Taíse Monique de Oliveira Carvalho Efeitos de um licor ... ou parcial do trabalho sem ... II . Antunes, Franklin ... Neste trabalho se estuda a influência de um fluido alcalino na

Taíse Monique de Oliveira Carvalho

Efeitos de um licor cáustico na resistência ao cisalhamento de um solo residual de sienito e um coluvionar

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.

Orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos Co-orientador: Franklin dos Santos Antunes

Rio de Janeiro Julho de 2006

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PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0410790/CA


Efeitos de um licor cáustico na resistência ao cisalhamento de um solo residual de sienito e um coluvionar

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Tácio Mauro Pereira de Campos Presidente/Orientador

Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Franklin do Santos Antunes Co-orientador

Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

José Tavares Araruna Júnior Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Geraldo Paes Júnior ALCOA Alumínio S/A

Leandro de Moura Costa Filho LPS Consultoria e Engenharia LTDA

Sérgio Tibana UENF

José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio

Rio de Janeiro, 14 de julho de 2006

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Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador.


Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Alagoas – UFAL em 2003. Foi bolsista do Programa Especial de Treinamento – PET no período de 2000 a 2004. Realizou projetos de pesquisa nas áreas de Estruturas, Recursos Hídricos e Engenharia Sanitária. Ingressou no Curso de Mestrado em Engenharia Civil – Geotecnia em 2004. Principais áreas de interesse e linhas de pesquisa: Mecânica dos Solos, Geotecnia Experimental e Geotecnia Ambiental.

Ficha Catalográfica

Carvalho, Taíse Monique de Oliveira

Efeitos de um licor cáustico na resistência ao cisalhamento de um solo residual de sienito e um coluvionar / Taíse Monique de Oliveira Carvalho ; orientadores: Tácio Mauro Pereira de Campos, Franklin dos Santos Antunes. – Rio de Janeiro : PUC-Rio, Departamento de Engenharia Civil, 2006.

167 f. : il.(col.) ; 30 cm

Dissertação (mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil.

Inclui referências bibliográficas.

1. Engenharia civil – Teses. 2. Resistência ao cisalhamento. 3. Licor cáustico. 4. Solo residual. 5. Solo coluvionar. I. Campos, Tácio Mauro Pereira de. II. Antunes, Franklin dos Santos. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. IV. Título.

CDD: 624

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Dedico esta dissertação aos meus pais, Cleuriel e Sissi, à Júlia e ao Rodrigo.

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Agradecimentos

Aos Professores Tácio Mauro Pereira de Campos e Franklin dos Santos Antunes, pela orientação, pelos conhecimentos transmitidos, atenção, estímulo e paciência.

Ao Engenheiro William, por ajudar na execução dos ensaios de resistência, e aos demais funcionários do laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio: “Seu” José, Amaury e Josué, por estarem disponíveis sempre que precisei.

Ao Ronaldo Silva do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio, por estar sempre disponível a fazer os ensaios de difração por raios-X.

A todos os amigos que fiz durante o mestrado, pelos momentos de descontração. Em especial a: Viviana, Tânia, Saré e Vinicius.

Às minhas amigas Mónica, Bernadete e Carol que estiveram do meu lado não só nos momentos bons, mas durante toda a execução deste trabalho, pelo incentivo amizade e ajuda.

Às “irmãs tortas”, Lu e Lica, que Deus colocou em meu caminho e que meu coração adotou, pela convivência, amizade, companheirismo e por me agüentarem durante o tempo em que moramos juntas.

Ao Rodrigo, pelo carinho, cumplicidade e por acreditar na minha capacidade, muitas vezes, mais do que eu.

À todos os meus familiares, pelo amor, incentivo e apoio incondicional.

Ao CNPq pelo apoio financeiro.

A ALCOA Alumínio por possibilitar a execução deste trabalho.

Aos componentes da banca, pelas sugestões e críticas construtivas feitas a este trabalho.

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Resumo

Carvalho,Taíse Monique de Oliveira; Campos, Tácio Mauro Pereira de; Antunes, Franklin dos Santos. Efeitos de um licor cáustico na resistência ao cisalhamento de um solo residual de sienito em um coluvionar. Rio de Janeiro, 2006. 167p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Neste trabalho se estuda a influência de um fluido alcalino na resistência

ao cisalhamento de dois solos provenientes de Poços de Caldas-MG, sendo um

deles um solo residual jovem de sienito e o outro um colúvio. Para tanto,

elaborou-se um programa experimental que consistiu na execução de ensaios

triaxiais CIU (solo residual jovem) e de cisalhamento direto (solo coluvionar),

tanto com os solos no estado natural como contaminados. A contaminação dos

solos se deu pela substituição total ou parcial do fluido intersticial por um licor

cáustico, resíduo proveniente do processo do beneficiamento da bauxita.

Ensaios de caracterização física, química e mineralógica, com os solos em

ambos os estados, foram realizados com o intuito de auxiliar na análise dos

resultados dos ensaios de resistência. Os resultados obtidos mostraram que os

solos são suscetíveis à ação do licor, notando-se um decréscimo dos parâmetros

de resistência.

Palavras-chave Resistência ao cisalhamento, licor cáustico, solo residual, solo coluvionar

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Abstract Carvalho,Taíse Monique de Oliveira; de Campos, Tácio Mauro Pereira (advisor); Antunes, Franklin dos Santos (advisor). Effects of a caustic liqueur on the shear strength of a sienitic residual and a colluvium soils. Rio de Janeiro, 2006. 167p. MSc. Dissertation – Department of Civil Engineering, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

This work presents a study concerning the influence of an alkaline fluid in

the shear strength of two soils originating from Poços de Caldas-MG, which one

of them is a sienitic residual and the other a colluvium. For that, it was elaborated

an experimental program consisting of the execution of CIU triaxial (residual soil)

and direct shear (colluvium) tests. The tests were performed with the soils in the

natural and contaminated states. The soils were contaminated through total or

partial substitution of the pore fluids for a caustic liqueur, a residue originating

from alumina production process. In order to provide better support for the

analysis of strength tests results, it were performed physical, chemistry and

mineralogical characterization tests, with the soils in both states. The

experimental program results have shown that the liqueur causes loss of strength

in both soils.

Keywords Shear strength, caustic liqueur, residual soil, colluvium

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Sumário

1 Introdução 22

2 Revisão bibliográfica 24

2.1. Solos tropicais 24 2.1.1. Considerações gerais 24 2.1.2. Resistência ao cisalhamento 28 2.2. Influência do fluido intersticial na resistência ao cisalhamento 32 2.2.1. Considerações gerais 33 2.2.2. Resistência ao cisalhamento 35 2.3. Dados de trabalhos anteriores 40

3 Características do local e amostragem 43 3.1. Localização da Área de Estudo 43 3.2. Aspectos Fisiográficos 44 3.2.1. Clima e Vegetação 45 3.2.2. Hidrografia 45 3.2.3. Solos 45 3.2.4. Relevo 46 3.3. Geologia 46 3.4. Amostragem 48

4 Equipamentos e Metodologias de Ensaio 50 4.1. Caracterização física 52 4.1.1. Granulometria 52 4.1.2. Limites de Atterberg 52 4.1.3. Densidade dos grãos (Gs) 53 4.2. Caracterização química 53 4.3. Caracterização mineralógica 53 4.3.1. Difração por raios-X (DRX) 54 4.3.2. Análise térmica diferencial 54 4.4. Ensaios triaixiais 54 4.4.1. Equipamentos utilizados 54

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4.4.1.1. Prensa triaxial 54 4.4.1.2. Sistema de aplicação de pressão 55 4.4.1.3. Transdutores de força, de deslocamento e de pressão 55 4.4.1.4. Medidores de volume 56 4.4.1.5. Sistema de aquisição de dados 57 4.4.1.6. Acessórios: membrana de látex, papel filtro e pedras porosas 57 4.4.2. Procedimentos adotados nos ensaios 58 4.4.2.1. Confecção dos corpos de prova 58 4.4.2.2. Saturação das linhas 58 4.4.2.3. Montagem do ensaio 59 4.4.2.4. Saturação dos corpos de prova 59 4.4.2.5. Substituição do fluido intersticial água por licor cáustico 60 4.4.2.6. Adensamento 61 4.4.2.7. Fase de cisalhamento 62 4.5. Cisalhamento direto 63 4.5.1. Equipamentos 63 4.5.1.1. Prensas de cisalhamento direto 63 4.5.1.2. Transdutores de deslocamento 63 4.5.1.3. Sistema de aquisição de dados 64 4.5.1.4. Acessórios: papel filtro e pedras porosas 64 4.5.2. Procedimentos adotados nos ensaios 64 4.5.2.1. Confecção dos corpos de prova 64 4.5.2.2. Saturação dos corpos de prova 65 4.5.2.3. Adensamento 69 4.5.2.4. Cisalhamento 70 4.6. Caracterização do licor 70

5 Caracterização física, química e mineralógica 71 5.1. Introdução 71 5.2. Apresentação e análise dos resultados 73 5.2.1. Caracterização física 73 5.2.1.1. Índices físicos 73 5.2.1.2. Granulometria 73 5.2.1.3. Limites de Atterberg 77 5.2.1.4. Índice de atividade e classificação dos solos 78 5.2.2. Caracterização mineralógica 79

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5.2.2.1. Difração por raios-X (DRX) 79 5.2.2.2. Análise térmica diferencial (ATD) 87 5.2.3. Lupa binocular 88 5.2.4. Caracterização química 91 5.2.4.1. pH e condutividade elétrica 91 5.2.4.2. Capacidade de troca catiônica (CTC) 93 5.2.4.3. Análise química total 94 5.2.4.4. Ataque sulfúrico 95 5.2.4.5. Amorfos 97 5.3. Comentários finais 98

6 Comportamento mecânico 100 6.1. Adensamento edométrico – solo residual jovem natural 100 6.1.1. Introdução 100 6.1.2. Apresentação e análise dos resultados 100 6.2. Ensaios triaxiais 103 6.2.1. Introdução 103 6.2.2. Apresentação dos resultados 104 6.2.2.1. Índices físicos dos corpos de prova 104 6.2.2.2. Curvas tensão desviadora x deformação axial 105 6.2.2.3. Trajetórias de tensões efetivas e envoltórias de resistência 108 6.2.2.4. Dados na ruptura 110 6.2.2.5. Módulos de deformação 111 6.2.3. Análise e discussão dos resultados 111 6.2.3.1. Ensaios com solo natural – CIU 111 6.2.3.2. Ensaios com solo contaminado – CIU 115 6.2.3.3. Comparação dos resultados 118 6.3. Ensaios de cisalhamento direto – solo coluvionar 135 6.3.1. Introdução 135 6.3.2. Apresentação dos resultados 136 6.3.2.1. Índices físicos dos corpos de prova 136 6.3.2.2. Fase de cisalhamento 136 6.3.3. Análise e discussão dos resultados 140 6.3.3.1. Compressibilidade 140 6.3.3.2. Comparação dos resultados dos ensaios realizados com solo no

estado natural e contaminado 141

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6.4. Comentários finais 143

7 Conclusões e sugestões 145 7.1. Conclusões 145 7.1.1. Caracterização física, química e mineralógica 145 7.1.2. Compressibilidade 145 7.1.3. Resistência 146 7.2. Sugestões para trabalhos futuros 147

Referências bibliográficas 148

Apêndice I - Características do licor cáustico 158

Apêndice II - Coeficientes de adensamento e permeabilidade do solo residual 159

Anexo I - Cálculo do teor dos minerais: ilita, caulinita e gibbsita 162

Anexo II - Correção da tensão desviadora após a ruptura (triaxiais) 164

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Lista de figuras

Figura 2.1 – Proposições de perfis de intemperismo típicos do Brasil (Pastore,

1992) 28 Figura 2.2 – Resultado de ensaios triaxiais (CIU) a) solo residual silto arenoso

(indeformado e remoldado) b) solo residual argilo siltoso (indeformado e

compactado) (Wesley, 1990) 31 Figura 2.3 2 - Trajetória de tensões efetivas a) solo silte arenoso b) solo argilo

siltoso (Wesley, 1990) 32 Figura 2.4 – Variação do limite de liquidez com o pH (Kumapley e Ishola,1985) 36 Figura 2.5 – Variação da resistência não drenada com o pH ( Kumapley e Ishola,

1985) 36 Figura 2.6 – Comportamento não drenado de amostras normalmente adensadas

lixiviadas e não lixiviadas a) heptano b) ácido acético 38

Figura 3.1 - Localização da região onde se encontra a área de estudo (adaptada

de Enviro-Tec,2001) 3 Figura 3.2: Localização da área de coleta das amostras dentro do Planalto de

Poços de Caldas (modificado de Franklin, 2005) 4 Figura 3.3 – Mapa geológico do Planalto de Poços de Caldas (adaptado de

Enviro-Tec, 2001 por de Campos et al, 2004) 7 Figura 3.5 – Concreção bauxítica presente na amostra indeformada do solo

residual jovem 9 Figura 3.6 – Foto da amostra do solo coluvionar indicando os elementos que o

compõe 9

Figura 3.1 - Localização da região onde se encontra a área de estudo (adaptada

de Enviro-Tec,2001) 43 Figura 3.2: Localização da área de coleta das amostras dentro do Planalto de

Poços de Caldas (modificado de Franklin, 2005) 44 Figura 3.3 – Mapa geológico do Planalto de Poços de Caldas (adaptado de

Enviro-Tec, 2001 por de Campos et al, 2004) 47 Figura 3.5 – Concreção bauxítica presente na amostra indeformada do solo

residual jovem 49

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Figura 3.6 – Foto da amostra do solo coluvionar indicando os elementos que o

compõe 49

Figura 4.1 – Equipamentos utilizados nos ensaios triaxiais (a) foto ilustrativa (b)

desenho esquemático 56

Figura 4.2 – Medidor de variação de volume utilizado nos ensaios triaxiais 57

Figura 4.3 – Frasco de coleta de efluente (FCE) utilizado na substituição do

fluido intersticial do corpo de prova por licor 61

Figura 4.4 – Exemplo de gráfico utilizado no cálculo de t100 (ensaio triaxial CIU

com σ’c igual a 100kPa) 62

Figura 4.5 – Corpo de prova descartado devido à “quebra” deste na interface

concreção-matriz 65

Figura 4.6 – Corpo de prova do solo coluvionar após ser seco à vácuo 65

Figura 4.7 – Procedimento de saturação dos corpos de prova para o ensaio de

cisalhamento direto (a) posicionamento da pedra porosa (b) adição do papel filtro

saturado (c) posicionamento do corpo de prova (d) papel filtro seco colocado

sobre o corpo de prova (e) medidor de pH para auxiliar na verificação da

saturação (f) corpo de prova sendo submetido a sucção 67

Figura 4.8 – Curvas representando o comportamento de corpos de prova

saturados com água e licor, e submersos em água e licor 69

Figura 5.1 – Curvas granulométricas dos ensaios realizados com solo residual

natural e contaminado com diferentes defloculantes 74 Figura 5.2 – Curvas granulométricas dos ensaios realizados com o solo

coluvionar natural e contaminado com diferentes defloculantes 75 Figura 5.3 – Fases de sedimentação do solo residual jovem com os

defloculantes a) hexametafosfato de sódio, b) licor cáustico e c) água 76 Figura 5.5 – Difratogramas do solo residual jovem passante na peneira # 200 a)

natural b) contaminado com licor cáustico 81 Figura 5.6 – Difratogramas do solo residual jovem passante na peneira # 400 a)

natural b) contaminado com licor cáustico 82 Figura 5.7 – Difratogramas do solo coluvionar passante na peneira # 200 a)

natural b) contaminado com licor cáustico 83 Figura 5.8 - Difratogramas do solo coluvionar passante na peneira # 400 a)

natural b) contaminado com licor cáustico 84 Figura 5.9 – Difratograma do material passante na peneira # 40, solo coluvionar

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natural 85 Figura 5.10 – Difratograma do material retido na peneira # 40, solo residual

jovem natural 85 Figura 5.11 – Difratograma do material passante na peneira # 40, solo residual

jovem natural 85 Figura 5.12 – Difratograma do material presente nas concreções brancas, solo

residual jovem natural 86 Figura 5.13 – Termogramas do solo residual natural e contaminado 87 Figura 5.14 – Termogramas do solo coluvionar natural e contaminado 88 Figura 5.15 – Foto do solo residual indeformado a) ampliada 10 vezes b)

ampliada 60 vezes 90 Figura 5.16 – Foto do solo residual adensado a) ampliada 10 vezes b) ampliada

60 vezes 91

Figura 6.1 – Curvas recalque x raiz do tempo, solo residual natural 101 Figura 6.2 – Formas de representação dos resultados de adensamento

edométrico a) e x log σ’v, b) log e x log σ’v e c) e x σ’v 102 Figura 6.3 – Corpos de prova após a ruptura (formação de plano) 106 Figura 6.4 – Curvas do solo natural (ensaios CIU) a) tensão desviadora x

deformação axial; b) excesso de poropressão x deformação axial 106 Figura 6.5 - Curvas do solo contaminado (ensaios CIU) a) tensão desviadora x

deformação axial; b) excesso de poropressão x deformação axial 107 Figura 6.6 – Curvas do solo residual natural e contaminado (ensaios CID) a)

tensão desviadora x deformação axial; b) deformação volumétrica x deformação

axial 108 Figura 6.7 – Trajetórias de tensões efetivas (CIU) e envoltória de resistência

(estado crítico) – água 109 Figura 6.8 – Trajetórias de tensões efetivas (CIU) e envoltória de resistência

(estado crítico) – licor cáustico 110 Figura 6.9 – Relação entre: a) tensão desviadora na ruptura x tensão efetiva de

adensamento b) tensão desviadora para deformação axial de 8 % x tensão

efetiva de adensamento (Ensaios com água - CIU) 112 Figura 6.10 – Relação entre: a) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e

tensão desviadora na ruptura; b) índice de vazios (inicial e após o adensamento)

e tensão desviadora para uma deformação axial de 8 % (ensaios com água -

CIU) 114

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Figura 6.11 - Relação entre: a) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e

tensão desviadora na ruptura; b) índice de vazios (inicial e após o adensamento)

e tensão desviadora para uma deformação axial de 8 % (ensaios com licor - CIU)1

Figura 6.12 – Relação entre: a) tensão desviadora na ruptura x tensão efetiva de

adensamento b) tensão desviadora para deformação axial de 8 % x tensão

efetiva de adensamento (Ensaios com licor - CIU) 117 Figura 6.13 – Comparação das curvas índice de vazios normalizado x tensão

vertical efetiva 119 Figura 6.14 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação

axial ; b) excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com

água e licor para σ’c = 25 kPa (CIU) 120 Figura 6.15 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação






água e licor para σ’c = 200 kPa (CIU) 124 Figura 6.18 – Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios

realizados com água e licor para σ’c = 25 kPa (CIU) 125 Figura 6.19 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados

com água e licor para σ’c = 50 kPa (CIU) 126 Figura 6.20 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados

com água e licor para σ’c = 100 kPa (CIU) 127 Figura 6.21 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados

com água e licor para σ’c = 200 kPa (CIU) 128 Figura 6.22 – Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: a)

índice de vazios inicial x tensão desviadora na ruptura b) índice de vazios inicial

x tensão desviadora para uma deformação axial de 8 %. Ensaios CIU 129 Figura 6.23 - Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: a)

índice de vazios após o adensamento x tensão desviadora na ruptura b) índice

de vazios após o adensamento x tensão desviadora para uma deformação axial

de 8 %. Ensaios CIU 130 Figura 6.24 – Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor:

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tensão desviadora na ruptura x tensão efetiva de adensamento b) tensão

desviadora para uma deformação axial de 8 % x tensão efetiva de adensamento.

Ensaios CIU 131 Figura 6.25 – Variações dos módulos de deformação conforme a tensão

confinante e o fluido intersticial: a) módulo tangencial inicial e b) módulo secante

correspondente a 50 % da tensão desviadora 132 Figura 6.26 – Relação entre a) módulo tangencial inicial e índice de vazios inicial

b) módulo secante correspondente a 50 % da tensão desviadora e índice de

vazios inicial 133 Figura 6.27 – Comparação das envoltórias de resistência do solo natural com o

solo contaminado (estado crítico) 134 Figura 6.28 – Envoltórias sugeridas (resistência de pico) 135 Figura 6.29 – Ensaios de cisalhamento direto realizados com água a) curvas

tensão cisalhante x deslocamento horizontal b) curvas deslocamento vertical x

deslocamento horizontal 137 Figura 6.30 - Ensaios de cisalhamento direto realizados com licor a) curvas

tensão cisalhante x deslocamento horizontal b) curvas deslocamento vertical x

deslocamento horizontal 138 Figura 6.31 – Definição da tensão cisalhante na ruptura (de Campos e Delgado,

1995) 139 Figura 6.32 - Envoltórias de resistência do solo coluvionar natural e do

contaminado 140 Figura 6.33 – Relação entre a variação do índice de vazios e a tensão normal de

adensamento 140 Figura 6.34 Comparação entre as curvas a) tensão cisalhante x deslocamento

horizontal; b) deslocamento vertical x deslocamento horizontal. Ensaios de

cisalhamento direto realizados com água e licor, solo coluvionar 142 Figura 6.35 – Relação entre a umidade final e a tensão cisalhante na ruptura 143

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Lista de tabelas

Tabela 2.1 - Análise química de dois fonólitos e dos seus produtos de

decomposição de Poços de Caldas, Estação Bauxita (Leinz e Amaral, 1966) 26 Tabela 2.2 - Fatores que distinguem solos residuais e transportados (Brenner et

al 1997) 27 Tabela 2.3 – Resistência ao cislhamento de pico (não drenada), corpos de prova

lixiviados e não lixiviados (Anandarajah e Zhao, 2000) 38

Tabela 4.1 – Resumo dos ensaios realizados 51

Tabela 5.1 – Ensaios de caracterização física-química-mineralógica realizados 71 Tabela 5.2 – Índices físicos dos solos residual e coluvionar 72 Tabela 5.3 – Tipos de sedimentações realizadas com os solos estudados 73 Tabela 5.4 – Resumo da granulometria do solo residual jovem natural e

contaminado com a utilização de diferentes defloculantes na sedimentação 74 Tabela 5.5 – Resumo da granulometria do solo coluvionar natural e contaminado

com a utilização de diferentes defloculantes na sedimentação 74 Tabela 5.6 – Materiais utilizados nos ensaios de Limites de Atterberg 76 Tabela 5.7 – Resultados dos ensaios de limites de Atterberg dos solos residual e

coluvionar 76 Tabela 5.8 – Valores de pH e condutividade elétrica para os solos naturais e

contaminados 91 Tabela 5.9 – Resultados da análise do complexo sortivo 92 Tabela 5.10 – Composição química dos solos estudados e de uma rocha típica

da região de Poços de Caldas 94 Tabela 5.11 – Resultados da análise química por ataque sulfúrico 95 Tabela 5.13 – Resultados da determinação de amorfos 97

Tabela 6.1 – Características iniciais do corpo de prova do ensaio de

adensamento edométrico (solo residual natural) 100 Tabela 6.2 – Dados obtidos a partir dos estágios de adensamento edométrico

(solo residual natural) 101 Tabela 6.3 – Parâmetros do ensaio de adensamento edométrico 103 Tabela 6.4 – Campanha de ensaios triaxiais com os corpos de prova saturados

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com água e com licor cáustico 104 Tabela 6.5 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios CIU 105 Tabela 6.6 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios CID 105 Tabela 6.7 – Dados na ruptura e tensão desviadora para uma deformação axial

de 8%. Ensaios CIU realizados com água e licor 110 Tabela 6.8 –Dados na ruptura e tensão desviadora para uma deformação axial

de 10 %. Ensaios CID realizados com água e licor 111 Tabela 6.9 – Módulos de deformação 111 Tabela 6.10 – Campanha de ensaios de cisalhamento direto com os corpos de

prova no estado natural e contaminado 136 Tabela 6.11 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios de

cisalhamento direto 136 Tabela 6.12 – Deslocamento horizontal, tensão cisalhante e tensão normal na

ruptura 139

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Lista de símbolos e abreviações

Al = alumínio

Al+3 = cátion de Alumínio

Ar = coeficiente de poropressão na ruptura

av = coeficiente de compressibilidade

ATD = análise termodiferencial

B = parâmetro de Skempton

c’ = intercepto de coesão efetivo

Ca = cálcio

Ca+2 = cátion de cálcio

Cc = índice de compressão

C.E. = condutividade elétrica

CID = ensaio triaxial adensado drenado

CIU = ensaio triaxial adensado não drenado

Cr = cromo

Cr = índice de recompressão

Cs = índice de expansão

CTC = capacidade de troca catiônica

Cv = coeficiente de adensamento

e = índice de vazios

eadensto = índice de vazios após o adensamento

eo = índice de vazios inicial

Es50% = módulo de deformação secante para 50 % da tensão desviadora máxima

Eti = módulo de deformação tangencial inicial

Fe = ferro

Gs = densidade relativa dos grãos

Ia = índice de atividade

IP = índice de plasticidade

k = permeabilidade

L = altura do corpo de prova

LL = limite de liquidez

LP = limite de plasticidade

Mg = magnésio

Mg2+ = cátion de magnésio

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Mn = manganês

mv = coeficiente de variação volumétrica

p’ = (σ’v + σ’h)/2

p’r = p’ na ruptura

q = (σ’v - σ’h)/2

qr = q na ruptura

Rb = rubídio

S = grau de saturação

Si = silício

So = grau de saturação inicial

t100 = tempo correspondente a 100 % de compressão primária

tr = tempo mínimo de ruptura

Vmáx = velocidade máxima de cisalhamento

wf = umidade final

wnat = umidade natural

wo = umidade inicial

# = malha da peneira

δh= deslocamento horizontal

δhr= deslocamento horizontal na ruptura

δv= deslocamento vertical

δvr= deslocamento vertical na ruptura

∆u = excesso de poropressão

∆σc = acréscimo de tensão confinante

εa = deformação axial

εer = deformação axial estimada na ruptura

εv = deformação volumétrica

φ’ = ângulo de atrito interno efetivo

γd = peso específico seco

γt = peso específico natural σ’c = tensão efetiva de adensamento

σ’es = tensão de escoamento

σn = tensão normal

σnr = tensão normal na ruptura

τ = tensão cisalhante

τd = tensão desviadora

DBD


τdr = tensão desviadora na ruptura

τd8% = tensão desviadora para deformação axial de 8 %

τd10% = tensão desviadora para deformação axial de 10 %

τr = tensão cisalhante na ruptura

DBD


Introdução

1 Introdução 1 Introdução

22

22

O comportamento dos solos é regido por vários fatores, tais como sua

origem, história de tensões e estrutura, incluindo nesta última, composição

mineralógica, índice de vazios e cimentações. Outro aspecto relevante são as

características do fluido intersticial. De acordo com Brancucci et al (2003), a

influência deste no comportamento do solo será maior ou menor de acordo com

sua natureza, composição mineralógica e índice de vazios, além do estado de

tensões e temperatura.

