UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
MORGANE BROGNI PAZZETTO
ESTUDO DA PERMEABILIDADE DE SOLOS ARGILOSOS
DISPONÍVEIS PARA RECUPERAÇÃO DE ÁREAS DEGRADADAS
PELA MINERAÇÃO DE CARVÃO NO SUL DE SANTA CATARINA
CRICIÚMA, JUNHO DE 2009
2
MORGANE BROGNI PAZZETTO
ESTUDO DA PERMEABILIDADE DE SOLOS ARGILOSOS
DISPONÍVEIS PARA RECUPERAÇÃO DE ÁREAS DEGRADADAS
PELA MINERAÇÃO DE CARVÃO NO SUL DE SANTA CATARINA
Trabalho de conclusão do Curso, apresentado
para obtenção do grau de Engenheiro Civil, no
curso de Engenharia Civil, da Universidade do
Extremo Sul Catarinense, UNESC.
Orientador: Prof. Dr. Álvaro José Back
CRICIÚMA, JUNHO DE 2009
3
MORGANE BROGNI PAZZETTO
ESTUDO DA PERMEABILIDADE DE SOLOS ARGILOSOS
DISPONÍVEIS PARA RECUPERAÇÃO DE ÁREAS DEGRADADAS
PELA MINERAÇÃO DE CARVÃO NO SUL DE SANTA CATARINA
Trabalho de Conclusão de Curso
aprovado pela Banca Examinadora,
como requisito parcial para obtenção do
Grau de Engenheiro Civil, no Curso de
Engenharia Civil, da Universidade do
Extremo Sul Catarinense, UNESC.
Criciúma, 19 de junho de 2009
BANCA EXAMINADORA
Eng. Álvaro José Back - Doutor - (UNESC) - Orientador
Geol. Antônio Sílvio Jornada Krebs – Doutor – (CPRM) - Banca
Geol. Clovis Norberto Savi - Mestre – (UNESC) - Banca
4
A Deus e a todos que contribuíram e
acompanharam minha trajetória para chegar até
aqui.
5
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, por ele estar sempre ao meu lado, por me dar força,
coragem e esperança;
Aos meus pais Dilnei e Volneide pelo ensinamento de viver com
dignidade, pelo incentivo e pela oportunidade de aprendizado;
Ao meu namorado Maxwel Regis pelo amor, incentivo e compreensão;
Ao orientador Álvaro José Back pelo conhecimento;
Á minha irmã Mariane, por toda sua paciência, conhecimento e
colaboração para o desenvolvimento deste trabalho;
Ao meu irmão Michel;
Aos laboratoristas Maisson e Ricardo, pelo auxílio nos ensaios realizados;
Aos colegas os quais se tornaram amigos especiais durante esses anos
de curso;
A todos que colaboraram de alguma forma para que eu pudesse chegar
até aqui.
6
“É melhor tentar e falhar,
que preocupar-se e ver a vida passar;
é melhor tentar, ainda que em vão,
que sentar-se fazendo nada até o final.
Eu prefiro na chuva caminhar,
que em dias tristes em casa me esconder.
Prefiro ser feliz, embora louco,
que em conformidade viver ..."
Martin Luther King
7
RESUMO
O presente trabalho de conclusão de curso aborda aspectos de caracterização
física, mecânica e de permeabilidade das argilas da jazida Morozini localizada em
Treviso – SC, Brasil. Foram analisadas amostras extraídas a 30 cm e 1,30 cm de
profundidade. Com a finalidade de se avaliar a permeabilidade natural da argila
amostras indeformadas foram coletadas com auxilio do trado tipo “Uhland”. Outras
amostras também foram moldadas em laboratório, na umidade ótima, com o objetivo
de comparar e quantificar o aumento ou a diminuição da permeabilidade com a
compactação do material. Os resultados obtidos indicaram que as amostras
compactadas tiveram uma redução entre 4 á 7 vezes, em relação ao coeficiente de
permeabilidade se comparadas com a amostra em seu estado natural.
Palavras-chave: Coeficiente de permeabilidade. Umidade ótima. Compactação.
8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1- Esquema de um permeâmetro de carga constante..............................21
Figura 2- Ensaio de permeabilidade com carga variável......................................22
Figura 3- Coeficiente de permeabilidade de areia em função do índice de
vazios.........................................................................................................................23
Figura 4 – Variação direcional da permeabilidade................................................26
Figura 5 - Variação da relação anisotrópica em função do índice de vazios para
vários solos...............................................................................................................27
Figura 6 – Exemplo de curva de distribuição granulométrica do solo...............27
Figura 7 – Peneiras utilizadas para ensaio de peneiramento..............................29
Figura 8 - Esquema representativo de sedimentação .........................................30
Figura 9 – Limites de Atterberg ..............................................................................31
Figura 10 – Aparelho Casagrande .........................................................................32
Figura 11 – Amostra do solo antes e depois do ensaio ......................................33
Figura 12 - Ensaio limite de plasticidade .............................................................33
Figura 13 – Curva de compactação de diversos solos brasileiros .....................36
Figura 14 – Curvas de compactação típica de quatro tipos de solos ................39
Figura 15 – Método dos cilindros concêntricos ...................................................44
Figura 16 – Jazida no Morozini ..............................................................................49
Figura 17 - Solo do sistema de Leques Aluviais – Verdinho ..............................50
Figura 18 – Coluna estratigráfica da bacia do Rio Araranguá ............................51
Figura 19- Localização da área de estudo ............................................................52
Figura 20 – Locais de coletas das amostras ........................................................53
Figura 21 – Trado tipo “Uhland”.............................................................................53
Figura 22 - Amostras indeformadas .....................................................................54
Figura 23 - Material para a secagem .....................................................................55
Figura 24 – Destorroamento do solo .....................................................................55
Figura 25 – Material destorroado ...........................................................................56
Figura 26 – Ensaio de liquidez ...............................................................................57
Figura 27 – Cápsulas para pesagem .....................................................................58
Figura 28 – Pesagem das cápsulas .......................................................................58
Figura 29 – Realização do ensaio de limite de plasticidade ................................59
9
Figura 30 – Preparação do material para o ensaio de compactação .................61
Figura 31 – Método da frigideira ............................................................................61
Figura 32 - Adição de água necessária para obtenção da umidade do solo .....62
Figura 33 – Ensaio de compactação ......................................................................63
Figura 34 – Pesagem do cilindro e solo ................................................................63
Figura 35 – Permeâmetro para carga variável ......................................................64
Figura 36 – Amostra parafinada .............................................................................65
Figura 37 - Amostra revestida com argila .............................................................65
Figura 38 – Permeâmetro pronto para ser fechado .............................................66
Figura 39 – Permeâmetro pronto para saturação .................................................66
Figura 40 – Adição de água para saturação do material .....................................67
Figura 41 – Adaptação do método de saturação ..................................................68
Figura 42 – Permeâmetro conectado à bureta graduada.....................................68
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Relação entre a viscosidade da água na temperatura de ensaio e a
viscosidade da água a 20°C (RT) ...........................................................................25
Tabela 2 – Valores de coeficiente de permeabilidade ..........................................25
Tabela 3 – Índice de Atterberg de alguns tipos de solos brasileiros .................31
Tabela 4 – Especificações para a energia de Proctor...........................................37
Tabela 5 – Terminologia do sistema unificado .....................................................42
Tabela 6 – Características físicas da amostra 01..................................................70
Tabela 7 – Característica mecânica da amostra 01...............................................71
Tabela 8 – Coeficiente de permeabilidade da amostra 01....................................71
Tabela 9 – Características físicas da amostra 02..................................................72
Tabela 10 – Característica mecânica da amostra 02.............................................73
Tabela 11 – Coeficiente de permeabilidade da amostra 02..................................73
11
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
CPRM – Serviço Geológico do Brasil
CSN – Companhia Siderúrgica Nacional
GTA – Grupo Técnico de Assessoramento à sentença
IP – Índice de Plasticidade
IPAT – Instituto de Pesquisas Ambientais e Tecnológicas
LL – Limite de Liquidez
LP – Limite de Plasticidade
NBR – Norma Brasileira Regulamentadora
TRB – Transportation Research Board
UNESC – Universidade do Extremo Sul Catarinense
12
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................14
1.1 Tema....................................................................................................................14
1.2 Delimitação do tema ............................................................................................14
1.3 Problema de pesquisa .........................................................................................14
1.4 Objetivos...............................................................................................................15
1.4.1 Objetivo geral....................................................................................................15
1.4.2 Objetivos específicos.........................................................................................15
1.5 Justificativa...........................................................................................................16
2 REFERENCIAL TEÓRICO......................................................................................17
2.1 Permeabilidade ....................................................................................................17
2.1.2 Lei de Darcy .....................................................................................................17
2.1.3 Determinação do coeficiente de permeabilidade (k).........................................19
2.1.3.1 Permeâmetro de carga constante..................................................................21
2.1.3.2 Permeâmetro de carga variável.....................................................................21
2.1.4 Fatores que influenciam a permeabilidade do solo ..........................................24
2.1.5 Variação direcional da permeabilidade ............................................................26
2.2 Ensaios de caracterização física do solo.............................................................27
2.2.1 Análise granulométrica......................................................................................27
2.2.1.1 Ensaio de peneiramento.................................................................................28
2.2.1.2 Ensaio de sedimentação................................................................................29
2.3 Índices de Consistência (Limites de Atterberg)....................................................30
2.3.1 Limite de Liquidez..............................................................................................31
2.3.2 Limite de Plasticidade........................................................................................32
2.3.3 Atividade das argilas.........................................................................................34
2.4 Compactação de solos.........................................................................................34
2.4.1 Ensaio Proctor Normal......................................................................................35
2.4.2 Efeito da compactação sobre as propriedades dos solos coesivos..................37
2.4.3 Fatores que influenciam na compactação.........................................................38
2.4.4 Compactação em campo...................................................................................39
2.5 Propriedades da fração argilosa dos solos..........................................................40
13
2.6 Classificação unificada dos solos ........................................................................42
2.7 Ensaio de infiltração ............................................................................................43
2.6.1 Método dos cilindros concêntricos ...................................................................43
3 METODOLOGIA ....................................................................................................48
3.1 Considerações iniciais .........................................................................................48
3.2 Materiais ..............................................................................................................48
3.3 Área de estudo ....................................................................................................52
3.4 Métodos ...............................................................................................................54
3.4.1 Preparação das amostras ................................................................................54
3.4.2 Ensaios de caracterização física ......................................................................56
3.4.2.1 Ensaio de limite de liquidez ...........................................................................56
3.4.2.2 Ensaio de limite de plasticidade ....................................................................59
3.4.3 Análise granulométrica .....................................................................................59
3.4.3.1 Ensaio de peneiramento ................................................................................60
3.4.4 Ensaio de caracterização mecânica .................................................................60
3.4.4.1 Ensaio de compactação ................................................................................60
3.4.5 Ensaios de permeabilidade ..............................................................................64
4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS............................................70
4.1 Dados relativos à amostra 01...............................................................................70
4.1.1 Caracterização física ........................................................................................70
4.1.2 Caracterização mecânica .................................................................................71
4.1.3 Coeficiente de permeabilidade .........................................................................71
4.2 Dados relativos à amostra 02...............................................................................72
4.2.1 Caracterização física ........................................................................................72
4.2.2 Caracterização mecânica .................................................................................73
4.2.3 Coeficiente de permeabilidade .........................................................................73
5 CONCLUSÃO ........................................................................................................74
REFERÊNCIAS .........................................................................................................75
APÊNDICE ................................................................................................................77
14
1 INTRODUÇÃO
1.1 Tema
Estudo da permeabilidade de solos argilosos disponíveis para recuperação de
áreas degradadas pela mineração de carvão no sul de Santa Catarina.
1.2 Delimitação do tema
Determinação da permeabilidade de solos argilosos disponíveis para
recuperação de áreas degradadas pela mineração de carvão no sul de Santa
Catarina utilizando para mensuração permeâmetro de laboratório.
