Avaliação de proposições matemáticas para interpretação do comportamento de solos residuais não saturados

Nas últimas décadas, teorias têm sido formuladas para interpretar o comportamento de solos não saturados e estas têm se mostrado coerentes com resultados experimentais. Paralelamente, várias técnicas de campo e de laboratório têm sido desenvolvidas. No entanto, a determinação experimental dos parâmetros dos solos não saturados é cara, morosa, exige equipamentos especiais e técnicos experientes. Como resultado, essas teorias têm aplicação limitada a pesquisas acadêmicas e são pouco utilizados na prática da engenharia. Para superar este problema, vários pesquisadores propuseram equações para representar matematicamente o comportamento de solos não saturados. Estas proposições são baseadas em índices físicos, caracterização do solo, em ensaios convencionais ou simplesmente em ajustes de curvas. A relação entre a umidade e a sucção matricial, convencionalmente denominada curva característica de sucção do solo (SWCC) é também uma ferramenta útil na previsão do comportamento de engenharia de solos não saturados. Existem muitas equações para representar matematicamente a SWCC. Algumas são baseadas no pressuposto de que sua forma está diretamente relacionada com a distribuição dos poros e, portanto, com a granulometria. Nestas proposições, os parâmetros são calibrados pelo ajuste da curva de dados experimentais. Outros métodos supõem que a curva pode ser estimada diretamente a partir de propriedades físicas dos solos. Estas propostas são simples e conveniente para a utilização prática, mas são substancialmente incorretas, uma vez que ignoram a influência do teor de umidade, nível de tensões, estrutura do solo e mineralogia. Como resultado, a maioria tem sucesso limitado, dependendo do tipo de solo. Algumas tentativas têm sido feitas para prever a variação da resistência ao cisalhamento com relação a sucção matricial. Estes procedimentos usam, como uma ferramenta, direta ou indiretamente, a SWCC em conjunto com os parâmetros efetivos de resistência c e . Este trabalho discute a aplicabilidade de três equações para previsão da SWCC (Gardner, 1958; van Genuchten, 1980; Fredlund; Xing, 1994) para vinte e quatro amostras de solos residuais brasileiros. A adequação do uso da curva característica normalizada, proposta por Camapum de Carvalho e Leroueil (2004), também foi investigada. Os parâmetros dos modelos foram determinados por ajuste de curva, utilizando técnicas de problema inverso; dois métodos foram usados: algoritmo genético (AG) e Levenberq-Marquardt. Vários parâmetros que influênciam o comportamento da SWCC são discutidos. A relação entre a sucção matricial e resistência ao cisalhamento foi avaliada através de ajuste de curva utilizando as equações propostas por Öberg (1995); Sällfors (1997), Vanapalli et al., (1996), Vilar (2007); Futai (2002); oito resultados experimentais foram analisados. Os vários parâmetros que influênciam a forma da SWCC e a parcela não saturadas da resistência ao cisalhamento são discutidos.

Estudo geotécnico sobre a erodibilidade de solos residuais não saturados

A erodibilidade, particularizada como a susceptibilidade a erosão hídrica por fluxo superficial concentrado, é uma das propriedades de comportamento dos solos de maior complexidade pelo grande número de variáveis intervenientes. Estudada por diferentes áreas do conhecimento (Agronomia, Hidráulica, Geologia de Engenharia e Engenharia Geotécnica), tem no meio geotécnico a maior lacuna na sua quantificação e entendimento dos mecanismos envolvidos. O presente trabalho apresenta um estudo sobre a erodibilidade de solos residuais tropicais e subtropicais não saturados a partir de quatro perfis representativos dos processos erosivos e solos envolvidos na Região Metropolitana de Porto Alegre. Os solos dos principais horizontes de cada um destes perfis foram caracterizados física, química e mineralogicamente. As propriedades de resistência ao cisalhamento e colapsibilidade foram avaliadas por ensaios de cisalhamento direto convencionais e com controle de sucção e por ensaios de colapsibilidade em oedômetros, respectivamente. A erodibilidade foi avaliada em laboratório, diretamente por meio de ensaios de Inderbitzen e indiretamente por diferentes critérios e parâmetros baseados em outras características físicas e propriedades dos solos. A análise conjunta do comportamento dos solos em campo frente a erosão, da avaliação direta e indireta da erodibilidade e das propriedades geomecânicas investigadas conduziram à formulação de uma proposta de abordagem geotécnica para a erodibilidade dos solos residuais tropicais e subtropicais não saturados. Nesta proposta destaca–se a avaliação direta da erodibilidade por ensaios de Inderbitzen e a indicação de solos potencialmente erodíveis baseada no teor de finos, na plasticidade, no parâmetro K da USLE, na Razão de Dispersão de Middleton, na classificação e critério de erodibilidade MCT e na variação da coesão com a saturação pelo parâmetro variação de coesão (Δc) proposto. A proposta de abordagem geotécnica para a previsão da erodibilidade dos solos visa dotar o engenheiro geotécnico de uma ferramenta destinada à avaliação do potencial erosivo dos terrenos antes de uma iniciativa de ocupação urbana ou implantação de qualquer outra obra de engenharia. Esta avaliação é o passo inicial no direcionamento de medidas preventivas e que visem minimizar o impacto da obra ao meio físico natural, no que se refere a erosão hídrica por fluxo superficial concentrado.

