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EMPREGO DE DIFERENTES MÉTODOS PARA AVALIAÇÃO GEOTÉCNICA DA ERODIBILIDADE DE UM SOLO

Ide, D. M. USP, EESC, Departamento de Geotecnia, São Carlos, SP, Brasil, danimassami@hotmail.com Silva, R. A. Unesp, FEB, Departamento de Engenharia Civil, Bauru, SP, Brasil, ra610585@feb.unesp.br

Giacheti, H. L. Unesp, FEB, Departamento de Engenharia Civil, Bauru, SP, Brasil, giacheti@feb.unesp.br

Resumo: Este artigo apresenta resultados de três métodos para avaliação da erodibilidade do solo que ocorre em uma área com processos erosivos, na cidade de Bauru, interior de São Paulo. Foram realizados ensaios de caracterização e de erodibilidade, dentre eles Inderbitzen (1961), absorção de água e perda por imersão (Nogami e Villibor, 1995) e de penetração de cone (Alcântara e Vilar, 1998) em três amostras distintas de solos. O solo foi classificado como uma areia pouco argilosa não saturada, na qual o efeito da sucção é importante na sua resistência. Os resultados dos ensaios de erodibilidade mostraram que os três métodos apresentaram interpretações satisfatórias, porém com algumas divergências. O método mais interessante para avaliação da erodibilidade para o solo estudado foi o proposto por Nogami e Villibor (1995), que tem como principal vantagem a facilidade de execução e de interpretação dos resultados. Abstract: This paper presents results of three different methods to evaluate soil erodibility in a erosion site from Bauru city, inland of São Paulo State. Characterization and erodibility tests were carried out in three different soils samples using the following methods: Inderbitzen (1961), water absorption and loss of weight by immersion tests (Nogami and Villibor, 1995) and cone penetration tests (Alcântara and Vilar, 1998). The studied soil was classified as unsaturated clayey sand, in which matric suction affects soil shear strength. The erodibility tests results show that all three methods were efficient, but they present some discrepancies. The most interesting method to assess soil erodibility for the studied soil was that one proposed by Nogami and Villibor (1995). The major advantage is easy execution and interpretation.

1 INTRODUÇÃO

A ação antrópica causa desequilíbrios naturais que culminam em fenômenos cada vez mais prejudiciais e os processos erosivos são um deles. Grande parte dos municípios brasileiros enfrenta problemas de degradação de áreas urbanas por processos de erosão, ravinas e voçorocas. A causa principal está relacionada à concentração das águas de escoamento superficial lançada em talvegues desprovidos de sistemas adequados de drenagem. O grande poder destrutivo das erosões promove situações de risco à comunidade e transforma-se em condicionante restritivo para a expansão urbana.

O município de Bauru sofre com os problemas decorrentes dos processos erosivos desde o início de sua urbanização, por encontrar-se numa região de afloramento de arenitos, no Planalto Ocidental Paulista. As causas dessas erosões estão relacionadas com a ausência de critérios técnicos, tanto para nortear a expansão urbana, quanto para a

aprovação de projetos de loteamentos residenciais e de conjuntos habitacionais, muitas vezes em locais não apropriados e sem atender critérios técnicos.

A erodibilidade dos solos, propriedade que retrata a facilidade com que partículas são destacadas e transportadas, é importante para avaliar a maior ou menor susceptibilidade da ocorrência de um processo erosivo em um dado local. Ela pode ser avaliada empregando métodos que permitam sua adequada caracterização. Ainda são poucos os métodos geotécnicos que permitem quantificar o potencial a erosão a partir da avaliação do comportamento geomecânico dos solos.

Nesse trabalho são apresentados resultados de um estudo experimental visando avaliar a erodibilidade de solos que ocorrem em um local com intenso processo erosivo, empregando diferentes métodos. Esse processo erosivo é típico daqueles que ocorrem na cidade de Bauru, interior de São Paulo, e foi causado pela implantação de condomínios residenciais.

