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Características de Compressibilidade de Argilas Arenosas Moles. Conference Paper · January 2002
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CARACTERÍSTICA DE COMPRESSIBILIDADE DE ARGILAS ARENOSAS MOLES COMPRESSION TESTS ON SOFT CLAY-SAND MIXTURES
BICALHO, KÁTIA VANESSA * PARIS CAVASSANI, MARITA RAQUEL** REINE CASTELLO, RENO*** FERNANDES POLIDO, UBERESCILAS****
RESUMO Verifica-se experimentalmente, através de resultados de ensaios laboratoriais, a teoria proposta por Castello e Polido [1] para avaliar a influência de frações arenosas na compressão unidimensional de argilas moles, e também em seus limites de Atterberg. Foram ensaiadas amostras de uma argila bentonítica com diferentes proporções de uma mesma areia fina. A teoria proposta restringe à condição de argila pouco arenosa, onde a compressão ocorre exclusivamente na matriz argilosa, de forma praticamente uniforme e sem concentrações de tensões. Os resultados de ensaios de compressão odométrica mostram que para percentagens superiores a 20 % de fração argilosa a teoria se mostra válida.
ABSTRACT In this study, one-dimensional compression tests have been performed on mixtures of soft bentonitic clay with varying proportions of fine sand to investigate the theory proposed by Castello e Polido [1] that analyses the influence of the non-clays constituents on the mechanical properties of clay soils. Results indicate that for clay content above about 20% it is the clay matrix alone that controls the mechanical behavior of the mixture.
(*) Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES, Brazil,
[email protected] (**) Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES, Brazil,
[email protected] (***) Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES, Brazil,
[email protected] (****) Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES, Brazil.
1. INTRODUÇÃO A previsão da compressibilidade odométrica de solos argilosos se constitui em parte essencial dos projetos geotécnicos. Entretanto, a maioria das pesquisas concentra-se sobre solos argilosos com pequena ( 5%) fração arenosa. Nas investigações de obra é usual preferir-se as amostras com o mínimo de areia. E assim, a amostra “representativa” da camada não representa uma situação média, mas sim a pior situação. Castello e Polido [1] propõem uma formulação teórica para investigar a influência da fração arenosa na compressão de solos argilosos. A teoria proposta permite extrapolar as características de compressão de misturas de argila e areia em qualquer proporção, a partir de dados de compressão, granulometria e densidade de sólidos de uma dada amostra de solo que contenha a mesma argila inclusive argila pura. Os autores recomendam um maior número de ensaios com diferentes argilas para verificação experimental da proposição teórica e conclusões mais amplas. Este trabalho apresenta uma investigação experimental, através de ensaios laboratoriais, da teoria proposta por Castello e Polido [1]. As amostras ensaiadas foram preparadas no laboratório com misturas em diferentes proporções de uma argila bentonítica com uma mesma areia. As formulações propostas por Castello e Polido [1] restringem à condição de argila pouco arenosa, onde a compressão ocorre exclusivamente na matriz argilosa, de forma praticamente uniforme e sem concentrações de tensões. Desta forma, esse trabalho também pretende investigar o que vem a ser argila “pouco arenosa”, ou seja, a quantidade mínima de argila presente na mistura no qual a teoria proposta se mostra válida, e também a validade ou não da proposição.
2. MODELO DE CÁLCULO Skempton [2] observou que solos de mesma origem geológica, portanto com os mesmos minerais argílicos, possuíam índice de plasticidade, IP, linearmente crescente com o teor de fração argila, C. Seed et al. [3] mostram que a linearidade entre os limites de consistência (limites de liquidez e plasticidade) e o teor de fração argila é válida somente para misturas de argila com areia, tal que os grãos de areia não estejam em contato, isto é, o volume da mistura de argila e água é maior que o volume dos vazios da areia. A percentagem mínima de argila para preencher o volume de vazios da areia nas misturas argila-areia, Cfv, foi definido como: Cfv
x 100 100 x
onde: x = peso seco em gramas de partículas de argila
(1) (
100.e s 1 LL c G ss G sc 100
);
LLc = limite de liquidez
da fração argila; Gsc = densidade dos sólidos da fração argila; Gss = densidade dos sólidos da fração areia e es = índice de vazios máximo da areia.
