Resistência de Cone Penetrométrico em Sistemas BináriosEmpacotados

Rogério Dias Dalla RivaLJfV/DEC. Viçosa/MG, Brasil, rogcriºriva(d'vah~lli_.cQH1.br

Dario Cardoso de LimaUFV/DEC, Viçosa/MG, Brasil. dcclil11aCêvufv.br

Liovando Marciano da CostaUFV/DPS. Viçosa/MG, Brasil. liovancloCà.sollls.ul'v.br

Claudio Henrique de Carvalho SilvaLJFV/DEC. Viçosa/MG, Brasil. silvac(u;l1fv.br

João Herbert Moreira VianaEMBRAPA/CNPMS, Sete Lagoas/MG, Brasil, iherbert(a~cl1pms.ernhraili!l2L

Elpídio lnácio Fernandes FilhoUFV/DPS. Viçosa/MG. Brasil. clpídi00ufv.br

Rodrigo Miranda CarvalhoUFV/DEC, Viçosa/MG. Brasil. rodrigociv(u;yahoo.cOlll.br

Lucimar Arruda VianaUrV/DEc. Viçosa/MG, Brasil. lucimarviallnaCa yahoo.com.br

RESUMO: Propriedades geotécnicas de solos granulares. tais como. resistência à penetração.perrneabilidade e compressibilidade podem ser determinadas pelo arranjo de suas partículas.denominado de empacotamento. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliaramostras binárias empacotadas submetidas a ensaio de resistência de cone penctrornétrico. foiutilizada uma areia de dragagem de rio coletada às margens da Rodovia MG 238. no Município deCachoeira da Prata/MG, no ponto de coordenadas geográficas 19°29·S9.06"S e 44°29·42.2S"W. Afração areia limpa foi obtida por: (i) separação da fração areia; (ii) remoção de matéria orgânica:(iii) remoção de óxidos de ferro; e. (iv) fracionamento da fração areia limpa por peneiramento. em22 classes de tamanho. Foi determinado o ponto médio de cada classe. obtendo-se as relaçõesbinárias (D/d). Para a obtenção dos empacotarnentos binários foram realizadas misturas entreclasses em termos percentuais de volume real. As curvas de resistência foram obtidas por meio deum penctrôrnetro. desenvolvido pelo LMS/UfV. utilizando sistema de cravação hidráulico comvelocidade calibrada entre IS ± S mm/min. Foram avaliadas as relações binárias D/d iguais a S.6;6,7; 8,0; 9,5; 11,3 e 13,4, observando-se que, para relações maiores do que ~.O. os gráficos nãoapresentaram diferenças significativas quanto a resistência à penetração nas profundidadesanalisadas, enquanto que, para as demais relações. houve ganho de resistência.

PALAVRAS-CHAVE: Empacotamentos Binários. Penetrôrnetro. Fração Areia. Resistência deCone Penetrométrico.

10

INTRODUÇÃO

O entendimento dos fenômenos relativos aoempacotamento de solos arenosos (semestrutura). é importante nos mais diversoscampos da tecnologia. Na EngenhariaGeotéen ica destacam-se os estudos relativos àfundação de solos. misturas asfálticas.composições otimizadas de concreto. extraçãode óleo e gás de reservatórios. permeabilidade.estruturação de solos granulares, retenção deágua, etc., como exemplos de empacotamentosdensos.

Frequentemente, esferas de igual tamanhosão utilizadas na modelagem de sistemas deempacotamento. Vários pesquisadoresempregaram esferas de aço e vidro de igualtamanho na simulação do empacotamento departículas. pois esta forma é de grande utilidadena determinação dos fatores que influenciam adensidade. A forma esférica da partícula é amais utilizada em empacotamentostridimensionais. pois somente um parâmetro, odiâmetro. é necessário para especificar a suadimensão.

Todavia, na prática as partículas envolvidasem estudos de empacotamento usados naengenharia diferem da forma esférica. não sãode igual tamanho, possuem formato variado erugosidade superficial. além de exibirem efeitosde coesão e aglomeração não percebidosquando se utilizam esferas grandes. Nãoobstante a combinação desses fatoresinfluenciar o empacotamento, é possívelarranjar as partículas de forma a atingir maioresdensidades. O uso de misturas de partículasbimodais ou trimodais podem elevar adensidade. Contudo. a composição e a razãoentre as partículas envolvidas deve sercontrolada para a otimização doempacotamento.

