Caracterização de Depósitos de Argilas Moles na Região Metropolitana de Porto Alegre e Estudo Preliminar de Melhorias desses Solos por Meio da Adição de Cal

Prof. Luiz Antônio Bressani (UFRGS), Prof. Washington Peres Núñez (UFRGS)
Leonardo Andres Schmitt (UFRGS), Matheus Miotto Rizzon (UFRGS)
Daniel Ramos Victorino (CONCEPA), Fábio Hirsch (CONCEPA), Lélio Brito (CONCEPA), Thiago Vitorello (CONCEPA)

O estudo do subsolo de uma obra de pavimentação é de grande importância para definir a estratigrafia do terreno e permitir uma estimativa das propriedades dos materiais envolvidos. Devido à ocorrência de solos argilosos de baixa consistência na Região Metropolitana de Porto Alegre, os ensaios de caracterização e medição da compressibilidade destes materiais são essenciais para obter parâmetros necessários a um projeto confiável e econômico. O depósito estudado está localizado na faixa de domínio da BR-116, entre os municípios de Eldorado do Sul e Guaíba, com extensão de 8,2 km. As sondagens do tipo SPT permitiram determinar o tipo de material e a sua resistência ao longo da profundidade. A determinação dos pontos para realização das sondagens foi feita através da análise de fotos aéreas.

A retirada de amostras indeformadas de boa qualidade é uma das principais dificuldades encontradas para obtenção do material ensaiado em laboratório. Nesta pesquisa foi utilizado um amostrador especial, que diminui a possibilidade de amolgamento das amostras. Neste trabalho são descritos ensaios utilizados para a caracterização geotécnica e a medição do comportamento de deformabilidade e velocidade de adensamento do solo, além dos efeitos da adição de cal na plasticidade, na trabalhabilidade e na compressibilidade deste material.

1. Introdução

Tendo em vista a presença de solos sedimentares de baixa consistência em áreas próximas ao traçado de rodovias na Região Metropolitana de Porto Alegre, há necessidade de caracterizar geotecnicamente esses depósitos de materiais flúvio-lacustres, principalmente junto ao lago do Guaíba. O delta formado por 5 rios sofreu a influência de várias oscilações do nível marinho no passado geológico recente. Geralmente, este tipo de ambiente tende a depositar de forma alternada materiais argilosos de consistência muito mole a média com areias de diferentes densidades. Este tipo de pacote sedimentar, presente em muitas áreas sedimentares brasileiras, se não for tratado adequadamente com obras geotécnicas antes da colocação dos aterros, pode vir a causar grandes recalques totais e diferenciais, podendo comprometer seriamente o pavimento construído sobre o aterro.

Além disto, considerando-se a experiência universal na melhoria do comportamento de solos argilosos e argilas moles através da adição de cal, realizou-se um estudo sobre os efeitos da adição de cal na redução da plasticidade, na melhoria da trabalhabilidade, na redução da compressibilidade e no aumento da resistência dos solos em foco.

2. Objetivos da pesquisa

O objetivo geral da pesquisa foi estudar materiais sedimentares argilosos moles presentes em regiões vizinhas a traçados de rodovias, na Região Metropolitana de Porto Alegre, RS, considerando seu comportamento natural e quando tratados com cal.

Os principais objetivos específicos atingidos através execução do projeto foram:

a) estudar o padrão de deposição das áreas, a partir da análise de fotos aéreas e imagens de satélite, realizar inspeção em campo e estabelecer um programa de investigação preliminar de locação de sondagens exploratórias tipo SPT;

b) analisar os resultados das sondagens em termos de tipo de materiais presentes, caracterização geotécnica (umidades, limites de plasticidade, descrição tátil-visual), comportamento médio esperado (deformabilidade e velocidades de adensamento);

c) estabelecer perfis longitudinais preliminares de subsolos com as profundidades típicas dos pacotes sedimentares de areias e argilas;

d) obter amostras deformadas de diversas posições consideradas representativas do subsolo da região e realizar ensaios de caracterização;

e) obter amostras indeformadas e realizar ensaios de adensamento nos materiais argilosos amostrados e estabelecer os parâmetros básicos de análise de comportamento das futuras obras de engenharia geotécnica;

f) avaliar os efeitos da adição de cal na plasticidade, na trabalhabilidade e na compressibilidade dos solos moles em questão.

