Estudo de Uma Solução Para Projeto de Fundações Em Solos

Estudo de uma Solução para Projeto de Fundações em Solos Expansivos Ilço Ribeiro Júnior  Aluno de Eng.ª Civil da UFMT, Cuiabá, Brasil –  [email protected]  Marcos Massao Futai Escola Politécnica da USP, São Paulo, Brasil - [email protected]  Wilson Conciani Centro Federal de Educação Tecnológica de Mato Grosso, Cuiabá, Brasil - [email protected]  RESUMO: A pesquisa apresenta apresenta uma alternativa alternativa de fundação para obras obras de pequeno pequeno e médio porte, assentes em solos expansivos. Os solos expansivos da Baixada Cuiabana são formados a partir do intemperismo do filito. Os principais argilo-minerais presentes neste solo são a ilita, caulinita, vermiculita e traços de montmorilonita. montmorilonita. Baseado nas características do solo expansivo expansivo foi proposto que se criasse um espaço diferenciado para que o solo possa se expandir. Este espaço é constituído  por uma camada de pedregulho entre o solo e fundação incluindo contra-pisos. Os vazios desta camada pode acomodar o solo que se expande. A camada de pedregulho transmite ao solo maiores tensões pontuais, causando menores deslocamentos na estrutura. Assim, a estrutura tem maior capacidade de reação. reação. Esta solução solução foi testada em laboratório através através de ensaios ensaios edométricos modificados e seus resultados iniciais apontam que esta solução pode ser usada com sucesso. PALAVRAS CHAVE: CHAVE: Solo não Saturado; Saturado; Solo Expansivo; Fundações Fundações.. 1

INTRODUÇÃO

A expansão de um solo é a variação de volume O comportamento dos solos tropicais para fins resultante da mudança de umidade ou sucção. de engenharia ainda é pouco conhecido, Os solos expansivos ainda são pouco estudados. necessitando estudos mais específicos e Ferreira (1994) nos alerta que é difícil detalhados. Em alguns casos esse identificar identificar um solo solo expansivo expansivo,, pois a expansã expansãoo comportamento particular comanda o não depende unicamente das propriedades comportamento do solo e pode gerar problemas intrínsecas do solo, mas também das condições de engenharia. em que se se encontr encontram am e das das que que são são impost impostas. as.  Na Baixada Cuiabana, apesar de ser um Sivapullaiah & Sridharan [198-] afirmam que clima tropical, os problemas mais comuns são o comportamento do sistema solo-água é devido à expansão dos solos. solos. A expansão expansão ocorre  primeiramente controlado pelo pelo tipo e quantidade sob obras residenciais térreas, sobrados e do argilo-mineral, seguido pela natureza do rodoviárias. A pesquisa realizada estudou uma fluído no poro, cátions e ânions associados e alternativa de fundação para obras de pequeno e matéria-orgânica. médio porte, assentes em solos expansivos. Os A expansão também depende da pressão  problemas habitacionais estão nas fundações, fundações, aplicada à amostra, sendo tanto menor quanto onde por por instabilida instabilidade de física física do solo solo ocorre a maior for a pressão. Existe uma pressão na qual expansão, gerando patologias e comprometendo não há expansão, pressão esta denominada estruturalmente a edificação, ou parte dela.  pressão de expansão. expansão. 2 CARACTERÍSTICAS EXPANSIVO