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2 ERODIBILIDADE

2.1 Considerações iniciais

A erodibilidade indica o grau de facilidade com que as partículas de solo destacam-se e são transportadas, fator que contribui para a erosão do solo, principalmente pela ação da água. Neste trabalho foram empregados três métodos distintos para avaliação da erodibilidade dos solos, quais sejam: Inderbitzen, metodologia MCT (absorção de água e perda por imersão) e penetração de cone, descritos a seguir.

2.2 Ensaios para avaliação da erodibilidade

2.2.1 Inderbitzen

Inderbitzen (1961) criou um método de medida da erodibilidade através da determinação da taxa de erosão do solo sob condições variáveis de escoamento, inclinação da superfície e umidade. O ensaio consiste em submeter uma amostra indeformada de solo nivelada na superfície da rampa à ação da água, controlando o fluxo até um máximo de 2h de duração. A perda depende do tipo de solo, das condições do ensaio e das condições da amostra.

No estudo de solos do Distrito Federal, Fácio (1991) procurou estabelecer uma metodologia padrão a partir de uma série de ensaios variando os valores de vazão, declividade da rampa e tempo de duração do ensaio. A partir dos resultados, o autor propôs uma rampa de 0,33m de largura por 1,30m de comprimento e declividade de 10°, na qual percola-se uma vazão de 50ml/s. A amostra, nivelada com a superfície da rampa, possuía 100mm de diâmetro. A duração do ensaio foi de 20 minutos com a utilização de peneiras n° 50, 100 e 200. O autor sugere ainda que os gráficos sejam expressos em perda acumulada de solo (g/cm2) versus tempo de duração (min).

Além disso, Santos (1997, apud Ramidan, 2003) sugeriu uma modificação na largura da rampa, de modo que esta deveria ter o diâmetro do corpo-de-prova, assegurando que todo o fluxo de água passe sobre a amostra. Em conseqüência, a vazão do ensaio foi alterada para 17,5 ml/s e o tempo total para 30 minutos.

O equipamento empregado nesse estudo é uma mistura entre o proposto inicialmente por Inderbitzen e a simulação do impacto da gota, com a largura da rampa próxima ao diâmetro do corpo-de-prova (Figura 1). Com isso é possível avaliar a erodibilidade da amostra de solo tanto pela ação da gota, como pelo escoamento laminar, representando mais fielmente as condições de campo.

Como as dimensões da rampa propostas por Fácio (1991) eram grandes demais para a adaptação do sistema que simula o impacto da gota, elas foram

reduzidas para 500mm de comprimento e 110mm de largura, que é a mais próxima possível à largura do corpo-de-prova, o qual possui altura de 50mm. As peneiras utilizadas foram as de n° 50, 100 e 200. A vazão de ensaio foi mantida no padrão de Fácio (1991), ou seja, 50ml/s.

Figura 1: Desenho esquemático do equipamento utilizado para realização de ensaios Inderbitzen.

Como o ensaio deve reproduzir as condições de

campo, as amostras foram ensaiadas com diferentes ângulos de inclinação. Além disso, elas foram analisadas em inclinações variáveis às de campo, para efeitos comparativos. A inclinação de 50° foi escolhida por ser a máxima atingida com o equipamento, pois os taludes apresentam valores negativos em certos pontos ao longo do processo erosivo.

Como proposto por Inderbitzen (1961), um “chuveiro” foi utilizado na simulação da ação das gotas de chuva. Antônio (2007) explica que a máxima chuva ocorrida em Bauru, no ano de 1993 corresponde, a 28mm em meia hora. Porém, não foi possível reproduzir esse fenômeno, pois a vazão necessária é muito baixa e difícil de reproduzir empregando o equipamento construído. Por isso, a vazão de 50ml/s foi mantida no ensaio convencional (escoamento superficial) para possibilitar comparar resultados, apesar de ser uma condição muito mais severa que aquela que ocorre em uma chuva típica na região.

Mendes (2006) observou que a maior tendência da perda de solo nos primeiros cinco minutos do ensaio, vindo a se estabilizar próxima a 10 minutos. Porém, Santos (1997, apud Ramidan, 2003) mostrou que essa estabilização da perda pode não ocorrer, dependendo do tipo de solo analisado. A duração dos ensaios utilizada foi de 30 minutos, seguindo proposta de Santos (op. cit.) e obtendo, assim, uma maior caracterização do comportamento da curva perda de solo pelo tempo. As trocas de peneiras foram feitas em 1, 5, 10, 20 e 30 minutos.

