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Origem e comportamento mecânico dos solos da ruptura de talude do bairro Kaiser em Caxias do Sul/RS Bressani, Luiz A. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, [email protected] Rigo, Marcelo L. Manchester/Petrobras, Macaé, RJ, [email protected] Bica, Adriano V. D. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, [email protected] Flores, Juan A. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, [email protected] Azambuja, Eduardo Azambuja Engenharia e Geotecnia Ltda, Porto Alegre, RS, [email protected] Resumo: O trabalho descreve a investigação feita sobre a origem e o comportamento mecânico de 2 solos de um talude rompido no bairro Kaiser de Caxias do Sul, RS. Esta ruptura ocorreu em 2000 e envolveu uma grande massa rochosa alterada, com descontinuidades preenchidas com argila vermelha. A análise da ruptura feita anteriormente mostrou que as descontinuidades tiveram papel fundamental na ruptura, tendo mobilizado a resistência residual do material argiloso. A origem da argila de preenchimento foi estudada através da análise de lâminas delgadas, de exames de difração de Raio-x e fluorescência de Raio-x e diversos ensaios de resistência ao cisalhamento foram feitos em amostras obtidas de blocos indeformados retiradas da base da ruptura. Ficou demonstrado que a argila vermelha teve origem iluvial, apresentando um grau de alteração muito superior ao solo saprolítico encaixante. Os ensaios de resistência residual mostraram uma queda acentuada de resistência do solo saprolítico com a tensão confinante, mas isto não ocorreu com a argila vermelha. O valor do ângulo de atrito residual obtido para a argila vermelha (18,4˚) concorda muito bem com os valores obtidos anteriormente nas retro-análises da ruptura (19,4˚). Abstract: This paper describes the investigation carried out on the origin and the mechanical behaviour of 2 soils involved in a slope failure at Kaiser, Caxias do Sul, RS. The failure occurred in 2000 and involved a large weathered rock mass with red clay filled discontinuities. The failure analysis carried out previously had shown that these discontinuities had a decisive role in the movement, with residual shear strength being mobilized. The origin of the red clay filling has been studied through thin sections analysis, X-Ray diffraction and X-Ray fluorescence tests. Several shear strength tests have also being carried out on specimens from sample blocks taken from the slope failure surface. The iluvial origin of the red clay has been well demonstrated and its degree of weathering is much larger than the saprolitic soil surrounding it. The residual shear strength tests showed a pronounced drop with the increase on vertical stress for the saprolitic soil but this did not happen for the red clay. The residual angle of internal friction obtained for the red clay (18,4˚) agreed quite well with the values obtained from the previous failure back-analysis (19,4˚). 1 INTRODUÇÃO No ano de 2000 ocorreu no bairro Kaiser, em Caxias do Sul/RS, a ruptura de um talude com cerca de 30 m de altura e 200 m de extensão. O caso histórico deste movimento de massa foi descrito por Azambuja et al. (2001).
As investigações realizadas mostraram que a ruptura foi condicionada pela mobilização da resistência residual ao longo de descontinuidades
com inclinação desfavorável existentes no maciço. Estas descontinuidades encontravam-se preenchidas com uma argila de cor vermelha.
Com base nas observações realizadas durante as investigações, duas hipóteses foram levantadas para a origem da argila vermelha: (a) transferência por iluviação de horizontes superiores ou (b) intemperismo normal dos materiais junto das descontinuidades.
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Neste artigo são apresentadas as investigações para caracterizar o comportamento mecânico dos solos e determinar a origem da argila vermelha presente nas descontinuidades. Mais detalhes podem ser obtidos em Rigo (2005). 2 HISTÓRICO DA INSTABILIDADE
A ruptura do talude no bairro Kaiser ocorreu após chuvas acumuladas de 90,5 mm em 8 dias. Durante os 5 dias em que ocorreram os movimentos do talude, antes das intervenções emergenciais de contenção, foram registradas chuvas acumuladas de 70,5 mm. Nos 13 dias de chuva, a intensidade da precipitação não ultrapassou 10 mm/h. Medições de deslocamentos em marcos superficiais indicaram velocidades de movimento variando entre 1 e 5 mm/h ao longo de 7 dias.
Os movimentos provocaram danos em uma escola e abalaram 7 casas, além de causar outras repercussões no sistema viário local. Ao todo, 30 famílias foram desalojadas e três ruas adjacentes tiveram o tráfego interrompido. A Figura 1 mostra uma vista frontal do talude no bairro Kaiser.