O comportamento dos solos é regido por vários fatores, tais como sua

origem, história de tensões e estrutura, incluindo nesta última, composição

mineralógica, índice de vazios e cimentações. Outro aspecto relevante são as

características do fluido intersticial. De acordo com Brancucci et al (2003), a

influência deste no comportamento do solo será maior ou menor de acordo com

sua natureza, composição mineralógica e índice de vazios, além do estado de

tensões e temperatura.

No contexto ambiental, têm sido foco de estudo, as interações físico-

químicas que ocorrem entre solos e fluidos diferentes da água. Estas pesquisas

são realizadas com o intuito de prever o comportamento dos solos em situações

nas quais eles são inundados com produtos químicos variados, como, por

exemplo, situações de derramamentos acidentais, vazamentos em reservatórios

e em tubulações, etc. Alguns pesquisadores, ao analisar a interação entre solos

e substâncias intersticiais alcalinas, observaram mudanças no comportamento

mecânico destes. Os trabalhos de Ignatius e Pinto (1991), Shidharan et al

(1992), Agnelli e Albiero (1997), Moncada (2004), Kumapley e Ishola (1985),

Taqieddin et al (1995), Anandarajah e Zhao (2000), Costa Jr. (2001), e Martins

(2005) focam este assunto, porém, apenas os quatro últimos tratam de

resistência ao cisalhamento.

No contexto ambiental, têm sido foco de estudo, as interações físico-

químicas que ocorrem entre solos e fluidos diferentes da água. Estas pesquisas

são realizadas com o intuito de prever o comportamento dos solos em situações

nas quais eles são inundados com produtos químicos variados, como, por

exemplo, situações de derramamentos acidentais, vazamentos em reservatórios

e em tubulações, etc. Alguns pesquisadores, ao analisar a interação entre solos

e substâncias intersticiais alcalinas, observaram mudanças no comportamento

mecânico destes. Os trabalhos de Ignatius e Pinto (1991), Shidharan et al

(1992), Agnelli e Albiero (1997), Moncada (2004), Kumapley e Ishola (1985),

Taqieddin et al (1995), Anandarajah e Zhao (2000), Costa Jr. (2001), e Martins

(2005) focam este assunto, porém, apenas os quatro últimos tratam de

resistência ao cisalhamento.

O objetivo desta dissertação é avaliar a influência de um fluido alcalino na

resistência ao cisalhamento de dois solos, um residual jovem e um coluvionar.

Para tanto, foi utilizado um licor cáustico, fluido proveniente do processo de

beneficiamento da bauxita. A escolha deste fluido e dos solos foi motivada pelo

desenvolvimento, no Núcleo de Geotecnia Ambiental da PUC-Rio, de um projeto

visando avaliar condições potenciais críticas de estabilidade de diques de

contenção de resíduos de processamento da bauxita em uma indústria de

alumínio situada em Poços de Caldas – MG.

O objetivo desta dissertação é avaliar a influência de um fluido alcalino na

resistência ao cisalhamento de dois solos, um residual jovem e um coluvionar.

Para tanto, foi utilizado um licor cáustico, fluido proveniente do processo de

beneficiamento da bauxita. A escolha deste fluido e dos solos foi motivada pelo

desenvolvimento, no Núcleo de Geotecnia Ambiental da PUC-Rio, de um projeto

visando avaliar condições potenciais críticas de estabilidade de diques de

contenção de resíduos de processamento da bauxita em uma indústria de

alumínio situada em Poços de Caldas – MG.

Para estudar a influência das interações físico-químicas no comportamento

mecânico dos solos, foi elaborado um programa experimental que consistiu na

execução de ensaios triaxiais CIU (solo residual jovem) e de cisalhamento direto

(solo coluvionar), tanto com os solos no estado natural como contaminados com

Para estudar a influência das interações físico-químicas no comportamento

mecânico dos solos, foi elaborado um programa experimental que consistiu na

execução de ensaios triaxiais CIU (solo residual jovem) e de cisalhamento direto

(solo coluvionar), tanto com os solos no estado natural como contaminados com

DBD


Introdução

23

licor. A contaminação dos solos se deu pela substituição total ou parcial do fluido

intersticial por licor cáustico. De forma completar, foram realizados ensaios de

caracterização física, química e mineralógica, com os solos no estado natural e

contaminado.

A fim de permitir uma boa compreensão dos resultados obtidos, a

dissertação foi dividida em 8 capítulos, incluindo esta introdução, 2 apêndices e

2 anexos.

No Capítulo 2, é apresentada uma revisão bibliográfica sobre as

características de solos tropicais e a influência de fluidos intersticiais, diferentes

de água, na resistência ao cisalhamento.

No Capítulo 3, se faz uma descrição da área de onde foram coletadas as

amostras de solo e de licor cáustico. No Capítulo 4 são listadas as metodologias

de ensaio empregadas.

Já no Capítulo 5, são mostrados e analisados os resultados dos ensaios

de caracterização física, química e mineralógica, efetuados com os solos no

estado natural e contaminado.

No Capítulo 6, são apresentados e analisados todos os resultados dos

ensaios de resistência, bem como o de um ensaio de adensamento edométrico

realizado com o solo residual jovem. E por fim, o Capítulo 7 é formado pelas

conclusões obtidas e sugestões para trabalhos futuros.

O Apêndice I lista as características do licor cáustico. O Apêndice II

contém os coeficientes de adensamento obtidos a partir dos ensaios de

resistência e o valor da permeabilidade do solo residual, adquirida em um dos

ensaios triaxiais.

No Anexo I, é exibida a metodologia de cálculo dos teores dos minerais

que constituem os solos, por meio dos resultados dos ensaios de ataque

sulfúrico. No Anexo II, é apresentada a metodologia utilizada na correção dos

valores das tensões desviadoras, correções estas efetuadas devido ao fato do

solo residual romper formando plano de ruptura.

DBD


Revisão bibliográfica

2 Revisão bibliográfica

24

2.1. Solos tropicais

2.1.1. Considerações gerais

Uma vasta área do território brasileiro é recoberta por solos tropicais

devido às condições favoráveis de formação e desenvolvimento (clima quente,

alta pluviosidade e boas condições de drenagem). Estes solos dificilmente são

encontrados na Europa e na América do Norte, o que torna o estudo dos

mesmos responsabilidade dos países de clima tropical, como mencionado por

Terzaghi1. Os solos tropicais podem ser tanto residuais quanto transportados.

Os solos residuais são aqueles formados a partir da decomposição ou

degradação das rochas pelo intemperismo (tipicamente físico ou químico), que

permanecem no local onde foram formados, sem sofrer qualquer tipo de

transporte. Influenciam nas características destes solos a rocha de origem,

clima, topografia e condições de drenagem. Eles são normalmente considerados

não uniformes e apresentam espessura variável.

O solo residual apresenta comportamento bastante diferenciado em

relação aos solos sedimentares. A heterogeneidade, a anisotropia e outras

peculiaridades de ordem geológica dificultam a elaboração de um modelo

conceitual que generalize o seu comportamento. O comportamento deste tipo de

solo está fortemente ligado à sua estrutura e características herdadas da rocha

matriz. Suas propriedades dependem do grau de intemperismo a que o solo foi

submetido, como mencionado por Futai (2002). Assim, existem solos com

comportamentos que variam de baixa compressibilidade e elevada resistência,

como os solos saprolíticos (solos residuais jovens), incluindo nesse extremo as

rochas alteradas, até os solos extremamente instáveis (mais superficiais)

denominados de solos colapsíveis.

1 Discurso de abertura da Segunda Conferência Internacional de Mecânica dos

Solos e Engenharia de Fundações realizada em 1948.

DBD


Revisão bibliográfica 25

A influência das características da rocha mãe é mais pronunciada nos

estágios iniciais de intemperismo (sendo de extrema relevância no estudo de

solos residuais jovens), mas, durante os estágios posteriores, outros fatores

pedológicos são mais relevantes, como a laterização.

Segundo Mitchell (1993), o processo de laterização ocorre em ambientes

que apresentem altas temperaturas, chuvas abundantes e boas condições de

drenagem (condições encontradas em várias regiões do Brasil). Neste processo,

bases (Na2O, K2O, MgO) são lixiviadas, há uma rápida quebra de feldspatos e

ferromagnesianos e acumulação de óxidos de alumínio e ferro. Para Bawa

(1957) um solo é laterítico quando a razão entre SiO2 e Al2O3 está entre 1,33 e

2,00. Este processo atinge tanto solos residuais quanto sedimentares.

A maioria dos estudos relacionados a solos residuais no Brasil foca,

principalmente, solos provenientes de rochas metamórficas (gnaisses e xistos),

como constatado nos trabalhos de Maccarini (1980), Brito (1981), Sandroni

(1991), Souza Neto (1998), Oliveira (2000), Silva (2000), Futai (2002), Martins

(2005), Fonseca (2006), entre outros. Dentre as rochas ígneas é dada maior

atenção a solos residuais de basaltos e granitos, como os estudos efetuados por

Tanaka (1976), Melfi (1988), Rigo (2000) e Brant (2005). No entanto, poucas

pesquisas referentes a solos originados a partir de rochas intermediárias foram

realizadas. Isto provavelmente se deve ao fato destas rochas serem encontradas

apenas em uma pequena área do território brasileiro.

O sienito, tipo de rocha que deu origem ao solo residual estudado no

presente trabalho, é uma rocha ígnea plutônica intermediária, também

denominada de rocha alcalina devido ao alto conteúdo de álcalis (K e Na) na

composição dos minerais essenciais; outra característica é a presença de pouco

quartzo ou nenhum (Frascá e Sartori, 1998). Se a rocha for rica em alumínio, o

produto da laterização recebe o nome de bauxita, nome dado a um grupo

complexo de minerais ora amorfos, ora cristalinos, cuja composição é hidróxido

de alumínio. De acordo com Leinz e Amaral (1966), para que se processe a

formação deste minério, além da existência de uma rocha aluminosa em um

ambiente de clima tropical, são necessárias outras condições. A topografia deve

ser suave, reduzindo ao mínimo o efeito erosivo. Deve-se alternar com a estação

chuvosa uma estação seca. Durante este tempo a água ficará agindo nos poros

da rocha em vias de decomposição. Finalmente, a condição mais importante é a

do pH da água, que deve ser favorável. A sílica é tanto mais solúvel quanto mais

alto for o pH. Já a alumina apresenta dois valores, um ácido e outro alcalino. O

DBD



pH ideal para a laterização é entre 8 e 9, onde é relativamente alta a solubilidade

da sílica e baixa a de alumina (Leinz e Amaral, 1966).

Os fonólitos, rochas com características bastante semelhantes aos

sienitos, são rochas destituídas de quartzo. A Tabela 2.1 mostra a composição

química de dois fonólitos e dos seus produtos de alteração. Estes materiais são

de Poços de Caldas, mesma região onde se encontra o solo residual estudado.

No processo de intemperismo desta rocha, grande parte da sílica é lixiviada e as

quantidades de alumina e sesquióxidos de ferro são consideravelmente

aumentadas. A perda de sódio é maior que a de potássio. Este fato é

conseqüência da fácil adsorção dos íons de potássio às partículas de dimensões

coloidais do solo.

Tabela 2.1 - Análise química de dois fonólitos e dos seus produtos de decomposição de

Poços de Caldas, Estação Bauxita (Leinz e Amaral, 1966)

I (%)* II(%)* III (%)* IV (%)* SiO2 53,9 6,67 53,82 4,16 Al2O3 19,42 51,04 19,18 48,42 Fe2O3 3,13 10,63 3,20 7,98 FeO 1,04 0,44 0,95 0,34 MgO - - 0,13 - CaO 1,91 0,34 1,76 - Na2O 7,24 0,78 6,15 0,55 K2O 8,54 1,24 7,9 0,63 H2O+ 3,43 26,82 5,26 27,69 H2O- 0,15 0,25 0,22 8,18 TiO2 0,29 0,50 0,29 0,61 P2O5 0,10 0,29 0,10 0,08 MnO 0,16 0,08 0,28 0,12 Total(%) 99,31 99,08 99,24 98,76 * I e III – Rocha sã; II e IV – Seus respectivos produtos de alteração

Diferentemente dos solos residuais, os solos sedimentares são resultantes

dos processos de erosão e transporte, seguidos de deposição e adensamento

sob a ação do peso próprio. O solo originado de misturas de fragmentos

minerais da rocha subjacente, enriquecidos por detritos vegetais, blocos de

rocha com grãos de qualquer dimensão transportados principalmente por

gravidade das partes mais elevadas, constitui um tipo particular de solo

transportado denominado solo coluvionar, colúvio ou solo alóctone. As argilas

moles e os aluviões também se classificam como solos sedimentares. Solos

coluvionares e aluvionares podem sofrer processo de laterização (Pastore, 1995

e Cruz, 1996).

As principais diferenças entre o comportamento de solos residuais e

sedimentares podem ser vistas na Tabela 2.2.

DBD



Tabela 2.2 - Fatores que distinguem solos residuais e transportados (Brenner et al 1997)

Características Efeito nos Solos Residuais Efeito nos Solos Sedimentares

História de tensões Geralmente não é muito importante.

-Muito importante, -Causa o efeito de pré-adensamento.

Resistência de partículas/ grãos

-Muito variável, -Varia com a mineralogia e existência de partículas alteradas.

-Bastante uniforme, -Presença de poucos grãos alterados que são eliminados no transporte.

Cimentação -Importante para a resistência.

-Ocorre devido ao envelhecimento geológico.

Estrutura reliquiar e descontinuidades

Desenvolvido a partir de estruturas pré-existentes ou características estruturais da rocha mãe, inclui-se a estratificação, juntas, bandamento, etc.

Desenvolvido devido a ciclos de deposição e da história de tensões, gerando possíveis superfícies de falhas.

Anisotropia Ocorre geralmente devido à estrutura reliquiar da rocha.

Devido à deposição e história de tensões.

Índice de vazios Depende do grau de alteração do material.

Depende diretamente da história de tensões.

A seqüência de camadas com diferentes propriedades físicas, formadas in

situ por processos de alteração física e química, e que permanecem recobrindo

o maciço rochoso é denominada, segundo Deere e Patton (1971), como perfil de

intemperismo. Pastore (1992) compara perfis de intemperismo típicos do Brasil

Figura 2.1 onde, na última coluna, o autor inclui no horizonte laterítico os solos

transportados que sofreram laterização. Os perfis desta figura só representam

locais onde os processos intempéricos ocorreram na direção vertical.

DBD



Figura 2.1 – Proposições de perfis de intemperismo típicos do Brasil (Pastore, 1992)

2.1.2. Resistência ao cisalhamento

Como já mencionado, os solos residuais são formados in situ a partir do

intemperismo físico e químico, enquanto solos sedimentares são formados por

um processo de erosão e transporte, seguidos por deposição e adensamento.

Os solos sedimentares podem passar por alterações após a deposição devido a

processos como adensamento secundário, lixiviação, efeitos tixotrópicos e

desenvolvimento de ligações interpartículas (Bjerrum, 1967). Desta forma, para

solos sedimentares, a tendência normal é de que a resistência aumente com o

tempo, conforme o desenvolvimento das ligações e do seu endurecimento. Com

os solos residuais é de se esperar que acontecerá o contrário, as ligações e

cimentações sendo quebradas ou enfraquecidas pelos processos intempéricos.

Outra diferença importante entre estes grupos de solo é a característica

DBD



homogênea dos depósitos sedimentares e o fato de que a história de tensões é

geralmente um fator determinante no comportamento destes (permite a clássica

divisão em solos normalmente adensados e pré-adensados).

Como o comportamento de solos sedimentares é algo bem fundamentado

e conhecido, neste item será dada maior atenção à resistência ao cisalhamento

de solos residuais, apesar de um dos materiais estudados nesta dissertação

tratar-se de um colúvio.

O comportamento de solos residuais não é devidamente representado

pelos modelos da Mecânica dos Solos Clássica, devido às peculiaridades que

estes apresentam em relação ao processo de formação e as suas características

(principalmente estrutura e heterogeneidade).

Mitchell (1993) define estrutura como sendo o termo utilizado para

designar os efeitos combinados de fábrica, composição e forças interpartículas.

Deve-se ficar claro que qualquer solo em seu estado indeformado tem uma

estrutura seja ele residual ou sedimentar, entretanto dar-se-á maior atenção às

estruturas dos solos residuais por motivos que serão discutidos adiante.

A estrutura dos solos residuais é marcada pelo arranjo e ligações entre os

grãos, num certo índice de vazios. Em decorrência destas ligações,

denominadas ‘cimentações fracas’, costuma-se dizer que os solos residuais

constituem solos estruturados. Apesar disto entrar em desacordo com o acima

escrito, este termo será usado no presente trabalho, particularmente por ser

amplamente difundido na literatura internacional.

Segundo Leroueil e Vaughan (1990), a destruição progressiva dessas

ligações entre as partículas dos solos estruturados ocorre principalmente por

compressão, expansão, ação do intemperismo, fluência, fadiga ou cisalhamento,

sendo as principais conseqüências da desestruturação a diminuição da rigidez

do solo, a perda de resistência de pico e o decréscimo da tensão de escoamento

na compressão.

De acordo com Mitchell (1993), as ligações interpartículas de natureza

química (agentes cimentantes como carbonatos, silica, óxido de ferro, alumínio,

compostos orgânicos) e de natureza eletrostática e eletromagnática (forças de

Van Der Waals) são fontes de coesão verdadeira, enquanto a coesão aparente

decorre da sucção (aspecto importante, mas que não será discutido).

A maneira mais comum para se determinar a resistência ao cisalhamento

de solos residuais é através de ensaios de laboratório, seja por cisalhamento

direto ou compressão triaxial.

DBD



Ao serem submetidos a carregamentos verticais com confinamento lateral,

os solos residuais se comportam de maneira semelhante às argilas

sedimentares, diferindo, entretanto, em relação à tensão correspondente a uma

mudança acentuada no gradiente da curva tensão x deformação. Esta tensão,

denominada por Vargas (1953), Leroueil e Vaughan (1990) como “tensão de

escoamento”, não está relacionada com a tensão vertical das camadas de terra

sobrejacentes, e sim com a resistência de ligações interpartículas. A tensão de

escoamento para solos residuais é conseqüência da história de intemperismo e

resulta, principalmente, de dois fatores: índice de vazios e ligações

interpartículas.

De acordo com Vaughan (1985), as principais características do

comportamento de engenharia destes solos são: a) a presença de um intercepto

de coesão e de uma tensão de escoamento, os quais não se relacionam com a

história de tensões, mas sim com o processo de intemperismo, como já

mencionado no parágrafo anterior; b) um comportamento rígido para baixas

tensões (inferiores a tensão de escoamento) e um comportamento mais plástico

para tensões mais elevadas.

Leroueil e Vaughan (1990) analisam o comportamento de solos residuais,

em ensaios triaxiais, da seguinte maneira:

• Quando o solo está submetido a uma tensão efetiva inferior à tensão de

escoamento (obtida na compressão isotrópica) e para baixos níveis de

tensão, o solo exibe uma resistência de pico bem definida, em seguida

perde a resistência e tende para o estado crítico. Os pontos de

escoamento e de resistência máxima são praticamente coincidentes;

• Quando o solo está submetido a uma tensão efetiva inferior à tensão de

escoamento e para níveis mais elevados de tensão, o solo exibe

comportamento inicial rígido até atingir o escoamento, em seguida ocorre

a diminuição de rigidez e o solo passa a ter um comportamento mais

plástico;

• Quando o solo é submetido a uma tensão efetiva superior à tensão de

escoamento, as cimentações são quebradas e o solo se comporta de

maneira semelhante a solos normalmente adensados.

Sandroni (1974), ao estudar o comportamento de solos residuais,

considerou a envoltória de resistência curva até próxima da tensão de

escoamento e acima desta admitiu o comportamento semelhante ao de solos

sedimentares normalmente adensados. A curvatura da envoltória é devido,

principalmente, à presença de cimentações. No entanto, muitos solos residuais

DBD



permitem que sejam traçadas envoltórias totalmente retas, representando de

maneira satisfatória o comportamento do solo.

Wesley (1990) avaliou a resistência ao cisalhamento de dois solos, um silte

arenoso derivado de uma formação siltito e granito, e um argilo siltoso marrom

amarelado, originado a partir do processo de intemperismo em depósitos de

cinzas vulcânicas. Foram realizados ensaios triaxiais não drenados (CIU) com

amostras indeformadas e deformadas. No caso do silte arenoso, as amostras

deformadas eram preparadas com a umidade próxima da natural e os corpos de

prova moldados usando apenas a pressão dos dedos. Já o solo argilo siltoso foi

substituído por um material com composição bastante semelhante ao solo

natural e então compactado na umidade natural. A curva tensão desviadora x

deformação e poropressão x deformação estão mostradas nas Figuras 2.2 e 2.3.

O comportamento dos dois solos demonstra que, nestes casos, a composição

influencia mais na resistência do que a estrutura.

a)

σ 1 –

σ3 (k

Pa)

b) Tensões efetivas de

adensamento

σ1 –

σ3 (k

Pa)

Inderfomado

Remoldado

Inderfomado Compactado

Poro

pres

são

(kP

a)

Poro

pres

são

(kP

a)

Tensões efetivas de adensamento

Figura 2.2 – Resultado de ensaios triaxiais (CIU) a) solo residual silto arenoso

(indeformado e remoldado) b) solo residual argilo siltoso (indeformado e compactado)

(Wesley, 1990)

Deformação axial (%) Deformação axial (%)

DBD



b)

a)

InderfomadoCompactado

Inderfomado Remoldado

Figura 2.3 2 - Trajetória de tensões efetivas a) solo silte arenoso b) solo argilo siltoso

(Wesley, 1990)

2.2. Influência do fluido intersticial na resistência ao cisalhamento

A resistência ao cisalhamento e a compressibilidade dependem de fatores

relacionados ao solo, ao estado de tensões e ao fluido dos poros. As alterações

provocadas no solo por fatores como cátions trocáveis e características do fluido

dos poros dependem da atividade da fração argila (Mitchell, 1976).

Para melhor entendimento do comportamento do solo perante diferentes

fluidos intersticiais, algumas definições básicas, principalmente referentes a

interações físico-químcas, serão apresentadas no subitem a seguir e, só então,

serão relacionados alguns trabalhos que tratam de resistência ao cisalhamento.

DBD



2.2.1. Considerações gerais

Na descrição e compreensão de um solo com teor considerável de argila,

os métodos da mecânica pura não são, em geral, suficientes. Duas argilas com a

mesma curva granulométrica, por exemplo, podem ter propriedades coloidais

muito diferentes dependendo da sua natureza mineralógica, que conduzem a

comportamentos também diferentes do ponto de vista de engenharia. Para

prever o comportamento destes solos é importante estudar suas propriedades

físico-químicas, uma vez que estas influenciam características como

plasticidade, expansão e contração, estrutura, permeabilidade, resistência ao

cisalhamento, colapso, compactação, etc.

A fração fina do solo é composta pelo que se denomina de argilominerais.

De acordo com Santos (1975), argilominerais são partículas cristalinas

extremamente pequenas compostas por silicatos hidratados de alumínio e ferro,

podendo conter certo teor de elementos alcalinos e alcalino-terrosos. Dentre as

principais propriedades dos argilominerais tem-se a superfície específica, a

natureza e a porcentagem de íons trocáveis, as capacidades de troca catiônica e

aniônica, a espessura da camada de água adsorvida, a espessura da dupla

camada elétrica, as características do fluido intersticial (constante dielétrica,

condutividade elétrica, pH, concentração e natureza de íons dissolvidos,

temperatura, viscosidade, peso específico), etc.

A água contida nos solos pode apresentar-se de três formas: adsorvida na

superfície dos argilominerais, fazendo parte da estrutura molecular das

partículas sólidas ou preenchendo os vazios. Grim (1965) demonstrou que a

água adsorvida (não líquida ou rígida) tem propriedades diferentes da água

líquida. Essa água tem moléculas organizadas em uma espécie de estrutura

rígida a partir da superfície dos argilominerais, cujas características dependem

da natureza do argilomineral e da natureza dos ânions e cátions adsorvidos na

superfície deste. A natureza da água adsorvida e os fatores que influem na

formação da camada de água adsorvida à superfície dos argilominerais são

pontos fundamentais que determinam certas propriedades dos sistemas

argila+água, tais como a plasticidade, a viscosidade, a tixotropia, o poder ligante

e a resistência mecânica no estado úmido (Santos, 1975). As camadas de água

adsorvidas contribuem para o aumento das ligações entre as partículas, sendo

fonte de coesão verdadeira (Vargas, 1981).

DBD



Os argilominerais têm capacidade de trocar íons, isto é, têm íons fixados

na superfície, entre as camadas e dentro dos canais do retículo cristalino que

podem ser trocados através de reações químicas, por outros íons, em solução

aquosa, sem que isso venha a trazer modificação na estrutura cristalina. As

propriedades plásticas e outras propriedades de uma argila também podem ser

modificadas pela permuta de íon adsorvido (Santos, 1975).