Bastos (1999) sugere que os solos mais erodíveis apresentam taxa de erodibilidade superiores a 0,1 g/cm2/min e que os solos mais resistentes à erosão apresentam valores inferiores a 0,001 g/cm2/min.

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2.2.2 Absorção de água e perda por imersão

A metodologia MCT emprega resultados de ensaios de absorção d’água e perda de massa por imersão, em corpos-de-prova miniatura (Nogami e Villibor, 1995). Nesse ensaio, mede-se o volume de água absorvido pelo corpo de prova em função do tempo por cerca de 1 hora. Logo após, realiza-se o ensaio de perda por imersão por um período de 24 horas. Os corpos-de-prova são moldados a partir de amostras indeformadas com dimensões de 53mm de diâmetro e 50mm de altura.

O índice de absorção (S) é o coeficiente angular do trecho inicial entre volume de água absorvido dividido pela área do corpo-de-prova e a raiz do tempo (Figura 2).

Figura 2: Resultado típico de um ensaio de absorção de água e representação do parâmetro S.

Para avaliar a erodibilidade da amostra de solo é

utilizado um gráfico de perda por imersão (Pi) versus índice de absorção (Figura 3). Nogami e Villibor (1995) propõem um limite no qual E=52S/Pi, amostras acima dessa relação são classificadas como de alta erodibilidade. Porém, Pejon (1992) desenvolveu pesquisas nas quais sugere o limite de 40S/Pi.

Figura 3: Gráfico para avaliação da erodibilidade do solo segundo proposta de Nogami eVillibor (1995).

2.2.3 Penetração de cone

A erodibilidade do solo pode ser avaliada utilizando-se a proposta de Alcântara e Vilar (1998) empregando-se corpo de prova coletados com anéis de PVC rígido, com 75 mm de diâmetro e 40 mm de altura, protegidas com filme plástico durante o transporte. O ensaio consiste, basicamente, em uma massa para o conjunto de penetração, igual a 300 g, e da altura de queda igual a 10 mm (Figura 4). O ensaio é realizado medindo-se altura média de penetração alcançada pela ponta do cone em 9 pontos diferentes na superfície da amostra antes (Pnat) e após saturação de 1 hora (Psat).

Após o cálculo da média, efetuou-se o da variação de penetração (DP), obtido pela equação 1, e comparou-se o resultado com a variação limite (DPlimite) indicada por Alcântara e Vilar (1998), obtida pela equação 2. Para valores de DP maiores que DPlimite, a erodibilidade é alta; caso contrário, ela é baixa ou nenhuma (Figura 5). Foram realizadas 3 séries de ensaios para cada amostra.

DP = (Psat-Pnat)/Pnat (Eq. 1) DPlimite = 4,5.Pnat (Eq. 2)

Figura 4: Ensaio de cone e heterogeneidade das amostras ensaiadas do sulco (superior) e da voçoroca (inferior)

Pnat (mm)

0 2 4 6 8 10 12 14

DP

(%

)

0

20

40

60

80

100

Alta erodibilidade

Baixa a nenhuma erodibilidade

DP = 4,5 Pnat

Figura 5: Gráfico para avaliação da erodibilidade do solo segundo proposta de Alcântara e Vilar (1998).

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3 LOCAL

3.1 Aspectos gerais

O local estudado encontra-se na cidade de Bauru, no centro-oeste do estado de São Paulo, em uma região de processo geodinâmico predominante erosivo, pois nela encontram-se solos arenosos resultantes das Formações do Grupo Bauru e Sedimentos Cenozóicos, bastante susceptíveis a fenômenos erosivos provocados pela inadequada ocupação do meio físico.

Corghi e Giacheti (2005) descrevem com detalhes esse local, que se encontra na Bacia do Córrego da Água Comprida, entre os loteamentos residenciais, Jardim Colonial, Chácara Odete e Tavano (Figura 6). A área compreendida por esses condomínios margeia o fundo de vale do córrego da Água Comprida, alvo crescente da especulação imobiliária.

