Avaliação da Expansibilidade de um Solo de Juazeiro-BA
João Barbosa de Souza Neto
Universidade Federal do Vale do São Francisco, Juazeiro-BA, Brasil, [email protected]
Marcelo Ferraz Santos*
Universidade Federal do Vale do São Francisco, Juazeiro-BA, Brasil, [email protected]
Petrucio Antunes Martins
Universidade Federal do Vale do São Francisco, Juazeiro-BA, Brasil, [email protected]
Humberto Coelho Duarte Junior*
Universidade Federal do Vale do São Francisco, Juazeiro-BA, Brasil, [email protected]
* Aluno do Curso de Engenharia Civil
RESUMO: A região nordeste vem sendo submetida a grandes investimentos em obras de
infraestruturas. Seu clima semiárido favorece a ocorrência de solos não saturados com
corportamento expansivos e colapsíveis. Este trabalho apresenta e discute resultados preliminares de
um projeto de pesquisa realizado pelo Grupo de Pesquisa Geotecnia do Semiárido da UNIVASF
(GEOVASF) que tem como um dos objetivos a identificação e mapeamento da ocorrência de solos
expansivos na região do submédio São Francisco. O estudo está baseado em resultados de ensaios
de laboratório, onde se avalia a expansibilidade do solo e suas implicações nas obras predominantes
na região. Basicamente foram realizados ensaios de caracterização, expasão livre e determinação da
pressão de expansão. A amostra utilizada corresponde a um Vertissolo localizado no município de
Juazeiro-BA. Nas proximidades do local de amostragem investimentos imobiliários vêm sendo feitos,
em grande parte correspondentes a projetos de residências unifamiliares financiaveis pelo programa
Minha Casa Minha Vida. O resultado do estudo mostrou que o solo é de média a alta
expansibilidade, porém não podendo ser negligenciado nos projetos em curso.
PALAVRAS-CHAVE: solo expansivo, vertissolo, ensaios de laboratório.
1
INTRODUÇÃO
A região nordeste vem sendo submetida a
grandes
investimentos
em
obras
de
infraestruturas. Seu clima semiárido favorece a
ocorrência de solos não saturados com
corportamento expansivos e colapsíveis. O
Grupo de Pesquisa Geotecnia do Semiárido da
UNIVASF (GEOVASF) tem como um dos
objetivos a identificação e mapeamento da
ocorrência de solos expansivos na região do
submédio São Francisco. Neste sentido,
amostras deformadas e indeformadas vem sendo
coletadas em diferentes locais de Juazeiro-BA e
Petrolina-PE, com vistas a identificar e avaliar a
expansibilidade dos solos, bem como definir
futuros campos experimentais para fins de
pesquisas de soluções econômicas de fundações.
Este trabalho apresenta e discute resultados
preliminares de ensaios de laboratório realizados
em amostras de solos coletadas de uma
formação de Vertissolo no município de
Juazeiro-BA. Foram realizados ensaios de
caracterização, expansão livre e determinação
da pressão de expansão e cisalhamento direto.
2
CONSIDERAÇÃO TEÓRICA
Alguns solos argilosos, normalmente no estado não
saturado, são caracterizados por apresentar
alterações volumétricas quando submetidos a
variações na umidade. Esses solos são comumente
referidos de solos expansivos.
As variações volumétricas podem ocorrer por
consequência de aumento na umidade (expansão)
ou por perda de umidade (contração). Por esta
razão, alguns autores, a exemplo de Justino da
Silva (2001) definem solo potencialmente
expansivo como aquele que apresenta aumento
ou redução de volume quando sofre variação na
umidade (ou sucção).
2.1 Mecanismo de expansão
Justino da Silva (2001) relata que o mecanismo de
expansão das argilas é complexo, sendo
influenciado por vários fatores. A expansão é o
resultado da mudança no sistema solo-água a qual
perturba o equilíbrio das tensões internas. Se as
propriedades da água do solo são alteradas, seja
por variação da quantidade ou da composição
química, a força entre partículas mudará. Caso a
mudança resultante nas forças internas não seja
balanceada pela correspondente alteração no
estado de tensões, aplicado externamente, o
espaçamento entre partículas será alterado até que
as forças atinjam novamente o equilíbrio. Essa
modificação no espaçamento se manifestará sob a
forma de aumento ou redução de volume.