Estudos envolvendo empacotamentosprovêm de diversas áreas. Como conseqüênciadessa diversidade. há vários estudos envolvendoempacotamentos de partículas. especialmenteesferas. Segundo Mitchell (1993), em solosgranulares as partículas são suficientementegrandes e pesadas, comportando-se geralmentecomo unidades independentes. Esse autordestaca que, mais recentemente, a modelagem

numenca de solos granulares com base nadistorção elástica, escorregamento e rolamentodas partículas, usualmente assumindo-se formasesféricas ou de disco para as mesmas, tempermitido avanços na análise docomportamento destes materiais.

Ainda, de acordo com o mesmo autor, nosanos 70 pesquisas foram conduzidas comarranjos de partículas em solos granulares,concluindo-se que a caracterização daspropriedades de areias e pedregulhos não deviaser vista somente em termos de densidaderelativa, sendo, também, necessário consideraro arranjo de partículas (empacotamento) ehistórico de tensões destes materiais. Crescia,então, o entendimento de que propriedades, taiscomo resistência à penetração, permeabilidade,e compressibilidade, podiam ser determinadasdiretamente pelo tamanho e forma daspartículas. seus arranjos e as forças existentesentre elas. Assim sendo, o entendimento destaspropriedades requer o conhecimento maisdetalhado destes fatores.

No presente artigo avalia-se a resistência àpenetração em função da profundidade, emsistemas binários na fração areia limpa de areiade dragagem de rio, sujeito à ação vibratóriacontrolada em função das classes envolvidas edas relações entre os seus diâmetros médio.

2 MATERIAL E MÉTODOS

2.1 Material

Para essa pesquisa foi utilizada uma areia dedragagem de rio coletada às margens daRodovia MG 238, no Município de Cachoeirada Prata/MG, no ponto de coordenadasgeográficas 19°29'59.06"S e 44°29'42.25'·W.

2.2 Preparação da Amostra

A areia. após secagem ao ar. foi passada napeneira de abertura nominal de 2,0 mm, pararetirada da fração pedregulho. Esse material foisubmetido a pré-tratarnentos para dispersãofísica e química, objetivando a separação dafração areia das frações silte e argila, remoçãoda matéria orgânica e dos óxidos de ferro,

2

segundo os procedimentos apresentados aseguir. Ao fi nal desses processos obteve-se afração areia limpa.

2.2.1 Dispersão das Amostras

foi realizada por meio de dispersor mecânico.especialmente construído para trabalhar comgrandes volumes de solo, durante 16 h, a 50rpm, e por dispersão química utilizando-seNaOH 0,5 moi i.' e água deionizada: ao finaldo processo, as amostras [oram lavadas empeneira de 0.053 rnm. visando separar a fraçãoareia das frações silte e argila.

2.2.2 Remoção de Matéria Orgânica

Foram colocados aproximadamente 300 g dafração areia em becker de 500 ml..acrescentando NaCIO a pH 9,5 até obter-se umvolume de 50 mL acima da superfície livre daamostra (adaptado de Anderson, 19(3). Emseguida, o conjunto foi colocado em banho-maria a 70°C durante I h. Ao final do processo,as amostras foram retidas em peneira de 0.053rnm, sendo lavadas em água corrente.

2.2.3 Remoção de Óxidos de Ferro

Foram colocados aproximadamente 300 g dafração areia em becker de 500 111L.acrescentando solução de citrato de sódio eácido cítrico. com pH ajustado entre 4.6 e 4.8.até obter-se um volume de 50 mL acima dasuperfície livre da amostra. Em seguida. asamostras foram colocadas em banho-rnariadurante 15 min à temperatura de 50°C.Deeorrido esse período, roi adicionada aquantia aproximada de 20 g de ditionito desódio, agitando-se a solução vigorosamente edeixando-se o conjunto em banho-rnaria pormais 1 h. Ao final do processo, as amostrasforam retidas em peneira de 0,053 mm elavadas em água corrente. Essa operação foirepetida por três vezes (adaptado de Mehra eJackson, 1960).

2.3 Fracionamento da Fração Areia Limpapor Peneiramento

Foram utilizadas peneiras certificadasdistribuídas em 21 classes para a separação dosdiversos tamanhos de partículas da fração areialimpa e esferas de vidro, fazendo-se uso deagitador eletromagnético de ação vibratóriavertical e horizontal, com controle deintensidade, tempo e modo de peneiramento,como se informa na Tabela I.

Tabela I - Peneiras Utilizadas para () Fracionamento daFração Areia Limpa.