Figura 1: Área envolvida na ruptura do talude no bairro Kaiser.
2.1 Modelo geomecânico da ruptura
A geologia do talude rompido é composto de rochas vulcânicas ácidas da Formação Serra Geral (FSG). Os materiais presentes apresentam três diferentes graus de alteração: (a) rocha levemente alterada no nível basal; (b) solo saprolítico no nível intermediário; e (c) alternância de solo eluvionar e blocos com esfoliação esferoidal no nível superior.
O talude tem sua face voltada para sul e é marcado pela presença de descontinuidades com inclinação desfavorável e com mergulho variável de direção sul predominante, cuja gênese está associada à direção do fluxo magmático. Esta família de descontinuidades foi denominada F1. As descontinuidades F1 apresentam mergulhos mais fortes no topo e na porção mediana do talude,
tendendo à horizontalidade junto à base. Outras duas orientações preferenciais de
lineamentos tectônicos controlam a morfologia do terreno, uma a NE e outra a NW. As famílias de descontinuidades associadas a estes planos foram denominadas, respectivamente, F2 e F3.
As descontinuidades F3 constituíram importante condicionante para a instabilidade do talude, uma vez que sua disposição longitudinal em relação ao mesmo favorece a infiltração de água, a ocorrência de trincas de tração e o desprendimento de blocos.
Os dados estruturais do talude, dispostos em estereograma, são mostrados na Figura 2. A visualização dos planos médios e da concentração de pólos para cada família de descontinuidades possibilita identificar os planos de fraqueza do talude.
Figura 2: Estereograma das famílias de descontinuidades do talude no bairro Kaiser.
Os movimentos ocorridos estiveram associados às
características peculiares das descontinuidades F1. Blocos indeformados retirados junto à base do talude apresentaram descontinuidades totalmente preenchidas com argila vermelha. A origem da argila vermelha foi atribuída a mecanismos de iluviação a partir dos horizontes superficiais, devido principalmente ao contraste brusco de coloração entre a argila e o solo saprolítico. O acúmulo de argila vermelha é mais marcante nas descontinuidades de base do talude associadas à família F1, possivelmente devido ao menor gradiente hidráulico nessa porção do talude, que proporciona o depósito dos argilominerais.
Apesar destas indicações, não foi descartada a hipótese da origem da argila vermelha estar associada ao intemperismo da rocha por hidrotermalismo.
As principais implicações associadas ao preenchimento das descontinuidades com argila e à situação estrutural do talude foram:
(a) a argila vermelha comandou o comportamento mecânico das descontinuidades, conferindo-lhes menor resistência e maior sensibilidade à saturação;
(b) a menor permeabilidade da argila vermelha dificultou a infiltração de água, favorecendo seu
ÁREA INSTABILIZADA
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acúmulo e aumentando as poro-pressões. As deformações lentas durante a ruptura do talude
indicaram que havia mobilização da resistência residual ao longo das descontinuidades, fato corroborado pelo aspecto orientado e lustroso (slikensided) observado na argila vermelha de preenchimento das descontinuidades. 2.2 Retroanálises da ruptura
Foram realizadas retroanálises da ruptura do talude no bairro Kaiser para a definição de intervenções emergenciais de contenção. As retroanálises foram feitas pelos métodos de Janbu, Morgenstern-Price e pelo método dos Blocos (Azambuja et al., 2001). Admitindo-se saturação das juntas pela água de infiltração, os parâmetros de resistência obtidos foram os apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Parâmetros de resistência das descontinuidades obtidos nas retroanálises.
Método Coesão na Base (kPa)
Coesão em F1 (kPa)
φ em todas descontin.
(graus) Janbu 10 0 21,4 Morg.-Price 10 0 19,4 Blocos 10 0 19,9
Os parâmetros de resistência obtidos nas
retroanálises foram corroborados pelos resultados de ensaios ring shear executados com amostras da argila vermelha coletadas nas descontinuidades. 2.3 Estabilização do talude
As intervenções de contenção do talude foram divididas em duas etapas: emergencial e complementar.
A intervenção emergencial procurou diminuir a velocidade dos movimentos, garantir a segurança dos moradores a jusante do talude e evitar um movimento acelerado. Para isso, a solução adotada foi de rápida execução e passível execução sob qualquer condição meteorológica. Foi feita uma reconformação da geometria natural do talude através de um aterro com blocos de rocha.