A expansão de um solo estará associada à
quantidade e natureza da fração argila. Quanto
maior a quantidade de argila e maior a superfície
específica, maior será a susceptibilidade de um
solo à variação volumétrica de expansão e/ou
contração. A montmorilonita é considerada o
argílico mineral mais expansivo e, normalmente,
solos com elevado potencial de expansão pussui
em sua fração argila minerais dessa família.
2.2 Ocorrência de solos expansivo
A ocorrência de solos expansivos normalmente
está associada a regiões com deficiência hídrica,
embora não seja rara sua ocorrência em regiões
de elevada precipitação volumétrica. Nesse
contexto, esse tipo solo tem sido encontrado em
quase todos os continentes.
No Brasil os solos expansivos têm sido
encontrados em várias regiões, desde regiões com
clima semiárido (Amorim, 2004) assim como em
regiões com clima equatorial, como é o caso do
Estado do Acre (Monteiro, 2006).
No Submédio do São Francisco os solos
expansivos têm sido encontrados nos municípios
de Afrânio, Petrolândia, Serra Talhada, Petrolina
(Ferreira, 1989) no Estado de Pernambuco. Em
Juazeiro, Estado da Bahia, tem sido verificado a
existência de Vertissolos com características
expansivas, citadas por Simões e Costa Filho
(1981) apud Amorim (2004), Sousa (2009) e
Santos (2010).
É neste contexto que se insere este trabalho,
cujo estudo diz respeito à expansibilidade do
vertissolo de Juazeiro-BA.
3
CARACTERÍSTICAS
ÁREA DE ESTUDO
GERAIS
DA
3.1 Clima
A área de estudo está localizada no município de
Juazeiro – BA, nas proximidades do Campus da
UNIVASF (FACJU), situado próxima ao bairro
Dom José Rodrigues e Rodovia BA 210, saída
para o município de Sobradinho-BA.
O clima da região de Juazeiro-BA é do tipo
BSwh’, segundo a classificação de Köppen, que
corresponde a uma região quente e semi-árida.
A temperatura do ar em Juazeiro varia entre
24ºC e 29ºC. Constata-se uma pequena
variabilidade interanual, devido à proximidade
da região em relação ao Equador, sendo julho o
mês mais frio e novembro o mês mais quente do
ano (Teixeira e Lima Filho, 2007).
O índice pluviométrico da região, a partir de
dados da Teixeira e Lima Filho (2007), é o
elemento meteorológico de maior variabilidade
espacial e temporal. Nos últimos 30 anos, em
Juazeiro-BA, o total anual médio foi de 542
mm. O período chuvoso nessa região concentrase entre os meses de novembro e abril, enquanto
o período mais seco ocorre de junho a agosto.
No quadrimestre chuvoso, acontece a maior
parte da precipitação, ficando o restante do ano
praticamente sem chuva (CBHSF, 2004).
Outro fator climático característico do
Submédio São Francisco é a alta taxa de
evaporação, média anual de 1.550 mm,
ocasionada, entre outros fatores, pelos elevados
valores de temperatura do ar. Com isso, a perda
de água potencial para atmosfera é sempre
maior que a precipitação, resultando na grande
perda de água dos solos (CBHSF, 2004). Essas
variações climáticas tendem a resultar em
grandes variações na umidade do solo, sendo a
principal causa das variações volumétricas em
solos expansivos.
