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15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental
AVALIAÇÃO DAS CIMENTAÇÕES INTERPARTÍCULAS DE UM SOLO
NATURALMENTE ESTRUTURADO ATRAVÉS DO ENSAIO DE
COMPRESSÃO DIAMETRAL BRAZILIAN TEST
Pedro Eugênio Gomes Boehl 1; Marciano Maccarini
2
Resumo – Este trabalho apresenta algumas avaliações realizadas, durante a tentativa de
correlacionar o valor da resistência à tração dos solos residuais de granito, naturalmente
estruturados, da região metropolitana de Florianópolis, com os valores de resistência das
cimentações interpartículas, que estruturam o arcabouço sólido destes solos. A análise baseou-se
em comparar, os valores do intercepto coesivo, obtidos através do ensaio de cisalhamento direto,
em condições inundadas, com os valores de resistência à tração, obtidos por meio da aplicação
indireta de tração, através do ensaio de compressão diametral, Brazilian Test, nas condições
naturais e inundadas. Os ensaios de laboratório envolveram 6 amostras, que não desagregaram,
por imersão em água por um período de 48 horas, de um total de 27 amostras iniciais. Foi
identificado, para estes solos, um comportamento anisotrópico, que revela que as cimentações
interpartículas estão mais preservadas na direção vertical. Consequentemente, devido ao
enfraquecimento das cimentações na direção horizontal, esta fica suscetível à erosão e
escorregamentos. A coesão e a resistência à tração destes solos são diretamente proporcionais.
A coesão aparente influencia significativamente os valores medidos para estes solos, mesmo
sobre condições de inundação. A resistência à tração (2 a 28 kPa) diminui com o aumento do
índice de vazios (0,5-1,6).
Abstract – This paper presents some observations, while trying to correlate the value of the
tensile strength of the residual granite soils, naturally structured, the metropolitan area of
Florianópolis, with the resistance values, of the interparticle cementation, which structure the solid
framework of these soils. The analysis was based on comparing the values of the cohesive
intercept, obtained from direct shear tests in flooded conditions, with the tensile strength values,
obtained by indirect application of traction through the diametrical compression test, Brazilian Test,
in natural and flooded conditions. Laboratory tests involving 6 samples, not disintegrated by
dipping in water for a period of 48 hours, a total of 27 original samples. Were identified for these
soils, an anisotropic behavior, which shows that interparticle cementation are more preserved in
the vertical direction. Consequently, due to the weakening of cementing in the horizontal direction,
it is susceptible to erosion and landslides. Cohesion and the tensile strength of these soils are
directly proportional. Apparent cohesion significantly influence the measured values for these soils,
even over flood conditions. Tensile strength (2 to 28kPa) decreases with the increase in void ratio
(0.5-1.6).
Palavras-Chave ̶ Solos residuais; cimentações; compressão; diametral.
1
2
Professor, MSc, Universidade Federal da Fronteira Sul: Campus Erechim-RS, (54) 33217050, [email protected].
Professor, PhD, Universidade Federal de Santa Catarina: Florianópolis - SC, (48) 37219000, [email protected] .
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Líder do Grupo de Pesquisas em Geotecnia e Geologia da Engenharia (GPGGE-UFFS-CNPQ).
² Supervisor do LAB-SOLOS-UFSC e revisor de periódico da Soils & Rocks.