Figura 6: Vista aérea com localização do processo erosivo

Os autores também descrevem com detalhes o

processo de instalação e evolução da erosão, ilustrado na Figura 7, provocado pelos vícios de implantação dos empreendimentos desse tipo por empresas particulares, a desarticulação dos órgãos públicos e da própria população. No início do processo, este poderia ter sido evitado e corrigido com sucesso, caso as obras cumprissem os prazos previstos e as diretrizes exigidas pelo órgão público.

Figura 7: Vista geral de um trecho erodido no local

3.2 Características geotécnicas do local

Conforme Carta Geotécnica elaborada pelo IPT (1994), a cidade possui como processo predominante a erosão por sulcos, ravinas e voçorocas com grau de susceptibilidade de alta, induzida principalmente por concentração do escoamento superficial, a muito alta (Figura 8).

Figura 8: Zonas de susceptibilidade à erosão em Bauru (IPT, 1994) 3.3 Perfil geotécnico transversal a erosão Foram executadas sondagens de simples reconhecimento com medida de SPT conforme ABNT NBR 6484/01. Assim, obteve-se o perfil longitudinal e transversal às bordas do processo, além de amostras de solo com a profundidade para análise das características do solo. As amostras coletadas nos furos de sondagem foram utilizadas em ensaios de granulometria conjunta com defloculante, determinação do teor de umidade e de ∆pH.

Na Figura 9 é apresentado o perfil transversal ao processo erosivo, onde é possível observar a variabilidade do solo que ocorre no local, com alternância de camadas mais arenosas e mais argilosas, conforme identificação tátil e visual do mestre sondador, nem sempre confirmada nos ensaios de granulometria conjunta. Tem-se também nessa figura a posição do nível d’água, entre 2,5 e 3,5 m de profundidade.

Figura 9: Perfil geotécnico transversal a erosão.

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4 SOLOS 4.1 Amostras Foram selecionados três locais e neles amostras deformadas e indeformadas foram coletadas. Estes locais foram escolhidos devido à reativação do processo, apesar de todas as medidas corretivas já aplicadas no local. Cada amostra representa um tipo de estágio da erosão linear: voçoroca, ravina e sulco, mostrados na Figura 10.

a) Voçoroca

b) Ravina

c) Sulco

Figura 10: Locais de coleta na área. 4.2 Caracterização geotécnica das amostras

Para caracterização geotécnica das três amostras de solos foram feitos ensaios de granulometria conjunta com e sem defloculante, limites de consistência, azul de metileno, índices físicos, ∆pH e curvas características. 4.2.1 Granulometria conjunta

Na Figura 11 encontram-se as curvas granulométricas dos três amostras de solo, ensaiadas com e sem defloculante. Verifica-se que todas as amostras são classificadas como areia média a fina pouco argilosa. A Tabela 1 mostra os valores resultantes da análise dos resultados.

Observa-se que, nas curvas sem defloculante, não há presença da fração argilosa, ressaltando a influência da agregação dos argilominerais, que se apresentam como grãos de maior dimensão.

Tabela 1 – Análise dos resultados de granulometria

Am. D10

(mm) D30

(mm) D60

(mm) Cc Cu

Voçoroca 0,045 0,130 0,210 5 2 Ravina 0,042 0,130 0,210 5 2 Sulco 0,002 0,105 0,205 103 27

Figura 11: Curvas granulométricas das três amostras 4.2.2 Limites de consistência

Na Tabela 2 encontram-se os limites de consistência das três amostras ensaiadas, bem como o índice de plasticidade. Tabela 2 – Limites de consistência das três amostras

Am. LL (%)

LP (%)

IP (%)

Voçoroca 12,7 NP - Ravina 15,4 NP - Sulco 25,5 15,3 10

A partir dos resultados dos ensaios de

granulometria conjunta e limites de consistência os solos foram classificados como areia argilosa. Segundo a classificação Unificada o solo é do Grupo SC e na classificação HRB é do Grupo A-2-4.