3.2 Características geológicas e pedológias
Em termos geológicos o município de Juazeiro
pode ser dividido em dois macros
compartimentos, denominados leste e oeste,
delimitado pelo riacho Poço Comprido. Na
porção leste prevalecem diversas tipologias
rochosas, de composições graníticas variadas,
que para fins de planejamento podem ser
enquadradas como rochas do embasamento
cristalino. Na porção oeste ocorre em menor
quantidade rochas do embasamento cristalino,
quartzitos e calcários associados ao grupo
chapada, principalmente na porção extrema
sudoeste deste compartimento. De forma mais
extensa, desenvolve-se na porção central do
compartimento uma extensa cobertura de
sedimentos calcários, associados à formação
caatinga onde se desenvolvem vertissolos de
grande potencialidade expansiva. Ocorrem ainda
de forma subordinada, sedimentos aluvionares
arenosos nas planícies fluviais do Rio São
Francisco.
Quanto à pedologia, o território do município
de Juazeiro, assim como a Bahia, apresenta uma
grande diversidade de solos, entretanto, alguns
tipos se destacam dos demais, tais como:
vertissolos, planossolos, cambissolo, latossolo e
podzólico vermelho amarelo.
4
MATERIAL E MÉTODOS
4.1 Coleta de amostras
No local de estudo foi realizada uma coleta de
amostra indeformada e deformada. A deformada
foi utilizada para realização de ensaios de
caracterização e a indeformada para obtenção
do potencial de expansão, da pressão de
expansão e avaliação da resistência ao
cisalhamento.
A campanha de amostragem foi realizada em
Abril de 2010, no fim do período chuvoso da
região. O local da amostragem foi escolhido a
partir da análise prévia de mapas pedológicos do
estado da Bahia que indicam a existência de
Vertissolos nesta localidade, bem como análise
táctil-visual de amostras coletadas por meio de
trado,
onde
se
verificou
algumas
caractererísticas típicas de solos expansivos, a
destacar: cor, pegajosidade etc.
4.2 Ensaios de caracterização
A caracterização física do solo em estudo se deu
através de ensaios de granulometria, limites de
liquidez e de plasticidade. Os ensaios foram
realizados segundo as normas ABNT NBR
7181/1984, NBR 6508/1984, NBR 6459/1984 e
NBR 7180/1984. Para todos os ensaios de
caracterização utilizou-se amostra previamente
seca ao ar.
4.2 Ensaios edométricos
Os ensaios edométricos foram realizados com o
objetivo de determinar o potencial de expansão
do solo e da tensão de expansão, que
corresponde àquela necessária para evitar a
expansão do solo.
Os ensaios foram realizados por meio de uma
prensa tipo Bishop com célula de anel fixo e
munida de sistema automático de aquisição de
dados.
Uma vez que a amostragem foi realizada no
final do período chuvoso, antes da moldagem
dos corpos-de-prova a amostra indeformada foi
submetida a uma secagem prévia até atingir uma
umidade próxima a da estação seca da região.
Este procedimento foi adotado para se obter a
máxima expansão do solo e, também, a maior
tensão de expansão.
O potencial de expansão (deformação de
expansão) foi obtido por meio do ensaio de
expansão livre, que corresponde em aplicar uma
tensão mínima (2,5 kPa) e inundar o solo para
permitir a expansão. A expansão é acompanhada
até a estabilização que, neste caso, ocorreu em
tono de três dias.
Após a estabilização da expansão do solo,
eram
aplicados
novos
estágios
de
carregamentos, obtêndo-se uma curva de
compressão do solo saturado. A tensão
4.3 Ensaio de cisalhamento direto
A resistência ao cisalhamento do solo foi
avaliada por meio de ensaio de cisalhamento
direto.
Utilizou-se
um
equipamento
eletromecânico microprocessado MATEST.
Foram realizados dois conjuntos de ensaios:
ensaios sem inundação e ensaios com o solo
previamente inundado. Nos ensaios inundados a
inundação foi feita por um período mínimo de
24 horas sob a tensão vertical. Foram adotadas
as tensões verticais de 100 kPa, 200 kPa e 400
kPa.
inorgânicos (2,6 a 2,9 g/cm3), conforme Das
(2007). O solo apresenta um limite de liquidez
de 31% e um índice de plasticidade de 16%,
vindo a classificá-lo no grupo CL (argila de
baixa compressibilidade) no Sistema de
Classificação Unificado (USCS). O índice de
atividade (Ia) foi de 0,26, enquadrando este solo
na classe de baixa atividade, conforme
Skempton (1956).