Castello e Polido [1] propõem uma formulação teórica para investigar a influência da fração arenosa na compressão de solos argilosos. A teoria proposta permite correlacionar os índices físicos e o comportamento de compressão unidimensional de solos argilosos quando “puro” (sem areia) com este mesmo solo quando misturado com diferentes proporções de areia ou viceversa. O princípio básico da teoria consiste no fato de que a fração arenosa, quando em pequenas proporções, seja inerte em uma mistura com solos finos. A influência da areia seria apenas de reduzir o volume relativo da matriz argilosa na mistura. Os autores consideram misturas de argila e areia com diferentes proporções, ou seja, pouca areia, com areia e, muita areia (Fig. 1). Os grãos de areia são assumidos incompressíveis. Em uma mistura denominada com “pouca areia” a matriz argilosa é comprimida uniformemente e os grãos de areia mantêm o mesmo arranjo. Em uma mistura do tipo “com areia” a compressão da argila é desuniforme criando concentrações de tensões entre os grãos de areia mas que manteriam o mesmo arranjo geral. Finalmente em uma mistura com “muita areia” a compressão provoca rearranjo relativo entre os grãos de areia que dominariam a compressibilidade da amostra. As formulações propostas [1] restringem à condição de argilas “pouco arenosas”. A Equação 1 foi utilizada para definir a quantidade mínima de argila necessária para preencher o volume de vazios da fração arenosa.
CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES
COMPRESSÃO UNIFORME
REARRANJO DE GRÃOS DE AREIA
GRÃOS DE AREIA
ARGILA
Pouca Areia
Com Areia
Muita Areia
Figura 1 - Misturas de argila com areia e suas compressões [1] Os autores propõem equações que definem as características da fração argilosa pura a partir das características da mistura argila-areia. Os valores das propriedades índices da fração argila, denominadas normalizadas, para umidade, wnor , índice de vazios, enor , altura (ou volume) total, Hnor , e índice de compressão, Cc,nor , foram definidas como: w nor
e nor
e G sm P200 1 1 G ss 100
H nor H 1
w 100 P200
(2)
G 1 P sm 1 200 1 e o G ss 100
(3)
(4)
C 100 Cc, nor c P200
(5)
onde: w = umidade convencional da mistura de argila e areia; P200 = percentagem em massa que passa na peneira de nº 200, cuja abertura é de 0,075 mm (neste trabalho P200 = C, fração argila); e = índice de vazios convencional da mistura de argila e areia; Gsm = densidade dos sólidos da mistura; Gss = densidade dos sólidos da fração areia; H = altura total convencional da mistura; eo = índice de vazios convencional inicial da mistura; Cc = índice de compressão convencional da mistura. Admitindo-se Gsm = Gss as equações 3 e 4 ficam assim simplificadas: e nor
H nor
e 100 P200
P H e 200 (1 e o ) o 100
(6) (7)
3. VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DE LABORATÓRIO 3.1 Descrição do material Ensaios de laboratório são indispensáveis no desenvolvimento de uma formulação teórica consistente, assim executou-se ensaios sobre misturas, em diferentes proporções, de uma mesma argila bentonítica com uma mesma areia fina. Foram realizados em laboratório ensaios de caracterização (granulometria, densidade dos sólidos, limites de liquidez e plasticidade) e compressão unidimensional. A argila bentonita possui densidade dos sólidos, Gsc, igual a 2,624, limite de liquidez, LL, igual a 290, limite de plasticidade, LP, igual a 28, e índice de plasticidade, IP, igual a 262. A areia é natural, quartzosa, grãos angulares, uniforme, branca, composta por partículas que passaram na peneira de malha 0,42mm e a densidade dos sólidos da fração areia, Gss, é igual a 2,645. A percentagem mínima em massa da fração argila necessária para preencher o volume de vazios da areia definida pela Equação 1 varia de 9 a 10% da mistura de argila-areia. As amostras com 400 g de material seco em estufa (mistura argila-areia) foram preparadas com proporções de argila variando de 10% a 60% da massa total. Este intervalo foi escolhido porque o modelo teórico já foi verificado para proporções de argila superiores a 60 % ([4], [1]).
