Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

[pt] Em países de clima tropical, como o Brasil, é comum a formação de solos residuais, que, por estarem expostos a períodos de seca após as chuvas, costumam encontrar-se não saturados em campo. Portanto, uma análise de estabilidade de um talude considerando o solo saturado não seria a mais condizente com a realidade em um caso destes, devendo ser considerado o acréscimo na resistência ao cisalhamento por conta da sucção na determinação do fator de segurança. Este trabalho teve como objetivo analisar a estabilidade de um talude composto por solo residual de granulito localizado no bairro do Santo Antônio Além do Carmo, Salvador, BA. O programa experimental contou com a coleta de material em campo para realização de ensaios de caracterização química, física e mineralógica, resistência e permeabilidade. A envoltória não saturada, de onde se obteve a relação entre o fluxo magnético e sucção mártrica, foi determinada através da função hiperbólica proposta por Vilar (2006). Com os parâmetros obtidos, foram realizadas as análises de infiltração e estabilidade. Os resultados mostraram que o mecanismo de ruptura provável associou-se à elevação do nivel de água provocado pela infiltração das águas provenientes das fortes chuvas dos dias 8 e 9 de novembro, bem como das águas servidas lançadas no talude pela população. A ação antrópica também se fez presente através de sobrecarga no talude provocada pelo peso das edificações. Conclui-se, então, que seria necessária a ação conjunta da chuva e fatores humanos para que haja uma situação de instabilidade no local estudado. / [en] In countries with a tropical climate, such as Brazil, the formation of residual soils is common, and because they are exposed to periods of drought after rainfall, they are often found unsaturated. Therefore, a stability analysis of a slope considering saturated soil would not be the most consistent in these case, and the increase in shear strength due to suction should be considered on the determination of the the safety factor. The objective of this work was to analyze the stability of a slope composed of residual granulite soil located in the district of Santo Antônio Além do Carmo, Salvador, BA. The experimental program included the collection of material in the field to perform chemical, physical and mineralogical characterization, resistance and permeability tests. The unsaturated envelope from which the relationship between magnetic flow and matric suction was determined by the hyperbolic function proposed by Vilar (2006). With the obtained parameters, infiltration and stability analyzes were performed. The results showed that the probable failure mechanism was associated to the elevation of the water level caused by the infiltration of the water from the heavy rains of November 8 and 9, as well as the wastewater thrown into the slope by the population. The anthropic action was also present through overloading the slope, caused by the weight of the houses. It can be concluded that it would be necessary the rainfall to work together with the human factors so it will happen an instabilization situation in the study site.

Os solos residuais tropicais são formados principalmente através do intemperismo químico das rochas. As características destes solos também podem ser influenciadas por processos pedogenéticos. Solos residuais fortemente intemperizados, que apresentam influência pedogenética significativa, são denominados solos lateríticos ou solos com comportamento laterítico. Por outro lado, os solos residuais menos intemperizados, onde a estrutura e a fábrica da rocha de origem ainda podem ser identificadas, são denominados solos saprolíticos. Esta tese compreende um estudo abrangente e aprofundado sobre a mineralogia, o intemperismo e o comportamento mecânico de solos saprolíticos de rochas básicas e ácidas da Formação Serra Geral no estado do Rio Grande do Sul. O estudo foi realizado através de análises petrográficas das rochas e solos saprolíticos correspondentes, análises de fluorescência e difração de raios-X, caracterização geotécnica, ensaios edométricos, ensaios de cisalhamento direto convencionais e especiais, ensaios ring shear, ensaios triaxiais isotrópicos, CID e K0, e microscopia eletrônica. Os resultados obtidos mostram que os solos estudados podem ser definidos como solos estruturados. Sua estrutura é formada durante o processo de intemperismo químico, caracterizado como um processo isovolumétrico de substituição pseudomórfica de minerais primários por argilominerais e hidróxidos de ferro. Devido às diferentes composições mineralógicas das rochas de origem, argilominerais do grupo das esmectitas predominam em solos saprolíticos de rochas básicas, enquanto argilominerais do grupo das caulinitas são predominantes em solos saprolíticos de rochas ácidas. O comportamento mecânico dos solos estudados é afetado significativamente pela estrutura, antes e após a ruptura O comportamento pré-ruptura é controlado pela estrutura, seguindo genericamente o padrão proposto por Leroueil & Vaughan (1990), com pequena influencia da mineralogia. A resistência ao cisalhamento residual dos solos estudados é significativamente afetada pela mineralogia. Os valores de φ’r obtidos das envoltórias residuais variaram entre 7,6º e 13,6º para os solos saprolíticos de rochas básicas, enquanto os solos saprolíticos de rochas ácidas apresentaram valores de φ’r variando entre 16,5º e 27,2º. O comportamento pós-ruptura, especialmente a grandes deslocamentos, está associado à degradação de partículas e agregados durante o cisalhamento. Este mecanismo, juntamente com a proporção relativa entre partículas lamelares e maciças do solo, controla o tipo de comportamento do solo na mobilização da resistência residual (turbulento, transicional ou deslizante). A intensidade da degradação depende do grau de intemperismo, da estrutura do solo e da tensão normal. O grau de intemperismo e a estrutura determinam a resistência das partículas e agregados, e conseqüentemente sua suscetibilidade à degradação mecânica durante o cisalhamento sob um determinado nível de tensão normal.