A intervenção complementar consistiu na execução de dois níveis de reticulados de estacas-raiz, com diâmetro de 8” e comprimentos de até 14 m. Com esta intervenção foi possível remover parte do aterro executado e abrir espaço para a conformação da rua a jusante do talude.
3 DESCRIÇÃO, MINERALOGIA E ORIGEM
DOS SOLOS ENVOLVIDOS NA RUPTURA
Os solos envolvidos na ruptura do talude no bairro Kaiser foram denominados Solo Saprolítico (SS) e Argila Vermelha (AV). As Figuras 3, 4 e 5 mostram os solos no contexto da ruptura e suas texturas.
Figura 3: Solos SS e AV no local de amostragem.
Figura 4: Textura dos solos SS e AV.
Para caracterizar a mineralogia e o intemperismo dos solos envolvidos na ruptura, foram coletadas amostras orientadas da rocha e dos solos SS e AV para a confecção de lâminas delgadas e análise em microscópio petrográfico. Também foram coletadas amostras para análises de fluorescência de raios X e de difração de raios X.
As análises petrográficas dos materiais permitiram caracterizar sua mineralogia, a textura da rocha e a estrutura dos solos SS e AV. Estas análises procuraram identificar os efeitos do intemperismo na formação da estrutura dos solos e o grau de intemperismo das rochas e solos, com base em uma adaptação da classificação proposta por Fookes (1997), mostrada na Tabela 2. Para isso, a textura da rocha foi comparada à estrutura herdada pelos solos.
As análises de fluorescência de raios X visaram determinar a composição dos elementos maiores, menores e traços dos materiais. Os dados obtidos foram utilizados na classificação química da rocha, na caracterização da mobilidade dos elementos químicos durante o intemperismo da rocha e no cálculo de índices de intemperismo dos materiais, permitindo caracterizar qualitativamente e quantitativamente seus estados de alteração.
No caso das análises de difração de raios X, o objetivo foi identificar a mineralogia dos argilominerais presentes nos solos SS e AV.
BLOCO DESLOCADO
PLANO DE RUPTURA (F1)
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Figura 5: Aspecto do solo AV no plano de ruptura.
Tabela 2 – Classificação do grau de intemperismo (adaptada de Fookes, 1997)
Grau de intemperismo Descrição
I (Rocha sã)
Sem sinal visível de alteração do material rochoso; pode haver leve descoloração em superfícies de descontinuidades.
II (Rocha levemente
alterada)
Descoloração leve; intemperismo leve; descoloração indica intemperismo do material rochoso e superfícies de descontinuidades; descoloração pode atingir todo o material rochoso.
III (Rocha
moderadamente alterada)
Material rochoso consideravelmente enfraquecido; descoloração profunda; menos da metade do material rochoso foi decomposto ou desintegrado para solo; rocha sã ou apresentando descoloração está presente de forma contínua ou como blocos de rocha; não é possível desagregação com as mãos.
IV (Rocha altamente
alterada)
Mais da metade do material rochoso foi decomposto ou desintegrado para solo; rocha sã ou apresentando descoloração está presente de forma contínua ou como blocos de rocha; possível desagregação com as mãos.
V Rocha
completamente alterada – solo
saprolítico
Todo o material rochoso foi decomposto ou desintegrado para solo; a estrutura original ainda encontra-se aparente e intacta.
VI Solo - residual maduro, eluvial ou horizonte B
Todo o material rochoso foi convertido para solo; não é possível identificar a estrutura original e a fábrica.
3.1 Caracterização petrográfica e mineralógica
As características petrográficas observadas permitiram classificar a rocha local como um dacito de textura felsofírica (Figura 6), com microfenocristais de feldspatos, piroxênio, hornblenda e opacos imersos em matriz criptocristalina composta por cristais de quartzo
recristalizados e por denso intercrescimento quartzo-feldspático. Aparentemente, a textura resulta de um processo de desvitrificação ou recristalização a partir de matrizes originalmente vítreas e criptocristalinas. Este processo é caracterizado pela substituição da matriz vítrea original por um denso intercrescimento quartzo-feldspático e pela recristalização de quartzo. A quantidade de cristais desenvolvidos de quartzo, feldspato e opacos da rocha indica que o processo de desvitrificação da mesma encontra-se em estágio avançado.
