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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

Jamile Giriboni Rossi

ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS EXPANSIVOS DA

REGIÃO CENTRAL DO RIO GRANDE DO SUL

Santa Maria, RS, Brasil

2016


ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS EXPANSIVOS DA REGIÃO

CENTRAL DO RIO GRANDE DO SUL

Trabalho de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Civil da Universidade Federal de

Santa Maria (UFSM, RS), como requisito

parcial para a obtenção do grau de

Engenheiro Civil.

Orientador: Prof. Dr. José Mário Doleys Soares

Santa Maria, RS, Brasil

2016


ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS EXPANSIVOS DA REGIÃO

CENTRAL DO RIO GRANDE DO SUL

Trabalho de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Civil da Universidade Federal de

Santa Maria (UFSM, RS), como requisito

parcial para a obtenção do grau de

Engenheiro Civil.

Aprovado em 19 de dezembro de 2016:

________________________________________ Prof. Dr. José Mário Doleys Soares (UFSM)

(Presidente/Orientador)

________________________________________ Prof. Me. Talles Augusto Araújo

(Avaliador, UFSM)

________________________________________ Prof. Dr. Magnos Baroni

(Avaliador, UFSM)

Santa Maria, RS

2016

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus, por permitir que tudo isso acontecesse em minha vida

e ter me dado forças para continuar até mesmo quando eu queria desistir.

Agradeço aos meus pais por todo amor e incentivo, mas principalmente por todo esforço

que fizeram para que eu pudesse chegar até aqui, sei que não mediram esforços e fariam muito

mais se precisasse. Aos meus irmãos, Giuliano e Leonardo, por todo carinho e apoio ao longo

da minha trajetória, não apenas na vida acadêmica como também em todos os outros aspectos.

Agradeço ao meu namorado, Cássio Libraga, por toda paciência que teve ao longo dos

6 anos que está comigo, pela compreensão da minha ausência, quando necessária, e

principalmente por acreditar e nunca desistir de mim. Agradeço também aos meus sogros, Elton

e Tania, e ao meu cunhado, Eduardo, por serem a minha família em Santa Maria.

Agradeço aos meus colegas e amigos, em especial ao Vitor Geller e Renan Scherer, os

quais estiveram comigo compartilhando todas as dificuldades encontradas, o conhecimento

adquirido e as alegrias a cada etapa.

Agradeço a todos os professores que contribuíram para minha formação. Especialmente,

ao professor José Mário Doleys Soares, pela orientação, apoio, confiança e oportunidade de

elaborar este trabalho.

Agradeço desde já a esta banca examinadora por aceitar o convite e pela contribuição

que será dada a este trabalho.

E por último, mas não menos importante, à Universidade Federal de Santa Maria, e a

todos seus servidores que de alguma forma contribuíram com a minha formação,

principalmente ao Laboratório de Materiais de Construção Civil por disponibilizar sua atenção

e equipamentos utilizados neste trabalho.

RESUMO

CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS EXPANSIVOS DA REGIÃO CENTRAL DO RIO

GRANDE DO SUL

AUTOR: Jamile Giriboni Rossi

ORIENTADOR: Prof. Dr. José Mário Doleys Soares

Este trabalho tem como objetivo a caracterização e análise de solos da região central do

Rio Grande do Sul, especificamente com foco em comportamento expansivo. Amostras de um

perfil de solos da localidade de Vila Block, São Sepé, foram coletadas para avaliação do

possível comportamento expansivo do solo. Para caracterização das amostras deformadas

foram realizados os seguintes ensaios: granulometria por peneiramento e sedimentação,

determinação dos índices físicos, difração raio X, capacidade de troca catiônica – CTC, e

pressão de expansão. Os resultados dos ensaios de caracterização mostram que o solo é

predominantemente composto de silte e que há a existência de uma camada de 85cm com alto

índice de plasticidade. Os ensaios de difração de raio X indicaram a presença de argilominerais

expansivos. A capacidade de troca de cátions está dentro da faixa da ilita. A pressão de expansão

das camadas com alto índice de plasticidade estão na faixa de 17 kPa a 180 kPa, dependente da

umidade do solo. Neste trabalho também é analisado o estudo da caracterização de um solo

expansivo localizado no Campus Sede da UFSM (SOARES ET. AL, 2013) e o estudo de

patologias em construções devido a solos expansivos de Santa Maria apresentado por Maciel

Filho & Osorio (1981). A análise conjunta dos resultados dos 3 estudos mostrou que a região

central do Rio Grande do Sul apresenta perfis de solos que podem ter camadas de solos

expansivos que, em ciclos de seca e umidade excessiva, podem imprimir pressões em fundações

superiores a 300 kPa.

Palavras-chave: Solos expansivos; Expansibilidade; Argila; Raio X; CTC; Pressão de

expansão.

ABSTRACT

CHARACTERIZATION OF EXPANSIVE SOILS OF RIO GRANDE DO SUL’S

CENTRAL REGION

AUTHOR: Jamile Giriboni Rossi

ADVISER: Prof. Dr. José Mário Doleys Soares

This work aims to the caracterization and analysis of soils of the central region of Rio

Grande do Sul, specifically focusing on expansive behavior. Samples of a soil profile of Vila

Block, São Sepé, were collected to evaluate the possible expansive soil behavior. To

characterize the deformed samples, the following testes were carried out: granulometry by

sieving and sedimentation, determination of physical indexes, X-ray diffraction, cation

exchange capacity – CTC, and expansion pressure. The results of the characterization tests

show that the soil is predominantly composed of silt and that there is a layer of 85cm with a

high plasticity index. The X-ray diffraction test proves that there are clay minerals. The cation

exchange capacity is within the illite range. The expansion pressure of the layers with high

plasticity index is in the range of 17 kPa to 180 kPa, depending on soil moisture. In this task,

the study of the characterization of an expansive soil located at the UFSM Headquarters

(SOARES ET AL, 2013) and the study of construction pathologies due to expansive soils of

Santa Maria presented by Maciel Filho & Osorio (1981). The joint analysis of the results of the

three studies showed that the central region of Rio Grande do Sul presents soil profiles that may

have layers of expansive soils that, in cycles of drought and excessive humidity, can print

pressures on foundations greater than 300 kPa.

Keywords: Expansive soils; Expandability; Clay; X-ray; CTC; Expansion pressure.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Unidade estrutural das folhas tetraédricas. .................................................. 16

Figura 2 - Unidade estrutural das folhas octaédricas. ................................................... 17

Figura 3 - Cristal de caulinita. ...................................................................................... 18

Figura 4 - Vista lateral de um cristal de caulinita. ........................................................ 18

Figura 5 - Estrutura das esmectitas. .............................................................................. 19

Figura 6 - Estrutura das ilitas. ....................................................................................... 20

Figura 7 - Relação entre pesos e volumes. ................................................................... 21

Figura 8 - Elementos constituintes de um solo. ............................................................ 22

Figura 9 - Estados e limites de consistência. ................................................................ 28

Figura 10 - Classificação da expansibilidade de materiais argilosos de acordo com

Willians e Donaldson. ............................................................................. 30

Figura 11 - Gráfico de Plasticidade de Casagrande. ..................................................... 37

Figura 12 - Esquema das fendas poligonais. ................................................................ 40

Figura 13 - Fendas no terreno em estações úmidas. ..................................................... 40

Figura 14 - Equipamento utilizado para as medições de expansão livre. ..................... 42

Figura 15 - Difração de raios X por um cristal, θ é o ângulo do raio incidente com a

superfície e d é a distância entre dois planos paralelos. .......................... 45

Figura 16 - Trincas na edificação. ................................................................................ 48

Figura 17 - Inclinação de pilares. ................................................................................. 48

Figura 18 - Detalhe do rompimento da viga. ................................................................ 51

Figura 19 - Solo abaixo das vigas. ................................................................................ 51

Figura 20 - Vistas das fachadas leste e sul.................................................................... 53

Figura 21 - Contração dos solos - 0,60 e 1,00 m. ........................................................ 54

Figura 22 - Mapa de localização da Vila Block. .......................................................... 55

Figura 23 - Distribuição das unidades de mapeamentos. ............................................. 56

Figura 24 - Regiões Fisiográficas do Rio Grande do Sul. ............................................ 57

Figura 25 - Vista de cima da Vila Block, São Sepé. ..................................................... 57

Figura 26 - Vista frontal do local de retirada das amostras. ......................................... 58

Figura 27 - Mapa esquemático. .................................................................................... 58

Figura 28 - Trado Manual. ............................................................................................ 59

Figura 29 - Bandeja, espátula e cápsulas. ..................................................................... 59

Figura 30 - Amostras analisadas. .................................................................................. 60

Figura 31 - Provetas com amostras em sedimentação. ................................................. 61

Figura 32 - Principais materiais utilizados para a determinação do Limite de Liquidez.

................................................................................................................. 62

Figura 33 - Amostras contraídas. .................................................................................. 63

Figura 34 - Amostras contraídas. .................................................................................. 63

Figura 35 - Prensa de adensamento. ............................................................................. 65

Figura 36 - Curvas Granulométricas ............................................................................. 68

Figura 37 - Potencial de expansão segundo Willians e Donaldson (1980, apud

PEREIRA, 2004). .................................................................................... 71

Figura 38 - Raio X da amostra de profundidade 0,00m à 0,15m. ................................. 73







Figura 45 – Pressão de expansão em função da umidade ............................................. 78

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Valores típicos de limite de contração para argilominerais. ........................ 29

Tabela 2 - Classificação das argilas segundo o limite de consistência. ........................ 29

Tabela 3 - Atividade coloidal das argilas. .................................................................... 30

Tabela 4 - Grau de Contração. ...................................................................................... 31

Tabela 5 - Classificação quando ao índice de plasticidade. .......................................... 32

Tabela 6 - Critérios para a classificação dos solos, sistema SUCS. ............................. 35

Tabela 7 - Limites de Atterberg de minerais argilosos. ................................................ 43

Tabela 8 - Valores de LL/IP e IP/LP para minerais argilosos. ........................................ 43

Tabela 9 - Potencial de expansão de acordo com Chen (1983). ................................... 44

Tabela 10 - Potencial de expansão de acordo com Bowles (1977). ............................. 44

Tabela 11 – Distâncias interplanares características..................................................... 46

Tabela 12 – Faixa de valores usuais para CTC. ............................................................ 47

Tabela 13 - Principais características do solo estudado. ............................................... 52

Tabela 14- Resultados dos Ensaios. .............................................................................. 53

Tabela 15 - Umidade natural das amostras ................................................................... 66

Tabela 16 - Peso especifico natural e aparente seco ..................................................... 67

Tabela 17 - Índices Físicos. .......................................................................................... 69

Tabela 18 - Classificação dos Solos. ............................................................................ 69

Tabela 19 - Relações dos índices físicos ...................................................................... 72

Tabela 20 - Potencial de expansão de acordo com Chen. ............................................. 72

Tabela 21 - Potencial de expansão de acordo com Bowles. ......................................... 72

Tabela 22 - Resultados da CTC .................................................................................... 77

Tabela 23 - Pressão de Expansão .................................................................................. 78

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 12

1.1 Objetivos ................................................................................................................ 13

1.1.1 Objetivo Geral ..................................................................................................... 13

1.1.2 Objetivos Específicos .......................................................................................... 13

1.2. Justificativa .......................................................................................................... 14

2. REVISÃO BILBIOGRÁFICA .............................................................................. 15

2.1 Introdução a solos ................................................................................................. 15

2.1.1 Definições ............................................................................................................ 15

2.1.2 Composição química e mineralógica dos solos ................................................... 15

a) Estrutura cristalina dos argilominerais......................................................................16

2.1.3 Índices físicos do solo .......................................................................................... 21

a) Elementos constituintes ............................................................................................ 22

b) Teor de umidade (w) ............................................................................................... 22

c) Índice de vazios (e) .................................................................................................. 23

d) Porosidade (ƞ) .......................................................................................................... 23

e) Pesos específicos do solo (𝛄nat , 𝛄s , 𝛄w , 𝛄d e 𝛄sat) ..................................................... 24

f) Densidade relativa dos grãos (D) .............................................................................. 26

g) Grau de Saturação (Sr) ............................................................................................. 26