3. Atividades desenvolvidas

3.1. Análise de fotos aéreas e locação dos furos de sondagem

A análise das fotos aéreas, imagens de satélite e inspeção de campo permite a determinação de unidades geomorfológicas. Através desta análise, foi estabelecido o programa de investigação preliminar com o planejamento de 5 ensaios SPT. A locação precisa dos furos de sondagem foi realizada em campo, aproximando ao máximo os pontos reais do planejamento, em função de obstáculos ou problemas operacionais. Os Furos 1 e 2 foram colocados em uma área que parecia ter um depósito localizado de argilas moles.

No trecho em estudo foi encontrada uma camada argilosa, com espessura variando de 3,60 a 6,30 m a partir da cota inicial dos furos de sondagem. O ponto crítico, local onde foi encontrado o material de menor resistência, foi o Furo 1. Este furo de sondagem apresenta uma camada de argila arenosa com Nspt variando de 3 a 5 desde a cota da boca do furo até os 3,60 metros. A observação de um material de menor resistência foi o fator determinante na escolha deste local para retirada de amostras indeformadas.  A  Figura 1 mostra o perfil geotécnico obtido da sondagem SPT do furo 1.

Os demais furos indicaram materiais sedimentares alternados (argilas e areias), com valores de SPT crescentes com a profundidade e sem uma camada mole na superfície (tipicamente SPT > 6-7 desde o nível do terreno).

Figura 1. Perfil geotécnico (SPT) do furo 1, com a presença de uma camada argilosa mole na superfície de 3-4m de espessura.

3.2. Determinação de perfis longitudinais do subsolo

Através dos resultados obtidos e das amostras coletadas na execução dos 5 pontos de sondagens foram determinados os perfis longitudinais preliminares do subsolo, indicando as profundidades típicas do pacote sedimentar da areias e argilas.

3.3. Amostragem

3.3.1. Amostrador utilizado

O amostrador utilizado é constituído de tubo de parede fina e pistão fixo. Foi tomado cuidado com o ângulo no chanfro de corte e a constância das dimensões do tubo amostrador. O tubo é de latão, com espessura de 1,58 mm, sendo coerente com o estipulado pela norma NBR 9820/1997. Trata-se, assim, de um amostrador de parede fina (espessura da parede inferior a 2,5% do diâmetro do tubo). A Figura 2 mostra o aspecto dos tubos utilizados.

Figura 2. Tubos amostradores de latão utilizados (Bertuol, 2009).

3.3.2.   Retirada de amostras indeformadas

A execução da sondagem para retirada de amostras indeformadas inicia com a execução do pré-furo, realizado com trados manuais, até a profundidade de cerca de 1m. Em cada etapa da escavação, o pré-furo era preenchido com água até o nível do terreno. Ao ser atingida a cota de amostragem, a limpeza do fundo do furo era realizada com o trado de limpeza. O tubo amostrador era posicionado e a haste de cravação empurrada manualmente de forma contínua, sem percussão, na direção vertical.

Após o término do processo de cravação, o conjunto era deixado em repouso por aproximadamente 30 minutos. Em seguida, o tubo amostrador era girado para separar a amostra do restante da massa de solo e puxados para cima, onde tinham suas extremidades vedadas (com parafina e filme plástico) para evitar perda de umidade e ter proteção mecânica. O transporte era feito em caixas especiais com fundo flutuante e revestida com material isolante térmico.

Através da análise de sondagens anteriores, um novo local foi determinado para retirada de amostras indeformadas, a aproximadamente 200 metros do local do furo 1, como pode ser visto na Figura 3. Neste local foram retirados 2 tubos amostradores, o primeiro de 1,00 a 1,90 metros e o segundo de 2,10 a 2,70 m.

Figura 3. Locais de retirada de amostras indeformadas.

3.4. Ensaios de laboratório

3.4.1. Granulometria e peso específico dos grãos

A curva granulométrica do solo encontrado no tubo 1 da amostragem 1 é apresentada na Figura 4. Observando esta figura, percebe-se que o material dominante é argiloso. As porcentagens do material são divididas em: 49% de argila, 40% de silte, 10% de areia fina e 1% de areia média.