1.3 Problema de pesquisa
A região Sul Catarinense possui uma vasta área degradada pela exploração
do carvão, seja pela deposição de rejeitos oriundos do beneficiamento ou pela
explotação a céu aberto.
A atividade de mineração resulta na produção de grandes quantidades de
material estéril ou rejeitos sólidos de beneficiamento ricos em sulfetos. Pelas
próprias características das camadas de carvão (Barro Branco, Irapuá e Bonito), a
extração deste bem mineral no Estado de Santa Catarina torna-se uma atividade
potencialmente poluidora.
De acordo com o Segundo Relatório de Monitoramento dos Indicadores
Ambientais (2008), existem hoje 2.900,69 ha minerados a céu aberto, 3.134,95 ha
com depósitos de rejeitos, e 115,95 ha de depósitos de rejeito em cavas de céu
aberto, totalizando 6191,59 ha de áreas degradadas.
Sem a devida proteção, essas áreas impactadas podem sofrer severa
infiltração das águas meteóricas e superficiais, gerando drenagem ácida a partir da
reação dessas águas com os sulfetos presentes. Estas águas ácidas provocarão a
lixiviação de diversos elementos químicos, tendo como conseqüência direta a
poluição hídrica.
15
Para minimizar a geração de acidez nas pilhas de resíduos de mineração, as
alternativas normalmente utilizadas têm sido as chamadas coberturas secas, que
consistem no recobrimento da área do depósito com camadas de solo. O objetivo
desta técnica é minimizar o acesso do oxigênio e de água para o interior do material
reativo, minimizando assim o processo gerador de gases sulfurosos e drenagem
ácida.
O bom desempenho desta técnica depende substancialmente dos materiais
utilizados, dos aspectos construtivos e das condições climáticas.
Desta forma pretende-se responder às seguintes questões:
1) Há
na
região
material
argiloso
com
capacidade
de
minimizar
consideravelmente o contato da água com os materiais reativos?
2) Qual a condutividade/permeabilidade dos materiais disponíveis para a
cobertura?
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo Geral
Conhecer a permeabilidade dos materiais argilosos disponíveis para a
recuperação no campo Morozini.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
ƒ Identificar algumas jazidas de materiais argilosos que as empresas carboníferas
possuem para utilização da recuperação das áreas degradadas.
ƒ Coletar amostras dos materiais;
ƒ Realizar ensaios físicos (limite de liquidez, limite de plasticidade e granulometria)
nas amostras coletadas e ensaios mecânicos (compactação);
ƒ Mensurar a permeabilidade do material coletado;
ƒ Comparar o valor da permeabilidade encontrada com o exigido pelos órgãos
ambientais.
16
1.5 Justificativa
As empresas do setor carbonífero de Santa Catarina foram condenadas por
uma Ação Civil Pública - Processo nº 938000533-4 (autos suplementares
2000.72.04.002543-9) a recuperar todas as áreas degradadas pela atividade de
mineração e beneficiamento de carvão. Junto com essa sentença surgiram várias
dúvidas de como recuperar essas áreas degradadas, de forma a atingir os objetivos
propostos. Não há um consenso entre os técnicos das empresas e principalmente
não existe consenso entre os técnicos dos órgãos fiscalizadores.
Por este motivo várias áreas antes consideradas recuperadas necessitam de
retrabalho, pois este entendimento não é o mesmo para os órgãos fiscalizadores.
Entretanto, muitas vezes, o próprio órgão fiscalizador diverge quanto aos padrões
para considerar uma área recuperada.
Para dirimir dúvidas sobre os padrões de recuperação ambiental, o GTA –
Grupo de Assessoramento à Sentença, elaborou e o juiz responsável homologou, os
“Critérios para recuperação de áreas degradadas”. Este documento foi um grande
passo para padronizar a recuperação das áreas degradadas, porém ainda existem
algumas lacunas que não foram preenchidas por falta de estudos mais acurados. A
questão da permeabilidade da cobertura de argila é uma dessas lacunas.
17
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Com o intuito de atingir os objetivos listados no capítulo anterior, serão
descritas, neste capítulo as fundamentações teóricas necessárias para uma melhor
compreensão do estudo.
2.1 Permeabilidade
A permeabilidade é a propriedade que o solo apresenta de permitir o
escoamento da água através dele, sendo o grau de permeabilidade expresso
numericamente pelo coeficiente de permeabilidade (CAPUTO,1996).
Chama-se permeabilidade a maior ou menor facilidade com que a percolação
d’água ocorre através de um solo.
Os solos são permeáveis em função da existência de vazios interconectados
pelos quais a água pode fluir de pontos de alta energia para pontos de baixa energia
(DAS, 2007, p.123).
A água livre escoa entre os grãos, se esta estiver sujeita a um potencial
hidráulico haverá o fenômeno do escoamento da água através do solo (VARGAS,
1977, p.109).
O conhecimento do valor da permeabilidade é muito importante em algumas
obras de engenharia, essencialmente, na estimativa da vazão que percolará pelo
meio do maciço e da fundação em barragens de terra, em obras de drenagem,
rebaixamento do nível d’água, adensamento, etc.
Conseqüentemente, os mais sérios problemas de construção estão conexos
com a presença da água. A informação da permeabilidade e de sua variação é
fundamental para a solução desses problemas.
A determinação do coeficiente de permeabilidade é realizada tendo em vista a
lei experimental de Darcy.
2.1.2 Lei de Darcy
Á água pode percolar livremente, através de uma massa de um solo
permeável sob a ação da gravidade.
18
Experimentalmente, Darcy, em 1850, verificou como os diversos fatores
geométricos, influenciavam a vazão da água, expressando a equação que ficou
conhecida pelo seu nome (PINTO, 2002).
Sendo: Q = vazão;
A = área do permeâmetro;
k = uma constante para cada solo, que recebe o nome de coeficiente de
permeabilidade.
A relação h (a carga que se dissipa na percolação) por L (distância ao longo
da qual a carga se dissipa) é chamada de gradiente hidráulico, expresso pela letra i,
que representa a dissipação de energia, por unidade de peso de fluxo, numa
distância ∆s. Assim a Lei de Darcy assume o formato:
A vazão dividida pela área indica a velocidade com que a água sai da areia.
Esta velocidade, v, é chamada de velocidade de percolação. Na prática é mais
conveniente trabalhar com a área total A da seção transversal da amostra do solo do
que com a área média de seus vazios. Daí, então, o coeficiente de permeabilidade k,
definido como sendo a velocidade média aparente v de escoamento da água através
da área total (sólidos + vazios) da seção transversal do solo, sob um gradiente
hidráulico (i =1). Assim:
Da última expressão, se depreende que o coeficiente de permeabilidade
indica a velocidade de percolação da água quando o gradiente é igual a um. Ele
costumeiramente é referido em m/s e, como para os solos seu valor é muito baixo, é
expresso pelo produto de um número inferior a 10 por uma potência de 10.
A lei de Darcy é válida para um escoamento laminar, tal como é possível e
deve ser considerado o escoamento na maioria dos solos naturais.
19
Para que ocorra movimento de água entre dois pontos (A e B) de um meio
poroso, é necessário que haja, entre eles, uma diferença de carga total (MASSAD,
2003).
Um escoamento se define laminar quando as trajetórias das partículas d’água
não se cortam; em caso contrário, denomina-se turbulento (CAPUTO, 2006).
A velocidade de percolação d’água dentro de um regime de escoamento
laminar é diretamente proporcional ao gradiente hidráulico.
A Engenharia não se interessa, por como se processa o escoamento
através dos poros, mas sim pelo fluxo resultante do escoamento através de
um elemento de solo, cujo volume seja suficientemente grande para
representar a totalidade do solo. Assim, vale a lei de Darcy, cujo campo de
validade estará de um lado, nos pedregulhos cujos grãos, sendo de grande
diâmetro, exigem velocidades de pequena percolação para não haver
turbulência. De outro lado, nas argilas, pelo aparecimento de pressões
capilares, devido ao fato dos pequeníssimos diâmetros dos canalículos,
resultará a imobilização da água intersticial. Deve-se ter, entretanto, sempre
presente, que a velocidade v, da fórmula de Darcy, é uma velocidade virtual
como se a vazão total Q atravessasse a totalidade da seção transversal A
do canal de fluxo (VARGAS, 1977, p.115, 116).
2.1.3 Determinação do coeficiente de permeabilidade (K)
O coeficiente de permeabilidade dos solos poderá ser determinado em
laboratório, campo, além de ser estimado através da equação empírica.
A permeabilidade da carga constante é calculada através:
Sendo: K = coeficiente de permeabilidade da amostra (cm/s);
Q = vazão (cm³/s);
L = altura da amostra (cm);
A = área da amostra onde flui a água (cm²);
h = carga hidráulica (cm);
t = tempo de escoamento da água (s);
A permeabilidade da carga variável é calculada através:
20
Sendo: L = altura da amostra (cm);
A = área da amostra onde flui a água (cm²);
a = área do tubo de carga (cm²);
h1 = carga hidráulica inicial (cm);
h2= carga hidráulica final (cm);
t = tempo de escoamento da água (s);
O coeficiente de permeabilidade em solos pedregulhos e arenosos pode ser
estimado pela fórmula de HAZEN, utilizando a análise granulométrica.
Onde:
def = diâmetro efetivo do solo
Para a determinação do coeficiente de permeabilidade dos solos, são
empregados os seguintes procedimentos: permeâmetros de carga constante,
permeâmetro de carga variável, ensaios de campo e métodos indiretos (PINTO,
2002).
Os métodos de laboratório baseiam-se no uso dos permeâmetros. Os
permeâmetros de carga constante são mais adequados para amostras com
condutividade hidráulica acima de 0,01 cm/min, enquanto os de carga variável são
para amostras com condutividade abaixo deste limite.
Chamam-se permeâmetros os vários aparelhos
de laboratório para
determinação do coeficiente de permeabilidade dos solos (VARGAS, 1977).
Os permeâmetros podem ser montados com amostras de solo destorroadas
e passadas em peneiras de 2,0 mm e com amostras com estrutura. Os
valores de condutividade hidráulica determinados em amostras
destorroadas são úteis somente para estudos de drenagem envolvendo
modelos físicos de laboratório. Já os valores de condutividade hidráulica
determinados em amostras com estrutura são de grande valia no estudo
das camadas do perfil do solo e na caracterização de subáreas dentro de
uma grande área a ser drenada. A validade dos dados está sujeita a um
meticuloso esquema de amostragem, no campo, e ao rigor no
processamento das amostras no laboratório (FERREIRA, 1989, p.26).
21
2.1.3.1 Permeâmetro de carga constante
Os permeâmetros de carga constante são aparelhos no qual as amostras são
submetidas a uma carga hidráulica constante (Figura 1).
Figura 1: Esquema de um permeâmetro de carga constante
Fonte: FERREIRA, 1989, p.27
O permeâmetro de carga constante é empregado geralmente para solos
granulares (arenosos) e o coeficiente k é determinado medindo-se a quantidade de
água, mantida a nível constante, que atravessam em um determinado tempo t uma
amostra de solo de seção A e altura L conhecidas.
A quantidade de água que atravessa a amostra é recolhida em um recipiente
graduado, onde é medida: seja Q essa quantidade (CAPUTO, 1996).
Conhecidas a vazão e as características geométricas, o coeficiente de
permeabilidade é calculado diretamente pela lei de Darcy:
2.1.3.2 Permeâmetro de carga variável
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação pelo
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se então o
permeâmetro de carga variável (PINTO, 2002).
Um arranjo típico para o ensaio de permeabilidade com carga variável é
mostrado na figura 2.
22
Figura 2: Ensaio de permeabilidade com carga
variável
Fonte: DAS, 2007, p.129
. A água de um piezômetro flui através do solo. A diferença de carga inicial h1
no tempo t = 0 é registrada e deixa-se a água fluir através da amostra de solo de
modo que a diferença de carga final no tempo t = t2 é h2.
Através da amostra a vazão da água em qualquer instante t pode ser dada
por:
Em que: q = vazão;
a = área da seção transversal do piezômetro;
A = área da seção transversal da amostra de solo.