O comportamento carga-recalque de sapatas assentes em solos residuais é perfeitamente representado a partir da interpretação de provas de carga. No entanto, a execução de provas de carga em fundações reais ou em placa é indesejada pela maioria dos construtores e contratantes por razões de cronograma e custo. Por outro lado, sondagens de simples reconhecimento (SPT) são de rápida execução, exigidas pela normalização vigente de projeto e execução de fundações (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1996) e largamente utilizados na geotecnia nacional, sendo tal ensaio normalizado pela da norma NBR 6.484/2001. Deste modo, nesta pesquisa, pretende-se estabelecer uma metodologia semi-empírica para estimar o comportamento de sapatas assentes em solos residuais a partir de correlação estatística de resultados de sondagens de simples reconhecimento (NSPT) com a tensão admissível e os recalques sob tensão de trabalho, obtidos a partir de resultados de provas de carga em placa ou fundações reais assentes em solos residuais. Deste modo, a partir de retro-análise de um conjunto de resultados de provas de carga executados em diferentes solos residuais, encontrados na literatura, e o uso de conceitos de estatística, obteve-se diversas correlações que possibilitam estimar o comportamento tensão-recalque deste tipo de solo através dos resultados médios dos ensaios de SPT Como resultados destas correlações foram obtidas equações para a previsão de recalques e tensão admissível de fundações assentes sobre solos residuais, bem como do módulo de elasticidade de tais solos. As equações de estimativa de recalques são dependentes, além dos resultados de SPT, da geometria da fundação e da tensão aplicada. Já as equações para a estimativa da tensão admissível e módulo de elasticidade são dependentes somente dos valores médios do ensaio de SPT. E finalmente, para testar as equações desenvolvidas, foi realizada uma análise “Classe A” no comportamento carga-recalque de três provas de carga realizadas em locais diferentes, mostrando a eficiência da metodologia desenvolvida para a determinação da tensão admissível e dos recalques em sapatas sob a aplicação de carga de trabalho assentes em solos residuais.

O solo residual de gnaisse ocupa uma grande área da cidade de Porto Alegre. Embora exista histórico de instabilidades de estruturas de contenção executadas neste material, o estudo científico de suas propriedades geotécnicas foi iniciado somente a partir da execução de uma obra de solo grampeado, realizada no ano de 2001. O projeto da obra supracitada foi revisado a partir do início das escavações, através de retro-análises de rupturas induzidas, o que conduziu a parâmetros de resistência ao cisalhamento sensivelmente inferiores aos obtidos inicialmente através de ensaios de campo. Os deslocamentos de crista, medidos nesta estrutura, superaram os valores esperados a partir de dados da literatura. O solo residual de gnaisse estudado apresenta forte anisotropia textural, marcada pelos bandamentos herdados da rocha mãe. Estes bandamentos são formados pela intercalação de bandas micáceas e bandas compostas principalmente por partículas de quartzo e feldspato. Foram realizados ensaios triaxiais com medição local de deformações, ensaios de compressão isotrópica e ensaios de compressão confinada para o estudo da resistência ao cisalhamento e da deformabilidade deste solo residual de gnaisse Os ensaios foram realizados para diferentes ângulos entre o bandamento micáceo e a direção da tensão principal maior a. Diferente dos solos residuais de gnaisse estudados em outras partes do Brasil, o solo residual de gnaisse estudado apresenta clara anisotropia de resistência ao cisalhamento e de deformabilidade, devida à estrutura herdada da rocha mãe. Em um comportamento também diferente dos solos supracitados, o solo residual de gnaisse de Porto Alegre, com base nos ensaios realizados nesta dissertação, não apresenta uma superfície de plastificação dada pela sua estrutura. Realizando-se uma interpretação através dos conceitos da Teoria do Estado Crítico, verificou-se que o solo residual de gnaisse apresenta uma NCL para amostras reconstituídas, mas, devido ao seu caráter anisotrópico, não foi possível determinar a CSL do solo residual de gnaisse, nem definir sobre sua unicidade.