A distribuição granulométrica do solo encontrado no tubo 1 da amostragem 2 é muito semelhante à mostrada na Figura 4, apresentando 49% de argila, 38% de silte, 12% de areia fina e 1% de areia média.

A massa específica real dos grãos foi de gs = 25,38 kN/m³ para o solo do tubo 1 amostragem 1 e gs = 25,50 kN/m³ para o solo do tubo 2 amostragem 2.

Figura 4. Distribuição granulométrica do solo amostrado no tubo1, furo1.

3.4.2. Limites de Atterberg

O ensaio de Limite de Liquidez foi realizado de acordo com as especificações da norma ABNT NBR 6459/84 e o de Limite de Plasticidade foi realizado obedecendo às especificações da norma ABNT NBR 7180/84, ambos com secagem prévia do solo.

Os ensaios de Limites de Liquidez e Limite de Plasticidade foram realizados em amostra de solo natural e de solo com 1%, 3%, 5% e 7% de cal em relação ao peso de solo seco, com tempo de cura de 1 hora. Procurou-se avaliar os efeitos da adição de cal na plasticidade e trabalhabilidade dos solos. A cal utilizada é dolomítica hidratada. A Tabela 1 mostra a influência do teor de cal nos limites de Atterberg.

Tabela 1. Resultados dos limites de Atterberg com a variação do teor de cal

Pode-se observar que ocorre uma significativa redução no Índice de Plasticidade até teores de cal de 5%, de 37,1% para o solo natural para 12,6% para a mistura solo-cal, o que tornou o solo mais friável, melhorando a sua trabalhabilidade. Com 7% de cal ainda ocorre uma pequena redução no IP.

3.4.3.   Ensaios de adensamento

Nestes ensaios, a amostra de solo é colocada dentro de um anel metálico rígido, que restringe o deslocamento lateral, e é carregada verticalmente. Os ensaios de adensamento foram realizados visando o estudo do adensamento de argilas, determinando-se a partir destes ensaios o coeficiente de adensamento Cv e o índice de compressão Cc do solo.

A moldagem dos corpos de prova para os ensaios de adensamento foi feita com o auxílio dos próprios anéis do ensaio de adensamento. Estes anéis foram delicadamente forçados contra a amostra através de cravação manual, enquanto a mesma era talhada com o auxilio de um arco com fio de aço Figura 5.

Figura 5. Moldagem dos corpos de prova para ensaios de adensamento.

3.4.3.1. Resultados

Foram realizados ensaios de adensamento em corpos de prova indeformados do tubo 1, amostragem 1 e do tubo 2 amostragem 1, além de um ensaio remoldado do solo do tubo 2 amostragem 1 misturado com 5% de cal, com  3 dias de cura.

As curvas da variação do índice de vazios em função do log da tensão vertical, para cada amostra, assim como a determinação das tensões de pré-adensamento são apresentadas a seguir. A tensão de pré-adensamento foi calculada pelo método de Pacheco Silva.

• Amostragem 1 tubo 1

Nessa amostra, a tensão de pré-adensamento encontrada foi de σ’vm = 120 kPa, o índice de recompressão Cr = 0,05312, o índice de compressão Cc = 0,5252 e o índice de descarga Cd = 0,0876.

Nesta amostra o coeficiente de adensamento variou de 1,27 x 10^-4 cm²/s a 12,21 x 10^-4 cm²/s, sendo a média 5,0 x 10^-4 cm²/s, enquanto o coeficiente de permeabilidade variou de 3 x 10^-9 m/s a 6,6 x 10^-8 m/s, com média de 2,65 x 10^-8 m/s.

Figura 6. Curva da variação do índice de vazios em função do log da tensão vertical da amostra indeformada da amostragem 1 tubo 1.

• Amostragem 2 tubo 1

Para a 2ª amostra extraída do tubo 1, a tensão de pré-adensamento encontrada foi de σ’vm = 76 kPa, o índice de recompressão Cr = 0,02069, o índice de compressão Cc = 0,5068 e o índice de descarga Cd = 0,0621. Nessa amostra, o coeficiente de adensamento variou de 4,70 x 10^-4 a 106,73 x 10^-4 cm²/s, sendo a média 59,32 x 10^-4 cm²/s enquanto o coeficiente de permeabilidade variou de 1,0 x 10^-8 m/s a 6,8 x 10^-7 m/s, com valor médio de 2,26 x 10^-7 m/s.