Os minerais de carga superficial variável predominam nos solos tropicais,

enquanto que nos solos não tropicais predominam os minerais de carga

superficial constante. Um mineral tem carga superficial constante quando esta é

originada de substituições isomórficas, sendo geralmente negativa, fixa, não

manipulável e independente da composição do fluido dos poros. A carga

superficial é variável quando sua magnitude se altera de acordo com o pH do

fluido do poro (Casanova, 1989).

Lambe e Whitman (1979) adotam o termo floculado quando o efeito

resultante das forças entre as partículas de argilominerais for de atração, com

tendência de aproximação destas, e o termo disperso quando predominam as

forças repulsivas, com tendência de afastamento das partículas. As forças

interpartículas mais importantes são a força mecânica (ou força repulsiva de

Born), forças de atração de Van Der Waals e a força repulsiva da dupla camada

(Anandarajah e Zhao, 2000). É de maior importância, devido à sua magnitude, a

força repulsiva da dupla camada.

Um solo com estrutura floculada apresenta maior resistência, menor

compressibilidade e maior permeabilidade que o mesmo solo, no mesmo índice

de vazios e com estrutura dispersa. A predominância de forças atrativas de Van

Der Waals na condição floculada resulta em aproximação das partículas e

aumento dos contatos mecânicos, com conseqüente aumento de coesão

verdadeira e do ângulo de atrito.

Adicionando-se certos sais alcalinos, como polifosfatos de sódio,

observa-se uma dispersão das partículas menores. Estes sais fornecem cátions

de sódio à dupla camada da face maior dos argilominerais. No entanto, o ânion

polifosfato é adsorvido na face menor (aresta). Esta adsorção faz com que a face

menor de carga positiva, quando “coberta” com uma camada de monocamada

de polifosfato, de carga negativa, tenha a carga de mesma natureza da face

maior. Assim, as interações face maior-aresta e aresta-aresta são destruídas

resultando em uma estrutura mais dispersa (Santos, 1975).

DBD



2.2.2. Resistência ao cisalhamento

A influência do pH do fluido intersticial e do tipo de cátion trocável, na

resistência, é percebida quando se trata solos com diferentes tipos de fluidos e

cátions. Abaixo, são citados alguns trabalhos que avaliam principalmente a

resistência ao cisalhamento de diferentes solos na presença de diferentes fluidos

intersticiais.

Taqieddin et al (1995) discutiram os aspectos físico-químicos da

resistência ao cisalhamento de uma argila ilílitica siltosa, altamente

compressível. Esta argila foi tratada com três tipos de cátions: sódio, cálcio e

potássio, em três diferentes valores de pH (2, 7, 12). Os corpos de prova eram

compactados com diferentes umidades (abaixo, acima e na umidade ótima) e

submetidos a ensaio de compressão triaxial não drenado (CIU). Os resultados

obtidos indicaram que a resistência do solo não contaminado foi maior do que a

dos solos tratados. Entre os solos tratados com cátions, o solo tratado com

potássio mostrou a maior resistência, seguido do solo tratado com cálcio, para

todas as condições na curva de compactação, exceto no ramo úmido, onde o

solo tratado com cálcio apresentou a maior resistência. Solos tratados com Na

sempre mostraram a resistência mais baixa devido a seu alto poder dispersor, ao

contrário do cálcio e potássio que apresentaram tendência floculante. A maior

resistência foi obtida para pH igual a 7, sendo observado também que a

resistência na condição ácida foi maior do que na condição básica.

Kumapley e Ishola (1985) estudaram a influência da contaminação química

por soda cáustica, no limite de liquidez e na resistência não drenada de três

solos cauliníticos. Os resultados obtidos por eles mostraram que o aumento da

concentração de soda cáustica causa um decréscimo no limite de liquidez e na

resistência não drenada devido à ação dispersante da soda cáustica (Figuras 2.4

e 2.5).

DBD



Lim

ite d

e liq

uide

z (%

)

pH

Figura 2.4 – Variação do limite de liquidez com o pH (Kumapley e Ishola,1985)

Um

idad

e (%

)

Figura 2.5 – Variação da resistência não drenada com o pH ( Kumapley e Ishola, 1985)

Resistência não drenada (kPa)

Costa Júnior (2001) avaliou a resistência ao cisalhamento de um solo

laterítico do Maranhão quando saturado com soluções de hidróxido de sódio

(NaOH) com concentrações e pH variados. O comportamento mecânico foi

analisado através de ensaios triaxiais drenados (CID). O autor detectou que os

parâmetros de resistência ao cisalhamento, assim como as curvas

granulométricas, foram pouco afetadas pelos licores cáusticos. Isto ocorre,

principalmente, devido ao fato do solo conter uma fração argila muito pequena

(8%).

Brancucci et al (2003) realizaram ensaios de cisalhamento direto em solos

argilosos contendo quantidades variáveis de esmectita. Eles concluíram que o

aumento da constante dielétrica (ε) implica no aumento da camada dupla,

desenvolvimento de estrutura mais dispersa, diminuição do atrito entre partículas

e menor resistência ao cisalhamento. Ao utilizar como fluido intersticial água

DBD



destilada (ε = 80), por exemplo, o ângulo de atrito obtido foi de 5o. Já para uma

solução de 1M NaCl (ε = 70) o ângulo de atrito encontrado foi de 15o.

Anadarajah e Zhao (2000) investigaram a influência do fluido dos poros na

resistência ao cisalhamento e no comportamento tensão-deformação de um solo

caulinítico da Geórgia. Além da água, foram utilizados os seguintes fluidos

orgânicos: formamida, etanol, ácido acético, trietrilamina e eptano, com

constantes dielétricas iguais a 111; 24,3; 6,16; 2,42; 1,91; respectivamente. As

amostras eram preparadas com teor de umidade de 135 % (2,5 vezes o limite de

liquidez), adensadas edometricamente e guardadas em uma câmara úmida. Em

seguida, corpos de prova com 7,1 cm de diâmetro e 7,6 cm de altura eram

moldados a partir das amostras adensadas e então submetidos aos ensaios CIU

convencionais. Foram realizados ensaios com amostras saturadas com água,

não lixiviadas, para servir como referência. Nos demais ensaios os fluidos

orgânicos eram percolados pelos corpos de prova após o adensamento. A

Figura 2.6 ilustra os resultados obtidos nos ensaios CIU com amostras lixivadas

com heptano e ácido acético.

Os autores detectaram que há mudanças significativas no comportamento

tensão-deformação e nas trajetórias de tensões efetivas em relação ao solo não

lixiviado. Em todos os casos, observou-se que os fluidos orgânicos causaram um

“pré-adensamento aparente”, apresentando resistências de pico mais elevadas e

gerando excessos de poropressão menores durante o cisalhamento não

drenado, em comparação ao solo não lixiviado (ver Tabela 2.3). A tensão

desviadora máxima não é atingida nos ensaios realizados com formamida,

trietilamina e heptano devido à limitação da deformação específica axial de 10%

(ver letra “a” da Figura 2.6).

DBD



Não lixiviado (água) Lixiviado, pi=100 kPa Lixiviado, pi=200 kPa

Não lixiviado (água) Lixiviado:

100 kPa 200 kPa 400 kPa

q (k

Pa)

q (k

Pa)

p (kPa) Trajetória de tensões efetivas p (kPa)

Trajetória de tensões efetivas Não lixiviado (água)Lixiviado,

Lixiviado,pi=200 kPa

pi=100 kPaNão lixiviado (água)

Lixiviado: 100 kPa 200 kPa 400 kPa

q (k

Pa)

q (k

Pa)

ε(%) Relação tensão – deformação

ε(%) Relação tensão – deformação

Figura 2.6 – Comportamento não drenado de amostras normalmente adensadas

lixiviadas e não lixiviadas a) heptano b) ácido acético

Tabela 2.3 – Resistência ao cislhamento de pico (não drenada), corpos de prova lixiviados e não lixiviados (Anandarajah e Zhao, 2000)

Tensão desviadora máxima - q (kPa) Fluido intersticial Constante dielétrica 100kPa 200kPa 400kPa

Formamida 111 126,8 225,4 - Água 80 65,0 107,6 205,8 Etanol 24,2 98,8 141,8 227,8 Ácido acético 6,1 215,4 262,2 - Trietilamina 2,4 160,6 256,6 - Heptano 1,9 296,0 372,6 438,8

Ainda observa-se que valores maiores de resistência ao cisalhamento

correspondem a constantes dielétricas menores, sendo os ensaios com ácido

acético e formamida exceções. No caso do ácido acético, o comportamento

anormal é atribuído à dissolução de argilominerais e sais do solo, tais como

DBD



CaCO3. Já o comportamento dos ensaios realizados com formamida se deve ao

elevado valor da constante dielétrica e ao fato de que os sais do solo não se

dissolveram na formamida, resultando num predomínio de forças de atração,

apesar de sua constante dielétrica ser maior que a da água.

Os autores justificaram os resultados obtidos em termos de alterações de

forças interpartículas da seguinte maneira:

• Aumento dos contatos mecânicos: quando o fluido provoca a

diminuição das forças de repulsão, certamente ocorre a

aproximação de partículas e então contatos mecânicos que antes

não existiam tornam-se possíveis. O aumento destes contatos é

que provoca o comportamento aparente de “pré-adensado”.

• Aumento da coesão global: quando o fluido provoca aumento das

forças de atração (Van Der Waals), torna-se mais difícil afastar as

partículas, aumentando assim a coesão.

Não foram realizadas análises referentes a parâmetros efetivos de

resistência e envoltórias de ruptura.

Martins (2005) estudou a influência das interações físico-químicas no

comportamento mecânico e hidráulico de dois solos residuais de origem

gnaíssica, um laterítico (1 m de profundidade) e outro saprolítico (5 m de

profundidade). Para tanto, ela desenvolveu um programa experimental

envolvendo ensaios de caracterização, adensamento edométrico,

permeabilidade e ensaios triaxiais CIU e CID. O efeito das interações foi

investigado provocando-se a desestruturação dos solos e comparando-se os

resultados obtidos nesta condição com os resultados correspondentes ao solo

intacto. A desestruturação foi induzida através da remoldagem (nas vizinhanças

do limite de liquidez) e através da substituição do fluido intersticial por soluções

de hexametafosfato de sódio e carbonato de sódio com concentrações e pH pré-

definidos. De maneira geral, os resultados obtidos evidenciaram importantes

mudanças na estrutura (principalmente dispersão devido à presença do cátion

sódio nos fluidos) e no comportamento, em relação à condição intacta, em

especial o de 1 m de profundidade, por ter maior teor de argila.

A autora observou que os limites de consistência diminuíram com o

aumento da concentração das soluções (resultado de uma maior concentração

de sódio), com exceção do solo de 5 m de profundidade quando ensaiado com

soluções mais concentradas, as quais não influenciaram nos seus limites.

No que se refere ao comportamento mecânico, os resultados obtidos por

meio dos ensaios triaxiais drenados (CID) mostraram que houve uma redução da

DBD



resistência de pico e a ruptura foi alcançada, na maioria dos ensaios, para

menores deformações axiais. As envoltórias de pico dos ensaios com solo

remoldado, solo com solução 0,001N e solo intacto foram praticamente

coincidentes. A envoltória de pico do ensaio com solução 0,1 N posicionou-se

mais abaixo que as demais. De forma geral, nos ensaios CIU, o solo intacto

apresentou maior resistência e rigidez que o solo remoldado e com soluções. A

influência das cimentações no comportamento do solo foi significativa no ensaio

com tensão efetiva de adensamento igual a 25 kPa.

Existem outros trabalhos que analisam as interações entre o fluido

intersticial e o solo. D’Appolonia (1980), Barreto et al (1982), Simons e Reuter

(1985), Pavilonski (1985), Ignatius e Souza Pinto (1991), Agnelli e Albiero (1997),

Taubald et al (2000), Claret et al (2002), Savage et al (2002), Josefaciuk et al

(2002), Moncada (2004), são apenas alguns exemplos. A maioria deles foca a

permeabilidade e a colapsividade, temas que não são tratados nesta

dissertação.

2.3. Dados de trabalhos anteriores

Ao longo dos anos, tem havido um monitoramento constante da área em

estudo através de ensaios geotécnicos, de laboratório e de campo. Na Tabela

2.4 estão alguns resultados de ensaios de caracterização física e de resistência

realizados anteriormente. Procurou-se mostrar apenas dados de solos com

características semelhantes aos estudados.

Observa-se que há uma grande variabilidade nos parâmetros referentes

tanto às características físicas quanto às de resistência para um mesmo tipo de

solo. Uma das amostras analisadas, a PI-02, estava contaminada por licor e,

provavelmente por isto, apresentou parâmetros de resistência bastante inferiores

aos obtidos nos demais ensaios realizados com solos saprolíticos. Na Figura 2.7

encontra-se a locação dos pontos de coleta das amostras utilizadas nos ensaios

citados naTabela 2.4.

DBD



1 km

SRJ – ponto de coleta do solo residual jovem estudado SC – ponto de coleta do solo coluvionar

Figura 2.7– Locação dos pontos de coleta de amostras de trabalhos anteriores (citadas na Tabela 2.4)

DBD


43

Tabela 2.4– Ensaios realizados anteriormente a partir de solos da área de estudo

Fonte Solo Pontos de coleta

Prof. (m)

gnat

(kN/m3)

LL (%)

LP (%) G w

(%) k

(cm/s) e c’ (kPa)

φ’ (o)

Ensaios de resistência realizados

Colúvio PI-01 5 15,5 55 36,6 2,66 55,96 1,4x10-4 1,626 8,53 28,42 CIU e Cis.direto

LPS (1995) S.R.J.

(silte argiloso) PI-02 4,5 16,23 47,1 28,8 2,75 51,11 - 1,152 7,25 23,72 CIU e Cis. direto (solo contaminado com licor)

Colúvio PI-03 1,5 15,10 - - - - - - 24,43 30,1 Cisalhamento diretoGround (1996)

S.R.J. (silte argiloso) PI-03 3 11,8 - - - - - - 18,04 30,7 Cisalhamento Direto

Colúvio ou S.R.M

(argila siltosa) PI-04 2 15,92 78 39 2,75 44,8 7,5x10-7 1,454 0 28 Cisalhamento direto

Colúvio (silte argiloso) PI-05 5 16,43 56 28 2,68 34,5 - 1,152 41,19 25 Cisalhamento Direto

S.R.J. (silte argiloso) PI5-101 5 16,51 98 43 2,7 44,1 - 1,312 28,73 29 Cisalhamento direto

Geotécnica (2001)

S.R.J. (silte argiloso) PI-04 5 16,61 64 34 2,88 48,7 8,5x10-7 1,529 33,54 24 Cisalhamento direto


DBD


Características do local e amostragem

3 Características do local e amostragem

43

3.1. Localização da Área de Estudo

Os solos estudados na presente dissertação ocorrem no Planalto de Poços

de Caldas, na região sudoeste do Estado de Minas Gerais (Figura 3.1). O

planalto abrange parte dos municípios de Poços de Caldas, Caldas, Andradas e

Águas de Prata (Franklin, 2005). As amostras foram coletadas na área de

disposição de resíduos de uma indústria de alumínio, localizada a cerca de

10 km ao sul da cidade de Poços de Caldas que, por sua vez, encontra-se a

noroeste da cratera de um antigo vulcão (Figura 3.2).

Poços de Caldas - MG

Área de estudo

Campinas

Andradas

São Paulo - SP

Brasil

Poços de Caldas

Figura 3.1 - Localização da região onde se encontra a área de estudo (adaptada de

Enviro-Tec,2001)

DBD



44

Poços de Caldas

Local de Estudo

Rio das Antas Morro

do Ferro Rio

Verde Caldas

Águas de

Prata

Andradas

EstradasCidades

Bordas da Caldeira

Rios

Figura 3.2: Localização da área de coleta das amostras dentro do Planalto de Poços de

Caldas (modificado de Franklin, 2005)

3.2. Aspectos Fisiográficos

As informações contidas neste item foram extraídas essencialmente de

Fraenkel (1985), que apresenta um resumo das características fisiográficas da

região onde está inserida a área que contem os solos estudados. Dados não

obtidos neste trabalho estão devidamente referenciados.

O Planalto de Poços de Caldas tem forma aproximadamente circular com

diâmetro de cerca de 30 km. Até a década de 70, a economia da região era

baseada em criação de gado, agricultura e turismo, porém, a partir deste

período, houve um grande avanço na industrialização da área. Entre as

indústrias da região destacam-se as de alumínio, laticínios, cerâmica, têxteis e

fertilizantes.

DBD



45

3.2.1. Clima e Vegetação

O clima da região é classificado como tropical mesotérmico brando úmido,

com duas estações bem marcadas. A temperatura media anual é de 18o C, a

mínima chega, às vezes, abaixo de 0o C e a máxima raramente alcança 30o C. A

estação chuvosa ocorre de novembro a abril, havendo uma concentração de

cerca de 82 % da precipitação média anual (1700 mm) neste período. Tais

aspectos climáticos determinam a perenização dos rios da região.

A vegetação predominante na área é a de campos naturais. Em grotas e

nascentes ao longo dos principais cursos d’água, existem capões de mata

exuberantes. Do lado interno das serras que bordejam a face norte do planalto,

ocorrem florestas densas naturais.

3.2.2. Hidrografia

Os rios da região pertencem ao sistema de afluentes da margem esquerda

do rio Pardo, tributário do Rio Grande. Seus cursos d’água são constituídos e

alimentados apenas pelas precipitações pluviométricas e, formando dois

sistemas de drenagens o do rio das Antas e do rio Verde. O primeiro drena 75%

do Planalto, sendo represado antes de cruzar a cidade de Poços de Caldas

(Represa Saturnino de Brito) e antes de precipitar-se encosta abaixo ao noroeste

(Represa Bortolan). O rio das Antas nasce perto da borda sudeste e atravessa

todo o Planalto, descrevendo ângulos quase retos, ora para NE, ora para NW. O

rio Verde e seus afluentes formam um sistema bem menos extenso, o qual drena

a porção leste do Planalto.

De acordo com LPS (1993), o sistema de drenagem superficial do local de

coleta das amostras, hoje completamente modificado com a implantação de

obras, denota ainda um caráter dentrítico, típico da região e característico para a

formação das litologias existentes. Quatro cursos de água cortam o local: Rio

das Antas e Córregos ou Ribeirões das Vargens, do Alcino e do Papão, com os

dois primeiros córregos constituindo afluentes do Rio das Antas.

3.2.3. Solos

Sobre o ponto de vista pedológico, há predominância de solos

classificados como latossolos, formados in-situ, por efeito do intemperismo,

DBD



46

característico de regimes pluviométricos torrenciais com duas estações bem

marcadas. Esse fenômeno é também responsável pelas extensas formações

superficiais de bauxita, favorecido pela ausência de quartzo das rochas

sieníticas.

A espessura do manto de decomposição das rochas é bastante variável,

pois enquanto o solo, superficial maduro e subsuperficial residual jovem, tem

espessura de até alguns metros, a rocha decomposta alcança até 100-150m de

profundidade em determinados locais.

3.2.4. Relevo

O Planalto possui uma forma circular, com diâmetro de aproximadamente

30 km. A altitude média no seu interior é de 1300 m, enquanto a região

circundante não vai além de 800 m. Delimitando a intrusão alcalina e fazendo

parte dela, existe um anel de montanhas que constitui um dique anelar, cujas

altitudes variam entre 1500 m e 1700 m. A ação do intemperismo, facilitada pela

alteração hidrotermal das rochas e pelo regime torrencial do clima, provocou

rebaixamento drástico na área interna do Planalto, tornando ainda mais notável o

aspecto de caldeira.

3.3. Geologia

Segundo Moreira (2001), o Planalto de Poços de Caldas compreende um

complexo alcalino situado entre a Bacia Sedimentar do Paraná e a Serra da

Mantiqueira, sendo intrusivo ou encaixado em rochas pré-cambrianas do

embasamento cristalino constituído por rochas Arqueanas do complexo Varginha

(gnaisses, migmatitos, granulitos). As rochas mais abundantes deste maciço são

as nefelinas-sienitos (tinguaítos, fonolitos, foiaitos), de idade Mesozóica-

Zenozóica. Estas rochas, de origem ígnea, apresentam a característica de

inexistência de quartzo em sua composição mineralógica, tendo tipicamente

como componentes principais, feldspatóides, feldspatos sódicos e potássicos e

piroxinênio.

Os diversos tipos litológicos de filiação alcalina podem ser agrupados em

três conjuntos:

• Brechas, tufos e aglomerados – que correspondem ao material

vulcânico aflorante na porção noroeste do maciço;

DBD



47

• Rochas efusivas e hipabissais – respectivamente representadas

por fonólitos e tinguaítos;

• Rochas plutônicas – constituídas por foiaítos e lauranjitos, com

ocorrência de chibinitos em menores proporções.

Nenhum estudo específico visando à definição da geologia predominante

no local de estudo foi desenvolvido. Considerando, entretanto, a Figura 3.3, que

mostra um mapa litológico da região de Poços de Caldas, é aparente que a área

está situada em um local com predominância de foiaítos. Através da análise dos

inúmeros furos de sondagem executados, as unidades geológicas foram

denominadas por de Campos (2004), como sendo:

• Embasamento rochoso – compreende rochas não identificadas

(potencialmente foiaítos). É, aparentemente, intemperizado e

fraturado ao longo do contato com as unidades sobrejacentes.

• Depósitos de turfa e sedimentos coluvionar-aluvionar – os

depósitos de turfa são constituída por detritos orgânicos moles. Já

os de sedimentos coluvionar-aluvionar são formados

essencialmente por siltes argilosos.

Local de Estudo

Figura 3.3 – Mapa geológico do Planalto de Poços de Caldas (adaptado de Enviro-Tec,

2001 por de Campos et al, 2004)

DBD



48

3.4. Amostragem

Para a disposição dos resíduos provenientes do beneficiamento e

processamento da bauxita, a indústria de alumínio, ao longo dos anos, tem

construído áreas de resíduo de bauxita – ARB’s (área de resíduo de bauxita)

para acomodar estes rejeitos. As amostras indeformadas de solo foram

coletadas na área de empréstimo utilizada por esta indústria para a construção

das ARB’s 4 e 6 (ver Figura 3.4). Este local foi selecionado pelo fácil acesso e

pela semelhança entre os solos contidos neste e os presentes nas fundações de

algumas ARB’s já existentes e por ser a área onde será construída a ARB 8.

ARB 2

ARB 6

ARB 6A

ARB 4

ARB 3

ARB 1

ARB 5 Área de

empréstimo

ARB 7

Figura 3.4 – Posição da área de empréstimo de onde foram coletados os solos

Foram coletados dois blocos de amostras indeformadas, tanto de um solo

residual, a uma profundidade de 4,5 metros, quanto de um solo coluvionar, a

1 metro de profundidade. Os blocos tinham dimensões de 30 x 30 x 30 cm e

foram devidamente vedados com parafina após serem envoltos com papel

alumínio. Em seguida, foram acondicionados em caixotes de madeira com

serragem. A coleta se deu no mês de abril de 2005 em dias precedidos de

chuva. As amostras foram subseqüentemente armazenadas na câmera úmida

DBD



49

do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio até sua utilização.

Todo o processo de amostragem foi realizado por uma empresa terceirizada.

Por meio de análise tátil – visual, observou-se que o solo residual tratava-

se de um solo saprolítico amarelado, silto-argiloso (provável inexistência de

quartzo), com aspecto macroscópico aparentemente homogêneo. No entanto, ao

observá-lo de maneira mais detalhada, constatou-se a presença de microfissuras

e de concreções bauxíticas. Na Figura 3.5 há a indicação de uma concreção

bauxítica presente em uma das amostras indeformadas.

O colúvio coletado apresentava coloração avermelhada e concreções

rígidas em meio a uma matriz argilo-siltosa (Figura 3.6). O solo era

extremamente heterogêneo e continha, em suas concreções, manganês.

Concreção bauxítica

Figura 3.5 – Concreção bauxítica presente na amostra indeformada do solo residual

jovem

Concreção

Matriz argilo-siltosa

Figura 3.6 – Foto da amostra do solo coluvionar indicando os elementos que o compõe

DBD


Equipamentos e metodologias de ensaio

4 Equipamentos e metodologias de ensaio

50

O principal objetivo desta dissertação, como já mencionado, é avaliar o

efeito do licor nas características de resistência de dois solos, um saprolítico e

outro coluvionar, no estado natural e contaminado com licor cáustico. Para tanto,

ensaios triaxiais CIU foram realizados com o solo residual jovem e de

cisalhamento direto com o colúvio. Além dos ensaios básicos de caracterização,

outros foram feitos com o intuito de auxiliar nas análises dos resultados dos

ensaios triaxiais e de cisalhamento direto. Os solos contaminados foram obtidos

a partir de corpos de prova percolados por licor, nos ensaios triaxiais, e

“saturados” por sucção, nos ensaios de cisalhamento direto. Em todos os

ensaios se buscou essencialmente avaliar as características dos solos antes e

após a contaminação, por isso a maioria dos ensaios foi realizada para estas

duas situações.

Características básicas do licor cáustico, como pH, teor alcalino e

condutividade elétrica, também foram determinadas, sendo as metodologias

utilizadas apresentadas neste capítulo.

Consta na Tabela 4.1 o resumo de todos os ensaios executados para cada

solo. As metodologias utilizadas na maioria deles são detalhadas a seguir.