DO

S O LO

2.1 2.1 Os Sol Solos Cuiabana

Expa Expans nsiv ivos os

da

Baix Baixad adaa

A Baixada Cuiabana é formada geologicamente 50  pelo grupo Cuiabá, sendo a rocha matriz CH  predominante o filito. Segundo Migliorini 40    ) (1999), a região de Cuiabá e Várzea Grande é    % 30    ( constituída por duas principais formações    P CL    I 20 MH geológicas: a formação Miguel Sutil, com ou  predominância  predominância argilo-siltosa, estratificações 10 OH ML ou  plano-paralelas e clivagem ardosiana; e a OL 0 formação Coxipó, mais arenosa, formada 0 20 40 60 80 100  principalmente por meta-conglomerado meta-conglomerados. s. wL (%) Devido às condições ambientais os solos  possuem espessura variando entre 0,1 e 1,5 m, plasticidade de Casagrande. Casagrande. diminuindo seu grau de intemperismo de acordo Figura 2. Carta de plasticidade com o aumento aumento da profundidad profundidade. e. Os materiais materiais Lew (1995) realizou ensaios de difração de saprolíticos com baixo grau de intemperismo raio X, através do qual definiu os argilo podem atingir até 10 m de profundidade. profundidade. minerais presente presentess no solo saprolí saprolítico tico de filito: O solo estudado pertence à formação Miguel minerais Sutil, cuja granulometria é predominantemente Esmectita, Vermiculita, Ilita, Caulinita e Goet etiita. ta. A Ili Ilita ta foi foi o argi argillo-min o-miner eral al silto-argilosa. Pode-se observar na Figura 1 que Go a granu granulometri lometriaa deste solo solo é formada formada por 10 %  predominante, havendo também traços de montmorilonita. Ribeiro Júnior & Conciani de areia areia fina, fina, 58 % de silte silte e 32 % de argila argila.. (2005), também realizaram ensaios de difração de raio raio X nesta nesta região, região, onde foram encontrados encontrados ilita e muscovita, muscovita, sendo a ilita ilita a governante governante da   a 100%    d   a expansão, seguido da muscovita que é um pouco    l 80%   u mais estável que a ilita porque se encontra mais   m 60%   u   c cristalizada. É importante frisar a predominância    A 40%   o da ilita, pois sob influência do meio ambiente,    d 20%   n dá origem a esmectita e a vermiculita, minerais   a   s   s 0%   a mais expans expansivos ivos,, pois adsorvem adsorvem mais água. água.    P 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Ribeiro Ribeiro Júnior Júnior & Concian Concianii (2005), (2005), estuda estudara ra a    % Diâmetros dos Grãos expansibilidade deste solo solo e chegaram a valores Curva granulométrica do solo em torn tornoo 27%, 27%, con confo form rmee exem exempl plif ific icad adoo na Curva Granulometrica do Pedrisco Figura 3. Figura 1. Análise Análise granulométr granulométrica ica do solo saprolítico saprolítico de filito e do Pedrisco.

30 25

O limite de liquide liquidezz do solo solo (WL) é de 44%, limite de plasticidade (WP) de 22% e seu índice de plastici plasticidade dade (IP) de de 22%. 22%. Segundo Segundo Pinto (2002), os Índices de Atterberg indicam a influência dos finos argilosos no comportamento do solo. solo. O índice de atividade é de 1,7, sendo classificado como ativo, uma vez que o limite do índice de atividade para os solos classificados normais é de 1,25. Incluindo esses dados na Carta de  plasticidade (Figura 2), classifica-se o solo como sendo uma argila de baixa compressibilidade, compressibilidade, CL.

   )    %    ( 20   o    ã15   s   n   a10   p   x    E 5

0 0

21600

43200 64800 Tempo (s)

86400

’

Figura 3. Expansão do solo solo saprolítico de filito (Ribeiro (Ribeiro Jr & Conciani, 2005).

Silva et al . (2005) encontraram pressões de expansão da ordem de 25 kPa para o solo de

Cuiabá. A Figura 4 apresenta o potencial e  pressão de expansão deste solo. O potencial de expansão chega a 15%. Segundo Futai et al . (1998) o potencial de expansão e a pressão de expansão são máximos na profundidade de 1 m.    ) 16    %    (   o 14    ã   s 12   n   a 10   p   x   e 8   e    d 6    l   a    i   c 4   n   e 2    t   o    P 0

Umidade 12% Umidade 16 %

em Cuiabá porque há um super dimensionamento dos elementos de fundações. Estes super dimensionamentos também ocorrem no número de pilares, que, sobretudo aliviam as tensões transmitidas ao solo. Tradicionalmente recomenda-se o uso de fundações profundas Entretanto, conforme descrito, a rocha branda ocorre em baixas  profundidades. Outra opção é deixar um espaço entre o solo solo e o piso piso da obra obra para que que o solo  possa expandir. expandir. 4

0

5

10

15

20

Tensão de expansão (kPa)

25

Figura 4. Curva Característica Característica do solo saprolítico saprolítico de filito (Silva et al, 2005).

3 AS FUNDAÇÕES RESIDENCIAIS

PA PARA

OB OBRAS

Quando pequenas construções são feitas sobre solos expansivos, o efeito da impermeabilização do terreno pela própria construção pode  provocar uma elevação do teor de umidade,  pois, antes da construção, ocorria evaporação da água que ascendia por capilaridade. Este aumento de umidade pode provocar expansão que danifica as construções, provocando trincas ou ruínas.  Nas obras de pequeno porte como obras residenciais de um ou dois pavimentos, as fundações são projetadas e executadas, de uma forma forma geral por: radier, radier, blocos, blocos, ou sapatas. sapatas. No caso da Baixada Cuiabana, onde o solo pode ser expansivo, isso se torna grave. Ribeiro Júnior & Conciani (2005), afirmam que o radier é aplicado em grande escala para construção de casa populares na Baixada Cuiabana. O radier  por possuir grande área de contato, transmitirá ao solo baixa tensão, causando graves  patologias estruturais. Segundo Lew (1995) a tensão de expansão do solo saprolítico de filito a 0,5m de profundidade pode pode ser de 26 kPa, isto é mais que a tensão transmitida ao solo. Futai (1995), afirm afirmou ou que há expans expansão ão em construções com fundações em sapatas e blocos