O solo residual de gnaisse estudado nesta dissertação ocupa uma grande área da cidade de Porto Alegre/RS e região metropolitana. Na região onde foi amostrado, encontrase hoje uma estrutura de contenção em solo grampeado. Rupturas durante a escavação ocasionaram a necessidade de redimensionamento da estrutura, o que na época foi realizado através de retro-análises de rupturas induzidas. Na ocasião a empresa responsável pela execução da obra retirou blocos indeformados de campo, para que posteriormente fossem determinadas as propriedades geomecânicas deste solo residual. O programa experimental desta dissertação envolveu: (a) ensaios de caracterização; (b) caracterização mineralógica através de difratometria de Raio-X, microscopia ótica e microscopia eletrônica;(c) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento através de ensaios de cisalhamento direto e (d) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento residual através de ensaios ring shear. Através dos ensaios de cisalhamento direto foi verificado que o intemperismo no local praticamente não apresenta influência nos parâmetros de resistência ao cisalhamento deste solo, pois ambas as profundidades de amostragem mantém a estrutura da rocha de origem. A resistência ao cisalhamento deste material é em grande parte comandada pela sua micro-estrutura, e principalmente pelo bandamento micáceo Em ambas profundidades foi verificada anisotropia de resistência ao cisalhamento, através de ensaios com a orientação de planos de xistosidade paralela e perpendicular à superfície de ruptura imposta pelo ensaio. Este comportamento demonstra a influência que a macro-estrutura herdada da rocha mãe tem sobre a resistência deste material. Os ensaios ring shear realizados neste material apresentaram ângulos de atrito interno residual baixos em relação ao que se espera de materiais predominantemente granulares como é o caso deste solo. Porém estes valores baixos podem ser atribuídos ao alto teor de mica existente.

O solo residual de gnaisse estudado nesta dissertação ocupa uma grande área da cidade de Porto Alegre/RS e região metropolitana. Na região onde foi amostrado, encontrase hoje uma estrutura de contenção em solo grampeado. Rupturas durante a escavação ocasionaram a necessidade de redimensionamento da estrutura, o que na época foi realizado através de retro-análises de rupturas induzidas. Na ocasião a empresa responsável pela execução da obra retirou blocos indeformados de campo, para que posteriormente fossem determinadas as propriedades geomecânicas deste solo residual. O programa experimental desta dissertação envolveu: (a) ensaios de caracterização; (b) caracterização mineralógica através de difratometria de Raio-X, microscopia ótica e microscopia eletrônica;(c) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento através de ensaios de cisalhamento direto e (d) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento residual através de ensaios ring shear. Através dos ensaios de cisalhamento direto foi verificado que o intemperismo no local praticamente não apresenta influência nos parâmetros de resistência ao cisalhamento deste solo, pois ambas as profundidades de amostragem mantém a estrutura da rocha de origem. A resistência ao cisalhamento deste material é em grande parte comandada pela sua micro-estrutura, e principalmente pelo bandamento micáceo Em ambas profundidades foi verificada anisotropia de resistência ao cisalhamento, através de ensaios com a orientação de planos de xistosidade paralela e perpendicular à superfície de ruptura imposta pelo ensaio. Este comportamento demonstra a influência que a macro-estrutura herdada da rocha mãe tem sobre a resistência deste material. Os ensaios ring shear realizados neste material apresentaram ângulos de atrito interno residual baixos em relação ao que se espera de materiais predominantemente granulares como é o caso deste solo. Porém estes valores baixos podem ser atribuídos ao alto teor de mica existente.