DBD


Equipamentos e metodologias de ensaio 51

Tabela 4.1 – Resumo dos ensaios realizados

* Obtido através dos corpos de prova percolados por licor, nos ensaios triaxiais # Obtido a partir dos corpos de prova saturados por sucção nos ensaios de cisalhamento direto

Caracterização física Caracterização química Caracterização mineralógica Ensaios de Resistência

Solo Gs Granulometria Limites de

Atterberg pH Complexo sortivo

Química total C.E. Ataque

Sulfúrico Amorfos DRX ATD Observação

na lupa binocular

Adensto. Edométrico Triaxial

CIU Triaxial

CID Cisalhamento

direto

Residual Natural

x x x x x x x x x x x x x x x -

Residual Contaminado*

- x x x x - - x x x x - - x x -

Colúvio Natural

x x x x x X x x x x x - - - - x

Colúvio Contaminado#

- x x x x - - x x x x - - - - x

Equipam

entos e metodologias de ensaio 51

DBD



4.1. Caracterização física

Para a caracterização física dos solos, realizou-se ensaios de limites de

consistência, peso específico dos grãos (Gs) e análise granulométrica. As

amostras foram preparadas de acordo com o procedimento de secagem prévia

(NBR 6457/84).

4.1.1. Granulometria

Como os solos estudados são constituídos por frações grossas e finas, a

análise granulométrica foi obtida pela combinação dos ensaios de peneiramento

e de sedimentação (granulometria conjunta).

Os ensaios de granulometria seguiram as prescrições da norma NBR

7181/84, com algumas adaptações. A ABNT recomenda a realização de ensaios

de sedimentação com material passante na peneira de 2 mm (#10), e os

realizados foram feitos com o material passante na peneira de 0,42 mm (#40).

No entanto, as alterações mais significativas são referentes aos fluidos utilizados

como defloculante, o que gerou quatro situações. No caso do solo natural, além

do ensaio de sedimentação convencional, que utiliza hexametafosfato de sódio

como defloculante, ensaios de sedimentação com água e licor cáustico em

substituição ao hexametafosfato de sódio foram efetuados. Já com o solo

contaminado, o ensaio de sedimentação foi realizado com o defloculante que a

ABNT recomenda (hexametafosfato de sódio).

Em linhas gerais, os ensaios de sedimentação consistiram em colocar 50

gramas de solo destorroado (natural ou contaminado), seco ao ar, passante na

peneira # 40 em 125 mL de defloculante (água, hexametafosfato ou licor

cáustico) e deixar em repouso por um período de 24 horas. Só então se procedia

à dispersão mecânica e colocava-se a mistura em uma proveta de 1000 mL cujo

volume era completado com água destilada.

4.1.2. Limites de Atterberg

Os ensaios de limite de liquidez e limite de plasticidade seguiram as

determinações das normas NBR 6459/84 e NBR 7180/84, respectivamente.

Assim como nos ensaios de granulometria, algumas adaptações foram feitas,

gerando 3 situações. Na primeira situação, utilizou-se o solo natural com água

DBD



destilada; na segunda, solo natural com licor cáustico e na terceira, solo

contaminado com água destilada.

Todos os ensaios foram realizados com amostras destorroadas, secas ao

ar e passantes na peneira # 40 acrescentando-se o fluido (água ou licor).

4.1.3. Densidade dos grãos (Gs)

Na determinação do peso específico dos grãos, utilizou-se 25 gramas de

solo passante na peneira # 40. A deaeração foi promovida pela aplicação de

vácuo durante 15 minutos ou até a detecção de ausência total de bolhas de ar. O

procedimento adotado está de acordo com a norma NBR 6508/1984.

Foram determinados os Gs apenas dos solos naturais.

4.2. Caracterização química

A maioria dos ensaios referentes às análises químicas foram realizados no

Centro Nacional de Pesquisas de Solos CNPS/EMBRAPA. As análises seguiram

as metodologias apresentadas no Manual de Métodos de Análise de Solo

(CNPS/EMBRAPA, 1997). Executou-se os seguintes ensaios: pH em água e

KCl, condutividade elétrica, amorfos, complexo sortivo e ataque sulfúrico.

Com o intuito de caracterizar melhor os dois solos, ensaios de análise

química total foram efetuados nos dois solos no estado natural. Estas análises

foram realizadas no Departamento de Geologia da Universidade Federal do Rio

de Janeiro - UFRJ. Nas amostras de solo, os elementos foram determinados por

fluorescência de raios-X em amostras fundidas com tetraborato de lítio. Através

destas análises foi possível determinar os teores de Sílica (SiO2), Alumina

(Al2O3), óxido de titânio (TiO2), ferro (Fe2O3), cálcio (CaO), magnésio (MgO),

sódio (Na2O), potássio (K2O), dentre outros elementos presentes nos solos.

4.3. Caracterização mineralógica

A caracterização mineralógica das amostras foi obtida por meio dos

ensaios de difração por raios-X (DRX), análise térmica diferencial e observação

na lupa binocular.

DBD



4.3.1. Difração por raios-X (DRX)

Os ensaios de difração por raios-X foram executados no Departamento de

Ciência dos Materiais e Metalurgia (DCMM) da PUC-Rio, utilizando um

difratômetro Siemens D5000, com irradiações realizadas no intervalo de 2 a 30o.

A velocidade de varredura da amostra no difratômetro foi de 0,02o por segundo.

Na caracterização da fração areia fina, utilizou-se material passante na

peneira # 40 e a análise foi feita pelo método do pó. Já para caracterizar as

frações silte e argila fabricou-se lâminas delgadas pelo método do gotejamento

com material passante nas peneiras # 200 e # 400.

4.3.2. Análise térmica diferencial

Para análise termodiferencial, foram utilizados materiais passantes na

peneira # 40. Os ensaios foram executados no Departamento de Ciência dos

Materiais e Metalurgia (DCMM), com o auxílio de um equipamento do fabricante

Perkin Elmer e do sistema de aquisição de dados Pyris. As amostras foram

aquecidas até 800 oC, com aumento de 20 oC por minuto.

4.4. Ensaios triaixiais

Todos os ensaios triaxiais foram executados no Laboratório de Geotecnia

e Meio Ambiente da PUC-Rio.

Descreve-se a seguir, os equipamentos utilizados neste tipo de ensaio,

bem como as metodologias empregadas, dando-se maior ênfase a

equipamentos e procedimentos desenvolvidos no presente trabalho.

4.4.1. Equipamentos utilizados

4.4.1.1. Prensa triaxial

As duas prensas utilizadas são da marca Wykeham-Ferrance, de

velocidade de deslocamento controlada, com capacidade de 5 toneladas. O

ajuste das velocidades de deslocamento do pistão é feito mediante uma seleção

adequada de pares de catracas, com as respectivas marchas.

DBD



As células triaxiais empregadas são próprias para corpos de prova com

diâmetro de 1,5” Possuem um copo de acrílico que suporta uma pressão

confinante máxima de 1000 kPa. As bases de alumínio foram substituídas por

bases de PVC desenvolvidas no laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da

PUC-Rio especialmente para ensaios triaixiais que envolvessem fluidos a base

de soda cáustica (maiores detalhes ver trabalho de Costa Júnior, 2001).

4.4.1.2. Sistema de aplicação de pressão

Na aplicação da pressão confinante e da contrapressão, utilizou-se um

sistema de ar comprimido controlado por um painel de válvulas reguladoras de

pressão (ver Figura 4.1). No caso da contrapressão o ar comprimido era aplicado

no medidor de variação de volume (MVV) que transmitia pressão para o fluido

(água ou licor). Os demais detalhes presentes na figura são discutidos a seguir.

4.4.1.3. Transdutores de força, de deslocamento e de pressão

As células de carga utilizadas são do fabricante Wykeham-Ferrance, com

capacidade máxima de 5 kN e exatidão de 0,01 N.

Para obtenção dos deslocamentos foram utilizados extensômetros

elétricos da marca LSC Transducer, com cursor de 50 mm e resolução de

10 µm.

Os transdutores empregados na medida das pressões na câmera e

poropressões também são da Wykeham-Farrance, com resolução de 1 kPa e

capacidade máxima de 1000 kPa.

Todos os transdutores foram calibrados e testados antes da campanha de

ensaios.

DBD



(a)

P1 P1

P2 P2

P3

Base PVC

MVV

Base PVC

FCE

Prensa 2

Painel de controle

Prensa 1

FCE

MVV

(b) P1 – válvula de controle da pressão confinante P3 – válvula de controle da contrapressão topo

P2 – válvula de controle da contrapressão base FCE – frasco de coleta de efluente (ensaios com licor)

Figura 4.1 – Equipamentos utilizados nos ensaios triaxiais (a) foto ilustrativa (b) desenho

esquemático

4.4.1.4. Medidores de volume

As variações de volume são obtidas através de medidores de variação

volumétrica (MVV), fabricados na PUC-Rio, com resolução de 0,01cm3 (ver

Figura 4.2).

DBD



Água ou licor

Transdutor de deslocamento

Ar comprimido

Cilindro de PVC

Figura 4.2 – Medidor de variação de volume utilizado nos ensaios triaxiais

4.4.1.5. Sistema de aquisição de dados

O sistema de aquisição de dados permitiu o monitoramento contínuo das

grandezas necessárias para o acompanhamento dos ensaios. O sistema Orion

SI353ID da Data Adquisition System, propiciou a gravação dos dados obtidos

por intermédio dos transdutores elétricos.

4.4.1.6. Acessórios: membrana de látex, papel filtro e pedras porosas

Foram utilizadas membranas de látex importadas. Não houve perda de

ensaio por furo na membrana. As membranas eram previamente testadas

quanto a furos. Quando reutilizadas, eram lavadas, secas e impregnadas com

talco para que não grudassem.

O papel filtro empregado foi o da marca Whatman no 54, sendo

previamente cortado antes de cada ensaio. Foi utilizado papel filtro na base e no

topo dos corpos de prova.

As pedras porosas eram previamente limpas e fervidas antes de cada

ensaio por no mínimo dez minutos, para expulsar ar dos vazios, sendo mantidas

saturadas em água destilada até o momento de serem utilizadas. Sempre que

necessário, as pedras porosas foram colocadas por 30 minutos em um ultrasom

para retirar as sujeiras retidas nos poros.

DBD



4.4.2. Procedimentos adotados nos ensaios

Os procedimentos adotados seguiram recomendações dadas por Bishop e

Henkel (1962) e Head (1986). As etapas comuns aos ensaios triaxiais com água

e licor são descritas de forma conjunta, e os procedimentos peculiares a cada

um estão devidamente indicados e descritos separadamente.

4.4.2.1. Confecção dos corpos de prova

Os corpos de prova foram obtidos a partir de amostras indeformadas. Para

tanto, extraia-se um paralelepípedo dos blocos com o auxílio de uma faca

amolada e no torno de moldagem definia-se o corpo de prova com dimensões

aproximadas de 7,8 cm de altura e 3,8 cm de diâmetro. As medidas do corpo de

prova eram verificadas com um paquímetro de exatidão de 0,01 mm. Massa,

volume e teor de umidade também foram mensurados visando à determinação

de índices físicos.

4.4.2.2. Saturação das linhas

Ensaios realizados com água (sem contaminação do solo)

• Todas as linhas da base da célula e a do “top cap” eram testadas em

relação a entupimentos e em seguida saturadas com água destilada;

• Verificava-se se o medidor de variação de volume continha água

suficiente para a fase de saturação do corpo de prova;

• Com auxílio de uma seringa, saturava-se os transdutores de poropressão

e de pressão confinante.

Ensaios realizados com licor cáustico (com contaminação do corpo de prova)

• A água contida no medidor de variação de volume era substituída por

licor cáustico. Colocava-se a maior quantidade possível de licor para que

ele fosse utilizado na saturação das linhas e também na fase de

percolação;

• Aplicava-se uma pequena pressão de ar na parte inferior do MVV e o

licor então “empurrava” a água e o ar contidos nas linhas. Todas as

DBD



linhas da base e do “top cap” eram saturadas com licor cáustico contido

no MVV. Sempre que necessário, reabastecia-se o MVV fechando-se as

válvulas e reduzindo a pressão neste à zero.

• A saturação dos transdutores de poropressão era feita com maior

freqüência neste ensaio devido à possibilidade do contato com licor e da

formação de bolhas de ar.

4.4.2.3. Montagem do ensaio

• Separava-se todos os itens necessários à montagem. As membranas

eram devidamente testadas;

• O primeiro passo da montagem era posicionar uma pedra porosa e um

papel filtro circular (mesmo diâmetro do corpo de prova) saturados sobre

o pedestal;

• Colocava-se o corpo de prova sobre o papel filtro. No topo do corpo de

prova, acrescentava-se novamente a combinação papel filtro e pedra

porosa saturados. No caso dos ensaios com licor, optou-se por utilizar a

pedra porosa sempre entre dois papéis filtros por causa da possibilidade

do licor conter sólidos capazes de entupir a pedra porosa;

• O restante da montagem seguiu a rotina convencional sugerida por Head

(1986)

4.4.2.4. Saturação dos corpos de prova

A técnica de saturação utilizada foi a de saturação por contrapressão. Esta

técnica, além de saturar o corpo de prova, dissolve bolhas de ar que possam

existir entre a amostra e a membrana e nas linhas de contrapressão. Para

verificar se o grau de saturação era satisfatório, calculava-se o parâmetro B de

Skempton, sendo:

B=∆u/∆σc

Onde:

∆u – excesso de poropressão gerado

∆σc – acréscimo de tensão confinante aplicado

Foram considerados aceitáveis valores de B maiores ou iguais a 0,98. A

pressão confinante excedia a contrapressão em 10 kPa. A saturação dos corpos

de prova foi alcançada para tensões confinantes superiores a 350 kPa.

DBD



No caso dos ensaios com licor, ao saturar os corpos de prova, obtinha-se

nos poros destes, uma mistura de licor e água. A substituição total do fluido

intersticial por licor era realizada através de percolação. O procedimento

detalhado está descrito no item a seguir.

4.4.2.5. Substituição do fluido intersticial água por licor cáustico

Como já mencionado, nos ensaios com licor, após o processo de

saturação, o que se tinha nos poros era uma mistura de licor e água. A princípio,

não seria possível fazer esta substituição com o corpo de prova já saturado, pois

seria necessário baixar a tensão confinante e a contrapressão para só então

impor um gradiente hidráulico com a parte superior do corpo de prova aberta

para atmosfera e assim induzir um fluxo ascendente. No entanto, este

procedimento poderia provocar a diminuição do grau de saturação do corpo de

prova. Para que isto não ocorresse seria necessário adaptar o método de

aplicação de contrapressão no topo do corpo de prova. Por isso, criou-se um

cilindro de acrílico que, acoplado ao sistema de aplicação de contrapressão no

topo do corpo de prova, permitiu a imposição de um fluxo ascendente sem que

fosse necessário abrir a parte superior do corpo de prova para a atmosfera. Este

cilindro, denominado de frasco de coleta de efluente (FCE), suporta pressões de

até 1000 kPa (Figura 4.1).

O sistema de substituição do fluido intersticial funciona da seguinte

maneira:

• Após a saturação do corpo de prova, a pressão confinante e as

contrapressões no topo e na base são ajustadas de maneira que se

tenha uma tensão efetiva de cerca de 7 kPa, um gradiente

hidráulico que não exceda a 10 e que provoque um fluxo

ascendente. A tensão confinante aplicada não deve ser inferior a

350 kPa;

• Pela linha LAP aplica-se pressão de ar no topo do corpo de prova

que, sendo menor que a da base, permite a saída do efluente pela

linha LE. Este, por sua vez, se acumula no fundo do frasco de coleta

de efluente (FCE) (ver Figura 4.3);

• Mede-se o volume que passa pela amostra através da quantidade

de licor que sai do MVV;

DBD



• Deve-se percolar, no mínimo, um volume de licor correspondente a

duas vezes o volume de vazios do corpo de prova, como sugerido

por Costa Júnior (2001);

• A cada 20 % do volume de licor que se deve percolar, este é

coletado pela linha Ls e seu pH tem de ser medido. Se o pH do

efluente não estiver próximo ao do licor injetado, após percolado

duas vezes o volume de vazios, continua-se o processo de

percolação;

• No processo de coleta do efluente todas as válvulas são fechadas e

a pressão de ar na linha LAP cessada, para só então o efluente ser

coletado. Em seguida, reaplica-se a pressão, abre-se as válvulas e

o processo continua;

• O sistema de aplicação de contrapressão no topo do corpo de

prova é comum às duas prensas utilizadas (ver Figura 4.1).

Após constatada a substituição do fluido intersticial inicial por licor, fecha-

se a válvula que permite a atuação da contrapressão no topo do corpo de prova

e aplica-se uma tensão efetiva no corpo de prova de 10 kPa para só em seguida

iniciar o adensamento.

LE LAP

LE – linha por onde passa o efluente LAP – linha de aplicação de pressão de ar no topo do CP Ls – linha de coleta do efluente LS

Figura 4.3 – Frasco de coleta de efluente (FCE) utilizado na substituição do fluido

intersticial do corpo de prova por licor

4.4.2.6. Adensamento

Com o corpo de prova saturado, dava-se início à fase de adensamento.

Todos os adensamentos realizados foram isotrópicos. Adquiria-se dados de

DBD



variação de volume ao longo de 24 horas, não interrompendo o ensaio antes

deste tempo mesmo quando constatado que não havia mais variação de volume.

Já com os dados do ensaio, traçava-se o gráfico variação volumétrica

(cm³) x raiz do tempo (minutos). Conforme recomendações de Head (1986),

prolongava-se o trecho retilíneo inicial até encontrar a horizontal correspondente

ao trecho final (estabilização das variações volumétricas). O ponto de interseção

fornecia a raiz de t100 em minutos (Figura 4.4). O valor de t100 era usado para

definir a velocidade de cisalhamento.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,600,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Var

iaçã

o vo

lum

étric

a (c

m³)

Raiz de t100

Raiz do tempo (min)

Figura 4.4 – Exemplo de gráfico utilizado no cálculo de t100 (ensaio triaxial CIU com σ’c igual a 100kPa)

4.4.2.7. Fase de cisalhamento

Logo após o término do adensamento, iniciava-se a fase de cisalhamento.

O cálculo da velocidade de cisalhamento foi feito conforme equação

empírica proposta por Head (1986):

Vmax = εer x L/(100 x tr)

Onde:

Vmax = velocidade máxima de cisalhamento;

L = altura do corpo de prova em mm;

εer = deformação axial estimada na ruptura, em %;

tr = tempo mínimo de ruptura em minutos.

O valor de tr depende das condições de drenagem e do tipo de ensaio

triaxial (CIU ou CID). O valor de tr para ensaios CIU sem drenagem radial é 0,51

vezes o valor de t100. No caso de ensaios CID sem drenagem radial é de 8,5

vezes o valor do t100. No entanto, tanto para os ensaios CID quanto para os

DBD



ensaios CIU, Head (1986) recomenda adotar um valor mínimo de tr igual a 120

minutos.

Nos ensaios drenados, a compressão axial imposta deve ser

suficientemente lenta de modo a permitir a total drenagem na água do corpo de

prova. Já nos ensaios não drenados, a compressão axial imposta deve ser

suficientemente lenta de forma a permitir a equalização dos excessos de

poropressão gerados ao longo da altura do corpo de prova.

Todas os valores de tr obtidos foram menores que 120 minutos, por isso foi

adotado tr = 120 minutos. Admitiu-se também que a ruptura ocorreria para uma

deformação axial de 1 %. Desta forma, a velocidade máxima calculada foi a

mesma para todos os ensaios (0,008 mm/min), sendo a velocidade adotada igual

a 0,006 mm/min.

Depois de definida a velocidade de deformação, colocava-se na prensa um

par de engrenagens com a respectiva marcha, de forma a obter-se a velocidade

desejada. A maioria dos ensaios de cisalhamento foi levada até uma deformação

axial de 10 %.

4.5. Cisalhamento direto

O solo coluvionar estudado apresenta várias concreções, o que inviabilizou

a moldagem de corpos de prova com as dimensões requeridas nos ensaios

triaxiais. Por isso, optou-se por ensaios de cisalhamento direto para avaliar a

influência do licor cáustico na resistência ao cisalhamento deste solo.

4.5.1. Equipamentos

4.5.1.1. Prensas de cisalhamento direto

Nos ensaios de cisalhamento direto foram utilizadas duas prensas

fabricadas pela empresa Wykeram-Ferrance pertencentes ao Laboratório de

Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.

4.5.1.2. Transdutores de deslocamento

Mesmo tipo dos utilizados nos ensaios triaxiais (ver item 4.4.1.3).

DBD



4.5.1.3. Sistema de aquisição de dados

O sistema de aquisição de dados utilizado foi o mesmo dos ensaios

triaxiais (ver item 4.4.1.5). Vale ressaltar que as leituras de carga foram

realizadas automaticamente através de um anel de carga instrumentado,

desenvolvido na PUC-Rio.

4.5.1.4. Acessórios: papel filtro e pedras porosas

Ver item 4.4.1.6

4.5.2. Procedimentos adotados nos ensaios

Os ensaios foram realizados seguindo procedimentos sugeridos por

Head (1988). No entanto, algumas modificações fizeram-se necessárias devido à

dificuldade de “contaminar” os corpos de prova nos ensaios com licor e da

reação do licor com o equipamento. O procedimento desenvolvido e o motivo de

sua escolha estão detalhados no item de saturação dos corpos de prova.

4.5.2.1. Confecção dos corpos de prova

Os corpos de prova foram obtidos com o auxílio de anéis metálicos,

bizelados, com dimensões aproximadas de 100,1 x 100,1 x 20 mm. Tais anéis

eram untados com vaselina em pasta, com o objetivo de minimizar o atrito solo-

molde. O passo seguinte era posicionar o anel sobre a superfície plana da

amostra indeformada, na mesma direção que se encontrava no campo.

Cuidadosamente cravava-se o anel alguns milímetros no solo. O solo em volta

era então removido com uma faca amolada. O procedimento alternado de

cravação do anel e desbaste com faca era repetido até o anel está preenchido

com solo. O corpo de prova era então definido com a ajuda de uma espátula.

Muitos corpos de prova foram perdidos devido à presença de concreções.

A Figura 4.8 mostra um corpo de prova descartado após romper durante a

moldagem. Nele fica evidente a presença de manganês, principalmente, nas

concreções.

DBD



Figura 4.5 – Corpo de prova descartado devido à “quebra” deste na interface concreção-

matriz

As dimensões, o peso e o teor de umidade de cada corpo de prova foram

medidos com o objetivo de determinar seus índices físicos.

4.5.2.2. Saturação dos corpos de prova

4.5.2.2.1. Metodologia desenvolvida

O procedimento desenvolvido consiste basicamente em saturar o corpo de

prova, com água ou licor, por meio de sucção. A técnica foi baseada na utilizada

por Moncada 2005 na saturação de corpos de prova para obtenção de curva

característica.

No caso do ensaio realizado com licor, tentou-se secar o corpo de prova,

ainda no anel metálico, ao ar, na estufa a 40o C e por sucção, para só então

tentar saturá-lo. No entanto, todos estes procedimentos mostraram-se

ineficientes devido à alta contração do solo (ver Figura 4.6). Por isso, optou-se

por utilizar o solo em sua umidade natural.

Figura 4.6 – Corpo de prova do solo coluvionar após ser seco à vácuo

DBD



As etapas para saturação dos corpos de prova eram as seguintes:

• O primeiro passo era deaerar o fluido, água ou licor, que seria utilizada

no processo de saturação, com a ajuda de um dessecador e de uma

bomba de aplicação de vácuo;

• Em seguida colocava-se no dessecador, já com o fluido deaerado, uma

pedra porosa de modo que o nível do fluido ficasse na metade de sua

altura (ver Figura 4.7 (a)). Um papel filtro saturado era posicionado sobre

a pedra porosa (ver Figura 4.7 (b));

• Sobre o papel filtro posicionava-se o corpo de prova (ver Figura 4.7 (c));

• Um papel filtro seco era posicionado acima do corpo de prova (ver Figura

4.7 (d)). O objetivo da utilização deste papel seco era monitorar a

saturação do corpo de prova. Com a aplicação da sucção, o fluido,

contido no dessecador, percola o solo por capilaridade, chegando em

seguida ao papel filtro.

• Adicionava-se ao sistema um indicador de pH (apenas nos ensaios com

licor) para que, juntamente com a observação da saturação do papel filtro

superior, fosse constatada a saturação do corpo de prova (ver Figura 4.7

(e));

• Por fim, aplicava-se sucção por cerca de 10 minutos (ver Figura 4.7 (f)).

Caso o papel filtro superior não estivesse totalmente saturado seguia-se

aplicando sucção até que isto ocorresse.

No caso dos ensaios com licor não se consegue, com esta metodologia,

substituir o fluido intersticial completamente, o que se obtém é uma mistura de

água e licor.

É importante ressaltar que não foram realizados ensaios complementares

para comprovar a saturação dos corpos de prova, e por isso não se sabe ao

certo o grau de saturação de cada um após este processo. O que se tentou fazer

foi submeter todos os corpos de prova a mesma situação de modo a possibilitar

comparações dos resultados posteriormente.

DBD



(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Figura 4.7 – Procedimento de saturação dos corpos de prova para o ensaio de

cisalhamento direto (a) posicionamento da pedra porosa (b) adição do papel filtro

saturado (c) posicionamento do corpo de prova (d) papel filtro seco colocado sobre o

corpo de prova (e) medidor de pH para auxiliar na verificação da saturação (f) corpo de

prova sendo submetido a sucção

4.5.2.2.2. Escolha do método de contaminação dos corpos de prova

A princípio, pensava-se em realizar ensaios de cisalhamento direto com os

corpos de prova submersos em água e licor, mesmo acreditando que apenas a

submersão não fosse representar de maneira satisfatória a influência do

contaminante no comportamento mecânico do solo. No entanto, ao realizar o

primeiro ensaio com licor (σv= 50 kPa), em que se deixou o corpo de prova

submerso por 24 horas no equipamento de cisalhamento direto antes de se

iniciar o adensamento, o contaminante atacou a caixa de cisalhamento e a caixa

bipartida, ambas de alumínio, de modo que estas duas partes “grudaram”. Diante

destes dois fatores, suposta ineficiência da submersão e ataque violento do licor

ao equipamento, optou-se por tentar desenvolver um método de contaminação

do solo antes da montagem do ensaio. Deste modo, garantiria-se que o corpo de

prova estaria realmente contaminado com licor e diminuiria-se o tempo de

contato entre o licor e o equipamento.