Tabela 1. Resumo dos resultados de caracterização.
% Passa #200
75 %
Composição
Granulométrica
Gs
Limites de
Atterberg
necessária para trazer o solo à condição inicial
foi considerada como sendo a tensão de
expansão. Este procedimento tem sido adotado
pelo exército americando (ARMY, 1983) no
estudo e projetos em solos expansivos nos
Estados Unidos. Outro procedimento, não
adotado neste trabalho, consiste em inundar o
solo com uma carga mínima e aplicar sucessivos
carregamentos para impedir a expansão. Este
procedimento é referido como determinação da
tensão de expansão a volume contante. A
vantagem do primeiro é a possibilidade de, com
apenas
um
corpo-de-prova,
obter
simultaneamente o potencial de expansão e a
tensão de expansão, dois parâmetros de grande
importância no projeto de fundações em solos
expansivos.
Foi realizado também um ensaio de
compressão edométrica sem inundação do solo
com o objetivo de obter uma curva de
compressão nesta condição.
2,6
Argila
62,2%
Silte
12,1%
Areia fina
4,7%
Areia média
13,9%
Areia Grossa
5,0%
Pedregulho
2,1%
LL
31%
LP
15%
IP
16%
Classificação USCS
CL
5
APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS
RESULTADOS
Com base em resultados de ensaios de
caracterização, o potencial de expansão foi
avaliado segundo alguns critérios da literatura.
De acordo com o critério de Seed et al (1962) e
Chen (1983) o solo apresenta médio potencial
de expansão (10 ≤ IP ≤ 20 e 30 ≤ LL ≤ 40,
respectivamente).
Pelo
critério
de
Daksanamurthy e Raman (1973), apresenta-se
como solo de baixa expansibilidade (20 ≤ LL ≤
35).
5.1 Ensaios de caracterização
5.2 Ensaios edométricos
A Tabela 1 apresenta um resumo dos resultados
dos ensaios de caracterização. Consta também a
classificação do solo segundo o sistema de
classificação unificado. O solo apresenta uma
granulometria fina, com 75% da fração
passando na peneira 0,075mm. A fração
predominante é a argila, com 62%. O peso
específico real dos grãos (Gs) foi de 2,6 g/cm3,
sendo compatível com solos argilosos
A Figura 1 apresenta a curva de expansão do
solo com o tempo. A deformação total de
expansão (Fig. 1), contando do início da
inundação, foi de 9,32%. Praticamente a
totalidade ocorreu em pouco mais de 16 horas,
embora o processo de inundação tenha sido
mantido por 3 dias.
levantamentos/recalques e não se adote medidas
adequadas quanto à drenagem.
A Figura 2 apresenta a curva de compressão
do solo representada com a indicação da tensão
de expansão.
-10
wi= 3,28%; 2,5 kPa
-6
0,50
w i = 3,28% e vi = 2,5 kPa
0,48
-4
0,46
-2
Expansão
0
2
0,01
Expansão
0,44
Índice de Vazios
Deformação Volumétrica (%)
-8
0,1
1
10
100
Tempo (min)
1000
10000
Figura 1. Curva de variação da deformação com o tempo
referente à tensão de 2,5 kPa, decorrente inundação do
solo.
De acordo com o critério de Seed et al.
(1962) o solo apresenta alta expansibilidade (5 25%), para as condições do ensaio. Já para o
critério Holtz e Gibbs (1956) (0 - 10%),
apresenta-se
como
solo
de
baixa
expansibilidade. Estas conclusões discrepantes
mostram o quanto se deve ter cautela ao avaliar
a expansibilidade de um solo. O potencial de
expansão depende do nível de tensão e das
condições iniciais do solo. Além disso, cada
estrutura responderá diferentemente aos
movimentos verticais decorrente da expansão, o
que reforça a necessidade de estimar também os
levantamentos e recalques decorrentes das
variações de umidade do solo.