As fases minerais secundárias são formadas por argilominerais e hidróxidos de ferro, que substituem cristais e a mesóstase da rocha. Os argilominerais e hidróxidos de ferro encontram-se preenchendo fraturas e envolvendo os microfenocristais de piroxênio e hornblenda. Nas pseudomorfoses, os microfenocristais de piroxênio e hornblenda são substituídos por argilominerais e hidróxidos de ferro. Os hidróxidos encontram-se também disseminados na matriz.
As características mineralógicas e petrográficas mencionadas são corroboradas pelos dados apresentados por IBGE (1986), Comin-Chiaramonti et al. (1988) e Roisenberg & Viero (2002).
O grau de intemperismo da rocha variou de Rocha Sã (I) a Rocha Levemente Alterada (II). A alteração foi indicada pela pseudomorfisação dos fenocristais de hornblenda e piroxênio, além da substituição pseudomórfica da mesóstase por argilominerais e hidróxidos de ferro (Figura 7). A microestrutura do solo SS é caracterizada por uma matriz argilosa resultante da substituição pseudomórfica da matriz vítrea da rocha de origem e dos micrólitos de feldspatos e piroxênios (Figura 8). Os microfenocristais de feldspatos e piroxênios foram substituídos por argilominerais ou encontram-se pseudomorfizados. Encontram-se ainda imersos na matriz os minerais opacos e os cristais de quartzo provenientes da rocha, além das pseudomorfoses de hornblendas. Estas encontram-se fraturadas e com bordas corroídas e oxidadas.
O solo SS apresenta grau de intemperismo IV (Rocha Altamente Alterada). Mais da metade do material rochoso original já foi decomposto em solo, porém há uma quantidade significativa de minerais primários, principalmente quartzo, feldspatos e opacos.
A partir das características observadas em lâminas delgadas, o solo AV consiste em uma mistura de argilominerais e hidróxidos de ferro depositada nas descontinuidades e microfraturas da rocha e do solo SS pela percolação de água, que promove a iluviação de argilominerais a partir de horizontes superiores.
Esta conclusão está baseada na observação de que não há sinais de alteração, descoloração ou pigmentação das paredes das microfraturas (Figura 9), o que indica que não há interação ou nas descontinuidades centimétricas, ocorre pigmentação
5
das bordas, porém esta pigmentação é reação química dos minerais da rocha para a formação da argila vermelha. Nas fraturas maiores e resultado da continuidade da percolação de água pelas fraturas, que promove o intemperismo da rocha junto à face das mesmas.
As observações acima corroboram a hipótese apresentada por Azambuja et al.(2001) para a origem da argila vermelha que preenche as descontinuidades do maciço.
Figura 6: Textura da rocha – matriz criptocristalina em desvitrificação com micrólitos de piroxênio, feldspatos, opacos e quartzo intersticial (M-mesóstase; F-feldspatos; Px-piroxênio; O-opaco; Q-quartzo)
Figura 7: Detalhe da matriz da rocha – mesóstase criptocristalina alterada com micrólitos de feldspatos, piroxênio alterado e opacos (M-mesóstase alterada; F-feldspatos; Px-piroxênio; O-opaco)
3.2 Caracterização química
A Tabela 3 apresenta a composição química da
rocha e dos solos SS e AV, obtida a partir das análises de fluorescência de raios X.
Figura 8: Estrutura do solo SS - matriz alterada, amígdala de quartzo e microfratura com o solo AV (M-matriz alterada; Q-quartzo; AV-argila vermelha)
Figura 9: Detalhe da parede da microfratura – não há descoloração ou pigmentação do solo saprolítico (M-matriz alterada; AV-argila vermelha)
A classificação química a partir do diagrama
binário SiO2 x Na2O+K2O (Cox, Bell & Pankhurst, 1979) e do diagrama TAS (Le Bas & Streckeisen, 1991), mostra que a rocha de origem do solo SS é de fato um dacito, conforme observado nas análises petrográficas, com teor de SiO2 de 68,5%.
Trata-se de uma rocha ácida do tipo Palmas, que normalmente constitui o vulcanismo ácido na porção meridional da Bacia do Paraná (Melfi et al., 1988; Roisenberg & Viero, 2002).
A mobilidade dos elementos químicos durante o intemperismo foi determinada através do método do Balanço de Massa, que consiste na comparação entre a composição química da rocha em um estágio inicial, ou de partida, com o estágio final de alteração.