DBD



Após definida a metodologia descrita no item anterior, resolveu-se testá-la

através da comparação dos resultados de ensaios de cisalhamento direto com

tensão vertical de 50 kPa nas seguintes situações:

• Corpo de prova submerso em água: consistiu basicamente em

iniciar o adensamento assim que terminada a montagem do ensaio,

com a inundação da caixa de cisalhamento logo após a aplicação

da carga vertical (procedimento convencional);

• Corpo de prova submerso em licor: diferiu do ensaio realizado com

água apenas pelo fato do corpo de prova ficar 24 horas submerso

em licor antes do início do adensamento;

• Corpo de prova saturado com água: consistiu em tentar saturar o

corpo de prova com água antes da montagem do ensaio de

cisalhamento direto (procedimento desenvolvido);

• Corpo de prova saturado com licor: mesmas considerações que as

do corpo de prova saturado com água, sendo a água substituída

por licor.

A Figura 4.8 mostra as curvas tensão cisalhante x deslocamento destes

ensaios. Os ensaios realizados de maneira convencional (apenas submersos)

apresentaram resistência superior a dos ensaios saturados. Isto já era de se

esperar, tendo em vista que o grau de saturação nos ensaios submersos é

inferior a 100 %. O fato do ensaio realizado com o corpo de prova submerso em

água apresentar resistência superior ao submerso em licor não pode ser

atribuído apenas à atuação do licor, mas também ao fato do corpo de prova no

ensaio realizado com água não ter sido deixado submerso por 24 horas antes do

adensamento, como no ensaio com contaminante. Isto pode ter implicado em um

grau de saturação maior no ensaio com licor e por isso em uma resistência mais

baixa.

Como os resultados apresentados na Figura 4.8 monstraram-se coerentes,

o procedimento de “saturação” desenvolvido foi adotado e aplicado tanto nos

ensaios com licor como nos ensaios com água.

DBD



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

submerso em águasubmerso em licorsaturado com águasaturado com licor

σv = 50 kPa

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

eslocamento horizontal (mm)

Tens

ão c

isal

hant

e

t (k

Pa)

Tens

ão c

isal

hant

e - τ

(kP

a)

Des

loca

men

to v

ertic

al (m

m)

DDeslocamento horizontal (mm) Figura 4.8 – Curvas representando o comportamento de corpos de prova saturados com

água e licor, e submersos em água e licor

4.5.2.3. Adensamento

A fase de adensamento era iniciada após a instalação do corpo de prova

corpo de prova, já saturado, na caixa bipartida. Aplicava-se a tensão normal e

posteriormente inundava-se o interior da caixa, com água ou licor. Todos os

corpos de prova foram adensados por 24 horas.

Com os dados obtidos nesta fase, traçava-se uma curva deslocamento

vertical x raiz do tempo e calculava-se t100, como mostrado no item 4.4.2.6. De

acordo com Bishop e Henkel (1962), o tempo requerido para a ruptura (tr) é

relacionado a t100 pela equação empírica:

tr = 12,7 . t100

Todos os valores de t100 encontrados foram menores que um minuto, com

exceção do ensaio realizado com tensão normal igual a 25 kPa e saturado com

licor (t100 = 16 min).

DBD



4.5.2.4. Cisalhamento

Logo após o término do adensamento, iniciava-se a fase de cisalhamento.

O cálculo da velocidade de cisalhamento foi feito admitindo-se que a

ruptura ocorreria para um deslocamento de 7 mm e adotando um tf igual a 150

minutos, já que a maioria dos tf’s encontrados não ultrapassaram 12 minutos.

Desta maneira a velocidade calculada foi 0,046 mm/min e a adotada

0,048 mm/min.

Depois de definida a velocidade de deslocamento, colocava-se na prensa

um par de engrenagens com a respectiva marcha de forma a obter-se a

velocidade adotada. A maioria dos ensaios de cisalhamento foi levada até um

deslocamento horizontal de 10 mm.

4.6. Caracterização do licor

Para caracterizar o licor, foram realizados ensaios de teor alcalino, pH e

condutividade elétrica. Todos os ensaios foram executados no laboratório de

Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.

O pH foi medido com o auxílio de um medidor portátil da Tecnopon.

Concomitantemente, foi medida a condutividade elétrica com portátil também da

Tecnopon.

O teor alcalino do licor cáustico foi avaliado através de titulação com uma

solução de ácido sulfúrico 0,4 N.

DBD


Caracterização física, química e mineralógica

5 Caracterização física, química e mineralógica

71

5.1. Introdução

Neste capítulo, serão apresentadas as características físicas, químicas e

mineralógicas dos solos residual jovem e coluvionar, no estado natural e

contaminado. Como já mencionado, os solos contaminados são provenientes

dos corpos de prova dos ensaios de resistência. A lista dos ensaios efetuados

está na Tabela 5.1.

Os principais objetivos da execução destes ensaios foram caracterizar o

solo antes e após a contaminação e avaliar a influência das interações físico-

químicas na resistência ao cisalhamento. Por isso, as informações obtidas neste

capítulo serão usadas mais adiante na análise dos resultados dos ensaios

triaxiais e de cisalhamento direto.

As características tátil–visuais dos solos e as metodologias utilizadas são

apresentadas nos Capítulos 3 e 4, respectivamente.

No Apêndice I, constam as características do licor cáustico que foi coletado

em um dos lagos de disposição de resíduos.

DBD


Caracterização física, química e mineralógica 72

72

Tabela 5.1 – Ensaios de caracterização física-química-mineralógica realizados Tabela 5.1 – Ensaios de caracterização física-química-mineralógica realizados

Caracterização física Caracterização física Caracterização mineralógicaCaracterização mineralógica Caracterização químicaCaracterização químicaDRX

Análise granulométrica Limites de Atterberg Material passante

nas peneiras: pH Solo Gs

Água Hexametafosfato Licor Água Licor #40 #200 #400

Obs. na

lupa ATD

Água KCl

Complexo sortivo

Ataque Sulfúrico

Amorfos

Análise química

total C.E.

Residual natural X X X X X X X X X X X X X X X X X X

Residual contaminado - - X - X - - X X - X X X X X X - -

Colúvio natural X X X X X X X X X - X X X X X X X X

Colúvio contaminado - - X - X - X - X - X X X X X X - -

Caracterização física, quím

ica e mineralógica 72

DBD


Caracterização física, química e mineralógica 73

5.2. Apresentação e análise dos resultados

5.2.1. Caracterização física

5.2.1.1. Índices físicos

Os índices físicos do solo residual e do coluvionar são apresentados na

Tabela 5.2. Estes dados foram obtidos com base nas características dos corpos

de prova dos ensaios de resistência, com exceção da Gs.

Foram determinadas as densidades dos grãos apenas dos solos em seus

estados naturais, tendo em vista que alguns pesquisadores, como Moncada

(2004), não constataram alterações desta propriedade em solos contaminados

com fluido semelhante ao utilizado no presente trabalho.

Tabela 5.2 – Índices físicos dos solos residual e coluvionar

Solo γt (kN/m³)

wnat (%)

Gs Índice de vazios

S (%)

Residual 16,01 45,44 2,627 1,334 90,44 Coluvionar 14,51 34,72 2,698 1,45 64,59

De acordo com os valores da Tabela 5.2, o solo coluvionar apresenta

menor peso específico e maior índice de vazios que o solo residual jovem, em

decorrência dos processos de lixiviação intensa a que foi submetido.

5.2.1.2. Granulometria

A fase de sedimentação dos ensaios de granulometria foi realizada em

quatro situações distintas, que são apresentadas na Tabela 5.3. Este

procedimento foi adotado tanto para o solo residual quanto para o coluvionar.

Na nomenclatura dos ensaios, apresentada na tabela, a primeira letra designa o

estado (N – natural ou C – contaminado) e a segunda o defloculante utilizado (L

– licor, A – água e H – hexametafosfato de sódio).

DBD



74

Tabela 5.3 – Tipos de sedimentações realizadas com os solos estudados

Estado do solo Fluido utilizado como “defloculante” Objetivo do ensaio Nomenclatura

do ensaio

Hexametafosfato de sódio (indicado pela ABNT)

Caracterizar o solo e utilizar este resultado como referência

NH

Água destilada

Verificar se o solo encontra-se, em seu estado natural, disperso ou floculado

NA Natural

Licor cáustico Avaliar o poder dispersante do licor

NL

Contaminado

Hexametafosfato de sódio (indicado pela

ABNT)

Observar possíveis alterações na granulometria CH

As Figuras 5.1 e 5.2 exibem as curvas granulométricas do solo residual

jovem e do coluvionar, respectivamente, quando submetidos às situações

citadas na Tabela 5.3. As tabelas com os resumos granulométricos de cada solo

são apresentadas logo após suas curvas granulométricas.

Peneira No (SUCS) 30"

20" 18

16" 14

12"

8"6"5"4"3"2"1 ½

"1"3/

4 "1/

2"3/

8"5/

161/

4"4681016203040506010

0

200

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

NH NA NL CH

Por

cent

agem

que

pas

sa P

orcentagem retida

Diâmetro dos grãos (mm)

Figura 5.1 – Curvas granulométricas dos ensaios realizados com solo residual natural e contaminado com diferentes defloculantes

DBD



75

Tabela 5.4 – Resumo da granulometria do solo residual jovem natural e contaminado com a utilização de diferentes defloculantes na sedimentação

Distribuição granulométrica (%) Areia Finos Ensaio

Grossa Média Fina Total Silte Argila Total NH 0,1 0,4 16,6 17,1 55,4 27,5 82,9 NA 0,1 0,4 7,6 8,1 91,9 0 91,9 NL 0,1 0,5 11,9 12,5 84,2 3,3 87,5 CH 0,1 0,2 6,7 7,0 51,4 41,6 93,0

Peneira No (SUCS) 200

100

60 50 40 30 20 16 10 8 6 4 1/4"

5/16

3/8"

1/2"

3/4"

1" 1 ½

"2" 3" 4" 5" 6" 8" 12

" 1416

" 1820

"30

"

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

NH NA NL CH

Por

cent

agem

que

pas

sa P

orcentagem retida

Diâmetro dos grãos (mm)

Figura 5.2 – Curvas granulométricas dos ensaios realizados com o solo coluvionar natural e contaminado com diferentes defloculantes

Tabela 5.5 – Resumo da granulometria do solo coluvionar natural e contaminado com a utilização de diferentes defloculantes na sedimentação

Distribuição granulométrica (%) Areia Finos Ensaio Pedregulho

fino Grossa Média Fina Total Silte Argila Total NH 1,6 7,4 3,4 15,5 26,3 32,7 39,3 72,0 NA 1,6 7,4 3,3 19,6 30,3 68,2 0,0 68,2 NL 1,6 7,4 2,5 11,7 21,6 76,9 0,0 76,9 CH 1,6 7,4 4,0 9,3 20,7 29,9 47,8 77,7

Os resultados dos ensaios granulométricos NH, realizados com solo

natural e utilizando hexametafosfato como defloculante, indicam que os solos

residual jovem e coluvionar são, respectivamente, siltoso e argilo-siltoso

(Tabelas 5.4 e 5.5). Ao comparar os resultados dos ensaios NA (solo natural e

água como defloculante) com os NH, percebe-se que ambos, em seus estados

naturais, apresentam-se floculados. Este estado também é notado nas Figuras

5.3 e 5.4, onde a água, nos ensaios NA, apresenta-se transparente e no fundo

das provetas observa-se uma massa de solo ‘homogênea”.

DBD



76

De acordo com os dados obtidos nos ensaios NL (solo natural e licor como

defloculante), o licor atuou como agente defloculante, porém não tão eficiente

quanto o hexametafosfato, pois dispersa apenas pequena parte da fração fina

que está aderida à fração areia dos solos (Tabelas 5.4 e 5.5). A dispersão

causada pelo licor é mais pronunciável no solo residual jovem devido à

composição mineralógica deste. O fenômeno dispersivo causado pelo licor é

bem mais complexo, pois este possui outros constituintes como Fe e Al.

Acredita-se que a presença de íons multivalentes como Al3+ no licor afetam de

forma negativa a dispersão.

As distribuições granulométricas obtidas a partir dos ensaios CH (solo

contaminado e hexametafosfato como defloculante) mostram uma fração argila

superior e de areia fina inferior quando comparadas aos dados dos ensaios NH.

Nos ensaios CH há a ação conjunta do licor, quando empregado na

contaminação dos corpos de prova, e do hexametafosfato, utilizado nos ensaios

de sedimentação, resultando em uma maior dispersão. Este efeito deve ser

analisado de maneira cuidadosa, visto que não se sabe as possíveis reações

que ocorrem entre o licor e o hexametafosfato de sódio.

30 minutos 24 horas

(b) (c) (a)(b) (c)(a)

Figura 5.3 – Fases de sedimentação do solo residual jovem com os defloculantes a) hexametafosfato de sódio, b) licor cáustico e c) água

30 minutos 24 horas (b) (c) (a)(b) (c)(a)

Figura 5.4 – Fases de sedimentação do solo coluvionar com os defloculantes a)água, b)hexametafosfato de sódio e c) licor cáustico

DBD



77

5.2.1.3. Limites de Atterberg

Da mesma forma que os ensaios de sedimentação, os de limites de

Atterberg foram executados em situações diferentes, que estão listadas na

Tabela 5.6. O objetivo principal destes ensaios é observar possíveis interações

físico-químicas entre o licor e o solo que possam ser refletidas nos valores dos

limites. A primeira letra da nomenclatura, que consta nesta tabela, indica que o

ensaio realizado é de limite de consistência (L); a segunda, o estado do solo (N –

natural e C – contaminado) e a terceira, o fluido utilizado no ensaio (L – licor e A

– água destilada).

Tabela 5.6 –Ensaios de Limites de Atterberg

Estado do solo

Fluido utilizado para obtenção dos limites

Nomenclatura do ensaio Objetivo

Água destilada (indicado pela ABNT) LNA

Caracterizar o solo e utilizar este resultado como referência

Natural

Licor cáustico LNL

Contaminado Água destilada (indicado pela ABNT) LCA

Observar possíveis alterações nos limites devido à adsorção de cátions, presentes no licor, pelo solo

Os resultados dos ensaios de limites de consistência de ambos os solos

constam na Tabela 5.7.

Tabela 5.7 – Resultados dos ensaios de limites de Atterberg

Solo Ensaio LL (%) LP (%) IP (%) LNA 59,3 43,8 15,5 LNL 44,1 33,7 10,4 Residual

jovem LCA 48,6 40,6 8 LNA 50,2 36,5 13,7 LNL 41,4 26,4 15 Coluvionar LCA 40,1 24 16,1

Os limites de consistência do solo residual, obtidos nos ensaios LNA (solo

natural com água), são superiores aos do solo coluvionar, o que é coerente com

a composição destes solos (solo saprolítico – alto teor de caulinita e o coluvionar

– alto teor de gibbsita, como poderá ser observado nos ensaios de ataque

sulfúrico, ATD e DRX), sendo os valores compatíveis com a literatura. De acordo

com White (1965), o limite de plasticidade da caulinita varia de 8,9 % a 56,3 % e

da ilita de 17,0 % a 38,5 %.

DBD



78

Nos limites de consistência, determinados com a adição de licor no solo

natural (ensaio LNL) e nos realizados com solo contaminado adicionando-se

água (ensaio LCA), observa-se que houve a interação solo-contaminante através

da adsorção de íons, principalmente sódio, pelos solos.

5.2.1.4. Índice de atividade e classificação dos solos

Os índices de atividade foram determinados com base nos ensaios

granulométricos e de limites de Atterberg realizados de acordo com a ABNT e

utilizando solo natural. Segundo Skempton (1953), a influência da fração argila

no comportamento do solo pode ser avaliada através do índice de atividade (Ia),

definido como sendo a relação entre o índice de plasticidade (IP) e a

porcentagem de argila contida no solo, conforme expressão abaixo:

Ia = IP/ (% Ф<2m)

Em função dos valores de Ia, as argilas podem apresentar baixa atividade

(Ia<0,75), atividade normal (0,75<Ia<1,25) e alta atividade (Ia>1,25).

Os índices de atividade obtidos para os solos foram 0,56 e 0,34 para o solo

residual e coluvionar, respectivamente.

De acordo com a classificação unificada (SUCS), o solo residual foi

enquadrado como MH (silte de alta plasticidade) e o coluvionar como MH/ML

(silte de média plasticidade).

Vargas (1982, 1992) propõe uma adaptação da classificação SUCS para

os solos tropicais, utilizando o índice de atividade de Skempton para identificar a

mineralogia das frações silte e argila, que poderá ser de natureza micácea ou

caulinítica. A classificação proposta por Vargas (1982,1992) nem sempre

consegue distinguir solos de comportamento nitidamente diferentes,

enquadrando-os no mesmo grupo. Nogami e Villibor (1995) demonstraram por

meio de inúmeros exemplos as falhas deste sistema quando aplicado a solos

tropicais.

Ao incluir os dados obtidos nos ensaios de limites de Atterberg e índice de

atividade na carta de plasticidade e atividade proposta por Vargas (1982, 1992),

obteve-se a classificação do solo residual e coluvionar. Ambos os solos foram

classificados como silte de alta plasticidade tipo caulinítico, com Ia

correspondente à baixa atividade.

DBD



79

De acordo com Mitchell (1993), quanto maior a atividade do solo, maior

será sua sensibilidade a fatores como tipo de cátion adsorvido e composição

química do fluido dos poros.

Os índices de atividade obtidos para os solos residual e coluvionar, 0,56 e

0,34, respectivamente, fazem com que estes tenham suas frações argila

consideradas de baixa atividade. O índice de atividade do solo residual é

próximo ao da caulinita (Ia = 0,5).

O solo coluvionar apresentou uma atividade menor que a do solo residual.

Isto se deve ao fato do solo coluvionar ser composto basicamente por gibbsita,

mineral com baixíssima atividade.

A classificação pelo SUCS obtida para o solo coluvionar, não representa

de maneira satisfatória a composição da fração fina do solo, que é

predominantemente argilosa. Já para o solo residual, a classificação é coerente

com a sua composição. Da mesma forma que a classificação SUCS, a proposta

por Vargas (1982, 1992) mostrou-se inadequada para o solo coluvionar. Esta

classificação consegue descrever a atividade da fração argila, porém não é

eficaz na descrição da composição mineralógica (que praticamente não

apresenta caulinita, como será mostrado adiante). Já para o solo residual, esta

classificação reflete bem sua composição mineralógica e sua atividade.

É válido ressaltar que ambas as classificações aqui empregadas não

refletem características importantes que influenciam no comportamento do solo,

tais como presença de cimentações (que podem ocorrer tanto em solos

sedimentares como em residuais) e índice de vazios, características marcantes

nos solos residuais.

5.2.2. Caracterização mineralógica

A identificação dos minerais, da parte fina dos solos, foi realizada por

difrações de raios-X, análise térmica diferencial (ATD) e observação na lupa

binocular. Ainda foram utilizados os resultados de ataque sulfúrico para estimar

as proporções entre os minerais.

5.2.2.1. Difração por raios-X (DRX)

A maioria dos solos é constituída por diferentes minerais, por isso, a

identificação dos constituintes por apenas um método torna-se difícil, sendo

DBD



80

comum empregar mais de um tipo de ensaio para determinar a composição

mineralógica com maior precisão.

O uso da difração por raios-X permite a determinação dos minerais que

constituem o solo. No entanto, às vezes, é necessário tratar de maneira

diferenciada a amostra. Isto ocorre quando o solo contém argilominerais com a

mesma distância interplanar basal. Nestes casos, utiliza-se de características

específicas de cada argilomineral, como a expansão interplanar basal causada

pela adição de substâncias orgânicas (exemplo: etilenoglicol) ou transformações

térmicas. Nesta dissertação, foi necessário aquecer o solo residual jovem com o

intuito de diferenciar a ilita/mica da haloisita 4H2O, pois estas apresentam

mesma distância interplanar basal. Quando aquecida a 200 oC, a haloisita perde

água presente entre suas camadas, diminuindo assim a distância interplanar

basal, que de 10 passa para 7. Já a ilita/mica, quando aquecida a esta

temperatura, mantém a distância interplanar basal igual a 10, sendo este o

resultado obtido no presente trabalho.

O ensaio de difração por raios-X é apropriado para a identificação de

minerais cristalinos, não permitindo a identificação de amorfos.

O objetivo principal da realização dos ensaios de DRX foi determinar, de

maneira qualitativa, a composição mineralógica da fração fina do solo residual

jovem e do coluvionar, nas condições natural e contaminada.

As Figuras 5.5, 5.6, 5.7 e 5.8 apresentam os resultados dos ensaios de

difração por raios-X de ambos os solos, residual e coluvionar, com material

natural e contaminado, passantes nas peneiras # 200 e # 400.

DBD



81

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M

Ct

Ct/Gb

Ct

I/M

Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica

I/M

Gb

a)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M

Ct

I/M

Ct

Gb


Ct/Gb

I/M

b)

Figura 5.5 – Difratogramas do solo residual jovem passante na peneira # 200 a) natural

b) contaminado com licor cáustico

DBD



82

0

10

20

30

40

50

60

70

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M

Ct

Ct

Gb


CtI/M

I/M Gb

a)

0

20

40

60

80

100

120

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M

Ct

Gb

Ct


I/M

Ct/Gb

I/M

b)

Figura 5.6 – Difratogramas do solo residual jovem passante na peneira # 400 a) natural

b) contaminado com licor cáustico

DBD



83

0

50

100

150

200

250

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M Ct Ct

GbCt = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica

Gb

I/M

a)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/MCt

Ct


Gb

I/M

b)

Figura 5.7 – Difratogramas do solo coluvionar passante na peneira # 200 a) natural b)

contaminado com licor cáustico

DBD



84

0

20

40

60

80

100

120

140

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M Ct Ct


Gb

I/M

I/M

a)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M

Ct

GbCt

Gb


I/M

b)

Figura 5.8 - Difratogramas do solo coluvionar passante na peneira # 400 a) natural b)

contaminado com licor cáustico

Apenas com o intuito de identificar a composição do material passante na

peneira # 40, ensaios de difração com os solos no estado natural foram

realizados. Pelo mesmo motivo, avaliou-se o material que compõe a fração

retida na peneira # 40 e as concreções do solo residual. As Figuras de 5.9 a 5.12

apresentam os difratogramas obtidos nestes ensaios.

DBD



85

0

50

100

150

200

250

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/MCt

Gb

Gb Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = mica

I/MCt

Figura 5.9 – Difratograma do material passante na peneira # 40, solo coluvionar natural

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m I/M

Ct

Gb

Ct


I/M

Ct

I/M

Figura 5.10 – Difratograma do material retido na peneira # 40, solo residual jovem natural

0

20

40

60

80

100

120

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M

Ct

Ct

Gb

Ct = caulinitaGb = gibbsitaI = ilitaM = micaCt/Gb

I/M

Figura 5.11 – Difratograma do material passante na peneira # 40, solo residual jovem

natural

DBD



86

0

50

100

150

200

250

300

350

400

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2 theta

Con

tage

m

I/M

CtCt


Ct/Gb

Figura 5.12 – Difratograma do material presente nas concreções brancas, solo residual

jovem natural

Os difratogramas do solo residual indicam que ele é composto pelos

minerais silicatados ilita/mica e caulinita e não silicatado gibbsita. Estes minerais

fazem parte de todas as frações do solo, inclusive da fração areia grossa

(Figura 5.10). Os picos da gibbsita são mais agudos e simétricos no material

retido e passante na peneira # 40. Comparando as intensidades dos picos,

observa-se maior intensidade nos correspondentes a caulinita, seguido dos da

gibbsita, e com menor intensidade os da ilita/mica. A intensidade pode dar uma

idéia da proporção entre os minerais presentes, ou seja, se um mineral

apresenta pico mais intenso que o outro, provavelmente este existe em maior

quantidade no solo. Já a agudez e a simetria indicam o grau de cristalinidade do

mineral. A princípio, foi considerado que o pico I/M correspondia apenas ao

argilomineral ilita, no entanto, devido à detecção da simetria destes picos em

todos os difratogramas, supõe-se que este indique a presença de uma ilita bem

cristalizada e, possivelmente, de uma mica (no caso, serecita).

O material que forma as concreções brancas no solo residual apresenta

picos intensos, agudos e simétricos de gibbsita, indicando uma boa cristalinidade

e a predominância deste mineral em relação aos demais constituintes.

O solo coluvionar apresenta os mesmos minerais que o residual jovem. Os

picos correspondentes aos da gibbsita são muito mais intensos, agudos e

simétricos que os dos demais minerais em todas as frações analisadas.

DBD



87

Não houve modificação no que se refere à composição e o grau de

cristalinidade dos minerais identificados quando os solos são contaminados com

licor, como pode ser observado nas Figuras de 5.5 a 5.8.

5.2.2.2. Análise térmica diferencial (ATD)

O método de análise térmica diferencial consiste no aquecimento, em

velocidade constante, do solo juntamente com uma substância termicamente

inerte, registrando as diferenças de temperatura entre o padrão inerte e o solo

em estudo em função da temperatura. Quando ocorrem transformações endo ou

exotérmicas, estas aparecem como deflexões em sentidos opostos na curva

termodiferencial ou termograma.

De acordo com Santos (1975), a gibbsita perde água de constituição à

cerca de 350 oC, apresentando no termograma um pico endotérmico. A caulinita

começa a perder água de constituição a 450 oC e termina a 600 oC,

apresentando um pico endotérmico neste intervalo. Já a ilita, espera-se que

perca água estrutural entre 450 oC e 600 oC, apresentando um pico endotérmico

por volta de 550 oC. De maneira geral, estes matérias perdem a água adsorvida

por volta de 110 oC.