3.2 Ensaios de caracterização As misturas de argila e areia foram feitas com os materiais secos e então misturados com água destilada e homogeneizados por um período de uma hora. As misturas homogeneizadas permaneceram em “descanso” por uma semana para que houvesse a adsorção completa de água pelas partículas de bentonita antes de iniciar os ensaios de limite de consistência. Os ensaios de
limites de liquidez e plasticidade foram executados de acordo com as recomendações das normas brasileiras NBR 6459 [5] e NBR 7180 [6] da ABNT. Os resultados dos ensaios de caracterização convencionais e normalizados das misturas de argila-areia estão apresentados resumidos nas Tabelas 1 e 2, respectivamente. Ao se compararem os valores do limite de liquidez normalizado, LLnor , vê-se que a mistura com 10% de fração argilosa não se ajustou bem à normalização, apresentando o valor do LLnor maior que as demais misturas. Esta dispersão em relação ao valor médio do LL nor pode ser atribuída ao estado de transição entre uma mistura denominada com “pouca areia” e uma mistura do tipo “com areia” em que se encontra a mistura com 90% de areia e 10% de argila. Esta diferença pode ser atribuída também a uma distribuição heterogênea dos grãos de areia na mistura devido a imperfeições no processo de homogeneização da mistura com 90% de areia e 10% de argila. Embora os resultados indiquem uma redução consistente do LL com a redução de C recomenda-se investigação experimental adicional da percentagem mínima em massa da fração argila necessária para preencher o volume de vazios da areia. Tabela 1 - Caracterização convencional das misturas de argila-areia C (%) 100 60 50 40 30 20 10 LL 290 156 128 99 71 47 34 LP 28 18 18 20 20 24 IP 262 138 110 79 51 23 Tabela 2 - Caracterização normalizada das misturas de argila-areia C (%) 100 60 50 40 30 20 10 LLnor 290 260 256 248 237 235 340 LPnor 28 30 36 50 67 120 IPnor 262 230 220 198 170 115 Nota: Os resultados apresentados constituem uma média de três determinações Devido ao pequeno número de dados neste estudo, resultados experimentais apresentados por Dantas et al. [4] para misturas da mesma matriz argilosa e arenosa foram também incluídos nesta análise. Conforme se pode observar da Figura 2, um bom ajuste aos resultados experimentais para os valores de limite de liquidez e fração argila das misturas de argila-areia ensaiadas foi obtido quando do uso da equação linear LL = 2,926 C, para C 10 %. Este bom ajuste é confirmado pelo coeficiente de correlação igual a 0,976. Os resultados experimentais são consistentes com os resultados apresentados por Dantas et al. [4] e confirmam a teoria proposta por Seed et al. [3] e Castello e Polido [1]. Não foi possível obter resultados conclusivos para os valores dos limites de plasticidade das misturas de argila e areia, determinados segundo o procedimento padrão, no qual obtém-se a umidade rolando um filete de solo até esfarelar com diâmetro de 3 mm. Isso pode ser justificado devido o maior grau de subjetividade associado ao ensaio. O ensaio convencional
350
Resultados Experimentais Presente es tudo
300
Dantas et al. [4]
. 250 L L , z e 200 d i u q i l 150 e d e t i m 100 i L
LL = 2,926 C
50 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Fração argila, C (%)
Figura 2 - Resultados experimentais e teóricos do LL em função de C para determinação do LP, apresenta resultados pouco consistentes uma vez que a tensão aplicada durante o rolamento do filete de solo é difícil de ser controlada ([7],[8]). A Figura 3 apresenta a variação do IP com o LL. Os resultados experimentais obtidos neste estudo são consistentes com os resultados apresentados por Dantas et al. [4] para misturas de mesma matriz argilosa e arenosa e confirmam a equação empírica, IP = 0,9416(LL-20,61), proposta por Padian e Nagaraj [9] obtida a partir de um total de 103 dados experimentais apresentados por Skempton [2] e Seed et al. [3].