Os resultados do Balanço de Massa indicaram que o intemperismo da rocha para o solo SS consiste em um processo de alteração isovolumétrico. Durante o intemperismo da rocha, houve um
Q
Px
F
M
O
F
O
M
Px
AV
M
AV
Q
M
6
aumento significativo nos teores de alumínio, relacionado à formação dos argilominerais.
O aumento ou diminuição do teor de ferro no processo de intemperismo é resultado do balanço entre as perdas, decorrentes da alteração dos minerais ferromagnesianos (piroxênios e opacos), e os ganhos, decorrentes da formação de óxidos de ferro (hematita) e hidróxidos de ferro (limonita e goetita).
Tabela 3 – Composição química da rocha e solos estudados
Análise Rocha Solo SS Solo AV DRG 2,51 2,72 2,67
Elementos maiores e menores (%) SiO2 68,52 66,13 45,08 Al2O3 13,33 17,03 29,88 Fe2O3 5,79 4,36 5,83 MnO 0,10 0,06 0,02 MgO 0,92 0,32 0,32 CaO 1,90 0,08 0,03 Na2O 2,17 0,70 0,10 K2O 3,83 2,08 0,30 TiO2 0,92 0,63 0,48 P2O5 0,23 0,07 0,06 PF 2,30 8,60 18,0
Total 100,01 100,04 100,10 Elementos traços (ppm)
Nb 9,0 20,0 10,0 Rb 174,3 101,0 58,0 Sr 135,0 67,0 21,0 Y 216,0 50,0 37,0 Zr 272,0 339,0 237,0
PF – Perda ao fogo; DRG – densidade real dos grãos.
O balanço entre a rocha e o solo SS mostrou diminuição do teor de ferro. A fraca pigmentação do solo SS confirma a diminuição no teor de ferro apresentada. Já o balanço entre a rocha e a argila vermelha (AV) mostrou aumento do teor de ferro, confirmado pela forte pigmentação desse solo. Esta diferença acentuada de comportamento entre materiais adjacentes reforça a hipótese de que o solo AV não é formado pelo intemperismo da rocha e do solo SS nas descontinuidades do maciço.
Os índices de intemperismo determinados para os materiais estudados são apresentados na Tabela 4. Dentre os mais de trinta índices diferentes propostos na literatura e analisados por Duzgoren-Aydin et al. (2002), os índices mostrados foram os que obtiveram correlações consistentes com o grau de intemperismo dos materiais analisados. Estes índices expressam proporções entre um grupo de óxidos móveis e um ou mais óxidos imóveis. Os índices apresentados permitem fazer uma avaliação quantitativa relativa do grau de intemperismo dos solos, a partir da comparação dos índices dos solos com os índices obtidos para a rocha de origem.
Tabela 4 – Índices de intemperismo da rocha e dos solos SS e AV.
Índice Rocha Kaiser SS
Kaiser AV
Ba = (K2O + Na2O + CaO)/Al2O3
0,593 0,168 (28,3%)
0,014 (2,4%)
ba1 = (K2O + Na2O)/Al2O3
0,450 0,163 (36,2%)
0,013 (2,9%)
ba3 = (K2O + Na2O + MgO)/Al2O3
0,519 0,182 (35,1%)
0,024 (4,6%)
B = IALTERADO/ISÃO I=(K2O + Na2O + CaO)/Al2O3
1,000 0,283 (28,3%)
0,024 (2,4%)
β = IALTERADO/ISÃO I=(K2O + Na2O)/Al2O3
1,000 0,362 (36,2%)
0,029 (2,9%)
Bases: alumina = (K2O + Na2O + CaO + MgO)/Al2O3
0,662 0,187 (28,2%)
0,025 (3,8%)
Bases: R2O3 = (K2O + Na2O + CaO + MgO)/(Al2O3 + Fe2O3 + TiO2)
0,440 0,145 (32,9%)
0,021 (4,8%)
No caso do solo SS, os índices de intemperismo
calculados variam de 28% a 36% do valor dos índices respectivos da rocha. Já os índices obtidos para o solo AV variam de 2,4% a 4,8% dos índices respectivos da rocha, mostrando uma significativa diferença no grau de intemperismo desses dois solos.
3.3 Mineralogia da fração argila
Os resultados das análises de difração de raios X
realizadas em amostras orientadas naturais, glicoladas e calcinadas mostraram que a fração argila do solo SS é composta unicamente por argilominerais do grupo das caulinitas.