Não são raros os casos onde os locais escolhidos para a implantação de determinadas obras não apresentam condições adequadas ou desejadas do ponto de vista geotécnico. Diversas metodologias foram criadas para enfrentar tal problema, seja por substituição de material, realocação da obra, uso de soluções estruturais, melhoria do material, etc. A melhoria de solos utilizando repetições de queda livre de um peso a determinada altura com o intuito de compactar o solo é uma das técnicas mais básicas e antigas que se tem relato. Esse procedimento, quando utilizadas grandes massas e alturas, é conhecido como Compactação Dinâmica. O estudo dessa prática no Brasil é extremamente raro, visto que não é atualmente praticada, apesar da sua ampla utilização mundial. A fim de se conhecer e estudar o comportamento, em termos de resistência e condutividade hidráulica, de solo residual do Estado do Rio Grande do Sul (RS) quando utilizada a Compactação Dinâmica, foi proposto um estudo, em escala real, com o objetivo de avaliar as possíveis melhorias no campo experimental da Universidade de Passo Fundo, na cidade de Passo Fundo – RS. O solo encontrado na região de Passo Fundo possui características interessantes para o estudo da compactação dinâmica, como alto teor de argila, altos índices de vazios e leve cimentação natural. No presente trabalho, foi realizada a compactação dinâmica de campo com massas de 5,5 t e 10,0 t, com alturas de queda de 1,5 a 3,0 m. Nos cinco ensaios realizados, foram feitas medidas do afundamento após cada golpe, bem como coletadas amostras do fundo das crateras. A profundidade estimada de melhoria abaixo do fundo da cratera, de acordo com o modelo de densificação indicado, é de cerca de 3,30 m. Nos ensaios de laboratório realizados nas amostras indeformadas coletadas (natural e pós-compactação), percebeu-se uma redução de duas ordens de grandeza na condutividade hidráulica, passando de 10-5 para 10-7 m/s. Nos ensaios triaxiais, verificou-se aumento da resistência, com ângulo de atrito passando de 26,6o para 35,3o, sem alteração do intercepto coesivo (aproximadamente 14 kPa). Por fim, realizados ensaios oedométricos, pode-se notar que a tensão de plastificação aumentou de 70 para 300 kPa, com mudança significativa do comportamento do material. / Are not rare the situations where the site chosen to build structures does not present good geotechnical soil conditions. Many techniques have been created to deal with this issue, replacing the original soil, change the site, using structural solutions, improving the existing soil, etc. Improving the existing soil using a free falling weight dropped at determined height with the objective to densify the soils is one of the oldest and basic techniques known. Such procedure, when using really heavy masses and high dropping elevations is called Dynamic Compaction (also called Heavy Tamping). The study of this technique in Brazil is extremely rare, since it is not used in the current practice, although it has wide use in the world. With the objective of understanding and studying the behavior, in terms of resistance and permeability, of a residual soil of Passo Fundo (RS) when compacted using Dynamic Compaction, a field and laboratory investigation was proposed. An experimental field, located in the city of Passo Fundo (RS) was the site chosen to execute the proposed study. The soil founded there has some interesting characteristics to the dynamic compaction study, such as high content of clay, a high void ratio and a bonded structure. In the present study, the Dynamic Compaction was executed using steel blocks with 5,5 and 10,0 t. The dropping heights used were 1.5 and 3.0 meters. In the 5 points where the technique was tested, measurements of the displacements where made after each drop of the mass. Undisturbed samples were collected in the bottom of the crater after finished the compaction. The depth of the densified soil, below the crater was estimated at about 3,30 m. According to laboratory tests, a strong reduction of the permeability was observed, from 10-5 to 10-7 m/s. In the triaxials test, the soil showed an increase in strength. The friction angle changed from 26.6º to 35.5º, while the cohesion intercept did not change (approximately 14 kPa). According to oedometric tests, the plastification pressure increased from 70 to 300 kPa, with a change in the behavior of the material.

