Taíse Monique de Oliveira Carvalho Efeitos de um licor ... ou parcial do trabalho sem ... II ....
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Taíse Monique de Oliveira Carvalho
Efeitos de um licor cáustico na resistência ao cisalhamento de um solo residual de sienito e um coluvionar
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos Co-orientador: Franklin dos Santos Antunes
Rio de Janeiro Julho de 2006
Taíse Monique de Oliveira Carvalho
Efeitos de um licor cáustico na resistência ao cisalhamento de um solo residual de sienito e um coluvionar
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Tácio Mauro Pereira de Campos Presidente/Orientador
Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Franklin do Santos Antunes Co-orientador
Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
José Tavares Araruna Júnior Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Geraldo Paes Júnior ALCOA Alumínio S/A
Leandro de Moura Costa Filho LPS Consultoria e Engenharia LTDA
Sérgio Tibana UENF
José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio
Rio de Janeiro, 14 de julho de 2006
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador.
Taíse Monique de Oliveira Carvalho
Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Alagoas – UFAL em 2003. Foi bolsista do Programa Especial de Treinamento – PET no período de 2000 a 2004. Realizou projetos de pesquisa nas áreas de Estruturas, Recursos Hídricos e Engenharia Sanitária. Ingressou no Curso de Mestrado em Engenharia Civil – Geotecnia em 2004. Principais áreas de interesse e linhas de pesquisa: Mecânica dos Solos, Geotecnia Experimental e Geotecnia Ambiental.
Ficha Catalográfica
Carvalho, Taíse Monique de Oliveira
Efeitos de um licor cáustico na resistência ao cisalhamento de um solo residual de sienito e um coluvionar / Taíse Monique de Oliveira Carvalho ; orientadores: Tácio Mauro Pereira de Campos, Franklin dos Santos Antunes. – Rio de Janeiro : PUC-Rio, Departamento de Engenharia Civil, 2006.
167 f. : il.(col.) ; 30 cm
Dissertação (mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil.
Inclui referências bibliográficas.
1. Engenharia civil – Teses. 2. Resistência ao cisalhamento. 3. Licor cáustico. 4. Solo residual. 5. Solo coluvionar. I. Campos, Tácio Mauro Pereira de. II. Antunes, Franklin dos Santos. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. IV. Título.
CDD: 624
Dedico esta dissertação aos meus pais, Cleuriel e Sissi, à Júlia e ao Rodrigo.
Agradecimentos
Aos Professores Tácio Mauro Pereira de Campos e Franklin dos Santos Antunes, pela orientação, pelos conhecimentos transmitidos, atenção, estímulo e paciência.
Ao Engenheiro William, por ajudar na execução dos ensaios de resistência, e aos demais funcionários do laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio: “Seu” José, Amaury e Josué, por estarem disponíveis sempre que precisei.
Ao Ronaldo Silva do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio, por estar sempre disponível a fazer os ensaios de difração por raios-X.
A todos os amigos que fiz durante o mestrado, pelos momentos de descontração. Em especial a: Viviana, Tânia, Saré e Vinicius.
Às minhas amigas Mónica, Bernadete e Carol que estiveram do meu lado não só nos momentos bons, mas durante toda a execução deste trabalho, pelo incentivo amizade e ajuda.
Às “irmãs tortas”, Lu e Lica, que Deus colocou em meu caminho e que meu coração adotou, pela convivência, amizade, companheirismo e por me agüentarem durante o tempo em que moramos juntas.
Ao Rodrigo, pelo carinho, cumplicidade e por acreditar na minha capacidade, muitas vezes, mais do que eu.
À todos os meus familiares, pelo amor, incentivo e apoio incondicional.
Ao CNPq pelo apoio financeiro.
A ALCOA Alumínio por possibilitar a execução deste trabalho.
Aos componentes da banca, pelas sugestões e críticas construtivas feitas a este trabalho.
Resumo
Carvalho,Taíse Monique de Oliveira; Campos, Tácio Mauro Pereira de; Antunes, Franklin dos Santos. Efeitos de um licor cáustico na resistência ao cisalhamento de um solo residual de sienito em um coluvionar. Rio de Janeiro, 2006. 167p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Neste trabalho se estuda a influência de um fluido alcalino na resistência
ao cisalhamento de dois solos provenientes de Poços de Caldas-MG, sendo um
deles um solo residual jovem de sienito e o outro um colúvio. Para tanto,
elaborou-se um programa experimental que consistiu na execução de ensaios
triaxiais CIU (solo residual jovem) e de cisalhamento direto (solo coluvionar),
tanto com os solos no estado natural como contaminados. A contaminação dos
solos se deu pela substituição total ou parcial do fluido intersticial por um licor
cáustico, resíduo proveniente do processo do beneficiamento da bauxita.
Ensaios de caracterização física, química e mineralógica, com os solos em
ambos os estados, foram realizados com o intuito de auxiliar na análise dos
resultados dos ensaios de resistência. Os resultados obtidos mostraram que os
solos são suscetíveis à ação do licor, notando-se um decréscimo dos parâmetros
de resistência.
Palavras-chave Resistência ao cisalhamento, licor cáustico, solo residual, solo coluvionar
Abstract Carvalho,Taíse Monique de Oliveira; de Campos, Tácio Mauro Pereira (advisor); Antunes, Franklin dos Santos (advisor). Effects of a caustic liqueur on the shear strength of a sienitic residual and a colluvium soils. Rio de Janeiro, 2006. 167p. MSc. Dissertation – Department of Civil Engineering, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
This work presents a study concerning the influence of an alkaline fluid in
the shear strength of two soils originating from Poços de Caldas-MG, which one
of them is a sienitic residual and the other a colluvium. For that, it was elaborated
an experimental program consisting of the execution of CIU triaxial (residual soil)
and direct shear (colluvium) tests. The tests were performed with the soils in the
natural and contaminated states. The soils were contaminated through total or
partial substitution of the pore fluids for a caustic liqueur, a residue originating
from alumina production process. In order to provide better support for the
analysis of strength tests results, it were performed physical, chemistry and
mineralogical characterization tests, with the soils in both states. The
experimental program results have shown that the liqueur causes loss of strength
in both soils.
Keywords Shear strength, caustic liqueur, residual soil, colluvium
Sumário
1 Introdução 22
2 Revisão bibliográfica 24
2.1. Solos tropicais 24 2.1.1. Considerações gerais 24 2.1.2. Resistência ao cisalhamento 28 2.2. Influência do fluido intersticial na resistência ao cisalhamento 32 2.2.1. Considerações gerais 33 2.2.2. Resistência ao cisalhamento 35 2.3. Dados de trabalhos anteriores 40
3 Características do local e amostragem 43 3.1. Localização da Área de Estudo 43 3.2. Aspectos Fisiográficos 44 3.2.1. Clima e Vegetação 45 3.2.2. Hidrografia 45 3.2.3. Solos 45 3.2.4. Relevo 46 3.3. Geologia 46 3.4. Amostragem 48
4 Equipamentos e Metodologias de Ensaio 50 4.1. Caracterização física 52 4.1.1. Granulometria 52 4.1.2. Limites de Atterberg 52 4.1.3. Densidade dos grãos (Gs) 53 4.2. Caracterização química 53 4.3. Caracterização mineralógica 53 4.3.1. Difração por raios-X (DRX) 54 4.3.2. Análise térmica diferencial 54 4.4. Ensaios triaixiais 54 4.4.1. Equipamentos utilizados 54
4.4.1.1. Prensa triaxial 54 4.4.1.2. Sistema de aplicação de pressão 55 4.4.1.3. Transdutores de força, de deslocamento e de pressão 55 4.4.1.4. Medidores de volume 56 4.4.1.5. Sistema de aquisição de dados 57 4.4.1.6. Acessórios: membrana de látex, papel filtro e pedras porosas 57 4.4.2. Procedimentos adotados nos ensaios 58 4.4.2.1. Confecção dos corpos de prova 58 4.4.2.2. Saturação das linhas 58 4.4.2.3. Montagem do ensaio 59 4.4.2.4. Saturação dos corpos de prova 59 4.4.2.5. Substituição do fluido intersticial água por licor cáustico 60 4.4.2.6. Adensamento 61 4.4.2.7. Fase de cisalhamento 62 4.5. Cisalhamento direto 63 4.5.1. Equipamentos 63 4.5.1.1. Prensas de cisalhamento direto 63 4.5.1.2. Transdutores de deslocamento 63 4.5.1.3. Sistema de aquisição de dados 64 4.5.1.4. Acessórios: papel filtro e pedras porosas 64 4.5.2. Procedimentos adotados nos ensaios 64 4.5.2.1. Confecção dos corpos de prova 64 4.5.2.2. Saturação dos corpos de prova 65 4.5.2.3. Adensamento 69 4.5.2.4. Cisalhamento 70 4.6. Caracterização do licor 70
5 Caracterização física, química e mineralógica 71 5.1. Introdução 71 5.2. Apresentação e análise dos resultados 73 5.2.1. Caracterização física 73 5.2.1.1. Índices físicos 73 5.2.1.2. Granulometria 73 5.2.1.3. Limites de Atterberg 77 5.2.1.4. Índice de atividade e classificação dos solos 78 5.2.2. Caracterização mineralógica 79
5.2.2.1. Difração por raios-X (DRX) 79 5.2.2.2. Análise térmica diferencial (ATD) 87 5.2.3. Lupa binocular 88 5.2.4. Caracterização química 91 5.2.4.1. pH e condutividade elétrica 91 5.2.4.2. Capacidade de troca catiônica (CTC) 93 5.2.4.3. Análise química total 94 5.2.4.4. Ataque sulfúrico 95 5.2.4.5. Amorfos 97 5.3. Comentários finais 98
6 Comportamento mecânico 100 6.1. Adensamento edométrico – solo residual jovem natural 100 6.1.1. Introdução 100 6.1.2. Apresentação e análise dos resultados 100 6.2. Ensaios triaxiais 103 6.2.1. Introdução 103 6.2.2. Apresentação dos resultados 104 6.2.2.1. Índices físicos dos corpos de prova 104 6.2.2.2. Curvas tensão desviadora x deformação axial 105 6.2.2.3. Trajetórias de tensões efetivas e envoltórias de resistência 108 6.2.2.4. Dados na ruptura 110 6.2.2.5. Módulos de deformação 111 6.2.3. Análise e discussão dos resultados 111 6.2.3.1. Ensaios com solo natural – CIU 111 6.2.3.2. Ensaios com solo contaminado – CIU 115 6.2.3.3. Comparação dos resultados 118 6.3. Ensaios de cisalhamento direto – solo coluvionar 135 6.3.1. Introdução 135 6.3.2. Apresentação dos resultados 136 6.3.2.1. Índices físicos dos corpos de prova 136 6.3.2.2. Fase de cisalhamento 136 6.3.3. Análise e discussão dos resultados 140 6.3.3.1. Compressibilidade 140 6.3.3.2. Comparação dos resultados dos ensaios realizados com solo no
estado natural e contaminado 141
6.4. Comentários finais 143
7 Conclusões e sugestões 145 7.1. Conclusões 145 7.1.1. Caracterização física, química e mineralógica 145 7.1.2. Compressibilidade 145 7.1.3. Resistência 146 7.2. Sugestões para trabalhos futuros 147
Referências bibliográficas 148
Apêndice I - Características do licor cáustico 158
Apêndice II - Coeficientes de adensamento e permeabilidade do solo residual 159
Anexo I - Cálculo do teor dos minerais: ilita, caulinita e gibbsita 162
Anexo II - Correção da tensão desviadora após a ruptura (triaxiais) 164
Lista de figuras
Figura 2.1 – Proposições de perfis de intemperismo típicos do Brasil (Pastore,
1992) 28 Figura 2.2 – Resultado de ensaios triaxiais (CIU) a) solo residual silto arenoso
(indeformado e remoldado) b) solo residual argilo siltoso (indeformado e
compactado) (Wesley, 1990) 31 Figura 2.3 2 - Trajetória de tensões efetivas a) solo silte arenoso b) solo argilo
siltoso (Wesley, 1990) 32 Figura 2.4 – Variação do limite de liquidez com o pH (Kumapley e Ishola,1985) 36 Figura 2.5 – Variação da resistência não drenada com o pH ( Kumapley e Ishola,
1985) 36 Figura 2.6 – Comportamento não drenado de amostras normalmente adensadas
lixiviadas e não lixiviadas a) heptano b) ácido acético 38
Figura 3.1 - Localização da região onde se encontra a área de estudo (adaptada
de Enviro-Tec,2001) 3 Figura 3.2: Localização da área de coleta das amostras dentro do Planalto de
Poços de Caldas (modificado de Franklin, 2005) 4 Figura 3.3 – Mapa geológico do Planalto de Poços de Caldas (adaptado de
Enviro-Tec, 2001 por de Campos et al, 2004) 7 Figura 3.5 – Concreção bauxítica presente na amostra indeformada do solo
residual jovem 9 Figura 3.6 – Foto da amostra do solo coluvionar indicando os elementos que o
compõe 9
Figura 3.1 - Localização da região onde se encontra a área de estudo (adaptada
de Enviro-Tec,2001) 43 Figura 3.2: Localização da área de coleta das amostras dentro do Planalto de
Poços de Caldas (modificado de Franklin, 2005) 44 Figura 3.3 – Mapa geológico do Planalto de Poços de Caldas (adaptado de
Enviro-Tec, 2001 por de Campos et al, 2004) 47 Figura 3.5 – Concreção bauxítica presente na amostra indeformada do solo
residual jovem 49
Figura 3.6 – Foto da amostra do solo coluvionar indicando os elementos que o
compõe 49
Figura 4.1 – Equipamentos utilizados nos ensaios triaxiais (a) foto ilustrativa (b)
desenho esquemático 56
Figura 4.2 – Medidor de variação de volume utilizado nos ensaios triaxiais 57
Figura 4.3 – Frasco de coleta de efluente (FCE) utilizado na substituição do
fluido intersticial do corpo de prova por licor 61
Figura 4.4 – Exemplo de gráfico utilizado no cálculo de t100 (ensaio triaxial CIU
com σ’c igual a 100kPa) 62
Figura 4.5 – Corpo de prova descartado devido à “quebra” deste na interface
concreção-matriz 65
Figura 4.6 – Corpo de prova do solo coluvionar após ser seco à vácuo 65
Figura 4.7 – Procedimento de saturação dos corpos de prova para o ensaio de
cisalhamento direto (a) posicionamento da pedra porosa (b) adição do papel filtro
saturado (c) posicionamento do corpo de prova (d) papel filtro seco colocado
sobre o corpo de prova (e) medidor de pH para auxiliar na verificação da
saturação (f) corpo de prova sendo submetido a sucção 67
Figura 4.8 – Curvas representando o comportamento de corpos de prova
saturados com água e licor, e submersos em água e licor 69
Figura 5.1 – Curvas granulométricas dos ensaios realizados com solo residual
natural e contaminado com diferentes defloculantes 74 Figura 5.2 – Curvas granulométricas dos ensaios realizados com o solo
coluvionar natural e contaminado com diferentes defloculantes 75 Figura 5.3 – Fases de sedimentação do solo residual jovem com os
defloculantes a) hexametafosfato de sódio, b) licor cáustico e c) água 76 Figura 5.5 – Difratogramas do solo residual jovem passante na peneira # 200 a)
natural b) contaminado com licor cáustico 81 Figura 5.6 – Difratogramas do solo residual jovem passante na peneira # 400 a)
natural b) contaminado com licor cáustico 82 Figura 5.7 – Difratogramas do solo coluvionar passante na peneira # 200 a)
natural b) contaminado com licor cáustico 83 Figura 5.8 - Difratogramas do solo coluvionar passante na peneira # 400 a)
natural b) contaminado com licor cáustico 84 Figura 5.9 – Difratograma do material passante na peneira # 40, solo coluvionar
natural 85 Figura 5.10 – Difratograma do material retido na peneira # 40, solo residual
jovem natural 85 Figura 5.11 – Difratograma do material passante na peneira # 40, solo residual
jovem natural 85 Figura 5.12 – Difratograma do material presente nas concreções brancas, solo
residual jovem natural 86 Figura 5.13 – Termogramas do solo residual natural e contaminado 87 Figura 5.14 – Termogramas do solo coluvionar natural e contaminado 88 Figura 5.15 – Foto do solo residual indeformado a) ampliada 10 vezes b)
ampliada 60 vezes 90 Figura 5.16 – Foto do solo residual adensado a) ampliada 10 vezes b) ampliada
60 vezes 91
Figura 6.1 – Curvas recalque x raiz do tempo, solo residual natural 101 Figura 6.2 – Formas de representação dos resultados de adensamento
edométrico a) e x log σ’v, b) log e x log σ’v e c) e x σ’v 102 Figura 6.3 – Corpos de prova após a ruptura (formação de plano) 106 Figura 6.4 – Curvas do solo natural (ensaios CIU) a) tensão desviadora x
deformação axial; b) excesso de poropressão x deformação axial 106 Figura 6.5 - Curvas do solo contaminado (ensaios CIU) a) tensão desviadora x
deformação axial; b) excesso de poropressão x deformação axial 107 Figura 6.6 – Curvas do solo residual natural e contaminado (ensaios CID) a)
tensão desviadora x deformação axial; b) deformação volumétrica x deformação
axial 108 Figura 6.7 – Trajetórias de tensões efetivas (CIU) e envoltória de resistência
(estado crítico) – água 109 Figura 6.8 – Trajetórias de tensões efetivas (CIU) e envoltória de resistência
(estado crítico) – licor cáustico 110 Figura 6.9 – Relação entre: a) tensão desviadora na ruptura x tensão efetiva de
adensamento b) tensão desviadora para deformação axial de 8 % x tensão
efetiva de adensamento (Ensaios com água - CIU) 112 Figura 6.10 – Relação entre: a) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e
tensão desviadora na ruptura; b) índice de vazios (inicial e após o adensamento)
e tensão desviadora para uma deformação axial de 8 % (ensaios com água -
CIU) 114
Figura 6.11 - Relação entre: a) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e
tensão desviadora na ruptura; b) índice de vazios (inicial e após o adensamento)
e tensão desviadora para uma deformação axial de 8 % (ensaios com licor - CIU)1
Figura 6.12 – Relação entre: a) tensão desviadora na ruptura x tensão efetiva de
adensamento b) tensão desviadora para deformação axial de 8 % x tensão
efetiva de adensamento (Ensaios com licor - CIU) 117 Figura 6.13 – Comparação das curvas índice de vazios normalizado x tensão
vertical efetiva 119 Figura 6.14 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação
axial ; b) excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com
água e licor para σ’c = 25 kPa (CIU) 120 Figura 6.15 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação
axial ; b) excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com
água e licor para σ’c = 50 kPa (CIU) 121 Figura 6.16 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação
axial ; b) excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com
água e licor para σ’c = 100 kPa (CIU) 122 Figura 6.17 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação
axial ; b) excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com
água e licor para σ’c = 200 kPa (CIU) 124 Figura 6.18 – Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios
realizados com água e licor para σ’c = 25 kPa (CIU) 125 Figura 6.19 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados
com água e licor para σ’c = 50 kPa (CIU) 126 Figura 6.20 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados
com água e licor para σ’c = 100 kPa (CIU) 127 Figura 6.21 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados
com água e licor para σ’c = 200 kPa (CIU) 128 Figura 6.22 – Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: a)
índice de vazios inicial x tensão desviadora na ruptura b) índice de vazios inicial
x tensão desviadora para uma deformação axial de 8 %. Ensaios CIU 129 Figura 6.23 - Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: a)
índice de vazios após o adensamento x tensão desviadora na ruptura b) índice
de vazios após o adensamento x tensão desviadora para uma deformação axial
de 8 %. Ensaios CIU 130 Figura 6.24 – Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor:
tensão desviadora na ruptura x tensão efetiva de adensamento b) tensão
desviadora para uma deformação axial de 8 % x tensão efetiva de adensamento.
Ensaios CIU 131 Figura 6.25 – Variações dos módulos de deformação conforme a tensão
confinante e o fluido intersticial: a) módulo tangencial inicial e b) módulo secante
correspondente a 50 % da tensão desviadora 132 Figura 6.26 – Relação entre a) módulo tangencial inicial e índice de vazios inicial
b) módulo secante correspondente a 50 % da tensão desviadora e índice de
vazios inicial 133 Figura 6.27 – Comparação das envoltórias de resistência do solo natural com o
solo contaminado (estado crítico) 134 Figura 6.28 – Envoltórias sugeridas (resistência de pico) 135 Figura 6.29 – Ensaios de cisalhamento direto realizados com água a) curvas
tensão cisalhante x deslocamento horizontal b) curvas deslocamento vertical x
deslocamento horizontal 137 Figura 6.30 - Ensaios de cisalhamento direto realizados com licor a) curvas
tensão cisalhante x deslocamento horizontal b) curvas deslocamento vertical x
deslocamento horizontal 138 Figura 6.31 – Definição da tensão cisalhante na ruptura (de Campos e Delgado,
1995) 139 Figura 6.32 - Envoltórias de resistência do solo coluvionar natural e do
contaminado 140 Figura 6.33 – Relação entre a variação do índice de vazios e a tensão normal de
adensamento 140 Figura 6.34 Comparação entre as curvas a) tensão cisalhante x deslocamento
horizontal; b) deslocamento vertical x deslocamento horizontal. Ensaios de
cisalhamento direto realizados com água e licor, solo coluvionar 142 Figura 6.35 – Relação entre a umidade final e a tensão cisalhante na ruptura 143
Lista de tabelas
Tabela 2.1 - Análise química de dois fonólitos e dos seus produtos de
decomposição de Poços de Caldas, Estação Bauxita (Leinz e Amaral, 1966) 26 Tabela 2.2 - Fatores que distinguem solos residuais e transportados (Brenner et
al 1997) 27 Tabela 2.3 – Resistência ao cislhamento de pico (não drenada), corpos de prova
lixiviados e não lixiviados (Anandarajah e Zhao, 2000) 38
Tabela 4.1 – Resumo dos ensaios realizados 51
Tabela 5.1 – Ensaios de caracterização física-química-mineralógica realizados 71 Tabela 5.2 – Índices físicos dos solos residual e coluvionar 72 Tabela 5.3 – Tipos de sedimentações realizadas com os solos estudados 73 Tabela 5.4 – Resumo da granulometria do solo residual jovem natural e
contaminado com a utilização de diferentes defloculantes na sedimentação 74 Tabela 5.5 – Resumo da granulometria do solo coluvionar natural e contaminado
com a utilização de diferentes defloculantes na sedimentação 74 Tabela 5.6 – Materiais utilizados nos ensaios de Limites de Atterberg 76 Tabela 5.7 – Resultados dos ensaios de limites de Atterberg dos solos residual e
coluvionar 76 Tabela 5.8 – Valores de pH e condutividade elétrica para os solos naturais e
contaminados 91 Tabela 5.9 – Resultados da análise do complexo sortivo 92 Tabela 5.10 – Composição química dos solos estudados e de uma rocha típica
da região de Poços de Caldas 94 Tabela 5.11 – Resultados da análise química por ataque sulfúrico 95 Tabela 5.13 – Resultados da determinação de amorfos 97
Tabela 6.1 – Características iniciais do corpo de prova do ensaio de
adensamento edométrico (solo residual natural) 100 Tabela 6.2 – Dados obtidos a partir dos estágios de adensamento edométrico
(solo residual natural) 101 Tabela 6.3 – Parâmetros do ensaio de adensamento edométrico 103 Tabela 6.4 – Campanha de ensaios triaxiais com os corpos de prova saturados
com água e com licor cáustico 104 Tabela 6.5 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios CIU 105 Tabela 6.6 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios CID 105 Tabela 6.7 – Dados na ruptura e tensão desviadora para uma deformação axial
de 8%. Ensaios CIU realizados com água e licor 110 Tabela 6.8 –Dados na ruptura e tensão desviadora para uma deformação axial
de 10 %. Ensaios CID realizados com água e licor 111 Tabela 6.9 – Módulos de deformação 111 Tabela 6.10 – Campanha de ensaios de cisalhamento direto com os corpos de
prova no estado natural e contaminado 136 Tabela 6.11 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios de
cisalhamento direto 136 Tabela 6.12 – Deslocamento horizontal, tensão cisalhante e tensão normal na
ruptura 139
Lista de símbolos e abreviações
Al = alumínio
Al+3 = cátion de Alumínio
Ar = coeficiente de poropressão na ruptura
av = coeficiente de compressibilidade
ATD = análise termodiferencial
B = parâmetro de Skempton
c’ = intercepto de coesão efetivo
Ca = cálcio
Ca+2 = cátion de cálcio
Cc = índice de compressão
C.E. = condutividade elétrica
CID = ensaio triaxial adensado drenado
CIU = ensaio triaxial adensado não drenado
Cr = cromo
Cr = índice de recompressão
Cs = índice de expansão
CTC = capacidade de troca catiônica
Cv = coeficiente de adensamento
e = índice de vazios
eadensto = índice de vazios após o adensamento
eo = índice de vazios inicial
Es50% = módulo de deformação secante para 50 % da tensão desviadora máxima
Eti = módulo de deformação tangencial inicial
Fe = ferro
Gs = densidade relativa dos grãos
Ia = índice de atividade
IP = índice de plasticidade
k = permeabilidade
L = altura do corpo de prova
LL = limite de liquidez
LP = limite de plasticidade
Mg = magnésio
Mg2+ = cátion de magnésio
Mn = manganês
mv = coeficiente de variação volumétrica
p’ = (σ’v + σ’h)/2
p’r = p’ na ruptura
q = (σ’v - σ’h)/2
qr = q na ruptura
Rb = rubídio
S = grau de saturação
Si = silício
So = grau de saturação inicial
t100 = tempo correspondente a 100 % de compressão primária
tr = tempo mínimo de ruptura
Vmáx = velocidade máxima de cisalhamento
wf = umidade final
wnat = umidade natural
wo = umidade inicial
# = malha da peneira
δh= deslocamento horizontal
δhr= deslocamento horizontal na ruptura
δv= deslocamento vertical
δvr= deslocamento vertical na ruptura
∆u = excesso de poropressão
∆σc = acréscimo de tensão confinante
εa = deformação axial
εer = deformação axial estimada na ruptura
εv = deformação volumétrica
φ’ = ângulo de atrito interno efetivo
γd = peso específico seco
γt = peso específico natural σ’c = tensão efetiva de adensamento
σ’es = tensão de escoamento
σn = tensão normal
σnr = tensão normal na ruptura
τ = tensão cisalhante
τd = tensão desviadora
τdr = tensão desviadora na ruptura
τd8% = tensão desviadora para deformação axial de 8 %
τd10% = tensão desviadora para deformação axial de 10 %
τr = tensão cisalhante na ruptura
Introdução
1 Introdução 1 Introdução
22
22
O comportamento dos solos é regido por vários fatores, tais como sua
origem, história de tensões e estrutura, incluindo nesta última, composição
mineralógica, índice de vazios e cimentações. Outro aspecto relevante são as
características do fluido intersticial. De acordo com Brancucci et al (2003), a
influência deste no comportamento do solo será maior ou menor de acordo com
sua natureza, composição mineralógica e índice de vazios, além do estado de
tensões e temperatura.
O comportamento dos solos é regido por vários fatores, tais como sua
origem, história de tensões e estrutura, incluindo nesta última, composição
mineralógica, índice de vazios e cimentações. Outro aspecto relevante são as
características do fluido intersticial. De acordo com Brancucci et al (2003), a
influência deste no comportamento do solo será maior ou menor de acordo com
sua natureza, composição mineralógica e índice de vazios, além do estado de
tensões e temperatura.
No contexto ambiental, têm sido foco de estudo, as interações físico-
químicas que ocorrem entre solos e fluidos diferentes da água. Estas pesquisas
são realizadas com o intuito de prever o comportamento dos solos em situações
nas quais eles são inundados com produtos químicos variados, como, por
exemplo, situações de derramamentos acidentais, vazamentos em reservatórios
e em tubulações, etc. Alguns pesquisadores, ao analisar a interação entre solos
e substâncias intersticiais alcalinas, observaram mudanças no comportamento
mecânico destes. Os trabalhos de Ignatius e Pinto (1991), Shidharan et al
(1992), Agnelli e Albiero (1997), Moncada (2004), Kumapley e Ishola (1985),
Taqieddin et al (1995), Anandarajah e Zhao (2000), Costa Jr. (2001), e Martins
(2005) focam este assunto, porém, apenas os quatro últimos tratam de
resistência ao cisalhamento.