O solo AV apresentou em sua fração argila, além de argilominerais do grupo das caulinitas, silicatos não lamelares como o plagioclásio (albita). Os padrões de reflexão da caulinita se repetem nos solos SS e AV, tanto para as amostras naturais como para as amostras glicoladas e calcinadas.
4 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DOS
SOLOS
A Tabela 5 apresenta os índices físicos do solo SS, determinados a partir de um universo de sete amostras indeformadas. Para o solo AV não foi possível obter amostras indeformadas, de maneira que foram determinados somente o peso específico e a densidade real dos grãos (γs = 26,2 kN/m3 e G = 2,67). Os valores de índice de vazios obtidos para o solo SS variaram de 0,87 a 1,29, valores considerados elevados para solos. A variabilidade
7
dos índices físicos do solo SS também é considerada elevada, indicando que o solo tem heterogeneidade significativa. A estrutura dos solos foi considerada como responsável por permitir aos solos atingir índices de vazios da magnitude observada.
Tabela 5 – Índices físicos do solo SS
Solo saprolítico (SS) Índice Mín. Máx. Méd.
Peso esp. real grãos (γs – kN/m3) - - 26,7
Densidade real grãos (G) - - 2,72
Peso esp. aparente. úm. (γt – kN/m3) 15,4 18,4 16,4
Peso esp. aparente seco (γd – kN/m3) 11,9 14,6 12,9
Teor de umidade (ω - %) 22,8 29,6 27,0
Grau de saturação (S - %) 59,7 83,5 67,1
Índice de vazios (e) 0,87 1,29 1,10
Porosidade (n - %) 46,5 56,3 52,4
Os limites de consistência dos solos SS e AV são
apresentados na Tabela 6, juntamente com os índices de plasticidade e a atividade da fração argila. O solo SS apresenta fração fina caracterizada como não plástica, fato justificado pela mineralogia, formada principalmente por feldspatos potássicos e quartzo, e pelo baixo grau de intemperismo do solo.
Tabela 6 – Limites de consistência, índice de plasticidade e atividade da fração argila
Solo LL LP IP A
SS - - NP - AV 87 45 42 0,69
NP – não plástico A argila vermelha (AV) apresentou uma
plasticidade elevada, ficando abaixo da linha A na carta de plasticidade, que indica um comportamento da fração fina deste solo como de um material siltoso. O solo também fica à direita da linha B, característico de comportamento plástico.
A atividade da fração fina do solo SS não pôde ser determinada. O solo AV apresentou atividade normal (A<1,25), condizente com a presença de caulinita como argilomineral.
As curvas granulométricas dos solos SS e AV são apresentadas na Figura 10. Com base nos dados de plasticidade e nas curvas granulométricas, o Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS) classifica os solos como: (a) Solo SS - silte arenoso (ML) e (b) Solo AV - silte elástico com areia (MH).
A classificação segundo o SUCS demonstra um caráter granular da textura dos solos estudados, motivado pela sua estrutura e mineralogia.
0.00 0.01 0.10 1.00 10.00
Diâmetro das partículas (mm)
0
20
40
60
80
100
Porc
enta
gem
Pas
sant
e
Solo SS
Solo AV
Figura 10: Curva granulométrica dos solos SS e AV
5 COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS
SOLOS O comportamento mecânico dos solos, no que diz respeito à resistência ao cisalhamento, foi estabelecido através de ensaios de cisalhamento direto especiais e ensaios ring shear (RS). Os ensaios de cisalhamento direto especiais consistiram em ensaios de reversões múltiplas (CD-RM) e ensaios de interface solo-rocha (CD-I).
As curvas τ x dh obtidas nos ensaios CD-RM e CD-I são apresentadas nas Figuras 11, 12 e 13. As curvas de variação do coeficiente de atrito residual (τ/σ’n) versus deslocamento horizontal dos ensaios ring shear são apresentadas nas Figuras 14 e 15.
0 5 10 15 20 25 30 35
Deslocamento horizontal (mm)
0
100
200
300
400
500
600
Tens
ão c
isal
hant
e (k
Pa)
50 kPa100 kPa150 kPa200 kPa300 kPa600 kPa
Figura 11: Ensaios CD-RM do solo SS
As equações das envoltórias de resistência obtidas nos ensaios CD-RM, CD-I e RS, são apresentadas nas Tabelas 7, 8 e 9. No caso dos ensaios CD-RM, devido à curvatura das envoltórias, foram sugeridas envoltórias lineares e bilineares, para um melhor ajuste aos pontos experimentais.
