Ensaios de Resistência de Pico e Residual em Solos

Ensaios de Resistência de Pico e Residual em Solos Tropicais de
Gnaisse
Ana Paula Fonseca
Coordenação de Construção Civil, CEFET-RJ, Rio de Janeiro
Willy Alvarenga Lacerda
Programa de Engenharia Civil, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro
RESUMO: O presente trabalho apresenta os resultados e as análises de ensaios de laboratório para
verificação da resistência ao cisalhamento de pico e residual de alguns solos tropicais, um deles em processo
de laterização, os demais saprolíticos. Os ensaios realizados foram: cisalhamento direto para verificação da
resistência de pico e cisalhamento por torção – tipo ring shear para obtenção da resistência residual. A
comparação entre os resultados de resistência de pico e residual também será apresentada neste trabalho.
PALAVRAS-CHAVE: Resistência ao cisalhamento, resistência residual, solos tropicais.
1
INTRODUÇÃO
No presente trabalho foram estudados os solos
envolvidos no escorregamento ativado pela
voçoroca de Três Barras, localizada próximo à
cidade de Bananal, no estado de São Paulo.
Existem dois mecanismos de movimento de
massa associados nesta concavidade: a erosão
do material mais friável (residual jovem) e o
escorregamento da massa de solo sobrejacente.
Para possibilitar o estudo deste caso,
principalmente
dos
mecanismos
de
escorregamentos ocorridos na área, foi
realizado um estudo da resistência ao
cisalhamento dos solos tropicais em processo de
laterização e saprolíticos encontrados no local.
Como um dos escorregamentos desenvolvese ao longo de uma superfície polida e quase
plana, o estudo da resistência residual é de
grande importância.
O desenvolvimento da superfície de
cisalhamento e seu posterior comportamento
são tópicos em pesquisa, tanto para
escorregamentos recentes, quanto para antigos
escorregamentos que podem ter um potencial
para reativação.
Os solos ensaiados foram divididos em dois
grupos: um solo em processo de laterização
(amostras L - 9E) e solos saprolíticos de gnaisse
(amostras S – 9A, 9B e 9D). A Tabela 1
apresenta a descrição dos materiais estudados.
Os solos mais alterados (em processo de
laterização) apresentam-se com alto teor de oxihidróxidos de ferro e alumínio, cor e aparente
homogeneidade características dos solos
lateríticos, podendo ser de origem residual (solo
residual maduro) ou coluvionar.
Os solos considerados saprolíticos neste
trabalho são os que possuem características
herdadas da rocha de origem, mesmo que
tenham sofrido algum rearranjo de suas
partículas por alguma movimentação.
Tabela 1. Descrição dos solos estudados.
Solo
Descrição do material
Solo saprolítico coletado no contato soloS 9A
rocha, na região que não sofreu
movimentação.
Solo saprolítico cujo bloco (9B) possuia
S 9B a
dois materiais diferentes (amostra amarela
S 9B v
– 9Ba e amostra vermelha 9Bv). Neste
bloco passava uma das superfícies de
cisalhamento.
Solo saprolítico coletado no contato soloS 9D
rocha, na região aonde sofreu
movimentação.
L 9E
Solo superficial em processo de
laterização
2
ENSAIOS DE LABORATÓRIO
2.1
Ensaio de Cisalhamento Direto
Para determinação da resistência de pico dos
solos estudados foram realizados ensaios de
cisalhamento direto em amostras de 50 mm de
lado e 20 mm de altura, na condição inundada
e na umidade natural, sob as tensões normais de
25, 50, 100, 200 e 400 kPa. As velocidades de
ensaio foram calculadas de acordo com Head
(1982).
A Tabela 2 apresenta a média dos valores
dos índices físicos dos corpos de prova
utilizados nos ensaios de cisalhamento direto.
Tabela 2. Valores médios dos índices físicos dos corpos
de prova utilizados nos ensaios de cisalhamento direto.
So(%)
wo(%)
Solo
γd(KN/m3) eo
S 9A
15,6
0,68
66,3
16,7
S 9B a
11,1
1,43
91,7
48,3
S 9B v
15,1
0,77
82,5
23,4
S 9D
15,6
0,68
75,8
19,2
L 9E
12,3
1,14
46,9
19,9
Obs.: γd = peso específico seco, eo = índice de vazios
inicial do solo, So = saturação inicial, wo = umidade
inicial.
Pode-se verificar que os valores dos índices
de vazios dos solos saprolíticos foram sempre
menores que dos solos em processo de
laterização, exceto no solo da amostra S – 9B
amarelo, muito provavelmente porque por este
solo passa uma superfície natural de
cisalhamento. Esta diferença entre os valores de
índice de vazios de solos lateríticos e
saprolíticos era esperada, visto que a estrutura
do solo após a laterização é comumente
bastante porosa.