No contexto ambiental, têm sido foco de estudo, as interações físico-
químicas que ocorrem entre solos e fluidos diferentes da água. Estas pesquisas
são realizadas com o intuito de prever o comportamento dos solos em situações
nas quais eles são inundados com produtos químicos variados, como, por
exemplo, situações de derramamentos acidentais, vazamentos em reservatórios
e em tubulações, etc. Alguns pesquisadores, ao analisar a interação entre solos
e substâncias intersticiais alcalinas, observaram mudanças no comportamento
mecânico destes. Os trabalhos de Ignatius e Pinto (1991), Shidharan et al
(1992), Agnelli e Albiero (1997), Moncada (2004), Kumapley e Ishola (1985),
Taqieddin et al (1995), Anandarajah e Zhao (2000), Costa Jr. (2001), e Martins
(2005) focam este assunto, porém, apenas os quatro últimos tratam de
resistência ao cisalhamento.
O objetivo desta dissertação é avaliar a influência de um fluido alcalino na
resistência ao cisalhamento de dois solos, um residual jovem e um coluvionar.
Para tanto, foi utilizado um licor cáustico, fluido proveniente do processo de
beneficiamento da bauxita. A escolha deste fluido e dos solos foi motivada pelo
desenvolvimento, no Núcleo de Geotecnia Ambiental da PUC-Rio, de um projeto
visando avaliar condições potenciais críticas de estabilidade de diques de
contenção de resíduos de processamento da bauxita em uma indústria de
alumínio situada em Poços de Caldas – MG.
O objetivo desta dissertação é avaliar a influência de um fluido alcalino na
resistência ao cisalhamento de dois solos, um residual jovem e um coluvionar.
Para tanto, foi utilizado um licor cáustico, fluido proveniente do processo de
beneficiamento da bauxita. A escolha deste fluido e dos solos foi motivada pelo
desenvolvimento, no Núcleo de Geotecnia Ambiental da PUC-Rio, de um projeto
visando avaliar condições potenciais críticas de estabilidade de diques de
contenção de resíduos de processamento da bauxita em uma indústria de
alumínio situada em Poços de Caldas – MG.
Para estudar a influência das interações físico-químicas no comportamento
mecânico dos solos, foi elaborado um programa experimental que consistiu na
execução de ensaios triaxiais CIU (solo residual jovem) e de cisalhamento direto
(solo coluvionar), tanto com os solos no estado natural como contaminados com
Para estudar a influência das interações físico-químicas no comportamento
mecânico dos solos, foi elaborado um programa experimental que consistiu na
execução de ensaios triaxiais CIU (solo residual jovem) e de cisalhamento direto
(solo coluvionar), tanto com os solos no estado natural como contaminados com
Introdução
23
licor. A contaminação dos solos se deu pela substituição total ou parcial do fluido
intersticial por licor cáustico. De forma completar, foram realizados ensaios de
caracterização física, química e mineralógica, com os solos no estado natural e
contaminado.
A fim de permitir uma boa compreensão dos resultados obtidos, a
dissertação foi dividida em 8 capítulos, incluindo esta introdução, 2 apêndices e
2 anexos.
No Capítulo 2, é apresentada uma revisão bibliográfica sobre as
características de solos tropicais e a influência de fluidos intersticiais, diferentes
de água, na resistência ao cisalhamento.
No Capítulo 3, se faz uma descrição da área de onde foram coletadas as
amostras de solo e de licor cáustico. No Capítulo 4 são listadas as metodologias
de ensaio empregadas.
Já no Capítulo 5, são mostrados e analisados os resultados dos ensaios
de caracterização física, química e mineralógica, efetuados com os solos no
estado natural e contaminado.
No Capítulo 6, são apresentados e analisados todos os resultados dos
ensaios de resistência, bem como o de um ensaio de adensamento edométrico
realizado com o solo residual jovem. E por fim, o Capítulo 7 é formado pelas
conclusões obtidas e sugestões para trabalhos futuros.
O Apêndice I lista as características do licor cáustico. O Apêndice II
contém os coeficientes de adensamento obtidos a partir dos ensaios de
resistência e o valor da permeabilidade do solo residual, adquirida em um dos
ensaios triaxiais.
No Anexo I, é exibida a metodologia de cálculo dos teores dos minerais
que constituem os solos, por meio dos resultados dos ensaios de ataque
sulfúrico. No Anexo II, é apresentada a metodologia utilizada na correção dos
valores das tensões desviadoras, correções estas efetuadas devido ao fato do
solo residual romper formando plano de ruptura.
Revisão bibliográfica
2 Revisão bibliográfica
24
2.1. Solos tropicais
2.1.1. Considerações gerais
Uma vasta área do território brasileiro é recoberta por solos tropicais
devido às condições favoráveis de formação e desenvolvimento (clima quente,
alta pluviosidade e boas condições de drenagem). Estes solos dificilmente são
encontrados na Europa e na América do Norte, o que torna o estudo dos
mesmos responsabilidade dos países de clima tropical, como mencionado por
Terzaghi1. Os solos tropicais podem ser tanto residuais quanto transportados.
Os solos residuais são aqueles formados a partir da decomposição ou
degradação das rochas pelo intemperismo (tipicamente físico ou químico), que
permanecem no local onde foram formados, sem sofrer qualquer tipo de
transporte. Influenciam nas características destes solos a rocha de origem,
clima, topografia e condições de drenagem. Eles são normalmente considerados
não uniformes e apresentam espessura variável.
O solo residual apresenta comportamento bastante diferenciado em
relação aos solos sedimentares. A heterogeneidade, a anisotropia e outras
peculiaridades de ordem geológica dificultam a elaboração de um modelo
conceitual que generalize o seu comportamento. O comportamento deste tipo de
solo está fortemente ligado à sua estrutura e características herdadas da rocha
matriz. Suas propriedades dependem do grau de intemperismo a que o solo foi
submetido, como mencionado por Futai (2002). Assim, existem solos com
comportamentos que variam de baixa compressibilidade e elevada resistência,
como os solos saprolíticos (solos residuais jovens), incluindo nesse extremo as
rochas alteradas, até os solos extremamente instáveis (mais superficiais)
denominados de solos colapsíveis.
1 Discurso de abertura da Segunda Conferência Internacional de Mecânica dos
Solos e Engenharia de Fundações realizada em 1948.
Revisão bibliográfica 25
A influência das características da rocha mãe é mais pronunciada nos
estágios iniciais de intemperismo (sendo de extrema relevância no estudo de
solos residuais jovens), mas, durante os estágios posteriores, outros fatores
pedológicos são mais relevantes, como a laterização.
Segundo Mitchell (1993), o processo de laterização ocorre em ambientes
que apresentem altas temperaturas, chuvas abundantes e boas condições de
drenagem (condições encontradas em várias regiões do Brasil). Neste processo,
bases (Na2O, K2O, MgO) são lixiviadas, há uma rápida quebra de feldspatos e
ferromagnesianos e acumulação de óxidos de alumínio e ferro. Para Bawa
(1957) um solo é laterítico quando a razão entre SiO2 e Al2O3 está entre 1,33 e
2,00. Este processo atinge tanto solos residuais quanto sedimentares.
A maioria dos estudos relacionados a solos residuais no Brasil foca,
principalmente, solos provenientes de rochas metamórficas (gnaisses e xistos),
como constatado nos trabalhos de Maccarini (1980), Brito (1981), Sandroni
(1991), Souza Neto (1998), Oliveira (2000), Silva (2000), Futai (2002), Martins
(2005), Fonseca (2006), entre outros. Dentre as rochas ígneas é dada maior
atenção a solos residuais de basaltos e granitos, como os estudos efetuados por
Tanaka (1976), Melfi (1988), Rigo (2000) e Brant (2005). No entanto, poucas
pesquisas referentes a solos originados a partir de rochas intermediárias foram
realizadas. Isto provavelmente se deve ao fato destas rochas serem encontradas
apenas em uma pequena área do território brasileiro.
O sienito, tipo de rocha que deu origem ao solo residual estudado no
presente trabalho, é uma rocha ígnea plutônica intermediária, também
denominada de rocha alcalina devido ao alto conteúdo de álcalis (K e Na) na
composição dos minerais essenciais; outra característica é a presença de pouco
quartzo ou nenhum (Frascá e Sartori, 1998). Se a rocha for rica em alumínio, o
produto da laterização recebe o nome de bauxita, nome dado a um grupo
complexo de minerais ora amorfos, ora cristalinos, cuja composição é hidróxido
de alumínio. De acordo com Leinz e Amaral (1966), para que se processe a
formação deste minério, além da existência de uma rocha aluminosa em um
ambiente de clima tropical, são necessárias outras condições. A topografia deve
ser suave, reduzindo ao mínimo o efeito erosivo. Deve-se alternar com a estação
chuvosa uma estação seca. Durante este tempo a água ficará agindo nos poros
da rocha em vias de decomposição. Finalmente, a condição mais importante é a
do pH da água, que deve ser favorável. A sílica é tanto mais solúvel quanto mais
alto for o pH. Já a alumina apresenta dois valores, um ácido e outro alcalino. O
Revisão bibliográfica 26
pH ideal para a laterização é entre 8 e 9, onde é relativamente alta a solubilidade
da sílica e baixa a de alumina (Leinz e Amaral, 1966).
Os fonólitos, rochas com características bastante semelhantes aos
sienitos, são rochas destituídas de quartzo. A Tabela 2.1 mostra a composição
química de dois fonólitos e dos seus produtos de alteração. Estes materiais são
de Poços de Caldas, mesma região onde se encontra o solo residual estudado.
No processo de intemperismo desta rocha, grande parte da sílica é lixiviada e as
quantidades de alumina e sesquióxidos de ferro são consideravelmente
aumentadas. A perda de sódio é maior que a de potássio. Este fato é
conseqüência da fácil adsorção dos íons de potássio às partículas de dimensões
coloidais do solo.
Tabela 2.1 - Análise química de dois fonólitos e dos seus produtos de decomposição de
Poços de Caldas, Estação Bauxita (Leinz e Amaral, 1966)
I (%)* II(%)* III (%)* IV (%)* SiO2 53,9 6,67 53,82 4,16 Al2O3 19,42 51,04 19,18 48,42 Fe2O3 3,13 10,63 3,20 7,98 FeO 1,04 0,44 0,95 0,34 MgO - - 0,13 - CaO 1,91 0,34 1,76 - Na2O 7,24 0,78 6,15 0,55 K2O 8,54 1,24 7,9 0,63 H2O+ 3,43 26,82 5,26 27,69 H2O- 0,15 0,25 0,22 8,18 TiO2 0,29 0,50 0,29 0,61 P2O5 0,10 0,29 0,10 0,08 MnO 0,16 0,08 0,28 0,12 Total(%) 99,31 99,08 99,24 98,76 * I e III – Rocha sã; II e IV – Seus respectivos produtos de alteração
Diferentemente dos solos residuais, os solos sedimentares são resultantes
dos processos de erosão e transporte, seguidos de deposição e adensamento
sob a ação do peso próprio. O solo originado de misturas de fragmentos
minerais da rocha subjacente, enriquecidos por detritos vegetais, blocos de
rocha com grãos de qualquer dimensão transportados principalmente por
gravidade das partes mais elevadas, constitui um tipo particular de solo
transportado denominado solo coluvionar, colúvio ou solo alóctone. As argilas
moles e os aluviões também se classificam como solos sedimentares. Solos
coluvionares e aluvionares podem sofrer processo de laterização (Pastore, 1995
e Cruz, 1996).
As principais diferenças entre o comportamento de solos residuais e
sedimentares podem ser vistas na Tabela 2.2.
Revisão bibliográfica 27
Tabela 2.2 - Fatores que distinguem solos residuais e transportados (Brenner et al 1997)
Características Efeito nos Solos Residuais Efeito nos Solos Sedimentares
História de tensões Geralmente não é muito importante.
-Muito importante, -Causa o efeito de pré-adensamento.
Resistência de partículas/ grãos
-Muito variável, -Varia com a mineralogia e existência de partículas alteradas.
-Bastante uniforme, -Presença de poucos grãos alterados que são eliminados no transporte.
Cimentação -Importante para a resistência.
-Ocorre devido ao envelhecimento geológico.
Estrutura reliquiar e descontinuidades
Desenvolvido a partir de estruturas pré-existentes ou características estruturais da rocha mãe, inclui-se a estratificação, juntas, bandamento, etc.
Desenvolvido devido a ciclos de deposição e da história de tensões, gerando possíveis superfícies de falhas.
Anisotropia Ocorre geralmente devido à estrutura reliquiar da rocha.
Devido à deposição e história de tensões.
Índice de vazios Depende do grau de alteração do material.
Depende diretamente da história de tensões.
A seqüência de camadas com diferentes propriedades físicas, formadas in
situ por processos de alteração física e química, e que permanecem recobrindo
o maciço rochoso é denominada, segundo Deere e Patton (1971), como perfil de
intemperismo. Pastore (1992) compara perfis de intemperismo típicos do Brasil
Figura 2.1 onde, na última coluna, o autor inclui no horizonte laterítico os solos
transportados que sofreram laterização. Os perfis desta figura só representam
locais onde os processos intempéricos ocorreram na direção vertical.
Revisão bibliográfica 28
Figura 2.1 – Proposições de perfis de intemperismo típicos do Brasil (Pastore, 1992)
2.1.2. Resistência ao cisalhamento
Como já mencionado, os solos residuais são formados in situ a partir do
intemperismo físico e químico, enquanto solos sedimentares são formados por
um processo de erosão e transporte, seguidos por deposição e adensamento.
Os solos sedimentares podem passar por alterações após a deposição devido a
processos como adensamento secundário, lixiviação, efeitos tixotrópicos e
desenvolvimento de ligações interpartículas (Bjerrum, 1967). Desta forma, para
solos sedimentares, a tendência normal é de que a resistência aumente com o
tempo, conforme o desenvolvimento das ligações e do seu endurecimento. Com
os solos residuais é de se esperar que acontecerá o contrário, as ligações e
cimentações sendo quebradas ou enfraquecidas pelos processos intempéricos.
Outra diferença importante entre estes grupos de solo é a característica
Revisão bibliográfica 29
homogênea dos depósitos sedimentares e o fato de que a história de tensões é
geralmente um fator determinante no comportamento destes (permite a clássica
divisão em solos normalmente adensados e pré-adensados).
Como o comportamento de solos sedimentares é algo bem fundamentado
e conhecido, neste item será dada maior atenção à resistência ao cisalhamento
de solos residuais, apesar de um dos materiais estudados nesta dissertação
tratar-se de um colúvio.
O comportamento de solos residuais não é devidamente representado
pelos modelos da Mecânica dos Solos Clássica, devido às peculiaridades que
estes apresentam em relação ao processo de formação e as suas características
(principalmente estrutura e heterogeneidade).
Mitchell (1993) define estrutura como sendo o termo utilizado para
designar os efeitos combinados de fábrica, composição e forças interpartículas.
Deve-se ficar claro que qualquer solo em seu estado indeformado tem uma
estrutura seja ele residual ou sedimentar, entretanto dar-se-á maior atenção às
estruturas dos solos residuais por motivos que serão discutidos adiante.
A estrutura dos solos residuais é marcada pelo arranjo e ligações entre os
grãos, num certo índice de vazios. Em decorrência destas ligações,
denominadas ‘cimentações fracas’, costuma-se dizer que os solos residuais
constituem solos estruturados. Apesar disto entrar em desacordo com o acima
escrito, este termo será usado no presente trabalho, particularmente por ser
amplamente difundido na literatura internacional.
Segundo Leroueil e Vaughan (1990), a destruição progressiva dessas
ligações entre as partículas dos solos estruturados ocorre principalmente por
compressão, expansão, ação do intemperismo, fluência, fadiga ou cisalhamento,
sendo as principais conseqüências da desestruturação a diminuição da rigidez
do solo, a perda de resistência de pico e o decréscimo da tensão de escoamento
na compressão.
De acordo com Mitchell (1993), as ligações interpartículas de natureza
química (agentes cimentantes como carbonatos, silica, óxido de ferro, alumínio,
compostos orgânicos) e de natureza eletrostática e eletromagnática (forças de
Van Der Waals) são fontes de coesão verdadeira, enquanto a coesão aparente
decorre da sucção (aspecto importante, mas que não será discutido).
A maneira mais comum para se determinar a resistência ao cisalhamento
de solos residuais é através de ensaios de laboratório, seja por cisalhamento
direto ou compressão triaxial.
Revisão bibliográfica 30
Ao serem submetidos a carregamentos verticais com confinamento lateral,
os solos residuais se comportam de maneira semelhante às argilas
sedimentares, diferindo, entretanto, em relação à tensão correspondente a uma
mudança acentuada no gradiente da curva tensão x deformação. Esta tensão,
denominada por Vargas (1953), Leroueil e Vaughan (1990) como “tensão de
escoamento”, não está relacionada com a tensão vertical das camadas de terra
sobrejacentes, e sim com a resistência de ligações interpartículas. A tensão de
escoamento para solos residuais é conseqüência da história de intemperismo e
resulta, principalmente, de dois fatores: índice de vazios e ligações
interpartículas.
De acordo com Vaughan (1985), as principais características do
comportamento de engenharia destes solos são: a) a presença de um intercepto
de coesão e de uma tensão de escoamento, os quais não se relacionam com a
história de tensões, mas sim com o processo de intemperismo, como já
mencionado no parágrafo anterior; b) um comportamento rígido para baixas
tensões (inferiores a tensão de escoamento) e um comportamento mais plástico
para tensões mais elevadas.
Leroueil e Vaughan (1990) analisam o comportamento de solos residuais,
em ensaios triaxiais, da seguinte maneira:
• Quando o solo está submetido a uma tensão efetiva inferior à tensão de
escoamento (obtida na compressão isotrópica) e para baixos níveis de
tensão, o solo exibe uma resistência de pico bem definida, em seguida
perde a resistência e tende para o estado crítico. Os pontos de
escoamento e de resistência máxima são praticamente coincidentes;
• Quando o solo está submetido a uma tensão efetiva inferior à tensão de
escoamento e para níveis mais elevados de tensão, o solo exibe
comportamento inicial rígido até atingir o escoamento, em seguida ocorre
a diminuição de rigidez e o solo passa a ter um comportamento mais
plástico;
• Quando o solo é submetido a uma tensão efetiva superior à tensão de
escoamento, as cimentações são quebradas e o solo se comporta de
maneira semelhante a solos normalmente adensados.
Sandroni (1974), ao estudar o comportamento de solos residuais,
considerou a envoltória de resistência curva até próxima da tensão de
escoamento e acima desta admitiu o comportamento semelhante ao de solos
sedimentares normalmente adensados. A curvatura da envoltória é devido,
principalmente, à presença de cimentações. No entanto, muitos solos residuais
Revisão bibliográfica 31
permitem que sejam traçadas envoltórias totalmente retas, representando de
maneira satisfatória o comportamento do solo.
Wesley (1990) avaliou a resistência ao cisalhamento de dois solos, um silte
arenoso derivado de uma formação siltito e granito, e um argilo siltoso marrom
amarelado, originado a partir do processo de intemperismo em depósitos de
cinzas vulcânicas. Foram realizados ensaios triaxiais não drenados (CIU) com
amostras indeformadas e deformadas. No caso do silte arenoso, as amostras
deformadas eram preparadas com a umidade próxima da natural e os corpos de
prova moldados usando apenas a pressão dos dedos. Já o solo argilo siltoso foi
substituído por um material com composição bastante semelhante ao solo
natural e então compactado na umidade natural. A curva tensão desviadora x
deformação e poropressão x deformação estão mostradas nas Figuras 2.2 e 2.3.
O comportamento dos dois solos demonstra que, nestes casos, a composição
influencia mais na resistência do que a estrutura.
a)
σ 1 –
σ3 (k
Pa)
b) Tensões efetivas de
adensamento
σ1 –
σ3 (k
Pa)
Inderfomado
Remoldado
Inderfomado Compactado
Poro
pres
são
(kP
a)
Poro
pres
são
(kP
a)
Tensões efetivas de adensamento
Figura 2.2 – Resultado de ensaios triaxiais (CIU) a) solo residual silto arenoso
(indeformado e remoldado) b) solo residual argilo siltoso (indeformado e compactado)
(Wesley, 1990)
Deformação axial (%) Deformação axial (%)
Revisão bibliográfica 32
b)
a)
InderfomadoCompactado
Inderfomado Remoldado
Figura 2.3 2 - Trajetória de tensões efetivas a) solo silte arenoso b) solo argilo siltoso
(Wesley, 1990)
2.2. Influência do fluido intersticial na resistência ao cisalhamento
A resistência ao cisalhamento e a compressibilidade dependem de fatores
relacionados ao solo, ao estado de tensões e ao fluido dos poros. As alterações
provocadas no solo por fatores como cátions trocáveis e características do fluido
dos poros dependem da atividade da fração argila (Mitchell, 1976).
Para melhor entendimento do comportamento do solo perante diferentes
fluidos intersticiais, algumas definições básicas, principalmente referentes a
interações físico-químcas, serão apresentadas no subitem a seguir e, só então,
serão relacionados alguns trabalhos que tratam de resistência ao cisalhamento.
Revisão bibliográfica 33
2.2.1. Considerações gerais
Na descrição e compreensão de um solo com teor considerável de argila,
os métodos da mecânica pura não são, em geral, suficientes. Duas argilas com a
mesma curva granulométrica, por exemplo, podem ter propriedades coloidais
muito diferentes dependendo da sua natureza mineralógica, que conduzem a
comportamentos também diferentes do ponto de vista de engenharia. Para
prever o comportamento destes solos é importante estudar suas propriedades
físico-químicas, uma vez que estas influenciam características como
plasticidade, expansão e contração, estrutura, permeabilidade, resistência ao
cisalhamento, colapso, compactação, etc.
A fração fina do solo é composta pelo que se denomina de argilominerais.
De acordo com Santos (1975), argilominerais são partículas cristalinas
extremamente pequenas compostas por silicatos hidratados de alumínio e ferro,
podendo conter certo teor de elementos alcalinos e alcalino-terrosos. Dentre as
principais propriedades dos argilominerais tem-se a superfície específica, a
natureza e a porcentagem de íons trocáveis, as capacidades de troca catiônica e
aniônica, a espessura da camada de água adsorvida, a espessura da dupla
camada elétrica, as características do fluido intersticial (constante dielétrica,
condutividade elétrica, pH, concentração e natureza de íons dissolvidos,
temperatura, viscosidade, peso específico), etc.
A água contida nos solos pode apresentar-se de três formas: adsorvida na
superfície dos argilominerais, fazendo parte da estrutura molecular das
partículas sólidas ou preenchendo os vazios. Grim (1965) demonstrou que a
água adsorvida (não líquida ou rígida) tem propriedades diferentes da água
líquida. Essa água tem moléculas organizadas em uma espécie de estrutura
rígida a partir da superfície dos argilominerais, cujas características dependem
da natureza do argilomineral e da natureza dos ânions e cátions adsorvidos na
superfície deste. A natureza da água adsorvida e os fatores que influem na
formação da camada de água adsorvida à superfície dos argilominerais são
pontos fundamentais que determinam certas propriedades dos sistemas
argila+água, tais como a plasticidade, a viscosidade, a tixotropia, o poder ligante
e a resistência mecânica no estado úmido (Santos, 1975). As camadas de água
adsorvidas contribuem para o aumento das ligações entre as partículas, sendo
fonte de coesão verdadeira (Vargas, 1981).
Revisão bibliográfica 34
Os argilominerais têm capacidade de trocar íons, isto é, têm íons fixados
na superfície, entre as camadas e dentro dos canais do retículo cristalino que
podem ser trocados através de reações químicas, por outros íons, em solução
aquosa, sem que isso venha a trazer modificação na estrutura cristalina. As
propriedades plásticas e outras propriedades de uma argila também podem ser
modificadas pela permuta de íon adsorvido (Santos, 1975).
Os minerais de carga superficial variável predominam nos solos tropicais,
enquanto que nos solos não tropicais predominam os minerais de carga
superficial constante. Um mineral tem carga superficial constante quando esta é
originada de substituições isomórficas, sendo geralmente negativa, fixa, não
manipulável e independente da composição do fluido dos poros. A carga
superficial é variável quando sua magnitude se altera de acordo com o pH do
fluido do poro (Casanova, 1989).
Lambe e Whitman (1979) adotam o termo floculado quando o efeito
resultante das forças entre as partículas de argilominerais for de atração, com
tendência de aproximação destas, e o termo disperso quando predominam as
forças repulsivas, com tendência de afastamento das partículas. As forças
interpartículas mais importantes são a força mecânica (ou força repulsiva de
Born), forças de atração de Van Der Waals e a força repulsiva da dupla camada
(Anandarajah e Zhao, 2000). É de maior importância, devido à sua magnitude, a
força repulsiva da dupla camada.
Um solo com estrutura floculada apresenta maior resistência, menor
compressibilidade e maior permeabilidade que o mesmo solo, no mesmo índice
de vazios e com estrutura dispersa. A predominância de forças atrativas de Van
Der Waals na condição floculada resulta em aproximação das partículas e
aumento dos contatos mecânicos, com conseqüente aumento de coesão
verdadeira e do ângulo de atrito.
Adicionando-se certos sais alcalinos, como polifosfatos de sódio,
observa-se uma dispersão das partículas menores. Estes sais fornecem cátions
de sódio à dupla camada da face maior dos argilominerais. No entanto, o ânion
polifosfato é adsorvido na face menor (aresta). Esta adsorção faz com que a face
menor de carga positiva, quando “coberta” com uma camada de monocamada
de polifosfato, de carga negativa, tenha a carga de mesma natureza da face
maior. Assim, as interações face maior-aresta e aresta-aresta são destruídas
resultando em uma estrutura mais dispersa (Santos, 1975).
Revisão bibliográfica 35
2.2.2. Resistência ao cisalhamento
A influência do pH do fluido intersticial e do tipo de cátion trocável, na
resistência, é percebida quando se trata solos com diferentes tipos de fluidos e
cátions. Abaixo, são citados alguns trabalhos que avaliam principalmente a
resistência ao cisalhamento de diferentes solos na presença de diferentes fluidos
intersticiais.
Taqieddin et al (1995) discutiram os aspectos físico-químicos da
resistência ao cisalhamento de uma argila ilílitica siltosa, altamente
compressível. Esta argila foi tratada com três tipos de cátions: sódio, cálcio e
potássio, em três diferentes valores de pH (2, 7, 12). Os corpos de prova eram
compactados com diferentes umidades (abaixo, acima e na umidade ótima) e
submetidos a ensaio de compressão triaxial não drenado (CIU). Os resultados
obtidos indicaram que a resistência do solo não contaminado foi maior do que a
dos solos tratados. Entre os solos tratados com cátions, o solo tratado com
potássio mostrou a maior resistência, seguido do solo tratado com cálcio, para
todas as condições na curva de compactação, exceto no ramo úmido, onde o
solo tratado com cálcio apresentou a maior resistência. Solos tratados com Na
sempre mostraram a resistência mais baixa devido a seu alto poder dispersor, ao
contrário do cálcio e potássio que apresentaram tendência floculante. A maior
resistência foi obtida para pH igual a 7, sendo observado também que a
resistência na condição ácida foi maior do que na condição básica.
Kumapley e Ishola (1985) estudaram a influência da contaminação química
por soda cáustica, no limite de liquidez e na resistência não drenada de três
solos cauliníticos. Os resultados obtidos por eles mostraram que o aumento da
concentração de soda cáustica causa um decréscimo no limite de liquidez e na
resistência não drenada devido à ação dispersante da soda cáustica (Figuras 2.4
e 2.5).
Revisão bibliográfica 36
Lim
ite d
e liq
uide
z (%
)
pH
Figura 2.4 – Variação do limite de liquidez com o pH (Kumapley e Ishola,1985)
Um
idad
e (%
)
Figura 2.5 – Variação da resistência não drenada com o pH ( Kumapley e Ishola, 1985)
Resistência não drenada (kPa)
Costa Júnior (2001) avaliou a resistência ao cisalhamento de um solo
laterítico do Maranhão quando saturado com soluções de hidróxido de sódio
(NaOH) com concentrações e pH variados. O comportamento mecânico foi
analisado através de ensaios triaxiais drenados (CID). O autor detectou que os
parâmetros de resistência ao cisalhamento, assim como as curvas
granulométricas, foram pouco afetadas pelos licores cáusticos. Isto ocorre,
principalmente, devido ao fato do solo conter uma fração argila muito pequena
(8%).
Brancucci et al (2003) realizaram ensaios de cisalhamento direto em solos
argilosos contendo quantidades variáveis de esmectita. Eles concluíram que o
aumento da constante dielétrica (ε) implica no aumento da camada dupla,
desenvolvimento de estrutura mais dispersa, diminuição do atrito entre partículas
e menor resistência ao cisalhamento. Ao utilizar como fluido intersticial água
Revisão bibliográfica 37
destilada (ε = 80), por exemplo, o ângulo de atrito obtido foi de 5o. Já para uma
solução de 1M NaCl (ε = 70) o ângulo de atrito encontrado foi de 15o.