Previsão de capacidade de carga em estacas escavadas com a utilização de ensaios de cone em solos residuais

Na prática Brasileira os projetos de fundações são elaborados fi-eqüentemente com base em resultados de ensaios de SPr. Desde a década de 1960, novos ensaios de investigação de subsolo tem sido incorporados à prática geotécnica, complementando as infonnações obtidas no SPr, e fornecendo uma descrição mais detalhada das características do subsolo. Este trabalho tem como objetivo principal a análise do desempenho da metodologia corrente de previsão de capacidade de carga de estacas escavadas, a partir dos resultados de ensaios de Conepenetrometria (CPT), realizados em solos residuais. A experiência acumulada do ensaio de Cone a 1Úvel internacional é restrita a depósitos de solos sedimentares, havendo a necessidade de ampliação do banco de dados de provas de carga em solos de origem residual. Com o oQjetivo de relacionar resultados de ensaios de Cone (CPT) com o dimensionamento de estacas escavadas em solos residuais, foram utilizadas as metodologias propostas por Aoki & Velloso (1975), Bustamante & Gianeselli (1982) e Philipponnat (1986), comparando cargas de ruptura medidas e estimadas. As análises são aplicadas tanto à estimativa da resistência de atrito lateral (Pl) como da carga de ponta (PP) das estacas O banco de dados utilizado neste estudo é composto de 22 estacas escavadas com diâmetro entre 400 e 700 mm e comprimento entre 7,5 e 25,0 m, bem como 31 sondagens CPT com profundidades variando de 5,0 a 25,0 m. São utilizados resultados de Provas de carga no Estado do Rio Grande do Sul, sendo posteriormente ampliado para outros casos publicados da prática brasileira. Todas as 22 estacas escavadas analisadas foram ensaiadas através de Prova de carga do tipo SML, sendo o Método de Van der Veen (1953) utilizado como referência para obtenção da carga de ruptura. Conclui-se a partir do estudo dos casos que nenhum dos três métodos analisados, propostos por Aoki & Velloso (1975), Bustamante & Gianeselli (1982) e Philipponnat (1986), apresentou desempenho satisfatório para o conjunto de dados analisados. Em geral as cargas previstas foram superiores às cargas medidas, o que caracteriza uma condição contrária à segurança. Entre os métodos analisados, o proposto por Aoki & Velloso (1975) produziu a melhor relação entre cargas medidas com cargas estimadas, porém sugere-se a ampliação deste banco de dados previamente ao uso generalizado deste método na prática de engenharia sempre que as estimativas forem realizadas com base em resultados de ensaios CPr.

Determinação do comportamento carga-recalque de sapatas em solos residuais a partir de ensaios SPT

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.

Estudo dos mecanismos de instabilidade em solos residuais de biotita-gnaisse da bacia do ribeirão Guaratinguetá

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação da remoção de matéria orgânica e nutrientes por sorção em solos residuais

A recarga artificial de aquíferos (RAQ) com águas residuais tratadas (ART) é uma prática que pode contribuir para a reposição de volumes de água no solo, que pode ser muito vantajoso em áreas com déficit hídrico ou com sobre-exploração de águas subterrâneas. No entanto, as cargas residuais das ART (p.e. matéria orgânica, nutrientes, metais pesados e microrganismos patogênicos) podem constituir uma desvantagem para a qualidade da água subterrânea, se o solo apresentar condições desfavoráveis para a sua infiltração. Realizaram-se ensaios laboratoriais em batelada para avaliar a remoção de matéria orgânica e nutrientes (formas de nitrogênio e fósforo) na componente fina de um solo residual granítico, proveniente de uma zona previamente selecionada para a infiltração de ART, localizada no nordeste da região da Beira Interior (Quinta de Gonçalo Martins, Guarda, Portugal). Os resultados dos ensaios de sorção em batelada mostram uma boa remoção de P-PO4, por complexação e precipitação, o que indica que o solo apresenta capacidade reativa para remover a carga residual de fosfato das ART. Após realização dos ensaios em batelada, as propriedades do solo mantiveram-se praticamente inalteradas.