Os ensaios de análise termodiferencial foram realizados com o objetivo de

observar se houve ou não amorfização dos minerais devido à ação do licor. Os

termogramas obtidos a partir dos solos residual e coluvionar estão apresentados

nas Figuras 5.13 e 5.14, respectivamente.

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Temperatura (oC)

solo residual natural

solo residual contaminado

curva padrão

Caulinita e ilita

Gibbsita

Figura 5.13 – Termogramas do solo residual natural e contaminado

DBD



88

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Temperatura (oC)

colúvio natural

colúvio contaminado

curva padrão

Caulinita e ilita

Gibbsita

Figura 5.14 – Termogramas do solo coluvionar natural e contaminado

Como era de se esperar, a curva termodiferencial do solo residual natural

apresentou um pico endotérmico a 330 oC e outro a 550 oC. Estes mesmos picos

são observados no solo coluvionar natural.

O pico que corresponde à perda de água estrutural da gibbsita, no solo

residual natural, é um pouco menos intenso e apresenta uma deflexão menor

que o referente a ilita+caulinita, indicando que a quantidade de ilita+caulinita é

um pouco maior que a de gibbsita (Figura 5.13). Já no solo coluvionar natural,

observa-se que o pico correspondente à perda de água estrutural da gibbsita é

bastante intenso e apresenta uma deflexão muito superior a correspondente a da

ilita+caulinita, sugerindo que há uma quantidade maior de gibbsita em relação a

ilita+caulinita (Figura 5.14).

As curvas termodiferenciais referentes aos solos contaminados, residual e

coluvionar, não apresentaram diferenças significativas ao serem comparadas

com as curvas dos solos naturais, indicando que não houve amorfização dos

minerais.

5.2.3. Lupa binocular

Para observar a microestrutura presente no solo residual e mostrar as

alterações que ocorrem quando o solo é submetido a altas tensões efetivas de

adensamento, foram observadas, em uma lupa binocular pertencente ao

Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, duas lâminas delgadas,

sendo uma destas fabricada a partir de uma amostra indeformada e a outra a

DBD



89

partir do corpo de prova do ensaio de adensamento edométrico. Estas lâminas

foram confeccionadas no Laboratório de Laminação do Departamento de

Geologia da UFRJ, mediante impregnação com araldite.

Na Figura 5.15 (a) observa-se a presença de foliações, herdadas da rocha

mãe, formadas por óxidos de ferro (linhas alaranjadas) e pela combinação

caulinita+gibbsita (linhas esbranquiçadas), em destaque na figura 5.15 (b). A

parte azul, na figura ampliada 60 vezes, representa microporos encontrados

principalmente na matriz formada por agregados de gibbsita e caulinita. Percebe-

se também a presença de pequenas concreções de óxido de manganês, óxido

de ferro, caulinita + gibbsita e, provavelmente, ilita/mica, dispersos numa matriz

fina composta basicamente por caulinita.

Já na Figura 5.16, que contêm fotos do solo adensado, nota-se uma

modificação na estrutura original, com os óxidos de ferro, antes pertencentes às

foliações, disseminados na matriz. Como era de se esperar, também ocorre a

diminuição dos vazios.

DBD



90

1 mm

Foliações reliquiares

Óxidos de manganês

Caulinita, gibbsita e/ou serecita

Óxidos de ferro

b)

a)

1 mm Figura 5.15 – Foto do solo residual indeformado a) ampliada 10 vezes b) ampliada 60

vezes

DBD



91

a)

1 mm

b)

1 mm

Figura 5.16 – Foto do solo residual adensado a) ampliada 10 vezes b) ampliada 60

vezes

5.2.4. Caracterização química

5.2.4.1. pH e condutividade elétrica

A condutividade elétrica é a habilidade que um material tem em transmitir

(conduzir) corrente elétrica. De acordo com Nadler e Frenkel (1980), o solo pode

conduzir corrente elétrica através da água intersticial, que contêm eletrólitos

dissolvidos e através de cátions trocáveis, que residem perto da superfície de

partículas de solo carregadas. Eles ainda afirmam que a real condutividade

elétrica do solo depende do teor de água, da composição química da solução do

DBD



92

solo e dos íons trocáveis, da porcentagem de argila no solo e da interação entre

os íons não trocáveis e os trocáveis.

As condutividades elétricas encontradas para os solos em seus estados

naturais são consideradas baixas, fazendo com que o solo se comporte como

um material pouco condutor. Acredita-se que este valor será maior nos solos

contaminados devido à presença de eletrólitos.

Na Tabela 5.8 são apresentados os valores de pH e condutividade elétrica

obtidos para os solos naturais e contaminados. A condutividade elétrica dos

materiais contaminados não foi medida devido à insuficiência de licor para a

execução do ensaio.

Tabela 5.8 – Valores de pH e condutividade elétrica para os solos naturais e contaminados

pH Solo Água KCl 1N ∆pH * Condutividade

elétrica (mS/cm) Residual natural 5,2 4,1 Negativo 0,04

Residual contaminado 10,0 9,3 - - Colúvio natural 5,5 5,8 Positivo 0,06

Colúvio contaminado 10,2 9,8 - - * ∆pH = pH (KCl) – pH (água)

Os valores obtidos para pH em água mostram que os solos estudados são

ácidos (pH<7).

De acordo com Agnelli e Albiero (1997), pode-se verificar através do pH se

o solo possui capacidade de retenção de ânions ou cátions. Valores negativos

de ∆pH indicam retenção de cátions, e valores positivos sugerem retenção de

ânions, sendo estas características apresentadas pelo solos natural e coluvionar,

respectivamente.

Os solos, depois de contaminados, passaram a apresentar pH alcalino.

Isto ocorre devido à composição química do licor. Nem todo o Na+ é adsorvido

pelos argilominerais, parte pode se recombinar com hidroxilas e formar

hidróxidos de sódio que, nos solos secos, podem ser encontrados na forma

cristalizada. Os íons OH- são os principais responsáveis pelo caráter alcalino

adquirido pelos solos contaminados. Parte das hidroxilas se combina com os

ânions H+, presentes nos solos, formando moléculas de água. Provavelmente

outras reações ocorrem devido à presença de outros constituintes no licor, além

do NaOH.

DBD



93

5.2.4.2. Capacidade de troca catiônica (CTC)

De acordo com Yong (2001), o intercâmbio de cátions em solos acontece

quando íons do fluido intersticial carregados positivamente são atraídos para a

superfície da fração argila do solo. A ocorrência deste processo se deve à

necessidade de satisfazer a eletroneutralidade e a estequiometria. Os quesitos

de eletroneutralidade requerem que os íons trocáveis devem suprir a deficiência

de carga negativa não equilibrada presente naturalmente nas superfícies de

materiais argilosos. Estes íons trocáveis são denominados “cátions trocáveis”. A

capacidade de troca catiônica (CTC) indica a quantidade de cátions trocáveis

que um solo possui, e pode ser expressa em número de miliequivalentes de

cátions por 100 gramas de solo (meq/100g) ou por centimol por quilo (cmolc/kg).

Nos solos ácidos, os cátions trocáveis predominantes são o alumínio e o

hidrogênio.

Os resultados que estão apresentados na Tabela 5.9 fornecem a natureza

dos cátions trocáveis e a capacidade de troca catiônica dos solos em seus

estados natural e contaminado.

Tabela 5.9 – Resultados das análises de complexo sortivo

Complexo sortivo (cmolc/kg) Solo Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Sc* Al3+ H+ CTC#

Residual natural 0,0 0,8 0,05 0,03 0,9 3,1 1,9 5,9

Residual contaminado 0,0 0,0 0,23 12,5 12,7 0,0 0,0 12,7

Colúvio natural 0,0 0,2 0,03 0,01 0,2 0,0 1,8 2,0

Colúvio contaminado 0,0 0,0 0,82 40,50 41,3 0,0 0,0 41,3

* Sc = soma de cátions trocáveis ou de bases (Sc = Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+) # CTC = capacidade de troca catiônica (Sc + Al3+ + H+)

Os dois solos naturais apresentam valores baixos de capacidade de troca

catiônica e de bases trocáveis. Os valores de CTC são compatíveis com suas

composições mineralógicas. A fração argila do solo residual é composta

predominantemente por caulinita, argilomineral cuja capacidade de troca

catiônica varia entre 3 e 15 cmolc/kg (Mitchell, 1976). Já o solo coluvionar é

formado basicamente pelo mineral gibbsita, o que lhe garante um valor de CTC

menor que o do solo residual.

DBD



94

A ausência de Mg2+, Al3+ e H+ nos solos contaminados pode ser explicada

pela troca destes elementos pelo sódio ou pela ocorrência de reações químicas

com precipitação envolvendo estes elementos.

O aumento de K+ nos solos contaminados pode ser justificado pela

possível presença deste cátion no licor.

Os valores obtidos de Na+ e de CTC para os solos contaminados não

serão analisados de maneira detalhada. Possivelmente, os valores de Na+

correspondem aos já existentes nas partículas de argila, aos adquiridos por meio

das reações acima citadas e, principalmente, aos que compõem os hidróxidos de

sódio que se cristalizaram e precipitaram após a secagem dos solos. Este último

fator faz com que os valores de Na+ obtidos não representem os que realmente

são encontrados nos minerais do solo. Sendo assim, os valores de capacidade

de troca catiônica também são inconsistentes.

5.2.4.3. Análise química total

O ensaio de análise química total fornece o teor de cada elemento do solo,

abrangendo tanto os minerais primários como os secundários. Este ensaio foi

realizado com o objetivo de caracterizar os materiais no estado natural. A Tabela

5.10 mostra a composição química dos dois solos e de uma rocha alcalina, típica

da região de Poços de Caldas, cujos dados foram extraídos de Ilchenko e

Guimarães (1954). O solo residual ainda apresenta traços de Mg, Ca, Cr, Mn e

Rb, e o coluvionar traços de S, Ca, Cr e Rb.

Os solos foram desenvolvidos a partir de uma rocha alcalina semelhante à

apresentada na Tabela 5.10. Nesta tabela, observa-se que, em função das

condições ambientais, houve lixiviação dos álcalis e concentração de alumínio.

Nota-se ainda que, tanto no solo coluvionar como no residual, houve uma

lixiviação quase total de cálcio e sódio e uma diminuição considerável no teor de

potássio. Percebe-se que o solo coluvionar é bem mais intemperizado que o

residual, tendo o primeiro sofrido uma lixiviação de sílica e concentração de

alumínio mais acentuadas.

DBD



95

Tabela 5.10 – Composição química dos solos estudados e de uma rocha típica da região de Poços de Caldas

Componentes

Rocha*

Solo residual natural

Solo coluvionar natural

SiO2 53,32 43,76 17,00 Al2O3 23,39 38,02 47,63 Fe2O3 3,35 3,16 9,64 FeO 0,14 - - CaO 2,39 - - Na2O 4,62 - - K2O 6,22 1,58 1,79 TiO2 0,50 0,57 2,15 P2O5 0,12 0,17 0,21 MnO2 0,48 - 0,30 ZrO2 - 0,20 0,73

Nb2O5 - 0,04 0,09 Perda ao fogo 2,34 11,99 20,19

Total(%) 99,31 99,50 99,61 *Foiaíto típico de Poços de Caldas (Ilchenko e Guimarães, 1954)

5.2.4.4. Ataque sulfúrico

Os ensaios de ataque sulfúrico foram realizados com o objetivo de estimar

a relação entre os teores dos minerais caulinita, ilita e gibbsita (fração ativa do

solo); e de observar se houve amorfização de algum destes. O teor de mica

(serecita) não pôde ser calculado, pois o ensaio de ataque sulfúrico só reage

com os minerais secundários.

A partir dos resultados de teor de sílica, óxido de ferro e alumínio é

possível obter as relações moleculares Ki e Kr. Estes índices de intemperismo

são calculados pelas seguintes fórmulas:

Ki = (%SiO2/60)/(%Al2O3/102)

Kr = (%SiO2/60)/(%Al2O3/102 + %Fe2O3/160)

Os índices Ki e Kr servem para indicar, conforme seu valor, maior ou menor

grau de intemperização do solo. Valores mais elevados indicam menor grau de

intemperização; valores mais baixos, maior grau.

O objetivo da determinação da porcentagem de óxido de potássio foi tornar

possível o cálculo do teor de cada mineral que compõe o solo, utilizando a

metodologia proposta por Santos (1998). Devido a provável presença de

manganês nas concreções do solo coluvionar, também foi determinado o teor de

óxido de manganês.

DBD



96

A análise química seletiva por ataque sulfúrico foi realizada nos quatro

solos (residual natural, residual contaminado, colúvio natural e colúvio

contaminado) para observar se houve alterações na quantidade dos minerais

que constituem os solos. A Tabela 5.11 apresenta os resultados obtidos nas

análises químicas.

Tabela 5.11 – Resultados das análises químicas por ataque sulfúrico

Ataque Sulfúrico (%) Solo SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O MnO

Ki Kr

Residual natural 29,8 27,5 4,0 0,53 1,16 0,02 1,84 1,68

Residual contaminado 30,6 27,3 3,1 0,15 1,39 0,00 1,91 1,77

Colúvio natural 13,8 27,2 9,9 0,89 1,45 0,36 0,79 0,65


De acordo com Desai (1985), solos não lateríticos têm a relação

sílica/alumina maior que 2.

O solo coluvionar natural apresentou valores de Ki e Kr iguais a 0,79 e

0,65, respectivamente, enquanto o solo residual natural apresentou valores de Ki

= 1,84 e Kr = 0,65, mostrando uma nítida distinção entre os solos, estando o

primeiro mais intemperizado.

Os ensaios de difração por raios-X indicaram que os solos analisados,

tanto os naturais quanto os contaminados, são compostos por gibbsita, caulinita

e ilita/mica. Devido a esta composição, é possível aplicar a metodologia sugerida

por Santos (1998) para o cálculo do teor aproximado de caulinita, ilita, gibbsita

utilizando os percentuais de óxidos obtidos nas análises químicas por ataque

sulfúrico. Os resultados estão apresentados na Tabela 5.12, onde consta as

porcentagens de cada mineral, levando em consideração apenas a relação entre

eles. No Anexo I é apresentada de maneira detalhada a metodologia aplicada

nestes cálculos. Os resultados desta tabela indicam que a fração fina do solo

residual é formada por caulinita, seguida de gibbsita e um pouco de ilita. Já o

solo coluvionar é formado predominantemente por gibbsita, tendo um teor de

18,09 % de ilita e apenas 7,89 de caulinita.

Vale ressaltar, que a soma das porcentagens dos elementos que

compõem os solos, detectados no ensaio de ataque sulfúrico, não ultrapassa

65 %, indicando a presença de outros componentes que não são identificados

por este método. Comparando as composições obtidas no ataque sulfúrico e na

análise química total, percebe-se maiores teores de sílica e alumina na análise

DBD



97

química total, indicando a presença de minerais silicatados como mica (serecita)

e, possivelmente, de outros que não foram detectados nos ensaios de difração

por raios-X. No entanto, todas as análises serão realizadas com base na

composição da parte ativa do solo, ou seja, a detectada nos ensaios de ataque

sulfúrico.

Tabela 5.12 – Mineralogia da fração fina (com base nos resultados de ataque sulfúrico)

Solo Caulinita (%) Ilita (%) Gibbsita (%) Residual natural 46,7 14,4 38,9

Residual contaminado 45,23 17,09 37,68 Colúvio natural 7,89 18,09 73,21

Colúvio contaminado 4,1 17,85 78,05

No solo residual, natural e contaminado, observa-se a predominância de

SiO2 e Al2O3 (o que garante um maior teor de caulinita a este solo), e a

presença, em menor quantidade, de Fe2O3, TiO2, K2O e MnO.

O colúvio, natural e contaminado, apresenta um maior teor de Al2O3

(responsável pela predominância da gibbsita neste solo) e quantidades de SiO2

e Fe2O3, aproximadamente, 2,5 vezes menores que o teor de Al2O3. Da mesma

forma que no solo residual, os teores de TiO2, K2O e MnO são muito menores

que os demais.

Nos solos contaminados a composição mineralógica permaneceu

praticamente a mesma, com pouca variação no percentual de óxidos, indicando

que o licor não atingiu de forma significativa a estrutura da fração silicatada

(caulinita e ilita) e da não-silicatada (gibbsita).

5.2.4.5. Amorfos

O material amorfo é uma forma não cristalina e mal definida que, segundo

Bohn et al. (1985), deveria estar entre os componentes mais reativos do solo e

representaria um estado de transição entre a rocha mãe, não intemperizado, e

os minerais secundários bem cristalizados. Os materiais amorfos incluem

alumino-silicatos, óxidos de ferro e alumínio, e alguns complexos organo-

inorgânicos. Um exemplo de amorfo presente na fração argila do solo é a

alofana (composto principalmente pela combinação de sílica, alumina e água)

que é formada pelo intemperismo de cinzas vulcânicas em ambientes

extremamente úmidos (Wan, 2002).

No Brasil, a ocorrência de amorfos em quantidades apreciáveis não é

comum (JOHAS et al., 1997). Alguns pesquisadores estudaram a influência de

DBD



98

argilas, materiais paracristalinos e amorfos e da secagem ao ar ou em estufa a

40oC nos limites de consistência de solos provenientes de rochas básicas. No

entanto, não conseguiram comprovar a existência de materiais amorfos em

quantidade suficiente para influenciar nos resultados que obtiveram.

Os ensaios de amorfos foram executados com o intuito de observar se

houve amorfização de materiais cristalinos como a caulinita, ilita e gibbsita. Na

Tabela 5.13 constam os resultados dos ensaios.

Tabela 5.13 – Resultados da determinação de amorfos

Amorfos (%) Solo Al Al2O3 Fe Fe2O3 Si SiO2 Mn MnO

Residual natural 0,130 0,246 0,013 0,019 0,015 0,033 2 x 10-4 2 x 10-4

Residual contaminado 0,236 0,446 0,011 0,015 0,046 0,098 3 x 10-4 4 x 10-4

Colúvio natural 0,191 0,360 0,156 0,223 0,023 0,047 0,261 0,336


Como já se esperava, a quantidade de amorfos presente nos solos em

seus estados naturais é muito pequena. No caso do solo coluvionar, não se

observa praticamente alteração alguma na quantidade de amorfos após a

contaminação.

No solo residual, percebe-se um aumento nos teores de amorfos Al, Al2O3,

Si, SiO2, Mn e MnO. No entanto, não se detectou nos demais ensaios, como o

de análise termodiferencial, amorfização dos minerais. Este aumento pode estar

ligado à precipitação destes componentes que também são encontrados no licor

cáustico. Mesmo que tivesse ocorrido amorfização, a quantidade de material

amorfo presente antes e após a contaminação é tão pequena que dificilmente

afetaria o comportamento do solo.

5.3. Comentários finais

As suposições levantadas em relação à proporção dos minerais que

compõe os solos nos ensaios de difração por raios-X e análise termodiferencial

são confirmadas pela estimativa feita com base nos dados de ataque sulfúrico.

De acordo com esta estimativa, o solo residual apresenta maior quantidade de

caulinita (cerca de 47 %), seguida de gibbsita (39 %) e menor quantidade de ilita

(14 %). Já o solo coluvionar é predominantemente gibbsítico, sendo composto

DBD



99

por cerca de 73 % deste mineral, 8 % de caulinita e 18 % de ilita. Ambos

apresentam materiais não identificados.

Os cátions trocáveis podem tanto diminuir quanto aumentar os limites de

consistência de um determinado solo. O tipo de cátion presente é que vai induzir

um ou outro comportamento. No caso do sódio, há uma tendência de diminuir

os limites de Atterberg (exceto em solos ricos em esmectita). Isto se deve ao fato

do sódio aumentar a camada dupla, o que implica na redução da rigidez da água

adsorvida dos argilominerais de maneira que esta água passa a exercer pouca

força de ligação entre as partículas, provocando a redução dos limites de

liquidez e plasticidade, fenômeno este observado nos solos aqui estudados (ver

Tabela 5.7).

O NaOH, um dos constituintes do licor, apresenta, geralmente, propriedade

dispersiva devido ao efeito combinado do Na e do pH. A adição de Na faz com

que as forças de repulsão geradas entre as partículas de argila superem as

forças de atração, causando a dispersão da fração argila. Já o alto pH favorece a

dispersão das argilas devido à geração de cargas negativas (OH-).

Os ensaios de difração por raios-X, análise termodiferencial, ataque

sulfúrico e amorfos indicam que não houve amorfização, ao menos de maneira

significativa, dos minerais. O efeito causado pelo licor é apenas dispersivo, como

observado nas análises granulométricas.

As interações físico-químicas que ocorrem entre o licor e os solos são

facilmente observadas nos resultados de complexo sortivo. Os solos em seus

estados naturais apresentam vários cátions trocáveis tais como Mg2+, Na+ e H+.

Já nos solos contaminados, tem-se um grande aumento do cátion Na+ e o

desaparecimento dos demais (com exceção do K+), indicando que houve uma

“troca” destes constituintes por Na+.

Como o licor age apenas como defloculante, espera-se que os efeitos das

interações físico-químicas, que ocorrem entre este e os solos, afetem

principalmente o solo residual, já que o comportamento deste está

intrinsecamente ligado a sua estrutura, ao contrário do solo coluvionar.

DBD


100

6 Comportamento mecânico

Neste capítulo, serão apresentados e analisados os resultados dos

ensaios de resistência realizados com o solo residual jovem (triaxiais) e com o

coluvionar (cisalhamento direto), assim como o resultado de um ensaio

edomêtrico realizado com o solo residual jovem no estado natural.

6.1. Adensamento edométrico – solo residual jovem natural

6.1.1. Introdução

O objetivo principal da realização do ensaio edométrico convencional foi

determinar a tensão de escoamento do solo residual jovem no estado natural. De

forma complementar, foram calculados os parâmetros que podem ser obtidos a

partir deste ensaio.

6.1.2. Apresentação e análise dos resultados

O corpo de prova utilizado tinha 7,15 cm de diâmetro e 1, 95 cm de altura.

As características iniciais do corpo de prova são listadas na Tabela 6.1.

Tabela 6.1 – Características iniciais do corpo de prova do ensaio de adensamento edométrico (solo residual natural)

eo W o (%) So (%) γt (kN/m³) γd (kN/m³) 1,16 32,23 72,87 15,86 12,00

A amostra foi submersa antes de iniciar o carregamento. As tensões

adotadas variaram de 9,81 kPa a 1569,07 kPa. A partir do último estágio de

carregamento, foram realizados os seguintes estágios de descarregamento:

784,54 kPa, 392,27 kPa e 49,03 kPa. O tempo de duração de cada estágio foi o

suficiente para proporcionar a estabilização das deformações. A Figura 6.1

ilustra as curvas recalque x raiz do tempo, obtidas nas fases de carregamento do

corpo de prova, utilizadas para obtenção de t100. Os dados obtidos a partir de

cada estágio de adensamento constam na Tabela 6.2.

DBD


Comportamento mecânico

101

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 10 20 30 40

Raiz do tempo (min)

Rec

alqu

e (m

m)

9,81 kPa

24,52 kPa

49,03 kPa

98,07 kPa

196,13 kPa

392,27 kPa

588,4 kPa

784,54 kPa

1176,8 kPa

1569,07 kPa

Figura 6.1 – Curvas recalque x raiz do tempo, solo residual natural

Tabela 6.2 – Dados obtidos a partir dos estágios de adensamento edométrico (solo residual natural)

Estágio (kPa) e

t100(s)

Cv (10-1) (cm²/s)

av (10-4) (kPa-1)

mv (10-4) (kPa-1)

k (10-6) (cm/s)

9,81 1,15 8,4 2,01 10,7 4,99 9,88 24,52 1,14 12,0 1,39 5,20 2,43 3,33 49,03 1,13 12,0 1,38 3,66 1,72 2,34 98,07 1,12 12,6 1,30 2,40 1,13 1,45

196,13 1,11 8,4 1,93 1,61 0,76 1,45 392,27 1,08 8,4 1,89 1,42 0,69 1,28 588,40 1,05 17,4 0,89 1,36 0,66 0,58 784,54 1,00 27,6 0,54 2,50 1,25 0,66 1176,80 0,90 13,8 1,00 2,76 1,46 1,43 1569,07 0,81 24,0 0,52 2,17 1,20 0,61

Vaughan (1985) sugere que os resultados dos ensaios de adensamento

sejam representados utilizando escalas diferentes das convencionais (semi-

logarítmicas) para uma melhor identificação do ponto de escoamento. A curva

que correlaciona o índice de vazios e a tensão efetiva de adensamento foi

traçada na escala convencional (semi-logarítmica) e nas escalas sugeridas por

Vaughan (1985) (escala aritmética e escala bilogarítmica) (ver Figura 6.2).

DBD



102

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1 10 100 1000 10000

Tensão vertical efetiva - σ'v (kPa)

Índi

ce d

e va

zios

0,10

1,00

10,00

1 10 100 1000 10000

Tensão vertical efetiva - σ'v (kPa)

Índi

ce d

e va

zios

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Tensão vertcal efetiva - σ'v (kPa)

Índi

ce d

e va

zios

a)

b)

c)

Figura 6.2 – Formas de representação dos resultados de adensamento edométrico a) e x

log σ’v, b) log e x log σ’v e c) e x σ’v

DBD



103

Nas três formas de representação, observa-se, de maneira clara, uma

mudança no gradiente das curvas, indicando a existência de uma tensão de

escoamento. A tensão de escoamento apresentada na Tabela 6.3 foi

determinada pelo método de Pacheco Silva na escala semi-logarítmica.

Percebe-se que a mudança do gradiente nas demais escalas também ocorre

próxima à tensão vertical efetiva de 600 kPa. Os outros parâmetros

apresentados na tabela foram determinados a partir do gráfico traçado na escala

semi-logarítmica (Cc – índice de compressão, Cs – índice de expansão e Cr –

índice de recompressão).

Vale ressaltar, que se espera que o índice de vazios inicial do corpo de

prova influencie o comportamento do solo neste ensaio.