8
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
Deslocamento horizontal (mm)
0
50
100
150
200
250
300Te
nsão
cis
alha
nte
(kPa
)
Figura 12: Ensaios CD-I do solo SS
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
Deslocamento horizontal (mm)
0
50
100
150
200
250
300
Tens
ão c
isal
hant
e (k
Pa)
Figura 13: Ensaios CD-I do solo AV
0 200 400 600 800
Deslocamento horizontal (mm)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
τ/σ
50 kPa
100 kPa
200 kPa
300 kPa
600 kPa
Figura 14: Ensaios RS do solo SS
Para fins de comparação, as Figuras 16 e 17 apresentam as envoltórias de resistência ao cisalhamento obtidas nos ensaios CD-RM, CD-I e RS para os solos SS e AV.
0 200 400 600 800
Deslocamento horizontal (mm)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
τ/σ
50 kPa
100 kPa
200 kPa
600 kPa
Figura 15: Ensaios RS do solo AV
Tabela 7 – Parâmetros de resistência ao cisalha-mento de pico e residual do solo SS (CD-RM)
Envoltória Equação φ’ (º)
c’ (kPa)
Pico (linear) τ = 0,7.σ’n + 52,3 34,9 52,3 Pico (bilinear) - σ’n = 0 a 180 kPa - σ’n = 180 a 600 kPa
τ = 1,1.σ’n + 6,9
τ = 0,6.σ’n + 89,7
46,8 31,5
6,9
89,7 Residual (linear) τ = 0,6.σ’n + 32,7 29,3 32,7 Residual (bilinear) - σ’n = 0 a 80 kPa - σ’n = 80 a 600 kPa
τ = 1,0.σ’n
τ = 0,5.σ’n + 39,3
44,9 28,6
0,0
39,3
Tabela 8 – Parâmetros de resistência ao cisalhamento residual dos solos SS e AV (CD-I)
Solo Equação da Envoltória
φ’r (º)
c’ (kPa)
Solo saprolítico (SS): - Passando na origem
τ = 0,45.σ’n
24,2
0,0
Argila verm. (AV): - Melhor ajuste - Passando na origem
τ = 0,31.σ’n + 6,7
τ = 0,33.σ’n
17,5 18,4
6,7 0,0
Tabela 9 – Parâmetros de resistência ao cisalhamento residual dos solos SS e AV (RS)
Solo Equação da Envoltória
φ’r (º)
c’ (kPa)
Solo saprolítico (SS): - Melhor ajuste - Passando na origem
τ = 0,5.σ’n + 6,5
τ = 0,51.σ’n
26,4 27,2
6,5 0,0
Argila verm. (AV): - Melhor ajuste - Passando na origem
τ = 0,31.σ’n + 6,7
τ = 0,33.σ’n
17,5 18,4
6,7 0,0
As envoltórias do solo SS evidenciam a
fragilidade do solo quando se compara a resistência de pico com a resistência residual e indicam claramente a influência das tensões normais mais
9
elevadas e dos deslocamentos sobre a redução de resistência durante o cisalhamento.
Comparando-se os resultados obtidos para o solo SS (Figura 16), verifica-se que os ensaios CD-RM forneceram os maiores valores de resistência residual, seguidos, nesta ordem, pelos valores obtidos nos ensaios RS e CDI. Para valores de σ’n superiores a 100 kPa, a resistência residual medida nos ensaios CD-RM tende a se aproximar dos valores medidos nos ensaios RS e CD-I. A resistência residual determinada através dos ensaios CD-I foi inferior à resistência residual medida nos ensaios RS para todas as tensões normais utilizadas, sendo que as maiores diferenças ocorrem sob tensões normais superiores a 200 kPa. Esta característica é atribuída à natureza mais granular do solo SS, que se caracteriza como um solo não plástico, com valores de fração argila inferiores a 10%.
Para o solo AV (Figura 17), foram realizados somente ensaios CD-I e RS. A resistência ao cisalhamento residual obtida em ambos os ensaios é praticamente a mesma em todos os níveis de tensão utilizados. Observa-se ainda que a envoltória de resistência residual do solo AV praticamente coincide com a envoltória de resistência residual de uma caulinita comercial ensaiada para fins de referência. Como os estudos mineralógicos indicaram que a fração argila do solo AV é constituída por caulinita, esta coincidência é um indicador positivo da qualidade dos ensaios.