Anadarajah e Zhao (2000) investigaram a influência do fluido dos poros na
resistência ao cisalhamento e no comportamento tensão-deformação de um solo
caulinítico da Geórgia. Além da água, foram utilizados os seguintes fluidos
orgânicos: formamida, etanol, ácido acético, trietrilamina e eptano, com
constantes dielétricas iguais a 111; 24,3; 6,16; 2,42; 1,91; respectivamente. As
amostras eram preparadas com teor de umidade de 135 % (2,5 vezes o limite de
liquidez), adensadas edometricamente e guardadas em uma câmara úmida. Em
seguida, corpos de prova com 7,1 cm de diâmetro e 7,6 cm de altura eram
moldados a partir das amostras adensadas e então submetidos aos ensaios CIU
convencionais. Foram realizados ensaios com amostras saturadas com água,
não lixiviadas, para servir como referência. Nos demais ensaios os fluidos
orgânicos eram percolados pelos corpos de prova após o adensamento. A
Figura 2.6 ilustra os resultados obtidos nos ensaios CIU com amostras lixivadas
com heptano e ácido acético.
Os autores detectaram que há mudanças significativas no comportamento
tensão-deformação e nas trajetórias de tensões efetivas em relação ao solo não
lixiviado. Em todos os casos, observou-se que os fluidos orgânicos causaram um
“pré-adensamento aparente”, apresentando resistências de pico mais elevadas e
gerando excessos de poropressão menores durante o cisalhamento não
drenado, em comparação ao solo não lixiviado (ver Tabela 2.3). A tensão
desviadora máxima não é atingida nos ensaios realizados com formamida,
trietilamina e heptano devido à limitação da deformação específica axial de 10%
(ver letra “a” da Figura 2.6).
Revisão bibliográfica 38
Não lixiviado (água) Lixiviado, pi=100 kPa Lixiviado, pi=200 kPa
Não lixiviado (água) Lixiviado:
100 kPa 200 kPa 400 kPa
q (k
Pa)
q (k
Pa)
p (kPa) Trajetória de tensões efetivas p (kPa)
Trajetória de tensões efetivas Não lixiviado (água)Lixiviado,
Lixiviado,pi=200 kPa
pi=100 kPaNão lixiviado (água)
Lixiviado: 100 kPa 200 kPa 400 kPa
q (k
Pa)
q (k
Pa)
ε(%) Relação tensão – deformação
ε(%) Relação tensão – deformação
Figura 2.6 – Comportamento não drenado de amostras normalmente adensadas
lixiviadas e não lixiviadas a) heptano b) ácido acético
Tabela 2.3 – Resistência ao cislhamento de pico (não drenada), corpos de prova lixiviados e não lixiviados (Anandarajah e Zhao, 2000)
Tensão desviadora máxima - q (kPa) Fluido intersticial Constante dielétrica 100kPa 200kPa 400kPa
Formamida 111 126,8 225,4 - Água 80 65,0 107,6 205,8 Etanol 24,2 98,8 141,8 227,8 Ácido acético 6,1 215,4 262,2 - Trietilamina 2,4 160,6 256,6 - Heptano 1,9 296,0 372,6 438,8
Ainda observa-se que valores maiores de resistência ao cisalhamento
correspondem a constantes dielétricas menores, sendo os ensaios com ácido
acético e formamida exceções. No caso do ácido acético, o comportamento
anormal é atribuído à dissolução de argilominerais e sais do solo, tais como
Revisão bibliográfica 39
CaCO3. Já o comportamento dos ensaios realizados com formamida se deve ao
elevado valor da constante dielétrica e ao fato de que os sais do solo não se
dissolveram na formamida, resultando num predomínio de forças de atração,
apesar de sua constante dielétrica ser maior que a da água.
Os autores justificaram os resultados obtidos em termos de alterações de
forças interpartículas da seguinte maneira:
• Aumento dos contatos mecânicos: quando o fluido provoca a
diminuição das forças de repulsão, certamente ocorre a
aproximação de partículas e então contatos mecânicos que antes
não existiam tornam-se possíveis. O aumento destes contatos é
que provoca o comportamento aparente de “pré-adensado”.
• Aumento da coesão global: quando o fluido provoca aumento das
forças de atração (Van Der Waals), torna-se mais difícil afastar as
partículas, aumentando assim a coesão.
Não foram realizadas análises referentes a parâmetros efetivos de
resistência e envoltórias de ruptura.
Martins (2005) estudou a influência das interações físico-químicas no
comportamento mecânico e hidráulico de dois solos residuais de origem
gnaíssica, um laterítico (1 m de profundidade) e outro saprolítico (5 m de
profundidade). Para tanto, ela desenvolveu um programa experimental
envolvendo ensaios de caracterização, adensamento edométrico,
permeabilidade e ensaios triaxiais CIU e CID. O efeito das interações foi
investigado provocando-se a desestruturação dos solos e comparando-se os
resultados obtidos nesta condição com os resultados correspondentes ao solo
intacto. A desestruturação foi induzida através da remoldagem (nas vizinhanças
do limite de liquidez) e através da substituição do fluido intersticial por soluções
de hexametafosfato de sódio e carbonato de sódio com concentrações e pH pré-
definidos. De maneira geral, os resultados obtidos evidenciaram importantes
mudanças na estrutura (principalmente dispersão devido à presença do cátion
sódio nos fluidos) e no comportamento, em relação à condição intacta, em
especial o de 1 m de profundidade, por ter maior teor de argila.
A autora observou que os limites de consistência diminuíram com o
aumento da concentração das soluções (resultado de uma maior concentração
de sódio), com exceção do solo de 5 m de profundidade quando ensaiado com
soluções mais concentradas, as quais não influenciaram nos seus limites.
No que se refere ao comportamento mecânico, os resultados obtidos por
meio dos ensaios triaxiais drenados (CID) mostraram que houve uma redução da
Revisão bibliográfica 40
resistência de pico e a ruptura foi alcançada, na maioria dos ensaios, para
menores deformações axiais. As envoltórias de pico dos ensaios com solo
remoldado, solo com solução 0,001N e solo intacto foram praticamente
coincidentes. A envoltória de pico do ensaio com solução 0,1 N posicionou-se
mais abaixo que as demais. De forma geral, nos ensaios CIU, o solo intacto
apresentou maior resistência e rigidez que o solo remoldado e com soluções. A
influência das cimentações no comportamento do solo foi significativa no ensaio
com tensão efetiva de adensamento igual a 25 kPa.
Existem outros trabalhos que analisam as interações entre o fluido
intersticial e o solo. D’Appolonia (1980), Barreto et al (1982), Simons e Reuter
(1985), Pavilonski (1985), Ignatius e Souza Pinto (1991), Agnelli e Albiero (1997),
Taubald et al (2000), Claret et al (2002), Savage et al (2002), Josefaciuk et al
(2002), Moncada (2004), são apenas alguns exemplos. A maioria deles foca a
permeabilidade e a colapsividade, temas que não são tratados nesta
dissertação.
2.3. Dados de trabalhos anteriores
Ao longo dos anos, tem havido um monitoramento constante da área em
estudo através de ensaios geotécnicos, de laboratório e de campo. Na Tabela
2.4 estão alguns resultados de ensaios de caracterização física e de resistência
realizados anteriormente. Procurou-se mostrar apenas dados de solos com
características semelhantes aos estudados.
Observa-se que há uma grande variabilidade nos parâmetros referentes
tanto às características físicas quanto às de resistência para um mesmo tipo de
solo. Uma das amostras analisadas, a PI-02, estava contaminada por licor e,
provavelmente por isto, apresentou parâmetros de resistência bastante inferiores
aos obtidos nos demais ensaios realizados com solos saprolíticos. Na Figura 2.7
encontra-se a locação dos pontos de coleta das amostras utilizadas nos ensaios
citados naTabela 2.4.
Revisão bibliográfica 41
1 km
SRJ – ponto de coleta do solo residual jovem estudado SC – ponto de coleta do solo coluvionar
Figura 2.7– Locação dos pontos de coleta de amostras de trabalhos anteriores (citadas na Tabela 2.4)
43
Tabela 2.4– Ensaios realizados anteriormente a partir de solos da área de estudo
Fonte Solo Pontos de coleta
Prof. (m)
gnat
(kN/m3)
LL (%)
LP (%) G w
(%) k
(cm/s) e c’ (kPa)
φ’ (o)
Ensaios de resistência realizados
Colúvio PI-01 5 15,5 55 36,6 2,66 55,96 1,4x10-4 1,626 8,53 28,42 CIU e Cis.direto
LPS (1995) S.R.J.
(silte argiloso) PI-02 4,5 16,23 47,1 28,8 2,75 51,11 - 1,152 7,25 23,72 CIU e Cis. direto (solo contaminado com licor)
Colúvio PI-03 1,5 15,10 - - - - - - 24,43 30,1 Cisalhamento diretoGround (1996)
S.R.J. (silte argiloso) PI-03 3 11,8 - - - - - - 18,04 30,7 Cisalhamento Direto
Colúvio ou S.R.M
(argila siltosa) PI-04 2 15,92 78 39 2,75 44,8 7,5x10-7 1,454 0 28 Cisalhamento direto
Colúvio (silte argiloso) PI-05 5 16,43 56 28 2,68 34,5 - 1,152 41,19 25 Cisalhamento Direto
S.R.J. (silte argiloso) PI5-101 5 16,51 98 43 2,7 44,1 - 1,312 28,73 29 Cisalhamento direto
Geotécnica (2001)
S.R.J. (silte argiloso) PI-04 5 16,61 64 34 2,88 48,7 8,5x10-7 1,529 33,54 24 Cisalhamento direto
Revisão bibliográfica 42
Características do local e amostragem
3 Características do local e amostragem
43
3.1. Localização da Área de Estudo
Os solos estudados na presente dissertação ocorrem no Planalto de Poços
de Caldas, na região sudoeste do Estado de Minas Gerais (Figura 3.1). O
planalto abrange parte dos municípios de Poços de Caldas, Caldas, Andradas e
Águas de Prata (Franklin, 2005). As amostras foram coletadas na área de
disposição de resíduos de uma indústria de alumínio, localizada a cerca de
10 km ao sul da cidade de Poços de Caldas que, por sua vez, encontra-se a
noroeste da cratera de um antigo vulcão (Figura 3.2).
Poços de Caldas - MG
Área de estudo
Campinas
Andradas
São Paulo - SP
Brasil
Poços de Caldas
Figura 3.1 - Localização da região onde se encontra a área de estudo (adaptada de
Enviro-Tec,2001)
Características do local e amostragem
44
Poços de Caldas
Local de Estudo
Rio das Antas Morro
do Ferro Rio
Verde Caldas
Águas de
Prata
Andradas
EstradasCidades
Bordas da Caldeira
Rios
Figura 3.2: Localização da área de coleta das amostras dentro do Planalto de Poços de
Caldas (modificado de Franklin, 2005)
3.2. Aspectos Fisiográficos
As informações contidas neste item foram extraídas essencialmente de
Fraenkel (1985), que apresenta um resumo das características fisiográficas da
região onde está inserida a área que contem os solos estudados. Dados não
obtidos neste trabalho estão devidamente referenciados.
O Planalto de Poços de Caldas tem forma aproximadamente circular com
diâmetro de cerca de 30 km. Até a década de 70, a economia da região era
baseada em criação de gado, agricultura e turismo, porém, a partir deste
período, houve um grande avanço na industrialização da área. Entre as
indústrias da região destacam-se as de alumínio, laticínios, cerâmica, têxteis e
fertilizantes.
Características do local e amostragem
45
3.2.1. Clima e Vegetação
O clima da região é classificado como tropical mesotérmico brando úmido,
com duas estações bem marcadas. A temperatura media anual é de 18o C, a
mínima chega, às vezes, abaixo de 0o C e a máxima raramente alcança 30o C. A
estação chuvosa ocorre de novembro a abril, havendo uma concentração de
cerca de 82 % da precipitação média anual (1700 mm) neste período. Tais
aspectos climáticos determinam a perenização dos rios da região.
A vegetação predominante na área é a de campos naturais. Em grotas e
nascentes ao longo dos principais cursos d’água, existem capões de mata
exuberantes. Do lado interno das serras que bordejam a face norte do planalto,
ocorrem florestas densas naturais.
3.2.2. Hidrografia
Os rios da região pertencem ao sistema de afluentes da margem esquerda
do rio Pardo, tributário do Rio Grande. Seus cursos d’água são constituídos e
alimentados apenas pelas precipitações pluviométricas e, formando dois
sistemas de drenagens o do rio das Antas e do rio Verde. O primeiro drena 75%
do Planalto, sendo represado antes de cruzar a cidade de Poços de Caldas
(Represa Saturnino de Brito) e antes de precipitar-se encosta abaixo ao noroeste
(Represa Bortolan). O rio das Antas nasce perto da borda sudeste e atravessa
todo o Planalto, descrevendo ângulos quase retos, ora para NE, ora para NW. O
rio Verde e seus afluentes formam um sistema bem menos extenso, o qual drena
a porção leste do Planalto.
De acordo com LPS (1993), o sistema de drenagem superficial do local de
coleta das amostras, hoje completamente modificado com a implantação de
obras, denota ainda um caráter dentrítico, típico da região e característico para a
formação das litologias existentes. Quatro cursos de água cortam o local: Rio
das Antas e Córregos ou Ribeirões das Vargens, do Alcino e do Papão, com os
dois primeiros córregos constituindo afluentes do Rio das Antas.
3.2.3. Solos
Sobre o ponto de vista pedológico, há predominância de solos
classificados como latossolos, formados in-situ, por efeito do intemperismo,
Características do local e amostragem
46
característico de regimes pluviométricos torrenciais com duas estações bem
marcadas. Esse fenômeno é também responsável pelas extensas formações
superficiais de bauxita, favorecido pela ausência de quartzo das rochas
sieníticas.
A espessura do manto de decomposição das rochas é bastante variável,
pois enquanto o solo, superficial maduro e subsuperficial residual jovem, tem
espessura de até alguns metros, a rocha decomposta alcança até 100-150m de
profundidade em determinados locais.
3.2.4. Relevo
O Planalto possui uma forma circular, com diâmetro de aproximadamente
30 km. A altitude média no seu interior é de 1300 m, enquanto a região
circundante não vai além de 800 m. Delimitando a intrusão alcalina e fazendo
parte dela, existe um anel de montanhas que constitui um dique anelar, cujas
altitudes variam entre 1500 m e 1700 m. A ação do intemperismo, facilitada pela
alteração hidrotermal das rochas e pelo regime torrencial do clima, provocou
rebaixamento drástico na área interna do Planalto, tornando ainda mais notável o
aspecto de caldeira.
3.3. Geologia
Segundo Moreira (2001), o Planalto de Poços de Caldas compreende um
complexo alcalino situado entre a Bacia Sedimentar do Paraná e a Serra da
Mantiqueira, sendo intrusivo ou encaixado em rochas pré-cambrianas do
embasamento cristalino constituído por rochas Arqueanas do complexo Varginha
(gnaisses, migmatitos, granulitos). As rochas mais abundantes deste maciço são
as nefelinas-sienitos (tinguaítos, fonolitos, foiaitos), de idade Mesozóica-
Zenozóica. Estas rochas, de origem ígnea, apresentam a característica de
inexistência de quartzo em sua composição mineralógica, tendo tipicamente
como componentes principais, feldspatóides, feldspatos sódicos e potássicos e
piroxinênio.
Os diversos tipos litológicos de filiação alcalina podem ser agrupados em
três conjuntos:
• Brechas, tufos e aglomerados – que correspondem ao material
vulcânico aflorante na porção noroeste do maciço;
Características do local e amostragem
47
• Rochas efusivas e hipabissais – respectivamente representadas
por fonólitos e tinguaítos;
• Rochas plutônicas – constituídas por foiaítos e lauranjitos, com
ocorrência de chibinitos em menores proporções.
Nenhum estudo específico visando à definição da geologia predominante
no local de estudo foi desenvolvido. Considerando, entretanto, a Figura 3.3, que
mostra um mapa litológico da região de Poços de Caldas, é aparente que a área
está situada em um local com predominância de foiaítos. Através da análise dos
inúmeros furos de sondagem executados, as unidades geológicas foram
denominadas por de Campos (2004), como sendo:
• Embasamento rochoso – compreende rochas não identificadas
(potencialmente foiaítos). É, aparentemente, intemperizado e
fraturado ao longo do contato com as unidades sobrejacentes.
• Depósitos de turfa e sedimentos coluvionar-aluvionar – os
depósitos de turfa são constituída por detritos orgânicos moles. Já
os de sedimentos coluvionar-aluvionar são formados
essencialmente por siltes argilosos.
Local de Estudo
Figura 3.3 – Mapa geológico do Planalto de Poços de Caldas (adaptado de Enviro-Tec,
2001 por de Campos et al, 2004)
Características do local e amostragem
48
3.4. Amostragem
Para a disposição dos resíduos provenientes do beneficiamento e
processamento da bauxita, a indústria de alumínio, ao longo dos anos, tem
construído áreas de resíduo de bauxita – ARB’s (área de resíduo de bauxita)
para acomodar estes rejeitos. As amostras indeformadas de solo foram
coletadas na área de empréstimo utilizada por esta indústria para a construção
das ARB’s 4 e 6 (ver Figura 3.4). Este local foi selecionado pelo fácil acesso e
pela semelhança entre os solos contidos neste e os presentes nas fundações de
algumas ARB’s já existentes e por ser a área onde será construída a ARB 8.
ARB 2
ARB 6
ARB 6A
ARB 4
ARB 3
ARB 1
ARB 5 Área de
empréstimo
ARB 7
Figura 3.4 – Posição da área de empréstimo de onde foram coletados os solos
Foram coletados dois blocos de amostras indeformadas, tanto de um solo
residual, a uma profundidade de 4,5 metros, quanto de um solo coluvionar, a
1 metro de profundidade. Os blocos tinham dimensões de 30 x 30 x 30 cm e
foram devidamente vedados com parafina após serem envoltos com papel
alumínio. Em seguida, foram acondicionados em caixotes de madeira com
serragem. A coleta se deu no mês de abril de 2005 em dias precedidos de
chuva. As amostras foram subseqüentemente armazenadas na câmera úmida
Características do local e amostragem
49
do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio até sua utilização.
Todo o processo de amostragem foi realizado por uma empresa terceirizada.
Por meio de análise tátil – visual, observou-se que o solo residual tratava-
se de um solo saprolítico amarelado, silto-argiloso (provável inexistência de
quartzo), com aspecto macroscópico aparentemente homogêneo. No entanto, ao
observá-lo de maneira mais detalhada, constatou-se a presença de microfissuras
e de concreções bauxíticas. Na Figura 3.5 há a indicação de uma concreção
bauxítica presente em uma das amostras indeformadas.
O colúvio coletado apresentava coloração avermelhada e concreções
rígidas em meio a uma matriz argilo-siltosa (Figura 3.6). O solo era
extremamente heterogêneo e continha, em suas concreções, manganês.
Concreção bauxítica
Figura 3.5 – Concreção bauxítica presente na amostra indeformada do solo residual
jovem
Concreção
Matriz argilo-siltosa
Figura 3.6 – Foto da amostra do solo coluvionar indicando os elementos que o compõe
Equipamentos e metodologias de ensaio
4 Equipamentos e metodologias de ensaio
50
O principal objetivo desta dissertação, como já mencionado, é avaliar o
efeito do licor nas características de resistência de dois solos, um saprolítico e
outro coluvionar, no estado natural e contaminado com licor cáustico. Para tanto,
ensaios triaxiais CIU foram realizados com o solo residual jovem e de
cisalhamento direto com o colúvio. Além dos ensaios básicos de caracterização,
outros foram feitos com o intuito de auxiliar nas análises dos resultados dos
ensaios triaxiais e de cisalhamento direto. Os solos contaminados foram obtidos
a partir de corpos de prova percolados por licor, nos ensaios triaxiais, e
“saturados” por sucção, nos ensaios de cisalhamento direto. Em todos os
ensaios se buscou essencialmente avaliar as características dos solos antes e
após a contaminação, por isso a maioria dos ensaios foi realizada para estas
duas situações.
Características básicas do licor cáustico, como pH, teor alcalino e
condutividade elétrica, também foram determinadas, sendo as metodologias
utilizadas apresentadas neste capítulo.
Consta na Tabela 4.1 o resumo de todos os ensaios executados para cada
solo. As metodologias utilizadas na maioria deles são detalhadas a seguir.
Equipamentos e metodologias de ensaio 51
Tabela 4.1 – Resumo dos ensaios realizados
* Obtido através dos corpos de prova percolados por licor, nos ensaios triaxiais # Obtido a partir dos corpos de prova saturados por sucção nos ensaios de cisalhamento direto
Caracterização física Caracterização química Caracterização mineralógica Ensaios de Resistência
Solo Gs Granulometria Limites de
Atterberg pH Complexo sortivo
Química total C.E. Ataque
Sulfúrico Amorfos DRX ATD Observação
na lupa binocular
Adensto. Edométrico Triaxial
CIU Triaxial
CID Cisalhamento
direto
Residual Natural
x x x x x x x x x x x x x x x -
Residual Contaminado*
- x x x x - - x x x x - - x x -
Colúvio Natural
x x x x x X x x x x x - - - - x
Colúvio Contaminado#
- x x x x - - x x x x - - - - x
Equipam
entos e metodologias de ensaio 51
Equipamentos e metodologias de ensaio 52
4.1. Caracterização física
Para a caracterização física dos solos, realizou-se ensaios de limites de
consistência, peso específico dos grãos (Gs) e análise granulométrica. As
amostras foram preparadas de acordo com o procedimento de secagem prévia
(NBR 6457/84).
4.1.1. Granulometria
Como os solos estudados são constituídos por frações grossas e finas, a
análise granulométrica foi obtida pela combinação dos ensaios de peneiramento
e de sedimentação (granulometria conjunta).
Os ensaios de granulometria seguiram as prescrições da norma NBR
7181/84, com algumas adaptações. A ABNT recomenda a realização de ensaios
de sedimentação com material passante na peneira de 2 mm (#10), e os
realizados foram feitos com o material passante na peneira de 0,42 mm (#40).
No entanto, as alterações mais significativas são referentes aos fluidos utilizados
como defloculante, o que gerou quatro situações. No caso do solo natural, além
do ensaio de sedimentação convencional, que utiliza hexametafosfato de sódio
como defloculante, ensaios de sedimentação com água e licor cáustico em
substituição ao hexametafosfato de sódio foram efetuados. Já com o solo
contaminado, o ensaio de sedimentação foi realizado com o defloculante que a
ABNT recomenda (hexametafosfato de sódio).
Em linhas gerais, os ensaios de sedimentação consistiram em colocar 50
gramas de solo destorroado (natural ou contaminado), seco ao ar, passante na
peneira # 40 em 125 mL de defloculante (água, hexametafosfato ou licor
cáustico) e deixar em repouso por um período de 24 horas. Só então se procedia
à dispersão mecânica e colocava-se a mistura em uma proveta de 1000 mL cujo
volume era completado com água destilada.
4.1.2. Limites de Atterberg
Os ensaios de limite de liquidez e limite de plasticidade seguiram as
determinações das normas NBR 6459/84 e NBR 7180/84, respectivamente.
Assim como nos ensaios de granulometria, algumas adaptações foram feitas,
gerando 3 situações. Na primeira situação, utilizou-se o solo natural com água
Equipamentos e metodologias de ensaio 53
destilada; na segunda, solo natural com licor cáustico e na terceira, solo
contaminado com água destilada.
Todos os ensaios foram realizados com amostras destorroadas, secas ao
ar e passantes na peneira # 40 acrescentando-se o fluido (água ou licor).
4.1.3. Densidade dos grãos (Gs)
Na determinação do peso específico dos grãos, utilizou-se 25 gramas de
solo passante na peneira # 40. A deaeração foi promovida pela aplicação de
vácuo durante 15 minutos ou até a detecção de ausência total de bolhas de ar. O
procedimento adotado está de acordo com a norma NBR 6508/1984.
Foram determinados os Gs apenas dos solos naturais.
4.2. Caracterização química
A maioria dos ensaios referentes às análises químicas foram realizados no
Centro Nacional de Pesquisas de Solos CNPS/EMBRAPA. As análises seguiram
as metodologias apresentadas no Manual de Métodos de Análise de Solo
(CNPS/EMBRAPA, 1997). Executou-se os seguintes ensaios: pH em água e
KCl, condutividade elétrica, amorfos, complexo sortivo e ataque sulfúrico.
Com o intuito de caracterizar melhor os dois solos, ensaios de análise
química total foram efetuados nos dois solos no estado natural. Estas análises
foram realizadas no Departamento de Geologia da Universidade Federal do Rio
de Janeiro - UFRJ. Nas amostras de solo, os elementos foram determinados por
fluorescência de raios-X em amostras fundidas com tetraborato de lítio. Através
destas análises foi possível determinar os teores de Sílica (SiO2), Alumina
(Al2O3), óxido de titânio (TiO2), ferro (Fe2O3), cálcio (CaO), magnésio (MgO),
sódio (Na2O), potássio (K2O), dentre outros elementos presentes nos solos.
4.3. Caracterização mineralógica
A caracterização mineralógica das amostras foi obtida por meio dos
ensaios de difração por raios-X (DRX), análise térmica diferencial e observação
na lupa binocular.
Equipamentos e metodologias de ensaio 54
4.3.1. Difração por raios-X (DRX)
Os ensaios de difração por raios-X foram executados no Departamento de
Ciência dos Materiais e Metalurgia (DCMM) da PUC-Rio, utilizando um
difratômetro Siemens D5000, com irradiações realizadas no intervalo de 2 a 30o.
A velocidade de varredura da amostra no difratômetro foi de 0,02o por segundo.
Na caracterização da fração areia fina, utilizou-se material passante na
peneira # 40 e a análise foi feita pelo método do pó. Já para caracterizar as
frações silte e argila fabricou-se lâminas delgadas pelo método do gotejamento
com material passante nas peneiras # 200 e # 400.
4.3.2. Análise térmica diferencial
Para análise termodiferencial, foram utilizados materiais passantes na
peneira # 40. Os ensaios foram executados no Departamento de Ciência dos
Materiais e Metalurgia (DCMM), com o auxílio de um equipamento do fabricante
Perkin Elmer e do sistema de aquisição de dados Pyris. As amostras foram
aquecidas até 800 oC, com aumento de 20 oC por minuto.
4.4. Ensaios triaixiais
Todos os ensaios triaxiais foram executados no Laboratório de Geotecnia
e Meio Ambiente da PUC-Rio.
Descreve-se a seguir, os equipamentos utilizados neste tipo de ensaio,
bem como as metodologias empregadas, dando-se maior ênfase a
equipamentos e procedimentos desenvolvidos no presente trabalho.
4.4.1. Equipamentos utilizados
4.4.1.1. Prensa triaxial
As duas prensas utilizadas são da marca Wykeham-Ferrance, de
velocidade de deslocamento controlada, com capacidade de 5 toneladas. O
ajuste das velocidades de deslocamento do pistão é feito mediante uma seleção
adequada de pares de catracas, com as respectivas marchas.
Equipamentos e metodologias de ensaio 55
As células triaxiais empregadas são próprias para corpos de prova com
diâmetro de 1,5” Possuem um copo de acrílico que suporta uma pressão
confinante máxima de 1000 kPa. As bases de alumínio foram substituídas por
bases de PVC desenvolvidas no laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da
PUC-Rio especialmente para ensaios triaixiais que envolvessem fluidos a base
de soda cáustica (maiores detalhes ver trabalho de Costa Júnior, 2001).
4.4.1.2. Sistema de aplicação de pressão
Na aplicação da pressão confinante e da contrapressão, utilizou-se um
sistema de ar comprimido controlado por um painel de válvulas reguladoras de
pressão (ver Figura 4.1). No caso da contrapressão o ar comprimido era aplicado
no medidor de variação de volume (MVV) que transmitia pressão para o fluido
(água ou licor). Os demais detalhes presentes na figura são discutidos a seguir.
4.4.1.3. Transdutores de força, de deslocamento e de pressão
As células de carga utilizadas são do fabricante Wykeham-Ferrance, com
capacidade máxima de 5 kN e exatidão de 0,01 N.
Para obtenção dos deslocamentos foram utilizados extensômetros
elétricos da marca LSC Transducer, com cursor de 50 mm e resolução de
10 µm.
Os transdutores empregados na medida das pressões na câmera e
poropressões também são da Wykeham-Farrance, com resolução de 1 kPa e
capacidade máxima de 1000 kPa.
Todos os transdutores foram calibrados e testados antes da campanha de
ensaios.
Equipamentos e metodologias de ensaio 56
(a)
P1 P1
P2 P2
P3
Base PVC
MVV
Base PVC
FCE
Prensa 2
Painel de controle
Prensa 1
FCE
MVV
(b) P1 – válvula de controle da pressão confinante P3 – válvula de controle da contrapressão topo
P2 – válvula de controle da contrapressão base FCE – frasco de coleta de efluente (ensaios com licor)
Figura 4.1 – Equipamentos utilizados nos ensaios triaxiais (a) foto ilustrativa (b) desenho
esquemático
4.4.1.4. Medidores de volume
As variações de volume são obtidas através de medidores de variação
volumétrica (MVV), fabricados na PUC-Rio, com resolução de 0,01cm3 (ver
Figura 4.2).