Dependendo do tipo de estrutura, potenciais
de expansão dessa ordem podem comprometer a
sua funcionalidade embora considerando as
condições de umidade no campo, associada às
tensões impostas pelas fundações (normalmente
superiores a 2,5 kPa), dificilmente este valor
será atingido no campo. Entretanto, não pode
ser negligenciado no caso de pavimentos e
calçamentos em geral e estruturas flexíveis
como residências unifamiliares, que estarão mais
sujeitas ao surgimento de trincas, caso não se
faça
uma
estimativa
adequada
dos
Compressão
0,42
0,40
ve =[e/(1+eo )]=9,32%
0,38
0,36
0,34
0,32
 e = 160 kPa
0,30
1
10
100
1000
Tensão Vertical (KPa)
Figura 2. Curva de variação do índice de vazios com a
tensão vertical.
Na Figura 2, o trecho vertical corresponde à
expansão do solo. Após a expansão foram
aplicados sucessivos estágios de tensões de
forma a se obter a curva de compressão. Dessa
curva foi obtida a tensão de expansão (e), que
corresponde àquela necessária para trazer o solo
ao índice de vazios inicial (eo = 0,36). Para este
caso esta tensão foi de 160 kPa, um valor alto
considerando que grande parte das estruturas
existentes e em processo de construção são de
pequeno e médio porte. A fundação de muitas
estruturas na região vem sendo projetada para
uma tensão adimissível de 100 kPa, valor
mínimo exigido pela NBR 6122/2010, inferior a
tensão de expansão do solo.
5.3 Ensaio de cisalhamento direto
Na Figura 3 apresenta-se curvas típicas do
deslocamento horizontal versus a tensão
cisalhante e deslocamento vertical, referentes
aos ensaios sem inundação e com inundação
prévia na tensão normal de 200 kPa.
A Figura 4 apresenta as envoltórias de
resistência dos ensaios inundados e sem
inundação. Constam também os parâmetros de
resistência obtidos em cada tipo de ensaio.
800
Tensão Cisalhante (kPa)
700
Sem Inundação
R² = 0,9979
Φ' = 59,6°
c'= 29 kPa
600
500
Inundado
R² = 0,9685
Φ' = 19,6°
c'= 28,5 kPa
400
300
200
100
0
0
200
400
Tensão Normal (kPa)
600
Figura 4. Envoltória de resistência inundado e na
umidade natural.
Figura 3. Curva deslocamento horizontal versus tensão
cisalhante (superior) versus deslocamento vertical
(inferior).
Na Figura 3 observa-se uma grande diferença
entre as tensões cisalhantes na ruptura entre os
ensaios inundados e não inundados, como era de
se esperar.
Dois comportamentos típicos podem ser
observados nas curvas da Figura 3. O primeiro
caracterizado por picos bem definidos da tensão
cisalhante seguido de brusca redução para o
ensaio sem inundação, com comportamento
dilatante do deslocamento vertical, tipico de
solos rígidos como argilas duras. O segundo
comportamento é caracterizado por patamares
bem definidos, porém sem apresenta redução
significativa. Na curva deslocamento horizontal
versus deslocamento vertical, verifica-se sempre
compressão durante o cisalhamento, típico de
argilas normalmente adensadas ou pouco préadensadas. Esses resultados mostram o quanto
pode variar a capacidade de carga de uma
fundação superficial assente sobre este solo, por
conta das variações da umidade.
É nítida a diferença das tensões de ruptura
entre os dois ensaios. Com respeito aos
parâmetros de resistência, verifica-se que o
ângulo de atrito apresenta maior disparidade,
quando comparado o resultado do ensaio
inundado com o ensaio sem inundação. Neste
último, o ângulo de atrito ( = 59,6°) foi da
ordem de três vezes ao obtido no ensaio
inundado. Já o intercepto de coesão não se
verifica diferenças significativas, estando na
ordem de 29 kPa, para ambos os ensaios.