2.1.4 Propriedades dos solos ......................................................................................... 27

a) Plasticidade ............................................................................................................... 27

b) Limites de consistência ou limites de Atterberg ...................................................... 27

c) Atividade coloidal das argilas (AC) .......................................................................... 29

d) Grau de contração (C) .............................................................................................. 31

e) Índice de contração (Co) ........................................................................................... 31

f) Índice de plasticidade (IP) ......................................................................................... 31

g) Índice de liquidez (IL) ............................................................................................... 32

2.1.5 Classificação dos solos ........................................................................................ 32

a) Sistema Unificado de Classificação dos Solos ......................................................... 34

2.2 Solos expansivos .................................................................................................... 38

2.2.1 Definições ............................................................................................................ 38

2.2.2 Composição ......................................................................................................... 38

2.2.3 Comportamento ................................................................................................... 39

2.2.4 Ensaios e técnicas de identificação ...................................................................... 39

a) Métodos diretos ........................................................................................................ 41

b) Métodos indiretos ..................................................................................................... 42

2.3 Patologias associadas a solos expansivos............................................................. 47

2.4 Estudo de casos de solos expansivos .................................................................... 49

a) Santa Maria 1 ............................................................................................................ 49

b) Santa Maria 2 ............................................................................................................ 50

c) São Sepé ................................................................................................................... 52

3. METODOLOGIA E MATERIAIS ....................................................................... 55

3.1 Área de estudo ....................................................................................................... 55

3.1.1 Localização da área .............................................................................................. 55

3.1.2 Caracterização geológica ..................................................................................... 56

3.2 Materiais e métodos .............................................................................................. 58

3.2.1 Materiais .............................................................................................................. 58

3.2.2 Métodos ............................................................................................................... 60

a) Umidade .................................................................................................................... 60

b) Peso Específico Natural ............................................................................................ 60

c) Análise Granulométrica ............................................................................................ 61

d) Massa Específica dos Solos ...................................................................................... 61

e) Limite de Liquidez .................................................................................................... 62

f) Limite de Plasticidade ............................................................................................... 62

g) Limite de Contração ................................................................................................. 63

h) Difração de Raio X ................................................................................................... 64

i) Capacidade de Troca de Cátions ............................................................................... 64

j) Pressão de Expansão ................................................................................................. 64

4. RESULTADOS E ANÁLISES ............................................................................... 66

4.1 Índices físicos ......................................................................................................... 66

4.1.1 Umidade ............................................................................................................... 66

4.1.2 Peso específico natural (𝛄nat) e aparente seco (𝛄d) ............................................ 66

4.2 Ensaios de caracterização .................................................................................... 67

4.2.1 Análise Granulométrica ....................................................................................... 67

4.2.2 Propriedades e classificação das amostras de solos ............................................. 68

4.2.3 Difração de Raio X .............................................................................................. 73

4.2.4 Capacidade de Troca de Cátions .......................................................................... 77

4.3 Pressão de expansão ............................................................................................. 77

5. CONCLUSÕES ....................................................................................................... 79

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................81

ANEXO A.....................................................................................................................84

12

1. INTRODUÇÃO

A fundação é o componente da construção responsável por transmitir as cargas de um

empreendimento para o solo. O solo deve ser resistente e ter baixa deformabilidade para que a

fundação cumpra com seu objetivo sem causar danos às construções. O projeto de fundações é

elaborado de acordo com a capacidade de carga do solo e com a carga que ele receberá da

edificação. O solo também é importante para obras rodoviárias, pois constituirá o subleito do

pavimento e um solo problemático necessita técnicas de estabilização. Em taludes, solos

problemáticos causam instabilidade. Desse modo, torna-se importante o conhecimento prévio

do perfil e propriedades do solo.

Os solos de comportamento mais problemáticos são aqueles muito compressíveis ou

que apresentam caráter expansivo ou colapsível. Sendo a ênfase deste trabalho o estudo de solos

compostos por argilas expansivas. A presença de argilas expansivas em rochas e solos gera uma

preocupação constante entre profissionais da área geotécnica, pois o uso indiscriminado deste

material pode gerar instabilidade em taludes, subleito de pavimentos, fundações de construções,

desabamento de túneis, etc. devido, principalmente, a sua propriedade de expansibilidade

(PEREIRA, 2011).

Há poucos estudos sobre o comportamento dos solos expansivos da região central do

Rio Grande do Sul, sendo uma referência inicial os estudos feitos por Maciel Filho (1977), que

menciona que estes solos são problemáticos, capazes de provocar danos estruturais nas

edificações sobre ele apoiadas. Este tipo de solo apresenta grande variação em seu volume

quando sua umidade é alterada. Quando com aumento de umidade o solo sofre grande aumento

de volume imprimindo nas fundações e estruturas elevadas pressões de expansão.

O conhecimento prévio do comportamento deste solo poderia evitar o surgimento de

patologias que são muito onerosas quando tem sua origem nas fundações. As sondagens e

estudos especiais são fundamentais a caracterização e identificação desse tipo de solo.

Há inúmeras técnicas e ensaios que podem identificar e caracterizar este material,

através de amostras deformadas e/ou indeformadas. A identificação dos argilominerais

presentes no solo é fundamental para o entendimento do potencial expansivo do solo.

Há duas categorias em que se pode dividir estes métodos de identificação dos solos

expansivos. O primeiro envolve a medição das propriedades físicas do solo, tais como limite de

Atterberg, expansão livre e potencial de expansão, enquanto que a segunda categoria

compreende as propriedades químicas e mineralógicas do solo, tais como o teor de argila e a

13

capacidade de troca de cátions (NELSON, et al, 2015). Além dessa divisão quanto a

propriedades físicas e mineralógicas supracitadas, os métodos de identificação podem ser

categorizados em diretos e indiretos.

Portanto, este trabalho envolve o estudo e a caracterização de solos expansivos da região

central do Rio Grande do Sul objetivando avaliar a pressão de expansão e o seu potencial de

expansão. Está além do caráter acadêmico e da pesquisa, é uma forma de disponibilizar

informações aos construtores e projetistas da região e estimular novas pesquisas.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo geral caracterizar o comportamento de solos

expansivos da região central do Rio Grande do Sul e avaliar suas pressões de expansão.

1.1.2 Objetivos Específicos

Fazer a revisão bibliográfica sobre solos expansivos.

Realizar ensaios de caracterização e especiais das amostras, como raio X e capacidade

de troca catiônica.

Analisar os resultados para classificar e avaliar o comportamento do solo apontando

possíveis potenciais de expansão bem como as pressões de expansões.

Comparar os resultados obtidos com os estudos de Soares (et al, 2013) e Maciel Filho

& Osório (1981).

Apresentar caso de patologias de construção de Santa Maria e outras regiões associadas

à expansão de solos.

14

1.2. JUSTIFICATIVA

A presença de argilominerais expansivos é a principal causa da mudança significativa

de volume dos solos quando em processos de variação de umidade com consequentes danos às

construções assentes sobre eles.

Este trabalho analisará o comportamento de solos expansivos na região central do Rio

Grande do Sul e estas informações poderão ser aproveitadas em projeto de fundações e

construções nesta região. Conhecendo o comportamento do solo, os engenheiros terão

condições de definir com maior clareza qual tipo de fundação e cuidados executivos para evitar

custos onerosos na recuperarão de edificações afetadas.

Portanto, a necessidade da caracterização dos solos expansivos e do conhecimento de

seu comportamento justifica o presente estudo.

Este trabalho compreende 5 capítulos em que o este primeiro capítulo trata da introdução

ao tema, apresentação dos objetivos e justificativa.

O segundo capítulo traz uma revisão bibliográfica sobre o assunto abordado e no terceiro

capítulo encontra-se a metodologia utilizada para os ensaios.

Já no quarto capítulo estão apresentados os resultados e análises obtidos pelos ensaios e

no quinto, e último, capítulo é abordada a conclusão do trabalho.

15

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 INTRODUÇÃO A SOLOS

2.1.1 Definições

Segundo Caputo (1988), os solos resultam de intemperismo ou desintegração das

rochas. As argilas são, normalmente, o último estágio do processo de decomposição. Há dois

grandes grupos de intemperismo, o mecânico e o químico. A desintegração mecânica ocorre

através da água, temperatura, vegetação e vento. A decomposição química tem como principal

agente a água e os processos mais decorrentes são a oxidação, hidratação, carbonatação e os

efeitos químicos da vegetação.

Ainda de acordo com o mesmo autor, os minerais encontrados nas rochas de origem

serão os mesmos minerais componentes do solo, com a adição ou alteração de alguns minerais

que se formam na decomposição. Estes minerais podem ser silicatos, óxidos, carbonatos,

sulfatos e minerais argílicos (caulinitas, montmorilonitas e ilitas).

A definição do Ortigão (2007) condiz com a definição de Caputo (1988), solos originam

das rochas através do intemperismo dividido em dois grandes grupos, o químico e o mecânico.

Solos que permanecem perto da rocha de origem são chamados de solos residuais, os que não

se encontram perto da rocha de origem são chamados de sedimentares ou transportados tendo

como principais transportadores a água e o vento.

2.1.2 Composição química e mineralógica dos solos

Para Caputo (1988), os minerais encontrados nos solos são divididos em dois grupos,

os primários, os mesmos da rocha de origem, e os secundários, que se formam na

decomposição. Estes minerais podem ser silicatos, óxidos, carbonatos, sulfatos, minerais e

argílicos (caulinitas, montmorilonitas e ilitas), entre outros. Isto é, a fração grossa é composta

por grãos silicosos, ao mesmo tempo em que, a fração fina é composta pelos minerais argílicos

citados anteriormente.

16

a) Estrutura cristalina dos argilominerais

Segundo Santos (1989), há dois grupos fundamentais que constituem a estrutura

cristalina dos argilominerais, os grupos tetraédricos e octaédricos de átomos ou íons de

hidrogênio e de íons hidroxila, ao redor de pequenos cátions. Os principais cátions encontrados

nos grupos tetraédricos são os Si4+ e Al3+, às vezes, Fe3+ e Fe2+, já nos grupos octaédricos são

encontrados os cátions Al3+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Ti4+, às vezes, Cr3+, Mn2+, Zn2+ e Li+.

Os dois grupos formam folhas hexagonais tetraédricas ou octaédricas (Figura 1 e 2).

Estas folhas podem se reajustar ou encaixar entre si para formar camadas compostas de duas

ou mais folhas gerando uma diversidade de estruturas cristalinas, entre elas, a maioria dos

argilominerais conhecidos. As dimensões da folha dependem da composição atômica delas. As

ligações entre as folhas são ligações mais fracas que aquelas ligações entre íons dentro das

folhas, que são ligações parcialmente iônicas, parcialmente covalentes em caráter (SANTOS,

1989). Os silicatos em camadas podem ser agrupados em arranjos de 1:1, 2:1, 2:1:1,

relacionando-se ao número de tetraedros de SiO2 e de octaedros de hidróxidos (PEREIRA,

2004).

Figura 1 - Unidade estrutural das folhas tetraédricas.

Fonte: SANTOS, 1989, p. 57.

17

Figura 2 - Unidade estrutural das folhas octaédricas.


a.1) Estrutura da caulinita

É formada pelo empilhamento regular das camadas 1:1, cada camada é composta por

uma folha de tetraedros SiO4 e uma folha de octaedros Al2(OH)6 ligadas entre si em uma única

camada através de oxigênio em comum. A fórmula estrutural da cela unitária (frequentemente

é o menor volume do cristal limitado por três pares de lados paralelos, por movimentos paralelos

aos três eixos cristalográficos a, b, c da cela unitária, a cela unitária deve ser escolhida de forma

que tenha a mesma simetria do cristal total) é Al4Si4O10(OH)8. A estrutura cristalina é

eletricamente neutra e não existe substituições por cátions (SANTOS, 1989).