Rearranjando a equação acima temos:
A integração do lado esquerdo da equação acima entre os limites de tempo 0
a t e do lado direito entre os limites da diferença de carga h1 e h2 resulta em:
23
Ou
Os permeâmetros de carga variável são usados principalmente para a
determinação do coeficiente de permeabilidade de amostras de solo argiloso, as
quais, sendo praticamente impermeáveis, são atravessadas por quantidades de
água muito pequenas, durante o ensaio.
Segundo VARGAS (1977), ambos os ensaios (permeâmetros de carga
constante ou variável), podem ser realizadas com amostras moldadas no laboratório
(amolgadas ou compactadas) nas condições em que se deseja, ou com amostras
indeformadas-cortadas cuidadosamente do terreno natural, de forma a conservar
não só seu índice de vazios e umidade natural, como também sua estrutura. Essa
última tendo uma influência decisiva na permeabilidade dos solos argilosos.
No caso das areias sua estrutura granular é simples e depende somente da
densidade dos grãos, o caminho mais adequado para se determinar a
permeabilidade é de se ensaiar amostras moldadas em laboratório, sob diversos
índices de vazios (Figura 3).
Figura 3: Coeficiente de permeabilidade de areia em função do
índice de vazios
Fonte: VARGAS, 1977, p.122.
24
Nos solos argilosos têm-se os seguintes casos:
- Determinação do coeficiente de permeabilidade de pastas amolgadas do
solo, numa certa umidade. Como, por exemplo, na umidade correspondente ao limite
de liquidez.
- Com certa umidade a certa densidade, como, por exemplo, na umidade
ótima e densidade máxima do ensaio normal de compactação.
- Nas condições de umidade, densidade e estrutura em que se encontra o
solo na natureza. Então o ensaio será feito sobre amostra indeformada.
2.1.4 Fatores que influenciam a permeabilidade do solo
A permeabilidade do solo depende de uma serie de fatores, dentre os quais
se destacam:
• O índice de vazios (e): o coeficiente de permeabilidade é diretamente
proporcional ao índice de vazios (e) da amostra, ou seja, quanto maior for o
“e” maior será o valor de k (coeficiente de permeabilidade). Quanto mais
compacto estiver o solo, menor sua permeabilidade, pois os tamanhos e
forma dos canalículos serão menores.
• A temperatura da água: viscosidade da água depende da temperatura,
quanto maior o valor da temperatura da água menor a sua viscosidade e mais
facilmente água flui, aumentando o coeficiente de permeabilidade. Este fator
tem importância para os ensaios de laboratório. De acordo com a norma NBR
14545 deve-se corrigir a temperatura para o valor de 20oC, por intermédio da
seguinte expressão:
K20 = RT .K
Onde:
K20 é o coeficiente de permeabilidade referido à temperatura de 20º C, em
centímetro por segundo;
RT é a relação entre a viscosidade da água na temperatura de ensaio e a
viscosidade da água a 20º C, obtida na tabela 1.
25
Tabela 1 – Relação entre a viscosidade da água na temperatura de ensaio e a
viscosidade da água a 20°C (RT)
Temperatura
°C
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
0,0
1,374
1,336
1,298
1,262
1,227
1,195
1,165
1,135
1,106
1,078
1,051
1,025
1,000
0,975
0,952
0,930
0,908
0,887
0,867
0,847
0,828
0,811
0,793
0,776
0,1
1,370
1,332
1,294
1,259
1,224
1,192
1,162
1,132
1,103
1,075
1,048
1,0123
0,998
0,973
0,950
0,928
0,906
0,885
0,865
0,845
0,826
0,809
0,791
0,775
0,2
1,366
1,328
1,292
1,256
1,221
1,189
1,159
1,129
1,100
1,073
1,046
1,02
0,995
0,971
0,948
0,926
0,904
0,883
0,863
0,843
0,825
0,807
0,789
0,773
0,3
1,362
1,325
1,288
1,252
1,218
1,186
1,156
1,126
1,098
1,07
1,043
1,018
0,993
0,968
0,945
0,923
0,902
0,881
0,861
0,841
0,823
0,806
0,788
0,772
RT
0,4
1,358
1,321
1,284
1,249
1,215
1,183
1,153
1,123
1,095
1,067
1,041
1,015
0,991
0,966
0,943
0,921
0,900
0,879
0,859
0,839
0,821
0,804
0,786
0,770
0,5
1,354
1,318
1,281
1,245
1,211
1,18
1,15
1,121
1,092
1,064
1,038
1,013
0,989
0,964
0,941
0,919
0,898
0,877
0,857
0,838
0,820
0,802
0,784
0,768
0,6
1,352
1,314
1,277
1,241
1,208
1,177
1,147
1,118
1,089
1,062
1,035
1,010
0,986
0,961
0,939
0,917
0,895
0,875
0,855
0,836
0,818
0,800
0,782
0,767
0,7
1,348
1,310
1,273
1,238
1,205
1,174
1,144
1,115
1,086
1,059
1,033
1,008
0,984
0,959
0,937
0,915
0,893
0,873
0,853
0,834
0,816
0,798
0,78
0,765
0,8
1,344
1,306
1,269
1,234
1,202
1,17
1,141
1,112
1,084
1,056
1,030
1,005
0,982
0,957
0,934
0,912
0,891
0,871
0,851
0,832
0,814
0,797
0,779
0,763
0,9
1,34
1,302
1,266
1,231
1,198
1,167
1,138
1,109
1,081
1,054
1,028
1,003
0,979
0,954
0,932
0,910
0,889
0,869
0,849
0,83
0,813
0,795
0,777
0,762
Fonte: NBR 14545, 1984.
• Densidade e viscosidade da água: quanto mais pesada e viscosa for à água
maior será a dificuldade com que atravessará os poros do solo.
• Tipo de solo: Solos granulares, como pedregulhos e areias, apresentam
maior k. Solos finos, siltes e argilas apresentam menor K, como mostra a tabela 2.
Tabela 2 – Valores de coeficiente de permeabilidade
Fração de solo
K (m/s)
argilas
< 10 -9
siltes
10-6 a 10-9
areias argilosas
10-7
areias finas
10-5
areias médias
10-4
areias grossas
10-3
Fonte: CAPUTO,1996.
26
2.1.5 Variação direcional da permeabilidade
Em relação à permeabilidade na maioria dos solos não é isotrópica. A
magnitude de k muda de acordo com a direção de fluxo, em determinados depósitos
de solo.
A figura 4 mostra uma camada de solo através da qual a água flui em uma
direção inclinada de um ângulo α com a vertical. Sejam a condutividade nas direções
vertical (α = 0) e horizontal (α = 90º) Kv e Kh, respectivamente. As magnitudes de Kv
e Kh dependem em determinado solo de vários fatores, inclusive do método de
deposição no campo.
Figura 4: Variação direcional da permeabilidade
Fonte: DAS, 2007, p.141
De acordo com a figura 5, DAS (2007), chegou à conclusão que para
condições de compactação estática, o valor de rk diminui com o aumento do índice
de vazios, e para areia, a razão de anisotropia é igual a 1 e е= e máx.
27
Figura 5: Variação da relação anisotrópica em
função do índice de vazios.
Fonte: DAS, 2007, p.141.
2.2 Ensaios de Caracterização Física do Solo
2.2.1 Análise Granulométrica
A análise granulométrica é a determinação da faixa de tamanho das
partículas presentes em um solo (Figura 6), expressa como uma porcentagem do
peso total seco (DAS, 2007, p.22).
Figura 6: Exemplo de curva de distribuição granulométrica do solo
Fonte: PINTO,2002, p.9
28
De acordo com Pinto 2002, nos solos geralmente existem partículas de
diversos tamanhos. Nem sempre é fácil identificar as partículas porque grãos de
areia, por exemplo, podem estar envoltos por uma grande quantidade de partículas
argilosas, finíssimas, apresentando o mesmo aspecto de uma aglomeração formada
exclusivamente por estas partículas argilosas. Quando secas, as duas formações
são dificilmente diferenciáveis. Quando úmidas, a aglomeração de partículas
argilosas se transforma em uma pasta fina, enquanto que a partícula arenosa
revestida é facilmente conhecida pelo tato. Numa tentativa de identificação tátilvisual dos grãos de um solo, é fundamental que este se encontre com grande teor
de umidade.
Para o reconhecimento do tamanho dos grãos de um solo, realiza-se a
análise granulométrica, que consiste de duas fases: peneiramento e sedimentação.
A distribuição granulométrica dos materiais granulares, areias e pedregulhos,
serão obtidos através do processo de peneiramento de uma amostra seca em
estufa, enquanto que, para siltes e argilas se utiliza a sedimentação dos sólidos no
meio líquido. Para solos que têm partículas tanto na fração grossa (areia e
pedregulho) quanto na fração fina (silte e argila) torna-se necessária a análise
granulométrica conjunta.
O ensaio de peneiramento é realizado para tamanhos de partículas maiores
que 0,075 mm de diâmetro e o ensaio de sedimentação para tamanhos de partículas
menores que 0,075 mm de diâmetro.
2.2.1.1 Ensaio de Peneiramento
O ensaio de peneiramento consiste em agitar uma amostra de solo por um
conjunto de peneiras que tenham aberturas progressivamente menores.
A separação dos sólidos, de um solo, em diversas frações é o objetivo do
peneiramento. Este processo é adotado para partículas (sólidos) com diâmetros
maiores que 0,075 mm (#200). Para tal, utiliza-se uma série de peneiras de abertura
de malhas conhecidas (Figura 7), determinando-se a percentagem em peso retida
ou passante em cada peneira. Este processo divide-se em peneiramento grosso,
partículas maiores que 2 mm (#10) e peneiramento fino, partículas menores que 2
mm.
29
Figura 7: Peneiras utilizadas para ensaio de peneiramento
Fonte: http://www.geopav.ufs.br/SISTEMA/ARQUIVOS2/122161222641.jpg
Para se realizar um ensaio de peneiramento, deve-se primeiro secar o solo
em uma estufa e depois romper os torrões em pequenas partículas. O solo é então
agitado por uma pilha de peneiras com aberturas de tamanhos decrescentes de
cima para baixo. Após o solo ser agitado, a massa de solo retida em cada peneira é
determinada. Quando solos coesivos são analisados, a ruptura dos torrões em
partículas individuais pode ser difícil. Nesse caso, o solo pode ser misturado com
água para formar uma pasta semifluida e depois lavado através de peneiras. As
porções retidas em cada peneira são coletadas separadamente e secadas na estufa
antes que a massa retida em cada peneira seja medida.
2.2.1.2 Ensaio de Sedimentação
O ensaio de sedimentação tem como base o princípio da sedimentação dos
grãos do solo em água. Quando uma amostra do solo é dispersa em água, as
partículas decantam com velocidades diferentes, dependendo da sua forma,
tamanho, peso e da viscosidade da água. Para simplificar, assume-se que todas as
partículas do solo são esferas e que sua velocidade pode ser expressa pela lei de
Stookes:Stokes:
V = ρs – ρw D2
18η
Em que: V= velocidade
ρs = massa específica das partículas do solo
ρw= massa específica da água
30
η = viscosidade da água
D = diâmetro
O densímetro colocado na suspensão de solo em um tempo t, determinado a
partir do início do ensaio de sedimentação, mede o peso específico nas
proximidades do seu bulbo a uma profundidade L (Figura 8).
Figura 8 : Esquema representativo de sedimentação
Fonte: Pinto, 2002, p.10
Esse ensaio é aplicado para partículas inferiores a 0,075mm.
2.3 Índices de Consistência (Limites de Atterberg)
Os limites de consistência, conhecidos também como limites de Atterberg são os
valores limites de umidade para qual o solo passa do estado semi-sólido para o
estado plástico e do estado plástico para o estado líquido. Dependendo do teor de
umidade, o comportamento do solo pode ser dividido em quatro estados: sólido,
semi-sólido, plástico e líquido.
De acordo com Pinto (2002), quando muito úmido, ele se comporta como um
líquido, quando perde parte de sua água, fica plástico; e quando mais seco, torna-se
quebradiço.