Equipamentos e metodologias de ensaio 57
Água ou licor
Transdutor de deslocamento
Ar comprimido
Cilindro de PVC
Figura 4.2 – Medidor de variação de volume utilizado nos ensaios triaxiais
4.4.1.5. Sistema de aquisição de dados
O sistema de aquisição de dados permitiu o monitoramento contínuo das
grandezas necessárias para o acompanhamento dos ensaios. O sistema Orion
SI353ID da Data Adquisition System, propiciou a gravação dos dados obtidos
por intermédio dos transdutores elétricos.
4.4.1.6. Acessórios: membrana de látex, papel filtro e pedras porosas
Foram utilizadas membranas de látex importadas. Não houve perda de
ensaio por furo na membrana. As membranas eram previamente testadas
quanto a furos. Quando reutilizadas, eram lavadas, secas e impregnadas com
talco para que não grudassem.
O papel filtro empregado foi o da marca Whatman no 54, sendo
previamente cortado antes de cada ensaio. Foi utilizado papel filtro na base e no
topo dos corpos de prova.
As pedras porosas eram previamente limpas e fervidas antes de cada
ensaio por no mínimo dez minutos, para expulsar ar dos vazios, sendo mantidas
saturadas em água destilada até o momento de serem utilizadas. Sempre que
necessário, as pedras porosas foram colocadas por 30 minutos em um ultrasom
para retirar as sujeiras retidas nos poros.
Equipamentos e metodologias de ensaio 58
4.4.2. Procedimentos adotados nos ensaios
Os procedimentos adotados seguiram recomendações dadas por Bishop e
Henkel (1962) e Head (1986). As etapas comuns aos ensaios triaxiais com água
e licor são descritas de forma conjunta, e os procedimentos peculiares a cada
um estão devidamente indicados e descritos separadamente.
4.4.2.1. Confecção dos corpos de prova
Os corpos de prova foram obtidos a partir de amostras indeformadas. Para
tanto, extraia-se um paralelepípedo dos blocos com o auxílio de uma faca
amolada e no torno de moldagem definia-se o corpo de prova com dimensões
aproximadas de 7,8 cm de altura e 3,8 cm de diâmetro. As medidas do corpo de
prova eram verificadas com um paquímetro de exatidão de 0,01 mm. Massa,
volume e teor de umidade também foram mensurados visando à determinação
de índices físicos.
4.4.2.2. Saturação das linhas
Ensaios realizados com água (sem contaminação do solo)
• Todas as linhas da base da célula e a do “top cap” eram testadas em
relação a entupimentos e em seguida saturadas com água destilada;
• Verificava-se se o medidor de variação de volume continha água
suficiente para a fase de saturação do corpo de prova;
• Com auxílio de uma seringa, saturava-se os transdutores de poropressão
e de pressão confinante.
Ensaios realizados com licor cáustico (com contaminação do corpo de prova)
• A água contida no medidor de variação de volume era substituída por
licor cáustico. Colocava-se a maior quantidade possível de licor para que
ele fosse utilizado na saturação das linhas e também na fase de
percolação;
• Aplicava-se uma pequena pressão de ar na parte inferior do MVV e o
licor então “empurrava” a água e o ar contidos nas linhas. Todas as
Equipamentos e metodologias de ensaio 59
linhas da base e do “top cap” eram saturadas com licor cáustico contido
no MVV. Sempre que necessário, reabastecia-se o MVV fechando-se as
válvulas e reduzindo a pressão neste à zero.
• A saturação dos transdutores de poropressão era feita com maior
freqüência neste ensaio devido à possibilidade do contato com licor e da
formação de bolhas de ar.
4.4.2.3. Montagem do ensaio
• Separava-se todos os itens necessários à montagem. As membranas
eram devidamente testadas;
• O primeiro passo da montagem era posicionar uma pedra porosa e um
papel filtro circular (mesmo diâmetro do corpo de prova) saturados sobre
o pedestal;
• Colocava-se o corpo de prova sobre o papel filtro. No topo do corpo de
prova, acrescentava-se novamente a combinação papel filtro e pedra
porosa saturados. No caso dos ensaios com licor, optou-se por utilizar a
pedra porosa sempre entre dois papéis filtros por causa da possibilidade
do licor conter sólidos capazes de entupir a pedra porosa;
• O restante da montagem seguiu a rotina convencional sugerida por Head
(1986)
4.4.2.4. Saturação dos corpos de prova
A técnica de saturação utilizada foi a de saturação por contrapressão. Esta
técnica, além de saturar o corpo de prova, dissolve bolhas de ar que possam
existir entre a amostra e a membrana e nas linhas de contrapressão. Para
verificar se o grau de saturação era satisfatório, calculava-se o parâmetro B de
Skempton, sendo:
B=∆u/∆σc
Onde:
∆u – excesso de poropressão gerado
∆σc – acréscimo de tensão confinante aplicado
Foram considerados aceitáveis valores de B maiores ou iguais a 0,98. A
pressão confinante excedia a contrapressão em 10 kPa. A saturação dos corpos
de prova foi alcançada para tensões confinantes superiores a 350 kPa.
Equipamentos e metodologias de ensaio 60
No caso dos ensaios com licor, ao saturar os corpos de prova, obtinha-se
nos poros destes, uma mistura de licor e água. A substituição total do fluido
intersticial por licor era realizada através de percolação. O procedimento
detalhado está descrito no item a seguir.
4.4.2.5. Substituição do fluido intersticial água por licor cáustico
Como já mencionado, nos ensaios com licor, após o processo de
saturação, o que se tinha nos poros era uma mistura de licor e água. A princípio,
não seria possível fazer esta substituição com o corpo de prova já saturado, pois
seria necessário baixar a tensão confinante e a contrapressão para só então
impor um gradiente hidráulico com a parte superior do corpo de prova aberta
para atmosfera e assim induzir um fluxo ascendente. No entanto, este
procedimento poderia provocar a diminuição do grau de saturação do corpo de
prova. Para que isto não ocorresse seria necessário adaptar o método de
aplicação de contrapressão no topo do corpo de prova. Por isso, criou-se um
cilindro de acrílico que, acoplado ao sistema de aplicação de contrapressão no
topo do corpo de prova, permitiu a imposição de um fluxo ascendente sem que
fosse necessário abrir a parte superior do corpo de prova para a atmosfera. Este
cilindro, denominado de frasco de coleta de efluente (FCE), suporta pressões de
até 1000 kPa (Figura 4.1).
O sistema de substituição do fluido intersticial funciona da seguinte
maneira:
• Após a saturação do corpo de prova, a pressão confinante e as
contrapressões no topo e na base são ajustadas de maneira que se
tenha uma tensão efetiva de cerca de 7 kPa, um gradiente
hidráulico que não exceda a 10 e que provoque um fluxo
ascendente. A tensão confinante aplicada não deve ser inferior a
350 kPa;
• Pela linha LAP aplica-se pressão de ar no topo do corpo de prova
que, sendo menor que a da base, permite a saída do efluente pela
linha LE. Este, por sua vez, se acumula no fundo do frasco de coleta
de efluente (FCE) (ver Figura 4.3);
• Mede-se o volume que passa pela amostra através da quantidade
de licor que sai do MVV;
Equipamentos e metodologias de ensaio 61
• Deve-se percolar, no mínimo, um volume de licor correspondente a
duas vezes o volume de vazios do corpo de prova, como sugerido
por Costa Júnior (2001);
• A cada 20 % do volume de licor que se deve percolar, este é
coletado pela linha Ls e seu pH tem de ser medido. Se o pH do
efluente não estiver próximo ao do licor injetado, após percolado
duas vezes o volume de vazios, continua-se o processo de
percolação;
• No processo de coleta do efluente todas as válvulas são fechadas e
a pressão de ar na linha LAP cessada, para só então o efluente ser
coletado. Em seguida, reaplica-se a pressão, abre-se as válvulas e
o processo continua;
• O sistema de aplicação de contrapressão no topo do corpo de
prova é comum às duas prensas utilizadas (ver Figura 4.1).
Após constatada a substituição do fluido intersticial inicial por licor, fecha-
se a válvula que permite a atuação da contrapressão no topo do corpo de prova
e aplica-se uma tensão efetiva no corpo de prova de 10 kPa para só em seguida
iniciar o adensamento.
LE LAP
LE – linha por onde passa o efluente LAP – linha de aplicação de pressão de ar no topo do CP Ls – linha de coleta do efluente LS
Figura 4.3 – Frasco de coleta de efluente (FCE) utilizado na substituição do fluido
intersticial do corpo de prova por licor
4.4.2.6. Adensamento
Com o corpo de prova saturado, dava-se início à fase de adensamento.
Todos os adensamentos realizados foram isotrópicos. Adquiria-se dados de
Equipamentos e metodologias de ensaio 62
variação de volume ao longo de 24 horas, não interrompendo o ensaio antes
deste tempo mesmo quando constatado que não havia mais variação de volume.
Já com os dados do ensaio, traçava-se o gráfico variação volumétrica
(cm³) x raiz do tempo (minutos). Conforme recomendações de Head (1986),
prolongava-se o trecho retilíneo inicial até encontrar a horizontal correspondente
ao trecho final (estabilização das variações volumétricas). O ponto de interseção
fornecia a raiz de t100 em minutos (Figura 4.4). O valor de t100 era usado para
definir a velocidade de cisalhamento.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,600,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Var
iaçã
o vo
lum
étric
a (c
m³)
Raiz de t100
Raiz do tempo (min)
Figura 4.4 – Exemplo de gráfico utilizado no cálculo de t100 (ensaio triaxial CIU com σ’c igual a 100kPa)
4.4.2.7. Fase de cisalhamento
Logo após o término do adensamento, iniciava-se a fase de cisalhamento.
O cálculo da velocidade de cisalhamento foi feito conforme equação
empírica proposta por Head (1986):
Vmax = εer x L/(100 x tr)
Onde:
Vmax = velocidade máxima de cisalhamento;
L = altura do corpo de prova em mm;
εer = deformação axial estimada na ruptura, em %;
tr = tempo mínimo de ruptura em minutos.
O valor de tr depende das condições de drenagem e do tipo de ensaio
triaxial (CIU ou CID). O valor de tr para ensaios CIU sem drenagem radial é 0,51
vezes o valor de t100. No caso de ensaios CID sem drenagem radial é de 8,5
vezes o valor do t100. No entanto, tanto para os ensaios CID quanto para os
Equipamentos e metodologias de ensaio 63
ensaios CIU, Head (1986) recomenda adotar um valor mínimo de tr igual a 120
minutos.
Nos ensaios drenados, a compressão axial imposta deve ser
suficientemente lenta de modo a permitir a total drenagem na água do corpo de
prova. Já nos ensaios não drenados, a compressão axial imposta deve ser
suficientemente lenta de forma a permitir a equalização dos excessos de
poropressão gerados ao longo da altura do corpo de prova.
Todas os valores de tr obtidos foram menores que 120 minutos, por isso foi
adotado tr = 120 minutos. Admitiu-se também que a ruptura ocorreria para uma
deformação axial de 1 %. Desta forma, a velocidade máxima calculada foi a
mesma para todos os ensaios (0,008 mm/min), sendo a velocidade adotada igual
a 0,006 mm/min.
Depois de definida a velocidade de deformação, colocava-se na prensa um
par de engrenagens com a respectiva marcha, de forma a obter-se a velocidade
desejada. A maioria dos ensaios de cisalhamento foi levada até uma deformação
axial de 10 %.
4.5. Cisalhamento direto
O solo coluvionar estudado apresenta várias concreções, o que inviabilizou
a moldagem de corpos de prova com as dimensões requeridas nos ensaios
triaxiais. Por isso, optou-se por ensaios de cisalhamento direto para avaliar a
influência do licor cáustico na resistência ao cisalhamento deste solo.
4.5.1. Equipamentos
4.5.1.1. Prensas de cisalhamento direto
Nos ensaios de cisalhamento direto foram utilizadas duas prensas
fabricadas pela empresa Wykeram-Ferrance pertencentes ao Laboratório de
Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.
4.5.1.2. Transdutores de deslocamento
Mesmo tipo dos utilizados nos ensaios triaxiais (ver item 4.4.1.3).
Equipamentos e metodologias de ensaio 64
4.5.1.3. Sistema de aquisição de dados
O sistema de aquisição de dados utilizado foi o mesmo dos ensaios
triaxiais (ver item 4.4.1.5). Vale ressaltar que as leituras de carga foram
realizadas automaticamente através de um anel de carga instrumentado,
desenvolvido na PUC-Rio.
4.5.1.4. Acessórios: papel filtro e pedras porosas
Ver item 4.4.1.6
4.5.2. Procedimentos adotados nos ensaios
Os ensaios foram realizados seguindo procedimentos sugeridos por
Head (1988). No entanto, algumas modificações fizeram-se necessárias devido à
dificuldade de “contaminar” os corpos de prova nos ensaios com licor e da
reação do licor com o equipamento. O procedimento desenvolvido e o motivo de
sua escolha estão detalhados no item de saturação dos corpos de prova.
4.5.2.1. Confecção dos corpos de prova
Os corpos de prova foram obtidos com o auxílio de anéis metálicos,
bizelados, com dimensões aproximadas de 100,1 x 100,1 x 20 mm. Tais anéis
eram untados com vaselina em pasta, com o objetivo de minimizar o atrito solo-
molde. O passo seguinte era posicionar o anel sobre a superfície plana da
amostra indeformada, na mesma direção que se encontrava no campo.
Cuidadosamente cravava-se o anel alguns milímetros no solo. O solo em volta
era então removido com uma faca amolada. O procedimento alternado de
cravação do anel e desbaste com faca era repetido até o anel está preenchido
com solo. O corpo de prova era então definido com a ajuda de uma espátula.
Muitos corpos de prova foram perdidos devido à presença de concreções.
A Figura 4.8 mostra um corpo de prova descartado após romper durante a
moldagem. Nele fica evidente a presença de manganês, principalmente, nas
concreções.
Equipamentos e metodologias de ensaio 65
Figura 4.5 – Corpo de prova descartado devido à “quebra” deste na interface concreção-
matriz
As dimensões, o peso e o teor de umidade de cada corpo de prova foram
medidos com o objetivo de determinar seus índices físicos.
4.5.2.2. Saturação dos corpos de prova
4.5.2.2.1. Metodologia desenvolvida
O procedimento desenvolvido consiste basicamente em saturar o corpo de
prova, com água ou licor, por meio de sucção. A técnica foi baseada na utilizada
por Moncada 2005 na saturação de corpos de prova para obtenção de curva
característica.
No caso do ensaio realizado com licor, tentou-se secar o corpo de prova,
ainda no anel metálico, ao ar, na estufa a 40o C e por sucção, para só então
tentar saturá-lo. No entanto, todos estes procedimentos mostraram-se
ineficientes devido à alta contração do solo (ver Figura 4.6). Por isso, optou-se
por utilizar o solo em sua umidade natural.
Figura 4.6 – Corpo de prova do solo coluvionar após ser seco à vácuo
Equipamentos e metodologias de ensaio 66
As etapas para saturação dos corpos de prova eram as seguintes:
• O primeiro passo era deaerar o fluido, água ou licor, que seria utilizada
no processo de saturação, com a ajuda de um dessecador e de uma
bomba de aplicação de vácuo;
• Em seguida colocava-se no dessecador, já com o fluido deaerado, uma
pedra porosa de modo que o nível do fluido ficasse na metade de sua
altura (ver Figura 4.7 (a)). Um papel filtro saturado era posicionado sobre
a pedra porosa (ver Figura 4.7 (b));
• Sobre o papel filtro posicionava-se o corpo de prova (ver Figura 4.7 (c));
• Um papel filtro seco era posicionado acima do corpo de prova (ver Figura
4.7 (d)). O objetivo da utilização deste papel seco era monitorar a
saturação do corpo de prova. Com a aplicação da sucção, o fluido,
contido no dessecador, percola o solo por capilaridade, chegando em
seguida ao papel filtro.
• Adicionava-se ao sistema um indicador de pH (apenas nos ensaios com
licor) para que, juntamente com a observação da saturação do papel filtro
superior, fosse constatada a saturação do corpo de prova (ver Figura 4.7
(e));
• Por fim, aplicava-se sucção por cerca de 10 minutos (ver Figura 4.7 (f)).
Caso o papel filtro superior não estivesse totalmente saturado seguia-se
aplicando sucção até que isto ocorresse.
No caso dos ensaios com licor não se consegue, com esta metodologia,
substituir o fluido intersticial completamente, o que se obtém é uma mistura de
água e licor.
É importante ressaltar que não foram realizados ensaios complementares
para comprovar a saturação dos corpos de prova, e por isso não se sabe ao
certo o grau de saturação de cada um após este processo. O que se tentou fazer
foi submeter todos os corpos de prova a mesma situação de modo a possibilitar
comparações dos resultados posteriormente.
Equipamentos e metodologias de ensaio 67
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Figura 4.7 – Procedimento de saturação dos corpos de prova para o ensaio de
cisalhamento direto (a) posicionamento da pedra porosa (b) adição do papel filtro
saturado (c) posicionamento do corpo de prova (d) papel filtro seco colocado sobre o
corpo de prova (e) medidor de pH para auxiliar na verificação da saturação (f) corpo de
prova sendo submetido a sucção
4.5.2.2.2. Escolha do método de contaminação dos corpos de prova
A princípio, pensava-se em realizar ensaios de cisalhamento direto com os
corpos de prova submersos em água e licor, mesmo acreditando que apenas a
submersão não fosse representar de maneira satisfatória a influência do
contaminante no comportamento mecânico do solo. No entanto, ao realizar o
primeiro ensaio com licor (σv= 50 kPa), em que se deixou o corpo de prova
submerso por 24 horas no equipamento de cisalhamento direto antes de se
iniciar o adensamento, o contaminante atacou a caixa de cisalhamento e a caixa
bipartida, ambas de alumínio, de modo que estas duas partes “grudaram”. Diante
destes dois fatores, suposta ineficiência da submersão e ataque violento do licor
ao equipamento, optou-se por tentar desenvolver um método de contaminação
do solo antes da montagem do ensaio. Deste modo, garantiria-se que o corpo de
prova estaria realmente contaminado com licor e diminuiria-se o tempo de
contato entre o licor e o equipamento.
Equipamentos e metodologias de ensaio 68
Após definida a metodologia descrita no item anterior, resolveu-se testá-la
através da comparação dos resultados de ensaios de cisalhamento direto com
tensão vertical de 50 kPa nas seguintes situações:
• Corpo de prova submerso em água: consistiu basicamente em
iniciar o adensamento assim que terminada a montagem do ensaio,
com a inundação da caixa de cisalhamento logo após a aplicação
da carga vertical (procedimento convencional);
• Corpo de prova submerso em licor: diferiu do ensaio realizado com
água apenas pelo fato do corpo de prova ficar 24 horas submerso
em licor antes do início do adensamento;
• Corpo de prova saturado com água: consistiu em tentar saturar o
corpo de prova com água antes da montagem do ensaio de
cisalhamento direto (procedimento desenvolvido);
• Corpo de prova saturado com licor: mesmas considerações que as
do corpo de prova saturado com água, sendo a água substituída
por licor.
A Figura 4.8 mostra as curvas tensão cisalhante x deslocamento destes
ensaios. Os ensaios realizados de maneira convencional (apenas submersos)
apresentaram resistência superior a dos ensaios saturados. Isto já era de se
esperar, tendo em vista que o grau de saturação nos ensaios submersos é
inferior a 100 %. O fato do ensaio realizado com o corpo de prova submerso em
água apresentar resistência superior ao submerso em licor não pode ser
atribuído apenas à atuação do licor, mas também ao fato do corpo de prova no
ensaio realizado com água não ter sido deixado submerso por 24 horas antes do
adensamento, como no ensaio com contaminante. Isto pode ter implicado em um
grau de saturação maior no ensaio com licor e por isso em uma resistência mais
baixa.
Como os resultados apresentados na Figura 4.8 monstraram-se coerentes,
o procedimento de “saturação” desenvolvido foi adotado e aplicado tanto nos
ensaios com licor como nos ensaios com água.
Equipamentos e metodologias de ensaio 69
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
submerso em águasubmerso em licorsaturado com águasaturado com licor
σv = 50 kPa
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
eslocamento horizontal (mm)
Tens
ão c
isal
hant
e
t (k
Pa)
Tens
ão c
isal
hant
e - τ
(kP
a)
Des
loca
men
to v
ertic
al (m
m)
DDeslocamento horizontal (mm) Figura 4.8 – Curvas representando o comportamento de corpos de prova saturados com
água e licor, e submersos em água e licor
4.5.2.3. Adensamento
A fase de adensamento era iniciada após a instalação do corpo de prova
corpo de prova, já saturado, na caixa bipartida. Aplicava-se a tensão normal e
posteriormente inundava-se o interior da caixa, com água ou licor. Todos os
corpos de prova foram adensados por 24 horas.
Com os dados obtidos nesta fase, traçava-se uma curva deslocamento
vertical x raiz do tempo e calculava-se t100, como mostrado no item 4.4.2.6. De
acordo com Bishop e Henkel (1962), o tempo requerido para a ruptura (tr) é
relacionado a t100 pela equação empírica:
tr = 12,7 . t100
Todos os valores de t100 encontrados foram menores que um minuto, com
exceção do ensaio realizado com tensão normal igual a 25 kPa e saturado com
licor (t100 = 16 min).
Equipamentos e metodologias de ensaio 70
4.5.2.4. Cisalhamento
Logo após o término do adensamento, iniciava-se a fase de cisalhamento.
O cálculo da velocidade de cisalhamento foi feito admitindo-se que a
ruptura ocorreria para um deslocamento de 7 mm e adotando um tf igual a 150
minutos, já que a maioria dos tf’s encontrados não ultrapassaram 12 minutos.
Desta maneira a velocidade calculada foi 0,046 mm/min e a adotada
0,048 mm/min.
Depois de definida a velocidade de deslocamento, colocava-se na prensa
um par de engrenagens com a respectiva marcha de forma a obter-se a
velocidade adotada. A maioria dos ensaios de cisalhamento foi levada até um
deslocamento horizontal de 10 mm.
4.6. Caracterização do licor
Para caracterizar o licor, foram realizados ensaios de teor alcalino, pH e
condutividade elétrica. Todos os ensaios foram executados no laboratório de
Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.
O pH foi medido com o auxílio de um medidor portátil da Tecnopon.
Concomitantemente, foi medida a condutividade elétrica com portátil também da
Tecnopon.
O teor alcalino do licor cáustico foi avaliado através de titulação com uma
solução de ácido sulfúrico 0,4 N.
Caracterização física, química e mineralógica
5 Caracterização física, química e mineralógica
71
5.1. Introdução
Neste capítulo, serão apresentadas as características físicas, químicas e
mineralógicas dos solos residual jovem e coluvionar, no estado natural e
contaminado. Como já mencionado, os solos contaminados são provenientes
dos corpos de prova dos ensaios de resistência. A lista dos ensaios efetuados
está na Tabela 5.1.
Os principais objetivos da execução destes ensaios foram caracterizar o
solo antes e após a contaminação e avaliar a influência das interações físico-
químicas na resistência ao cisalhamento. Por isso, as informações obtidas neste
capítulo serão usadas mais adiante na análise dos resultados dos ensaios
triaxiais e de cisalhamento direto.
As características tátil–visuais dos solos e as metodologias utilizadas são
apresentadas nos Capítulos 3 e 4, respectivamente.
No Apêndice I, constam as características do licor cáustico que foi coletado
em um dos lagos de disposição de resíduos.
Caracterização física, química e mineralógica 72
72
Tabela 5.1 – Ensaios de caracterização física-química-mineralógica realizados Tabela 5.1 – Ensaios de caracterização física-química-mineralógica realizados
Caracterização física Caracterização física Caracterização mineralógicaCaracterização mineralógica Caracterização químicaCaracterização químicaDRX
Análise granulométrica Limites de Atterberg Material passante
nas peneiras: pH Solo Gs
Água Hexametafosfato Licor Água Licor #40 #200 #400
Obs. na
lupa ATD
Água KCl
Complexo sortivo
Ataque Sulfúrico
Amorfos
Análise química
total C.E.
Residual natural X X X X X X X X X X X X X X X X X X
Residual contaminado - - X - X - - X X - X X X X X X - -
Colúvio natural X X X X X X X X X - X X X X X X X X
Colúvio contaminado - - X - X - X - X - X X X X X X - -
Caracterização física, quím
ica e mineralógica 72
Caracterização física, química e mineralógica 73
5.2. Apresentação e análise dos resultados
5.2.1. Caracterização física
5.2.1.1. Índices físicos
Os índices físicos do solo residual e do coluvionar são apresentados na
Tabela 5.2. Estes dados foram obtidos com base nas características dos corpos
de prova dos ensaios de resistência, com exceção da Gs.
Foram determinadas as densidades dos grãos apenas dos solos em seus
estados naturais, tendo em vista que alguns pesquisadores, como Moncada
(2004), não constataram alterações desta propriedade em solos contaminados
com fluido semelhante ao utilizado no presente trabalho.
Tabela 5.2 – Índices físicos dos solos residual e coluvionar
Solo γt (kN/m³)
wnat (%)
Gs Índice de vazios
S (%)
Residual 16,01 45,44 2,627 1,334 90,44 Coluvionar 14,51 34,72 2,698 1,45 64,59
De acordo com os valores da Tabela 5.2, o solo coluvionar apresenta
menor peso específico e maior índice de vazios que o solo residual jovem, em
decorrência dos processos de lixiviação intensa a que foi submetido.
5.2.1.2. Granulometria
A fase de sedimentação dos ensaios de granulometria foi realizada em
quatro situações distintas, que são apresentadas na Tabela 5.3. Este
procedimento foi adotado tanto para o solo residual quanto para o coluvionar.
Na nomenclatura dos ensaios, apresentada na tabela, a primeira letra designa o
estado (N – natural ou C – contaminado) e a segunda o defloculante utilizado (L
– licor, A – água e H – hexametafosfato de sódio).
Caracterização física, química e mineralógica
74
Tabela 5.3 – Tipos de sedimentações realizadas com os solos estudados
Estado do solo Fluido utilizado como “defloculante” Objetivo do ensaio Nomenclatura
do ensaio
Hexametafosfato de sódio (indicado pela ABNT)
Caracterizar o solo e utilizar este resultado como referência
NH
Água destilada
Verificar se o solo encontra-se, em seu estado natural, disperso ou floculado
NA Natural
Licor cáustico Avaliar o poder dispersante do licor
NL
Contaminado
Hexametafosfato de sódio (indicado pela
ABNT)
Observar possíveis alterações na granulometria CH
As Figuras 5.1 e 5.2 exibem as curvas granulométricas do solo residual
jovem e do coluvionar, respectivamente, quando submetidos às situações
citadas na Tabela 5.3. As tabelas com os resumos granulométricos de cada solo
são apresentadas logo após suas curvas granulométricas.
Peneira No (SUCS) 30"
20" 18
16" 14
12"
8"6"5"4"3"2"1 ½
"1"3/
4 "1/
2"3/
8"5/
161/
4"4681016203040506010
0
200
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
NH NA NL CH
Por
cent
agem
que
pas
sa P
orcentagem retida
Diâmetro dos grãos (mm)
Figura 5.1 – Curvas granulométricas dos ensaios realizados com solo residual natural e contaminado com diferentes defloculantes
Caracterização física, química e mineralógica
75
Tabela 5.4 – Resumo da granulometria do solo residual jovem natural e contaminado com a utilização de diferentes defloculantes na sedimentação
Distribuição granulométrica (%) Areia Finos Ensaio
Grossa Média Fina Total Silte Argila Total NH 0,1 0,4 16,6 17,1 55,4 27,5 82,9 NA 0,1 0,4 7,6 8,1 91,9 0 91,9 NL 0,1 0,5 11,9 12,5 84,2 3,3 87,5 CH 0,1 0,2 6,7 7,0 51,4 41,6 93,0
Peneira No (SUCS) 200
100
60 50 40 30 20 16 10 8 6 4 1/4"
5/16
3/8"
1/2"
3/4"
1" 1 ½
"2" 3" 4" 5" 6" 8" 12
" 1416
" 1820
"30
"
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
NH NA NL CH
Por
cent
agem
que
pas
sa P
orcentagem retida
Diâmetro dos grãos (mm)
Figura 5.2 – Curvas granulométricas dos ensaios realizados com o solo coluvionar natural e contaminado com diferentes defloculantes
Tabela 5.5 – Resumo da granulometria do solo coluvionar natural e contaminado com a utilização de diferentes defloculantes na sedimentação
Distribuição granulométrica (%) Areia Finos Ensaio Pedregulho
fino Grossa Média Fina Total Silte Argila Total NH 1,6 7,4 3,4 15,5 26,3 32,7 39,3 72,0 NA 1,6 7,4 3,3 19,6 30,3 68,2 0,0 68,2 NL 1,6 7,4 2,5 11,7 21,6 76,9 0,0 76,9 CH 1,6 7,4 4,0 9,3 20,7 29,9 47,8 77,7
Os resultados dos ensaios granulométricos NH, realizados com solo
natural e utilizando hexametafosfato como defloculante, indicam que os solos
residual jovem e coluvionar são, respectivamente, siltoso e argilo-siltoso
(Tabelas 5.4 e 5.5). Ao comparar os resultados dos ensaios NA (solo natural e
água como defloculante) com os NH, percebe-se que ambos, em seus estados
naturais, apresentam-se floculados. Este estado também é notado nas Figuras
5.3 e 5.4, onde a água, nos ensaios NA, apresenta-se transparente e no fundo
das provetas observa-se uma massa de solo ‘homogênea”.