15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental
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1. INTRODUÇÃO
Na região litorânea de Santa Catarina, frequentemente, observam-se taludes e encostas
naturais de solos residuais, derivados da Suíte granito-gnaisse, com alturas consideravelmente
excessivas (>15m), mas que se mantém estáveis. Estes solos quando utilizados
geotecnicamente, apresentam, as propriedades de resistência mecânica, compressibilidade,
rigidez e porosidade, superiores, quando comparados com os mesmos, porém que tenham sido
submetidos ao simples processo de deposição, sedimentação ou desestruturação (Maccarini,
1987). Entretanto, estes materiais, não se comportam bem com a presença da água,
apresentando instabilidades. Pode-se citar como arquétipo, os episódios ocorridos a partir de
novembro do ano de 2008, devido as grandes chuvas que assolaram o estado de Santa Catarina,
que se estenderam por dois meses. Durante este período ocorreram inúmeros escorregamentos
de massas de solos, na região em estudo. Admite-se que estes efeitos estruturantes, ocorram
preponderantemente, devido à presença das cimentações interpartículas, no arcabouço sólido
destes materiais. Por outro lado, uma grande parcela das forças de uniões entre partículas, são
devidas à coesão aparente e agentes instáveis físico-quimicamente ou substâncias reativas à
presença da água. Neste sentido, sobre as cimentações interpartículas, muito pouco é
compreendido. Acredita-se que seja possível, entender mais razoavelmente o mecanismo das
cimentações interpartículas, medindo a sua resistência, sobre condições inundadas, através da
aplicação de tração indireta, induzida por intermédio do ensaio de compressão diametral
(Brazilian test). Estes valores obtidos de resistência à tração, poderão ser confrontados, com
valores de coesão obtidos por meios consagrados, como o cisalhamento direto, por exemplo
(Boehl, 2011). Ressalta-se que a utilização do ensaio de compressão diametral, como ferramenta
efetiva de projetos geotécnicos, vem sendo utilizada no meio cientifico à muito tempo. Exemplo
disto é o trabalho de Krishnayya e Eisenstein, em 1974. Devido ao sistema ser de fácil execução
e boa relação custo-benefício, a utilização do ensaio Brazilian Test, atualmente vem se tornando
realidade.
2. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA ESTUDADA
2.1. Materiais e amostragem
Para a seleção dos materiais, era imprescindível: que estes fossem oriundos de maciços
constituídos por solos residuais preservados, expostos em corte há pouco tempo, para evitar
alterações e amolgamentos; que a rocha mãe fosse pertencente a Suíte granítica, o que daria
grandes chances de se encontrar solos granulares com pouca presença de argilominerais,
portanto, estruturado por cimentações; que tivessem pouca fração pedregulho em sua
granulometria, para não dificultar a extração e a moldagem dos corpos de prova.
Figura 1. Localização geográfica das regiões exploradas 1, 2, 3, 4 e 5.
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As regiões escolhidas para estudo se localizam nos municípios de: Florianópolis, São José e São
Pedro de Alcântara no estado de Santa Catarina, Brasil. São as regiões 1, 2, 3, 4 e 5, como
ilustrado na Figura 1. Mais especificamente: Região 1, SC 407 próximo ao n. 144, no município de
São Pedro de Alcântara (Coordenadas UTM: zona 22; E=716549,00; N=6948627; H=213m);
Região 2, Colônia Santana, município de São José (SC 407 n. 10250); Região 3, SC-401,
primeiro ponto, no município de Florianópolis (27°31'42.4"S 48°30'48.5"W); Região 4, SC 401,
segundo ponto, (27°31'22.1"S 48°30'52.9"W), também no município de Florianópolis; Região 5,
Pantanal - Costeira, município de Florianópolis (Avenida Deputado Antônio Edu Vieira, n.122.
Nestas regiões, foram coletadas 27 amostras, em forma de blocos indeformados (20x20x20cm),
conforme a Figura 4.
Figura 2. A esquerda, Imagem de satélite da região 1, na direita, Foto da região 3.
2.2. Caracterização geológica
A área de estudo é composta por planícies costeiras, combinadas com elevações de até 500m,
constituída por um conjunto pré-cambriano de rochas cristalinas da Suíte granítica-gnáissica,
associados ao ciclo Tectônico Brasiliano, cortado localmente por diques de diabásio de idade
Juro-Cretácia, provenientes do derrame basáltico da bacia do Paraná. Ocorrem também
formações alternantes de rochas sedimentares e metamórficas, sobre forte influência das
mudanças paleo-climáticas. Sobrepostos à estas formações, ocorrem sucessivas camadas de
sedimentos recentes relativos aos eventos terciários e quaternários (Bigarella, Leprevost;
Bolsanello, 1985). Mais especificamente, estas formações, são reconhecidas, litologicamente por
“PPZγ,pg”, Suíte Intrusiva Pedras Grandes, constituído por granitos, sieno-granitos, granitóides, e
às vezes, meta-granitos e gnaisses, com comportamento e constituição isótropa e homogênea. A
região pode ser observada na Figura 2. Em geral, constituem-se principalmente pelos seguintes
minerais: biotita, hornblenda, anfibólio, piroxênios sódicos, wolframita, cassiterita e mica branca
(Boehl, 2011).