A umidade da amostra S - 9B amarela
também é consideravelmente alta, confirmando
a hipótese de que, próximo à superfície de
cisalhamento, a umidade do solo é mais
elevada, pois o solo pode ter se expandido
(situação inicial “sobre-adensado”) e absorvido
água.
Outro aspecto importante é que amostra S 9B amarela tem limite de liquidez mais alto, é
mais plástica, devendo assim, ter maior
capacidade de reter de água.
2.2. Ensaio de Cisalhamento por Torção (Tipo
Ring Shear)
Foram realizados ensaios de torção, no
equipamento ring shear tipo Bromhead
existente no Laboratório de Geotecnia da
COPPE/UFRJ.
Na preparação das amostras, o solo era seco
ao ar, destorroado, passado na peneira 40 (0,42
mm) e homogeneizado com água destilada em
umidade entre os limites de liquidez (wL) e de
plasticidade (wP), aproximadamente 0,8wL.
Para os dois solos não plásticos (S-9A e S-9D),
a água foi colocada de acordo com a
experiência já adquirida durante os ensaios dos
demais solos. A umidade ideal para moldagem
é aquela em que o solo consegue preencher por
completo a célula sem que ocorra
extravasamento considerável de solo quando é
aplicada a tensão normal. A metodologia dos
ensaios de ring shear realizados obedeceu às
recomendações de Vasconcelos (1992),
baseadas no manual do equipamento.
Adotou-se, nos ensaios realizados, sempre a
técnica de estágio único (cada corpo de prova
foi ensaiado somente sob uma tensão normal).
O critério de parada do ensaio foi o de leituras
constantes durante 30 minutos. Bromhead
(1986) em Vasconcelos (1992) considerou que
constância de leituras durante 20 minutos é um
critério satisfatório para encerrar o ensaio.
A velocidade adotada para os ensaios de
cisalhamento por torção foi de 0,096°/min ao
longo da circunferência média do corpo de
prova, que corresponde a 0,0712 mm/min. Um
estudo sobre a influência da velocidade nos
ensaios de ring shear nos solos estudados é
apresentado em Fonseca (2006).
3
RESULTADOS OBTIDOS
3.1
Ensaio de Cisalhamento Direto
As Figuras 1 a 5 apresentam as envoltórias de
cisalhamento dos solos estudados. O critério de
critério de ruptura utilizado foi o de MohrCoulomb.
O resumo dos parâmetros obtidos está
apresentado na Tabela 3. Alguns autores
propõem que a envoltória seja curva até
Tabela 3. Parâmetros obtidos nos ensaios de
cisalhamento direto.
Solo
Inundado
Umidade Natural
c' (kPa) φ' (°)
c' (kPa)
φ' (°)
S–9A
46,7
29,8
40,6
40,3
S – 9 B a 31,4
19,6
40,2
24,7
S – 9B v
10,9
28,9
56,5
28,4
S – 9D
31,2
32,8
72,3
29,9
L – 9E
17,9
30,2
37,7
35,2
Obs.: c' = coesão efetiva, φ' = ângulo de atrito.
500
S - 9Bamarelo
Inundado
wnatural
Tensão cisalhante (kPa)
400
300
200
100
0
0
100
200
300
Tensão normal (kPa)
400
500
Figura 2. Envoltória de cisalhamento de pico do solo S –
9B amarelo (inundado e umidade natural).
500
Inundado
L - 9B vermelho
wnatural
400
Tensão cisalhante (kPa)
próximo da tensão de escoamento e a partir daí,
passe a ter um comportamento semelhante à dos
solos normalmente adensados. Futai (2002)
verificou que, para solos tropicais, mesmo após
a tensão de escoamento a envoltória continua
curva. O autor propôs uma equação para ajuste
de uma envoltória curva, levando em
consideração a estrutura do solo nas diferentes
tensões normais ensaiadas. Embora em alguns
dos solos estudados fique clara a tendência da
envoltória curva, optou-se, para a analise dos
escorregamentos observado no campo, pela
utilização de parâmetros obtidos por ajuste
linear.
300
200
100
500
Inundado
S - 9A
0
wnatural
0
100
Tensão cisalhante (kPa)
400
200
300
Tensão normal (kPa)
400
500
Figura 3. Envoltória de cisalhamento de pico do solo S –
9B vermelho (inundado e umidade natural).
300
200
500
S - 9D
Inundado
wnatural
100
0
0
100
200
300
Tensão normal (kPa)
400
500
Figura 1. Envoltória de cisalhamento de pico do solo S –
9A (inundado e umidade natural).