Os teores de umidade correspondentes às mudanças de estado são definidos
como: Limite de Liquidez (LL) e Limite de Plasticidade (LP) dos solos. A diferença
entre estes dois limites, que indica a faixa de valores em que o solo se apresenta
plástico, é definida como índice de Plasticidade (IP) do solo. A figura 9 apresenta os
limites de Atterberg.
31
Figura 9: Limites de Atterberg
Fonte: PINTO,2002, p.13
A tabela a seguir exemplifica os valores de limite de liquidez e índice de
plasticidade de alguns solos brasileiros.
Tabela 3 – Índices de Atterberg de alguns solos brasileiros
Solos
LL%
IP%
Residuais de arenito (arenosos finos)
Residual de gnaisse
Residual de basalto
Residual de granito
Argilas orgânicas de várzeas quaternárias
Argilas orgânicas de baixadas litorâneas
Argila porosa vermelha de São Paulo
Argilas variegadas de São Paulo
Areias argilosas variegadas de São Paulo
Argilas duras, cinzas, de São Paulo
Fonte: PINTO, 2005, p. 14
29-44
45-55
45-70
45-55
70
120
65 a 85
40 a 80
20 a 40
64
11_20
20-25
20-30
14-18
30
80
25 a 40
15 a 45
5 a 15
42
2.3.1 Limite de Liquidez (LL)
O Limite de Liquidez é definido como o teor de umidade do solo com o qual uma
ranhura realizada na amostra requer 25 golpes para se fechar, sendo que a amostra
é moldada em uma concha (PINTO, 2002).
Para fazer o ensaio de limite de liquidez, deve-se colocar uma pasta de solo na
concha, conhecida como Aparelho Casagrande (Figura 10). Um sulco é aberto no
centro da amostra do solo com a ferramenta padrão. Com o uso de um excêntrico
operado por manivela, a concha é levantada e cai de uma altura de 10 mm.
32
Figura 10: Aparelho Casagrande
Fonte: Autor, 2009.
O teor de umidade necessário para fechar uma distância de 12,7 mm ao longo
da parte inferior do sulco após 25 golpes é definido como limite de liquidez (DAS,
2007).
É difícil ajustar o teor de umidade no solo para atender ao fechamento
necessário de 12,7 mm do sulco na amostra de solo em 25 golpes. Sendo assim,
são realizados no mínimo três ensaios para o mesmo solo com teores de umidade
diferentes e o número de golpes, N, necessário para obter o fechamento entre 15 e
35. O teor de umidade no solo e o respectivo número de golpes são traçados em
papel gráfico semilogarítmico. A relação entre o conteúdo de umidade e log N é
aproximada por uma linha reta chamada de curva de fluidez. O teor de umidade
correspondente a N = 25, determinado a partir da curva de fluidez, fornece o limite
de liquidez do solo.
Os solos são tanto mais compressíveis (sujeitos a recalques) quanto maior o
seu LL.
A Figura 11 mostra uma amostra de solo antes e depois do ensaio de limite de
liquidez. (LL).
33
Figura 11: Amostra do solo antes e depois do ensaio
Fonte: DAS, 2007, p.53
2.3.2 Limite de Plasticidade (LP)
O Limite de Plasticidade é definido como o menor teor de umidade com o qual se
consegue moldar um cilindro com 3 mm de diâmetro, rolando-se o solo com a palma
da mão (PINTO,2002).
O procedimento é padronizado no Brasil pelo Método NBR 7180.
A Figura 12 mostra a execução do ensaio de plasticidade.
Figura 12: Ensaio limite de plasticidade
Fonte: http://www.geotecnia.ufjf.br/MECSOL/
T11_lim ite_de_plasticidade.htm
O limite de plasticidade é o limite mais baixo do intervalo plástico do solo. O
ensaio de limite de plasticidade é simples e realizado manualmente por rolamentos
de uma massa de solo de forma elipsoidal sobre uma placa de vidro despolido.
O limite de plasticidade é expresso pela umidade a qual o solo começa a
fraturar-se.
A diferença numérica entre o limite de liquidez e o limite de plasticidade fornece
o índice de plasticidade (IP = LL-LP), utilizado como um dos parâmetros para a
34
classificação dos solos. Quanto maior o valor do IP, mais plástico o solo se
apresenta.
2.3.3 Atividade das argilas
Os solos dificilmente se constituem de argilas puras, porém, basta uma pequena
parcela deste material ativo para influenciar o comportamento do solo.
A atividade das argilas é definida como:
Sendo: Ac = Atividade das argilas;
IP = Índice de plasticidade;
Fa = fração de argila.
A fração argila é considerada igual à percentagem de material com
granulometria inferior a 2 µm. Esse parâmetro serve como indicador do potencial de
variação de volume de argila. Essa fração argila é responsável também pela perda
de volume com a diminuição da umidade (contrabilidade) e aumento de volume com
o aumento da umidade (expansibilidade) nos solos.
2.4 Compactação de solos
Entende-se por compactação de um solo qualquer redução, mais ou menos
rápida, do índice de vazios, por processos mecânicos. Essa redução ocorre em face
da expulsão ou compressão do ar dos vazios dos poros (MASSAD, 2003).
Esse processo resulta em um aumento da massa específica do solo e um
aumento da resistência desses materiais devido à maior concentração de partículas
sólidas por unidade de volume. Obtém-se ainda uma melhoria nas propriedades de
impermeabilidade, implicando numa redução da variação dos teores de umidade.
Segundo Massad (2003), a compactação objetiva imprimir ao solo uma
homogeneização e melhorias de suas propriedades de engenharia, tais como:
aumentar a resistência ao cisalhamento, reduzir os recalques e aumentar a
resistência à erosão.
Para a remoção do ar do solo se requer a aplicação de energia mecânica. O
35
grau de compactação do solo é medido com base em seu peso específico seco. Ao
ser adicionada ao solo durante a compactação, a água atua como um agente
amolecedor nas partículas do solo, que deslizam umas sobre as outras e se
posicionam em uma formação compacta de alta densidade. O peso específico seco
após a compactação aumenta com o teor de umidade.
Quando o teor de umidade é aumentado de forma gradual, e o mesmo esforço
de compactação é aplicado, o peso dos sólidos do solo em um volume unitário
aumenta gradualmente (DAS, 2007).
Acima de determinado teor de umidade, qualquer aumento desse teor tende a
reduzir o peso específico seco. Esse fenômeno ocorre quando a água ocupa o
volume que seria ocupado pelas partículas sólidas. O teor de umidade
correspondente ao peso específico seco máximo é, em geral, conhecido como o teor
de umidade ótimo.
O ensaio de laboratório geralmente empregado para determinar o peso
específico seco máximo de compactação e o teor de umidade ótimo é chamado de
ensaio de compactação Proctor.
2.4.1 Ensaio Proctor Normal
Em fins da década de 1930, Porter desenvolveu um método para a determinação
do ponto ótimo de compactação dos solos – o ponto máximo de compactação
(Massad, 2003).
A quantidade de água, considerada através da umidade, é parâmetro decisivo
na compactação, ao lado da energia de compactação. Para medir a intensidade da
compactação, utilizou-se o peso específico seco (γs).
O método desenvolvido por Porter era empírico e consistia em compactar uma
porção de solo em laboratório, com certa energia de compactação, variando a
umidade. A curva peso específico seco (γs), em função da umidade (h), permitia
definir um ponto ótimo de compactação. Tinha-se assim, um peso específico seco
máximo (γs máx), e uma umidade ótima (hot).
A figura 13 demonstra valores obtidos na compactação de diversos solos.Deve
ser salientado que os solos lateríticos apresentam o ramo ascendente da curva
nitidamente mais íngreme do que os solos residuais e os solos transportados não
laterizados.
36
Figura 13: Curvas de compactação de diversos solos brasileiros
Fonte: PINTO, 2002, p.68
O Ensaio de Proctor foi padronizado no Brasil pela ABNT (NBR-7182). Neste
ensaio o solo é compactado em um molde com um volume de 944 cm³. O diâmetro
do molde é de 101,6 mm. Durante o ensaio de laboratório, o molde é preso a uma
chapa de apoio na parte inferior e a uma extensão ou colar no topo. O solo é
misturado com várias quantidades de água e, depois, compactado em três camadas
iguais por um soquete, que golpeia 25 vezes cada camada. A massa do soquete é
de 2,5 kg, e a altura da queda é de 30,5 cm.
Em cada ensaio, o peso específico natural de compactação, γ, pode ser
calculado pela equação:
Onde: γ = peso específico;
W = peso do solo compactado no molde
Vm = volume do molde
Em cada ensaio, o teor de umidade do solo compactado é determinado em
laboratório. Com o teor de umidade conhecido, é possível calcular o peso especifico
seco.
37
Denomina-se energia de compactação ou esforço de compactação o trabalho
executado referido à unidade de volume após a compactação. A energia de
compactação é definida pela seguinte expressão:
Ec =
Onde:
n = número de golpes;
P = peso do soquete;
H = altura de queda;
V = volume de solo compactado;
N = número de camadas.
As energias de compactação usualmente utilizadas no Brasil seguem as
especificações da ABNT através da NBR 7182/84, que estabelece as energias de
compactação normal, intermediária e modificada para se determinar à correlação
entre o teor de umidade e a massa específica aparente do solo seco (Tabela 4).
Tabela 4: Especificações para a energia de Proctor
Fonte: NBR 7182 (ABNT,1984).
2.4.2 Efeito da compactação sobre as propriedades dos solos coesivos
Segundo DAS (2007), a compactação induz variações na estrutura dos solos
coesivos. Entre os resultados de tais variações de estruturas estão às alterações de
38
condutividade hidráulica, compressibilidade e resistência. A condutividade hidráulica
decresce com o aumento do teor de umidade. Um valor mínimo é alcançado para
um valor próximo ao teor de umidade ótimo. Acima do teor de umidade ótimo, a
condutividade hidráulica apresenta um ligeiro aumento.
O alto valor da condutividade hidráulica no lado seco da região de teores de
umidade ótimos é resultado da orientação aleatória das partículas de argila, a qual
cria poros maiores (DAS, 2007).
2.4.3 Fatores que influenciam na compactação
O teor de umidade influencia significativamente o grau de compactação
alcançado por determinado tipo de solo. Outros fatores além do teor de umidade,
afetam a compactação do solo, assim como o tipo de solo e o esforço de
compactação.
O tipo de solo influencia fortemente o peso específico seco máximo e o teor de
umidade ótimo. A influência de cada tipo de solo no resultado final da compactação,
está na distribuição granulométrica, peso específico dos solos e a quantidade,
formato dos grãos e o tipo de minerais de argila.
Em solos de características distintas quando compactados com a mesma
energia de compactação resultam em curvas de compactação diferentes (Figura 14).
Quando ocorre uma variação na energia de compactação origina-se uma
alteração na forma da curva de umidade versus peso específico de forma que à
medida que o esforço aumenta, o peso específico máximo também aumenta, assim
como à medida que esse esforço diminui a umidade ótima também sofre uma
redução.
Areias possuem maior densidade máxima e menor umidade ótima que as
argilas, e estas apresentam uma curva de compactação com um máximo bem mais
definido. Já os siltes se comportam de forma intermediária (MELLO E TEIXEIRA,
1971, apud SOUZA JUNIOR, 2005).
39
Figura 14: Curvas de compactação típicas de quatro
tipos de solo.
Fonte:DAS,2007, p.88
2.4.4 Compactação em campo
A compactação em campo é realizada com o emprego de equipamentos como
rolos compressores e/ou vibradores, ou até mesmo com o uso de equipamento
pesado de transporte.
De acordo com CAPUTO, empregam-se para solos argilosos rolos pé-decarneiro ou rolos pneumáticos e para solos arenosos o uso de rolos lisos.
Durante a compactação em campo devem ser controlados o equipamento, o
número de passadas, a espessura da camada, o teor de umidade, dentre outros
parâmetros. Após a realização do ensaio de compactação deve-se controlar então o
grau de compactação. O grau de compactação é definido por:
Gcomp = γs campo x 100
γs máx
Onde:
Gcomp = grau de compactação
γscampo = massa específica aparente seca obtida no campo após compactação
γs
máx
= massa específica aparente seca obtida em laboratório com o ensaio
tomado como referência.