Os íons de alumínio neutralizam as cargas dos silicatos, para isso, eles ocupam dois

terços das posições octaédricas. As folhas tetraédricas e octaédricas são contínuas nas direções

de dois eixos cristalográficos (Figuras 3 e 4), a e b, e estão empilhadas na direção do eixo

cristalográfico c (SANTOS, 1989).

18

Figura 3 - Cristal de caulinita.


Figura 4 - Vista lateral de um cristal de caulinita.


a.2) Estrutura das esmectitas (montmorilonita)

É constituída por duas folhas de silicato tetraédricas, com uma folha central octaédrica

unidas por oxigênio comum as duas folhas. As folhas são contínuas nas direções a e b, podendo

haver substituições isomórficas do alumínio por sílicio nas posições tetraédricas (SANTOS,

1989).

Quando colocados juntamente da água ou em ambientes úmidos, os cátions trocáveis,

que não estão fixados, se hidratam, entra água e aumenta o espaçamento basal, assim, os cátions

interlamelares podem ser trocados por outros cátions através da reação estequiométrica. A

19

fórmula geral do grupo da esmectita é Al4Si87O20(OH)4.nH2O, sendo n a água interlamelar, mas

os argilominerais diferem muito desta composição devido aos cátions trocáveis e as

substituições isomórficas. Possui camada unitária 2:1 (Figura 5), o que é uma diferença

fundamental para caulinita (SANTOS, 1989).

Figura 5 - Estrutura das esmectitas.

Fonte: MURRAY, 2007, p. 13.

a.3) Estrutura das micas (ilita)

A ilita faz parte do grupo das micas e tem a estrutura semelhante à da montmorilonita,

porém há uma substituição maior do alumínio por silício, dando maior carga para a estrutura e

o potássio (K+) é o cátion neutralizante. Por consequência, as camadas estruturais possuem uma

ligação iônica mais forte, portanto, não expandem, a menos que haja perda de íons K+

enfraquecendo a ligação. Também possuem estrutura de 2:1 (Figura 6). (SANTOS, 1989).

Segundo Gomes (1986, apud PEREIRA, 2004), a ilita possui mais carga negativa do

que a montmorilonita, e está carga está localizada na folha tetraédrica, o que quer dizer que está

mais próxima dos cátions intercalares. Logo, as forças estruturais entre as camadas são mais

20

fortes, o que impede a entrada de água e outros líquidos polares. E para Mitchel (1976, apud

PEREIRA, 2004) a única maneira de haver a entrada de água surge quando a ilita perde íons

K+.

Figura 6 - Estrutura das ilitas.

Fonte: MURRAY, 2007, p.15.

a.4) Estrutura da vermiculita

Tem estrutura parecida tanto com a clorita quanto com a montmorilonita. Os cátions

neutralizantes são iguais aos da clorita, normalmente magnésio, porém estes cátions estão

rodeados de água em vez de hidroxilas. Logo, assim como na montmorilonita, existe água

interlamelar que provocará a expansão do argilomineral. A expansão é limitada, diferentemente

da montmorilonita. Também apresenta estrutura 2:1. (SANTOS, 1989).

21

2.1.3 Índices físicos do solo

Índices físicos são propriedades intrínsecas dos solos. Para Fiori e Carmignani (2011),

são compostos por relações matemáticas entre pesos e volumes dos componentes de uma massa

de solo, isto é, a relação entre as porções líquidas, sólidas e gasosas de uma massa de solo. A

Figura 7 mostra fisicamente a relação entre pesos e volumes.

Figura 7 - Relação entre pesos e volumes.

Fonte: Ortigão, 2007.

Onde:

V = Volume total

Vv = Volume de vazios

Va = Volume de ar

Vw = Volume de água

Vs = Volume de sólidos

W = Peso total

Ww = Peso de água

Ws = Peso de sólidos

𝛄w = Peso específico da água, considerando igual a 10 kN/m³

22

a) Elementos constituintes

Para Caputo (1988), os elementos constituintes de um solo são as partículas sólidas, o

vazio existente entre elas e a água que pode estar preenchendo estes vazios, representado na

Figura 8.

Figura 8 - Elementos constituintes de um solo.

Fonte: Caputo, 1988.

b) Teor de umidade (w)

É definido como a razão entre o peso da água contida em certo volume de solo e o peso

da parte sólida encontrada neste mesmo volume, é expresso em porcentagem. Muito relevante

para conhecer a resistência de solos argilosos, já que, a resistência dos solos argilosos depende

da porcentagem de água contida nos vazios (CAPUTO, 1988).

𝑤 (%) =

𝑊𝑤

𝑊𝑠 𝑥 100

(1)

Segundo Fiori e Carmignani (2011), para solos úmidos, a quantidade de água contida

em uma amostra está em torno de 60%, e, para solos aparentemente secos, o conteúdo de água

está em torno de 2% a 3%. O valor da umidade natural do solo pode mudar de acordo com a

região em que se encontra a amostra, as condições climáticas e o ambiente à sua volta, por

exemplo, se ela se encontra na superfície do terreno ou mais profundamente, se no ambiente há

lagos, rios ou fontes próximas a ela.

23

c) Índice de vazios (e)

O índice de vazio de uma amostra de solo é apresentando como a razão entre o volume

de vazios desta amostra pelo volume de sólidos da mesma amostra. O índice de vazios é

expresso em decimal (FIORI E CARMIGNANI, 2011).

𝑒 =

𝑉𝑣

𝑉𝑠

(2)

Fiori e Carmignani (2011) dizem que “o índice de vazios é uma medida de densidade e,

portanto, representa uma das características mais importantes para definição de um solo”.

Ortigão (2007, p. 20) menciona que “quanto maior o índice de vazios, maior é a deformação

volumétrica quando o material é comprimido”.

d) Porosidade (ƞ)

A porosidade de uma amostra de solo é apresentada como a razão do volume de vazios

existente na amostra pelo volume total da amostra. A porosidade é expressa em porcentagem

(FIORI E CARMIGNANI, 2011).

𝜂(%) =

𝑉𝑣

𝑉

(3)

Para Fiori e Carmignani (2011), a porosidade é, assim como o índice de vazios, uma

medida da densidade do solo. Porém, o índice de vazios tem mais representatividade quanto ao

estudo de variações volumétricas do que a porosidade, pois o índice de vazios se relaciona ao

volume dos sólidos e ele permanece constante quando há variação do volume do terreno.

24

e) Pesos específicos do solo (𝛄nat , 𝛄s , 𝛄w , 𝛄d e 𝛄sat)

São vários os pesos específicos do solo. Para Fiori e Carmignani (2011), o peso

específico é a relação de divisão entre o peso de um determinado componente das três partes

físicas do solo e do volume da respectiva parte.

- Peso específico natural ou úmido (𝛄, 𝛄nat)

Como se trata do peso específico natural é expresso pela razão entre o peso da amostra

e seu volume natural, ou seja, encontrado in situ (FIORI E CARMIGNANI, 2011).

𝛾𝑛𝑎𝑡 =

𝑊𝑤

𝑉

(4)

Onde:

Ww = peso da amostra, ou seja, peso da água mais o peso dos sólidos.

V = volume encontrado in situ.

Em bibliografias como a do Pinto (2006) afirmam que o peso específico natural não tem

uma grande variação de solo para solo, em geral encontramos valores de 15 a 20 kN/m³, há,

porém, casos especiais como as argilas orgânicas moles que podem apresentar o peso específico

igual a 14 kN/m³.

- Peso específico dos grãos (𝛄s)

Para Pinto (2006), o peso específico dos grãos é obtido pela razão entre o peso dos

sólidos ou grãos e seu volume. O peso que entra nesta equação é aquele em que a amostra de

solo está totalmente seca, não considerando nem se quer o peso da água que entra na

composição química dos minerais.

25

𝛾𝑠 =

𝑊𝑠

𝑉𝑠

(5)

Onde:

Ws = peso dos sólidos

Vs = volume dos sólidos

O peso específico dos grãos também não varia muito de solo para solo, logo, não é

possível identificar um solo somente por seu peso específico. Porém, é necessário para o cálculo

de outros índices. Os valores encontram-se ao redor de 27 kN/m³ (PINTO, 2006).

- Peso específico da água (𝛄w)

O peso específico da água é expresso pela razão entre o peso da amostra de água e do

seu volume (FIORI E CARMIGNANI, 2011). Adota-se, em geral, 10 kN/m³.

𝛾𝑤 =

𝑊𝑤

𝑉𝑤

(6)

Onde:

Ww = peso da água

Vw = volume da água

- Peso específico aparente do solo seco (𝛄d)

O peso específico seco é expresso pela razão entre o peso dos sólidos e o volume total

da amostra de solo, depois que esta amostra for totalmente seca em estufa. O peso específico

do solo seco situa-se entre 13 e 19 kN/m³, para casos específicos como argilas orgânicas moles

situa-se entre 5 e 7 kN/m³ (PINTO, 2006).

𝛾𝑑 =

𝑊𝑠

𝑉

(7)

26

Onde:

Ws = peso dos sólidos

V = volume total da amostra

- Peso específico saturado (𝛄sat)

O peso específico saturado é expresso pela razão entre o peso total da amostra de solo

com todos os vazios cheios de água e o seu volume total (FIORI E CARMIGNANI, 2011).

Situa-se ao redor de 20 kN/m³ (PINTO, 2006).

𝛾𝑠𝑎𝑡 =

𝑊𝑠𝑎𝑡

𝑉

(8)

Onde:

Wsat = peso total da amostra

V = volume total da amostra

f) Densidade relativa dos grãos (D)

A densidade relativa é expressa pela razão entre o peso específico dos grãos e o peso

específico da água (FIORI E CARMIGNANI, 2011).

𝐷 =𝛾𝑠

𝛾𝑤

(9)

g) Grau de Saturação (Sr)

O grau de saturação de um solo é apresentado como a razão do volume de água pelo

volume de vazios. O grau de saturação é expresso em porcentagem (FIORI E CARMIGNANI,

2011).

27

𝑆𝑟(%) =

𝑉𝑤

𝑉𝑣

(10)

2.1.4 Propriedades dos solos

a) Plasticidade

De acordo com os estudos e experiência ao longo dos anos, foi evidenciado que, onde

há certa porcentagem de fração fina a granulometria não é suficiente para definir suas

características e evidenciar particularidades, pois o teor de umidade do solo, a forma das

partículas e sua composição química e mineralógica estão relacionados com sua plasticidade.

A plasticidade se define quanto a maior ou menor capacidade do solo de moldar-se sem variação

de volume e sob certa condição de umidade (CAPUTO, 1988).

b) Limites de consistência ou limites de Atterberg

Fiori e Carmignani (2011) mencionam que “são três limites de consistência e são

conhecidos como limites de contração (LC), de plasticidade (LP), e de liquidez (LL)”. Os solos

coesivos possuem uma consistência plástica para certos teores limites de umidade, abaixo

destes teores eles apresentam consistência sólida, acima eles apresentam consistência líquida.

Existe ainda estados de consistência plástica e sólida, chamada de semi-sólida (Figura 9).

Caputo (1988) afirma que se a umidade do solo é elevada, e ele se apresenta como um

fluido, este solo está no estado líquido. Conforme vai evaporando a água ele vai perdendo sua

capacidade de fluir até que para um certo limite de liquidez (LL) ele perde a capacidade de fluir,

mas pode ser moldado facilmente conservando sua forma (estado plástico). Continuando a

perda de umidade até seu limite de plasticidade (LP) o solo passa a se desmanchar ao ser

trabalhado (estado semi-sólido). Continuando mais ainda a secagem do solo, este passa para o

estado sólido e o limite entre o estado sólido e semi-sólido é o limite de contração (LC).

28

Figura 9 - Estados e limites de consistência.