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4.2.3 Índices físicos

Na Tabela 3 encontram-se os índices físicos médios das três amostras estudadas, determinados quando da realização dos ensaios em corpos-de-prova extraídos das amostras indeformadas. Tabela 3 – Índices físicos das três amostras

4.2.4 Curva característica

Para uma melhor definição da curva de retenção das amostras estudadas, foram utilizados resultados do ensaio de funil de placa porosa em associação com o de papel filtro. Assim, determinou-se a curva característica com o auxílio do software RETC, representada como uma linha tracejada na Figura 12.

Figura 12: Curvas características das três amostras

A distribuição, obtida através dos ensaios, apresenta duas pressões de entrada de ar, representadas pelos pontos de inflexão da curva de retenção. Esse tipo de curva é chamado de bimodal, sendo a primeira parte (umidades mais altas) caracterizada pelos macroporos, formados pelos vazios entre agregados e/ou grãos maiores, e a segunda pelos microporos, formados no interior dos agregados.

5 RESULTADOS E ANÁLISE

5.1.1 Inderbitzen

Nas Figuras 13, 14 e 15 são apresentados os resultados dos ensaios Inderbitzen com escoamento laminar (a) e com a ação da gota (b), realizados separadamente, respectivamente para as três amostras. Cada amostra foi ensaiada em três inclinações diferentes (15°, 31° e 50°). Os gráficos estão expressos em perda de solo acumulada (g/cm2) por tempo (minutos). Verifica-se a tendência de estabilização das perdas de solo em cerca de 10 minutos de ensaio, corroborando os resultados de Pereira et al. (2003, apud Mendes, 2006).

(a) escoamento laminar (b) ação da gota Figura 13: Curvas do ensaio Inderbitzen - voçoroca

(a) escoamento laminar (b) ação da gota Figura 14: Curvas do ensaio Inderbitzen - ravina

(a) escoamento laminar (b) ação da gota Figura 15: Curvas do ensaio Inderbitzen - sulco

Am ρ

(g/cm3) W

(%) ρs

(g/cm3) e

n (%)

Sr (%)

Voç. 1,911 14,3 2,694 0,614 38,0 63,5 Rav. 2,021 13,8 2,688 0,514 34,0 72,4 Sul. 1,922 12,1 2,702 0,578 36,6 57,2

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Na amostra da voçoroca (Figura 13), não se verificou relação entre a inclinação e a perda de solo nos dois tipos de ensaio (laminar e gota). Para a da ravina, (Figura 14) constatou-se que a ação da gota depende da inclinação do terreno, ou seja, quanto maior a inclinação, maior é a perda de solo. Porém, para o escoamento laminar, essa relação não foi observada, uma vez que as perdas foram praticamente iguais, independente da inclinação empregada. Foi verificado, na amostra retirada do sulco (Figura 15), o aumento da perda de solo com o acréscimo da inclinação nos dois tipos de ensaios (laminar e gota), apesar das curvas de inclinações maiores (31° e 50°) apresentarem pequena variação. Para 15°, a gota gera uma perda de solo maior que o escoamento, que nesse solo foi em torno de 50%.

Conforme a classificação de Bastos (1999), todos os resultados são característicos de materiais de alta a média erodibilidade, pois possuem valores de k maiores que 0,1g/cm2/min/Pa ou variando entre o mesmo e 0,001g/cm2/min/Pa. Observaram-se valores distintos entre a erodibilidade medida nos ensaios de escoamento laminar e ação de gota (Tabela 4). Nos ensaios realizados as tensões cisalhantes críticas (τcrit) foram negativas, pois a perda de solo é muito alta para tensões cisalhantes baixas. Isso causa o achatamento da reta, o que faz com que o coeficiente angular (K) seja pequeno.

Tabela 4 – Valores de K dos ensaios Inderbitzen

K (g/cm2/min/Pa) Am.

Laminar Gota

Voçoroca 0,036 0,141

Ravina 0,008 0,187

Sulco 0,140 0,074

5.1.2 Absorção de água e perda por imersão

A erodibilidade foi verificada também através da metodologia MCT, empregando-se ensaios de absorção de água e perda por imersão, cujos resultados estão mostrados na Figura 16. As linhas representam os limites propostos por Nogami e Villibor (1995) e por Pejon (1992).