3.3 Ensaio de compressão unidimensional As misturas de areia e argila foram postas no limite de liquidez respectivo de cada uma, permanecendo em “descanso” por um período de uma semana ou mais para que houvesse a adsorção completa de água pelas partículas de bentonita. As amostras tinham diâmetro de 50 mm e altura de 20 mm. A pressão inicial foi de 1 kPa e não de 10 kPa como recomenda a norma brasileira MB-3336 [10] da ABNT. Esta redução foi necessária devido à alta compressibilidade da bentonita. As curvas de compressão odométrica antes e após a aplicação da normalização dos parâmetros são apresentadas nas Figuras 4 e 5, respectivamente. A Tabela 3 mostra os parâmetros de compressão convencionais e normalizados utilizando as equações propostas por Castello e Polido [1]. Ao se compararem os valores do Ccnor vê-se que a mistura com 100% de bentonita
300
Resultados Experimentais Presente estudo
250 P I , e d a d i c i t s a l p e d e c i d n Í
Dantas et al. [4] 200
IP = 0,9416(LL-20,61)
150 100 50 0 0
50
100
150
200
250
300
350
Limite de liquidez, LL
Figura 3 – Resultados experimentais e teóricos do IP em função de LL
6,0
Fração bentonita (%) 100 60 50 40 30 20
5,5 5,0 4,5 e , s o i z a v e d e c i d n Í
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 10
100
1000
Tensão efetiva, p (kPa)
Figura 4 - Resultados experimentais convencionais de Compressão Odométrica
7,0
r o n
Fração bentonita (%) 100 60 50 40 30 20
6,0
e , s o 5,0 d a z i l a 4,0 m r o n s o 3,0 i z a v e d 2,0 e c i d n Í
1,0 0,0 10
100
1000
Tensão efetiva, p (kPa)
Figura 5 - Resultados experimentais normalizados de Compressão Odométrica Tabela 3 - Parâmetros convencionais e normalizados de compressibilidade das misturas C (%) e1 Cc e1nor Ccnor 100 60 50 40 30 20
3,06 1,90 1,66 1,32 0,95 0,90
4,13 1,84 1,50 1,09 0,75 0,56
3,06 3,17 3,32 3,30 3,15 4,51
4,13 3,07 3,01 2,72 2,52 2,78
Notas: 1. e1 – índice de vazios convencional para pressão de 100 kPa. 2. e1nor – índice de vazios normalizado para pressão de 100 kPa. 3. Os resultados apresentados constituem uma média de duas determinações não se ajustou bem à normalização, apresentando o valor do Ccnor maior que as demais misturas. Esta dispersão em relação ao valor médio do Ccnor pode ser atribuída a dificuldade de realização do ensaio devido a elevada compressibilidade da bentonita, ocorrendo expulsão de solo durante a realização do ensaio de compressão na bentonita. Mas mesmo assim verifica-se que a normalização tende a reduzir as diferentes curvas a uma única para percentagens iguais ou superiores a 30% de fração argilosa em solos misturados. Neste caso é válida a identificação de
argila “pouco arenosa”, em que a fração arenosa pode ser considerada inerte na mistura. A curva normalizada para a mistura com 20% de fração argila apresentou uma certa dispersão no valor de índice de vazios normalizado em relação às demais misturas. Esta dispersão pode ser atribuída à distribuição heterogênea dos grãos de areia na mistura ocasionado pela maior dificuldade de homogeneização durante a preparação da mesma. Entretanto as misturas com 20% a 60% de fração argila apresentaram valores de índice de compressão normalizado, Ccnor, variando de 2,78 a 3,07. Em termos práticos de projeto esses valores podem ser considerados iguais. Assim, a partir da formulação teórica proposta por Castello e Polido [1] é possível prever a influência da fração arenosa no comportamento de compressão unidimensional de argilas arenosas.