Item Peneira (mm) Itc m Peneira (mm)1 2.0002 i.sso.3 lA10-+ 1.1905 I.OOU6 OX+O7 O.7l08 0.5909 0.50010 OA20I I O.35U

0.297O.2S00.2100.1770.1-19O.12S0.105O.OR80.0740.062O.OS3

121314151617IX19202122

2.-1- Empacotamentos de Sistemas Binários

O procedimento consistiu na deposição inicialda partícula de maior diâmetro (D) em quantiasaproximadas de 50 mL, colocadas em umaparato de acrílico (diâmetro interno de 60 mme altura de 50 mm) com auxílio de um funil.para evitar que as partículas caíssem de umaúnica vez e perturbassem o ajuste anteriormenteefetuado. Na scquência. foram produzidasvibrações de freqüência e amplitudescontroladas para permitir que as partículaspudessem se ajustar e atingir a configuraçãomais densa possível (menor volume). Esseprocedimento roi repetido até que a totalidadedas partículas de maior diâmetro (assedepositada no aparato de acrílico.

Posteriormente. as partíeu Ias de menordiâmetro (d) foram introd uzidas no aparato.conforme o procedimento descritoanteriormente, possibilitando que as mesmaspudessem migrar entre os caminhos porososformados pela matriz das partículas de maiordiâmetro. até atingir a maior profundidadepossível dentro do aparato de acrílico. Dessaforma. obteve-se a mais densa configuraçãopossível do empacotamento binário (Lade et aI..I \)9~; Dalla Riva, 2(05).

As classes, com seus respectivos pontosmédios e suas relações entre o diâmetro médiomaior (D) e o diâmetro médio menor (d).encontram-se dispostas na Tabela 2.

Tabela 2 - Classes Utilizadas em Empacotamentos deSistemas Binários.

Classes utilizadas(mm)

D(mm)

d(mm)

D/d

2,000 - 1,6800,350 - 0,2972,000 - 1,6800,297 - 0,2502,000 - 1,6800,250 - 0,2102,000 - 1,6800.210 - 0,1772,O()O- 1,6800,177 - 0,1492,000 - l,61m0,149 - 0,125

1,840 0,324 5,6

1,840 0,274 6,7

1,840 0,230 8,0

1,840 0,194 9,5

1.840 0,163 11,3

1,840 0,137 13,4

2.5 Ensaio de Resistência à Penetração

As amostras foram preparadas em cilindros deacrílico, e submetidas a ensaio de resistência decone penetrornétrico, em três repetições. Para arealização dos trabalhos. roi desenvolvido umpenetrômetro (Figura IA) pelo Laboratório deMecânica dos Solos (LMS) da UFV. com asseguintes características: (a) sistema decravação hidráulico. com curso de até 60 em;(b) célula de carga; (c) haste de penetração; (d)sistema de aquisição de dados e (e) computador.O aparato é constituído por uma base e doiscilindros, ambos em acrílico, com 10 cm dealtura (Figura lB). Para e execução dos ensaiosforam adotados os seguintes procedimentos: (i)determinação da curva de calibração da célulade carga com pesos aferidos; (ii) calibração davelocidade de deslocamento da haste entre 15 ±5 rnm/rnin; (iii) conversão do sinal recebido(10 leituras por segundo) pelo sistema deaquisição de dados (V) em resistência àpenetração (Kgf).

Figura I. (A) Pcnetrôrnetro desenvolvido peloLaboratório de Mecânica de Solos da UFV. (B) Aparato

utilizado para ensaios de resistência de conepenetrométrico.

A determinação da resistência de ponta foiobtida pela Equação 1:

R = ~P A (1)

onde Rp = resistência de ponta [L·1MT2];

F = resistência à penetração [LMT2]; A = área

da base do cone penetrométrico [L2].

2.6 Ajuste das Curvas

Para o ajuste dos valores de resistência de ponta(Rs) em função da profundidade (h), foiutilizado o modelo hiperbólieo calculado pelaEquação 2:

h

R1

a+b·R=---

2.7 Análises Estatísticas

(2)

Os coeficientes a e b da Equação 2 foramobtidos por estimação não linear. a 5% designificância, utlizando o programa Statistica7.0.

As análises de identidade de modelos foramrealizadas a 5% de significância, utilizando oprograma GENES (Cruz, 2006).

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4

À medida que aumenta a quantidade de finos noernpacotarnento binário, há uma redução naresistência de ponta, conforme pode serobservado na Figura 2, sendo esse fatoassociado à posibilidade de deslocamento dosgrãos menores dentro dos interstícios formadospela matriz das partículas de diâmetro maior.Em equivalência, quanto menor a relação D/d.associado à rugosidade superficial inerente domaterial utilizado, maior o entrosamento daspartículas, impossibilitando que as mesmaspossam se rearranjar dentro do aparato,ocasionando maiores valores de resistência deponta.