Fonte: Caputo, 1988.

b.1) Limite de Liquidez

É o teor de umidade que separa o estado líquido do estado plástico, e para o qual o solo

apresenta uma pequena resistência ao cisalhamento. É determinado através da ABNT/NBR

6459/84.

b.2) Limite de plasticidade

É o teor de umidade mínimo, para o qual é permitido deformação devido a pequena

coesão, mas que também garante a manutenção da forma adquirida. É determinado através da

ABNT/NBR 7180/1984.

b.3) Limite de contração

É o limite para o qual a amostra não mais se contrai, mas continua perdendo peso. O

valor do limite de contração é igual ao teor de umidade encontrado (CAPUTO, 1988).

Para Fiori e Carmignani (2011), quanto menor for o valor do limite de contração, mais

passível estará o solo à mudança de volume, já que menor será a quantidade de água para que

se inicie a mudança de volume. É expresso em porcentagem.

Mitchel (1976, apud DAS, 2007, p. 59) propõe valores típicos de limite de contração

para alguns argilominerais, estes valores podem ser vistos na Tabela 1.

29

Tabela 1 - Valores típicos de limite de contração para argilominerais.

Mineral Limite de contração

Montmorilonita 8,5-15

Ilita 15-17

Caulinita 25-29

Fonte: MITCHELL, 1976 apud DAS 2007, Fundamentos de engenharia geotécnica, p. 59.

b.4) Índice de consistência (I c)

É determinada em função da umidade do solo. A classificação das argilas de acordo com

o índice de consistência pode ser encontrada na Tabela 2 (CAPUTO, 1988).

𝐼𝐶 =

𝐿𝐿 − 𝑤

𝐼𝑃

(11)

Tabela 2 - Classificação das argilas segundo o limite de consistência.

Classificação IC

Muito moles <0

Moles 0< IC<0,50

Medias 0,50< IC<0,75

Rijas 0,75< IC<1,00

Duras >1,00

Fonte: CAPUTO, 1988, Mecânica dos solos e suas aplicações, p. 58.

c) Atividade coloidal das argilas (AC)

Segundo Skempton (1953 apud ORTIGÃO, 2007, p. 27) a atividade coloidal das argilas

é expressa por:

𝐴𝐶 =

𝐼𝑃

𝐹𝑟𝑎çã𝑜 𝑎𝑟𝑔𝑖𝑙𝑎

(12)

30

A fração argila é a porcentagem do material fino (inferior a 2μm) e o IP é o índice de

plasticidade. A atividade coloidal é o indicador do potencial de variação do volume de argila e

pode ser classificada de acordo com a Tabela 3. Caputo (1988) diz que os argilominerais do

grupo da montmorilonita são os mais ativos, enquanto a caulinita é o menos ativo. Portanto,

quanto maior a expansibilidade do solo, maior é sua atividade coloidal.

Tabela 3 - Atividade coloidal das argilas.

Atividade AC

Inativa <0,75

Normal 0,75-1,25

Alta >1,25

Fonte: SKEMPTON, 1953 apud ORTIGÃO, 2007, Introdução à mecânica dos solos dos estados críticos, p. 28.

Através dos índices de Skempton, Willians e Donaldson (1980, apud PEREIRA, 2004,

p. 52) elaboraram um gráfico (Figura 10) onde é possível relacionar índice de plasticidade, %

de argila, atividade coloidal e potencial de expansão.

Figura 10 - Classificação da expansibilidade de materiais argilosos de acordo com Willians e

Donaldson.

Fonte: WILLIANS E DONALDSON, 1980, apud PEREIRA, 2004, p. 52

31

d) Grau de contração (C)

Segundo Caputo (1988), é a razão da diferença entre o volume inicial e final da amostra

(após secagem) pelo volume inicial. É expresso em porcentagem.

𝐶(%) =

𝑉𝑖 − 𝑉𝑓

𝑉𝑖𝑥100

(13)

A Tabela 4 apresenta a indicação de solos para aplicação em camadas compactadas com

relação ao grau de contração.

Tabela 4 - Grau de Contração.

Grau de Contração

Solos bons GC < 5%

Solos regulares 5 < GC < 10%

Solos sofríveis 10% < GC < 15%

Solos péssimos GC > 15%

Fonte: CAPUTO, 1988, Mecânica dos solos e suas aplicações, p. 60.

e) Índice de contração (Co)

Para os mesmos autores citados anteriormente, o índice de contração é dado como a

diferença entre o limite de plasticidade e o de contração, e é ele que fornece a informação sobre

a contração do solo após perda da água (FIORI E CARMIGNANI, 2011).

𝐶𝑂 = 𝐿𝑃 − 𝐿𝐶 (14)

f) Índice de plasticidade (IP)

Segundo Caputo (1988), é expresso pela diferença entre o limite de liquidez e o limite

de plasticidade. Quanto maior for o índice de plasticidade, maior é a plasticidade do solo. É

32

nulo para areias e alto para argilas. A matéria orgânica eleva o limite de plasticidade sem elevar

o de liquidez, portanto, solos com quantidade elevada de matéria orgânica possuem baixos

valores de Ip. Quanto maior o índice de plasticidade, maior é a compressibilidade da argila.

𝐼𝑃 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 (15)

Burmister (1949 apud DAS, 2007) categorizou o índice de plasticidade do modo

exemplificado na Tabela 5.

Tabela 5 - Classificação quando ao índice de plasticidade.

IP Descrição

0 Não plástico

1-5 Ligeiramente plástico

5-10 Plasticidade baixa

10-20 Plasticidade média

20-40 Plasticidade alta

>40 Plasticidade muito alta

Fonte: BURMISTER, 1949 apud DAS, 2007, Fundamentos de engenharia geotécnica, p. 57.

g) Índice de liquidez (IL)

Ortigão (2007) diz que o índice de liquidez é a razão entre a diferença da umidade

natural da amostra (w) e o limite de plasticidade pelo índice de plasticidade. Para argilas com

w=LL, o índice de liquidez é igual a 1.

𝐼𝐿 =

(𝑤 − 𝐿𝑃)

𝐼𝑃

(16)

2.1.5 Classificação dos solos

Os solos podem ser classificados em conformidade com suas propriedades, tamanho das

partículas, origem e comportamento.

33

Existem diversas classificações na literatura, como a American Society for Testing

Materials (ASTM), que normalizou o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), a

American Association for State Highway and Transportation Officials (AASHTO), voltada

para a área rodoviária e Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) (DAS, 2007).

Segundo a ABNT/NBR 6502 (1995), os solos são classificados quanto a granulometria

em bloco de rocha (diâmetro superiores a 1m), matacão (com uma dimensão entre 200mm e

1m), pedra de mão (diâmetro entre 60mm e 200mm), pedregulho (diâmetro entre 2 e 60mm),

areia (diâmetro entre 0,06 a 2,00mm), silte (diâmetro entre 0,002 e 0,06mm) e argila (diâmetro

menor que 0,002mm).

Quanto a origem, os solos podem ser classificados em residuais (residual maduro,

saprolito e rocha alterada) e solos transportados/sedimentares (solos coluvionares, aluvionares,

eólicos e drifts) (PINTO, 2006).

Os solos residuais se encontram exatamente no mesmo local da rocha mãe e são o

resultado da decomposição das rochas. Os solos residuais maduros são solos superficiais, o solo

saprolito mantém a estrutura da rocha mãe, mas já perdeu a consistência da rocha, é também

chamado de solo residual jovem e a rocha alterada é o horizonte em que a alteração progrediu

ao longo de zonas de pequena resistência, deixando intactos grandes blocos da rocha mãe

(PINTO, 2006).

Os solos transportados são aqueles levados até o local em que estão por algum agente

transportador. Os coluvionares provém da ação da gravidade, os aluvionares são formados pela

ação da água, os eólicos são trazidos pelo vento e os drifts pelas geleiras (PINTO, 2006).

Pinto (2006) mostra que existem também os solos de origem orgânica e laterítica. Os de

origem orgânica provém da decomposição de material de origem vegetal ou animal em grandes

quantidades. Solos orgânicos são solos muito compressíveis, já que, pela característica

orgânica, possui elevado teor de vazios. Os solos lateríticos tem a fração argila constituída de

minerais cauliniticos, além de apresentar elevada concentração de ferro e alumínio dando

origem a cor avermelhada. Apresenta elevada capacidade de suporte quando compactados.

Existem também solos problemáticos classificados como colapsíveis e expansivos.

Solos colapsíveis se encontram na condição não saturada e apresenta considerável e rápida

compressão quando submetidos a um aumento de umidade sem variação da tensão a que estão

submetidos (PINTO, 2006). E, solos expansivos são aqueles que, segundo Perko (2009), exibe

mudança de volume com variação de umidade.

34

a) Sistema Unificado de Classificação dos Solos

Desenvolvido por Casagrande, inicialmente para ser usado em construções de

aeroportos, desde então é empregado em diversas áreas (PINTO, 2006). É apresentado na

Tabela 6.

35

Tabela 6 - Critérios para a classificação dos solos, sistema SUCS.

Critérios para atribuição dos símbolos de grupo Símbolos

Solos grossos

Mais de 50%

de material

retido na

peneira Nº

200.

Pedregulhos

Mais de 50% da

fração grossa retida

na peneira Nº 4

Pedregulhos Puros Cu ≥ 4 e 1 ≤ Cc≤ 3 c

GW

Menos de 5% de grãos finos a Cu ˂ 4 e/ou 1 ˃ Cc> 3 c GP

Pedregulhos com finos IP <4 ou representado abaixo da linha

“A” (Figura 11) GM

Mais de 12% d grãos finos a, d IP > 7 e representado na ou acima da

linha “A” (Figura 11) GC

Areias

50% ou mais da

fração grossa

passam na peneira

Nº4

Areias Puras Cu ≥ 6 e 1 ≤ Cc ≤ 3 c

SW

Menos de 5% de finos b Cu ˂ 6 e/ou 1 ˃ Cc> 3 c SP

Areias com finos IP < 4 ou representado abaixo da linha

“A” (Figura 11) SM

Mais de 12% de finos b, d IP > 7 e representado na ou acima da

linha “A” (Figura 11)

SC

36

Solos finos

50% ou mais

passam na

peneira Nº

200.

Siltes e argilas

Limite de liquidez

inferior a 50

Inorgânico

IP > 7 e representado na ou acima da

linha “A” (Figura 11) e

CL

IP < 4 ou representado abaixo da linha

“A” (Figura 11) e

ML

Orgânico

<0,75

Veja a Figura 7; Zona OL

OL

Siltes e argilas

Limite de liquidez

50 ou superior

Inorgânico

IP representado na ou acima da linha

“A” (Figura 11)

CH

IP representado abaixo da linha “A”

(Figura 11)

MH

Orgânico

<0,75

Veja a Figura 7; Zona OH

O

H

Solos

Altamente

Orgânicos

Matéria primariamente orgânica, de cor escura e odor orgânico

Pt

Fonte: DAS, 2007, Fundamentos de engenharia geotécnica, p. 74.

37

a Pedregulhos com 5 a 12% de finos requerem os símbolos duplos: GW-GM, GW-GC,

GP-GM, GP-GC.

b Areia com 5 a 12% de finos requerem os símbolos duplos: SW-SM, SW-SC, SP-SM,

SP-SC.

c Cu= D60

D10; Cc =

(𝐷30)2

𝐷60𝑋𝐷10

d Se 4 ≤ IP ≤ 7 e é representado na área hachurada na Figura 11, use o símbolo duplo

GC-GM ou SC-SM.

e Se 4 ≤ IP ≤ 7 e é representado na área hachurada na Figura 11, use o símbolo duplo

CL-ML.

Figura 11 - Gráfico de Plasticidade de Casagrande.

Fonte: DAS, 2007, Fundamentos de engenharia geotécnica, p. 75.

38

2.2 SOLOS EXPANSIVOS

2.2.1 Definições

Solos expansivos são aqueles que quando tem sua umidade aumentada sofrem aumento

de volume, o qual é prejudicial para as construções. Para Pinto (2006), este aumento de volume,

ou seja, essa expansão acontece em razão da entrada de água nas interfaces das estruturas

mineralógicas das partículas argilosas, ou então, é devido à liberação de pressão de sucção à

que o solo estava submetido.