O solo residual de gnaisse estudado nesta dissertação ocupa uma grande área da cidade de Porto Alegre/RS e região metropolitana. Na região onde foi amostrado, encontrase hoje uma estrutura de contenção em solo grampeado. Rupturas durante a escavação ocasionaram a necessidade de redimensionamento da estrutura, o que na época foi realizado através de retro-análises de rupturas induzidas. Na ocasião a empresa responsável pela execução da obra retirou blocos indeformados de campo, para que posteriormente fossem determinadas as propriedades geomecânicas deste solo residual. O programa experimental desta dissertação envolveu: (a) ensaios de caracterização; (b) caracterização mineralógica através de difratometria de Raio-X, microscopia ótica e microscopia eletrônica;(c) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento através de ensaios de cisalhamento direto e (d) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento residual através de ensaios ring shear. Através dos ensaios de cisalhamento direto foi verificado que o intemperismo no local praticamente não apresenta influência nos parâmetros de resistência ao cisalhamento deste solo, pois ambas as profundidades de amostragem mantém a estrutura da rocha de origem. A resistência ao cisalhamento deste material é em grande parte comandada pela sua micro-estrutura, e principalmente pelo bandamento micáceo Em ambas profundidades foi verificada anisotropia de resistência ao cisalhamento, através de ensaios com a orientação de planos de xistosidade paralela e perpendicular à superfície de ruptura imposta pelo ensaio. Este comportamento demonstra a influência que a macro-estrutura herdada da rocha mãe tem sobre a resistência deste material. Os ensaios ring shear realizados neste material apresentaram ângulos de atrito interno residual baixos em relação ao que se espera de materiais predominantemente granulares como é o caso deste solo. Porém estes valores baixos podem ser atribuídos ao alto teor de mica existente.

Os solos residuais tropicais são formados principalmente através do intemperismo químico das rochas. As características destes solos também podem ser influenciadas por processos pedogenéticos. Solos residuais fortemente intemperizados, que apresentam influência pedogenética significativa, são denominados solos lateríticos ou solos com comportamento laterítico. Por outro lado, os solos residuais menos intemperizados, onde a estrutura e a fábrica da rocha de origem ainda podem ser identificadas, são denominados solos saprolíticos. Esta tese compreende um estudo abrangente e aprofundado sobre a mineralogia, o intemperismo e o comportamento mecânico de solos saprolíticos de rochas básicas e ácidas da Formação Serra Geral no estado do Rio Grande do Sul. O estudo foi realizado através de análises petrográficas das rochas e solos saprolíticos correspondentes, análises de fluorescência e difração de raios-X, caracterização geotécnica, ensaios edométricos, ensaios de cisalhamento direto convencionais e especiais, ensaios ring shear, ensaios triaxiais isotrópicos, CID e K0, e microscopia eletrônica. Os resultados obtidos mostram que os solos estudados podem ser definidos como solos estruturados. Sua estrutura é formada durante o processo de intemperismo químico, caracterizado como um processo isovolumétrico de substituição pseudomórfica de minerais primários por argilominerais e hidróxidos de ferro. Devido às diferentes composições mineralógicas das rochas de origem, argilominerais do grupo das esmectitas predominam em solos saprolíticos de rochas básicas, enquanto argilominerais do grupo das caulinitas são predominantes em solos saprolíticos de rochas ácidas. O comportamento mecânico dos solos estudados é afetado significativamente pela estrutura, antes e após a ruptura O comportamento pré-ruptura é controlado pela estrutura, seguindo genericamente o padrão proposto por Leroueil & Vaughan (1990), com pequena influencia da mineralogia. A resistência ao cisalhamento residual dos solos estudados é significativamente afetada pela mineralogia. Os valores de φ’r obtidos das envoltórias residuais variaram entre 7,6º e 13,6º para os solos saprolíticos de rochas básicas, enquanto os solos saprolíticos de rochas ácidas apresentaram valores de φ’r variando entre 16,5º e 27,2º. O comportamento pós-ruptura, especialmente a grandes deslocamentos, está associado à degradação de partículas e agregados durante o cisalhamento. Este mecanismo, juntamente com a proporção relativa entre partículas lamelares e maciças do solo, controla o tipo de comportamento do solo na mobilização da resistência residual (turbulento, transicional ou deslizante). A intensidade da degradação depende do grau de intemperismo, da estrutura do solo e da tensão normal. O grau de intemperismo e a estrutura determinam a resistência das partículas e agregados, e conseqüentemente sua suscetibilidade à degradação mecânica durante o cisalhamento sob um determinado nível de tensão normal.