Caracterização física, química e mineralógica
76
De acordo com os dados obtidos nos ensaios NL (solo natural e licor como
defloculante), o licor atuou como agente defloculante, porém não tão eficiente
quanto o hexametafosfato, pois dispersa apenas pequena parte da fração fina
que está aderida à fração areia dos solos (Tabelas 5.4 e 5.5). A dispersão
causada pelo licor é mais pronunciável no solo residual jovem devido à
composição mineralógica deste. O fenômeno dispersivo causado pelo licor é
bem mais complexo, pois este possui outros constituintes como Fe e Al.
Acredita-se que a presença de íons multivalentes como Al3+ no licor afetam de
forma negativa a dispersão.
As distribuições granulométricas obtidas a partir dos ensaios CH (solo
contaminado e hexametafosfato como defloculante) mostram uma fração argila
superior e de areia fina inferior quando comparadas aos dados dos ensaios NH.
Nos ensaios CH há a ação conjunta do licor, quando empregado na
contaminação dos corpos de prova, e do hexametafosfato, utilizado nos ensaios
de sedimentação, resultando em uma maior dispersão. Este efeito deve ser
analisado de maneira cuidadosa, visto que não se sabe as possíveis reações
que ocorrem entre o licor e o hexametafosfato de sódio.
30 minutos 24 horas
(b) (c) (a)(b) (c)(a)
Figura 5.3 – Fases de sedimentação do solo residual jovem com os defloculantes a) hexametafosfato de sódio, b) licor cáustico e c) água
30 minutos 24 horas (b) (c) (a)(b) (c)(a)
Figura 5.4 – Fases de sedimentação do solo coluvionar com os defloculantes a)água, b)hexametafosfato de sódio e c) licor cáustico
Caracterização física, química e mineralógica
77
5.2.1.3. Limites de Atterberg
Da mesma forma que os ensaios de sedimentação, os de limites de
Atterberg foram executados em situações diferentes, que estão listadas na
Tabela 5.6. O objetivo principal destes ensaios é observar possíveis interações
físico-químicas entre o licor e o solo que possam ser refletidas nos valores dos
limites. A primeira letra da nomenclatura, que consta nesta tabela, indica que o
ensaio realizado é de limite de consistência (L); a segunda, o estado do solo (N –
natural e C – contaminado) e a terceira, o fluido utilizado no ensaio (L – licor e A
– água destilada).
Tabela 5.6 –Ensaios de Limites de Atterberg
Estado do solo
Fluido utilizado para obtenção dos limites
Nomenclatura do ensaio Objetivo
Água destilada (indicado pela ABNT) LNA
Caracterizar o solo e utilizar este resultado como referência
Natural
Licor cáustico LNL
Contaminado Água destilada (indicado pela ABNT) LCA
Observar possíveis alterações nos limites devido à adsorção de cátions, presentes no licor, pelo solo
Os resultados dos ensaios de limites de consistência de ambos os solos
constam na Tabela 5.7.
Tabela 5.7 – Resultados dos ensaios de limites de Atterberg
Solo Ensaio LL (%) LP (%) IP (%) LNA 59,3 43,8 15,5 LNL 44,1 33,7 10,4 Residual
jovem LCA 48,6 40,6 8 LNA 50,2 36,5 13,7 LNL 41,4 26,4 15 Coluvionar LCA 40,1 24 16,1
Os limites de consistência do solo residual, obtidos nos ensaios LNA (solo
natural com água), são superiores aos do solo coluvionar, o que é coerente com
a composição destes solos (solo saprolítico – alto teor de caulinita e o coluvionar
– alto teor de gibbsita, como poderá ser observado nos ensaios de ataque
sulfúrico, ATD e DRX), sendo os valores compatíveis com a literatura. De acordo
com White (1965), o limite de plasticidade da caulinita varia de 8,9 % a 56,3 % e
da ilita de 17,0 % a 38,5 %.
Caracterização física, química e mineralógica
78
Nos limites de consistência, determinados com a adição de licor no solo
natural (ensaio LNL) e nos realizados com solo contaminado adicionando-se
água (ensaio LCA), observa-se que houve a interação solo-contaminante através
da adsorção de íons, principalmente sódio, pelos solos.
5.2.1.4. Índice de atividade e classificação dos solos
Os índices de atividade foram determinados com base nos ensaios
granulométricos e de limites de Atterberg realizados de acordo com a ABNT e
utilizando solo natural. Segundo Skempton (1953), a influência da fração argila
no comportamento do solo pode ser avaliada através do índice de atividade (Ia),
definido como sendo a relação entre o índice de plasticidade (IP) e a
porcentagem de argila contida no solo, conforme expressão abaixo:
Ia = IP/ (% Ф<2m)
Em função dos valores de Ia, as argilas podem apresentar baixa atividade
(Ia<0,75), atividade normal (0,75<Ia<1,25) e alta atividade (Ia>1,25).
Os índices de atividade obtidos para os solos foram 0,56 e 0,34 para o solo
residual e coluvionar, respectivamente.
De acordo com a classificação unificada (SUCS), o solo residual foi
enquadrado como MH (silte de alta plasticidade) e o coluvionar como MH/ML
(silte de média plasticidade).
Vargas (1982, 1992) propõe uma adaptação da classificação SUCS para
os solos tropicais, utilizando o índice de atividade de Skempton para identificar a
mineralogia das frações silte e argila, que poderá ser de natureza micácea ou
caulinítica. A classificação proposta por Vargas (1982,1992) nem sempre
consegue distinguir solos de comportamento nitidamente diferentes,
enquadrando-os no mesmo grupo. Nogami e Villibor (1995) demonstraram por
meio de inúmeros exemplos as falhas deste sistema quando aplicado a solos
tropicais.
Ao incluir os dados obtidos nos ensaios de limites de Atterberg e índice de
atividade na carta de plasticidade e atividade proposta por Vargas (1982, 1992),
obteve-se a classificação do solo residual e coluvionar. Ambos os solos foram
classificados como silte de alta plasticidade tipo caulinítico, com Ia
correspondente à baixa atividade.
Caracterização física, química e mineralógica
79
De acordo com Mitchell (1993), quanto maior a atividade do solo, maior
será sua sensibilidade a fatores como tipo de cátion adsorvido e composição
química do fluido dos poros.
Os índices de atividade obtidos para os solos residual e coluvionar, 0,56 e
0,34, respectivamente, fazem com que estes tenham suas frações argila
consideradas de baixa atividade. O índice de atividade do solo residual é
próximo ao da caulinita (Ia = 0,5).
O solo coluvionar apresentou uma atividade menor que a do solo residual.
Isto se deve ao fato do solo coluvionar ser composto basicamente por gibbsita,
mineral com baixíssima atividade.
A classificação pelo SUCS obtida para o solo coluvionar, não representa
de maneira satisfatória a composição da fração fina do solo, que é
predominantemente argilosa. Já para o solo residual, a classificação é coerente
com a sua composição. Da mesma forma que a classificação SUCS, a proposta
por Vargas (1982, 1992) mostrou-se inadequada para o solo coluvionar. Esta
classificação consegue descrever a atividade da fração argila, porém não é
eficaz na descrição da composição mineralógica (que praticamente não
apresenta caulinita, como será mostrado adiante). Já para o solo residual, esta
classificação reflete bem sua composição mineralógica e sua atividade.
É válido ressaltar que ambas as classificações aqui empregadas não
refletem características importantes que influenciam no comportamento do solo,
tais como presença de cimentações (que podem ocorrer tanto em solos
sedimentares como em residuais) e índice de vazios, características marcantes
nos solos residuais.
5.2.2. Caracterização mineralógica
A identificação dos minerais, da parte fina dos solos, foi realizada por
difrações de raios-X, análise térmica diferencial (ATD) e observação na lupa
binocular. Ainda foram utilizados os resultados de ataque sulfúrico para estimar
as proporções entre os minerais.
5.2.2.1. Difração por raios-X (DRX)
A maioria dos solos é constituída por diferentes minerais, por isso, a
identificação dos constituintes por apenas um método torna-se difícil, sendo
Caracterização física, química e mineralógica
80
comum empregar mais de um tipo de ensaio para determinar a composição
mineralógica com maior precisão.
O uso da difração por raios-X permite a determinação dos minerais que
constituem o solo. No entanto, às vezes, é necessário tratar de maneira
diferenciada a amostra. Isto ocorre quando o solo contém argilominerais com a
mesma distância interplanar basal. Nestes casos, utiliza-se de características
específicas de cada argilomineral, como a expansão interplanar basal causada
pela adição de substâncias orgânicas (exemplo: etilenoglicol) ou transformações
térmicas. Nesta dissertação, foi necessário aquecer o solo residual jovem com o
intuito de diferenciar a ilita/mica da haloisita 4H2O, pois estas apresentam
mesma distância interplanar basal. Quando aquecida a 200 oC, a haloisita perde
água presente entre suas camadas, diminuindo assim a distância interplanar
basal, que de 10 passa para 7. Já a ilita/mica, quando aquecida a esta
temperatura, mantém a distância interplanar basal igual a 10, sendo este o
resultado obtido no presente trabalho.
O ensaio de difração por raios-X é apropriado para a identificação de
minerais cristalinos, não permitindo a identificação de amorfos.
O objetivo principal da realização dos ensaios de DRX foi determinar, de
maneira qualitativa, a composição mineralógica da fração fina do solo residual
jovem e do coluvionar, nas condições natural e contaminada.
As Figuras 5.5, 5.6, 5.7 e 5.8 apresentam os resultados dos ensaios de
difração por raios-X de ambos os solos, residual e coluvionar, com material
natural e contaminado, passantes nas peneiras # 200 e # 400.
Caracterização física, química e mineralógica
81
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M
Ct
Ct/Gb
Ct
I/M
Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
I/M
Gb
a)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M
Ct
I/M
Ct
Gb
Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
Ct/Gb
I/M
b)
Figura 5.5 – Difratogramas do solo residual jovem passante na peneira # 200 a) natural
b) contaminado com licor cáustico
Caracterização física, química e mineralógica
82
0
10
20
30
40
50
60
70
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M
Ct
Ct
Gb
Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
CtI/M
I/M Gb
a)
0
20
40
60
80
100
120
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M
Ct
Gb
Ct
Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
I/M
Ct/Gb
I/M
b)
Figura 5.6 – Difratogramas do solo residual jovem passante na peneira # 400 a) natural
b) contaminado com licor cáustico
Caracterização física, química e mineralógica
83
0
50
100
150
200
250
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M Ct Ct
GbCt = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
Gb
I/M
a)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/MCt
Ct
GbCt = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
Gb
I/M
b)
Figura 5.7 – Difratogramas do solo coluvionar passante na peneira # 200 a) natural b)
contaminado com licor cáustico
Caracterização física, química e mineralógica
84
0
20
40
60
80
100
120
140
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M Ct Ct
GbCt = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
Gb
I/M
I/M
a)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M
Ct
GbCt
Gb
Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
I/M
b)
Figura 5.8 - Difratogramas do solo coluvionar passante na peneira # 400 a) natural b)
contaminado com licor cáustico
Apenas com o intuito de identificar a composição do material passante na
peneira # 40, ensaios de difração com os solos no estado natural foram
realizados. Pelo mesmo motivo, avaliou-se o material que compõe a fração
retida na peneira # 40 e as concreções do solo residual. As Figuras de 5.9 a 5.12
apresentam os difratogramas obtidos nestes ensaios.
Caracterização física, química e mineralógica
85
0
50
100
150
200
250
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/MCt
Gb
Gb Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
I/MCt
Figura 5.9 – Difratograma do material passante na peneira # 40, solo coluvionar natural
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m I/M
Ct
Gb
Ct
GbCt = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
I/M
Ct
I/M
Figura 5.10 – Difratograma do material retido na peneira # 40, solo residual jovem natural
0
20
40
60
80
100
120
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M
Ct
Ct
Gb
Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = micaCt/Gb
I/M
Figura 5.11 – Difratograma do material passante na peneira # 40, solo residual jovem
natural
Caracterização física, química e mineralógica
86
0
50
100
150
200
250
300
350
400
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
2 theta
Con
tage
m
I/M
CtCt
GbCt = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica
Ct/Gb
Figura 5.12 – Difratograma do material presente nas concreções brancas, solo residual
jovem natural
Os difratogramas do solo residual indicam que ele é composto pelos
minerais silicatados ilita/mica e caulinita e não silicatado gibbsita. Estes minerais
fazem parte de todas as frações do solo, inclusive da fração areia grossa
(Figura 5.10). Os picos da gibbsita são mais agudos e simétricos no material
retido e passante na peneira # 40. Comparando as intensidades dos picos,
observa-se maior intensidade nos correspondentes a caulinita, seguido dos da
gibbsita, e com menor intensidade os da ilita/mica. A intensidade pode dar uma
idéia da proporção entre os minerais presentes, ou seja, se um mineral
apresenta pico mais intenso que o outro, provavelmente este existe em maior
quantidade no solo. Já a agudez e a simetria indicam o grau de cristalinidade do
mineral. A princípio, foi considerado que o pico I/M correspondia apenas ao
argilomineral ilita, no entanto, devido à detecção da simetria destes picos em
todos os difratogramas, supõe-se que este indique a presença de uma ilita bem
cristalizada e, possivelmente, de uma mica (no caso, serecita).
O material que forma as concreções brancas no solo residual apresenta
picos intensos, agudos e simétricos de gibbsita, indicando uma boa cristalinidade
e a predominância deste mineral em relação aos demais constituintes.
O solo coluvionar apresenta os mesmos minerais que o residual jovem. Os
picos correspondentes aos da gibbsita são muito mais intensos, agudos e
simétricos que os dos demais minerais em todas as frações analisadas.
Caracterização física, química e mineralógica
87
Não houve modificação no que se refere à composição e o grau de
cristalinidade dos minerais identificados quando os solos são contaminados com
licor, como pode ser observado nas Figuras de 5.5 a 5.8.
5.2.2.2. Análise térmica diferencial (ATD)
O método de análise térmica diferencial consiste no aquecimento, em
velocidade constante, do solo juntamente com uma substância termicamente
inerte, registrando as diferenças de temperatura entre o padrão inerte e o solo
em estudo em função da temperatura. Quando ocorrem transformações endo ou
exotérmicas, estas aparecem como deflexões em sentidos opostos na curva
termodiferencial ou termograma.
De acordo com Santos (1975), a gibbsita perde água de constituição à
cerca de 350 oC, apresentando no termograma um pico endotérmico. A caulinita
começa a perder água de constituição a 450 oC e termina a 600 oC,
apresentando um pico endotérmico neste intervalo. Já a ilita, espera-se que
perca água estrutural entre 450 oC e 600 oC, apresentando um pico endotérmico
por volta de 550 oC. De maneira geral, estes matérias perdem a água adsorvida
por volta de 110 oC.
Os ensaios de análise termodiferencial foram realizados com o objetivo de
observar se houve ou não amorfização dos minerais devido à ação do licor. Os
termogramas obtidos a partir dos solos residual e coluvionar estão apresentados
nas Figuras 5.13 e 5.14, respectivamente.
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Temperatura (oC)
solo residual natural
solo residual contaminado
curva padrão
Caulinita e ilita
Gibbsita
Figura 5.13 – Termogramas do solo residual natural e contaminado
Caracterização física, química e mineralógica
88
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Temperatura (oC)
colúvio natural
colúvio contaminado
curva padrão
Caulinita e ilita
Gibbsita
Figura 5.14 – Termogramas do solo coluvionar natural e contaminado
Como era de se esperar, a curva termodiferencial do solo residual natural
apresentou um pico endotérmico a 330 oC e outro a 550 oC. Estes mesmos picos
são observados no solo coluvionar natural.
O pico que corresponde à perda de água estrutural da gibbsita, no solo
residual natural, é um pouco menos intenso e apresenta uma deflexão menor
que o referente a ilita+caulinita, indicando que a quantidade de ilita+caulinita é
um pouco maior que a de gibbsita (Figura 5.13). Já no solo coluvionar natural,
observa-se que o pico correspondente à perda de água estrutural da gibbsita é
bastante intenso e apresenta uma deflexão muito superior a correspondente a da
ilita+caulinita, sugerindo que há uma quantidade maior de gibbsita em relação a
ilita+caulinita (Figura 5.14).
As curvas termodiferenciais referentes aos solos contaminados, residual e
coluvionar, não apresentaram diferenças significativas ao serem comparadas
com as curvas dos solos naturais, indicando que não houve amorfização dos
minerais.
5.2.3. Lupa binocular
Para observar a microestrutura presente no solo residual e mostrar as
alterações que ocorrem quando o solo é submetido a altas tensões efetivas de
adensamento, foram observadas, em uma lupa binocular pertencente ao
Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, duas lâminas delgadas,
sendo uma destas fabricada a partir de uma amostra indeformada e a outra a
Caracterização física, química e mineralógica
89
partir do corpo de prova do ensaio de adensamento edométrico. Estas lâminas
foram confeccionadas no Laboratório de Laminação do Departamento de
Geologia da UFRJ, mediante impregnação com araldite.
Na Figura 5.15 (a) observa-se a presença de foliações, herdadas da rocha
mãe, formadas por óxidos de ferro (linhas alaranjadas) e pela combinação
caulinita+gibbsita (linhas esbranquiçadas), em destaque na figura 5.15 (b). A
parte azul, na figura ampliada 60 vezes, representa microporos encontrados
principalmente na matriz formada por agregados de gibbsita e caulinita. Percebe-
se também a presença de pequenas concreções de óxido de manganês, óxido
de ferro, caulinita + gibbsita e, provavelmente, ilita/mica, dispersos numa matriz
fina composta basicamente por caulinita.
Já na Figura 5.16, que contêm fotos do solo adensado, nota-se uma
modificação na estrutura original, com os óxidos de ferro, antes pertencentes às
foliações, disseminados na matriz. Como era de se esperar, também ocorre a
diminuição dos vazios.
Caracterização física, química e mineralógica
90
1 mm
Foliações reliquiares
Óxidos de manganês
Caulinita, gibbsita e/ou serecita
Óxidos de ferro
b)
a)
1 mm Figura 5.15 – Foto do solo residual indeformado a) ampliada 10 vezes b) ampliada 60
vezes
Caracterização física, química e mineralógica
91
a)
1 mm
b)
1 mm
Figura 5.16 – Foto do solo residual adensado a) ampliada 10 vezes b) ampliada 60
vezes
5.2.4. Caracterização química
5.2.4.1. pH e condutividade elétrica
A condutividade elétrica é a habilidade que um material tem em transmitir
(conduzir) corrente elétrica. De acordo com Nadler e Frenkel (1980), o solo pode
conduzir corrente elétrica através da água intersticial, que contêm eletrólitos
dissolvidos e através de cátions trocáveis, que residem perto da superfície de
partículas de solo carregadas. Eles ainda afirmam que a real condutividade
elétrica do solo depende do teor de água, da composição química da solução do
Caracterização física, química e mineralógica
92
solo e dos íons trocáveis, da porcentagem de argila no solo e da interação entre
os íons não trocáveis e os trocáveis.
As condutividades elétricas encontradas para os solos em seus estados
naturais são consideradas baixas, fazendo com que o solo se comporte como
um material pouco condutor. Acredita-se que este valor será maior nos solos
contaminados devido à presença de eletrólitos.
Na Tabela 5.8 são apresentados os valores de pH e condutividade elétrica
obtidos para os solos naturais e contaminados. A condutividade elétrica dos
materiais contaminados não foi medida devido à insuficiência de licor para a
execução do ensaio.
Tabela 5.8 – Valores de pH e condutividade elétrica para os solos naturais e contaminados
pH Solo Água KCl 1N ∆pH * Condutividade
elétrica (mS/cm) Residual natural 5,2 4,1 Negativo 0,04
Residual contaminado 10,0 9,3 - - Colúvio natural 5,5 5,8 Positivo 0,06
Colúvio contaminado 10,2 9,8 - - * ∆pH = pH (KCl) – pH (água)
Os valores obtidos para pH em água mostram que os solos estudados são
ácidos (pH<7).
De acordo com Agnelli e Albiero (1997), pode-se verificar através do pH se
o solo possui capacidade de retenção de ânions ou cátions. Valores negativos
de ∆pH indicam retenção de cátions, e valores positivos sugerem retenção de
ânions, sendo estas características apresentadas pelo solos natural e coluvionar,
respectivamente.
Os solos, depois de contaminados, passaram a apresentar pH alcalino.
Isto ocorre devido à composição química do licor. Nem todo o Na+ é adsorvido
pelos argilominerais, parte pode se recombinar com hidroxilas e formar
hidróxidos de sódio que, nos solos secos, podem ser encontrados na forma
cristalizada. Os íons OH- são os principais responsáveis pelo caráter alcalino
adquirido pelos solos contaminados. Parte das hidroxilas se combina com os
ânions H+, presentes nos solos, formando moléculas de água. Provavelmente
outras reações ocorrem devido à presença de outros constituintes no licor, além
do NaOH.
Caracterização física, química e mineralógica
93
5.2.4.2. Capacidade de troca catiônica (CTC)
De acordo com Yong (2001), o intercâmbio de cátions em solos acontece
quando íons do fluido intersticial carregados positivamente são atraídos para a
superfície da fração argila do solo. A ocorrência deste processo se deve à
necessidade de satisfazer a eletroneutralidade e a estequiometria. Os quesitos
de eletroneutralidade requerem que os íons trocáveis devem suprir a deficiência
de carga negativa não equilibrada presente naturalmente nas superfícies de
materiais argilosos. Estes íons trocáveis são denominados “cátions trocáveis”. A
capacidade de troca catiônica (CTC) indica a quantidade de cátions trocáveis
que um solo possui, e pode ser expressa em número de miliequivalentes de
cátions por 100 gramas de solo (meq/100g) ou por centimol por quilo (cmolc/kg).
Nos solos ácidos, os cátions trocáveis predominantes são o alumínio e o
hidrogênio.
Os resultados que estão apresentados na Tabela 5.9 fornecem a natureza
dos cátions trocáveis e a capacidade de troca catiônica dos solos em seus
estados natural e contaminado.
Tabela 5.9 – Resultados das análises de complexo sortivo
Complexo sortivo (cmolc/kg) Solo Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Sc* Al3+ H+ CTC#
Residual natural 0,0 0,8 0,05 0,03 0,9 3,1 1,9 5,9
Residual contaminado 0,0 0,0 0,23 12,5 12,7 0,0 0,0 12,7
Colúvio natural 0,0 0,2 0,03 0,01 0,2 0,0 1,8 2,0
Colúvio contaminado 0,0 0,0 0,82 40,50 41,3 0,0 0,0 41,3
* Sc = soma de cátions trocáveis ou de bases (Sc = Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+) # CTC = capacidade de troca catiônica (Sc + Al3+ + H+)
Os dois solos naturais apresentam valores baixos de capacidade de troca
catiônica e de bases trocáveis. Os valores de CTC são compatíveis com suas
composições mineralógicas. A fração argila do solo residual é composta
predominantemente por caulinita, argilomineral cuja capacidade de troca
catiônica varia entre 3 e 15 cmolc/kg (Mitchell, 1976). Já o solo coluvionar é
formado basicamente pelo mineral gibbsita, o que lhe garante um valor de CTC
menor que o do solo residual.
Caracterização física, química e mineralógica
94
A ausência de Mg2+, Al3+ e H+ nos solos contaminados pode ser explicada
pela troca destes elementos pelo sódio ou pela ocorrência de reações químicas
com precipitação envolvendo estes elementos.
O aumento de K+ nos solos contaminados pode ser justificado pela
possível presença deste cátion no licor.
Os valores obtidos de Na+ e de CTC para os solos contaminados não
serão analisados de maneira detalhada. Possivelmente, os valores de Na+
correspondem aos já existentes nas partículas de argila, aos adquiridos por meio
das reações acima citadas e, principalmente, aos que compõem os hidróxidos de
sódio que se cristalizaram e precipitaram após a secagem dos solos. Este último
fator faz com que os valores de Na+ obtidos não representem os que realmente
são encontrados nos minerais do solo. Sendo assim, os valores de capacidade
de troca catiônica também são inconsistentes.
5.2.4.3. Análise química total
O ensaio de análise química total fornece o teor de cada elemento do solo,
abrangendo tanto os minerais primários como os secundários. Este ensaio foi
realizado com o objetivo de caracterizar os materiais no estado natural. A Tabela
5.10 mostra a composição química dos dois solos e de uma rocha alcalina, típica
da região de Poços de Caldas, cujos dados foram extraídos de Ilchenko e
Guimarães (1954). O solo residual ainda apresenta traços de Mg, Ca, Cr, Mn e
Rb, e o coluvionar traços de S, Ca, Cr e Rb.
Os solos foram desenvolvidos a partir de uma rocha alcalina semelhante à
apresentada na Tabela 5.10. Nesta tabela, observa-se que, em função das
condições ambientais, houve lixiviação dos álcalis e concentração de alumínio.
Nota-se ainda que, tanto no solo coluvionar como no residual, houve uma
lixiviação quase total de cálcio e sódio e uma diminuição considerável no teor de
potássio. Percebe-se que o solo coluvionar é bem mais intemperizado que o
residual, tendo o primeiro sofrido uma lixiviação de sílica e concentração de
alumínio mais acentuadas.
Caracterização física, química e mineralógica
95
Tabela 5.10 – Composição química dos solos estudados e de uma rocha típica da região de Poços de Caldas
Componentes
Rocha*
Solo residual natural
Solo coluvionar natural
SiO2 53,32 43,76 17,00 Al2O3 23,39 38,02 47,63 Fe2O3 3,35 3,16 9,64 FeO 0,14 - - CaO 2,39 - - Na2O 4,62 - - K2O 6,22 1,58 1,79 TiO2 0,50 0,57 2,15 P2O5 0,12 0,17 0,21 MnO2 0,48 - 0,30 ZrO2 - 0,20 0,73
Nb2O5 - 0,04 0,09 Perda ao fogo 2,34 11,99 20,19
Total(%) 99,31 99,50 99,61 *Foiaíto típico de Poços de Caldas (Ilchenko e Guimarães, 1954)
5.2.4.4. Ataque sulfúrico
Os ensaios de ataque sulfúrico foram realizados com o objetivo de estimar
a relação entre os teores dos minerais caulinita, ilita e gibbsita (fração ativa do
solo); e de observar se houve amorfização de algum destes. O teor de mica
(serecita) não pôde ser calculado, pois o ensaio de ataque sulfúrico só reage
com os minerais secundários.
A partir dos resultados de teor de sílica, óxido de ferro e alumínio é
possível obter as relações moleculares Ki e Kr. Estes índices de intemperismo
são calculados pelas seguintes fórmulas:
Ki = (%SiO2/60)/(%Al2O3/102)
Kr = (%SiO2/60)/(%Al2O3/102 + %Fe2O3/160)
Os índices Ki e Kr servem para indicar, conforme seu valor, maior ou menor
grau de intemperização do solo. Valores mais elevados indicam menor grau de
intemperização; valores mais baixos, maior grau.
O objetivo da determinação da porcentagem de óxido de potássio foi tornar
possível o cálculo do teor de cada mineral que compõe o solo, utilizando a
metodologia proposta por Santos (1998). Devido a provável presença de
manganês nas concreções do solo coluvionar, também foi determinado o teor de
óxido de manganês.
Caracterização física, química e mineralógica
96
A análise química seletiva por ataque sulfúrico foi realizada nos quatro
solos (residual natural, residual contaminado, colúvio natural e colúvio
contaminado) para observar se houve alterações na quantidade dos minerais
que constituem os solos. A Tabela 5.11 apresenta os resultados obtidos nas
análises químicas.
Tabela 5.11 – Resultados das análises químicas por ataque sulfúrico
Ataque Sulfúrico (%) Solo SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O MnO
Ki Kr
Residual natural 29,8 27,5 4,0 0,53 1,16 0,02 1,84 1,68
Residual contaminado 30,6 27,3 3,1 0,15 1,39 0,00 1,91 1,77
Colúvio natural 13,8 27,2 9,9 0,89 1,45 0,36 0,79 0,65
Colúvio contaminado 11,9 32,0 10,5 0,98 1,51 0,10 0,63 0,52
De acordo com Desai (1985), solos não lateríticos têm a relação
sílica/alumina maior que 2.