A tendência do agrupamento dos resultados referente ao sulco é vertical, porque os corpos-de-prova possuíam umidades muito próximas, fato que está diretamente ligado ao índice de absorção (S). Já as tendências referentes à voçoroca e à ravina são horizontalizadas, pois as umidades dos corpos-de-prova variaram mais significativamente entre si, resultando em diferentes valores de índice de absorção.

Verifica-se que, na maioria dos ensaios, o limite proposto por Nogami e Villibor (1995) classifica as amostras como erodíveis. Entretanto, é o limite proposto por Pejon (1992) que engloba todos os resultados obtidos, sendo assim mais indicado para o solo estudado. Também se observa que as

amostras apresentam resultados bem variáveis, mas todas foram classificadas como erodíveis.

Figura 16: Interpretação dos resultados dos ensaios de absorção de água e perda por imersão

5.1.3 Penetração de cone

Segundo o ensaio de penetração de cone, alguns resultados não foram representativos do que ocorre em campo, pois classificaram o solo como de baixa erodibilidade, como mostrado na Figura 17. Além disso, as amostras da voçoroca e do sulco são nitidamente heterogêneas, por isso, os limites de leitura mínima e máxima de ±5% da leitura média, recomendado por Alcântara e Vilar (1998) não foram considerados, pois descartavam uma grande quantidade de dados.

Figura 17: Interpretação dos resultados dos ensaios de penetração de cone

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Devido a esses problemas, foram realizados ensaios com períodos de saturação de 2, 4 e 8 horas. Porém, a variação do tempo de saturação não afetou os resultados, pois não foi possível observar alteração do valor de Pnat (média das leituras de penetração na condição de campo) em relação ao ensaio convencional. Como a umidade natural nos ensaios não variou significativamente, a variação de Pnat se deve à heterogeneidade do solo e não por efeito da sucção do solo.

6 CONCLUSÕES

Com base nos resultados dos ensaios realizados pode-se concluir o seguinte:

• Não se observou um comportamento padrão

no ensaio Inderbitzen, talvez pela heterogeneidade das amostras. Constatou-se que a estabilização da perda de solo em todos os ensaios foi próxima a dez minutos. A única tendência observada foi o aumento da perda de areia média com maiores inclinações de rampa, enquanto a porcentagem de material um pouco mais fino (areia fina) diminuiu. A taxa de erodibilidade (K) proposta por Bastos (1999) para identificar solos erodíveis foi apropriada classificar a erodibilidade dos solos estudados em alguns ensaios. Entretanto, em outros, a perda de solo já é alta para baixas tensões cisalhantes, resultando em valores de K baixos.

• O ensaio de cone de penetração apresentou alguns resultados que classificavam as amostras como de baixa erodibilidade, o que não condiz com a realidade local. Dessa forma, este ensaio não se mostrou um bom recurso para avaliar a erodibilidade dos solos estudados, talvez pelo fato destes serem heterogêneos e apresentarem resultados muito variáveis entre si.

• Resultados variáveis de erodível a altamente erodível foram obtidos para as três amostras no ensaio de absorção de água e perda por imersão. O limite proposto por Pejon (1992) foi o que melhor se aplicou para identificar os solos erodíveis. Por sua simplicidade de execução e por apresentar resultados coerentes com o comportamento de campo, esse ensaio é o recomendado como o que melhor se aplica ao estudo de processos erosivos no local estudado.

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT NBR 6484/01 (2001). Solo - Sondagens de

simples reconhecimento com SPT - Método de

ensaio, Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT.

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Bastos, C. A. B. (1999). Estudo Geotécnico sobre a Erodibilidade de Solos Residuais Não Saturados. Tese de Doutorado. Departamento de Engenharia Civil. Porto Alegre. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. UFRGS. 251p.

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Fácio, J. A. (1991). Proposição de uma Metodologia de Estudo da Erodibilidade dos Solos do Distrito Federal. Dissertação de Mestrado. Departamento de Engenharia Civil. Brasília-DF. Universidade de Brasília.

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