40
A determinação do γscampo do solo compactado pode ser feita através dos
seguintes métodos de ensaio:
•
DNER-ME 092/94 – Solo - determinação da massa específica
aparente seca, in situ, com emprego do frasco de areia.
•
DNER-ME 088-94 – Solo – determinação da umidade através do
método expedito do álcool.
2.5 Propriedades da fração argilosa dos solos
De acordo com VARGAS (1977), a fração argilosa do solo é muitas vezes
denotada como a parte coloidal dos mesmos. É constituída por um ou mais argilominerais, sílica coloidal, cristais de quartzo com o tamanho dos grãos de argila,
microgrãos de óxidos de ferro hidratados ou não e matéria orgânica.
Os microgrãos possuem propriedades que refletem no comportamento do solo
que os contém. As propriedades são as seguintes:
Natureza mineralógica: a plasticidade e a coesão de uma amostra do solo
dependem, de forma geral das espécies mineralógicas presentes e de suas
propriedades coloidais. Análises mineralógicas realizadas em inúmeras amostras de
solo nos E.U.A, mostraram que lá ocorrem com mais freqüência 3 grupos de
espécies mineralógicas, sendo estas: caolinitas, as ilitas e as montmorilonitas. Na
mesma ordem que foram denominados os grupos, crescem as respectivas
plasticidade e coesão. De uma forma geral, as caolinitas são as que apresentam
menores plasticidades e coesão, e as montmorilonitas as maiores. Devido às
estruturas desses materiais estes apresentam notável e fácil clivagem basal.
Como essa clivagem é mais fácil nas montmorilonitas que nas caolinitas, os grãos dessas
últimas, em geral, são maiores que os da primeira, as quais podem ainda ser quebradas
em partículas menores quando o solo sofre pressões, manipulação ou compactação
(VARGAS, 1977. p. 27).
Troca catiônica: a troca de íons resulta geralmente em efeitos profundos sobre as
propriedades físicas das argilas e, consequentemente, sobre as suas propriedades
mecânicas – as quais interessam à engenharia.
41
Atividade: a medida da atividade da fração argilosa no solo é feita, pelo “índice de
atividade do solo” definido como a relação entre o seu índice de plasticidade e a
porcentagem de argilas.
Ia = __IP____
%Ф <2µ
Os solos de atividade normal teriam “Ia” entre 0,75 e 1,25. Um solo seria
considerado ativo com “Ia” acima de 1,25, e quanto mais alto seu índice maior a sua
atividade.
Este índice pode servir como indicação da maior ou menor influência das
propriedades mineralógicas e químico-coloidal da fração argila, nas propriedades
geotécnicas de um solo argiloso.
É, portanto, um índice cujo conhecimento é de grande importância na
identificação e caracterização dos solos para fins de engenharia.
Coesão:
De uma forma intuitiva, a coesão é aquela resistência que a fração argilosa
empresta ao solo, pela qual ele se torna capaz de se manter coeso, em
forma de torrões ou blocos, ou pode ser cortado em formas diversas e
manter essa forma. Os solos que têm essa propriedade chamam-se
coesivos. Os solos não-coesivos, que são as areias puras e pedregulhos,
esboroam-se facilmente ao serem cortados ou escavados. (VARGAS, 1977,
p.29)
Contração de resistência seca: em depósito de argila muito ativa, sujeito a
secamento, a evaporação constante da água intersticial trará como conseqüência
a retração dos meniscos capilares. As tensões capilares podem atingir valores
que ultrapassem a resistência à tração das argilas, surgindo assim às
rachaduras. Uma areia ou silte quando seco formam torrões facilmente
desagregáveis pelo esforço dos dedos. O mesmo não acontece com as argilas.
42
2.6 Classificação unificada dos solos
O sistema de classificação unificada foi elaborado pelo professor
Casagrande para obras de aeroportos, tendo seu emprego generalizado, sendo
utilizado principalmente para barragens de terra.
Neste sistema, todos os solos são identificados pelo conjunto de duas
letras, como mostra a tabela 5.
Tabela 5 – Terminologia do Sistema Unificado
G
S
M
C
O
pedregulho
areia
silte
argila
solo orgânico
W
P
H
L
bem graduado
mal graduado
alta compressibilidade
baixa compressibilidade
Pt
turfas
Fonte: PINTO, 2005, p.52.
As cinco letras superiores indicam o tipo principal do solo e as quatro
seguintes correspondem a dados complementares dos solos.
Para a classificação por este sistema, o primeiro aspecto a ser considerado
é a porcentagem de finos presentes no solo, considerando-se finos o material
que passa na peneira no 200 (0,075mm). Se esta porcentagem for inferior a 50,
o solo será considerado como solo de granulação grosseira, G ou S. Se for
superior a 50, o solo será considerado de granulação fina, M, C ou O.
Quando a fração fina do solo é predominante, ele será classificado como
silte (M), argila (C) ou solo orgânico, não em função da porcentagem das
frações granulométricas silte ou argila, pois o que determina o comportamento
argiloso do solo não é apenas o teor de argila, mas também a sua atividade.
São os índices de consistência que melhor indicam o comportamento argiloso.
43
2.7 Ensaio de infiltração
A infiltração é a entrada vertical da água no perfil do solo no sentido de cima
para baixo (CAUDURO, DORFMAN,1988).
Existem vários métodos de campo para a determinação da taxa de
infiltração da água no solo. Um dos mais usados é o método dos cilindros
concêntricos.
2.7.1 Método dos cilindros concêntricos
a) Material:
• Cilindro metálico de 3 mm de espessura, com diâmetro de 30 cm e altura de
30 cm, biselado numa das bordas.
• Cilindro metálico de 3 mm de espessura, com diâmetro mínimo de 50 cm e
altura de 30 cm, biselado numa das bordas.
• Placa metálica redonda de 1 cm de espessura e 54 cm de diâmetro, provida
de reforço de ferro no centro.
• Régua graduada, com flutuador, para indicar o nível de água no cilindro
interno (Figura 15).
• Cronômetro.
• Recipiente para levar água (pode ser um tambor de 200 litros).
• Marreta para cravar os cilindros.
• Lona plástica de 1 m2 .
• Folha de dados.
44
Figura 15: Método dos cilindros concêntricos
Fonte: CAUDURO, DORFMAN, 1988.
b) Procedimento
1. Colocar o cilindro maior (diâmetro de 50 cm) sobre a superfície do solo e
pressioná-lo para que penetre um pouco nele.
2. Colocar sobre o cilindro a chapa metálica redonda de 1 cm de espessura
e 54 cm de diâmetro.
3. Golpear a chapa com marreta, para que o cilindro penetre cerca de 10 cm
no solo – cuidar para que o cilindro penetre verticalmente no solo. Se isso
não ocorrer, a verticalidade não pode ser ocorrida, neste caso, retirar o
cilindro e instalá-lo em outro local.
45
4. Instalar o cilindro menor (diâmetro de 30 cm) por dentro do maior, de
forma
concêntrica,
seguindo
o
procedimento
igual
ao
descrito
anteriormente.
5. Instalados os cilindros, coletar amostras para determinar a umidade
gravimétrica.
6. Colocar a lona de plástico no interior do cilindro interno, ajustando-a bem
ao solo e a parede do cilindro.
7. Introduzir água no cilindro interno; como ele está recoberto internamente
com a lona plástica, não há infiltração de água no solo. A água deve ser
adicionada até que se forme uma lamina, no interior do cilindro de,
aproximadamente 7,5 cm de espessura.
8. Instalar a régua graduada, com flutuador, no cilindro interno.
9. Ler o posicionamento do nível de água na régua graduada provida de
flutuador, e registrar o valor na folha de dados (esta leitura corresponderá
ao tempo zero, isto é, ao instante inicial da contagem de tempo).
10. Introduzir água no espaço existente entre os cilindros externo e interno,
até que se forme uma lamina de aproximadamente 5 cm de espessura.
Deve-se manter o cilindro infiltrômetro (cilindro interno) rodeado de água,
para evitar que a água nele contida adquira, por ocasião de sua infiltração
(depois da retirada da lona plástica protetora), movimento horizontal no
solo, isto é, fuga lateral por baixo do cilindro, acarretando erro na
determinação da taxa de infiltração.
11. Retirar a lona plástica do cilindro interno e acionar o cronômetro
imediatamente ( início da marcação do tempo de infiltração, isto é, instante
inicial t0 = 0.
12. Com auxílio da régua graduada provida de flutuador, ler o posicionamento
do nível de água (h) aos 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 , 20, 30, 45 , 60 , 90 e 120
minutos a contar do instante zero, e após se for preciso, continuar com a
leitura com intervalos de uma hora, até que a velocidade de entrada de
água no solo seja quase constante.Registrar os valores na folha de dados.
13. Quando, na seqüência de leituras (nos tempos indicados), se constatar
que o nível de água no interior do cilindro interno baixou mais ou menos 5
cm, adicionar imediata e cuidadosamente, água naquele cilindro, até
recompor o nível inicial aproximadamente. Completa a adição de água,
46
medir em seguida, com o auxilio da régua graduada provida de flutuador, o
novo posicionamento do nível de água (h’) no cilindro interno e registrar na
folha de dados, na linha correspondente ao instante que a água for
acrescentada (mesmo instante de leitura da leitura anterior)
14. Com os dados obtidos em campo calcular e registrar os demais valores
da folha de dados, conforme discriminado a seguir:
14.1 Determinar a lâmina de água infiltrada (.h), em centímetros, dentro de
cada intervalo de tempo, pela diferença entre valores seqüenciais de h,
isto é, .h = hi – hi –1 . Obs.: Quando houver recomposição de nível de água
no cilindro interno, substituir, no subseqüente cálculo de .h, o valor de hi –
1
da expressão anterior pelo correspondente valor de h’i –1, onde h’i –1 é a
leitura do nível da água recomposto.
14.2 Determinar o intervalo de tempo (∆t), em minutos, entre leituras
consecutivas, pela diferença entre valores seqüenciais de t, isto é, t = ti –
ti –1.
14.3 Calcular a taxa de infiltração média, em centímetros por hora, em cada
intervalo de tempo, pela expressão
x 60.
14.4 Calcular a lâmina de água infiltrada, em centímetros por hora, até cada
instante considerado ( lâmina acumulada) , pela expressão Σ∆h.
15. Determinar a equação da lâmina de água infiltrada (lâmina acumulada)
pela expressão 1.
16. Determinar a taxa de infiltração instantânea pela expressão 2.
17. Determinar a equação da taxa de infiltração acumulada pela expressão 3.
c) Cálculos (Equação de Kostiakov)
• Equação da lâmina de água infiltrada (lâmina acumulada).
L = K t m (expressão 1)
Onde:
L = lâmina de água infiltrada, acumulada (cm), no tempo t;
K = lâmina de água infiltrada (cm), no primeiro minuto;
47
t = tempo em minutos;
m = expoente da equação (0<m<1).
• Equação da taxa de infiltração instantânea
Vi = C tn (expressão 2)
Onde:
Vi = taxa de infiltração instantânea (cm/h), num instante qualquer t;
C = taxa de infiltração instantânea (cm/h), ao final do primeiro minuto;
t = tempo, em minutos;
n = expoente da equação (-1<m<0).
• Equação da taxa de infiltração acumulada
Via = Ca tn (expressão 3)
Onde:
Via = taxa de infiltração acumulada (cm/h), num intervalo de tempo qualquer t;
Ca = taxa de infiltração acumulada (cm/h), no primeiro minuto;
t = tempo, em minutos;
n = expoente da equação (-1<m<0).
48
3
METODOLOGIA
3.1 Considerações iniciais
A presente pesquisa compreende a análise da permeabilidade da argila da
jazida Morozini. Foi determinada a permeabilidade do material em duas situações:
no
estado
natural
(amostra
indeformada)
e
compactado
na
densidade
máxima/umidade ótima em laboratório.