Tensão cisalhante (kPa)
400
300
200
100
0
0
100
200
300
Tensão normal (kPa)
400
500
Figura 4. Envoltória de cisalhamento de pico do solo S –
9D (inundado e umidade natural).
500
500
L - 9E
Inundado
Tensão cisalhante (kPa)
400
Tensão cisalhante (kPa)
S - 9A
450
wnatural
300
200
100
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
0
100
200
300
Tensão normal (kPa)
400
0
500
Figura 5. Envoltória de cisalhamento de pico do solo L –
9E (inundado e umidade natural).
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Tensão normal (kPa)
Figura 6. Envoltória de cisalhamento residual do solo S–
9A.
500
S - 9B amarelo
Ensaio de Cisalhamento por torção
Nas Figuras 6 a 10 são mostradas as envoltórias
secantes passando pela origem e pelo ponto de
mais alta tensão ensaiada, pois o ângulo que
elas fazem com a horizontal é mais próximo do
que seria obtido numa envoltória residual final.
Os valores dos parâmetros residuais dos solos
estudados são mostrados na Tabela 4.
Foram obtidos os parâmetros residuais de
duas maneiras: por interpolação linear dos
pontos de resistência residual de cada ensaio,
obtendo-se assim coesão (c’r) e ângulo de atrito
(φ’r), e, pela obtenção do ângulo de atrito
secante ao ponto de resistência quando a tensão
normal é 400 kPa (φ’r), com coesão nula. O
ponto de 400 kPa foi escolhido por ser a maior
tensão ensaiada em todos os solos, mas também
foram obtidos os ângulos de atrito residuais
secantes a todas as tensões normais ensaiadas,
representados na Figura 11.
Sabe-se que, na prática, a obtenção de
parâmetros por interpolação linear superestima
o intercepto coesivo pois a envoltória de
resistência residual é curva, tendendo a ter
coesão nula. Na maioria dos solos, o ângulo de
atrito tende a ficar constante após uma
determinada tensão.
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Tensão normal (kPa)
Figura 7. Envoltória de cisalhamento residual do solo S–
9B amarelo.
500
S - 9B vermelho
450
Tensão cisalhante (kPa)
3.2
Tensão cisalhante (kPa)
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Tensão normal (kPa)
Figura 8. Envoltória de cisalhamento residual do solo S–
9B vermelho.
500
50
400
40
300
35
250
30
200
150
25
20
100
15
50
10
0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Tensão normal (kPa)
Figura 9. Envoltória de cisalhamento residual do solo S–
9D.
500
L - 9E
450
Tensão cisalhante (kPa)
S-9B amarelo
S-9A
S-9B vermelho
S-9D
L-9E
L-SP1
45
350
φr (°)
Tensão cisalhante (kPa)
kPa, passando pela origem.
S - 9D
450
5
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
σ (kPa)
Figura 11. Variação do ângulo de atrito residual com a
tensão normal aplicada para os solos estudados.
400
350
3.3 Comparação entre Valores de Resistência
de Pico e Residual
300
250
200
150
100
50
0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Tensão normal (kPa)
Figura 10. Envoltória de cisalhamento residual do solo
L–9E.
Tabela 4. Parâmetros obtidos nos ensaios de ring shear.
Solo
c’r(kPa)todas φ’r (°) todas
φ’r(°)σ =400
tensões
tensões
kPa (c’r = 0)
S - 9A
1,7
26,7
27,1
S - 9Ba
1,2
11,8
11,9
S - 9Bv
6,9
14,4
15,2
S - 9D
3,4
21,4
21,7
L - 9E
17,1
24,1
26,2
Obs.: cr' = coesão “residual” efetiva, φr' = ângulo de atrito
residual.
Verificando a variação do ângulo de atrito
residual com a tensão normal (Figura 11),
concluiu-se que, na maioria dos solos
estudados, não houve estabilização do valor de
φ'r até σ' = 400 kPa. Somente no solo residual
micáceo 9B amarelo houve estabilização do
valor de φ'r a partir da tensão de 100 kPa. Para
todos os solos estudados, levou-se em
consideração, para efeito de comparação e
análise dos resultados, a envoltória resistência
residual sendo a reta secante ao ponto de 400
Na comparação dos comportamentos de pico e
residual dos solos estudados, analisando-se as
Tabelas 3 e 4, pode-se observar que: todos os
solos saprolíticos estudados exceto o solo S –
9A apresentaram queda acentuada nos valores
de resistência ao cisalhamento de pico para
residual. Estes solos possuem mica, conforme
Fonseca (2006). Segundo Lupini et al. (1981)
solos arenosos com altos teores de mica podem
apresentar superfícies de deslizamento com
forte orientação de partículas.