A PROPOSTA

Com base nas caracterís características ticas do solo solo expansi expansivo vo e no seu modo evolutivo, foi proposto que se criasse um espaço diferenciado entre o elemento de fundação e o solo, para que o solo possa se expandir, não causando patologias. Este espaço é constituído por uma camada de  pedregulho entre o solo e fundação incluindo contra-pisos. Este pedregulho possui gran granul ulome ometr tria ia con contr trol olad adaa como como pode pode-s -see verificar na Figura 1, com 100% dos grãos retidos retidos na peneira peneira com com abertura abertura de 2,0 2,0 mm e 100% do material passante na peneira com abertura de 4,8 mm. Para efeitos experimentais, a altura da camada de pedrisco foi fixada em torno de 4,8 mm. Esta altura corresponde aproximadamente à dimensão do pedrisco. Para melhor caracterizar o comportamento comportamento da expansão expansão e do adensamento deste solo expansivo acrescido da camada camada de pedri pedrisco, sco, foram foram tomados tomados anéis anéis de aço rígido com 2,5 cm de altura e 7,5 cm de diâmetro. diâmetro. A altura altura de solo solo foi em torno de de 2 cm e a altura da camada de pedrisco em torno de 0,5 cm, (Fig. 5) A camada camada de pedrisc pedriscoo se posiciona posiciona sobre sobre a camada de solo expansiva, como pode ser observada observada na Figura Figura 5. No detalhe desta desta mesma figura, mostra uma região onde o pedrisco acomodou o solo que se expandiu, expandiu, isto ocorrerá desde desde que o solo solo imponha imponha uma força força de reação. reação. Devido Dev ido ao gran grande de índi índice ce de de vazio vazioss do  pedrisco, a área de contato do solo com a estrutura passa a ser menor. Sendo menor a área de contato, a tensão pontual, transmitida ao solo será maior. Assim, a estrutura tem maior capacidade de reação reduzindo-se os

deslocamentos da estrutura causados pela expansão do solo. Pedregulho

0,5 cm 2,0 cm

Solo Expansivo

Figura 5. Esquema Esquema de funcionalida funcionalidade de solo expansivo expansivo e  pedrisco.

5

Também se pode observar na Figura 6 a existência de expansões negativas, isto é: recalques. Estes valores foram negativos porque o solo solo foi foi submet submetido ido a um ciclo ciclo de seca secagem gem até valores de umidade abaixo da inicial. 2,5    ) 2,0    %    ( 1,5   o    ã   ç 1,0   a   r    t   e 0,5    R   u0,0   o   o-0,5    ã   s-1,0   n   a   p-1,5   x    E -2,0 -2,5

Tensão aplicada = 6 kPa

1º Inundação 1º Secagem 2º Inundação º 0

100000 200000 300000 400000 Tempo (s)

ALGUMAS ANÁLISES Figura Figura 6. 6. Curvas Curvas de compre compressi ssibil bilida idade de do solo solo ao longo longo

Esta soluçã soluçãoo foi testada em laboratório laboratório através através do tempo em ciclos ciclos de inundação e secagem. de ensaios edométricos modificados. Primeirament e, foram feitos en ensaios O resultado apresentado nas Figuras 7, 8 e 9 edométrico edométricoss com amostra amostra indeform indeformada ada com e são de ensaios de adensamento com solo sem inundação, posteriormente ensaios compacta compactado do com com o acréscim acréscimoo da camad camadaa de edom edo métricos étricos com amostra amostra compac compactad tadaa com e  pedrisco. A sucção foi medida pelo método do sem inu inundação, e por úl últim timo fora oram feitos tos  papel filtro, como propõe Houston Houston (1994). ensaios edométricos utilizando amostra  Na Figura 7, apresentam-se os ensaios de compactada e uma camada com altura de 5 mm. adensamento adensamento do solo compacta compactado do e pedrisco pedrisco em sua umidade de compactação e no seu estado  Na Figura 6, têm-se o resultado de um ensaio saturado. A amostra de solo saturada teve a de expansão com o uso da camada de pedrisco. inundação no ponto da tensão de acomodação A umidade de compactação no primeiro estágio das partículas partículas,, ou seja, 2 kPa. kPa. Para o solo solo de inundação é de 17 %. compactado e mantido na sua umidade natural, A amostra foi compactada na umidade ótima observa-se um comportamento típico da curva e sofreu três ciclos de inundação e 2 ciclos de de adensamento. Já para o solo saturado à uma secagem com carregamento fixo de 6 kPa. Este tensão de 2 kPa, observa-se um crescimento comporta comportame mento nto foi foi avalia avaliado do em em ciclos ciclos de significativo dos índices de vazios devido à inundação e secagem com duração de 24 h. O expansão do solo, e a cada incremento de carga ensaio mostra que resta ainda uma expansão da o solo volta a adensar, expulsando água e ordem ordem de 1,9 1,9 %. O resíd resíduo uo de de expan expansão são diminuindo vazios. apresentado deve-se a ação das forças de expansão sobre os grãos de pedregulhos. Outro aspecto interessante é que ao final do ensaio o solo passa passa a sofrer sofrer um pequeno recalque. recalque. Isto é, o solo já mudou todo o seu comportamento e  passa a se comportar co mportar como um solo so lo qualquer de suporte intermediário.