Tabela 6.3 – Parâmetros do ensaio de adensamento edométrico

σ’es (kPa) Cc Cr Cs 600 0,64 0,04 0,06

Analisando a curva na escala semi-logarítmica, percebe-se que há um

trecho inicial em que o solo exibe comportamento mais rígido, com variação

muito pequena do índice de vazios de acordo com a tensão vertical efetiva,

como conseqüência das ligações interpartículas. Após a tensão de escoamento,

o solo exibe grandes deformações plásticas com o aumento das tensões

verticais.

6.2. Ensaios triaxiais

6.2.1. Introdução

O objetivo principal da realização dos ensaios triaxiais foi estudar a

influência das interações físico-químicas, ocorridas entre o solo e o licor, no

comportamento tensão-deformação e nos parâmetros de resistência ao

cisalhamento do solo. Para tal, dois tipos de ensaios foram executados: no

primeiro, os corpos de prova foram saturados com água (ensaio convencional), e

no outro, o fluido intersticial (água) foi substituído pelo licor cáustico. Isto permitiu

comparar o comportamento do solo em seu estado natural com o seu

comportamento estando contaminado. Apenas o solo residual jovem foi

DBD



104

submetido a ensaios triaxiais, sendo os corpos de prova obtidos a partir de

amostras indeformadas.

O programa de ensaios estabelecido está apresentado na Tabela 6.4. Dois

ensaios CID com tensão efetiva de adensamento de 25 kPa foram realizados,

sendo um com solo natural e outro com solo contaminado. Os ensaios CID foram

executados com o intuito de melhor definir as envoltórias de resistência para

baixos níveis de tensão.

A metodologia empregada na execução dos ensaios está descrita no

Capítulo 4.

Tabela 6.4 – Campanha de ensaios triaxiais com os corpos de prova saturados com água e com licor cáustico

Fluido intersticial dos corpos de prova Ensaio triaxial σ'c (kPa)

Água Licor cáustico 25 X* X 50 X X* 77 X - 100 X X 200 X* X

CIU

400 - X CID 25 X X

* Dois ensaios realizados

Neste item, são apresentados e analisados os resultados dos ensaios

triaxiais. A princípio, pensou-se em analisar os resultados dos ensaios apenas

por comparação (solo natural com solo contaminado), no entanto, ao longo da

realização da campanha de ensaios, observou-se a forte influência do índice de

vazios na resistência ao cisalhamento. Por isso, optou-se por também analisar a

influência deste parâmetro no comportamento do solo.

6.2.2. Apresentação dos resultados

6.2.2.1. Índices físicos dos corpos de prova

Nas Tabelas 6.5 e 6.6, são listados os índices físicos dos corpos de prova

utilizados nos ensaios CIU e CID, respectivamente. Conforme mostrado no

Capítulo 5, a densidade relativa dos grãos deste solo é 2,627.

DBD



105

Tabela 6.5 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios CIU Fluido de saturação

σ’c(kPa) eo eadensto

wo(%)

So(%)

γt(kN/m³)

γd(kN/m³)

25(a) 1,25 1,25 44,97 94,40 16,59 11,44 25(b) 1,15 1,15 36,48 83,40 16,36 11,99 50 1,47 1,46 50,39 89,80 15,66 10,41 77 1,31 1,30 46,82 93,80 16,36 11,14 100 1,34 1,32 36,94 72,30 15,06 11,00 200(a) 1,49 1,43 48,93 86,10 15,39 10,33

Água

200(b) 1,26 1,19 44,49 93,10 16,50 11,42 25 1,29 1,27 43,42 88,40 16,13 11,24 50(a) 1,51 1,48 48,35 84,00 15,21 10,25 50(b) 1,32 1,28 45,16 89,90 16,12 11,11 100 1,33 1,28 47,84 94,80 16,37 11,07 200 1,46 1,26 45,01 81,00 15,19 10,47

Licor

400 1,18 0,93 42,86 95,40 16,88 11,81

Tabela 6.6 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios CID Fluido de saturação

σ’c(kPa) eo eadensto

wo(%)

So(%)

γt(kN/m³)

γd(kN/m³)

Água 25,00 1,06 1,06 33,6 81,00 16,67 12,48 Licor 25,00 1,21 1,21 39,29 83,80 16,25 11,67

Nota-se, nestas tabelas, uma grande variação do índice de vazios natural

do solo residual (1,06 a 1,51).

6.2.2.2. Curvas tensão desviadora x deformação axial

Nos ensaios triaxiais CIU e CID, todos os corpos de prova romperam

formando plano (ver ilustrações na Figura 6.3), tanto nos ensaios realizados com

solo natural, como nos executados com solo contaminado. Por isso, foi

necessário corrigir os valores da tensão desviadora após a ruptura. As correções

foram feitas tanto para a mudança de área, que diminui ao longo do tempo após

a ruptura, como para a membrana, que passa a colaborar de maneira

significativa na resistência. As metodologias empregadas nestas correções estão

no Anexo II. As curvas tensão desviadora x deformação axial, já corrigidas, e as

de excesso de poropressão x deformação axial, do solo ensaiado com água e

licor cáustico, estão ilustradas nas Figuras 6.4 e 6.5, respectivamente. Os

resultados referentes aos dois ensaios CID são apresentados na Figura 6.6.

Os coeficientes de adensamento e o valor da permeabilidade encontrada

no ensaio triaxial são apresentados no Apêndice II.

DBD



106

σ’c = 25 kPa (a) – água σ’c = 400 kPa – licor

Figura 6.3 – Corpos de prova após a ruptura (formação de plano)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7

a)

Tens

ão d

esvi

ador

a –

τ d (

kPa)

25 kPa (a) 25 kPa (b)

50 kPa 77 kPa

100 kPa 200 kPa (a)

8

200 kPa (b)

120

-80

-40

0

40

80

120

160

0 1 2 3 4 5 6 7 8-Ex

cess

o de

por

opre

ssão

– ∆

u (k

Pa)

b)

Deformação axial – εa (%) Figura 6.4 – Curvas do solo natural (ensaios CIU) a) tensão desviadora x deformação

axial; b) excesso de poropressão x deformação axial

DBD



107

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1 2 3 4 5 6 7 8

25 kPa 50 kPa (a)50 kPa (b) 100 kPa200 kPa 400 kPa

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8

a)

Tens

ão d

esvi

ador

a –

τ d (k

Pa)

b)

Exce

sso

de p

orop

ress

ão –

∆u

(kP

a)

Deformação axial – εa (%)

Figura 6.5 - Curvas do solo contaminado (ensaios CIU) a) tensão desviadora x

deformação axial; b) excesso de poropressão x deformação axial

DBD



108

0

50

100

150

200

250

300

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

água - 25 kPa licor - 25 kPa

-6,0

-5,0

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

a) Te

nsão

des

viad

ora

– τ d

(kP

a)

Def

orm

ação

vol

umét

rica

- ε v

(%)

b)

(-) dilatância

Deformação axial – εa (%)

Figura 6.6 – Curvas do solo residual natural e contaminado (ensaios CID) a) tensão

desviadora x deformação axial; b) deformação volumétrica x deformação axial

6.2.2.3. Trajetórias de tensões efetivas e envoltórias de resistência

No caso de formação de plano na ruptura, a poropressão medida não

representa necessariamente a que está atuando no plano de cisalhamento

formado, já que a medida desta é realizada apenas na base do corpo de prova.

Tentando minimizar o erro no traçado das trajetórias de tensões efetivas

ocasionado pela medida de poropressão após a ruptura, estas foram plotadas

DBD



109

até valores de p’ e q correspondentes, a no máximo, a uma deformação de 4%

(valor um pouco acima das deformações obtidas na ruptura). p’ e q são definidos

pelas expressões:

p’ = (σ’v + σ’h)/2 e q = (σ’v - σ’h)/2

Para obtenção das envoltórias correspondentes ao estado crítico,

interpolou-se a linha K a partir das trajetórias de tensões efetivas dos ensaios

CIU e do ponto de “resistência última”, obtido no ensaio triaxial CID. Os

coeficientes lineares (d’) e angulares (θ’) da linha K foram relacionados com os

parâmetros de ruptura pelo critério de Mohr-Coulomb, conforme as expressões

abaixo, obtendo-se assim o intercepto de coesão efetiva (c’) e o ângulo de atrito

interno efetivo (φ’).

tg θ’ = sen φ’ e c’ = d’/cos φ’

As trajetórias de tensões efetivas, as envoltórias de resistência e os

valores de c’ e φ’ obtidos a partir dos ensaios com água e com licor são

apresentados nas Figuras 6.7 e 6.8, respectivamente.

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

0

25

50

75

100

125

150

175

200

c’ = 9,2 (kPa) φ' = 35,38o

• – “resistência última” – ensaio CID o – resistência de pico – ensaio CID

(b)

(b) (a)

q (k

Pa)

(a)

p’ (kPa) Figura 6.7 – Trajetórias de tensões efetivas (CIU) e envoltória de resistência (estado

crítico) – água

DBD



110

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450

0

25

50

75

100

125

150

175

200

c’ = 7,04 kPa φ' = 31,67 o

• – “resistência última” – ensaio CID o – resistência de pico – ensaio CID

q (k

Pa)

(b) (a)

p’ (kPa)

Figura 6.8 – Trajetórias de tensões efetivas (CIU) e envoltória de resistência (estado

crítico) – licor cáustico

6.2.2.4. Dados na ruptura

Os valores da tensão desviadora, deformação axial, excesso de

poropressão, coeficiente de poropressão e os valores de p’ e q na ruptura, nos

ensaios CIU, são listados na Tabela 6.7, assim como o valor da tensão

desviadora para uma deformação axial de 8 %. Constam na Tabela 6.8, dados

na ruptura e o valor da tensão desviadora para uma deformação de 10 % dos

ensaios CID. Foi assumida que a ruptura ocorreu ao ser atingida a tensão

desviadora máxima nos dois tipos de ensaio.

Tabela 6.7 – Dados na ruptura e tensão desviadora para uma deformação axial de 8%. Ensaios CIU realizados com água e licor Fluido de saturação

σ’c(kPa)

τdr(kPa)

εar(%)

∆ur (kPa) Ar

p’r(kPa)

qr(kPa)

τd8%(kPa)

25 (a) 251,00 1,8 -35,51 -0,14 186,10 125,08 232,90 25 (b) 376,23 1,0 -16,21 -0,04 229,30 188,11 376,23 50 158,80 1,4 35,72 0,22 93,70 79,40 143,47 77 190,92 1,6 36,64 0,19 135,80 95,46 194,00 100 257,31 0,5 59,00 0,23 178,10 137,36 216,00 200 (a) 164,03 1,8 129,23 0,79 15,80 82,01 130,53

Água

200 (b) 269,60 0,9 111,57 0,41 223,22 34,79 175,70 25 99,00 2,0 10,92 0,11 63,35 49,50 87,64 50 (a) 56,31 2,0 28,25 0,50 47,10 28,16 52,34 50 (b) 81,40 1,0 82,00 1,01 123,30 40,68 62,50 100 98,90 1,9 71,46 0,72 122,40 58,56 82,10 200 117,12 3,0 136,21 1,16 78,00 49,44 113,64

Licor

400 346,54 2,8 248,07 0,72 330,10 173,27 248,34

DBD



111

Tabela 6.8 –Dados na ruptura e tensão desviadora para uma deformação axial de 10 %. Ensaios CID realizados com água e licor

Fluido de saturação

σ’c(kPa)

τdr(kPa)

εar(%)

εvr (%)

τσd10%(kPa)

Água 25 286,56 1,01 0,322 108,35 Licor 25 107,64 3,43 0,823 97,87

6.2.2.5. Módulos de deformação

A Tabela 6.9 apresenta os módulos de deformação secante para 50 % da

tensão desviadora máxima (Es50%) e o tangencial inicial (Eti) referentes aos

ensaios CID e CIU.

Tabela 6.9 – Módulos de deformação

Eti (MPa) Es50% (MPa) Fluido de saturação

σ’c(kPa)

CIU CID CIU CID 25 (a) 45,50 25 44,80 27,11 25 (b) 56,40 - 53,70 - 50 38,90 - 31,80 - 77 25,00 - 19,00 - 100 64,50 - 71,50 - 200 (a) 25,00 - 22,80 -

Água

200 (b) 54,20 - 40,90 - 25 2,00 12,5 11,30 5,89 50 (a) 14,3 - 68,70 - 50 (b) 16,70 - 12,70 - 100 30,80 - 17,70 - 200 25,00 - 15,40 -

Licor

400 43,40 - 33,40 -

6.2.3. Análise e discussão dos resultados

6.2.3.1. Ensaios com solo natural – CIU

Analisando os resultados ilustrados na Figura 6.4, observa-se que as

curvas (τd x εa) apresentam comportamentos distintos para os níveis de tensões

efetivas de adensamento utilizados. As tensões desviadoras máximas são

alcançadas para deformações axiais da ordem de 0,8 % (σ’c = 25 kPa (b),

100 kPa e 200 kPa (b)) e 1,7 % (σ’c = 25 kPa (a), 50 kPa, 77 kPa e 200 kPa (a)).

As curvas (τd x εa) para σ’c = 100 kPa e 200 kPa (b) apresentam picos bem

definidos, com queda significativa de resistência após a ruptura. Estes picos não

estão associados a dilatância, pois os excessos de poropressão nestes casos

DBD



112

foram sempre positivos. As demais curvas apresentam um pico suave, com as

resistências permanecendo praticamente as mesmas após a ruptura. O solo

mostra comportamento dilatante para os dois ensaios em que σ’c = 25 kPa e, nos

ensaios onde σ’c = 50 kPa, 77 kPa e 100 kPa, desenvolve excessos de

poropressão decrescentes logo após a ruptura para só então estabilizar.

A resistência do solo é pouco influenciada pela tensão efetiva de

adensamento. Isto pode ser facilmente detectado nos gráficos tensão desviadora

(na ruptura e para uma εa= 8 %) versus tensão efetiva de adensamento (Figura

6.9). Nestes gráficos, percebe-se que não é possível estabelecer uma relação

satisfatória entre as resistências e a tensão efetiva de adensamento. Na

realidade, nota-se a tendência da resistência diminuir com o aumento da tensão

confinante, o contrário do que se esperaria em um solo sedimentar, por exemplo.

y = -0,6575x + 285,32R2 = 0,2811

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250

σ'c (kPa)

τ d

r (kP

a)

y = -0,8162x + 280,41R2 = 0,3716

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250

σ'c (kPa)

τ d

8 %

(kP

a)

a)

b)


adensamento b) tensão desviadora para deformação axial de 8 % x tensão efetiva de

adensamento (Ensaios com água - CIU)

A tensão de escoamento para solos residuais, como mencionado na

revisão bibliográfica, é conseqüência da história de intemperismo e resulta

DBD



113

principalmente de dois fatores: ligações entre partículas e índice de vazios. Logo,

para valores de tensão efetiva de adensamento inferiores à tensão de

escoamento, espera-se que haja uma grande influência destes dois

componentes no comportamento do solo. A tensão de escoamento encontrada

para o solo residual no estado natural foi de 600 kPa, valor este acima das

tensões de adensamento utilizadas nos ensaios triaxiais. Isto possivelmente

justifica o fato de não se estabelecer uma relação entre as tensões desviadoras

(na ruptura e para uma εa= 8 %) e as tensões efetivas de adensamento.

A Figura 6.10 mostra a relação entre os índices de vazios (inicial e após o

adensamento) e as tensões desviadoras (na ruptura e para uma deformação

axial de 8 %). Observa-se que, conforme seria de se esperar, as resistências

tendem a aumentar com a diminuição do índice de vazios. Nota-se que há uma

melhor correlação entre os índices de vazios e a tensão desviadora

correspondente à deformação axial de 8 %.

O índice de vazios variou pouco na fase de adensamento. Nos ensaios

onde σ’c = 25 kPa este permaneceu o mesmo, havendo maior variação nos

ensaios com σ’c = 200 kPa (decréscimo de cerca de 5 %). Para as demais

tensões efetivas de adensamento, houve variação de, no máximo, 1,5 % do

índice de vazios. Isto mostra que as tensões efetivas afetaram pouco a estrutura

do solo e justifica as boas correlações obtidas nos gráficos da Figura 6.10.

Apesar de não se obter uma relação satisfatória entre a tensão efetiva de

adensamento e as tensões desviadoras (máxima e para uma deformação axial

de 8 %), percebe-se, por meio dos gráficos excesso de poropressão x

deformação axial, que, apesar das tensões efetivas de adensamento utilizadas

estarem bem abaixo da de escoamento, o aumento destas faz com que o solo

tenda a ter um comportamento de contração cada vez mais acentuado.

DBD



114

y = -0,3627Ln(x) + 3,2946R2 = 0,8463

y = -0,3428Ln(x) + 3,1622R2 = 0,8427

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

130 160 190 220 250 280 310 340 370 400

τdr (kPa)

e

e (inicial)e (após adensamento)

y = -0,3325Ln(x) + 3,1006R2 = 0,9448

y = -0,2924Ln(x) + 2,8711R2 = 0,9356

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

130 160 190 220 250 280 310 340 370 400

τd8% (kPa)

e


a)

b)

Figura 6.10 – Relação entre: a) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e tensão

desviadora na ruptura; b) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e tensão

desviadora para uma deformação axial de 8 % (ensaios com água - CIU)

As trajetórias de tensões efetivas para todos os ensaios, com exceção

apenas de σ’c = 200 kPa (a), curvam-se para direita, comportamento este

semelhante ao de solos sedimentares pré-adensados (Figura 6.7). Para o ensaio

onde σ’c = 25 kPa (b), observa-se que a resistência suportada pelo solo é maior

que nos demais. Isto se deve possivelmente a três fatores: a) para este nível de

tensão efetiva de adensamento, a estrutura do solo não é afetada (não houve

alteração no índice de vazios na fase de adensamento); b) o índice de vazios

incial neste ensaio é menor que nos demais; c) o excesso de poropressão

gerado é negativo (comportamento dilatante). Este último fator está diretamente

ligado à estrutura.

DBD



115

As trajetórias de tensões efetivas (exceto para σ’c = 200 kPa) tendem a

aproximar-se da envoltória de cima para baixo, sendo este comportamento

também reflexo da estrutura do solo. Com o aumento da tensão efetiva de

adensamento, espera-se que haja a quebra progressiva das ligações entre as

partículas, implicando na diminuição da influência da estrutura no

comportamento do solo, de maneira que esta se torne praticamente nula ao ser

atingida a tensão de escoamento. Obteve-se como parâmetros de resistência um

intercepto de coesão efetiva no valor de 9,2 kPa (reflexo exclusivamente da

estrutura do solo) e um ângulo de atrito interno efetivo de 35,38o.

Outra alternativa para o traçado da envoltória seria realizar ensaios com

tensões efetivas superiores as utilizadas, inclusive maiores que a tensão de

escoamento. Sandroni (1974), ao estudar o comportamento de solos residuais,

considerou a envoltória de resistência curva até próxima da tensão de

escoamento, e acima desta admitiu o comportamento semelhante ao de solos

sedimentares normalmente adensados. Esta curvatura da envoltória é devido,

principalmente, à presença de cimentações. Desta forma, os ensaios aqui

realizados estariam na parte curva da envoltória, caso esta fosse traçada como

sugerido por Sandroni (1974). Ao traçar a envoltória linear e abaixo das

resistências alcançadas nos ensaios realizados com as tensões efetivas de

adensamento menores, está se desprezando a resistência alcançada por este

solo devido à sua estrutura.

6.2.3.2. Ensaios com solo contaminado – CIU

Os resultados apresentados na Figura 6.5 mostram que as curvas (τd x εa)

para σ’c = 50 kPa , 100 kPa e 200 kPa apresentam picos suaves e, após a

ruptura, as tensões desviadoras diminuem um pouco, formando em seguida um

patamar que coincide com a estabilização dos excessos de poropressão. O

ensaio onde σ’c = 25 kPa também apresenta um pico suave, porém, após a

ruptura, o excesso de poropressão começa a decrescer e tender a zero. Já para

σ’c = 400 kPa não há estabilização da tensão desviadora após a ruptura, que

tende a decrescer até a deformação axial máxima atingida, que é de 8 %,

quando foi interrompido o ensaio. Os excessos de poropressão gerados durante

o cisalhamento são sempre positivos. A ruptura é atingida para deformações

axiais entre 2 % e 3 %, exceto para σ’c = 50 kPa (b) que rompeu a 1 %.

DBD



116

A Figura 6.11 mostra que o solo contaminado apresenta uma boa

correlação entre o índice de vazios após o adensamento e as tensões

desviadoras (na ruptura e para uma deformação de 8 %). No entanto, não se

obtém uma correlação satisfatória entre as resistências e o índice de vazios

inicial. Observa-se, na Tabela 6.5, que o índice de vazios, na fase de

adensamento do ensaio, varia cerca de 2 % para σ’c = 25 kPa e 50 kPa (a), 3 %

para σ’c = 50 kPa (b) e 100 kPa, 13,70 % para σ’c = 200 kPa e 21,19 % para σ’c =

400 kPa. Estas variações são superiores as obtidas nos ensaios realizados com

água, e se devem, principalmente, ao efeito dispersivo do licor, que afeta a

estrutura do solo tornando-o mais compressível. Isto faz com que a resistência

torne-se função, principalmente, da tensão efetiva de adensamento, e não do

índice de vazios como nos ensaios realizados com água.

y = -0,1476Ln(x) + 2,0428R2 = 0,5736

y = -0,2842Ln(x) + 2,5873R2 = 0,9647

0,92

1,02

1,12

1,22

1,32

1,42

1,52

1,62

50 100 150 200 250 300 350

τdr (kPa)

e


y = -0,1423Ln(x) + 1,9901R2 = 0,4888

y = -0,2894Ln(x) + 2,5548R2 = 0,9164

0,92

1,02

1,12

1,22

1,32

1,42

1,52

1,62

50 100 150 200 250 300

τd8% (kPa)

e

e (inicial)

e (após adensamento)

Figura 6.11 - Relação entre: a) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e tensão

desviadora na ruptura; b) índice de vazios (inicial e após o adensamento) e tensão

desviadora para uma deformação axial de 8 % (ensaios com licor - CIU)

DBD



117

As relações obtidas entre as tensões desviadoras (na ruptura e para uma

deformação axial de 8 %) e a tensão efetiva de adensamento são expostas na

Figura 6.12. Observa-se que há uma tendência da resistência aumentar com o

crescimento da tensão efetiva de adensamento. Para a tensão efetiva de

adensamento igual a 25 kPa, percebe-se uma grande influência das ligações

interpartículas do solo e do índice de vazios (variou pouco na fase de

adensamento). Não foi realizado ensaio de adensamento edométrico para o solo

contaminado, mas espera-se que a tensão de escoamento seja inferior à obtida

no ensaio realizado com água devido à ação do licor na estrutura do solo.

y = 0,6986x + 37,151R2 = 0,8794

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

σ'c (kPa)

τ d

r (kP

a)

a)

y = 0,4885x + 39,202R2 = 0,909

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250 300 350 400

σ'c (kPa)

τ

d 8

% (k

Pa)

b)


adensamento b) tensão desviadora para deformação axial de 8 % x tensão efetiva de

adensamento (Ensaios com licor - CIU)

As trajetórias de tensões efetivas correspondentes a σ’c = 25 kPa e

50 kPa (b) curvam-se para direita (ver Figura 6.8). A trajetória referente a σ’c =

DBD



118

50 kPa (a) anda um pouco para esquerda, mas sobe praticamente em linha reta

até atingir a envoltória de resistência. Já as trajetória de σ’c = 100 kPa, 200 kPa

e 400 kPa caminham para a esquerda, sendo que para σ’c = 400 kPa a trajetória

curva-se para a direita até uma deformação axial de 0,6 %, para só então andar

para a esquerda. Estas três últimas tensões efetivas de adensamento citadas

apresentam trajetórias de tensões efetivas bastante similares a de solos

normalmente adensados. Não se sabe quando o solo começa a se comportar

desta maneira, pois a tensão de escoamento do solo contaminado não foi

determinada.

Da mesma forma que no solo residual, poderia-se traçar uma envoltória

curva para as tensões efetivas abaixo da tensão de escoamento e linear acima

desta. Aparentemente, a tensão de escoamento está entre as tensões efetivas

de 100 kPa e 200 kPa.

Os valores de c’ e φ' encontrados foram, respectivamente, 7,0 kPa e

31,67o.

6.2.3.3. Comparação dos resultados

Para melhor visualizar e entender a influência do licor no comportamento

do solo, neste item, serão comparados, os resultados dos ensaios realizados

com solo no estado natural e contaminado, mesmo isto já tendo sido feito

separadamente ao longo da apresentação dos resultados.

Características de compressibilidade A Figura 6.13 mostra a relação entre o índice de vazios normalizado, ao

ser dividido pelo índice de vazios inicial, versus tensão vertical efetiva de

adensamento dos ensaios triaxiais (CIU e CID), bem como do único ensaio de

adensamento executado.

Ao causar dispersão no solo, o licor afeta sua estrutura tornando-o mais

compressível, e assim mais suscetível à atuação da tensão efetiva de

adensamento (ver variação do índice de vazios na Tabela 6.5 e os resultados da

figura a seguir).

DBD



119

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1 10 100 1000 10000Tensão vertical efetiva (kPa)

e /e o

águalicor

água (edométrico)

Figura 6.13 – Comparação das curvas índice de vazios normalizado x tensão vertical

efetiva

Ensaios CIU Comportamento tensão – deformação

De maneira geral, existe uma tendência de redução da tensão desviadora

(máxima e para uma deformação axial de 8 %) e da deformação axial na ruptura

quando se passa do solo natural para o contaminado. As alterações causadas

pelo licor no solo serão avaliadas para cada nível de tensão efetiva de

adensamento.