Partindo-se dos resultados apresentados
avaliaram-se os possíveis efeitos das variações
volumétricas e das variações da resistência numa
hipotética fundação direta quadrada, com 0,60
m de lado, apoiada a 1,0 m de profundidade
num solo com as características do estudado.
Considerou-se ainda que a construção fosse
realizada no período seco da região e tenha sido
submetido a intenso umedecimento no período
chuvoso.
A tensão admissível para o dimensionamento
foi aquela obtida do estudo da capacidade de
carga com os parâmetros de resistência do
ensaio inundado. Para esta condição, a tensão
adimissível foi de 118 kPa.
Procurou-se estimar, analiticamente, os
recalques no período da construção (estação
seca) e os levantamentos decorrentes do
umedecimento do solo (período chuvoso). Para
estimativa da distribuição das tensões, a tensão
aplicada foi a admissível e o bulbo de tensões
resultantes foi dividido em três camadas com
espessuras constantes. Conhecida a tensão
média no centro de cada camada e as
deformações (compressão/expansão) obtidas
dos ensaios edométricos (Fig. 5) foi feito o
cálculo dos recalques e levantamentos nas
camadas, conforme metodologia de Veloso e
Lopes.
6. CONCLUSÕES
-12
-10
Deformação Volumétrica (%)
as tensões aplicadas, drenagem, bem como o
tipo de vegetação a ser utilizada. Em Rio
Branco-AC há histórico de trincas em
residências num conjunto habitacional que
podem estar associadas a recalques devidos à
contração do solo. Neste caso, especula-se que
a perda de água se deu pela sucção da própria
vegetação.
Entretanto,
nenhum
estudo
aprofundado foi feito. Monteiro (2006) realizou
ensaios de expansão numa amostra de coletada
no local e verificou tratar-se de um solo de
média expansivilidade.
Compressão
-8
-6
Expansão
-4
-2
0
2
Compressã
o
4
6
1
10
100
Tensão Vertical (KPa)
1000
Figura 5. Curvas de compressão do ensaio de expansão e
ensaio sem inudação.
O resultado mostrou que, para este caso
particular, o recalque na etapa da construção foi
da ordem de 20 mm, sendo assimiláveis para
grande maioria das edificações. Entretanto, o
levantamento devido a expansão do solo foi
considerável (da ordem de 80 mm), apesar da
tensão aplicada (118 kPa) ser próxima da tensão
de expansão. Estes números, a despeito da
simplificação da análise, mostram o quanto é
importante considerar a tensão de expansão no
projeto de fundações em solos expansivos,
principalmente quando a construção é feita no
período seco da região. Em várias construções
de pequeno porte no município de Juazeiro-BA,
assentes sobre o vertissolo, tem apresentado
problemas no período chuvoso e tem sido
associado à expansão do solo.
Uma solução em solos expansivos deve-se
levar em consideração vários fatores, tais como
Os métodos de estimativa da tensão de
expansão, a partir de resultados de ensaios de
caracterização e expressões empíricas, foram
expressivamente discrepantes ao obtido no
ensaio edométrico. Este resultado mostra as
limitações destas expressões, ressaltando a forte
dependência dos solos dos quais foi
estabelecida. Os resultados ressaltam ainda a
importância da realização de ensaios do tipo
edométrico, uma vez que os ensaios de
caracterização não permitem a estimativa dessas
deformações, as quais dependem das condições
de carregamento e condições iniciais do solo,
impossíveis de serem avaliados por meio desses
ensaios de caracterização. Os resultados da
capacidade de carga do solo demonstram que se
deve ter bastante cuidado em relação à época de
realização de sondagens e coleta de amostras do
solo para avaliação dos parâmetros de
resistência, tendo em vista a diferença
encontrada nos valores de tensão admissível
para diferentes condições de umidade do solo.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a UNIVASF pelo apoio
ao Grupo de Pesquisa Geotecnia do Semiárido.
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