Figura 7. Curva da variação do índice de vazios em função do log da tensão vertical da amostra indeformada da amostragem 2 tubo1.

• Mistura solo amostragem 2 tubo 1 com 5% de cal (amostra remoldada)

Para a amostra feita com solo da amostragem 2 tubo 1 e 5 % de cal, deixada em cura solta por 3 dias, a tensão de pré-adensamento foi de σ’vm = 50 kPa, o índice de recompressão Cr = 0,03753, o índice de compressão Cc = 0,2583 e o índice de descarga Cd = 0,0122.

Figura 8. Curva da variação do índice de vazios em função do log da tensão vertical da amostra remoldada (solo+5%cal) da amostragem2, tubo1.

Nesta amostra o coeficiente de adensamento variou de 2,0 x10^-4 cm2/s a  44,0 x 10^-4 cm²/s, sendo a média 21,78 x 10^-4 cm²/s enquanto o coeficiente de permeabilidade variou de 2,5 x 10^-8m/s a 2,0 x 10^-7 m/s, com valor médio igual a 1,25 x 10^-7 m/s.

Observando a Figura 9, notam-se algumas diferenças entre os ensaios da mistura solo-cal e solo natural. Deve-se salientar a redução de aproximadamente 50% do índice de compressão e de 80% do índice de descarga.

Figura 9. Curva da variação do índice de vazios em função do log da tensão vertical da amostra indeformada e da mistura solo cal da amostragem 2 tubo1.

4. Conclusões

Através da análise das fotos aéreas e imagens de satélite, determinou-se um possível ponto crítico, em torno do arroio do Conde, o que foi confirmado pelos ensaios SPT.

Após verificação dos resultados das sondagens e a construção do amostrador, foi executada a extração de amostras indeformadas para ensaios de laboratório.

Salienta-se significativa melhoria na trabalhabilidade do solo ao serem-lhe adicionadas pequenas porcentagens de cal. Para a mistura de solo e 3% de cal, com 1 hora de cura o Índice de Plasticidade diminuiu aproximadamente 20% e para a mistura de solo e 5% de cal, 1 hora de cura, a redução foi de 66%; tornando o solo mais friável.

Uma diferença significativa foi observada nos resultados de ensaios de adensamento realizados em amostras do solo natural e de solo com cal. Ocorreu a redução de aproximadamente 50% do índice de compressão (Cc), que variou de 0,5068 em amostras indeformadas para 0,2583 na amostra amolgada + 5% de cal. Esta variação representa uma redução expressiva no recalque se o solo for misturado com a cal.

Outra variação significativa ocorreu no índice de descarga (Cd), com redução de 80% variando de 0,0621 em amostras indeformadas, para 0,0122 na amostra amolgada com 5% de cal. Estas diferenças no comportamento de deformação representam um melhor comportamento da amostra misturada com cal, em relação à amostra indeformada.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Solo - Análise Granulométrica. NBR 7181. Rio de Janeiro, 1984-a, 13p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Solo - Coleta de Amostras Indeformadas de Solos de Baixa Consistência em Furos de Sondagem: NBR 9820. Rio de Janeiro, 1997-a, 5p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Solo - Determinação da Massa Específica. NBR 6508. Rio de Janeiro, 1984-a, 8p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Solo - Determinação do Limite de Plasticidade. NBR 7180. Rio de Janeiro, 1984-a, 3p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Solo - Determinação do Limite de Liquidez. NBR 6459. Rio de Janeiro, 1984-a, 6p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Solo - Ensaio de Adensamento Unidimensional. NBR 12007. Rio de Janeiro, 1990-a, 13p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Solos - Rochas e Solos. NBR 6502. Rio de Janeiro, 1995-a, 18p.

BERTUOL, F. Caracterização Geotécnica da Sensibilidade de um Depósito Sedimentar do Rio Grande do Sul com o Uso de Ensaios de Laboratório. Porto Alegre, 2009, 200p. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Escola de Engenharia da UFRGS.