Estudo do comportamento mecânico de solos lateríticos da formação barreiras

Os solos residuais tropicais são solos que tem sido objeto de pesquisa devido às suas peculiaridades em relação aos solos sedimentares. Estes solos sofrem alterações de suas características devido às condições geológicas nas quais são formados e em consequência apresentam uma composição mineralógica diferenciada. O presente trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento mecânico de três solos residuais tropicais pertencentes a jazidas do Estado da Paraíba, no nordeste do Brasil O comportamento mecânico foi avaliado em termos de resistência ao cisalhamento e compressibilidade na condição compactada (não saturada) e após foi realizada uma análise conjunta de tais propriedades com as características químicas e mineralógicas dos solos. O programa experimental constou de ensaios edométricos e ensaios de cisalhamento direto nas condições saturadas e não saturadas. Este trabalho apresenta ainda uma análise dos vazios existentes nas várias condições de compactação, através da técnica de porosimetria por intrusão de mercúrio e microscopia ótica. Os resultados mostraram que o comportamento mecânico não saturado recebe a influência da densidade e do teor de umidade inicial de compactação, bem como da composição química-mineralógica e do tipo de poro presente na estrutura. Foi verificada a influência da sucção nos parâmetros de resistência ao cisalhamento não saturados e nas características de compressibilidade.

Mineralogia, intemperismo e comportamento geotécnico de solos saprolíticos de rochas vulcânicas da formação Serra Geral

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.

Migração de K+, Cu2+ e CI- em solos do subgrupo Itararé no Estado de São Paulo: ensaios sorcivos, percolação em colunas e simulações geoquímicas

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Distribuição de LNAPL na zona não saturada em solos tropicais, no município de Rio Claro/SP

Pós-graduação em Geociências e Meio Ambiente - IGCE

Aplicação de Lógica Nebulosa para Previsão do Risco de Escorregamento de Taludes em Solo Residual.

A estabilidade de taludes naturais é um tema de grande interesse ao engenheiro geotécnico, face às significativas perdas econômicas, e até mesmo humanas, resultantes da ruptura de taludes. Estima-se que a deflagração de escorregamentos já provocou milhares de mortes, e dezenas de bilhões de dólares em prejuízos anuais em todo o mundo. Os fenômenos de instabilização de encostas são condicionados por muitos fatores, como o clima, a litologia e as estruturas das rochas, a morfologia, a ação antrópica e outros. A análise dos condicionantes geológicos e geotécnicos de escorregamentos proporciona a apreciação de cada um dos fatores envolvidos nos processos de instabilização de encostas, permitindo a obtenção de resultados de interesse, no que diz respeito ao modo de atuação destes fatores. O presente trabalho tem como objetivo a utilização da Lógica Nebulosa (Fuzzy) para criação de um Modelo que, de forma qualitativa, forneça uma previsão do risco de escorregamento de taludes em solos residuais. Para o cumprimento deste objetivo, foram estudados os fatores envolvidos nos processos de instabilização de encostas, e a forma como estes fatores se interrelacionam. Como experiência do especialista para a elaboração do modelo, foi analisado um extenso banco de dados de escorregamentos na cidade do Rio de Janeiro, disponibilizado pela Fundação Geo-Rio. Apresenta-se, neste trabalho, um caso histórico bem documentado para a validação do Modelo Fuzzy e análises paramétricas, realizadas com o objetivo verificar a coerência do modelo e a influência de cada um dos fatores adotados na previsão do risco de escorregamento. Dentre as principais conclusões, destaca-se a potencialidade da lógica nebulosa na previsão de risco de escorregamentos de taludes em solo residual, aparecendo como uma ferramenta capaz de auxiliar na detecção de áreas de risco.

Análise tensão deformação de uma barragem de concreto em solo residual preponderantemente anisotrópico.