2.3. Caracterização geotécnica
Os solos residuais que se formam ao entorno destas formações rochosas, são
preponderantemente granulares, constituídos de siltes-arenosos com pequena presença de argila
e pouquíssimo pedregulho, baixa plasticidade, permeabilidade aberta, dupla estrutura e dupla
porosidade. Naturalmente compactos, com coloração predominantemente amarelo-rossácea,
pedologicamente pertencem ao horizonte intermediário C, e algumas vezes B. Observa-se muitas
vezes a presença de descontinuidades, compostas por rajadas escuras, distribuídas
aleatoriamente em sua massa, como pode-se observar nas Figuras 3 e 4 (Boehl, 2011).
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Figura 3. A esquerda, Foto da região de amostragens dos solos A1,A2 e A3, e a direita, Foto em vista
lateral, ambas imagens da região de São Pedro de Alcantara-SC.
Bishop (1972) definiu o solo coesivo estruturado, como aquele em que as forças de união
interpartículas, contribuem significativamente no comportamento físico-mecânico do solo.
Maccarini (1987) lembra que a existência de coesão verdadeira em solos residuais de granito,
está diretamente ligada às cimentações entre partículas. Nestes solos, “bonding dominated soils”,
o sistema de estruturação é governado preponderantemente pelas: cimentações interpartículas;
quebra destas cimentações ou das partículas friáveis; presença de pequenos blocos de rocha
pouco ou não alterados; e coesão aparente, pois estão frequentemente em estado não saturado.
Este mecanismo micro e macroestruturante, proporciona uma componente de acréscimo na
resistência e na rigidez, que é independente da tensão efetiva e da porosidade, e que se
comporta, como se fosse devida à presença de conexões físicas nas arestas e contatos
interpartículas. Os agentes cimentantes, destes solos, são resultados de uma complexa
composição físico-química, entre os resquícios das estruturas reliquiares da rocha mãe e da
deposição, através de agentes de transporte, e posterior cristalização nos vazios, de substâncias
agregadoras e aglutinantes de natureza silico-alumino-ferruginosas (Boehl, 2011).
3. COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DOS SOLOS ESTUDADOS
Do total de 27 amostras coletadas nas áreas de estudos, apenas 6 amostras, foram submetidos
aos ensaios de laboratório geomecânicos. Estas 6 amostras, permaneceram preservadas, após
imersão em água por 48 horas, o restante desagregou. Este fato atesta que, para estes solos,
geralmente, a estruturação é bem instável em presença da água e muito influenciada pela coesão
aparente, fato determinante durante o processo de instabilidade de encostas. Todas as 27
amostras foram caracterizadas. As amostras intactas após imersão foram denominadas
selecionadas, que são: A1, A11, A18, A20, A21 e A22, sendo o restante das amostras
denominadas rejeitadas.
Fundamentando-se na hipótese, de que a resistência à tração medida no ensaio de
compressão diametral, seja a própria medida indireta das cimentações interpartículas (Maccarini,
1987), o objetivo essencial da realização dos ensaios geomecânicos deste trabalho, era a
avaliação e julgamento, entre uma possível correlação, entre a resistência à tração indireta obtida
na compressão diametral e o intercepto coesivo propiciado através do ensaio de cisalhamento
direto. Para a realização do ensaio de compressão diametral, adotou-se como padrão, corpos de
prova cilíndricos, imersos em água, com 38,1mm de diâmetro por 78,2mm de altura, do qual a
moldagem e instrumentações necessárias, seguem abaixo na Figura 5. O cisalhamento direto,
foi realizado, para cada amostra, em duas direções ortogonais, horizontal e vertical, utilizando-se
para tal, corpos de prova indeformados, de 20,65mm de altura com 101,6mm de lados, inundados
e consolidadas em estágios sob tensões normais de 31 kPa, 74 kPa e 122 kPa . Na Figura 4,
pode-se visualizar a coleta de amostra de bloco indeformado do solo A2SPA, na mesma figura
em (b) e (c), através de foto do solo A18 e A11, observa-se a formação dos planos de ruptura
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após a execução do ensaio de compressão diametral. Ainda na Figura 4, à direita, o padrão de
moldagem dos corpos de prova: à cima (d) o torno e abaixo (e) o molde (bercinho padrão).