0

Tensão (kPa)

1

10

100

1000

1,1 1 0,9   e 0,8 0,7 0,6 Solo Compac. Compac. e pedrisco pedrisco - W= W = 16 %, %, Sucção = 185 kPa kPa Solo Solo compac. compac. Saturado e pedrisco pedrisco - Wi Wi = 16 %

 Na Figura 9 apresenta-se à curva de adensamento do solo compactado saturado com e sem a camada de pedrisco. Observa-se nas curvas que não há uma redução da expansão com o acréscimo da camada de pedrisco para o solo sendo inundado à tensão de acomodação das partículas. Isto se dá ao fato da força expansão do solo não encontrar reação suficiente para que os vazios da camada de  pedrisco sejam ocupadas ocupadas pelo solo expandido. expandido. A cada incremento de carga que se dá ao solo expandido a camada de pedrisco é incorporada à camada de solo, mantendo o mesmo comportamento do solo sem a camada de  pedrisco.

Figura 7. Curva de adensamento adensamento do solo compactado com a camada de pedrisco na sua umidade de compactação e em seu estado saturado.

A Figura 8 mostra a curva de adensamento do solo compactado e mantido na sua umidade de compactação, sendo os valores de sucção matricial igual a 373 kPa para o solo sem a camada de pedrisco, numa umidade de compactação de 15%. Para o solo solo com a camada de pedrisco, a sucção é de 185 kPa para uma umidade de 16%. A difença de recalque entre as curvas é explicada pela diferença de sucção. A amostra se solo com a camada camada de pedrisco pedrisco sofreu sofreu maior maior recalque por possuir menor sucção que a amostra compactada sem a camada de pedrisco.

0

1

Tensão Tensão (kPa) (kPa) 10

100

1000

0,9 0,85

  s   o    i   z 0,8   a    V0,75   e    d  .    d 0,7   n     Í

0,65 0,6 Solo Solo Compactado ompactado e pedrisco pedrisco - W= 15 15,8 ,88% 8%,, Sucção - 185 185 kPa kPa Solo Compac Compactad tadoo - W=15%, Sucção Sucção = 373 373 kPa kPa

Figura 8. Curva de adensamento adensamento do solo compactado com e sem a camada camada de de pedrisc pedriscoo na sua umidade umidade de de compactação.

0

1

Tensão (kPa) 10 100

1000

1,1 1,1   e   1   s   o    i   z 0,9   a 0,9    V   e    d 0,8 0,8   e   c    i    d 0,7   n 0,7     Í

0,6 0,6

Solo Compactado Compactado e p edrisco - Saturado - Wi = 16% Solo compact compactado ado Saturado - Wi = 17%

Figura Figura 9. Curva Curva de adens adensam ament entoo do solo solo Compac Compactad tadoo saturado com e sem a camada de pedrisco.

A Figura 10 mostra o resultado dos ensaios edométricos do solo solo com a proposta da camada camada de pedrisco numa tensão de 6 kPa em comparação a amostras convencionais compactadas em diversos teores de umidade e carregamentos. É importante lembrar que os valores de expansão são dependentes da umidade inicial do solo e do carregamento externo. Como pode ser visto ainda na Figura 10, quanto maior o carregamento menor a expansão. Também nesta figura pode ser observado que a menor umidade inicial da amostra junto ao menor carregamento externo, gerou um maior valor de expansão. Para o solo solo compactado compactado sem o acréscimo acréscimo da camada de pedrisco, a uma umidade de 16% e não tendo nenhuma força que reaja a força de expansão, ocasionará ocasionará uma expansão em torno de 15%. Para o solo nas mesmas condições

descritas acima, submetido a uma tensão de 10 kPa, a expansão será em torno de 8%. Já para o solo compactado que recebeu a camada de  pedrisco, tendo sua umidade em 17%, sendo esta muito próxima da condição descrita acima e submetida submetida a uma tensão tensão de de 6 kPa, kPa, ou seja, seja,  pouco mais da metade da tensão citada acima sem a camada camada de pedrisc pedrisco, o, ocasion ocasionará ará uma uma expansão em torno de 2%.