A definição dada por Costa Nunes (1992) é a de que solos expansivos são aqueles que

têm valores superiores a 1% no ensaio de expansão padronizada e Perko (2009), afirma que o

termo solos expansivos é usado para aqueles solos que exibem uma variação de volume com a

variação da umidade.

Ferreira (1994), diz que definir um solo expansivo com precisão é uma tarefa muito

difícil devido aos fatores a que o solo está relacionado, sejam eles fatores particulares do próprio

solo, fatores do meio ambiente a que o solo se encontra ou condições externas impostas ao solo.

A expansão depende da pressão que for aplicada na amostra, o momento em que a

amostra não se expande mais delimita a pressão de expansão (RIBEIRO JR., FUTAI E

CONCIANI, 2006).

2.2.2 Composição

De acordo com Costa Nunes (1992), solos expansivos apresentam argilominerais como

Montmorilonita em demasia, deixando claro que ela não é o único argilomineral responsável

pela expansibilidade do solo. Costa Nunes também afirma que há uma notável propriedade dos

solos expansivos, a fadiga. A fadiga ocorre após sucessivos períodos de umidificação e

secamento, quando, então, o solo tende a um equilíbrio.

Mojekwu (1979) relata que os minerais de argila são cristalinos e contém silício,

oxigênio, alumínio e água, entre outros. De acordo com a quantidade e combinações que esses

constituintes ocorrem os minerais de argila podem ser divididos em três grupos principais, a

39

esmectita (sendo montmorilonita a mais abundante), a caulinita e a ilita, os quais tiveram suas

estruturas apresentadas na sub-seção 2.1.2.

A experiência nos mostra que quanto mais alta a quantidade de montmorilonita, mais

expansivo será o solo. A predominância deste argilomineral reflete na plasticidade do solo e é

esperado que haja uma relação entre o potencial de expansão do solo e sua plasticidade

(NELSON, et al, 2015).

2.2.3 Comportamento

A mineralogia do solo ligada as altas cargas que este solo está submetido provocam a

sua expansão. Se duas partículas de argila entrarem em contato surgirão uma combinação de

diferentes forças de repulsão na superfície das partículas, exceto em espaços muito próximos

onde podem existir forças atrativas (NELSON, et al, 2015).

Para Sandroni e Consoli (2010) a expansão em solos expansivos saturados só ocorre se

houver uma diminuição da tensão a que o solo está submetido e a intensidade que essa expansão

pode chegar é denominada de potencial de expansão. O potencial de expansão depende da

mineralogia do solo, dos sais existentes na água, dos vazios e da sucção. A sucção é a diferença

de pressão entre o ar e a água contida nos vazios e, por sua vez, depende da umidade, da

salinidade da água e dos minerais existentes na fração fina no solo. Já em solos que estão

parcialmente saturados, o fator água é muito expressivo, pois se houver um aumento da umidade

no solo o potencial de expansão se manifestará e se houver uma subtração de água o mesmo

tende a se contrair. Sandroni e Consoli (2010) também afirmam que os solos expansivos entram

na classificação dos solos pelo sistema USCS quase sempre como CL, MH ou CH.

2.2.4 Ensaios e técnicas de identificação

A identificação de materiais expansivos no solo permite que o engenheiro tenha cuidado

ao projetar e executar fundações, já que materiais expansivos são grandes causadores de

problemas e precisam de um cuidado especial.

Os solos podem ser identificados primariamente através de suas características visuais,

algumas delas foram determinadas por Carvalho (2015). Carvalho atesta que este tipo de solo

40

possui fendas poligonais amplas, profundas e, por vezes, de bordas irregulares durante a estação

seca, como pode ser visto nas Figuras 12 e 13. O solo também possui outras características

como cores cinzentas azuladas ou esverdeadas, fácil moldagem quando úmido provocando

manchas nos dedos, na condição seca o solo é resistente tornando difícil o rompimento com

instrumentos manuais, entre outras.

Figura 12 - Esquema das fendas poligonais.

Fonte: Carvalho (2015).

Figura 13 - Fendas no terreno em estações úmidas.

Fonte: Carvalho (2015).

Os métodos de identificação do potencial de expansão de solos expansivos podem ser

divididos em dois grupos. No primeiro grupo estão os ensaios como Limites de Atterberg,

expansão livre, entre outros que envolvem a medição de propriedades físicas do solo. No

segundo grupo estão métodos como difração de raio X, capacidade de troca de cátions, entre

outros que envolvem propriedades mineralógicas e químicas do solo. O grupo de métodos mais

usados para a identificação do solo expansivo são os do primeiro grupo (NELSON, et al, 2015).

Além dessa divisão quanto a propriedades físicas e mineralógicas citadas acima, os

métodos de identificação podem ser categorizados em diretos e indiretos. Várias bibliografias

41

estudadas afirmam que métodos diretos, são aqueles que disponibilizam resultados

quantitativos fundamentados na expansão induzida do solo ou na tensão necessária para impedir

que o solo se expanda. E métodos indiretos são fundamentados na análise mineralógica e

propriedades dos materiais argilosos. Como métodos diretos temos o ensaio de expansão livre

e tensão de expansão, ensaios edométricos duplos e simples. E como métodos indiretos temos

granulometria, limites de Atterbeg, difração de raio X, análise térmica diferencial, análise

térmica gravimétrica, capacidade de troca de cátions, entre outros.

a) Métodos diretos

a.1) Pressão de expansão

É aquela pressão que o solo exerce quando tem sua expansão impedida. Jeremias (1991,

apud PEREIRA, 2004, p. 55) afirma que as pressões de expansão são causadas pela variação

de umidade do terreno.

a.2) Expansão Livre

O ensaio de expansão livre mede a altura final do corpo de prova em relação a inicial ao

deixa-lo imerso em água durante certo tempo.

Chen (1965 apud BARBOSA, 2013, pg 17) assegura que para se determinar a expansão

livre, deve-se colocar o corpo de prova no edômetro e inundá-la com água aplicando também

uma pequena tensão, permitindo a sua expansão livremente até sua estabilização. A expansão

livre é determinada em porcentagem. O aparelho utilizado para este ensaio pode ser visto na

Figura 14.

42

Figura 14 - Equipamento utilizado para as medições de expansão livre.

Fonte: Conterato, 2014.

b) Métodos indiretos

b.1) Limites de Atterberg

Existem dois índices que são a base dos limites de Atterberg, o índice de plasticidade e

o de liquidez, os quais já foram citados anteriormente. Apesar de a plasticidade ser um grande

indicativo de solos expansivos, sozinha ela não é definitiva na identificação (NELSON, et al,

2015).

A Cornell University (1951 apud SAVAGE, 2007, p. 1-2) publicou a Tabela 7 com os

seguintes dados:

43

Tabela 7 - Limites de Atterberg de minerais argilosos.

Argilomineral Íons

trocáveis

Limite de

liquidez

Limite de

plasticidade

Índice de

plasticidade

Limite de

contração

Montmorilonita Na 710 54 650 9.9

K 660 98 562 9.3

Ca 510 81 429 10.5

Mg 410 60 350 14.7

Fe 290 75 215 10.3

Ilita Na 120 53 67 15.4

K 120 60 60 17.5

Ca 100 45 55 16.8

Mg 95 46 55 14.7

Fe 110 49 49 15.3

Caulinita Na 53 32 21 26.8

K 49 29 20 -

Ca 38 27 11 24.5

Mg 54 31 23 28.7

Fe 59 37 22 29.2

Fonte: CORNELL UNIVERSITY, 1951, apud SAVAGE, 2007, Evaluation of Possible Swelling Potential of Soil,

p. 1-2.

Analisando estes dados, o autor da Cornell University concluiu que as relações LL/IP e

IP/LP são muito importantes para a identificação do tipo de argilomineral existente e para ter

indício do quão expansivo pode ser o solo, segue a Tabela 8:

Tabela 8 - Valores de LL/IP e IP/LP para minerais argilosos.

Argilomineral Íons Na K Ca Mg Fe Média

Montmorilonita LL/IP 1.09 1.17 1.19 1.17 1.34 1.19

IP/LP 12 5.73 5.30 5.90 2.86 4.96

LL/LP 13,1 6,10 6,30 6,90 3,83 5,9

Ilita LL/IP 1.79 2.00 1.82 1.73 2.24 1.91

IP/LP 1.26 1.00 1.22 1.20 1.00 1.15

LL/LP 2,26 2,00 2,22 2,08 2,24 2,16

Caulinita LL/IP 2.52 2.45 3.45 2.35 2.63 2.68

IP/LP 0.65 0.68 0.40 0.74 0.59 0.61

LL/LP 1,64 1,67 1,38 1,74 1,55 1,59

Fonte: CORNELL UNIVERSITY, 1951, apud SAVAGE, 2007, Evaluation of Possible Swelling Potential of Soil,

p. 1-2.

44

Há uma notável diferença na relação LL/LP e o tipo de argilomineral no solo, logo

conhecendo está relação, tem-se um indício de qual argilomineral está presente no solo.

Sabendo que a montmorilonita é o argilomineral mais expansivo e a caulinita o menos

expansivo, conhecendo a relação LL/LP tem-se uma noção do potencial de expansão deste solo

(CORNELL UNIVERSITY, 1951, apud SAVAGE, 2007, p. 1-2).

Chen (1983) elaborou uma classificação do potencial de expansão (Tabela 9) através

dos valores dos limites de liquidez e índice de plasticidade. Assim como Bowles (1977), fez

uma classificação parecida, mas que relaciona também o índice de contração, a qual pode ser

observada na Tabela 10.

Tabela 9 - Potencial de expansão de acordo com Chen (1983).

Potencial de

Expansão

IP LL

Chen (1974) Chen (1983)

Baixo 0 a 15 <30

Médio 10 a 35 30 a 40

Alto 20 a 55 40 a 60

Muito Alto >35 >60

Fonte: CHEN (1983), Foundation on Expansive Soils.

Tabela 10 - Potencial de expansão de acordo com Bowles (1977).

Potencial de

Expansão IP CO LL

Baixo <18 >15 20 a 35

Médio 15 a 28 10 a 15 35 a 50

Alto 25 a 41 7 a 12 50 a 70

Muito Alto >35 <11 >70

Fonte: BOWLES (1977), Foundation Analysis and Design.

b.2) Difração de Raio X

De acordo com Pereira (2004), este método permite a classificação dos argilominerais

em conformidade com a distância interplanar basal do argilomineral que foi medida no ensaio

45

com registro gráfico de cada mineral. Nos proporciona diferenciar os grupos de argilominerais

com mesmo resultado para distância interplanar.

O método de ensaio da difração de Raio X segue a Lei de Bragg. W.H. Bragg e W.L.

Bragg (apud Erdócia, 2011, pg 17) constataram que substâncias cristalinas apresentavam

comportamentos diferentes dos apresentados por líquidos quando submetidos a incidência de

raios X. As substâncias cristalinas apresentam picos intensos de radiação espalhada para

comprimentos de ondas incidentes bem definidos.

E para se obter um pico de intensidade acentuada para a radiação espalhada devem ser

seguidas duas condições: a primeira é que as ondas incidentes (raios X) devem ter ângulo de

incidência igual ao de reflexão por íons em qualquer plano, e a segunda é que os raios refletidos

por sucessivos planos devam se interferir de maneira construtiva. Através dessas proposições

definida por W.L Bragg, chegou-se à conclusão de que para os raios refletidos por sucessivos

planos se interferirem de maneira construtiva, a diferença de caminhos (dsinθ) mostrada na

Figura 15 pode ser expressa em função de um número inteiro surgindo assim a Equação da Lei

de Bragg (Equação 17).

2𝑑𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑛𝜆

(17)

Figura 15 - Difração de raios X por um cristal, θ é o ângulo do raio incidente com a superfície

e d é a distância entre dois planos paralelos.

Fonte: Erdócia, 2011, p. 17.

Algumas das faixas de picos principais e secundárias podem ser vistas na Tabela 11.

46

Tabela 11 – Distâncias interplanares características.