O solo coluvionar natural apresentou valores de Ki e Kr iguais a 0,79 e
0,65, respectivamente, enquanto o solo residual natural apresentou valores de Ki
= 1,84 e Kr = 0,65, mostrando uma nítida distinção entre os solos, estando o
primeiro mais intemperizado.
Os ensaios de difração por raios-X indicaram que os solos analisados,
tanto os naturais quanto os contaminados, são compostos por gibbsita, caulinita
e ilita/mica. Devido a esta composição, é possível aplicar a metodologia sugerida
por Santos (1998) para o cálculo do teor aproximado de caulinita, ilita, gibbsita
utilizando os percentuais de óxidos obtidos nas análises químicas por ataque
sulfúrico. Os resultados estão apresentados na Tabela 5.12, onde consta as
porcentagens de cada mineral, levando em consideração apenas a relação entre
eles. No Anexo I é apresentada de maneira detalhada a metodologia aplicada
nestes cálculos. Os resultados desta tabela indicam que a fração fina do solo
residual é formada por caulinita, seguida de gibbsita e um pouco de ilita. Já o
solo coluvionar é formado predominantemente por gibbsita, tendo um teor de
18,09 % de ilita e apenas 7,89 de caulinita.
Vale ressaltar, que a soma das porcentagens dos elementos que
compõem os solos, detectados no ensaio de ataque sulfúrico, não ultrapassa
65 %, indicando a presença de outros componentes que não são identificados
por este método. Comparando as composições obtidas no ataque sulfúrico e na
análise química total, percebe-se maiores teores de sílica e alumina na análise
Caracterização física, química e mineralógica
97
química total, indicando a presença de minerais silicatados como mica (serecita)
e, possivelmente, de outros que não foram detectados nos ensaios de difração
por raios-X. No entanto, todas as análises serão realizadas com base na
composição da parte ativa do solo, ou seja, a detectada nos ensaios de ataque
sulfúrico.
Tabela 5.12 – Mineralogia da fração fina (com base nos resultados de ataque sulfúrico)
Solo Caulinita (%) Ilita (%) Gibbsita (%) Residual natural 46,7 14,4 38,9
Residual contaminado 45,23 17,09 37,68 Colúvio natural 7,89 18,09 73,21
Colúvio contaminado 4,1 17,85 78,05
No solo residual, natural e contaminado, observa-se a predominância de
SiO2 e Al2O3 (o que garante um maior teor de caulinita a este solo), e a
presença, em menor quantidade, de Fe2O3, TiO2, K2O e MnO.
O colúvio, natural e contaminado, apresenta um maior teor de Al2O3
(responsável pela predominância da gibbsita neste solo) e quantidades de SiO2
e Fe2O3, aproximadamente, 2,5 vezes menores que o teor de Al2O3. Da mesma
forma que no solo residual, os teores de TiO2, K2O e MnO são muito menores
que os demais.
Nos solos contaminados a composição mineralógica permaneceu
praticamente a mesma, com pouca variação no percentual de óxidos, indicando
que o licor não atingiu de forma significativa a estrutura da fração silicatada
(caulinita e ilita) e da não-silicatada (gibbsita).
5.2.4.5. Amorfos
O material amorfo é uma forma não cristalina e mal definida que, segundo
Bohn et al. (1985), deveria estar entre os componentes mais reativos do solo e
representaria um estado de transição entre a rocha mãe, não intemperizado, e
os minerais secundários bem cristalizados. Os materiais amorfos incluem
alumino-silicatos, óxidos de ferro e alumínio, e alguns complexos organo-
inorgânicos. Um exemplo de amorfo presente na fração argila do solo é a
alofana (composto principalmente pela combinação de sílica, alumina e água)
que é formada pelo intemperismo de cinzas vulcânicas em ambientes
extremamente úmidos (Wan, 2002).
No Brasil, a ocorrência de amorfos em quantidades apreciáveis não é
comum (JOHAS et al., 1997). Alguns pesquisadores estudaram a influência de
Caracterização física, química e mineralógica
98
argilas, materiais paracristalinos e amorfos e da secagem ao ar ou em estufa a
40oC nos limites de consistência de solos provenientes de rochas básicas. No
entanto, não conseguiram comprovar a existência de materiais amorfos em
quantidade suficiente para influenciar nos resultados que obtiveram.
Os ensaios de amorfos foram executados com o intuito de observar se
houve amorfização de materiais cristalinos como a caulinita, ilita e gibbsita. Na
Tabela 5.13 constam os resultados dos ensaios.
Tabela 5.13 – Resultados da determinação de amorfos
Amorfos (%) Solo Al Al2O3 Fe Fe2O3 Si SiO2 Mn MnO
Residual natural 0,130 0,246 0,013 0,019 0,015 0,033 2 x 10-4 2 x 10-4
Residual contaminado 0,236 0,446 0,011 0,015 0,046 0,098 3 x 10-4 4 x 10-4
Colúvio natural 0,191 0,360 0,156 0,223 0,023 0,047 0,261 0,336
Colúvio contaminado 0,180 0,340 0,103 0,147 0,016 0,035 0,046 0,059
Como já se esperava, a quantidade de amorfos presente nos solos em
seus estados naturais é muito pequena. No caso do solo coluvionar, não se
observa praticamente alteração alguma na quantidade de amorfos após a
contaminação.
No solo residual, percebe-se um aumento nos teores de amorfos Al, Al2O3,
Si, SiO2, Mn e MnO. No entanto, não se detectou nos demais ensaios, como o
de análise termodiferencial, amorfização dos minerais. Este aumento pode estar
ligado à precipitação destes componentes que também são encontrados no licor
cáustico. Mesmo que tivesse ocorrido amorfização, a quantidade de material
amorfo presente antes e após a contaminação é tão pequena que dificilmente
afetaria o comportamento do solo.
5.3. Comentários finais
As suposições levantadas em relação à proporção dos minerais que
compõe os solos nos ensaios de difração por raios-X e análise termodiferencial
são confirmadas pela estimativa feita com base nos dados de ataque sulfúrico.
De acordo com esta estimativa, o solo residual apresenta maior quantidade de
caulinita (cerca de 47 %), seguida de gibbsita (39 %) e menor quantidade de ilita
(14 %). Já o solo coluvionar é predominantemente gibbsítico, sendo composto
Caracterização física, química e mineralógica
99
por cerca de 73 % deste mineral, 8 % de caulinita e 18 % de ilita. Ambos
apresentam materiais não identificados.
Os cátions trocáveis podem tanto diminuir quanto aumentar os limites de
consistência de um determinado solo. O tipo de cátion presente é que vai induzir
um ou outro comportamento. No caso do sódio, há uma tendência de diminuir
os limites de Atterberg (exceto em solos ricos em esmectita). Isto se deve ao fato
do sódio aumentar a camada dupla, o que implica na redução da rigidez da água
adsorvida dos argilominerais de maneira que esta água passa a exercer pouca
força de ligação entre as partículas, provocando a redução dos limites de
liquidez e plasticidade, fenômeno este observado nos solos aqui estudados (ver
Tabela 5.7).
O NaOH, um dos constituintes do licor, apresenta, geralmente, propriedade
dispersiva devido ao efeito combinado do Na e do pH. A adição de Na faz com
que as forças de repulsão geradas entre as partículas de argila superem as
forças de atração, causando a dispersão da fração argila. Já o alto pH favorece a
dispersão das argilas devido à geração de cargas negativas (OH-).
Os ensaios de difração por raios-X, análise termodiferencial, ataque
sulfúrico e amorfos indicam que não houve amorfização, ao menos de maneira
significativa, dos minerais. O efeito causado pelo licor é apenas dispersivo, como
observado nas análises granulométricas.
As interações físico-químicas que ocorrem entre o licor e os solos são
facilmente observadas nos resultados de complexo sortivo. Os solos em seus
estados naturais apresentam vários cátions trocáveis tais como Mg2+, Na+ e H+.
Já nos solos contaminados, tem-se um grande aumento do cátion Na+ e o
desaparecimento dos demais (com exceção do K+), indicando que houve uma
“troca” destes constituintes por Na+.
Como o licor age apenas como defloculante, espera-se que os efeitos das
interações físico-químicas, que ocorrem entre este e os solos, afetem
principalmente o solo residual, já que o comportamento deste está
intrinsecamente ligado a sua estrutura, ao contrário do solo coluvionar.
100
6 Comportamento mecânico
Neste capítulo, serão apresentados e analisados os resultados dos
ensaios de resistência realizados com o solo residual jovem (triaxiais) e com o
coluvionar (cisalhamento direto), assim como o resultado de um ensaio
edomêtrico realizado com o solo residual jovem no estado natural.
6.1. Adensamento edométrico – solo residual jovem natural
6.1.1. Introdução
O objetivo principal da realização do ensaio edométrico convencional foi
determinar a tensão de escoamento do solo residual jovem no estado natural. De
forma complementar, foram calculados os parâmetros que podem ser obtidos a
partir deste ensaio.
6.1.2. Apresentação e análise dos resultados
O corpo de prova utilizado tinha 7,15 cm de diâmetro e 1, 95 cm de altura.
As características iniciais do corpo de prova são listadas na Tabela 6.1.
Tabela 6.1 – Características iniciais do corpo de prova do ensaio de adensamento edométrico (solo residual natural)
eo W o (%) So (%) γt (kN/m³) γd (kN/m³) 1,16 32,23 72,87 15,86 12,00
A amostra foi submersa antes de iniciar o carregamento. As tensões
adotadas variaram de 9,81 kPa a 1569,07 kPa. A partir do último estágio de
carregamento, foram realizados os seguintes estágios de descarregamento:
784,54 kPa, 392,27 kPa e 49,03 kPa. O tempo de duração de cada estágio foi o
suficiente para proporcionar a estabilização das deformações. A Figura 6.1
ilustra as curvas recalque x raiz do tempo, obtidas nas fases de carregamento do
corpo de prova, utilizadas para obtenção de t100. Os dados obtidos a partir de
cada estágio de adensamento constam na Tabela 6.2.
Comportamento mecânico
101
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
0 10 20 30 40
Raiz do tempo (min)
Rec
alqu
e (m
m)
9,81 kPa
24,52 kPa
49,03 kPa
98,07 kPa
196,13 kPa
392,27 kPa
588,4 kPa
784,54 kPa
1176,8 kPa
1569,07 kPa
Figura 6.1 – Curvas recalque x raiz do tempo, solo residual natural
Tabela 6.2 – Dados obtidos a partir dos estágios de adensamento edométrico (solo residual natural)
Estágio (kPa) e
t100(s)
Cv (10-1) (cm²/s)
av (10-4) (kPa-1)
mv (10-4) (kPa-1)
k (10-6) (cm/s)
9,81 1,15 8,4 2,01 10,7 4,99 9,88 24,52 1,14 12,0 1,39 5,20 2,43 3,33 49,03 1,13 12,0 1,38 3,66 1,72 2,34 98,07 1,12 12,6 1,30 2,40 1,13 1,45
196,13 1,11 8,4 1,93 1,61 0,76 1,45 392,27 1,08 8,4 1,89 1,42 0,69 1,28 588,40 1,05 17,4 0,89 1,36 0,66 0,58 784,54 1,00 27,6 0,54 2,50 1,25 0,66 1176,80 0,90 13,8 1,00 2,76 1,46 1,43 1569,07 0,81 24,0 0,52 2,17 1,20 0,61
Vaughan (1985) sugere que os resultados dos ensaios de adensamento
sejam representados utilizando escalas diferentes das convencionais (semi-
logarítmicas) para uma melhor identificação do ponto de escoamento. A curva
que correlaciona o índice de vazios e a tensão efetiva de adensamento foi
traçada na escala convencional (semi-logarítmica) e nas escalas sugeridas por
Vaughan (1985) (escala aritmética e escala bilogarítmica) (ver Figura 6.2).
Comportamento mecânico
102
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
1 10 100 1000 10000
Tensão vertical efetiva - σ'v (kPa)
Índi
ce d
e va
zios
0,10
1,00
10,00
1 10 100 1000 10000
Tensão vertical efetiva - σ'v (kPa)
Índi
ce d
e va
zios
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Tensão vertcal efetiva - σ'v (kPa)
Índi
ce d
e va
zios
a)
b)
c)
Figura 6.2 – Formas de representação dos resultados de adensamento edométrico a) e x
log σ’v, b) log e x log σ’v e c) e x σ’v
Comportamento mecânico
103
Nas três formas de representação, observa-se, de maneira clara, uma
mudança no gradiente das curvas, indicando a existência de uma tensão de
escoamento. A tensão de escoamento apresentada na Tabela 6.3 foi
determinada pelo método de Pacheco Silva na escala semi-logarítmica.
Percebe-se que a mudança do gradiente nas demais escalas também ocorre
próxima à tensão vertical efetiva de 600 kPa. Os outros parâmetros
apresentados na tabela foram determinados a partir do gráfico traçado na escala
semi-logarítmica (Cc – índice de compressão, Cs – índice de expansão e Cr –
índice de recompressão).
Vale ressaltar, que se espera que o índice de vazios inicial do corpo de
prova influencie o comportamento do solo neste ensaio.
Tabela 6.3 – Parâmetros do ensaio de adensamento edométrico
σ’es (kPa) Cc Cr Cs 600 0,64 0,04 0,06
Analisando a curva na escala semi-logarítmica, percebe-se que há um
trecho inicial em que o solo exibe comportamento mais rígido, com variação
muito pequena do índice de vazios de acordo com a tensão vertical efetiva,
como conseqüência das ligações interpartículas. Após a tensão de escoamento,
o solo exibe grandes deformações plásticas com o aumento das tensões
verticais.
6.2. Ensaios triaxiais
6.2.1. Introdução
O objetivo principal da realização dos ensaios triaxiais foi estudar a
influência das interações físico-químicas, ocorridas entre o solo e o licor, no
comportamento tensão-deformação e nos parâmetros de resistência ao
cisalhamento do solo. Para tal, dois tipos de ensaios foram executados: no
primeiro, os corpos de prova foram saturados com água (ensaio convencional), e
no outro, o fluido intersticial (água) foi substituído pelo licor cáustico. Isto permitiu
comparar o comportamento do solo em seu estado natural com o seu
comportamento estando contaminado. Apenas o solo residual jovem foi
Comportamento mecânico
104
submetido a ensaios triaxiais, sendo os corpos de prova obtidos a partir de
amostras indeformadas.
O programa de ensaios estabelecido está apresentado na Tabela 6.4. Dois
ensaios CID com tensão efetiva de adensamento de 25 kPa foram realizados,
sendo um com solo natural e outro com solo contaminado. Os ensaios CID foram
executados com o intuito de melhor definir as envoltórias de resistência para
baixos níveis de tensão.
A metodologia empregada na execução dos ensaios está descrita no
Capítulo 4.
Tabela 6.4 – Campanha de ensaios triaxiais com os corpos de prova saturados com água e com licor cáustico
Fluido intersticial dos corpos de prova Ensaio triaxial σ'c (kPa)
Água Licor cáustico 25 X* X 50 X X* 77 X - 100 X X 200 X* X
CIU
400 - X CID 25 X X
* Dois ensaios realizados
Neste item, são apresentados e analisados os resultados dos ensaios
triaxiais. A princípio, pensou-se em analisar os resultados dos ensaios apenas
por comparação (solo natural com solo contaminado), no entanto, ao longo da
realização da campanha de ensaios, observou-se a forte influência do índice de
vazios na resistência ao cisalhamento. Por isso, optou-se por também analisar a
influência deste parâmetro no comportamento do solo.
6.2.2. Apresentação dos resultados
6.2.2.1. Índices físicos dos corpos de prova
Nas Tabelas 6.5 e 6.6, são listados os índices físicos dos corpos de prova
utilizados nos ensaios CIU e CID, respectivamente. Conforme mostrado no
Capítulo 5, a densidade relativa dos grãos deste solo é 2,627.
Comportamento mecânico
105
Tabela 6.5 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios CIU Fluido de saturação
σ’c(kPa) eo eadensto
wo(%)
So(%)
γt(kN/m³)
γd(kN/m³)
25(a) 1,25 1,25 44,97 94,40 16,59 11,44 25(b) 1,15 1,15 36,48 83,40 16,36 11,99 50 1,47 1,46 50,39 89,80 15,66 10,41 77 1,31 1,30 46,82 93,80 16,36 11,14 100 1,34 1,32 36,94 72,30 15,06 11,00 200(a) 1,49 1,43 48,93 86,10 15,39 10,33
Água
200(b) 1,26 1,19 44,49 93,10 16,50 11,42 25 1,29 1,27 43,42 88,40 16,13 11,24 50(a) 1,51 1,48 48,35 84,00 15,21 10,25 50(b) 1,32 1,28 45,16 89,90 16,12 11,11 100 1,33 1,28 47,84 94,80 16,37 11,07 200 1,46 1,26 45,01 81,00 15,19 10,47
Licor
400 1,18 0,93 42,86 95,40 16,88 11,81
Tabela 6.6 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios CID Fluido de saturação
σ’c(kPa) eo eadensto
wo(%)
So(%)
γt(kN/m³)
γd(kN/m³)
Água 25,00 1,06 1,06 33,6 81,00 16,67 12,48 Licor 25,00 1,21 1,21 39,29 83,80 16,25 11,67
Nota-se, nestas tabelas, uma grande variação do índice de vazios natural
do solo residual (1,06 a 1,51).
6.2.2.2. Curvas tensão desviadora x deformação axial
Nos ensaios triaxiais CIU e CID, todos os corpos de prova romperam
formando plano (ver ilustrações na Figura 6.3), tanto nos ensaios realizados com
solo natural, como nos executados com solo contaminado. Por isso, foi
necessário corrigir os valores da tensão desviadora após a ruptura. As correções
foram feitas tanto para a mudança de área, que diminui ao longo do tempo após
a ruptura, como para a membrana, que passa a colaborar de maneira
significativa na resistência. As metodologias empregadas nestas correções estão
no Anexo II. As curvas tensão desviadora x deformação axial, já corrigidas, e as
de excesso de poropressão x deformação axial, do solo ensaiado com água e
licor cáustico, estão ilustradas nas Figuras 6.4 e 6.5, respectivamente. Os
resultados referentes aos dois ensaios CID são apresentados na Figura 6.6.
Os coeficientes de adensamento e o valor da permeabilidade encontrada
no ensaio triaxial são apresentados no Apêndice II.
Comportamento mecânico
106
σ’c = 25 kPa (a) – água σ’c = 400 kPa – licor
Figura 6.3 – Corpos de prova após a ruptura (formação de plano)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6 7
a)
Tens
ão d
esvi
ador
a –
τ d (
kPa)
25 kPa (a) 25 kPa (b)
50 kPa 77 kPa
100 kPa 200 kPa (a)
8
200 kPa (b)
120
-80
-40
0
40
80
120
160
0 1 2 3 4 5 6 7 8-Ex
cess
o de
por
opre
ssão
– ∆
u (k
Pa)
b)
Deformação axial – εa (%) Figura 6.4 – Curvas do solo natural (ensaios CIU) a) tensão desviadora x deformação
axial; b) excesso de poropressão x deformação axial
Comportamento mecânico
107
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4 5 6 7 8
25 kPa 50 kPa (a)50 kPa (b) 100 kPa200 kPa 400 kPa
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8
a)
Tens
ão d
esvi
ador
a –
τ d (k
Pa)
b)
Exce
sso
de p
orop
ress
ão –
∆u
(kP
a)
Deformação axial – εa (%)
Figura 6.5 - Curvas do solo contaminado (ensaios CIU) a) tensão desviadora x
deformação axial; b) excesso de poropressão x deformação axial
Comportamento mecânico
108
0
50
100
150
200
250
300
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
água - 25 kPa licor - 25 kPa
-6,0
-5,0
-4,0
-3,0
-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
a) Te
nsão
des
viad
ora
– τ d
(kP
a)
Def
orm
ação
vol
umét
rica
- ε v
(%)
b)
(-) dilatância
Deformação axial – εa (%)
Figura 6.6 – Curvas do solo residual natural e contaminado (ensaios CID) a) tensão
desviadora x deformação axial; b) deformação volumétrica x deformação axial
6.2.2.3. Trajetórias de tensões efetivas e envoltórias de resistência
No caso de formação de plano na ruptura, a poropressão medida não
representa necessariamente a que está atuando no plano de cisalhamento
formado, já que a medida desta é realizada apenas na base do corpo de prova.
Tentando minimizar o erro no traçado das trajetórias de tensões efetivas
ocasionado pela medida de poropressão após a ruptura, estas foram plotadas
Comportamento mecânico
109
até valores de p’ e q correspondentes, a no máximo, a uma deformação de 4%
(valor um pouco acima das deformações obtidas na ruptura). p’ e q são definidos
pelas expressões:
p’ = (σ’v + σ’h)/2 e q = (σ’v - σ’h)/2
Para obtenção das envoltórias correspondentes ao estado crítico,
interpolou-se a linha K a partir das trajetórias de tensões efetivas dos ensaios
CIU e do ponto de “resistência última”, obtido no ensaio triaxial CID. Os
coeficientes lineares (d’) e angulares (θ’) da linha K foram relacionados com os
parâmetros de ruptura pelo critério de Mohr-Coulomb, conforme as expressões
abaixo, obtendo-se assim o intercepto de coesão efetiva (c’) e o ângulo de atrito
interno efetivo (φ’).
tg θ’ = sen φ’ e c’ = d’/cos φ’
As trajetórias de tensões efetivas, as envoltórias de resistência e os
valores de c’ e φ’ obtidos a partir dos ensaios com água e com licor são
apresentados nas Figuras 6.7 e 6.8, respectivamente.
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
0
25
50
75
100
125
150
175
200
c’ = 9,2 (kPa) φ' = 35,38o
• – “resistência última” – ensaio CID o – resistência de pico – ensaio CID
(b)
(b) (a)
q (k
Pa)
(a)
p’ (kPa) Figura 6.7 – Trajetórias de tensões efetivas (CIU) e envoltória de resistência (estado
crítico) – água
Comportamento mecânico
110
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450
0
25
50
75
100
125
150
175
200
c’ = 7,04 kPa φ' = 31,67 o
• – “resistência última” – ensaio CID o – resistência de pico – ensaio CID
q (k
Pa)
(b) (a)
p’ (kPa)
Figura 6.8 – Trajetórias de tensões efetivas (CIU) e envoltória de resistência (estado
crítico) – licor cáustico
6.2.2.4. Dados na ruptura
Os valores da tensão desviadora, deformação axial, excesso de
poropressão, coeficiente de poropressão e os valores de p’ e q na ruptura, nos
ensaios CIU, são listados na Tabela 6.7, assim como o valor da tensão
desviadora para uma deformação axial de 8 %. Constam na Tabela 6.8, dados
na ruptura e o valor da tensão desviadora para uma deformação de 10 % dos
ensaios CID. Foi assumida que a ruptura ocorreu ao ser atingida a tensão
desviadora máxima nos dois tipos de ensaio.
Tabela 6.7 – Dados na ruptura e tensão desviadora para uma deformação axial de 8%. Ensaios CIU realizados com água e licor Fluido de saturação
σ’c(kPa)
τdr(kPa)
εar(%)
∆ur (kPa) Ar
p’r(kPa)
qr(kPa)
τd8%(kPa)
25 (a) 251,00 1,8 -35,51 -0,14 186,10 125,08 232,90 25 (b) 376,23 1,0 -16,21 -0,04 229,30 188,11 376,23 50 158,80 1,4 35,72 0,22 93,70 79,40 143,47 77 190,92 1,6 36,64 0,19 135,80 95,46 194,00 100 257,31 0,5 59,00 0,23 178,10 137,36 216,00 200 (a) 164,03 1,8 129,23 0,79 15,80 82,01 130,53
Água
200 (b) 269,60 0,9 111,57 0,41 223,22 34,79 175,70 25 99,00 2,0 10,92 0,11 63,35 49,50 87,64 50 (a) 56,31 2,0 28,25 0,50 47,10 28,16 52,34 50 (b) 81,40 1,0 82,00 1,01 123,30 40,68 62,50 100 98,90 1,9 71,46 0,72 122,40 58,56 82,10 200 117,12 3,0 136,21 1,16 78,00 49,44 113,64
Licor
400 346,54 2,8 248,07 0,72 330,10 173,27 248,34
Comportamento mecânico
111
Tabela 6.8 –Dados na ruptura e tensão desviadora para uma deformação axial de 10 %. Ensaios CID realizados com água e licor
Fluido de saturação
σ’c(kPa)
τdr(kPa)
εar(%)
εvr (%)
τσd10%(kPa)
Água 25 286,56 1,01 0,322 108,35 Licor 25 107,64 3,43 0,823 97,87
6.2.2.5. Módulos de deformação
A Tabela 6.9 apresenta os módulos de deformação secante para 50 % da
tensão desviadora máxima (Es50%) e o tangencial inicial (Eti) referentes aos
ensaios CID e CIU.
Tabela 6.9 – Módulos de deformação
Eti (MPa) Es50% (MPa) Fluido de saturação
σ’c(kPa)
CIU CID CIU CID 25 (a) 45,50 25 44,80 27,11 25 (b) 56,40 - 53,70 - 50 38,90 - 31,80 - 77 25,00 - 19,00 - 100 64,50 - 71,50 - 200 (a) 25,00 - 22,80 -
Água
200 (b) 54,20 - 40,90 - 25 2,00 12,5 11,30 5,89 50 (a) 14,3 - 68,70 - 50 (b) 16,70 - 12,70 - 100 30,80 - 17,70 - 200 25,00 - 15,40 -
Licor
400 43,40 - 33,40 -
6.2.3. Análise e discussão dos resultados
6.2.3.1. Ensaios com solo natural – CIU
Analisando os resultados ilustrados na Figura 6.4, observa-se que as
curvas (τd x εa) apresentam comportamentos distintos para os níveis de tensões
efetivas de adensamento utilizados. As tensões desviadoras máximas são
alcançadas para deformações axiais da ordem de 0,8 % (σ’c = 25 kPa (b),
100 kPa e 200 kPa (b)) e 1,7 % (σ’c = 25 kPa (a), 50 kPa, 77 kPa e 200 kPa (a)).
As curvas (τd x εa) para σ’c = 100 kPa e 200 kPa (b) apresentam picos bem
definidos, com queda significativa de resistência após a ruptura. Estes picos não
estão associados a dilatância, pois os excessos de poropressão nestes casos
Comportamento mecânico
112
foram sempre positivos. As demais curvas apresentam um pico suave, com as
resistências permanecendo praticamente as mesmas após a ruptura. O solo
mostra comportamento dilatante para os dois ensaios em que σ’c = 25 kPa e, nos
ensaios onde σ’c = 50 kPa, 77 kPa e 100 kPa, desenvolve excessos de
poropressão decrescentes logo após a ruptura para só então estabilizar.
A resistência do solo é pouco influenciada pela tensão efetiva de
adensamento. Isto pode ser facilmente detectado nos gráficos tensão desviadora
(na ruptura e para uma εa= 8 %) versus tensão efetiva de adensamento (Figura
6.9). Nestes gráficos, percebe-se que não é possível estabelecer uma relação
satisfatória entre as resistências e a tensão efetiva de adensamento. Na
realidade, nota-se a tendência da resistência diminuir com o aumento da tensão
confinante, o contrário do que se esperaria em um solo sedimentar, por exemplo.
y = -0,6575x + 285,32R2 = 0,2811
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200 250
σ'c (kPa)
τ d
r (kP
a)
y = -0,8162x + 280,41R2 = 0,3716
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200 250
σ'c (kPa)
τ d
8 %
(kP
a)
a)
b)
Figura 6.9 – Relação entre: a) tensão desviadora na ruptura x tensão efetiva de
adensamento b) tensão desviadora para deformação axial de 8 % x tensão efetiva de
adensamento (Ensaios com água - CIU)
A tensão de escoamento para solos residuais, como mencionado na
revisão bibliográfica, é conseqüência da história de intemperismo e resulta
Comportamento mecânico
113
principalmente de dois fatores: ligações entre partículas e índice de vazios. Logo,
para valores de tensão efetiva de adensamento inferiores à tensão de
escoamento, espera-se que haja uma grande influência destes dois
componentes no comportamento do solo. A tensão de escoamento encontrada
para o solo residual no estado natural foi de 600 kPa, valor este acima das
tensões de adensamento utilizadas nos ensaios triaxiais. Isto possivelmente
justifica o fato de não se estabelecer uma relação entre as tensões desviadoras
(na ruptura e para uma εa= 8 %) e as tensões efetivas de adensamento.