Figura 4. Coleta de amostras em blocos indeformados, formação de planos de ruptura e moldagem de
corpos de prova para compressão diametral (Boehl, 2011).
A Figura 5 (a), traz detalhadamente, o sistema montado, para executar os ensaios de
compressão diametral. Observa-se: (a) detalhamento e em (b) visão geral da adaptação do
ensaio ao sistema do triaxial (LMS-UFSC), mostrando a subida do pedestal com velocidade
constante (ação). Descreve-se o sistema (Fig.5 (a)): Adaptou-se um berço com hastes (e) que
posicionavam e alinhavam o corpo de prova (d), adaptado sobre o pedestal do ensaio triaxial (f).
Utilizavam-se filetes de borracha para a distribuição uniforme de tensões ao longo do corpo de
prova, superior e inferior (e). Pode-se observar, ainda na Figura 5, à direita, o estado à que o
corpo de prova ficava submetido durante o ensaio, e a formação dos planos de ruptura (solo A1).
Figura 5. Em (a) e (b), ensaio de compressão diametral ou ensaio brasileiro (Brazilian test), estado
físico e superfícies de ruptura (Boehl, 2011).
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A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos nos ensaios geotécnicos de
laboratório, para a caracterização de todos os solos estudados. A Tabela 2 apresenta os
resultados dos parâmetros de resistência ao cisalhamento obtidos através do ensaio de
cisalhamento direto, da mesma forma, os resultados do ensaio de compressão diametral
(Brazilian Test). Os solos selecionados estão marcados em azul na Tabela 1.
Tabela 1. Índices físicos dos solos investigados.
Onde: z – profundidade; wnat natural – teor de umidade; γnat – peso específico aparente
natural; γs - peso específico seco; γg - peso específico das partículas sólidas; e– índice de
vazios; Sr – grau de saturação; LL-Limite de liquidez; LP- Limite de plasticidade; IP-Índice de
plasticidade.
Tabela 2. Parâmetros de resistência ao cisalhamento e de tração indireta na
compressão diametral dos solos investigados.
Onde: z – profundidade; c – intercepto coesivo; – Angulo de atrito interno; ti – resistência à
tração nas condições inundadas; tnat– resistência à tração nas condições naturais.
Abaixo segue uma análise gráfica conjunta da inter-relação entre a resistência à
tração medida no ensaio de compressão diametral e o intercepto coesivo obtido no
ensaio de cisalhamento direto para as amostras A1, A11, A18, A20, A21 e A22. A
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resistência à tração foi obtida em amostras sob condições naturais e após submersão. O
cisalhamento direto sobre condições inundadas.
Figura 6. A esquerda, o intercepto coesivo horizontal sobre condições inundadas, em função da resistência
à tração após a inundação; e a direita, o intercepto coesivo vertical sobre condições inundadas, em função
da resistência à tração após a inundação (Boehl, 2011).
Figura 7. A esquerda, o intercepto coesivo horizontal, sobre condições inundadas, em função da resistência
à tração natural; e a direita, o intercepto coesivo vertical, sobre condições inundadas, em função da
resistência à tração natural (Boehl, 2011).
A análise conjunta dos gráficos da Figura 6, aponta que o intercepto coesivo vertical nas
condições inundadas, comporta-se, mais influenciado pela resistência à tração inundada, do que
o intercepto coesivo horizontal inundado, apesar de ocorrerem valores pontuais, levemente mais
elevados, na direção horizontal.