Estudos de fundações de obras de arte, como barragens de concreto-gravidade e barragens de terra, devem contemplar todos os esforços atuantes no maciço de fundação, principalmente as tensões e as deformações esperadas durante todo o processo construtivo e no período pós-construtivo. Quando essas estruturas são apoiadas sobre rochas de boa sanidade, a escolha do barramento geralmente favorece a implantação de barragens de concreto. Entretanto, quando os maciços de fundação são formados por solos, a opção técnica geralmente mais bem aceita é quanto à utilização de barragens de terra. Em ambos os casos, as análises de estabilidade e de deformação são desenvolvidas por métodos analíticos bem consolidados na prática. Nas condições mais adversas de fundação, seja em rochas ou em solos com marcante anisotropia e estruturas reliquiares herdadas da rocha-mãe, a utilização de modelos constitutivos anisotrópicos em análises por elementos finitos propicia simulações mais realistas dessas feições estruturais, contribuindo para o seu melhor conhecimento. O presente trabalho teve por objetivo demonstrar a utilização de um modelo constitutivo anisotrópico no estudo da fundação da Barragem San Juan, localizada na República Dominicana, que foi concebida como uma estrutura tipo concreto-gravidade apoiada sobre solos residuais jovens altamente anisotrópicos. Nessa obra, apesar de sua pequena altura, a presença marcante de descontinuidades ensejou um estudo mais detalhado do comportamento tensão-deformação da fundação, levando em conta o levantamento detalhado da atitude das descontinuidades presentes no maciço e os resultados de ensaios de resistência em planos paralelos e normais às descontinuidades. Para a estimativa de deformações, os respectivos módulos de Young (Es) foram estimados com base em correlações com a resistência à penetração SPT desenvolvidas nesta dissertação, a partir de um estudo estatístico baseado em várias publicações disponíveis na literatura. As análises numéricas por elementos finitos foram desenvolvidas através do programa Plaxis 2D, utilizando-se como modelo constitutivo aquele denominado The Jointed Rock Model, que é particularmente recomendado para análises de estabilidade e deformação de materiais anisotrópicos. Os resultados das análises numéricas foram comparados com as análises de equilíbrio limite elaboradas para o projeto executivo da referida barragem, pelo programa Slope, utilizando o método rigoroso de Morgenstern e Price, que se mostrou conservador. Os resultados das análises numéricas mostraram sua inequívoca versatilidade para a escolha de opções de reforço da fundação, através de dentes que objetivavam o aumento das condições de estabilidade da barragem.

Avaliação e correlação de parâmetros físicos e mecânicos de um solo residual granítico

Os solos residuais mostram divergências em relação aos solos transportados modelados pelas teorias da Mecânica dos Solos. Estas divergências são em grande parte devido a uma estrutura de cimentação herdada da rocha mãe. Este estudo foi baseado nos resultados obtidos em sondagens mecânicas e ensaios de penetração dinâmica, estática e laboratoriais e consistiu na avaliação e correlação dos parâmetros que determinam o comportamento geomecânico do terreno, como a resistência e a deformabilidade.

Estudo geotécnico de dois taludes da formação serra geral, RS

Esta dissertação de mestrado apresenta um estudo sobre dois taludes coluvionares localizados na região nordeste do Rio Grande do Sul, inseridos no contexto geológico da Formação Serra Geral. Estes taludes apresentam características e comportamento geotécnico distintos. O objetivo desta dissertação é obter parâmetros de condutividade hidráulica e resistência ao cisalhamento dos solos presentes nos dois taludes, a fim de entender os diferentes processos de ruptura observados. Um dos taludes, denominado talude de Canastra, apresenta um processo de rastejo; este talude tem uma inclinação bastante suave e apresenta uma camada de colúvio sobre um solo residual de basalto vesicular. O talude de Canastra apresenta uma camada de transição entre o colúvio e o solo residual; os ensaios de condutividade hidráulica realizados em campo mostraram que esta camada é menos permeável do que o colúvio e o solo residual, formando uma camada quase impermeável e criando condições para a formação de dois níveis freáticos neste talude. Nos solos deste talude foi detectada a presença significante de argila expansiva (montmorilonita). O outro talude estudado, denominado de talude da rodovia RS470, apresentou uma ruptura abrupta após um período de intensa chuva. Este talude apresenta uma inclinação bastante íngreme e um solo coluvionar assente diretamente sobre basalto alterado. A condutividade hidráulica deste colúvio é bastante elevada. O colúvio apresenta pouca argila expansiva, sendo formado essencialmente por caulinita. Os ensaios ring shear, realizados para a obtenção de parâmetros de resistência ao cisalhamento residual nos solos dos dois taludes, apresentaram valores muito baixos de φr, inferiores a 10° Valores semelhantes foram encontrados por Pinheiro (2000) e Rigo (2000) em solos residuais de basalto da Formação Serra Geral. Foram realizadas simulações numéricas de fluxo d’água e de estabilidade destes taludes, na tentativa de verificar as condições em que aconteceram os escorregamentos.

Investigação do comportamento mecânico de um solo residual de gnaisse da cidade de Porto Alegre

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.