A Figura 6.10 mostra a relação entre os índices de vazios (inicial e após o
adensamento) e as tensões desviadoras (na ruptura e para uma deformação
axial de 8 %). Observa-se que, conforme seria de se esperar, as resistências
tendem a aumentar com a diminuição do índice de vazios. Nota-se que há uma
melhor correlação entre os índices de vazios e a tensão desviadora
correspondente à deformação axial de 8 %.
O índice de vazios variou pouco na fase de adensamento. Nos ensaios
onde σ’c = 25 kPa este permaneceu o mesmo, havendo maior variação nos
ensaios com σ’c = 200 kPa (decréscimo de cerca de 5 %). Para as demais
tensões efetivas de adensamento, houve variação de, no máximo, 1,5 % do
índice de vazios. Isto mostra que as tensões efetivas afetaram pouco a estrutura
do solo e justifica as boas correlações obtidas nos gráficos da Figura 6.10.
Apesar de não se obter uma relação satisfatória entre a tensão efetiva de
adensamento e as tensões desviadoras (máxima e para uma deformação axial
de 8 %), percebe-se, por meio dos gráficos excesso de poropressão x
deformação axial, que, apesar das tensões efetivas de adensamento utilizadas
estarem bem abaixo da de escoamento, o aumento destas faz com que o solo
tenda a ter um comportamento de contração cada vez mais acentuado.
Comportamento mecânico
114
y = -0,3627Ln(x) + 3,2946R2 = 0,8463
y = -0,3428Ln(x) + 3,1622R2 = 0,8427
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
130 160 190 220 250 280 310 340 370 400
τdr (kPa)
e
e (inicial)e (após adensamento)
y = -0,3325Ln(x) + 3,1006R2 = 0,9448
y = -0,2924Ln(x) + 2,8711R2 = 0,9356
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
130 160 190 220 250 280 310 340 370 400
τd8% (kPa)
e
e (inicial)e (após adensamento)
a)
b)
Figura 6.10 – Relação entre: a) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e tensão
desviadora na ruptura; b) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e tensão
desviadora para uma deformação axial de 8 % (ensaios com água - CIU)
As trajetórias de tensões efetivas para todos os ensaios, com exceção
apenas de σ’c = 200 kPa (a), curvam-se para direita, comportamento este
semelhante ao de solos sedimentares pré-adensados (Figura 6.7). Para o ensaio
onde σ’c = 25 kPa (b), observa-se que a resistência suportada pelo solo é maior
que nos demais. Isto se deve possivelmente a três fatores: a) para este nível de
tensão efetiva de adensamento, a estrutura do solo não é afetada (não houve
alteração no índice de vazios na fase de adensamento); b) o índice de vazios
incial neste ensaio é menor que nos demais; c) o excesso de poropressão
gerado é negativo (comportamento dilatante). Este último fator está diretamente
ligado à estrutura.
Comportamento mecânico
115
As trajetórias de tensões efetivas (exceto para σ’c = 200 kPa) tendem a
aproximar-se da envoltória de cima para baixo, sendo este comportamento
também reflexo da estrutura do solo. Com o aumento da tensão efetiva de
adensamento, espera-se que haja a quebra progressiva das ligações entre as
partículas, implicando na diminuição da influência da estrutura no
comportamento do solo, de maneira que esta se torne praticamente nula ao ser
atingida a tensão de escoamento. Obteve-se como parâmetros de resistência um
intercepto de coesão efetiva no valor de 9,2 kPa (reflexo exclusivamente da
estrutura do solo) e um ângulo de atrito interno efetivo de 35,38o.
Outra alternativa para o traçado da envoltória seria realizar ensaios com
tensões efetivas superiores as utilizadas, inclusive maiores que a tensão de
escoamento. Sandroni (1974), ao estudar o comportamento de solos residuais,
considerou a envoltória de resistência curva até próxima da tensão de
escoamento, e acima desta admitiu o comportamento semelhante ao de solos
sedimentares normalmente adensados. Esta curvatura da envoltória é devido,
principalmente, à presença de cimentações. Desta forma, os ensaios aqui
realizados estariam na parte curva da envoltória, caso esta fosse traçada como
sugerido por Sandroni (1974). Ao traçar a envoltória linear e abaixo das
resistências alcançadas nos ensaios realizados com as tensões efetivas de
adensamento menores, está se desprezando a resistência alcançada por este
solo devido à sua estrutura.
6.2.3.2. Ensaios com solo contaminado – CIU
Os resultados apresentados na Figura 6.5 mostram que as curvas (τd x εa)
para σ’c = 50 kPa , 100 kPa e 200 kPa apresentam picos suaves e, após a
ruptura, as tensões desviadoras diminuem um pouco, formando em seguida um
patamar que coincide com a estabilização dos excessos de poropressão. O
ensaio onde σ’c = 25 kPa também apresenta um pico suave, porém, após a
ruptura, o excesso de poropressão começa a decrescer e tender a zero. Já para
σ’c = 400 kPa não há estabilização da tensão desviadora após a ruptura, que
tende a decrescer até a deformação axial máxima atingida, que é de 8 %,
quando foi interrompido o ensaio. Os excessos de poropressão gerados durante
o cisalhamento são sempre positivos. A ruptura é atingida para deformações
axiais entre 2 % e 3 %, exceto para σ’c = 50 kPa (b) que rompeu a 1 %.
Comportamento mecânico
116
A Figura 6.11 mostra que o solo contaminado apresenta uma boa
correlação entre o índice de vazios após o adensamento e as tensões
desviadoras (na ruptura e para uma deformação de 8 %). No entanto, não se
obtém uma correlação satisfatória entre as resistências e o índice de vazios
inicial. Observa-se, na Tabela 6.5, que o índice de vazios, na fase de
adensamento do ensaio, varia cerca de 2 % para σ’c = 25 kPa e 50 kPa (a), 3 %
para σ’c = 50 kPa (b) e 100 kPa, 13,70 % para σ’c = 200 kPa e 21,19 % para σ’c =
400 kPa. Estas variações são superiores as obtidas nos ensaios realizados com
água, e se devem, principalmente, ao efeito dispersivo do licor, que afeta a
estrutura do solo tornando-o mais compressível. Isto faz com que a resistência
torne-se função, principalmente, da tensão efetiva de adensamento, e não do
índice de vazios como nos ensaios realizados com água.
y = -0,1476Ln(x) + 2,0428R2 = 0,5736
y = -0,2842Ln(x) + 2,5873R2 = 0,9647
0,92
1,02
1,12
1,22
1,32
1,42
1,52
1,62
50 100 150 200 250 300 350
τdr (kPa)
e
e (inicial)e (após adensamento)
y = -0,1423Ln(x) + 1,9901R2 = 0,4888
y = -0,2894Ln(x) + 2,5548R2 = 0,9164
0,92
1,02
1,12
1,22
1,32
1,42
1,52
1,62
50 100 150 200 250 300
τd8% (kPa)
e
e (inicial)
e (após adensamento)
Figura 6.11 - Relação entre: a) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e tensão
desviadora na ruptura; b) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e tensão
desviadora para uma deformação axial de 8 % (ensaios com licor - CIU)
Comportamento mecânico
117
As relações obtidas entre as tensões desviadoras (na ruptura e para uma
deformação axial de 8 %) e a tensão efetiva de adensamento são expostas na
Figura 6.12. Observa-se que há uma tendência da resistência aumentar com o
crescimento da tensão efetiva de adensamento. Para a tensão efetiva de
adensamento igual a 25 kPa, percebe-se uma grande influência das ligações
interpartículas do solo e do índice de vazios (variou pouco na fase de
adensamento). Não foi realizado ensaio de adensamento edométrico para o solo
contaminado, mas espera-se que a tensão de escoamento seja inferior à obtida
no ensaio realizado com água devido à ação do licor na estrutura do solo.
y = 0,6986x + 37,151R2 = 0,8794
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200 250 300 350 400
σ'c (kPa)
τ d
r (kP
a)
a)
y = 0,4885x + 39,202R2 = 0,909
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350 400
σ'c (kPa)
τ
d 8
% (k
Pa)
b)
Figura 6.12 – Relação entre: a) tensão desviadora na ruptura x tensão efetiva de
adensamento b) tensão desviadora para deformação axial de 8 % x tensão efetiva de
adensamento (Ensaios com licor - CIU)
As trajetórias de tensões efetivas correspondentes a σ’c = 25 kPa e
50 kPa (b) curvam-se para direita (ver Figura 6.8). A trajetória referente a σ’c =
Comportamento mecânico
118
50 kPa (a) anda um pouco para esquerda, mas sobe praticamente em linha reta
até atingir a envoltória de resistência. Já as trajetória de σ’c = 100 kPa, 200 kPa
e 400 kPa caminham para a esquerda, sendo que para σ’c = 400 kPa a trajetória
curva-se para a direita até uma deformação axial de 0,6 %, para só então andar
para a esquerda. Estas três últimas tensões efetivas de adensamento citadas
apresentam trajetórias de tensões efetivas bastante similares a de solos
normalmente adensados. Não se sabe quando o solo começa a se comportar
desta maneira, pois a tensão de escoamento do solo contaminado não foi
determinada.
Da mesma forma que no solo residual, poderia-se traçar uma envoltória
curva para as tensões efetivas abaixo da tensão de escoamento e linear acima
desta. Aparentemente, a tensão de escoamento está entre as tensões efetivas
de 100 kPa e 200 kPa.
Os valores de c’ e φ' encontrados foram, respectivamente, 7,0 kPa e
31,67o.
6.2.3.3. Comparação dos resultados
Para melhor visualizar e entender a influência do licor no comportamento
do solo, neste item, serão comparados, os resultados dos ensaios realizados
com solo no estado natural e contaminado, mesmo isto já tendo sido feito
separadamente ao longo da apresentação dos resultados.
Características de compressibilidade A Figura 6.13 mostra a relação entre o índice de vazios normalizado, ao
ser dividido pelo índice de vazios inicial, versus tensão vertical efetiva de
adensamento dos ensaios triaxiais (CIU e CID), bem como do único ensaio de
adensamento executado.
Ao causar dispersão no solo, o licor afeta sua estrutura tornando-o mais
compressível, e assim mais suscetível à atuação da tensão efetiva de
adensamento (ver variação do índice de vazios na Tabela 6.5 e os resultados da
figura a seguir).
Comportamento mecânico
119
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1 10 100 1000 10000Tensão vertical efetiva (kPa)
e /e o
águalicor
água (edométrico)
Figura 6.13 – Comparação das curvas índice de vazios normalizado x tensão vertical
efetiva
Ensaios CIU Comportamento tensão – deformação
De maneira geral, existe uma tendência de redução da tensão desviadora
(máxima e para uma deformação axial de 8 %) e da deformação axial na ruptura
quando se passa do solo natural para o contaminado. As alterações causadas
pelo licor no solo serão avaliadas para cada nível de tensão efetiva de
adensamento.
Tensão efetiva de adensamento: 25 kPa
Observando a Figura 6.14, percebe-se que o comportamento tensão-
deformação é praticamente o mesmo nos dois ensaios realizados com água,
sendo que para σ’c = 25 kPa (b) a tensão desviadora alcançada é maior, devido
ao fato do corpo de prova utilizado neste ensaio ter um índice de vazios menor.
Nos dois ensaios o solo comportou-se de maneira dilatante, refletindo a forte
influência da estrutura na resistência.
A tensão desviadora atingida no ensaio com licor corresponde a apenas
39 % da menor tensão alcançada nos ensaios efetuados com água. O excesso
de poropressão gerado pelo solo contaminado é positivo, mas, após a ruptura,
diminui e começa a tender a zero.
Comportamento mecânico
120
Observa-se ainda, nesta figura, que o solo contaminado apresenta uma
menor rigidez, o que está ligado a um aumento da compressibilidade do solo
após a contaminação.
A diminuição da rigidez e da resistência é causada pela quebra e/ou
enfraquecimento das ligações interpartículas. Este comportamento do solo está
coerente com os dados obtidos nas análises químicas, em que se observa um
aumento da capacidade de troca catiônica no solo contaminado, e com a análise
física, que indica o poder dispersivo do licor. Os ensaios de difração por raios-X,
análise termodiferencial e ataque sulfúrico, indicaram que o licor atua realmente
como agente dispersivo, não provocando amorfização da fração argila do solo
em temperatura ambiente.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7
a)
τ d (k
Pa)
a (a)água - 25 kPa (b)água - 25 kP
licor - 25 kPa
8
-120
-90
-60
-30
0
30
0 1 2 3 4 5
∆u
(kP
a)
b)
6 7 8
εa (%)
Figura 6.14 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação axial ; b)
excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com água e licor para
σ’c = 25 kPa (CIU)
Comportamento mecânico
121
Tensão efetiva de adensamento: 50 kPa
Nos ensaios onde σ’c = 50 kPa com solo contaminado, observa-se que,
apesar das curvas apresentarem comportamentos distintos, elas tendem para
uma mesma tensão desviadora após a ruptura. Apresentou maior resistência,
dentre os solos contaminados, o ensaio em que o corpo de prova tinha o menor
índice de vazios inicial. Isto mostra que existe influência do índice de vazios no
comportamento do solo contaminado, mesmo que menor que a exercida pela
tensão efetiva de adensamento (ao menos para este nível de tensão) (Figura
6.15 (a)).
A tensão desviadora máxima suportada pelo solo contaminado
corresponde a 44 % da alcançada pelo solo natural, com este último
apresentando comportamento mais rígido.
Os excessos de poropressão são todos positivos, com comportamentos
mais próximos do que os obtidos nos ensaios onde σ’c = 25 kPa. (Figura 6.15
(b)). a)
τ d (k
Pa)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 1 2 3 4 5 6 7 8
água - 50 kPalicor - 50 kPa (a)licor - 50 kPa (b)
0
30
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8
∆u
(kP
a)
b)
εa (%) Figura 6.15 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação axial ; b)
excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com água e licor para
σ’c = 50 kPa (CIU)
Comportamento mecânico
122
Tensão efetiva de adensamento: 100 kPa
No ensaio com tensão efetiva de 100 kPa utilizando solo contaminado, a
tensão desviadora alcançada para uma deformação axial de 8 % (quando já se
tem um patamar) equivale a 38 % da obtida pelo solo natural. A ruptura é
atingida primeiro pelo solo ensaiado com água, sendo este fato observado
também para as demais tensões efetivas de adensamento. O excesso de
poropressão, gerado pelo solo natural, é inferior ao gerado pelo solo
contaminado, mas em ambos os casos há estabilização deste após a ruptura. O
solo natural mostra comportamento mais rígido devido ao efeito de estrutura,
preservada neste nível de tensão efetiva (Figura 6.16).
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8
água - 100 kPalicor - 100 kPa
0
30
60
90
0 1 2 3 4 5 6 7 8
a)
τ d (k
Pa)
∆
u (k
Pa)
b)
εa (%)
Figura 6.16 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação axial ; b)
excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com água e licor para
σ’c = 100 kPa (CIU)
Tensão efetiva de adensamento: 200 kPa
Comportamento mecânico
123
Para σ’c = 200 kPa, observa-se ainda o efeito do índice de vazios, seja
inicial ou após o adensamento, na resistência obtida pelo solo natural. O ensaio
(b) apresenta maior resistência que o ensaio (a), que possui um maior índice de
vazios. Esta tensão de adensamento causa uma variação de, no máximo, 5,5 %
no índice de vazios dos ensaios realizados com água, enquanto que nos ensaios
com licor esta variação é de cerca de 14 % (esta diferença entre a variação do
índice de vazios nos ensaios realizados com água e nos efetuados com licor,
também pode ser observada na Figura 6.13). Nestes ensaios, as tensões
desviadoras após a ruptura tendem a valores mais próximos que para as demais
tensões efetivas de adensamento. Os excessos de poropressão gerados nos
três ensaios são bastante similares (Figura 6.17).
Nota-se que, para este nível de tensão, que a tensão efetiva de
adensamento passa a ter uma maior influência no comportamento do solo
natural. À medida que se aumenta a tensão efetiva de adensamento, cresce a
quebra das ligações entre os grãos, o que faz com que haja uma diminuição da
influência da estrutura no comportamento tensão-deformação e excesso de
poropressão-deformação (Figura 6.17).
Comportamento mecânico
124
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8
água - 200 kPa (a)água - 200 kPa (b)licor - 200 kPa
0
30
60
90
120
150
180
0 1 2 3 4 5 6 7 8
a)
τ d (k
Pa)
∆
u (k
Pa)
b)
εa (%)
Figura 6.17 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação axial ; b)
excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com água e licor para
σ’c = 200 kPa (CIU)
Trajetórias de tensões efetivas
As trajetórias de tensões efetivas refletem as mudanças que ocorrem na
estrutura do solo quando contaminado com licor. Enquanto há uma forte
influência da estrutura nos caminhos de tensões efetivas até 100 kPa nos
ensaios realizados com água (apresentam comportamento semelhante a de
solos sedimentares pré-adensados), nos ensaios com licor nota-se esta
influência de maneira clara apenas para σ’c = 25 kPa. As trajetórias de tensões
efetivas serão analisadas para cada nível de tensão efetiva de adensamento.
Tensão efetiva de adensamento: 25 kPa
Os comentários feitos a seguir são baseados na Figura 6.18.
Comportamento mecânico
125
Tanto nos ensaios realizados com água como no efetuado com licor, o solo
apresenta trajetórias de tensões efetivas semelhantes a de um solo sedimentar
pré-adensado, devido às ligações interpartículas que são pouco afetadas.
Ao comparar as trajetórias de tensões efetivas dos ensaios realizados com
água, observa-se que os maiores valores de p’ e q são alcançados pelo solo em
que σ’c = 25 kPa (b), onde se tem o menor índice de vazios inicial e,
conseqüentemente, uma maior dilatância.
O ensaio realizado com solo contaminado atinge valores de p’e q inferiores
aos obtidos nos ensaios com água, isto ocorre devido ao maior índice de vazios
do corpo de prova utilizado neste ensaio e da influência do licor cáustico na
estrutura.
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
0
25
50
75
100
125
150
175
200
___água _ _ licor (b)
(a)
q (k
Pa)
p’ (kPa)
Figura 6.18 – Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados com
água e licor para σ’c = 25 kPa (CIU)
Tensão efetiva de adensamento: 50kPa
Analisando as trajetórias de tensões efetivas dos dois ensaios realizados
com licor, percebe-se que, para σ’c = 50 kPa (b), o solo atinge maiores valores
de p’ e q por apresentar um menor índice de vazios inicial (Figura 6.19).
Comportamento mecânico
126
Mesmo tendo um índice de vazios inicial superior a de um dos ensaios
realizados com licor (σ’c = 50 kPa (b)), o solo no estado natural chega a maiores
valores de p’ e q.
0 25 50 75 100 125 150
0
25
50
75
100
___água _ _ licor
q (k
Pa)
(b)
(a)
p’ (kPa)
Figura 6.19 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados com
água e licor para σ’c = 50 kPa (CIU)
Tensão efetiva de adensamento: 100kPa
Para este nível de tensão efetiva, nota-se, de maneira clara, a influência do
licor no comportamento do solo. Apesar de apresentarem índices de vazios
iniciais bastante próximos (água – 1,34 e licor – 1,33), a trajetória de tensões
efetivas no ensaio efetuado com licor tem aspecto semelhante à de um solo
sedimentar normalmente adensado, enquanto a do solo no estado natural se
assemelha com a de um solo sedimentar pré-adensado (Figura 6.20).
É interessante notar que a partir desta tensão efetiva de adensamento, o
comportamento do solo contaminado é influenciado basicamente pela tensão
efetiva de adensamento.
Comportamento mecânico
127
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225
0
25
50
75
100
125
150
___água _ _ licor
q (k
Pa)
p’ (kPa)
Figura 6.20 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados com
água e licor para σ’c = 100 kPa (CIU)
Tensão efetiva de adensamento: 200kPa
As trajetórias de tensões efetivas nos ensaios realizados com água, para
σ’c = 200 kPa, apresentam comportamentos distintos devido à grande diferença
entre os índices de vazios iniciais. Os maiores valores de p’ e q foram atingidos
no ensaio em que o corpo de prova tinha o menor índice de vazios inicial (Figura
6.21).
Como ocorre nas demais tensões efetivas de adensamento, o solo
contaminado atinge valores de p’e q menores que os dos ensaios com água.
Comportamento mecânico
128
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
0
25
50
75
100
125
150
___água _ _ licor
(b)
q (k
Pa)
(a)
p’ (kPa)
Figura 6.21 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados com
água e licor para σ’c = 200 kPa (CIU)
Influência da tensão efetiva de adensamento e do índice de vazios na
resistência do solo natural e contaminado
Ao analisar as Figuras 6.22 e 6.23, para os ensaios realizados com água,
nota-se, a relação direta entre o índice de vazios, inicial e após o adensamento,
e as tensões desviadoras (na ruptura e para uma deformação axial de 8 %). Isto
ocorre devido à estrutura do solo, que é pouco afetada para os níveis de tensões
efetivas de adensamento utilizados, como já mencionado. Já para os ensaios
efetuados com licor, só se estabelece uma boa correlação entre o índice de
vazios após o adensamento e as tensões desviadoras (na ruptura e para uma
deformação axial de 8 %), pois o licor torna o solo mais compressível e assim
mais vulnerável aos efeitos das tensões efetivas de adensamento.
Na Figura 6.24, fica claro que o elemento que mais influência na
resistência do solo contaminado é a tensão efetiva de adensamento. A
resistência do solo, impregnado com licor, tende a aumentar com o crescimento
desta tensão. Com o solo natural, não se obtém uma correlação satisfatória
entre as tensões desviadoras (na ruptura e para uma deformação axial de 8 %) e
a tensão efetiva de adensamento. Mas, mesmo assim, percebe-se a tendência
da resistência diminuir com o aumento da tensão efetiva de adensamento,
comportamento contrário ao do solo contaminado. No entanto, espera-se que
esta tendência mude para tensões efetivas de adensamento próximas a de
escoamento.
Comportamento mecânico
129
R2 = 0,8463
R2 = 0,5736
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
50 80 110 140 170 200 230 260 290 320 350 380
τdr (kPa)
e o
água
licor
R2 = 0,8079
R2 = 0,4888
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
40 70 100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 400
τd8% (kPa)
e o
água
licor
a)
b)
Figura 6.22 – Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: a) índice
de vazios inicial x tensão desviadora na ruptura b) índice de vazios inicial x tensão
desviadora para uma deformação axial de 8 %. Ensaios CIU
Comportamento mecânico
130
R2 = 0,8427
R2 = 0,9647
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
50 80 110 140 170 200 230 260 290 320 350 380
τdr (kPa)
e ad
enst
o
água
licor
a)
R2 = 0,9356
R2 = 0,9164
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
40 70 100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 400
τd8% (kPa)
e ad
enst
o
água
licor
b)
Figura 6.23 - Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: a) índice de
vazios após o adensamento x tensão desviadora na ruptura b) índice de vazios após o
adensamento x tensão desviadora para uma deformação axial de 8 %. Ensaios CIU
Comportamento mecânico
131
R2 = 0,2811
R2 = 0,8794
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
σ'c (kPa)
τ d
r (k
Pa)
água
licor
R2 = 0,3716
R2 = 0,909
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
σ'c (kPa)
τ d
8 %
(kP
a)
água
licor
a)
b)
Figura 6.24 – Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: tensão
desviadora na ruptura x tensão efetiva de adensamento b) tensão desviadora para uma
deformação axial de 8 % x tensão efetiva de adensamento. Ensaios CIU
Módulos de deformação
A Figura 6.25 apresenta a variação dos módulos de deformação tangencial
inicial (Eti), deformação secante para 50 % da tensão desviadora máxima
(ES50%), de acordo com a tensão confinante efetiva (Ensaios CIU).
Analisando os gráficos da Figura 6.25 e os dados da Tabela 6.9, verifica-se
que, de maneira geral, os módulos referentes ao solo natural são superiores aos
obtidos nos ensaios realizados com licor. Isto se deve ao fato do solo natural
apresentar componentes de resistência e rigidez associadas às cimentações,
que para os níveis de tensões efetivas estudados, são pouco afetadas.
Comportamento mecânico
132
Nos ensaios realizados com a mesma tensão efetiva e fluido intersticial,
observa-se que os maiores módulos foram obtidos nos ensaios em que o corpo
de prova possuía o menor índice de vazios.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 50 100 150 200 250 300 350 400
σ'c (kPa)
E t
i (M
pa)
água
licor
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 50 100 150 200 250 300 350 400
σ'c (kPa)
E s
50 %
(Mpa
)
água
licor
Figura 6.25 – Variações dos módulos de deformação conforme a tensão confinante e o
fluido intersticial: a) módulo tangencial inicial e b) módulo secante correspondente a 50 %
da tensão desviadora
A Figura 6.26 relaciona o índice de vazios inicial com os módulos. Nos dois
gráficos, não se obtém uma boa correlação entre estes parâmetros, tanto nos
ensaios realizados com água como nos ensaios realizados com licor. Mas,
observa-se, de maneira geral, que a nuvem de pontos, correspondente aos
ensaios efetuados com solo natural, encontra-se acima da formada pelos pontos
referentes aos ensaios realizados com o solo contaminado.
Comportamento mecânico
133
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1
e (inicial)
E t
i (M
pa)
,6
água
licor
a) ___ _ _
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
e (inicial)
E s
50 %
(Mpa
)
água
licor
b) ___ _ _
Figura 6.26 – Relação entre a) módulo tangencial inicial e índice de vazios inicial b)
módulo secante correspondente a 50 % da tensão desviadora e índice de vazios inicial
Ensaios CID
Comportamento tensão-deformação
Analisando o comportamento expresso na Figura 6.6, observa-se que,
para σ’c = 25 kPa (ensaio CID), o solo natural suporta uma tensão desviadora
máxima bem superior ao solo contaminado (cerca de 166 %). No entanto, para
uma deformação axial de 10 %, esta diferença cai para apenas 11 %. Assim
como nos ensaios não drenados, o ensaio realizado com água apresentou maior
Comportamento mecânico
134
rigidez que o realizado com licor. O comportamento tensão-deformação do solo
natural tem um pico de resistência que se deve, provavelmente, ao
intertravamento das partículas constituintes do solo e das cimentações
presentes. O solo contaminado tem um pico suave e contrai durante o
cisalhamento. As diferenças entre o comportamento do solo natural e o do solo
contaminado são devido às interações físico-químicas, que resultam na quebra
e/ou enfraquecimento de ligações por dispersão, e da diferença do índice de
vazios.
Como esperado, observa-se também, nos ensaios CID, a diminuição da
rigidez do solo quando contaminado.
Envoltórias de resistência
As interações do solo com o licor resultam em quebra das ligações
interpartículas. Este efeito é observado quando, ao passar da condição de solo
natural para contaminado, ocorre a redução do ângulo de atrito efetivo de cerca
de 10,49 % e do intercepto de coesão efetiva em 23,91 % (ver Figura 6.27).
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 40
0
25
50
75
0
100
125
150
175
200
água
licor
Licor: c’ = 7,0 kPa φ' = 31,67o
Água c’ = 9,2 (kPa) φ' = 35,38o
q (k
Pa)
p’ (kPa)
Figura 6.27 – Comparação das envoltórias de resistência do solo natural com o solo
contaminado (estado crítico)
Se as envoltórias fossem traçadas curvas até a tensão de escoamento,
ainda assim a envoltória correspondente aos ensaios efetuados com licor ficaria
abaixo da envoltória dos ensaios com água, para níveis de tensão inferiores a de
escoamento. Para valores de tensão efetiva de adensamento acima da tensão
de escoamento, espera-se que a envoltória correspondente a resistência de pico
Comportamento mecânico
135
dos ensaios realizados com água tenda a envoltória dos ensaios realizados com
licor, pois para estes valores a estrutura do solo já não influencia mais no seu
comportamento (ver envoltórias sugeridas – Figura 6.28).
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 6500
50
100
150
200
250
300
350
Licor
Água
q (k
Pa)
p’ (kPa)
Figura 6.28 – Envoltórias sugeridas (resistência de pico)
6.3. Ensaios de cisalhamento direto – solo coluvionar
6.3.1. Introdução
O solo coluvionar estudado é extremamente heterogêneo. Apresenta
concreções que impossibilitam a moldagem de corpos de prova cilíndricos
utilizados nos ensaios triaxiais. Por isso, optou-se por realizar ensaios de
cisalhamento direto para avaliar a resistência do solo coluvionar nos estados
natural e contaminado.
A metodologia utilizada nos ensaios e a caracterização do solo são
apresentadas nos Capítulos 3 e 4, respectivamente. Os coeficientes de
adensamento são listados no Apêndice II
Neste item, serão apresentados e analisados os resultados dos ensaios de
cisalhamento direto realizados com o solo coluvionar natural e contaminado. A
influência do licor no comportamento do solo será estudada mediante
comparação destes resultados. Na Tabela 6.4 são listados os ensaios de
resistência executados.
