AEI-4 optou-se por encerrar os estágios quando a
taxa de variação da altura do corpo de prova
ficasse constante no tempo.
As permeabilidades das amostras AEI-3 e
AEI-4 foram medidas ao final de dados estágios,
em ensaios de carga variável executados por meio
de uma bureta graduada acoplada ao sistema de
drenagem da bacia de adensamento.
5.1
Resultados e Discussão
As curvas de σ' x e/e0 para todos os ensaios
apresentaram tendências semelhantes, como
pode ser observado na Figura 5. Na Figura 5a
também está plotada a curva de um ensaio
convencional realizado em uma amostra
reconstituída a partir de um teor de umidade de
1,5wL (ensaio AEI-1A). Tal condição foi
arbitráriamente adotada visando, unicamente,
ter-se uma amostra amolgada inicialmente
saturada.
Comparando-se a curva do ensaio AEI-1A
com as demais, torna-se aparente que os
procedimentos de amostragem e extrusão das
amostras indeformadas foram satisfatórios.
1,0
0
AEI-1
AEI-2
AEI-1A
AEI-3
0,9
AEI-4
Índice de Vazios e/e
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
(a)
(b)
0,3
0,2
1
10
100
1000 1000
1
10
100
1000
10000
Tensão Efetiva (kPa)
Figura 5 – Curvas σ´ x e/e0 dos ensaios: a) Ensaios AEI1, AEI-1A e AEI-2; b) Ensaios AEI-3 e AEI-4
Curiosamente, a boa qualidade dos corpos de
prova implica em dificuldades na estimativa da
pressão de pré-adensamento das amostras, pelo
fato da “reta virgem” ser uma curva, como se pode
observar na Figura 5. Optou-se, então, por plotar a
curva log (σ’) vs log (e) como recomen-dado por
Martins & Lacerda (1994) e, a partir dela, obter a
tensão de pré-adensamento pelo método de
Pacheco Silva. Assim, obteve-se uma tensão de
pré-adensamento de 78kPa, à qual corresponde um
OCR de 1,95 para a amostra AEI-1.
O pré-adensamento de amostras relativa-mente
superficiais observado no solo estudado também é
verificado em outras regiões da Baixada
Fluminense, como por exemplo, em Sarapuí
(Almeida et al, 2005), podendo estar associado à
história geológica dos depósitos, e a efeitos de
envelhecimento
(compressão
secundária),
ressecamento (variações climáticas) ou variações
de nível do lençol freático.
A Tabela 5 apresenta parâmetros de compressibilidade obtidos do ensaio realizado com
a amostra AEI-1. Os mesmos encontram-se
próximos aos valores médios encontrados por
Aragão (1975) na região de Santa Cruz, e aos
reportados por Almeida et al (2005) para a região
de Sarapuí. Aragão observou em seu trabalho
uma razoável dispersão nos valores de cv ao longo
da profundidade, e a relaciona aos diferentes
graus de pré-adensamento ao longo da camada, o
que implicaria em diferentes efeitos de
amolgamento durante a extração e manuseio das
amostras. Essa pode ser uma explicação para a
diferença em cv do presente trabalho e o obtido
por Aragão (1975).
Tabela 4 – Parâmetros obtidos da amostra AEI-1
Presente
Aragão
Almeida et
Parâmetro
trabalho
(1975)
al (2005)
Cc
1,87
1,70
1,3 a 3,2
Cs
0,24
0,15
CR=Cc/(1+e0)
0,44
0,40
0,41
Cs/Cc
0,13
0,09
0,12
cv (cm²/s)
5,75 x 10-3
2,7 x 10-4
O coeficiente de compressão secundária foi
obtido da curva tempo vs deformação, pela
inclinação da reta após o final do adensamento
primário, para a amostra AEI-2. Seu comportamento em relação à tensão efetiva está mostrado
na Figura 6. Percebe-se neste gráfico que o cα
inicialmente aumenta com as pressões até atingir
o um máximo próximo à pressão de pré-adensamento, decrescendo em seguida para um valor
aproximadamente constante. Tal tipo de comportamento tem sido encontrado para diferentes
argilas (e.g. Coutinho & Lacerda, 1994).
Coeficiente de compressão Secundária
cα (%)
Entretanto, utilizando-se o critério proposto por
Oliveira (2002), enquanto a qualidade das
amostras AEI-1 e AEI-3 é avaliada como de
“muito boa a excelente”, a da amostra AEI-2 é de
“boa a regular” e, da AEI-4, “pobre”. Porém,
como tal critério se baseia em resultados de
ensaios com 24h de duração, considera-se que as
diferenças nas classificações obtidas estejam
relacionadas aos diferentes tempos de duração dos
estágios de carga dos ensaios AEI-2 e AEI-4, já
que os processos de amostragem, armazenamento
e extrusão de todas as amostras foram os mesmos.
Assim, os resultados aqui apresentados são
considerados como de qualidade adequada.
Tensão Efetiva (kPa)
Figura 6 - Curva logσ x ca da amostra AEI-2
Os ensaios com medida de permeabilidade
apresentaram as curvas mostradas na Figura 5b.
Conforme se pode notar, as diferentes metodologias empregadas afetaram os índices de
vazios obtidos ao final dos estágios de carga.
Entre-tanto, conforme se observa na Figura 7 os
valo-res de permeabilidade, tanto calculados
por meio do cv como medidos nos ensaios,
apresen-tam uma boa correlação com o índice
de vazios, dada por e = 0,57. ln( k ) + 4,12 .
A permeabilidade média do solo estudado,
de 2x10-9 m/s, se encontra dentro da gama de
variação encontrada por Almeida et al (2005)
para a argila de Sarapuí (valores variando de
24x10-8 m/s a 3x10-9m/s para a região
sobreadensada).
4,5
4,0
3,5
AEI-3 calculado
AEI-4 calculado
AEI-3 medido
AEI-4 medido
Índice de Vazios
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
e = 0,5725Ln(k) + 4,1215
R2 = 0,8532
0,5
0,0
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
Coeficiente de Permeabilidade K (x 10-6cm/s)
Figura 7 – Variação da permeabilidade com o índice de vazios
6
CONCLUSÕES
O solo estudado é constituído por uma argila
siltosa de alta plasticidade, com atividade alta e
baixo teor de matéria orgânica, encontrando-se
levemente pré-adensado, com um OCR de 1,95
na profundidade investigada.
A partir dos resultados dos ensaios de adensamento e da análise de qualidade das amostras
verificou-se a eficiência das metodologias de
amostragem e de extração adotadas, que forneceram amostras indeformadas de boa qualidade.
Os parâmetros de compressibilidade, adensamento e permeabilidade obtidos encontram-se
dentro da gama de variação observada em
outras argilas moles da Baixada Fluminense.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi desenvolvido dentro do projeto
P&D Light/ANEEL nº 17/2003. Os autores
agradecem o apoio recebido. O primeiro autor é
grato ao CNPq pela bolsa de mestrado concedida.
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