De outra forma, analisando a Figura 7, verifica-se que a tendência anteriormente
apontada, agora, não é tão evidente, pois as condições horizontais e verticais são muito
semelhantes. Neste caso a resistência à tração está sobre condições naturais. Esta semelhança,
provavelmente, ocorra em consequência da coesão aparente, de comportamento mais isotrópico,
exercer uma grande influência, no comportamento interpartículas no estado natural. Avaliando-se
conjuntamente os resultados obtidos em condições naturais e inundadas para a resistência à
tração (Figuras 6 e 7), pode-se concluir que as cimentações interpartículas possuem maior
correlação com o intercepto coesivo na direção vertical. Ainda na análise conjunta, verifica-se que
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existe uma tendência de aumento do intercepto coesivo concomitante com o aumento da
resistência à tração, comprovando que a coesão e a resistência à tração destes solos são
diretamente proporcionais.
Figura 8. A esquerda, análise da diferença entre a resistência à tração nas condições naturais e a
resistência à tração nas condições após inundação, em função dos interceptos coesivos; e na direita, a
análise das resistências à tração em função do índice de vazios dos valores obtidos neste trabalho,
conjuntamente com outras pesquisas (Boehl, 2011).
A análise gráfica da Figura 8 à esquerda, revela uma tendência de aumento simultâneo
dos interceptos coesivos horizontal e vertical, com o aumento da diferença entre a resistência à
tração natural e inundada. Para estes solos, a diferença entre as resistências à tração natural e
inundada, é uma variável muito semelhante à coesão aparente. Assim sendo, sobre tal evidência,
pode-se constatar que a coesão aparente exerce uma influência significativa sobre a medida da
resistência à tração, mesmo que em condições inundadas.
Na Figura 8 no gráfico à direita, comparam-se conjuntamente os valores de resistência à
tração, obtidos na pesquisa, com valores obtidos por outros pesquisadores. Neste gráfico
observam-se a formação de famílias de curvas que podem indicar dependências e correlações
entre os dados comparados, relações estas que poderiam melhorar com o aumento do espaço
amostral. Os valores de resistência à tração (2 a 28 kPa) obtidos são comparativamente maiores
do que os valores publicados por outros pesquisadores, do mesmo modo que, o índice de vazios
também é significativamente maior (0,5-1,6). A tendência verificada para as famílias de curvas é
singular e inversa, sendo possível concluir que a resistência à tração diminui com o aumento do
índice de vazios.
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4. CONCLUSÕES
Identificou-se um comportamento anisotrópico da resistência à tração, para estes solos, existindo
uma maior afinidade entre o intercepto coesivo vertical e a resistência à tração. Observa-se,
integralmente, que à aproximação de valores entre as variáveis, intercepto coesivo e resistência à
tração, está relacionada à preservação ou não das cimentações, uma vez que, devido aos
escorregamentos ocorridos em todas as encostas, onde as amostras foram coletadas, havia
desconfinamento horizontal (lateral). Estes desconfinamentos laterais, favorecem os principais
efeitos do intemperismo atmosférico nesta direção, como as alterações e desintegrações físicoquímicas, ciclos de expansões, contrações e alívio de tensões, que por sua vez, ocasionam
quebra e enfraquecimento das cimentações na direção desconfinada. Consequentemente,
ocasionando na massa de solo, susceptibilidade à erosão e escorregamentos nesta direção. Por
isso a resistência à tração, por consequência as cimentações interpartículas, estão mais
preservadas na direção mais protegida do intemperismo, que é a direção vertical.
A coesão e a resistência à tração destes solos são diretamente proporcionais. A coesão
aparente influencia significativamente os valores medidos para estes solos, mesmo sobre
condições inundadas.
Os valores de resistência à tração (2 à 28 kPa) obtidos são comparativamente maiores do
que os valores publicados por outros pesquisadores, do mesmo modo que, o índice de vazios
também é significativamente maior (0,5-1,6). A tendência verificada para as famílias de curvas é
singular e inversa, sendo possível concluir que a resistência à tração diminui com o aumento do
índice de vazios.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFSC
(PPGEC-UFSC) e ao LAB-SOLOS-UFSC, pelo fomento à pesquisa, às bolsas de pesquisa e pelo
suporte oferecido.
BIBLIOGRAFIA
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