Comportamento mecânico
136
Tabela 6.10 – Campanha de ensaios de cisalhamento direto com os corpos de prova no estado natural e contaminado
Fluido intersticial dos corpos de prova σn (kPa) Água Licor cáustico
25 X X 50 X X 100 X X
6.3.2. Apresentação dos resultados
6.3.2.1. Índices físicos dos corpos de prova
Na Tabela 6.5 são apresentados os índices físicos dos corpos de prova
utilizados nos ensaios de cisalhamento direto. A densidade relativa dos grãos
deste material é de 2,698, como mostrado no Capítulo 5.
Tabela 6.11 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios de cisalhamento direto
Fluido σn(kPa) eo eadensto
wo(%)
wf(%)
So(%)
γt(kN/m³)
γd(kN/m³)
25 1,32 1,22 41,54 49,44 84,8 16,11 11,38 50 1,57 1,23 38,06 46,81 65,0 14,14 10,24 Água 100 1,28 0,99 42,45 43,76 89,1 16,46 11,56 25 1,49 1,10 39,63 43,58 71,5 14,78 10,59 50 1,50 1,00 43,83 42,41 78,,6 15,18 10,55 Licor 100 1,41 0,90 41,43 38,27 79,1 15,48 10,95
6.3.2.2. Fase de cisalhamento
Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
As curvas tensão-deslocamento e deslocamento vertical-deslocamento
horizontal são apresentadas nas Figuras 6.29 e 6.30 para o solo natural e
contaminado com licor cáustico, respectivamente.
Comportamento mecânico
137
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 kPa - água
50 kPa - água
25 kPa - água
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
a)
Tens
ão c
isal
hant
e - τ
(kPa
) D
eslo
cam
ento
ver
tical
- δ v
(mm
)
b)
Deslocamento horizontal - δh (mm) Figura 6.29 – Ensaios de cisalhamento direto realizados com água a) curvas tensão
cisalhante x deslocamento horizontal b) curvas deslocamento vertical x deslocamento
horizontal
Comportamento mecânico
138
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 kPa - licor
50 kPa - licor
25 kPa - licor
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
a) Te
nsão
cis
alha
nte
- τ (k
Pa)
b)
Des
loca
men
to v
ertic
al -
δ v (m
m)
Deslocamento horizontal - δh (mm)
Figura 6.30 - Ensaios de cisalhamento direto realizados com licor a) curvas tensão
cisalhante x deslocamento horizontal b) curvas deslocamento vertical x deslocamento
horizontal
Parâmetros na ruptura e envoltórias de resistência
A resistência do solo aumenta com o deslocamento horizontal
(comportamento de enrijecimento do material), logo, este não apresenta um pico
definido na curva tensão cisalhante x deslocamento, tanto no estado natural
quanto no contaminado (ver Figuras 6.29 e 6.30). Para definir a tensão
Comportamento mecânico
139
cisalhante na ruptura, utilizou-se o critério proposto por de Campos e Delgado
(1995), onde os autores assumem que o solo, com comportamento semelhante a
este, rompe quando a curva tensão cisalhante x deslocamento horizontal atinge
pela primeira vez uma inclinação (α) aproximadamente constante. A Figura 6.31
ilustra como se determina a tensão cisalhante na ruptura.
Figura 6.31 – Definição da tensão cisalhante na ruptura (de Campos e Delgado, 1995)
Baseado no critério de ruptura descrito acima, são apresentados na Tabela
6.12, os valores do deslocamento horizontal (δhr), tensão cisalhante (τr) e tensão
normal (σnr), obtidos na ruptura.
Tabela 6.12 – Deslocamento horizontal, tensão cisalhante e tensão normal na ruptura
Fluido σn (kPa)
δhr (mm)
τr (kPa)
σnr (kPa) τr/ σnr
25 3,3 11,80 26,20 0,45 50 3,2 21,80 52,80 0,41 Água 100 2,4 48,00 102,50 0,47 25 1,0 9,00 25,30 0,35 50 3,4 19,10 52,80 0,36 Licor 100 3,1 41,80 103,20 0,41
As envoltórias de resistência, definidas através do ajuste linear dos dados
apresentados na tabela acima, são apresentadas na Figura 6.32.
Comportamento mecânico
140
c' = 0 φ' = 24,53o
R2 = 0,99
c' = 0 φ' = 21,51o
R2 = 0,99
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11
σn (kPa)
água licor
0
(kP
a)
τ
σ Figura 6.32 - Envoltórias de resistência do solo coluvionar natural e do contaminado
6.3.3. Análise e discussão dos resultados
6.3.3.1. Compressibilidade
A Figura 6.33 mostra a relação entre a variação do índice de vazios e a
tensão normal de adensamento. Nota-se, nesta figura, que a variação do índice
de vazios, para uma mesma tensão normal de adensamento, é maior no solo
contaminado, ou seja, caso fossem realizados dois ensaios (solo natural e
contaminado) com os corpos de prova com o mesmo índice de vazios inicial,
provavelmente o solo contaminado apresentaria um menor índice de vazios após
o adensamento. Isto indica que o licor torna o solo coluvionar mais compressível.
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
10 100 1000
σ n (kPa)
e ad
enst
o /
eo
água licor
Figura 6.33 – Relação entre a variação do índice de vazios e a tensão normal de
adensamento
Comportamento mecânico
141
Os valores dos coeficientes de adensamento são apresentados no
Apêndice II.
6.3.3.2. Comparação dos resultados dos ensaios realizados com solo no estado natural e contaminado
Observa-se nos gráficos das Figuras 6.29 e 6.30 que a resistência ao
cisalhamento cresce de acordo com o aumento da tensão normal de
adensamento, tanto no solo natural quanto no contaminado, comportamento
típico de solos sedimentares. As curvas de deslocamento vertical x
deslocamento horizontal mostram que o material, em ambos os estados,
apresenta contração.
Nos ensaios realizados com tensão normal de adensamento igual a
25 kPa, a resistência alcançada pelo solo natural é maior que a do solo
contaminado. No entanto, após a ruptura, o solo contaminado apresenta um
comportamento rígido com α ≠ 0 e o solo natural tem um valor de α = 0. Já para
as demais tensões normais de adensamento, os solos apresentam
comportamento mais próximo.
A resistência obtida nos ensaios com água é superior à encontrada no solo
contaminado, para uma mesma tensão normal de adensamento, como pode ser
observado na Tabela 6.12 e na Figura 6.34.
Comportamento mecânico
142
a)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 kPa - água 100 kPa - licor
50 kPa - água 50 kPa - licor
25 kPa - água 25 kPa - licor
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tens
ão c
isal
hant
e - τ
(kPa
)
b)
Des
loca
men
to v
ertic
al -
δ v (m
m)
Deslocamento horizontal - δh (mm)
Figura 6.34 Comparação entre as curvas a) tensão cisalhante x deslocamento horizontal;
b) deslocamento vertical x deslocamento horizontal. Ensaios de cisalhamento direto
realizados com água e licor, solo coluvionar
Apesar dos poucos ensaios realizados, percebe-se que a resistência ao
cisalhamento tende a aumentar com a diminuição da umidade final, tanto para o
solo natural como para o contaminado (Figura 6.35). Observa-se ainda, que para
a mesma umidade final, o solo natural apresenta maior resistência que o
contaminado.
Comportamento mecânico
143
R2 = 0,956 R2 = 0,991
30
35
40
45
50
55
60
0 10 20 30 40
τ r (kPa)
w f
(%)
50
água licor
Figura 6.35 – Relação entre a umidade final e a tensão cisalhante na ruptura
O licor provoca a dispersão do solo coluvionar, como constatado nos
ensaios de caracterização. No entanto, por ser um solo transportado, a estrutura
que este solo possui, e que é afetada pelo licor, não influencia de maneira
significativa em sua resistência. Independente do solo estar contaminado ou não,
a tensão normal de adensamento é quem dita o comportamento deste. Observa-
se na Figura 6.32, que o licor causa uma redução de φ’ de cerca de 12,31 %.
Apesar de tal redução ser da mesma ordem de grandeza da observada no solo
residual, os efeitos do licor no colúvio são menos importantes que no solo
residual.
6.4. Comentários finais
O solo residual apresenta uma estrutura que influencia de maneira
significativa o seu comportamento no estado natural. O índice de vazios e as
ligações entre as partículas regem o comportamento deste solo até tensões
próximas a de escoamento (600 kPa). A partir desta tensão, espera-se que o
solo comporte-se de maneira semelhante a solos sedimentares normalmente
adensados, e que a tensão efetiva de adensamento passe a comandar o
comportamento do solo.
Nos ensaios de caracterização física, química e mineralógica, concluiu-se
que o licor age como defloculante, não causando amorfização dos minerais
presentes, ao menos durante o tempo de exposição e temperatura a que o solo
Comportamento mecânico
144
foi exposto ao contaminante. Nos ensaios com licor, percebe-se que o solo
torna-se mais compressível e menos rígido, com a tensão efetiva de
adensamento comandando o comportamento do solo na maioria dos ensaios
executados.
Observa-se uma diminuição dos parâmetros de resistência. O intercepto
de coesão efetiva cai cerca de 23,91 % e o ângulo de atrito interno efetivo 10,49
%.
Já no caso do solo coluvionar, o que se nota é que o licor causa dispersão,
porém, por ser um solo transportado, a estrutura que este possui pouco
influencia em sua resistência.
Dois fatores diferenciam o comportamento dos solos residual e coluvionar:
influência da estrutura e composição mineralógica.
O solo residual apresenta uma composição mineralógica que o torna mais
propenso a reagir com o licor que o solo coluvionar (formado basicamente por
gibbsita). A composição dos solos é refletida nos valores dos índices de
intemperismo Ki e Kr e nos valores de CTC, que são maiores no solo residual.
Ambos são lateríticos, um dos indicativos é que eles possuem Ki menor que 2.
Tanto o solo residual quanto o coluvionar possuem uma estrutura, no
entanto, o arranjo dos grãos e as ligações entre estes são mais importantes nos
solos residuais. Enquanto que nos solos residuais a estrutura que estes
possuem é herdada da rocha mãe e modificada ao longo do tempo por
processos intempéricos (principalmente lixiviação), nos solos transportados
estas características são adquiridas após o transporte dos materiais que os
compõem. Por isso, a estrutura de solos transportados é mais frágil, se
comparada a de solos residuais, e seu comportamento é regido pela história de
tensões a que estes já foram submetidos.
Devido a isto, o licor afeta de maneira mais pronunciável a resistência do
solo residual, principalmente para tensões mais baixas, onde a tensão efetiva de
adensamento não altera, ou pouco altera, a estrutura que este possui. Para
níveis de tensões superiores ao da tensão efetiva de adensamento do solo
residual, espera-se que este passe a responder de maneira semelhante ao solo
coluvionar, à adição do licor.
Conclusões e sugestões
7 Conclusões e sugestões 7 Conclusões e sugestões
145145
7.1. Conclusões 7.1. Conclusões
7.1.1. Caracterização física, química e mineralógica 7.1.1. Caracterização física, química e mineralógica
Tanto para o solo natural como para o coluvionar, os ensaios de difração
por raios-X, análise termodiferencial, ataque sulfúrico e amorfos indicaram que
não houve amorfização dos minerais, ao menos de maneira significativa, quando
os solos são contaminados com licor. O efeito causado pelo licor foi apenas o de
provocar dispersão de finos, como observado nas análises granulométricas.
Tanto para o solo natural como para o coluvionar, os ensaios de difração
por raios-X, análise termodiferencial, ataque sulfúrico e amorfos indicaram que
não houve amorfização dos minerais, ao menos de maneira significativa, quando
os solos são contaminados com licor. O efeito causado pelo licor foi apenas o de
provocar dispersão de finos, como observado nas análises granulométricas.
Os solos em seus estados naturais apresentaram vários cátions trocáveis
tais como Mg2+, Na+ e H+ (ensaios de complexo sortivo). Já nos solos
contaminados, obteve-se um grande aumento do cátion Na+ e o
desaparecimento dos demais (com exceção do K+), indicando que houve uma
substituição destes constituintes por Na+.
Os solos em seus estados naturais apresentaram vários cátions trocáveis
tais como Mg
O sódio, adsorvido pelos argilominerais dos solos contaminados com licor,
reduziu a rigidez da camada dupla, diminuindo a força de ligação exercida por
esta camada e facilitando o deslizamento das partículas entre si.
Conseqüentemente, diminuiu o teor de umidade necessário para alcançar os
limites de consistência.
O sódio, adsorvido pelos argilominerais dos solos contaminados com licor,
reduziu a rigidez da camada dupla, diminuindo a força de ligação exercida por
esta camada e facilitando o deslizamento das partículas entre si.
Conseqüentemente, diminuiu o teor de umidade necessário para alcançar os
limites de consistência.
As conclusões chegadas são restritas às reações que ocorreram durante o
tempo de execução dos ensaios e a temperatura do ambiente em que estes
foram realizados. Não se pode afirmar que os solos se comportarão da mesma
maneira se submetidos a temperaturas mais elevadas ou se forem expostos ao
licor por um tempo maior.
As conclusões chegadas são restritas às reações que ocorreram durante o
tempo de execução dos ensaios e a temperatura do ambiente em que estes
foram realizados. Não se pode afirmar que os solos se comportarão da mesma
maneira se submetidos a temperaturas mais elevadas ou se forem expostos ao
licor por um tempo maior.
2+, Na+ e H+ (ensaios de complexo sortivo). Já nos solos
contaminados, obteve-se um grande aumento do cátion Na+ e o
desaparecimento dos demais (com exceção do K+), indicando que houve uma
substituição destes constituintes por Na+.
7.1.2. Compressibilidade 7.1.2. Compressibilidade
De acordo com os resultados do ensaio de adensamento edométrico
realizado com o solo residual, este apresenta uma tensão de escoamento de
De acordo com os resultados do ensaio de adensamento edométrico
realizado com o solo residual, este apresenta uma tensão de escoamento de
Conclusões e sugestões
146
600 kPa. Esta tensão não está ligada à história de tensões, como ocorre nos
solos sedimentares, mas sim à estrutura que o solo residual possui e que é
modificada com o aumento das tensões efetivas de adensamento. Para tensões
efetivas inferiores a de escoamento, observou-se um comportamento rígido do
solo, com pequenas variações do índice de vazios. Após a tensão de
escoamento, o solo passou a exibir grandes deformações plásticas.
Na fase de adensamento nos ensaios de resistência, notou-se que o licor
tornou os solos mais compressíveis. Isto ocorre, pois, além de atuar como
defloculante, o licor quebra e/ou enfraquece as ligações entre as partículas dos
solos, tornando-os mais suscetíveis à ação das tensões efetivas de
adensamento.
7.1.3. Resistência
Solo residual jovem
Os efeitos das interações solo-licor, mencionados no parágrafo anterior,
associados ao estado de tensões e ao índice de vazios dos corpos de prova,
resultou em mudanças nas curvas tensão-deformação, na rigidez do solo, na
magnitude das deformações volumétricas (CID) ou excessos de poropressão
(CIU), nos parâmetros de resistência ao cisalhamento e nas envoltórias de
resistência.
Para tensões efetivas de adensamento abaixo da de escoamento, espera-
se que as ligações e o índice de vazios inicial comandem o comportamento dos
solos residuais. As tensões efetivas de adensamento, utilizadas nos ensaios com
água, foram todas abaixo da de escoamento, por isso, a resistência do solo no
estado natural mostrou ser pouco influenciada por esta tensão, tendo seu
comportamento sido comandado, principalmente, pelo índice de vazios.
No caso do solo contaminado com licor, obteve-se boas correlações entre
as resistências e as tensões efetivas de adensamento, com as resistências
aumentando de acordo com o crescimento desta tensão, ao contrário do solo
natural. Por este mesmo motivo, as correlações estabelecidas entre o índice de
vazios inicial e as resistências obtidas pelo solo contaminado, não foram
satisfatórias.
Solo coluvionar
Conclusões e sugestões
147
O licor provoca a dispersão do solo coluvionar, como constatado nos
ensaios de caracterização. No entanto, por ser um solo transportado, a estrutura
que este solo possui, e que é afetada pelo licor, não influencia de maneira
significativa em sua resistência. Independente do solo estar contaminado ou não,
a tensão normal de adensamento é quem dita o seu comportamento. Observa-se
que o licor causa uma redução nos parâmetros de resistência deste. Apesar de
tal redução ser da mesma ordem de grandeza da observada no solo residual, os
efeitos do licor no colúvio são menos importantes.
7.2. Sugestões para trabalhos futuros
• Efetuar a caracterização física, química e mineralógica completa do licor
cáustico para melhor interpretar os resultados dos ensaios de complexo
sortivo e amorfos;
• Confeccionar lâminas delgadas a partir de amostras indeformadas do
solo residual contaminado, bem como do solo coluvionar natural e
contaminado. Isto permitiria observar, de maneira mais clara, as
alterações estruturais que o licor causa em ambos os solos;
• Executar ensaios de adensamento edométrico com o solo residual
contaminado e assim quantificar a tensão de escoamento do solo neste
estado. Realizar, também, ensaios de adensamento edométrico com
corpos de prova com índice de vazios diferentes para avaliar a influência
deste parâmetro no valor da tensão de escoamento encontrada. Seria
interessante também efetuar este ensaio com o solo remoldado;
• Realizar ensaios triaxiais CIU com o solo residual no estado natural para
tensões efetivas de adensamento próximas e maiores que a de
escoamento, o que permitiria traçar de maneira mais precisa a envoltória
de resistência. Executar este ensaio com solo residual remoldado para
avaliar melhor a influência da estrutura na resistência;
• Efetuar ensaios triaxiais com corpos de prova com maiores dimensões,
visto a grande influência do índice de vazios na resistência observada no
presente trabalho;;
• Verificar o grau aproximado de saturação dos corpos de prova dos
ensaios de cisalhamento direto visando avaliar os efeitos da sucção nos
resultados obtidos.
Referências bibliográficas 148
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Apêndice I Características do licor cáustico
Na Tabela AI.1 são apresentadas as características químicas do licor.
Tabela AI.1 – Características químicas do licor cáustico
Propriedades químicas do licor pH 13,50 Alcalinidade (mg/l) 28958,20 Condutividade elétrica (ms/cm) 22,89
Villar (2002) fez análise química da lama (resíduo de mineração da
bauxita) de Poços de Caldas (ver Tabela AI.2) . No presente trabalho, utilizou-se
o fluido que fica na superfície dos lagos de disposição após a decantação de boa
parte dos sólidos que compõem a lama. Por isso, as porcentagens encontradas
pelo autor não refletem as do licor aqui empregado, mas espera-se que este
contenha os mesmo componentes que a lama.
Tabela AI.2 – Análise químico-mineralógica do resíduo de mineração da bauxita de Poços de Caldas ( Villar, 2002)
Elemento Concentração (%) SiO2 18,50 Al2O3 25,70 Fe2O3 20,60 FeO 0,28 CaO 0,45 MgO 0,13 TiO2 2,80 P2O5 0,26 Na2O 9,40 K2O 2,40 MnO 0,32
F 0,20 Cl 0,68
Perda ao fogo 13,20 Soma total 98,98
Apêndice II Coeficientes de adensamento e permeabilidade do solo residual 159
Apêndice II Coeficientes de adensamento e permeabilidade do solo residual
Neste apêndice, são apresentados os valores dos coeficientes de
adensamento (Cv) obtidos nos ensaios triaxiais (solo residual) e nos ensaios de
cisalhamento direto (solo coluvionar). No último item, é mostrada a
permeabilidade do solo residual jovem obtida no ensaio triaxial.
AII.1. Coeficiente de adensamento – Solo residual
Os valores de Cv foram calculados com base na formulação proposta por
Head (1986) para ensaios triaxiais:
Cv = (πD²) / (λt100)
Onde:
D = diâmetro do corpo de prova;
λ = fator que indica as condições de drenagem;
t100 = tempo correspondente a 100 % do recalque, calculado conforme
mostrado no capítulo 4, item 4.4.2.7.
Como todos os corpos de prova tinham a relação altura/diâmetro igual a 2
e a drenagem durante a fase de adensamento era realizada no topo e na base, o
valor de λ é igual a 4 em todos os ensaios.
Os valores de t100 e Cv são apresentados na Tabela A.1.
Apêndice II Coeficientes de adensamento e permeabilidade do solo residual 160
Tabela AII. 01. Valores de Cv calculados nos ensaios triaxiais (solo residual) Fluido de saturação σ’c (kPa) t100 (minutos) Cv (cm²/s)
25 (a) - - 25 (b) - - 50 0,31 0,61 77 0,27 0,70 100 0,30 0,63 200 (a) 0,45 0,42
Água
200 (b) 0,12 1,55 25 0,64 0,30 50 (a) 1,21 0,16 50 (b) 1,21 0,16 100 1,21 0,16 200 2,89 0,07
Licor
400 5,29 0,04 AII.2. Coeficiente de adensamento – Solo coluvionar
Os coeficientes de adensamento calculados a partir dos ensaios de
cisalhamento direto, realizados com solo coluvionar, foram estimados a partir da
formulação proposta por Head (1986):
Cv = (0,103H²) / (t100) m²/ano
Onde:
H = altura do corpo de prova (mm);
t100 = tempo correspondente a 100 % do recalque (em minutos), calculado
conforme mostrado no capítulo 4, item 4.4.2.7.
Tabela AII. 02. – Valores de Cv calculados nos ensaios de cisalhamento direto (solo coluvionar)
Fluido σ’c (kPa) t100 (minutos) Cv (10-2 cm²/s) 25 0,30 4,35 50 0,16 8,17 Água
100 0,09 14,52 25 16,00 0,08 50 0,13 10,05 Licor
100 0,25 5,23
Apêndice II Coeficientes de adensamento e permeabilidade do solo residual 161
AII.3. Permeabilidade do solo residual
A permeabilidade do solo residual foi obtida durante o ensaio triaxial
realizado com uma tensão confinante igual a 50 kPa. Após a fase de saturação,
foi imposto um gradiente hidráulico (i) igual a 10. Em seguida, foi medido o
volume de água que percolava a amostra ao longo do tempo (Figura A.1). Com o
auxílio deste gráfico obteve-se o valor da vazão (Q). A permeabilidade foi obtida
através da fórmula:
Q = k . i . A
Onde:
Q = vazão em cm³/s;
i = gradiente hidráulico;
A = área do corpo de prova (cm²).
k = permeabilidade do solo (cm/s).
0
1
2
3
4
5
6
0 20 40 60 80 100 120 1
Tempo (min)
Vol
ume(
cm³)
40
Figura 0A.1 – Gráfico volume x tempo utilizado para o cálculo da permeabilidade do solo
residual
A permeabilidade obtida foi de 6,2 x 10-6 cm/s, valor bastante próximo do
encontrado no ensaio edométrico por correlação.
Anexo I Cálculo do teor dos minerais: ilita, caulinita e gibbsita 162
Anexo I Cálculo do teor dos minerais: ilita, caulinita e gibbsita
Os teores dos minerais ilita, caulinita e gibbsita foram calculados com base
na metodologia proposta por Santos (1998). Ele sugere que a porcentagem de
ilita seja determinada com base na concentração de K2O, no entanto, o solo não
pode conter feldspatos potássicos. São utilizados os teores de SiO2, Al2O3 e K2O
obtidos no ensaio de análise química total.
Nesta dissertação, não foram utilizados os dados de análise química total
devido à presença de serecita, mineral com estrutura semelhante a da ilita.
Optou-se por trabalhar com os dados da análise química seletiva por ataque
sulfúrico, pois neste ensaio o teor de potássio encontrado corresponde ao
presente na ilita.
A fórmula estrutural padrão da ilita utilizada foi:
• (K2O)p = 8 %;
• (SiO2)p = 56 %;
• (Al2O3)p = 18,50 %;
• (H2O)p = 5,98 %.
O procedimento é o seguinte: Todo K2O da amostra é atribuído à ilita.
Determina-se a porcentagem de ilita da amostra pela relação (K2O)x/(K2O)p. Ao
invés de trabalhar com o teor de alumina, como sugerido pelo autor, utilizou-se o
teor de sílica, pois esta não se encontra na gibbsita. O SiO2 da ilita da amostra é
determinado multiplicando o teor de ilita pelo teor (SiO2)p. Estima-se o teor de
SiO2 da caulinita pela diferença entre o SiO2 total e o SiO2 da ilita. A caulinita da
amostra é obtida dividindo o seu teor de (SiO2) pelo teor deste componente na
caulinita pura (46,5 %). Estima-se o teor de gibbsita subtraindo as porcentagens
de ilita e caulinita de 100 %. Tem-se então:
(K2O)x – potássio da ilita;
(SiO2)i – sílica da ilita;
(SiO2)c – sílica da caulinita;
(SiO2)t – sílica total.
Anexo I Cálculo do teor dos minerais: ilita, caulinita e gibbsita 163
Logo:
Teor de ilita = [(K2O)x/(K2O)p] . 100;
SiO2 da ilita = [(K2O)x/(K2O)p] . (SiO2)p;
SiO2 da caulinita = (SiO2)t - (SiO2)i (já que a gibbsita não possui sílica em
sua composição);
Teor de caulinita = {[(SiO2)t - (SiO2)i]/ 46,5} . 100;
Teor de gibbsita = 100 – teor de caulinita – teor de gibbsita.
Anexo II Correção da tensão desviadora após a ruptura (ensaios triaxiais) 164
Anexo II Correção da tensão desviadora após a ruptura (ensaios triaxiais)
Os corpos de provas, nos ensaios triaxiais CIU e CID, romperam formando
plano, tanto nos ensaios realizados com solo natural como nos executados com
solo contaminado. Por isso, foi necessário corrigir os valores da tensão
desviadora após a ruptura. As correções foram feitas tanto para a mudança de
área, que diminui ao longo do tempo após a ruptura, como para a membrana,
que passa a colaborar de maneira significativa na resistência. A metodologia
utilizada foi a sugerida por Head (1986).
Quando ocorre ruptura com formação de plano, a área do plano de
cisalhamento, usada para calcular a tensão desviadora, diminui com o
movimento entre os planos. O mecanismo é ilustrado na Figura ANII.1. A
sobreposição da superfície elíptica de deslizamento (Figura ANII.1 (b)) pode ser
projetada verticalmente o que dá o segmento de área no plano, como mostrado
na Figura ANII.1 (c).
Anexo II Correção da tensão desviadora após a ruptura (ensaios triaxiais) 165
Área de contato
Figura 0.1 – Correção da área devido à formação de plano na ruptura: a) mecanismo de
deslizamento, b) Área de contato entre as duas porções da amostra, c) projeção da área
de contato, d) deslocamento ao longo da superfície de ruptura relacionado com a
deformação vertical
Através de relações trigonométricas obtém-se:
cos(β) = εs (L/D) tan(θ)
Onde:
εs = deformação axial medida a partir da formação do plano;
L = altura inicial do corpo de prova;
D = diâmetro do corpo de prova;
θ = ângulo formado entre o plano e a direção vertical.
Para obter as tensões desviadoras corrigidas devido à variação de área,
multiplica-se os valores destas pelo fator de correção que é dado por:
fs = π/2(β - sinβ . cosβ), sendo β em radianos.
Anexo II Correção da tensão desviadora após a ruptura (ensaios triaxiais) 166
Como já mencionado, os valores das tensões desviadoras também foram
corrigidos devido à ação da membrana. Head (1986) sugere o uso de curvas
obtidas através das equações de La Rochelle (1967), mostradas na Figura
ANII.2 (a). A relação mostrada nestas curvas é baseada na formação de um
plano de ruptura com θ igual a 35o, corpo de prova com diâmetro de 38 mm e
altura de 76 mm e membrana de borracha com espessura de 0,2 mm (valores
estes similares aos deste trabalho).
Cor
reçã
o da
tens
ão a
pós
a ru
ptur
a (k
Pa)
Ape
nas
mem
bran
a A
pena
s dr
enag
em
“Deformação” após a formação do plano – εs (%)
Valores de fθ
Plano de cisalhamento
Figura 0.2 - Correções devido à membrana e drenagem (ensaios triaxiais com ruptura
formando plano): a) Curvas de correção e equação geral, b) valores do fator fθ para
várias inclinações do plano de ruptura
As pressões indicadas nas curvas são as tensões efetivas de
confinamento utilizadas nos ensaios. As “deformações” se referem ao
deslocamento vertical que ocorre quando as duas partes deslizam entre si. Já
que os corpos de prova romperam formando ângulos variados com a vertical, os
valores obtidos por meio da Figura ANII.2 (a) foram corrigidos de acordo com o
valor de θ de cada ensaio, com auxílio da Figura ANII.2 (b).
Anexo II Correção da tensão desviadora após a ruptura (ensaios triaxiais) 167
Em alguns ensaios não foi medido o ângulo θ, nestes casos adotou-se um
valor de θ médio, obtido pela média de todos os ensaios onde este foi
mensurado. Os valores de θ encontrados giraram em torno de 30o.