Estes resultados deverão ser levados para um experimento de campo em que se possa avaliar, em verdad verdadeir eiraa grand grandez eza, a, o impac impacto to dest destaa solução. Espera-se que a redução de expansão obtida em laboratório seja conseguida no campo com um incremento incremento na espessu espessura ra da camada camada e na dimensão do pedrisco utilizada. AGRADECIMENTOS

20,00

Os autores deste projeto agradecem à Finep que financiou esta pesquisa através do programa habitare.

   )    %    ( 15,00   o    ã   s   n 10,00   a   p   x   e 5,00   e    d  .    t   o 0,00    P

REFERÊNCIAS 0

20000 40000 60000

80000 100000

Tempo Tempo (s) Solo Compactado e pedrisco - 6 kPa - W = 17% Solo Compactado Compactado - Exp. Exp. Livre - W = 12% Solo Compactado Compactado - Exp. Exp. Livre - w = 16% Solo compactado - 10 kPa - W = 16% Solo compactado compactado - Exp Exp . Livre - W = 21%

Figura 10 Comparação entre a expansão em amostras convencionais e na amostra tratada com a camada de  pedrisco.

Este resultado aponta para uma grande redução na expansão final do solo. Isto é, solo se expande para dentro do espaço criado pelos vazios do pedregulho e não levanta a estrutura sobre ele assente. 6

CONCLUSÃO

Os resultados iniciais apontam que esta solução  pode ser usada usada com sucesso. sucesso. Verificou-se que nos ensaios realizados com a inclusão da camada de pedregulho e baixa carga (2kPa) a expansibilidade foi praticamente a mesma do solo simplesmente compactado. Os ensaios realizados com sobrecarga de 6 kPa reduziram as expansões para 2%, bem abaixo dos solo sem a inclusão do pedregulho. Isto demonstrou que a associação da camada de  pedregulho e sobrecarga é possível reduzir a expansibilidade expansibilidade do sistema.

Ferreira, S.R.M. (1994). Técnicas de ensaios e fatores influentes nas medidas de deformação de solos colapsíveis e expansivos. Simpósio sobre solos não  saturados, 2. Recife. AMSF/ABMS-NE. Futai, M.M. (1995). Comportamento de fundações em  solos tropicais de Cuiabá. TCC (Engenharia Civil) –  Departamento de Engenharia Civil, UFMT. Futai, M.M.; Soares, M.M.; Conciani, W. (1998). Propriedades geotécnicas do solo saprolítico da Baixada Cuiabana. Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, 11., Brasília. P. 221-228. Houston, S.L.; Houston, W.N.; Wagner, A.M. (1994). Laboratory filter paper suction measurements. measurements. Geotechnical Testing Journal , GTJODJ, Vol. 17, Nº 2,  p 185-194. Lew, B. (1995). Caso típico de trincas em residências. (Engenha nharia ria Civil) Civil) – Dep Depart artame amento nto de Cuiabá. TCC (Enge Engenharia Civil, UFMT. Migliorini, R.B. (1999).  Hidrogeologia em meio urbano: região região de Cuiabá e Várzea Várzea Grande Grande – MT. Tese (Doutorado em Geologia) Geologia) – Instituto de geociências, USP, São Paulo. Pinto, C.S. (2002). Curso básico de mecânica dos solos. 2.ª Edição. São Paulo: Oficina de textos. Ribeiro Jr., I.; Conciani, W. Controle da Expansão do solo saprolítico de filito com cal hidratada cálcica para construções populares. Seminário mato-grossense de habitação de interesse social, I. Cuiabá, 10p., CDROM. Silva, L.C.; Moura, D.R.; Conciani, W. (2005). Caracterização do solo saprolítico de filito através de ensaios de compactação e expansão livre. Simpósio de Solos Tropicais Tropicais e Controle de Erosão, 2, Goiânia. CD-ROM. Sivapullaiah, P.V.; Sridharan, A. [198-]. Efeito de água  poluída nas propriedades físico-químicas físico-químicas de solos argilosos. Singapura.