Distância

Interplanar (pico

principal)

Distância Interplanar

(picos secundários) Argilomineral

7 3,58 Caulinita

10

5,00 e 3,33 Ilita

14

7,00; 4,70 e 3,50 Clorita

14 7,00; 4,70 e 3,50 Clorita expansível

12 ou 14 5,10 e 3,50 Montmorilonita

14 Vermiculita

Fonte: ALBERS, A. P. F. et al, 2002. Um método simples de caracterização de argilominerais por difração de

raios-X, p. 35.

b.3) Capacidade de troca de cátions

A capacidade de troca de cátions (CTC) é a quantidade trocável de cátions necessária

para que haja um equilíbrio na superfície das partículas de argila. Primeiramente remove-se o

excesso de sais no solo. Os cátions adsorvidos irão saturar o local de troca do solo. A quantidade

de cátion necessária para saturar esses locais de troca é maior para um mineral com maior carga

de superfície desequilibrada, ou seja, com maior carga negativa na superfície. Para valores altos

da capacidade troca de cátions teremos alta concentração de montmorilonita, já quando se

obtêm valores baixos é porque há maior presença de materiais como caulinita (NELSON, et al,

2015).

As informações obtidas através da CTC são de extrema importância, pois novos íons na

estrutura cristalina do argilomineral pode modificar propriedades importantes, como a

plasticidade. (CONTERATO, 2014). Para Millot (1964, apud CONTERATO, 2014), a CTC

está presente na formação das argilas. A caulinita tem mais chances de ser formada em soluções

ácidas, habitualmente encontrada em regiões úmidas e de vegetação abundante, pois facilita a

remoção de cátions. A ilita é encontrada em sedimentos marinhos, pois precisa de abundante

quantidade de K+ para sua formação.

Para Santos (1989), a capacidade de troca de cátions fornece resultados muito úteis para

o caso da montmorilonita e vermiculita, já para outros argilominerais, estes resultados não são

47

apreciáveis pois não permitem a identificação uníssona do tipo de argilomineral presente. Na

Tabela 12 pode-se observar uma faixa de valores usuais para a capacidade de troca de cátions.

Tabela 12 – Faixa de valores usuais para CTC.

Argilomineral CTC (cmol.dm-3)

Caulinita 5-15

Ilita 10-50

Montmorilonita 50-100

Vermiculita 100-150

Fonte: Adaptado de RONQUIM, 2010, Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento: Conceito de fertilidade do solo

e manejo adequado para as regiões tropicais, p. 8.

2.3 PATOLOGIAS ASSOCIADAS A SOLOS EXPANSIVOS

Há muitos relatos na engenharia de ocorrência de patologias com origem nas fundações

e o reparo de uma obra de fundação tem um custo oneroso, pois muitas vezes além do reparo,

precisam-se retirar as pessoas da edificação em função da segurança causando incômodo ao

morador.

O solo e a fundação tem contato direto, portanto, o bom desempenho da fundação

depende muito do tipo de solo a que ela está assente. Em função disto, sondagens bem

executadas são essenciais para reconhecimento do solo e para garantir que a fundação trabalhe

corretamente.

O solo expansivo pode gerar diversos problemas em uma estrutura. Por exemplo, pode

causar deslocamento no pavimento, levantamento da edificação causando trincas (Figura 16 e

17), perda de resistência em taludes e terrenos de apoio de fundação, aumento da carga em

fundações profundas e túneis, entre outros (SANDRONI E CONSOLI, 2010).

48

Figura 16 - Trincas na edificação.

Fonte: Cavalcante, Cavalcanti Jr., Santos e Souza Neto, 2006.

Figura 17 - Inclinação de pilares.

Fonte: Cavalcante, Cavalcanti Jr., Santos e Souza Neto, 2006.

Segundo a NBR 6122/2010, deve-se determinar experimentalmente a pressão de

expansão em solos expansivos levando em consideração que a expansão depende das condições

de confinamento do solo, pois quando a pressão de expansão ultrapassa a pressão atuante,

podem ocorrer deslocamentos para cima ocasionando levantamento da estrutura.

49

2.4 ESTUDO DE CASOS DE SOLOS EXPANSIVOS

a) Santa Maria 1

Maciel Filho & Osorio (1981) relatam um estudo compreendendo um levantamento de

campo das rachaduras em paredes de casas na Região de Santa Maria ocasionadas devido a

presença do argilomineral montmorilonita. Eles relacionaram as rachaduras em paredes, pisos

ou qualquer outro elemento estrutural às formações geológicas da região que compreende a

Formação Caturrita e a Formação Santa Maria, membro Alemoa.

Segundo os autores, este membro e as primeiras camadas de formação tem grande

presença do argilomineral montmorilonita e a tensão de expansão do solo pode chegar a 3

kg/cm² (300 kPa).

A cidade de Santa Maria está localizada entre no centro do Estado do Rio Grande do

Sul, entre os contrafortes da Serra Geral e a Depressão Central. Possui clima sub-tropical com

temperatura média de 22ºC oscilando entre 0ºC (inverno) e 40ºC (verão) e variação diária de

15ºC (MACIEL FILHO & OSÓRIO, 1981).

Os resultados dos ensaios de caracterização feitos pelos autores indicaram que os siltitos

do Membro Alemoa possuem em torno de 96% de silte ou argila, LL = 45, IP = 23 e expansão

em torno de 3% a 4%. A atividade coloidal das argilas ficou em torno de 0,58. As amostras

apresentaram a presença de montmorilonita e ilita nos ensaios de difração de raios-x os arenitos

da Formação Caturrita apresentaram montmorilonita e caulinita.

Foram realizados também ensaios de tensão de expansão, onde foram encontradas

pressões de até 3,32kg/cm² (332 kPa) nas amostras do Membro da Alemoa em

aproximadamente 180min de ensaio. Já as amostras da Formação Caturrita apresentaram

valores baixos como 0,3kg/cm² (30 kPa).

Foram levantados apenas casos em que havia sinais de expansão do solo na cidade de

Santa Maria, sem esquecer das outras possíveis causas como falta de resistência da estrutura. O

fenômeno de expansão do solo foi encontrado em diversos prédios, destacando alguns fatos

abaixo:

Em algumas construções as primeiras rachaduras apareceram durante um verão muito

seco.

50

Houve uma casa em que o solo, onde estava assentada a parte central, inchou

provocando soerguimento do piso e, consequentemente, a inclinação das paredes

tendendo a tombar para o lado externo da casa. Em alguns locais esse soerguimento

ultrapassou 10cm.

Foram encontrados 10 casos sobre a Formação Santa Maria, 5 casos sobre a Formação

Caturrita com manifestações menos intensas, casas situadas sobre o cenozóico e mesmo sobre

o Caturrita, mas tendo o Siltito Argiloso Alemoa logo abaixo podem ter sido influenciados por

este, pois a um aumento permanente de umidade abaixo da “profundidade de flutuação” da

umidade sazonal. Foi verificado também que existe relação entre a idade da casa e incidência

das rachaduras, quanto mais antiga, maior a probabilidade da incidência deste fenômeno.

b) Santa Maria 2

O estudo de caso buscou a identificação das causas de ruptura por flexão de vigas de

concreto armado, de uma construção localizada no Campus da Universidade Federal de Santa

Maria, assentadas sobre solo natural, que sofreu uma escavação de 3,0 m. A obra estava em sua

fase inicial e as vigas não estavam sujeitas a nenhum carregamento de projeto.

A forma de ruptura das vigas indicava como possível causa a expansão do solo em

contato com a face inferior das vigas. Para caracterização do solo foram retiradas amostras

deformadas e indeformadas até uma profundidade de 1,5 m, abaixo das vigas e da região em

torno da obra. A partir de 80 cm abaixo das vigas foi identificada uma espessa camada de solo

argiloso, muito plástico com cores rosa e branco (visual/táctil). Foram realizados ensaios de

granulometria por sedimentação, limites de Atterberg, determinação da capacidade de troca

catiônica, e pressão de expansão.

As Figuras 18 e 19 mostram o detalhe de uma viga rompida e vista do solo durante

coleta de amostra indeformada, respectivamente.

51

Figura 18 - Detalhe do rompimento da viga.

Fonte: Soares et al (2013)

Figura 19 - Solo abaixo das vigas.


A Tabela 13 apresenta um resumo dos resultados dos ensaios de caracterização das

amostras de solo estudadas e relações entre suas propriedades.

52

Tabela 13 - Principais características do solo estudado.

Resultados Solo Rosa

(SR) Solo Branco (SB)

Massa Esp. Sól. (g/cm³) 2,574 2,481

L. Liquidez – LL (%) 52 31

L. Plasticidade – LP (%) 22 20

I. Plasticidade – IP (%) 30 11

L. Contração – LC (%) 6 20

Grau de Contração (%) 50,81 18,1

Argila (%) 28 24

Silte (%) 30 34

Areia Fina (%) 42 42

LL/IP 1,73 2,82

IP/LL 1,36 0,55

LL/LP 2,16 1,55

A=IP/P0,002 1,07 0,79

CTC (cmol/dm³) 58,0 17,8


Os resultados dos ensaios e suas relações permitiram uma análise e correlação com a

experiência relatada nas referências utilizadas. O Solo Branco (SB) foi considerado como tendo

baixo potencial de expansão e o Solo Rosa (SR) foi classificado como solo com alto potencial

de expansão. (SOARES, et al, 2013).

As pressões de expansão variaram de 318,32 kPa (teor de umidade de 8,13%) a 12,73

kPa teor de umidade de 24,9%). As vigas tinham uma largura de 20 cm (contato com o solo) o

que corresponde a uma carga aproximada de 63 kN/m, suficiente para romper as vigas, que no

sentido da flexão, tinham apenas armaduras de montagem (SOARES, et al., 2013).

c) São Sepé

O Laboratório de Materiais de Construção Civil da UFSM – LMCC (2011) apresenta

um estudo sobre fissuração excessiva em construção, realizado no município de São Sepé, em

que o indicativo apontava como causa devido a presença de solos expansivos. O prédio

encontrava-se com diversos reparos do tipo “costura”, conforme mostra a Figura 20.

53

Foram coletadas amostras deformadas de solo nas profundidades de 0,60m e 1,00 m,

que foram utilizadas para determinação de índices físicos e de limites de consistência.

Figura 20 - Vistas das fachadas leste e sul.

Fonte: Laudo Técnico do LMCC, 2011.

A Tabela 14 mostra os resultados dos ensaios. Os valores altos dos limites de

consistência e também dos índices de plasticidade e grau de contração indicam solos altamente

plásticos e potencialmente expansivos.

Tabela 14- Resultados dos Ensaios.

Ensaio Profundidade 0,60m Profundidade 1,0m

LL (%) 65 60

LP (%) 38 38

LC (%) 19 21

IP (%) 27 22

GC (%) 42 42

w (%) 37 23

Peso Específico

dos Sólidos

(kN/m³)

- 28,86


54

A Figura 21 mostra a grande contração das amostras dos solos moldados para

determinação do Limite de Contração.

Figura 21 - Contração dos solos - 0,60 e 1,00 m.


55

3. METODOLOGIA E MA TERIAIS

3.1 ÁREA DE ESTUDO

3.1.1 LOCALIZAÇÃO DA ÁREA

O local de estudo desta pesquisa é o mesmo de Soares (2011) objetivando um estudo

mais completo, com realização de ensaios especiais e complementares, para avaliação do solo

quanto ao comportamento expansivo.

As amostras foram retiradas de uma área localizada na Vila Block que é um dos cinco

distritos do município de São Sepé e dista 25 quilômetros do centro da cidade. A Vila Block

limita-se com o distrito do Passo do Verde, que é um dos dez distritos de Santa Maria, sendo

que o limite entre estes dois distritos é o Rio Vacacaí. O marcador vermelho no mapa da Figura

22 representa a localização da Vila Block no Rio Grande do Sul. Coordenadas: 29º59’47.24” S

(latitude) e 53º41’3.33”O (longitude).

Figura 22 - Mapa de localização da Vila Block.

Fonte: Google Maps, 2016.