As amostras foram coletadas no mesmo talude e em duas profundidades,
estando à primeira localizada a 30 cm em relação ao topo, e a segunda a 1 metro de
profundidade em relação à primeira (1,30 metros do topo).
O objetivo desta pesquisa é conhecer os valores de permeabilidade da argila in
situ e compactada além de compará-los com os valores exigidos pelos órgãos
ambientais para recuperação de áreas degradadas pela mineração de carvão.
Para a caracterização física dos materiais foram realizados ensaios de limite de
liquidez, limite de plasticidade e análise granulométrica. Para caracterização
mecânica foi realizado o ensaio de compactação. A permeabilidade foi mensurada
através da utilização de permeâmetro de carga variável.
O estudo das propriedades físicas e mecânicas foi conduzido no Laboratório de
Mecânica dos Solos (LMS) localizado no Instituto de Pesquisas Ambientais e
Tecnológicas (IPAT) da Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC), e os
ensaios referentes à permeabilidade foram realizados no laboratório CTCmat
(SENAI).
3.2 Materiais
Inicialmente foi realizado um contato com os geólogos da CPRM - Serviço
Geológico do Brasil, que fizeram uma explanação sobre as diversas formações
geológicas existentes na região e indicaram a realização da pesquisa em duas
áreas: uma de material proveniente da Formação Palermo, e outra proveniente
dos Leques Aluviais.
Uma saída a campo foi realizada para identificação e escolha da jazida a
ser estudada.
O primeiro local visitado foi uma jazida pertencente à empresa CSN -
49
Companhia Siderúrgica Nacional, situada na localidade de Morozini, município
de Treviso. Neste local o substrato rochoso é formado por litologias
pertencentes à Formação Palermo (Figura 16).
Figura 16: Jazida no Morozini.
Fonte: Autor,2009.
O material de empréstimo utilizado para cobertura das pilhas é constituído
pelo solo de alteração (solo residual) das rochas síltico-argilosos da Formação
Palermo.
A espessura do manto de alteração (solo) é variável. Na região do Campo
Morozini possui espessura média de 5m.
A Formação Palermo, que caracteriza o início do evento transgressivo, é
constituída de um espesso pacote de ritmitos, com interlaminação de areiasilte e argila, com intenso retrabalhamento por ondas. A alternância de
tonalidades claras e escuras evidencia a intercalação de leitos arenosos e
síltico-argilosos, respectivamente (KREBS, 2004).
Segundo Krebs (2004), a espessura total dessa Formação, na região de
Criciúma e Forquilhinha é da ordem de 92 m.
Outro local visitado foi uma área da Carbonífera Criciúma, na localidade de
Verdinho, município de Criciúma. A jazida existente neste local se encontra no
sistemas de leques aluviais (Figura 17).
50
Figura 17: Solo do Sistema Leques Aluviais – Verdinho.
Fonte: Autor, 2009
De acordo com BULL (1968, apud Krebs 2004, p.175), os leques aluviais
são depósitos com forma de um segmento de cone, distribuído radialmente
mergulho abaixo a partir do ponto onde os cursos de água deixam as
montanhas.
Medeiros (1971, apud Krebs 2004, p.175) define como fácies de leques os
depósitos compostos por sedimentos mal classificados, com granulação fina à
grossa, depositados em áreas de relevo acentuado ou no sopé das montanhas.
Os locais indicados para o estudo de acordo com a geologia regional,
situam-se na bacia hidrográfica do Rio Araranguá, onde afloram rochas
sedimentares e vulcânicas.
A figura 18 mostra a coluna estratigráfica da área correspondente à bacia
hidrográfica do Rio Araranguá.
51
TERMINOLOGIA
TURFAS OU DEPÓSITOS DE LAMA, RICOS EM MATÉRIA
ORGÂNICA.
DEPÓSITOS
PRAIAIS
MARINHOS E
EÓLICOS E
RETRABALHAM
ENTO EÓLICO
ATUAL
AREAIS QUARTZOSAS MÉDIAS, FINAS A MUITO FINAS,
CINZA-AMARELADO ATÉ AVERMELHADO. NAS FÁCIES
PRAIAIS SÃO COMUNS ESTRUTURAS TIPO ESTRATIFICAÇÃO
PLANO-PARALELA, CRUZADA ACANALADA. NAS FÁCIES
EÓLICAS É FREQUENTE A PRESENÇA DE MATRIZ RICA EM
ÓXIDO DE FERRO, QUE CONFERE AO SEDIMENTO TONS
AVERMELHADOS.
DEPÓSITOS DE
ENCOSTAS,
FLUVIAIS E
RETRABALHAM
ENTO FLUVIAL
CASCALHOS AREIAS E LAMAS RESULTANTES DE PROCESSOS
DE FLUXOS GRAVITACIONAIS E ALUVIAIS. NAS PORÇÕES
MAIS DISTAIS, DEPÓSITOS RESULTANTES DO
RETRABALHAMENTO POR AÇÃO FLUVIAL DOS SEDIMENTOS
COLÚVIO-ALUVIONARES.
SERRA GERAL
DERRAMES BASÁLTICOS, SOLEIRAS E DIQUES DE DIABÁSIO
DE COR ESCURA, COM FRATURAS CONCHOIDAIS. O
LITOTIPO PREFERENCIAL É EQUIGRANULAR FINO A
AFANÍTICO, EVENTUALMENTE PORFIRÍTICO. NOTÁVEIS
FEIÇÕES DE DISJUNÇÃO COLUNAR ESTÃO PRESENTES.
BOTUCATU
ARENITOS FINOS, MÉDIOS, QUARTOSOS, COR
AVERMELHADA, BIMODAIS, COM ESTRATIFICAÇÃO
CRUZADA TANGENCIAL E ACANALADAS DE MÉDIO E
GRANDE PORTE.
RIO DO RASTO
ARENITOS FINOS BEM SELECIONADOS, GEOMETRIA
LENTICULAR, COR BORDÔ, COM ESTRATIFICAÇÃO
CRUZADA ACANALADA. SILTITOS E ARGILITOS COR
BORDÔ, COM LAMINAÇÃO PLANO-PARALELA.
GRUPO PASSA DOIS
INFERIOR
SUPERIOR
INFERIOR
INFERIOR/SUPERIOR
GRUPO GUATÁ
GRUPO
ITARARÉ
SUPERIOR
GRUPO SÃO BENTO
SISTEMA LAGUNABARREIRA IV
DEPÓSITOS
PALUDIAIS
SISTEMA LAGUNA-BARREIRA III
AREIAS SÍLTICO-ARGILOSAS, COM RESTOS DE VEGETAIS,
CASCALHOS DEPÓSITOS BIODETRÍTICOS
SISTEMA DE
LEQUES
ALUVIAIS
AREIAS QUARTZOSAS JUNTO ÀS MARGENS E LAMAS NO
FUNDO DOS CORPOS D’ ÁGUA.
PLEISTOCENO
DEPÓSITOS
LAGUNARES
PLIOCENO/
HOLOCENO
AREIAS QUARTZOSAS, ESBRANQUIÇADAS, COM
GRANULOMETRIA FINA À MÉDIA, COM ESTRATIFICAÇÃO
PLANO PA-ALELA(FÁCIES PRAIAL) E CRUZADA, DE PEQUENO
A GRANDE PORTE (FÁCIES EÓLICA).
ESTRADA NOVA
IRATI
INFERIOR
DESCRIÇÃO LITOLÓGICA
SEDIMENTOS ARGILOSOS, ARGILO-ARENOSOS, ARENOSOS E
CONGLOMERÁTICOS DEPOSITADOS JUNTO ÀS CALHAS OU
PLANÍCIES DOS RIOS.
DEPÓSITOS
FLÚVIOLAGUNARES
SUPERIOR
PERMIANO
PALEOZÓICO
PRÉCAMBRIANO
AMBIENTE /FORMAÇÃO
DEPÓSITOS
ALUVIONARES
ATUAIS
DEPÓSITOS
PRAIAIS
MARINHOS E
EÓLICOS
QUATERNÁRIO
TERCIÁRIO/
TRIÁSSICO JURÁSSICO CRETÁCEO QUATERNÁRI
O
MESOZÓICO
CENOZÓICO
HOLOCENO
IDADE
PALERMO
MEMBRO
SIDERÓPOLIS
RIO BONITO
MEMBRO
PARAGUAÇU
MEMBRO
TRIUNFO
RIO DO SUL
GRANITÓIDES TARDI A PÓS TECTÔNICOS
ARGILITOS FOLHELHOS E SILTITOS INTERCALADOS COM
ARENITOS FINOS, COR VIOLÁCEA.
NOS FOLHELHOS, ARGILITOS E SILTITOS CINZA-ESCURO A
VIOLÓACEOS, OCORREM CONCREÇÕES DE MARGA.
FOLHELHOS E SILTITOS PRETOS, FOLHELHOS
PIROBETUMINOSOS E MARGAS CALCÁREAS.
SILTITOS CINZA-ESCUROS, SILTITOS ARENOSOS CINZACLARO, INTERLAMINADOS, BIOTURBADOS, COM LENTES DE
ARENITO FINO NA BASE.
ARENITOS CINZA-CLARO, FINOS A MÉDIOS, QUARTZOSOS,
COM INTERCALAÇÕES DE SILTITOS CARBONOSOS E
CAMADAS DE CARVÃO
SILTITOS CINZA-ESCURO, COM LAMINAÇÃO ONDULADA,
INTERCALADO COM ARENITOS FINOS.
ARENITOS CINZA-CLARO, QUARTZOSOS OU FELDSPÁTICOS,
SIGMOIDAIS. INTERCALA SILTITOS.
FOLHELHOS E SILTITOS VÁRVICOS COM SEIXOS PINGADOS,
ARENITOS QUARTZOSOS E ARENITOS ARCOSEANOS,
DIAMECTITOS E CONGLOMERADOS. A NÍVEL DE
AFLORAMENTO, CONSTITUI ESPESSA SEQÜÊNCIA RÍTMICA.
GRANITOS E GRANITÓIDES DE COR CINZA-AVERMELHADO,
GRANULAÇÃO MÉDIA À GROSSA, TEXTURA PORFIRÍTICA OU
PORFIRÓIDE, CONSTITUÍDOS PRINCIPALMENTE POR
QUARTZO, PLAGIOCLÁSIO, FELDSPATO POTÁSSICO E
BIOTITA. COMO ACESSÓRIO, OCORRE TITANITA, APATITA,
ZIRCÃO E OPACOS. SÃO APARENTEMENTE ISÓTROPOS E
RECORTADOS POR VEIOS APLÍTICOS OU PEGMATÍTICOS.
Figura 18: Coluna estratigráfica da bacia hidrográfica do Rio Araranguá.
Fonte: KREBS, 2004.
52
Tendo em vista os locais visitados optou-se por fazer o estudo com as
argilas
encontradas
na
jazida
Morozini,
por
apresentarem
melhores
características geotécnicas e por ser a Formação geológica de maior
abrangência na região, uma vez que não havia tempo disponível para realizar o
estudo nas duas áreas.
O material de empréstimo (solos) relacionados aos Depósitos de Leques
Aluviais, apresenta características geotécnicas bastante variável de um local
para o outro e até mesmo na própria jazida, tendo em vista que é constituído
por alterações dos cascalhos que ocorrem logo abaixo e estes cascalhos são
originados de rochas basálticas.
Durante épocas de cheias, ocorrem deposição de material argiloso em toda
planície de inundação.
Sabe-se que os solos resultantes de rochas basálticas geralmente possuem
argilas expansivas.
Os solos orgânicos existentes nas planícies de inundação são ricos em
matéria orgânicas e possuem alto LL.
3.3 Área de Estudo
Na figura 19 pode-se observar uma imagem de satélite da jazida estudada.
Figura 19 – Localização da área de estudo
Fonte: Google Earth, 2009.
53
As amostras indeformadas foram retiradas em dois locais, e foram denominadas
como amostra 01 (coletadas a 30 cm do topo do talude) e amostra 02 (coletadas a
1,30m do topo do talude), conforme ilustrado na figura 20.
Figura 20: Locais de coletas das amostras.