4. CONCLUSÕES Através da formulação teórica proposta por Castello e Polido [1] define-se as características da fração argilosa a partir das características da mistura de argila-areia ou vice-versa, desde que a quantidade de areia não interfira de modo significativo no rearranjo geral das partículas da matriz argilosa. As características são os limites de consistência, a umidade, o índice de vazios, o volume (ou altura) da camada e o índice de compressão. Os resultados experimentais confirmaram a linearidade existente entre o limite de liquidez e a fração argila das misturas de argila-areia, proposta por Seed et al. [3] e Castello e Polido [1]. Entretanto a mistura com 10% de fração argilosa não se ajustou bem à normalização, apresentando o valor do LLnor maior que as demais misturas. Esta dispersão em relação ao valor médio do LLnor pode ser atribuída ao estado de transição entre uma mistura denominada com “pouca areia” e uma mistura do tipo “com areia” em que se encontra a mistura com 90% de areia e 10% de argila, e neste caso a teoria proposta não é valida. Os resultados dos ensaios de compressão unidimensional mostram que para percentagens superiores a 20% de fração argilosa é válida a identificação de argila “pouco arenosa” e a fração arenosa pode ser considerada inerte na mistura. A curva normalizada para a amostra com 20% de fração argilosa apresentou uma certa dispersão em relação às outras que pode ser atribuída à distribuição heterogênea dos grãos de areia na misturas. Provavelmente existem contatos entre grãos de areia ou a espessura de finos entre grãos de areia é muito pequena provocando grande concentração de tensões. Entretanto as misturas com percentagens de 20% a 60% de fração argila apresentaram valores de índice de compressão normalizado que em termos práticos de projeto podem ser considerados iguais. Assim, a partir da formulação teórica proposta por Castello e Polido [1] é possível estimar curvas de compressão odométrica entre amostras de argila com diferentes percentagens arenosas, com confiança igual ou superior a variação observada em resultados de diferentes amostras de uma mesma camada.
AGRADECIMENTOS Ao técnico do Laboratório de Mecânica dos Solos da UFES, Miguel Rubens Caxias, pela dedicação e colaboração na realização dos ensaios. Ao CNPq pelo suporte financeiro.
REFERÊNCIAS [1]
Castello, R.R.; Polido, U.F. (1994). Influência da fração arenosa em argilas no adensamento. In: X Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. Foz do Iguaçu, vol. 2, pp. 491-498.
[2]
Skempton, A.W. (1953). The colloidal activity of clays. Proc., III International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, vol. 1, pp. 57-61.
[3]
Seed, H.B.; Woodward, R.J.; Lundgren, R. (1964). Fundamental aspects of the Atterberg limits. Journal of the Soil Mechanic and Foundations Division, ASCE 90, SM6, pp. 75105.
[4]
Dantas, B.; Bicalho, K. V.; Castello, R.R. e Polido, U. F. (1995). Verificação de argilas arenosas para adensamento. In: SIPUFES, Vitória, XIII Seminário Interno de Pesquisa e Extensão da UFES, vol. XIII.
[5]
Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1984). Determinação do limite de liquidez: NBR 6459. Rio de Janeiro.
[6]
Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1984). Determinação do limite de plasticidade: NBR 7180. Rio de Janeiro.
[7]
Whyte, I.L. (1982). Soil plasticity and strength – a new approach using extrusion. Ground Engineering, vol. 15, nº 1, pp. 16-24.
[8]
Feng, T.W. (2000). Fall-cone penetration and water content relationship of clays. Geotechnique, vol. 50, nº 2, pp. 181-187.
[9]
Padian, N.S.; Nagaraj, T.S. (1990). Critical reappraisal of colloidal activity of clays. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol. 116, nº 2, pp. 285-296.
[10]
Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1990). Ensaio de adensamento unidimensional: MB-3336. Rio de Janeiro.