A concordância entre os resultados dos ensaios CD-I e RS é considerada muito boa. No solo AV, os valores de resistência residual medidos com o ensaio RS constituem o limite inferior da resistência medida através das técnicas utilizadas.
As Figuras 18 e 19 apresentam os gráficos de variação do ângulo de atrito interno residual com a tensão normal para as várias técnicas utilizadas.
0 100 200 300 400 500 600
Tensão normal (kPa)
0
100
200
300
400
500
Tens
ão c
isal
hant
e (k
Pa)
Pico CDRM
Residual CDRM
Residual CDI
Residual RS
Envoltória RS
Residual Caulin RS
Envoltória Caulin RS
Figura 16: Envoltórias do solo SS
0 100 200 300 400 500 600
Tensão normal (kPa)
0
100
200
300
400
500
Tens
ão c
isal
hant
e (k
Pa)
Residual CDI
Residual RS
Envoltória RS
Residual Caulin RS
Envoltória Caulin RS
Figura 17: Envoltórias do solo AV
Nestas figuras verifica-se uma tendência geral de redução de φ’r com o aumento de σ’n, com a exceção dos ensaios CD-I realizados com o solo SS. Esta redução é mais acentuada nos ensaios CD-RM (12,6º) pelo fato de que os mesmos são realizados sobre amostras indeformadas, enquanto os demais são realizados com amostras inicialmente remoldadas.
6 CONCLUSÕES
O trabalho descreve uma investigação feita sobre a origem e o comportamento mecânico de 2 materiais de um talude rompido de rocha alterada com descontinuidades preenchidas com argila vermelha no bairro Kaiser de Caxias do Sul, RS em 2000.
A origem da argila de preenchimento foi estudada através da análise de lâminas delgadas orientadas, exames de difração de Raio-x e fluorescência de Raio-x. A rocha é um dacito com textura felso-
0 100 200 300 400 500 600
Tensão normal (kPa)
10
20
30
40
50
60
70
Ang.
atri
to in
tern
o (g
raus
)
Pico CDRM
Residual CDRM
Residual CDI
Residual RS
Figura 18: Variação de φ’pico e φ’r com a tensão normal para os ensaios do solo SS
10
0 100 200 300 400 500 600
Tensão normal (kPa)
10
20
30
40
50
60
70An
g. a
trito
inte
rno
(gra
us)
Residual CDI
Residual RS
Figura 19: Variação de φ’r com a tensão normal para os ensaios do solo AV
fírica bastante alterada. O solo saprolítico (SS) apresentou índices de intemperismo que variaram de 28% a 36% do valor referencial da rocha. Os mesmos índices foram de 2,4% a 4,8% para a argila vermelha (AV), a qual consiste de uma mistura de argilo-minerais e hidróxidos de ferro depositados nas descontinuidades e micro-fraturas da rocha por iluviação.
Diversos ensaios de resistência ao cisalhamento foram feitos em amostras obtidas de blocos indeformados retiradas da base da ruptura. Foram feitos ensaios de interface (CD-I) e ensaios de reversão múltipla (CD-RM) nos 2 materiais.
As envoltórias de ruptura do solo saprolítico evidenciaram a fragilidade do solo pela queda da resistência entre o pico e a resistência residual, e indicando claramente a influência das tensões normais mais elevadas e dos deslocamentos sobre a redução de resistência durante o cisalhamento.
Esta queda da resistência residual com a tensão confinante não ocorreu para a argila vermelha. O valor do ângulo de atrito residual obtido para a argila vermelha (18,4˚) concorda muito bem com os valores obtidos anteriormente nas retro-análises da ruptura (19,4˚).
Esta diferença acentuada de comportamento entre materiais adjacentes reforça a hipótese de que o solo AV não é formado pelo intemperismo da rocha e indica que a micro-estrutura do solo saprolítico é importante no seu comportamento mecânico. AGRADECIMENTOS O CNPq concedeu suporte financeiro através de bolsas de doutorado e de pesquisa para os dois primeiros autores. A Prefeitura Municipal de Caxias do Sul permitiu a publicação do material e incentivou os trabalhos experimentais. O técnico Jair F.Floriano da Silva ajudou em grande parte dos trabalhos experimentais.
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