Fonte: Autor, 2009.
Em cada patamar foram coletadas 03 amostras indeformadas com o uso do
trado tipo “Uhland” (Figura 21). As amostras indeformadas foram envolvidas com
filme de PVC, com o objetivo de conservar a umidade existente no momento da
coleta (Figura 22).
Figura 21: Trado tipo “Uhland”.
Fonte: Autor,2009.
54
Figura 22 – Amostras indeformadas.
Fonte: Autor, 2009.
Para os demais ensaios: limite de liquidez, limite de plasticidade, análise
granulométrica, e os ensaios de “proctor”, foram coletados aproximadamente 50 kg
de material de cada profundidade. Este material foi coletado com o auxílio de uma
pá de corte e de uma enxada, e acondicionado em sacos plásticos.
3.4 Métodos
3.4.1 Preparação das amostras
O material coletado no campo foi encaminhado ao laboratório (LMS) onde foi
iniciado o processo de preparação das amostras para realização os ensaios.
A primeira etapa para preparação das amostras consiste na disposição do
material em bandejas e posterior secagem ao ar livre (Figura 23).
55
Figura 23: Material para a secagem
Fonte: Autor, 2009.
Num
segundo
momento,
após
a
secagem
ao
ar
livre,
iniciou-se
o
destorroamento do material. O destorroamento é realizado com o uso do almofariz e
a mão de gral (Figura 24).
Figura 24: Destorroamento do solo
Fonte: Autor, 2009.
O resultado obtido com o destorroamento do solo pode ser observado na Figura
25.
56
Figura 25: Material destorroado
Fonte: Autor, 2009.
Como última etapa da preparação das amostras o material destorroado foi
passado em uma peneira cuja abertura de malha é de 4,75mm. Apenas o material
passante na peneira é utilizado para a realização dos ensaios, o material retido é
descartado.
3.4.2 Ensaios de Caracterização física
Após os materiais estarem preparados e adequados iniciaram-se os ensaios de
caracterização física, sendo os mesmos procedidos conforme as normas ABNT.
3.4.2.1 Ensaios de limite de liquidez
A norma NBR 6459/84 descreve e padroniza o ensaio de limite de liquidez. Este
ensaio foi realizado tanto para amostra 01 quanto para amostra 02, num número de
3 ensaios para cada amostra.
Os equipamentos utilizados para realizar o limite de liquidez foram o aparelho
Casagrande e um cinzel.
Este ensaio consiste em adicionar água no solo até que o mesmo obtenha a
consistência de uma pasta homogênea. Após obter esta homogeneidade o solo foi
moldado no Aparelho Casagrande. Com o cinzel foi realizada uma ranhura no centro
57
da amostra (Figura 26), e posteriormente foram dados diversos golpes com o
mecanismo existente no aparelho até que a ranhura fosse fechada, o número de
golpes realizados até o fechamento da ranhura é contado.
Figura 26: Ensaio de liquidez.
Fonte: Autor, 2009.
Para cada ensaio, 5 etapas foram realizadas, sendo o número de golpes o
parâmetro para a determinação da umidade.
As etapas, na ordem crescente de umidade, foram obtidas através dos seguintes
intervalos: 48-52, 38-42, 28-32, 18-22, 8-12 golpes. Sendo assim para que cada
intervalo fosse alcançado, água foi acrescentada à amostra conforme a
necessidade. O ensaio foi realizado até que todos os intervalos citados acima
fossem atingidos. Quando o ensaio não atingia nenhum dos intervalos, o mesmo era
novamente realizado adicionando-se mais água, quando o número de golpes dava
abaixo do valor esperado, ou adicionando solo quando o número de golpes dava
acima do esperado.
Assim que cada valor era atingido, uma porção de solo era retirada, colocada em
cápsula e pesada (Figuras 27 e 28). Em seguida as cápsulas foram levadas para a
estufa. Na estufa o material permaneceu por aproximadamente 24 horas.
58
Figura 27: Cápsulas para pesagem.
Fonte: Autor, 2009.
Figura 28: Pesagem das cápsulas.
Fonte: Autor, 2009.
Retiradas da estufa as cápsulas foram novamente pesadas. Com os pesos
obtidos da amostra úmida e da amostra seca foram obtido os teores de umidade
para cada etapa. Um gráfico foi traçado, onde o valor da liquidez de cada ensaio é
determinado pela umidade correspondente a 25 golpes.
59
3.4.2.2
Ensaio de limite de plasticidade
Para a realização do ensaio de plasticidade foi necessário moldar uma porção de
solo de forma cilíndrica, através da rolagem do material em uma placa de vidro fosco
(Figura 29).
Figura 29: Realização do ensaio do limite de plasticidade
Fonte: Autor, 2009.
O objetivo é que essa porção de solo fique com 3 mm de diâmetro. Para isso
utiliza-se um gabarito como referência. A partir do momento que o solo atingiu as
dimensões e forma desejada, continua-se rolando o solo sobre o vidro até que se
inicia a fissuração do solo.
Após a fissuração, a amostra foi colocada em cápsulas, pesadas e levadas para
a estufa para a secagem. Para cada ensaio, foi repetido o mesmo processo cinco
vezes.
Através da média dessas cinco repetições encontrou-se o valor do limite de
plasticidade.
3.4.3 Análise granulométrica
Para obter a curva granulométrica do solo e determinar as percentagens em
peso de cada fração constituinte do material foi realizado o ensaio de peneiramento.
60
3.4.3.1 Ensaio de peneiramento
O ensaio de peneiramento foi realizado com as amostras passantes nas
peneiras de no10 (que corresponde a 2,00 mm) e no 200 (que correspondente a
0,075mm). Após o peneiramento, foi retirada cerca de 30 g passantes na peneira
nº10 e levada à estufa para determinação da umidade.
O material retido na peneira 200 foi lavado com um jato constante de água, de
forma que apenas as partículas retidas na peneira permanecessem. Após a
lavagem, o material foi levado à estufa para a secagem e após seco deu-se o início
ao peneiramento.
O peneiramento do material passante na peneira 2,00 mm consiste em fazer o
solo passar pela seguinte seqüência de peneiras: 50, 38, 19, 9, 5 e 4,75 mm.
Realizado esse procedimento, anota-se o peso do material retido em cada uma das
peneiras.
3.4.4 Ensaio de caracterização mecânica
3. 4.4.1 Ensaio de Compactação
Para o ensaio de compactação foi utilizado o solo passante na peneira nº 4
equivalente a 4,75 mm (Figura 30). Cada ensaio de compactação utilizou
aproximadamente 10 kg de material.
61
Figura 30: Preparação do material para o ensaio de compactação.
Fonte: Autor, 2009.
Do material preparado (peneirado), 100 gramas são retirados e pesados para
mensurar a umidade em que o material se encontra, através do método da frigideira
(Figura 31), e mais três cápsulas com material são colocadas na estufa para
obter-se a umidade também.
Figura 31: Método da frigideira
Fonte: Autor, 2009.
Após o ensaio da frigideira, o material é pesado novamente, assim com a
62
diferença encontrada do peso inicial com o peso final obtemos o peso da água, e o
peso seco. Com o conhecimento da umidade que o solo se encontra, adiciona-se
água ao solo para que este fique com a umidade 5% abaixo da umidade ótima
(Figura 32).
Para a determinação da umidade ótima e do peso específico máximo no ensaio
de compactação utilizou-se a energia do “Proctor” Normal, em cilindros. Em cada
cilindro o material é moldado (cerca de 1800 gramas) com as umidades
estabelecidas, e esse solo é submetido a 26 golpes através de um soquete padrão
com um peso de 2,5 kg, como mostra a figura 32. O material é compactado no
cilindro em três etapas, com cerca de 600 gramas por vez e submetidos aos 26
golpes (Figura 33).
Figura 32: Adição de água necessária para obtenção da umidade do solo
Fonte: Autor, 2009.
63
Figura 33: Ensaio de compactação
Fonte: Autor, 2009.
Após a compactação o material foi nivelado e pesado o conjunto solo+cilindro
(Figura 34). Com esses dados pode-se determinar a massa especifica do solo.
Figura 34: Pesagem do cilindro e solo
Fonte: Autor, 2009.
Essa seqüência foi repetida cinco vezes para cada ensaio variando apenas 2%
do teor de umidade do solo, de posse desses resultados traçou-se um gráfico de
onde foram obtidas a densidade máxima seca e a umidade ótima correspondente.
64
Com os valores encontrados de máxima densidade e umidade ótima da amostra
1 e da amostra 2, foram moldados 2 corpos de prova (um para cada amostra) para
determinação do coeficiente de permeabilidade no permeâmetro de carga variável.
3.4.5 Ensaios de permeabilidade
O ensaio de permeabilidade realizado foi baseado na NBR 14545, que descreve
a determinação do coeficiente de permeabilidade de solos argilosos a carga variável.
Para execução do ensaio foi utilizado o permeâmetro do Método B da NBR
14545 (Figura 35).
Figura 35: Permeâmetro para carga variável.
Fonte: Autor, 2009
As amostras indeformadas foram revestidas lateralmente com uma camada fina
de parafina, aplicada no estado líquido (Figura 36).
65
Figura 36: Amostra parafinada
Fonte: Autor, 2009
A base do permeâmetro foi preparada colocando na tampa inferior uma tela de
arame com malha de abertura de 2 mm e, sobre ela uma camada de areia grossa
com uma espessura aproximada de 1cm recoberta por um anel de borracha.
Em seguida a amostra já parafinada foi posicionada no centro do cilindro, sendo
envolvida com argila plástica do tipo bentonita até o nível superior da amostra
(Figura 37).
Figura 36: Amostra revestida com argila
Fonte: Autor, 209.
66
A argila do tipo bentonita foi compactada em camadas de aproximadamente 2
cm com o objetivo de evitar a formação de caminhos preferenciais entre as paredes
do cilindro e o corpo-de-prova.
O restante do espaço livre do permeâmetro foi preenchido com areia (Figura 38).
Figura 38: Permeâmetro pronto para ser fechado.
Fonte: Autor, 2009.
Após o preenchimento da câmara do permeâmetro, foi fechada a tampa superior
para o início da fase de saturação do material (Figura 39).
Figura 39: Permeâmetro pronto para saturação
Fonte: Autor, 2009.
67
Para saturação do corpo-de-prova, o mesmo foi colocado em um recipiente com
água, de modo que a saturação ocorresse de forma ascendente (Figura 40).
Figura 40: Adição de água para saturação do material.
Fonte: Autor, 2009.
Tendo em vista que a saturação realizada deste modo ocorreu de forma muito
lenta (05 dias), uma adaptação foi realizada com o objetivo de acelerar este
processo. Um reservatório de água foi confeccionado com garrafa “pet” e conectado
através de uma mangueira ao orifício de entrada de água do permeâmetro. Este
reservatório foi instalado a 1 metro de altura do permeâmetro de modo fornecer
pressão ao liquido percolante (Figura 41).
68
Figura 41: Adaptação do método de saturação.
Fonte: Autor, 2009.
Com a fase de saturação concluída, foi conectada no orifício superior da tampa
do cilindro uma mangueira cuja outra extremidade foi conectada em uma bureta
graduada (Figura 42).
Figura 42: Permeâmetro conectado à bureta graduada
Fonte: Autor, 2009.
69
Após adicionar-se água na bureta foram iniciadas as medições, nos referidos
intervalos de tempo estipulados.
O ensaio prosseguiu até a obtenção de quatro determinações do coeficiente de
permeabilidade relativamente próximos, os quais não apresentaram tendências
evidentes, quer de crescimento, quer de diminuição.
Os coeficientes de permeabilidade (k) são calculados de acordo com a seguinte
expressão:
K = aH ln (h1/h2)
A ∆t
Onde:
a = área interna da bureta de vidro, (cm²);
H = altura inicial do corpo-de-prova, (cm);
A = área inicial do corpo-de-prova, (cm²);
∆t = dado pela diferença entre os instantes t2 e t1, (s);
H1 = carga hidráulica no instante t1, (cm);
H2 = carga hidráulica no instante t2, (cm);
K = coeficiente de permeabilidade, (cm/s).