No solo em processo de laterização
estudado, assim como nos estudados em
Lacerda e Fonseca (2003) houve uma diferença
pequena entre os valores de resistência de pico
e residual. Os parâmetros residuais obtidos são
elevados se relacionados com a fração argila
(FA) destes solos, conforme Figura 12.
Mesmo possuindo altos teores de argila os
solos lateríticos estudados neste trabalho não
apresentaram alinhamento de partículas e queda
acentuada no valor de resistência até atingirem
a condição residual. Este fenômeno decorre da
presença de grumos formados durante o
processo de laterização.
Os solos saprolíticos, por apresentarem mica
na sua composição, tiveram seus valores de
ângulo de atrito residual mais baixo do que o
esperado levando-se em consideração a
450
para os ensaios nos solos em processo de
laterização. Diferentemente dos solos micáceos,
somente o solo S – 9A não apresentou grande
diferença entre φ’P e φ’r, provavelmente devido
à heterogeneidade do material.
porcentagem de argila.
35
30
L-9E
φr (°)
25
L-SP1
S-9A
20
Limites propostos por Skempton
S-9D
15
S-9Bvermelho
AGRADECIMENTOS
S-9Bamarelo
10
5
0
0
20
40
60
80
100
FA (%)
solos saprolíticos
solos em processo de laterização
Figura 12. Valores obtidos de φ’r e fração argila obtidos
com defloculante (FA) lançados no gráfico de Skempton
(1985). Fonseca (2006)
Os autores gostariam de registrar os seus
agradecimentos ao CNPq e à FAPERJ pelo
apoio financeiro a esta pesquisa e aos alunos
Raquel Maciel, Vitor Aguiar e Marina Duarte
pelo apoio na execução dos ensaios de
laboratório.
REFERÊNCIAS
4
CONCLUSÕES
Os resultados dos solos estudados não se
enquadraram nas correlações entre ângulo de
atrito residual e fração argila ou índice de
plasticidade, propostas por Skempton (1985) e
Lupini et al. (1981). Os solos saprolíticos, por
possuírem partículas lamelares (mica), na suas
fração areia e silte, apresentaram ângulo de
atrito menor do que o esperado. Por outro lado,
os solos em processo de laterização, apesar de
apresentarem altas porcentagens de argila,
apresentaram ângulos de atrito residuais altos,
por causa da formação de grumos pelo processo
de laterização, fazendo com que o solo se
comportasse mecanicamente como um solo
granular. O solo S – 9B amarelo apresentou o
mais baixo valor de φ’r (11,9º). Em campo,
observa-se que algumas das superfícies de
cisalhamento passam por camadas compostas
por este solo.
A envoltória de resistência residual dos solos
é curva. O ângulo de atrito secante decresce
com o aumento da tensão normal aplicada e, a
partir de um determinado valor de σ’, φ’r tornase constante. Vários autores relatam que este
valor situa-se em torno de 150 a 200 kPa. Para
os solos estudados na presente trabalho,
somente o solo S – 9B amarelo apresentou
valores constantes de φ’r. Os demais solos não
apresentaram estabilização do valor de φ’r até
σ’ = 400 kPa.
Não houve queda apreciável no valor de φ’r
Bromhead, E.N.,1986, “The stability slopes”. Surrey
University Press, London.
Fonseca, A.P., 2006, “Análise de mecanismos de
escorregamento associados a voçorocamento na
Bacia do Rio Bananal (SP/RJ)”. Tese de Doutorado
COPPE/UFRJ.
Futai,M.M., 2002, Estudo teórico-experimental do
comportamento de solos tropicais não saturados:
Aplicação a um caso de voçorocamento, Tese de
Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro.
Head, K.H., 1982, Manual of Soil Laboratory Testing.,
v.2, Published by Pentech Press Ltd., London.
Lacerda, W.A., Fonseca A.P., 2003, “Residual strength
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AMERICA 2003, XII Pan-American Conference on
Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Eds.
Culligan, Einstein and Whittle, June, vol 1 pp 485488, Boston.
Lupini, J.F., Skiner, A.E., Vaughan, P.R., 1981. "The
drained residual strength of cohesive soils".
Géotechnique, 31(2), pp 181-213.
skempton, A.W., 1985, "Residual strength of clays in
landslides.
Folded
strata
and
laboratory",
Géotechnique, v.35, n.1 pp.3-18.
Vasconcelos, M.F.C., 1992. A resistência residual de
solos determinada através de ensaio de cisalhamento
por torção. Tese de Mestrado COPPE/UFRJ, Rio de
Janeiro.