56

3.1.2 CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA

Os pontos indicados em vermelho nas Figura 23 e 24 representam a região onde se

encontra a Vila Block. De acordo com o Reinert, D. J. et al (2007), os solos desta unidade de

mapeamento têm uma profundidade média de 1m com cores bruno-acinzentadas no horizonte

A e bruno-amareladas no horizonte B, apresentam textura média, são quebradiços e

imperfeitamente drenados. As origens predominantes são siltitos e arenitos.

Figura 23 - Distribuição das unidades de mapeamentos.

Fonte: Reinert, D. J. et al, 2007.

57

Figura 24 - Regiões Fisiográficas do Rio Grande do Sul.

Fonte: Reinert, D. J. et al, 2007.

A Figura 25 mostra uma vista parcial da Vila Block em que o local de estudo está

indicado pela seta.

Figura 25 - Vista de cima da Vila Block, São Sepé.

Fonte: Google Maps, 2016.

58

3.2 MATERIAIS E MÉTODOS

3.2.1 Materiais

Para a coleta de amostras de solos foi realizada uma sondagem a trado em local próximo

ao prédio que foi avaliado por Soares (2011). Foram coletadas 7 amostras deformadas (cápsulas

e sacos plásticos) até uma profundidade de 1,90 m, em função das mudanças visuais e táteis

dos materiais amostrados. Não foi possível a retirada de amostras com trado manual a partir da

profundidade de 1,90m, em função da compacidade/consistência do solo. As Figuras 26 e 27

indicam o local de amostragem.

Figura 26 - Vista frontal do local de retirada das amostras.

Figura 27 - Mapa esquemático.

59

As Figuras 28, 29 e 30 mostram o trado manual utilizado, amostras coletadas e cápsulas

contendo frações das amostras coletadas. Também foram coletadas 3 amostras indeformadas

(distante 2 metros de onde foram extraídas as amostras deformadas e nas profundidades: 0,35

m; 0,60 m e 1,00 m), em moldes utilizados para ensaio de cisalhamento direto, que foram

utilizadas para determinação do peso específico natural e peso específico aparente seco.

Figura 28 - Trado Manual.

Figura 29 - Bandeja, espátula e cápsulas.

60

Figura 30 - Amostras analisadas.

As amostras deformadas foram transportadas para o laboratório em sacos plásticos

(amostras maiores) e em cápsulas (amostras menores), e, ao chegar ao local de destino, as

cápsulas foram pesadas na balança e colocadas diretamente na estufa, onde foram secadas por

24 horas, para determinação da umidade natural. As amostras transportadas em sacos plásticos

foram colocadas em bandejas e em uma estufa maior, para secagem.

As amostras indeformadas foram armazenadas em câmara úmida, para posterior

utilização.

3.2.2 Métodos

a) Umidade

Para determinação da umidade natural das amostras de solo, as cápsulas tão logo

chegaram da coleta foram pesadas em balança de precisão e colocadas em estufa para secagem

a 110 ºC. Com as massas úmidas e secas, foram determinadas as umidades do solo na condição

natural e nas profundidades amostradas.

b) Peso Específico Natural

Foi calculado através das amostras indeformadas retiradas no local, nas profundidades

de 0,35m, 0,60, e 1,00m. As amostras indeformadas foram conservadas em sua umidade natural

durante seu transporte para o laboratório e armazenadas em câmara úmida. Em laboratório, as

61

amostras foram pesadas e tiveram seu volume calculado. Separou-se também uma pequena

quantidade para a determinação da umidade natural e do peso específico aparente seco.

c) Análise Granulométrica

A análise granulométrica foi feita de acordo com a NBR 7181/1984. Os aparelhos

utilizados foram uma estufa, uma balança, um aparelho de dispersão, um defloculante, uma

proveta de vidro, um densímetro de bulbo simétrico, um termômetro, um cronômetro, um

béquer de vidro, uma bisnaga e peneiras de números 10, 20, 40, 60, 100 e 200. A Figura 31

mostra ensaios de sedimentação em andamento.

Figura 31 - Provetas com amostras em sedimentação.

d) Massa Específica dos Solos

A massa específica dos sólidos para as 7 amostras deformadas coletadas, foi

determinada seguindo os procedimentos estabelecidos pela NBR 6508/1984.

62

e) Limite de Liquidez

O ensaio para determinar o Limite de Liquidez foi realizado seguindo os procedimentos

recomendados pela NBR 6459/1984. A Figura 32 mostra o aparelho de Casagrande e demais

acessórios utilizados no ensaio.

Figura 32 - Principais materiais utilizados para a determinação do Limite de Liquidez.

f) Limite de Plasticidade

O ensaio para a obtenção do Limite de Plasticidade foi feito de acordo com a NBR

7180/1984. A aparelhagem utilizada é composta por uma estufa, um recipiente de porcelana,

uma espátula flexível, uma balança, um gabarito cilíndrico, uma placa de vidro de superfície e

cinco cápsulas.

63

g) Limite de Contração

O limite de contração dos solos foi encontrado através do ensaio de acordo com a NBR

7183/1982. As Figuras 33 e 34 mostram cápsulas de contração e amostras após secagem e

respectivas profundidades.

Figura 33 - Amostras contraídas.

Figura 34 - Amostras contraídas.

64

h) Difração de Raio X

O ensaio foi realizado na máquina Bruker D8 Advance, localizada no Departamento de

Física da Universidade Federal de Santa Maria, que possui tubo de raio X com alvo de cobre e

goniômetro na geometria Bragg-Brentano (θ-2θ) que prevê picos sempre que a lei de Bragg é

satisfeita.

O método utilizado é conhecido como Método do Pó ou de Debye-Scherrer. O pó foi

reduzido a fração passante na peneira de Nº 325 e os ângulos de varredura provocado pela

máquina no material foi de 5º a 100º. O porta-substrato em acrílico se encontrava fixo e o tubo

e o detector se moviam de maneira que o ângulo entre eles fosse sempre 2θ.

Os dados fornecidos pelo difratômetro são salvos em arquivos de texto (.txt) que

posteriormente são transformados para arquivos (.dat) através de um programa gráfico que

mostra os picos de difração dos argilominerais presentes na amostra. Neste programa foram

montados gráficos do ângulo (2θ) vs. contagem (u.a).

i) Capacidade de Troca de Cátions

Primeiramente foram obtidas 100 gramas de solo seco, de cada amostra, passando na

peneira de número 200, no Laboratório de Materiais de Construção Civil do Centro de

Tecnologia da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Posteriormente, os ensaios de

Capacidade de Troca de Cátions foram realizados no Laboratório de Análise de Solos do Centro

de Ciências Rurais da UFSM.

j) Pressão de Expansão

A pressão de expansão foi medida usando as amostras deformadas e moldadas com um

peso específico úmido da ordem de 18 kN/m3. Optou-se por realizar o ensaio de pressão de

expansão apenas nas camadas de mais alta plasticidade, ou seja, de 0,15 m a 0,50 m e de 0,50

m a 1,00 m.

65

Foram separadas inicialmente 110 gramas de material e adicionada água até que este

material obtivesse a umidade desejada. Foram utilizadas 3 percentagens de umidade (10%, 20%

e 30%), objetivando analisar o possível potencial de expansão para amostras mais secas até a

umidade natural (próximo de 30%). Com as 110 gramas separadas forma-se um corpo de prova

com 2 cm de altura e 5cm de diâmetro, coloca-se esse corpo de prova na prensa de adensamento

(Figura 35), inunda-se o corpo de prova e aplica-se pressão suficiente para que o relógio do

aparelho fique sempre no ponto 0, ou seja, mantém-se sempre constante a altura do corpo de

prova ao adicionar carga no aparelho. O tempo de ensaio foi fixado até a estabilização da

pressão e variação volumétrica e limitado a 24 horas. O valor da carga aplicada dividido pela

área do corpo de prova e multiplicado por 10 (relação entre braços da alavanca) nos dá a pressão

(em kPa) aplicada que consequentemente é igual a pressão que o solo exerce ao ser inundado.

Figura 35 - Prensa de adensamento.

66

4. RESULTADOS E ANÁLISES

4.1 ÍNDICES FÍSICOS

4.1.1 Umidade

A Tabela 15 apresenta os resultados das umidades das amostras deformadas coletadas

ao longo da profundidade. Observa-se valores mais altos do teor de umidade na faixa de

profundidade compreendida entre 0,15 a 1,0 m.

Tabela 15 - Umidade natural das amostras

Profundidade w(%)

0,00-0,15 24,14

0,15-0,50 32,35

0,50-1,00 30,51

1,00-1,32 23,47

1,32-1,50 22,55

1,50-1,66 21,68

1,66-1,90 18,68

4.1.2 Peso específico natural (𝛄nat) e aparente seco (𝛄d)

A Tabela 16 apresenta os resultados dos pesos específicos natural, seco e as umidades,

a partir de amostras indeformadas, coletadas em período diverso daquele das amostras

deformadas. Nas profundidades de 0,60 m e 1,00m as umidades são mais altas, em acordo com

as amostras deformadas, e apresentam pesos específicos aparente seco menores em relação à

primeira camada.

67

Tabela 16 - Peso especifico natural e aparente seco

Profundidade (m) w(%) 𝛄nat (g/cm³) 𝛄d (g/cm³)

0,35 15,60 2,04 1,76

0,60 24,20 2,00 1,61

1,00 24,07 2,04 1,64

4.2 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO

4.2.1 Análise Granulométrica

A Figura 36 apresenta as curvas granulométricas das amostras de solo, obtidas por

processo combinado de peneiramento e sedimentação. As curvas individuais de cada amostra

estão no Anexo A. Observa-se uma certa homogeneidade das curvas granulométricas com

exceção da primeira camada.

68

Figura 36 - Curvas Granulométricas

4.2.2 Propriedades e classificação das amostras de solos

Nas Tabelas 17 e 18 estão apresentadas as características dos materiais de acordo com

os ensaios realizados, porcentagem de cada material, índices físicos, limites de consistência e

classificação de acordo com o Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS) e a

Associação brasileira de Normas Técnicas (ABNT: 7181/1984) para as amostras estudadas.

69

Tabela 17 - Índices Físicos.

Tabela 18 - Classificação dos Solos.

Profun-

didade

(m)

(%)

Argila

(%)

Silte

(%)

Areia

Fina

(%)

Areia

Media

(%)

Areia

Grossa

SUCS ABNT

0,00-0,15 18 29 27 25 1 CL

Silte

Arenoso

Fino

0,15-0,50 44 37 12 7 1 CH Argila

Siltosa

0,50-1,00 29 64 7 1 CH Silte

Argiloso

1,00-1,32 31 65 3 1 MH Silte

Argiloso

1,32-1,50 28 69 3 MH Silte

Argiloso

1,50-1,66 33 63 4 ML Silte

Argiloso

1,66-1,90 29 68 3 ML Silte

Argiloso

Ao analisar a Tabela 17 pode-se verificar que o índice de plasticidade, exceto a primeira

amostra (profundidade 0,00m à 0,15m), é elevado, caracterizando-as como altamente plásticas.

Além disso, pode-se constatar que as camadas de profundidade 0,15m à 0,50m e de 0,50m à

Profundidade

(m)

w

(%)

LL

(%)

LP

(%)

IP

(%)

LC

(%)

s

(kN/m³)

AC

0,00-0,15 24,14 23 14 9 18,27 26,40 0,50

0,15-0,50 32,35 61 34 26 19,59 27,40 0,59

0,50-1,00 30,51 53 30 23 18,68 27,40 0,79

1,00-1,32 23,47 50 34 16 23,73 27,50 0,52

1,32-1,50 22,55 50 31 19 19,95 27,80 0,68

1,50-1,66 21,68 49 33 16 18,26 27,50 0,48

1,66-1,90 18,68 47 29 18 19,17 28,30 0,62

70

1,00m possuem os índices de plasticidade mais elevados levando a acreditar que o material de

maior potencial de expansão se encontra nessa região.