70
4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISES DOS RESULTADOS
4.1 Dados relativos à amostra 01
4.1.1 Caracterização física
Um resumo dos resultados obtidos na caracterização física da amostra 01 pode
ser observado na tabela 6, os ensaios completos podem ser observados nos
apêndices A, B e C.
Tabela 6: Características físicas da amostra 01
Características
LL (%)
LP (%)
IP (%)
% passante # 200
IG
HRB
AM ‐ 1 A
64,1
31,7
32,4
99,1
20
A7‐5
AM ‐ 1 B
65,2
33,7
31,5
99
20
A7‐5
AM ‐ 1 C
61,2
37,7
23,5
97,1
18
A7‐5
Média
63,5
34,36
29,13
98,4
_
_
Para todas as 3 amostras do solo denominado como amostra 01 (coletado a 30
cm de profundidade), o material segundo a classificação TRB enquadra-se no grupo
A7-5. Os solos deste grupo são solos de granulometria fina, definidos pela TRB
como silte-argilosos, possuem alto LL, são plásticos e sofrem grande mudança de
volume. Contêm todos os materiais com IP moderado em relação ao LL, podendo
ser altamente elásticos. O solo deste grupo é a argila, tendo 75% ou mais que passa
na peneira 200.
Os valores do índice de grupo mostram a relação com os valores do índice de
plasticidade, quanto maior o IP maior o valor do IG, e conseqüentemente maior a
porcentagem passante na peneira 200.
De acordo com a classificação “SUCS”, classificação unificada, as amostras 01B e 01-C são classificadas como “MH”, sendo um silte de alta compressibilidade.
Apenas a amostra 01-A é classificada como “CH”, que corresponde a uma argila de
alta compressibilidade.
71
4.1.2 Caracterização mecânica
Os dados obtidos para as compactações realizadas nas amostras 01 podem ser
observadas na tabela 7. Os resultados completos podem ser observados nos
apêndices D e E.
Tabela 7: Característica mecânica amostra 01
Parâmetros
Densidade seca máxima (g/cm³)
Umidade ótima (%)
AM ‐ 1A
1,33
30,30
AM ‐ 1 B Média
1,32
1,33
29,1
29,7
Com base nos resultados podemos concluir que o material analisado localizado
a 30 cm de profundidade para atingir a máxima densidade deve estar com uma
umidade próxima a 30%. E a máxima densidade que este material irá atingir será
aproximadamente 1,33 g/cm³. Se o material for compactado com uma umidade
superior ou inferior a 30% a densidade máxima não será atingida.
4.1.3 Coeficiente de permeabilidade
Para analisar a permeabilidade foram estudadas duas situações, a primeira com
uma amostra “indeformada” e a segunda moldada em laboratório na umidade ótima.
Os valores encontrados de permeabilidade para esta amostra estão descritos na
tabela 8.
Tabela 8: Coeficiente de permeabilidade da amostra 01
Amostra 01
Natural (indeformada)
Compactada
Coeficiente de permeabilidade (cm/s) K20
1,06 E ‐05
2,76 E ‐06
Com a leitura da tabela 8, podemos observar que houve uma diminuição de 3,8
vezes no valor da permeabilidade se compararmos a amostra compactada com o
valor da amostra indeformada, ou seja, coletada na jazida e analisada em estado
natural.
72
4.2 Dados relativos à amostra 02
4.2.1 Caracterização física
Um resumo dos resultados obtidos na caracterização física da amostra 02 pode
ser observado na tabela 9, os ensaios completos podem ser observados nos
apêndices F, G e H.
Tabela 9: Características físicas da amostra 02
Características
LL (%)
LP (%)
IP (%)
% passante # 200
IG
HRB
AM ‐ 2 A
40
26,2
13,8
95,3
10
A6
AM ‐ 2 B
41,3
26,6
14,7
96,4
10
A7 ‐6
AM ‐ 2 C
41,1
21,9
19,2
96,6
12
A7 ‐6
Média
40,8
24,9
15,9
96,1
_
_
Uma amostra do solo denominado como amostra 02 (coletado a 1,30 m de
profundidade), segundo a classificação TRB está classificada no grupo A6. As outras
amostras estão classificadas como A7-6.
Os solos do grupo A7-6 contêm materiais com alto valor de IP em relação ao LL,
estando sujeitos a grandes variações de volume.
O solo típico do grupo A6 é a argila tendo 75% ou mais que passa na peneira
200, no caso especifico apresentou 95,3% passante na peneira citada.
Solos do grupo A7-6 contêm material semelhante ao grupo A6, tendo, porém alto
LL.
Ambos os grupos são solos de granulometria fina definidos pela TRB como silteargilosos.
De acordo com a classificação “SUCS” (classificação unificada de solos), as
amostras 02-A e 02-B são classificadas como “ML”, sendo um silte de baixa
compressibilidade. Apenas a amostra 02-C é classificada como “CL”, que
corresponde a uma argila de baixa compressibilidade.
73
4.2.2 Caracterização mecânica
Os dados obtidos para as compactações realizadas nas amostras 02 podem ser
observadas na tabela 10. Os resultados completos podem ser observados nos
apêndices I e J.
Tabela 10: Característica mecânica da amostra 02
Densidade seca máxima (g/cm³)
Umidade ótima (%)
AM ‐ 2A
1,46
25,5
AM ‐ 2 B Média
1,46
1,46
24,6
25,05
Com base nos resultados podemos concluir que o material analisado localizado
a 1,30 m de profundidade para atingir a máxima densidade deve estar com uma
umidade próxima a 25%. E a máxima densidade que este material irá atingir será
aproximadamente 1,46 g/cm³. Se o material for compactado com uma umidade
superior ou inferior a 25% a densidade máxima não será atingida.
4.2.3 Coeficiente de permeabilidade
Para a análise da permeabilidade da amostra 2 também foram estudadas as
mesmas situações impostas para a amostra 1. O primeiro ensaio foi realizado com
uma amostra “indeformada” e o segundo em laboratório moldada na umidade ótima.
Os valores encontrados de permeabilidade para esta amostra estão descritos na
tabela 11.
Tabela 11: Coeficiente de permeabilidade da amostra 02
Amostra 02
Natural (indeformada)
Compactada
Coeficiente de permeabilidade (cm/s) K20
3,78 E ‐06
5,31 E ‐07
Com a leitura da tabela 11, pode-se observar que houve uma diminuição de 7
vezes no valor da permeabilidade se compararmos a amostra compactada com o
valor da amostra indeformada, ou seja, coletada na jazida e analisada em estado
natural.
74
5 CONCLUSÃO
Com base nos ensaios físicos pode-se concluir que os materiais ensaiados
são classificados como: silte-argiloso. O material coletado a 30 cm de profundidade
possui alta compressibilidade ao contrário do material coletado a 1,30m de
profundidade que possui baixa compressibilidade.
Os ensaios mecânicos de compactação mostram que o solo coletado a 30 cm
de profundidade necessita maior umidade para atingir a densidade máxima se
comparado com o material coletado a 1,30 m de profundidade. Outro fato importante
relativo à compactação é que o material coletado em maior profundidade atingirá
uma densidade máxima 10% maior que o material coletado em menor profundidade.
Quanto à permeabilidade observa-se a influência do efeito da estrutura dos
solos compactados na diminuição da permeabilidade. Nos ensaios realizados nas
amostras indeformadas, ou seja, na condição natural, sem compactação o
coeficiente de permeabilidade chega a ser de 4 a 7 vezes maior do que nas
amostras compactadas com umidades ótimas.
Conclui-se ainda que o material analisado coletado a 1,30m de profundidade
se compactado corretamente pode atingir 10-7 cm/s, parâmetro este citado e muitas
vezes exigido nos trabalhos de recuperação ambiental por técnicos dos órgãos
fiscalizadores.
Sendo assim, verifica-se a existência de materiais argilosos com capacidade
de minimizar consideravelmente o contato da água com materiais reativos.
O índice encontrado indica que a permeabilidade pode ser reduzida em até 7
vezes, se o solo for objeto de compactação correta. Desta forma pode vir a auxiliar
os técnicos na escolha do material a ser utilizado nos seus diversos trabalhos de
engenharia.
Sugere-se finalmente que, jazidas ocorrentes no âmbito de outras formações
geológicas,
com
suas
diversidades
intrínsecas,
sejam
alvo
dos
mesmos
procedimentos e ensaios utilizados neste trabalho, tendo em vista que solos
provenientes de rochas diferentes oferecerão respostas diversas.
75
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT): NBR 6457:
Amostras de solos - Preparação para ensaios de compactação e ensaios de
caracterização. Rio de Janeiro, 1986.
____. NBR 14545 – Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos
argilosos a carga variável. Rio de Janeiro, 1984.
____. NBR 6459 – Determinação do Limite de Liquidez. Rio de Janeiro, 1984.
____. NBR-7180: Determinação do Limite de Plasticidade. Rio de Janeiro, 1984.
____. NBR-7181: Análise granulométrica. Rio de Janeiro, 1984.
____. NBR-7182: Solo – Ensaio de Compactação. Rio de Janeiro, 1984.
BRASIL. Justiça Federal. 1ª Vara Federal de Criciúma, SC. Processo nº
2000.72.04.002543-9. Autor: Ministério Público Federal. Réu: Nova Próspera
Mineração S.A. e outros. Recuperação dos passivos ambientais decorrentes da
mineração de carvão no sul do Estado de Santa Catarina. Segundo relatório de
monitoramento dos indicadores ambientais. Criciúma, jul. 2008. 192 p.
CAPUTO, Homero Pinto. Mecânica dos Solos e Suas Aplicações. Rio de Janeiro:
LTC, 6ª edição, 1996. 234p.
CAUDURO, F.A.; DORFMAN, R. Manual de ensaios de laboratório e de campo
para irrigação e drenagem. Porto Alegre, Pallotti, 1988. 216p.
DAS, Braja M. Fundamentos de Engenharia Geotécnica. São Paulo: Thomson,
2007. 561 p. il.
FERREIRA, Paulo Afonso. Engenharia de Irrigação. Módulo 11. Brasília, 1989.
94p.
KREBS, A.S.J. Contribuição ao conhecimento dos recursos hídricos
subterrâneos da bacia hidrográfica do Rio Araranguá, SC. Florianópolis, UFSC,
Departamento de geografia, 2004. v.1. 375 p. (Tese de doutorado).
MASSAD, Faiçal. OBRAS DE TERRA: Curso Básico de Geotecnia. São Paulo:
Oficina de Textos, 2003.170 p.il.
PINTO, Carlos de Sousa.Curso Básico de Mecânica dos Solos. 2.ed São
Paulo:Oficina de Textos,2002. 353 p.il.
76
SOUZA JUNIOR, Joacy Demétrio. O Efeito da Energia de Compactação em
Propriedades dos Solos Utilizados na Pavimentação do Estado do Ceará. 2005.
211f. Dissertação (Programa de Mestrado em Engenharia dos Transportes) Universidade Federal do Ceará, Fortaleza.
VARGAS, Milton. Introdução à Mecânica dos Solos. São Paulo: McGraw-Hill do
Brasil, 1977. 509 p.
77
APÊNDICE
78
APÊNDICE A : ENSAIO DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA AMOSTRA 01 A
79
80
APÊNDICE B : ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA AMOSTRA 01 B
81
82
APÊNDICE C : ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA AMOSTRA 01 C
83
84
APÊNDICE D : ENSAIO DE COMPACTAÇÃO DA AMOSTRA 01 A
85
86
APÊNDICE E : ENSAIO DE COMPACTAÇÃO DA AMOSTRA 01 B
87
88
APÊNDICE F : ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA AMOSTRA 02 A
89
90
APÊNDICE G : ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA AMOSTRA 02 B
91
92
APÊNDICE H : ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA AMOSTRA 02 C
93
94
APÊNDICE I : ENSAIOS DE COMPACTAÇÃO DA AMOSTRA 02 A
95
96
APÊNDICE J : ENSAIOS DE COMPACTAÇÃO DA AMOSTRA 02 B
97
98