5000

Resistência de Ponta (kPa)

15000 20000 25000 4000010000 30000 35000

figura 2. Resistência de ponta (kPa) em função daprofundidade (rnrn), em diferentes relações D/d.

Contudo. quando se observa as relações D/diguais a 8,0, 9,5, 11,3 e 13,4 nota-se que a perdade resistência de ponta torna-se menosacentuada. quando comparadas com as relaçõesD/d = 5,6 e 6,7.

Quando a resistência de ponta é expressa emescala logarítrnica, obtém-se o gráficoapresentado na Figura 3.

Resistência de Ponta (kPa)

5 10 11O ~-~-~

10

Ê 20.§. 30.-g 40

~ 50

~ 60

s: 70

80

90

Figura 3. Resistência de ponta (kPa). expressa em escalalogarítrnica, em função da profundidade (mm), emdiferentes relações D/d.

o teste de identidade de modelos aplicado àsequações obtidas por regressão linear simplesmostrou que os interceptos e as inclinações dasrelações D/d iguais a 8.0. 9,5. 11.3 e 13.4 nãodiferem ao nível de significância de 5%. As

equações ajustadas estão apresentadas naTabela 3.

Tabela 3 - Equações de Resistência dc Ponta Ajustadaspor Regressão Linear Simples.

D/d Equação Ajustada RC

5,6 RI' = 0.0509612h + 6.0740732 0.99

6.7 RI' = O.0542853h + 5.8543937 0.99

8.0 RI' = 0.0475071lh + 5,7996107 0.99

9.5 RI' = O,04526óllh + 5.72119272 O .l)l)

11.3 RI' = O.0422291lh + 5.9J0692J 0.911

13,4 RI' = 0.0439106h + 5.7848430 0.911

Segundo Ladc ct. ai, (l99~) e Dalla Riva(2005). a maior eficiência do cmpacotamcntoocorre em relações D/d próximas a 7. emfunção da formação do poro triangular formadoquando as partículas estão sujeitas à açãovibratória. Empacotamcntos com relações D/dsuperiores a 7 possibilitaram a migração eajuste das partículas menores por intermédiodos caminhos porosos formados entre os grãosmaiores, ocasionando um rearranjo daspartículas menores. sem causar. com isso.elevações significativas na resistência de ponta.

4 CONCLUSÕES

Os resultados do estudo permitiram demonstrarque:

I. O acréscimo na quantidade de partículas demenor diâmetro no em pacotamento bi nárioreduz a resistência de ponta.

2. As equações de resistência de ponta ajustadaspor regressão linear simples nas relaçõesD/d = 8.0. 9.5. 11.3 e 13.4 não apresentaramdiferença estatística com relação à resistênciade ponta.

AG RAD ECIMENTOS

À UNEMAT - Universidade Estadual de MatoGrosso. à UFV - Universidade federal deViçosa. ao CNPq - Conselho Nacional deDesenvolvimento Científico e Tecnológico

(Processo 471209/2006-6) e à CAPESCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal deNível Superior, pelo apoio dado ao presenteprojeto.

REFERÊNCIAS

Anderson, J.U. (1963) An improved pretreatment formineralogical analysis of sarnples containing organicmatter. Clays and Clay Xlinerals, Vol. 10, p. 380-388.

Cruz, C.D. (2006) Programa Genes. Versão Windows,Editora UFV, Viçosa, MO, Brasil.

Dalla Riva, R.D. (2005) Densidade, Porosidade.Resistência à Penetração e Retenção de Água emResposta ao Arranjo e Morfometria de Partículas daFração Areia. Dissertação de Mestrado, Programa dePós-Graduação em Solos e Nutrição de Plantas,Departamento de Solos, Universidade Federal deViçosa, 65 p.

Lade, P.v., Liggio, C.D., Jr. e Yamamuro, J.A. (1998)Eífects of non-plastic fines on minimurn andmaximum void ratios ar sand. Geotechnical TestingJournal, VaI. 21, p. 336-347.

Mehra, O.P. e Jackson, M.L. (1960) Iron oxide removalfrom clays by dithionite-citrate-bicarbonate systernbuffered with sodiurn bicarbonate, Clays and ClayXlinerals. Vol. 7. p. 317-327.

Mitehell. J.K. (1993) Fundamentais ofsoil behavior. 2nded. John Wiley & Sons, lne., New York, NY, USA,437 p.

6

N