Estes resultados não diferem muito dos resultados observados no laudo técnico do

estudo de caso, onde o índice de plasticidade na profundidade 0,60m era de 27% e de 22% para

1,00m de profundidade. Em comparação com o trabalho de Soares (et al, 2013), a segunda

camada (0,15m a 0,50m) se aproxima bastante do resultado para o solo SR, enquanto a primeira

(0,00m a 0,15m) se aproxima do solo SB. Maciel Filho & Osório (1981) determinaram os

valores do índice de plasticidade em torno de 23% para o solo estudado, pode-se dizer que os

resultados deste trabalho se assemelham bastante ao resultado supracitado.

A atividade coloidal das argilas encontradas nestas amostras é baixa, com exceção da

camada de profundidade 0,50m à 1,00m que possui atividade coloidal normal. Logo, pode-se

inferir que o solo tem baixa capacidade de expansão. Se comparada ao trabalho de Soares (et

al, 2013), pode-se dizer que a terceira camada (0,50m-1,00m) tem o mesmo resultado do solo

SB, que foi um solo classificado como baixa expansão. Ao comparar com a atividade coloidal

de Maciel Filho & Osório (1981), pode-se dizer que os resultados são semelhantes em algumas

camadas.

Como pode ser constatado na Tabela 18, a maioria dos materiais possuem elevado teor

de silte seguido de argila, exceto na primeira amostra (profundidade 0,00m à 0,15m) que foi

constatado um teor de areia fina maior que de argila e na segunda amostra (profundidade de

0,15m à 0,50m) onde foi constatado um elevado teor de argila em detrimento dos outros

materiais de composição. Segundo a classificação da ABNT, a maioria dos materiais se

classifica como silte argiloso, exceto a primeira amostra (profundidade 0,00m à 0,15m) que se

classifica como silte arenoso fino e a segunda amostra (profundidade de 0,15m à 0,50m) que se

classifica como argila siltosa.

De acordo com Willians e Donaldson (1980, apud PEREIRA, 2004, p. 52) a camada de

profundidade 0,00m a 0,15m (1º) possui baixo potencial de expansão, as camadas de

profundidade 0,15 a 0,50m (2º) e 0,50 a 1,00m (3º) possuem alta expansibilidade e as restantes

possuem média expansibilidade (Figura 37).

Os índices de consistência desses solos foram classificados como mole na primeira

amostra (profundidade 0,00m à 0,15m), rijo na terceira (profundidade de 0,50m a 1,00m) e duro

nas demais. Comparando o limite de contração (LC) das amostras e o limite de contração dado

por Mitchel (1976, apud DAS, 2007, p. 59) percebe-se que o LC das amostras encontra-se um

pouco acima do limite máximo da ilita e um pouco abaixo do mínimo da caulinita, muito

semelhante ao resultado encontrado no solo SB de Soares (et al, 2013).

71

Fazendo uma classificação de acordo com a Cornell University (1951 apud SAVAGE,

2007, p. 1-2) pode-se observar através da Tabela 19 que o argilomineral caulinita é o mais

abundante nestas amostras, de acordo com este resultado o solo não possui grande potencial de

expansão.

Conforme a classificação de potencial de expansão de Chen (1983), pode-se afirmar que

o solo estudado possui a primeira camada de baixa expansão, seguido de uma camada de alta a

muito alta expansão, outra camada de alta expansão e, por fim, as restantes possuem média a

alta. Os resultados estão apresentados na Tabela 20.

Já para a classificação de Bowles (1977), a primeira camada é de baixo potencial de

expansão, as próximas duas camadas possuem de médio a alto potencial de expansão, as

próximas três camadas possuem médio potencial de expansão, e a camada final possui de baixo

a médio potencial de expansão (Tabela 21).

Figura 37 - Potencial de expansão segundo Willians e Donaldson (1980, apud PEREIRA, 2004).

72

Tabela 19 - Relações dos índices físicos

Tabela 20 - Potencial de expansão de acordo com Chen.

Tabela 21 - Potencial de expansão de acordo com Bowles.

Profundidade LL/IP IP/LP LL/LP

0,00-0,15 2,56 0,64 1,64

0,15-0,50 2,35 0,76 1,79

0,50-1,00 2,30 0,77 1,77

1,00-1,32 3,13 0,47 1,47

1,32-1,50 2,63 0,61 1,61

1,50-1,66 3,06 0,48 1,48

1,66-1,90 2,61 0,62 1,62

Média da

montmorilonita 1,19 4,96 5,90

Média da ilita 1,91 1,15 2,16

Média da

caulinita 2,68 0,61 1,59

Profundidade IP LL Potencial de Expansão

0,00-0,15 9 23 Baixo

0,15-0,50 26 61 Alto a muito alto

0,50-1,00 23 53 Alto

1,00-1,32 16 50 Médio a alto

1,32-1,50 19 50 Médio a alto

1,50-1,66 16 49 Médio a alto

1,66-1,90 18 47 Médio a alto

Profundidade IP CO LL Potencial de Expansão

0,00-0,15 9 -4,27 23 Baixo

0,15-0,50 26 14,41 61 Médio a alto

0,50-1,00 23 11,32 53 Médio a alto

1,00-1,32 16 10,27 50 Médio

1,32-1,50 19 11,05 50 Médio

1,50-1,66 16 14,74 49 Médio

1,66-1,90 18 9,83 47 Baixo a médio

73

4.2.3 Difração de Raio X

As Figuras 38 a 44 apresentam os difratogramas de raios – X para as amostras estudadas

em que são indicados qualitativamente os argilominerais presentes e seus picos de difração em

função do ângulo de incidência dos raios.

Os registros gráficos apontam a presença dos argilominerais montmorilonita, ilita e

caulinita. Também foi encontrada a presença de quartzo e vermiculita. As setas nas figuras

indicam os picos de cada argilomineral encontrado. A presença desses argilominerais

expansivos é um dos fatores responsáveis pelo potencial de expansibilidade do material.

Figura 38 - Raio X da amostra de profundidade 0,00m à 0,15m.

74



75



76



77

4.2.4 Capacidade de Troca de Cátions

Os resultados da análise das amostras quanto a Capacidade de Troca Catiônica – CTC

efetiva, são relacionados na Tabela 22. A CTC das amostras de solos fica entre 21,4 a 35,1

cmol/dm3, valores que se enquadram na faixa da ilita (10 a 50 cmol/dm3), que é um

argilomineral do grupo 2:1 mas de média expansão, conforme Ronquim (2010).

Tabela 22 - Resultados da CTC

Profundidade (m) CTC efetiva

0,00-0,15

21,4

0,15-0,50 33,5

0,50-1,00 32

1,00-1,32 31,2

1,32-1,50 29,3

1,50-1,66 34,8

1,66-1,90 35,1

O resultado dos valores de CTC são baixos, caracterizando predomínio de

argilominerais com pouca capacidade de troca de cátions.

4.3 PRESSÃO DE EXPANSÃO

Os resultados da pressão de expansão para as amostras da camada de 0,50 a 1,0 m, que

apresenta mais características de solo expansivo, conforme resultados expostos nos itens

anteriores, estão representados na Tabela 23.

Observa-se da Tabela 23 que os valores medidos da pressão de expansão são

inversamente proporcionais ao teor de umidade.

78

Tabela 23 - Pressão de Expansão

Prof. (m) 0,50-1,00 0,50-1,00 0,50-1,00

Pressão de

expansão (kPa) 178,70 64,97 17,50

w (%) 13,26 20,69 30,78

A Figura 45 mostra os resultados deste trabalho (S. SEPÉ) com aqueles de Maciel Filho

& Osório (1981) – (S. MARIA 1) e de Soares (et al, 2013) – (S. MARIA 2)

Pode-se observar dessa figura uma boa relação entre os resultados dos 3 estudos, com a

tendência clara do aumento da pressão de expansão com a redução do teor de umidade.

Figura 45 – Pressão de expansão em função da umidade

0

50

100

150

200

250

300

350

5 10 15 20 25 30 35

UMIDADE (%)

PR

ES

SÃ

O D

E E

XP

AN

SÃ

O (

kP

a)

S.MARIA 2

S.MARIA 1

S.SEPÉ

79

5. CONCLUSÕES

A identificação de solos expansivos é de extrema importância para o projeto de

fundações. Ensaios de investigação geotécnica muito utilizados, como o SPT, não fornecem

indicação da presença desse tipo de solo.

A revisão bibliográfica indicou, e esta pesquisa confirmou, que ensaios simples de

caracterização de solos como limites de consistência e de granulometria podem fornecer

resultados indicativos do potencial de expansão dos solos. Ensaios especiais como difração de

raios X e de determinação da Capacidade de troca Catiônica - CTC, dentre outros, possibilitam

uma identificação mais precisa.

A granulometria dos materiais permitiu a determinação das frações granulométricas

presentes nas amostras, principalmente da fração mais fina (argila e silte) que tem principal

foco na identificação do potencial expansivo. Com exceção da primeira e da segunda amostras,

todos os materiais recebem a classificação silte argilosos. Com a obtenção dos índices físicos,

pode-se avaliar que a camada mais plástica e que tende a ser mais expansiva encontra-se de

0,15m à 1,00m de profundidade.

De acordo com a relação de índices físicos proposta pela Cornell University (1951 apud

SAVAGE, 2007, p. 1-2) conclui-se também que o argilomineral mais abundante na amostra é

a caulinita, não havendo muita disparidade de resultados entre as amostras e através deste

resultado conclui-se que a amostra não possui alto potencial de expansão. Porém, estudos sobre

o potencial de expansão de acordo com Chen (1983), Bowles (1977) e Willians e Donaldson

(1980, apud PEREIRA, 2004, p. 52) acusam as camadas de 0,15 a 0,50m e de 0,50 a 1,00m ter

alto potencial de expansão.

Os resultados do raio X permitiram a identificação dos grupos de argilomineriais

presentes no solo, os quais foram, ilita, caulinita, esmectita e vermiculita. A presença dos

argilominerais do grupo esmectita indica possibilidade de expansão, já que é um argilomineral

bastante expansivo.

Já com os resultados de CTC para cada amostra e as faixas usuais de cada argilomineral,

percebe-se que os resultados se enquadram na faixa usual do argilomineral ilita, que apresenta

médio potencial de expansão.

Os resultados da pressão de expansão e de ensaios de caracterização indicam que o solo

pode aplicar pressão nas fundações assentadas sobre essa camada da ordem de 179 kPa, quando

submetido a processos de secagem e de inchamento.

80

A análise conjunta dos resultados dos 3 estudos: esta pesquisa (S. SEPÉ), Maciel Filho

& Osório (1981) – (S. MARIA 1) e de Soares (et al, 2013) – (S. MARIA 2) mostrou que a

região central do Rio Grande do Sul apresenta perfis de solos que podem apresentar camadas

expansivas que, em ciclos de seca e umidade excessiva, podem imprimir pressões em fundações

superiores a 300 kPa, como visto em Maciel Filho & Osório (1981). Esta pressão é equivalente

a pressão de um aterro de 15 metros com peso específico de 20 kN/m³, ou então, é equivalente

a uma parede de alvenaria de 16,66m com peso específico de 18 kN/m³. Estas pressões impõem

condicionantes geotécnicos que merecem atenção especial em projetos e construções.

81

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84

ANEXO A

As curvas granulométricas individuais estão apresentadas a seguir:

Distribuição granulométrica da amostra de profundidade 0,00-0,15m.

% Argila % Silte % Areia

Fina

% Areia

Média

%Areia

Grossa Pedregulho

18 29 27 25 1

85



Fina

% Areia

Média

%Areia

Grossa Pedregulho

44 37 12 7 1

86



Fina

% Areia

Média

%Areia

Grossa Pedregulho

29 64 7 1

87



Fina

% Areia

Média

%Areia

Grossa Pedregulho

31 65 3 1

88



Fina

% Areia

Média

%Areia

Grossa Pedregulho

28 69 3

89



Fina

% Areia

Média

%Areia

Grossa Pedregulho

33 63 4

90



Fina

% Areia

Média

%Areia

Grossa Pedregulho

29 68 3

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