Tensão efetiva de adensamento: 25 kPa

Observando a Figura 6.14, percebe-se que o comportamento tensão-

deformação é praticamente o mesmo nos dois ensaios realizados com água,

sendo que para σ’c = 25 kPa (b) a tensão desviadora alcançada é maior, devido

ao fato do corpo de prova utilizado neste ensaio ter um índice de vazios menor.

Nos dois ensaios o solo comportou-se de maneira dilatante, refletindo a forte

influência da estrutura na resistência.

A tensão desviadora atingida no ensaio com licor corresponde a apenas

39 % da menor tensão alcançada nos ensaios efetuados com água. O excesso

de poropressão gerado pelo solo contaminado é positivo, mas, após a ruptura,

diminui e começa a tender a zero.

DBD



120

Observa-se ainda, nesta figura, que o solo contaminado apresenta uma

menor rigidez, o que está ligado a um aumento da compressibilidade do solo

após a contaminação.

A diminuição da rigidez e da resistência é causada pela quebra e/ou

enfraquecimento das ligações interpartículas. Este comportamento do solo está

coerente com os dados obtidos nas análises químicas, em que se observa um

aumento da capacidade de troca catiônica no solo contaminado, e com a análise

física, que indica o poder dispersivo do licor. Os ensaios de difração por raios-X,

análise termodiferencial e ataque sulfúrico, indicaram que o licor atua realmente

como agente dispersivo, não provocando amorfização da fração argila do solo

em temperatura ambiente.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7

a)

τ d (k

Pa)

a (a)água - 25 kPa (b)água - 25 kP

licor - 25 kPa

8

-120

-90

-60

-30

0

30

0 1 2 3 4 5

∆u

(kP

a)

b)

6 7 8

εa (%)

Figura 6.14 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação axial ; b)

excesso de poropressão x deformação axial. Ensaios realizados com água e licor para

σ’c = 25 kPa (CIU)

DBD



121


Nos ensaios onde σ’c = 50 kPa com solo contaminado, observa-se que,

apesar das curvas apresentarem comportamentos distintos, elas tendem para

uma mesma tensão desviadora após a ruptura. Apresentou maior resistência,

dentre os solos contaminados, o ensaio em que o corpo de prova tinha o menor

índice de vazios inicial. Isto mostra que existe influência do índice de vazios no

comportamento do solo contaminado, mesmo que menor que a exercida pela

tensão efetiva de adensamento (ao menos para este nível de tensão) (Figura

6.15 (a)).

A tensão desviadora máxima suportada pelo solo contaminado

corresponde a 44 % da alcançada pelo solo natural, com este último

apresentando comportamento mais rígido.

Os excessos de poropressão são todos positivos, com comportamentos

mais próximos do que os obtidos nos ensaios onde σ’c = 25 kPa. (Figura 6.15

(b)). a)

τ d (k

Pa)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 1 2 3 4 5 6 7 8

água - 50 kPalicor - 50 kPa (a)licor - 50 kPa (b)

0

30

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8

∆u

(kP

a)

b)

εa (%) Figura 6.15 – Comparação entre as curvas: a) tensão desviadora x deformação axial ; b)



DBD



122


No ensaio com tensão efetiva de 100 kPa utilizando solo contaminado, a

tensão desviadora alcançada para uma deformação axial de 8 % (quando já se

tem um patamar) equivale a 38 % da obtida pelo solo natural. A ruptura é

atingida primeiro pelo solo ensaiado com água, sendo este fato observado

também para as demais tensões efetivas de adensamento. O excesso de

poropressão, gerado pelo solo natural, é inferior ao gerado pelo solo

contaminado, mas em ambos os casos há estabilização deste após a ruptura. O

solo natural mostra comportamento mais rígido devido ao efeito de estrutura,

preservada neste nível de tensão efetiva (Figura 6.16).

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8

água - 100 kPalicor - 100 kPa

0

30

60

90

0 1 2 3 4 5 6 7 8

a)

τ d (k

Pa)

∆

u (k

Pa)

b)

εa (%)





DBD



123

Para σ’c = 200 kPa, observa-se ainda o efeito do índice de vazios, seja

inicial ou após o adensamento, na resistência obtida pelo solo natural. O ensaio

(b) apresenta maior resistência que o ensaio (a), que possui um maior índice de

vazios. Esta tensão de adensamento causa uma variação de, no máximo, 5,5 %

no índice de vazios dos ensaios realizados com água, enquanto que nos ensaios

com licor esta variação é de cerca de 14 % (esta diferença entre a variação do

índice de vazios nos ensaios realizados com água e nos efetuados com licor,

também pode ser observada na Figura 6.13). Nestes ensaios, as tensões

desviadoras após a ruptura tendem a valores mais próximos que para as demais

tensões efetivas de adensamento. Os excessos de poropressão gerados nos

três ensaios são bastante similares (Figura 6.17).

Nota-se que, para este nível de tensão, que a tensão efetiva de

adensamento passa a ter uma maior influência no comportamento do solo

natural. À medida que se aumenta a tensão efetiva de adensamento, cresce a

quebra das ligações entre os grãos, o que faz com que haja uma diminuição da

influência da estrutura no comportamento tensão-deformação e excesso de

poropressão-deformação (Figura 6.17).

DBD



124

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8

água - 200 kPa (a)água - 200 kPa (b)licor - 200 kPa

0

30

60

90

120

150

180

0 1 2 3 4 5 6 7 8

a)

τ d (k

Pa)

∆

u (k

Pa)

b)

εa (%)




Trajetórias de tensões efetivas

As trajetórias de tensões efetivas refletem as mudanças que ocorrem na

estrutura do solo quando contaminado com licor. Enquanto há uma forte

influência da estrutura nos caminhos de tensões efetivas até 100 kPa nos

ensaios realizados com água (apresentam comportamento semelhante a de

solos sedimentares pré-adensados), nos ensaios com licor nota-se esta

influência de maneira clara apenas para σ’c = 25 kPa. As trajetórias de tensões

efetivas serão analisadas para cada nível de tensão efetiva de adensamento.


Os comentários feitos a seguir são baseados na Figura 6.18.

DBD



125

Tanto nos ensaios realizados com água como no efetuado com licor, o solo

apresenta trajetórias de tensões efetivas semelhantes a de um solo sedimentar

pré-adensado, devido às ligações interpartículas que são pouco afetadas.

Ao comparar as trajetórias de tensões efetivas dos ensaios realizados com

água, observa-se que os maiores valores de p’ e q são alcançados pelo solo em

que σ’c = 25 kPa (b), onde se tem o menor índice de vazios inicial e,

conseqüentemente, uma maior dilatância.

O ensaio realizado com solo contaminado atinge valores de p’e q inferiores

aos obtidos nos ensaios com água, isto ocorre devido ao maior índice de vazios

do corpo de prova utilizado neste ensaio e da influência do licor cáustico na

estrutura.

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

0

25

50

75

100

125

150

175

200

___água _ _ licor (b)

(a)

q (k

Pa)

p’ (kPa)

Figura 6.18 – Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados com

água e licor para σ’c = 25 kPa (CIU)

Tensão efetiva de adensamento: 50kPa

Analisando as trajetórias de tensões efetivas dos dois ensaios realizados

com licor, percebe-se que, para σ’c = 50 kPa (b), o solo atinge maiores valores

de p’ e q por apresentar um menor índice de vazios inicial (Figura 6.19).

DBD



126

Mesmo tendo um índice de vazios inicial superior a de um dos ensaios

realizados com licor (σ’c = 50 kPa (b)), o solo no estado natural chega a maiores

valores de p’ e q.

0 25 50 75 100 125 150

0

25

50

75

100

___água _ _ licor

q (k

Pa)

(b)

(a)

p’ (kPa)

Figura 6.19 - Comparação das trajetórias de tensões efetivas. Ensaios realizados com



Para este nível de tensão efetiva, nota-se, de maneira clara, a influência do

licor no comportamento do solo. Apesar de apresentarem índices de vazios

iniciais bastante próximos (água – 1,34 e licor – 1,33), a trajetória de tensões

efetivas no ensaio efetuado com licor tem aspecto semelhante à de um solo

sedimentar normalmente adensado, enquanto a do solo no estado natural se

assemelha com a de um solo sedimentar pré-adensado (Figura 6.20).

É interessante notar que a partir desta tensão efetiva de adensamento, o

comportamento do solo contaminado é influenciado basicamente pela tensão

efetiva de adensamento.

DBD



127

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

0

25

50

75

100

125

150

___água _ _ licor

q (k

Pa)

p’ (kPa)




As trajetórias de tensões efetivas nos ensaios realizados com água, para

σ’c = 200 kPa, apresentam comportamentos distintos devido à grande diferença

entre os índices de vazios iniciais. Os maiores valores de p’ e q foram atingidos

no ensaio em que o corpo de prova tinha o menor índice de vazios inicial (Figura

6.21).

Como ocorre nas demais tensões efetivas de adensamento, o solo

contaminado atinge valores de p’e q menores que os dos ensaios com água.

DBD



128

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

0

25

50

75

100

125

150

___água _ _ licor

(b)

q (k

Pa)

(a)

p’ (kPa)



Influência da tensão efetiva de adensamento e do índice de vazios na

resistência do solo natural e contaminado

Ao analisar as Figuras 6.22 e 6.23, para os ensaios realizados com água,

nota-se, a relação direta entre o índice de vazios, inicial e após o adensamento,

e as tensões desviadoras (na ruptura e para uma deformação axial de 8 %). Isto

ocorre devido à estrutura do solo, que é pouco afetada para os níveis de tensões

efetivas de adensamento utilizados, como já mencionado. Já para os ensaios

efetuados com licor, só se estabelece uma boa correlação entre o índice de

vazios após o adensamento e as tensões desviadoras (na ruptura e para uma

deformação axial de 8 %), pois o licor torna o solo mais compressível e assim

mais vulnerável aos efeitos das tensões efetivas de adensamento.

Na Figura 6.24, fica claro que o elemento que mais influência na

resistência do solo contaminado é a tensão efetiva de adensamento. A

resistência do solo, impregnado com licor, tende a aumentar com o crescimento

desta tensão. Com o solo natural, não se obtém uma correlação satisfatória

entre as tensões desviadoras (na ruptura e para uma deformação axial de 8 %) e

a tensão efetiva de adensamento. Mas, mesmo assim, percebe-se a tendência

da resistência diminuir com o aumento da tensão efetiva de adensamento,

comportamento contrário ao do solo contaminado. No entanto, espera-se que

esta tendência mude para tensões efetivas de adensamento próximas a de

escoamento.

DBD



129

R2 = 0,8463

R2 = 0,5736

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

50 80 110 140 170 200 230 260 290 320 350 380

τdr (kPa)

e o

água

licor

R2 = 0,8079

R2 = 0,4888

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

40 70 100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 400

τd8% (kPa)

e o

água

licor

a)

b)

Figura 6.22 – Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: a) índice

de vazios inicial x tensão desviadora na ruptura b) índice de vazios inicial x tensão

desviadora para uma deformação axial de 8 %. Ensaios CIU

DBD



130

R2 = 0,8427

R2 = 0,9647

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

50 80 110 140 170 200 230 260 290 320 350 380

τdr (kPa)

e ad

enst

o

água

licor

a)

R2 = 0,9356

R2 = 0,9164

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

40 70 100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 400

τd8% (kPa)

e ad

enst

o

água

licor

b)

Figura 6.23 - Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: a) índice de

vazios após o adensamento x tensão desviadora na ruptura b) índice de vazios após o

adensamento x tensão desviadora para uma deformação axial de 8 %. Ensaios CIU

DBD



131

R2 = 0,2811

R2 = 0,8794

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

σ'c (kPa)

τ d

r (k

Pa)

água

licor

R2 = 0,3716

R2 = 0,909

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

σ'c (kPa)

τ d

8 %

(kP

a)

água

licor

a)

b)

Figura 6.24 – Comparação entre os ensaios realizados com água e com licor: tensão

desviadora na ruptura x tensão efetiva de adensamento b) tensão desviadora para uma

deformação axial de 8 % x tensão efetiva de adensamento. Ensaios CIU

Módulos de deformação

A Figura 6.25 apresenta a variação dos módulos de deformação tangencial

inicial (Eti), deformação secante para 50 % da tensão desviadora máxima

(ES50%), de acordo com a tensão confinante efetiva (Ensaios CIU).

Analisando os gráficos da Figura 6.25 e os dados da Tabela 6.9, verifica-se

que, de maneira geral, os módulos referentes ao solo natural são superiores aos

obtidos nos ensaios realizados com licor. Isto se deve ao fato do solo natural

apresentar componentes de resistência e rigidez associadas às cimentações,

que para os níveis de tensões efetivas estudados, são pouco afetadas.

DBD



132

Nos ensaios realizados com a mesma tensão efetiva e fluido intersticial,

observa-se que os maiores módulos foram obtidos nos ensaios em que o corpo

de prova possuía o menor índice de vazios.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150 200 250 300 350 400

σ'c (kPa)

E t

i (M

pa)

água

licor

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400

σ'c (kPa)

E s

50 %

(Mpa

)

água

licor

Figura 6.25 – Variações dos módulos de deformação conforme a tensão confinante e o

fluido intersticial: a) módulo tangencial inicial e b) módulo secante correspondente a 50 %

da tensão desviadora

A Figura 6.26 relaciona o índice de vazios inicial com os módulos. Nos dois

gráficos, não se obtém uma boa correlação entre estes parâmetros, tanto nos

ensaios realizados com água como nos ensaios realizados com licor. Mas,

observa-se, de maneira geral, que a nuvem de pontos, correspondente aos

ensaios efetuados com solo natural, encontra-se acima da formada pelos pontos

referentes aos ensaios realizados com o solo contaminado.

DBD



133

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1

e (inicial)

E t

i (M

pa)

,6

água

licor

a) ___ _ _

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

e (inicial)

E s

50 %

(Mpa

)

água

licor

b) ___ _ _

Figura 6.26 – Relação entre a) módulo tangencial inicial e índice de vazios inicial b)

módulo secante correspondente a 50 % da tensão desviadora e índice de vazios inicial

Ensaios CID

Comportamento tensão-deformação

Analisando o comportamento expresso na Figura 6.6, observa-se que,

para σ’c = 25 kPa (ensaio CID), o solo natural suporta uma tensão desviadora

máxima bem superior ao solo contaminado (cerca de 166 %). No entanto, para

uma deformação axial de 10 %, esta diferença cai para apenas 11 %. Assim

como nos ensaios não drenados, o ensaio realizado com água apresentou maior

DBD



134

rigidez que o realizado com licor. O comportamento tensão-deformação do solo

natural tem um pico de resistência que se deve, provavelmente, ao

intertravamento das partículas constituintes do solo e das cimentações

presentes. O solo contaminado tem um pico suave e contrai durante o

cisalhamento. As diferenças entre o comportamento do solo natural e o do solo

contaminado são devido às interações físico-químicas, que resultam na quebra

e/ou enfraquecimento de ligações por dispersão, e da diferença do índice de

vazios.

Como esperado, observa-se também, nos ensaios CID, a diminuição da

rigidez do solo quando contaminado.

Envoltórias de resistência

As interações do solo com o licor resultam em quebra das ligações

interpartículas. Este efeito é observado quando, ao passar da condição de solo

natural para contaminado, ocorre a redução do ângulo de atrito efetivo de cerca

de 10,49 % e do intercepto de coesão efetiva em 23,91 % (ver Figura 6.27).

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 40

0

25

50

75

0

100

125

150

175

200

água

licor

Licor: c’ = 7,0 kPa φ' = 31,67o

Água c’ = 9,2 (kPa) φ' = 35,38o

q (k

Pa)

p’ (kPa)

Figura 6.27 – Comparação das envoltórias de resistência do solo natural com o solo

contaminado (estado crítico)

Se as envoltórias fossem traçadas curvas até a tensão de escoamento,

ainda assim a envoltória correspondente aos ensaios efetuados com licor ficaria

abaixo da envoltória dos ensaios com água, para níveis de tensão inferiores a de

escoamento. Para valores de tensão efetiva de adensamento acima da tensão

de escoamento, espera-se que a envoltória correspondente a resistência de pico

DBD



135

dos ensaios realizados com água tenda a envoltória dos ensaios realizados com

licor, pois para estes valores a estrutura do solo já não influencia mais no seu

comportamento (ver envoltórias sugeridas – Figura 6.28).

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 6500

50

100

150

200

250

300

350

Licor

Água

q (k

Pa)

p’ (kPa)

Figura 6.28 – Envoltórias sugeridas (resistência de pico)

6.3. Ensaios de cisalhamento direto – solo coluvionar

6.3.1. Introdução

O solo coluvionar estudado é extremamente heterogêneo. Apresenta

concreções que impossibilitam a moldagem de corpos de prova cilíndricos

utilizados nos ensaios triaxiais. Por isso, optou-se por realizar ensaios de

cisalhamento direto para avaliar a resistência do solo coluvionar nos estados

natural e contaminado.

A metodologia utilizada nos ensaios e a caracterização do solo são

apresentadas nos Capítulos 3 e 4, respectivamente. Os coeficientes de

adensamento são listados no Apêndice II

Neste item, serão apresentados e analisados os resultados dos ensaios de

cisalhamento direto realizados com o solo coluvionar natural e contaminado. A

influência do licor no comportamento do solo será estudada mediante

comparação destes resultados. Na Tabela 6.4 são listados os ensaios de

resistência executados.

DBD



136

Tabela 6.10 – Campanha de ensaios de cisalhamento direto com os corpos de prova no estado natural e contaminado

Fluido intersticial dos corpos de prova σn (kPa) Água Licor cáustico

25 X X 50 X X 100 X X

6.3.2. Apresentação dos resultados

6.3.2.1. Índices físicos dos corpos de prova

Na Tabela 6.5 são apresentados os índices físicos dos corpos de prova

utilizados nos ensaios de cisalhamento direto. A densidade relativa dos grãos

deste material é de 2,698, como mostrado no Capítulo 5.

Tabela 6.11 – Índices físicos dos corpos de prova utilizados nos ensaios de cisalhamento direto

Fluido σn(kPa) eo eadensto

wo(%)

wf(%)

So(%)

γt(kN/m³)

γd(kN/m³)

25 1,32 1,22 41,54 49,44 84,8 16,11 11,38 50 1,57 1,23 38,06 46,81 65,0 14,14 10,24 Água 100 1,28 0,99 42,45 43,76 89,1 16,46 11,56 25 1,49 1,10 39,63 43,58 71,5 14,78 10,59 50 1,50 1,00 43,83 42,41 78,,6 15,18 10,55 Licor 100 1,41 0,90 41,43 38,27 79,1 15,48 10,95

6.3.2.2. Fase de cisalhamento

Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal

As curvas tensão-deslocamento e deslocamento vertical-deslocamento

horizontal são apresentadas nas Figuras 6.29 e 6.30 para o solo natural e

contaminado com licor cáustico, respectivamente.

DBD



137

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100 kPa - água

50 kPa - água

25 kPa - água

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

a)

Tens

ão c

isal

hant

e - τ

(kPa

) D

eslo

cam

ento

ver

tical

- δ v

(mm

)

b)

Deslocamento horizontal - δh (mm) Figura 6.29 – Ensaios de cisalhamento direto realizados com água a) curvas tensão

cisalhante x deslocamento horizontal b) curvas deslocamento vertical x deslocamento

horizontal

DBD



138

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100 kPa - licor

50 kPa - licor

25 kPa - licor

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

a) Te

nsão

cis

alha

nte

- τ (k

Pa)

b)

Des

loca

men

to v

ertic

al -

δ v (m

m)

Deslocamento horizontal - δh (mm)

Figura 6.30 - Ensaios de cisalhamento direto realizados com licor a) curvas tensão

cisalhante x deslocamento horizontal b) curvas deslocamento vertical x deslocamento

horizontal

Parâmetros na ruptura e envoltórias de resistência

A resistência do solo aumenta com o deslocamento horizontal

(comportamento de enrijecimento do material), logo, este não apresenta um pico

definido na curva tensão cisalhante x deslocamento, tanto no estado natural

quanto no contaminado (ver Figuras 6.29 e 6.30). Para definir a tensão

DBD



139

cisalhante na ruptura, utilizou-se o critério proposto por de Campos e Delgado

(1995), onde os autores assumem que o solo, com comportamento semelhante a

este, rompe quando a curva tensão cisalhante x deslocamento horizontal atinge

pela primeira vez uma inclinação (α) aproximadamente constante. A Figura 6.31

ilustra como se determina a tensão cisalhante na ruptura.

Figura 6.31 – Definição da tensão cisalhante na ruptura (de Campos e Delgado, 1995)

Baseado no critério de ruptura descrito acima, são apresentados na Tabela

6.12, os valores do deslocamento horizontal (δhr), tensão cisalhante (τr) e tensão

normal (σnr), obtidos na ruptura.

Tabela 6.12 – Deslocamento horizontal, tensão cisalhante e tensão normal na ruptura

Fluido σn (kPa)

δhr (mm)

τr (kPa)

σnr (kPa) τr/ σnr

25 3,3 11,80 26,20 0,45 50 3,2 21,80 52,80 0,41 Água 100 2,4 48,00 102,50 0,47 25 1,0 9,00 25,30 0,35 50 3,4 19,10 52,80 0,36 Licor 100 3,1 41,80 103,20 0,41

As envoltórias de resistência, definidas através do ajuste linear dos dados

apresentados na tabela acima, são apresentadas na Figura 6.32.

DBD



140

c' = 0 φ' = 24,53o

R2 = 0,99

c' = 0 φ' = 21,51o

R2 = 0,99

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11

σn (kPa)

água licor

0

(kP

a)

τ

σ Figura 6.32 - Envoltórias de resistência do solo coluvionar natural e do contaminado

6.3.3. Análise e discussão dos resultados

6.3.3.1. Compressibilidade

A Figura 6.33 mostra a relação entre a variação do índice de vazios e a

tensão normal de adensamento. Nota-se, nesta figura, que a variação do índice

de vazios, para uma mesma tensão normal de adensamento, é maior no solo

contaminado, ou seja, caso fossem realizados dois ensaios (solo natural e

contaminado) com os corpos de prova com o mesmo índice de vazios inicial,

provavelmente o solo contaminado apresentaria um menor índice de vazios após

o adensamento. Isto indica que o licor torna o solo coluvionar mais compressível.

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

10 100 1000

σ n (kPa)

e ad

enst

o /

eo

água licor

Figura 6.33 – Relação entre a variação do índice de vazios e a tensão normal de

adensamento

DBD



141

Os valores dos coeficientes de adensamento são apresentados no

Apêndice II.

6.3.3.2. Comparação dos resultados dos ensaios realizados com solo no estado natural e contaminado

Observa-se nos gráficos das Figuras 6.29 e 6.30 que a resistência ao

cisalhamento cresce de acordo com o aumento da tensão normal de

adensamento, tanto no solo natural quanto no contaminado, comportamento

típico de solos sedimentares. As curvas de deslocamento vertical x

deslocamento horizontal mostram que o material, em ambos os estados,

apresenta contração.

Nos ensaios realizados com tensão normal de adensamento igual a

25 kPa, a resistência alcançada pelo solo natural é maior que a do solo

contaminado. No entanto, após a ruptura, o solo contaminado apresenta um

comportamento rígido com α ≠ 0 e o solo natural tem um valor de α = 0. Já para

as demais tensões normais de adensamento, os solos apresentam

comportamento mais próximo.

A resistência obtida nos ensaios com água é superior à encontrada no solo

contaminado, para uma mesma tensão normal de adensamento, como pode ser

observado na Tabela 6.12 e na Figura 6.34.

DBD



142

a)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100 kPa - água 100 kPa - licor



0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tens

ão c

isal

hant

e - τ

(kPa

)

b)

Des

loca

men

to v

ertic

al -

δ v (m

m)

Deslocamento horizontal - δh (mm)

Figura 6.34 Comparação entre as curvas a) tensão cisalhante x deslocamento horizontal;

b) deslocamento vertical x deslocamento horizontal. Ensaios de cisalhamento direto

realizados com água e licor, solo coluvionar

Apesar dos poucos ensaios realizados, percebe-se que a resistência ao

cisalhamento tende a aumentar com a diminuição da umidade final, tanto para o

solo natural como para o contaminado (Figura 6.35). Observa-se ainda, que para

a mesma umidade final, o solo natural apresenta maior resistência que o

contaminado.

DBD



143

R2 = 0,956 R2 = 0,991

30

35

40

45

50

55

60

0 10 20 30 40

τ r (kPa)

w f

(%)

50

água licor

Figura 6.35 – Relação entre a umidade final e a tensão cisalhante na ruptura

O licor provoca a dispersão do solo coluvionar, como constatado nos

ensaios de caracterização. No entanto, por ser um solo transportado, a estrutura

que este solo possui, e que é afetada pelo licor, não influencia de maneira

significativa em sua resistência. Independente do solo estar contaminado ou não,

a tensão normal de adensamento é quem dita o comportamento deste. Observa-

se na Figura 6.32, que o licor causa uma redução de φ’ de cerca de 12,31 %.

Apesar de tal redução ser da mesma ordem de grandeza da observada no solo

residual, os efeitos do licor no colúvio são menos importantes que no solo

residual.

6.4. Comentários finais

O solo residual apresenta uma estrutura que influencia de maneira

significativa o seu comportamento no estado natural. O índice de vazios e as

ligações entre as partículas regem o comportamento deste solo até tensões

próximas a de escoamento (600 kPa). A partir desta tensão, espera-se que o

solo comporte-se de maneira semelhante a solos sedimentares normalmente

adensados, e que a tensão efetiva de adensamento passe a comandar o

comportamento do solo.

Nos ensaios de caracterização física, química e mineralógica, concluiu-se

que o licor age como defloculante, não causando amorfização dos minerais

presentes, ao menos durante o tempo de exposição e temperatura a que o solo

DBD



144

foi exposto ao contaminante. Nos ensaios com licor, percebe-se que o solo

torna-se mais compressível e menos rígido, com a tensão efetiva de

adensamento comandando o comportamento do solo na maioria dos ensaios

executados.

Observa-se uma diminuição dos parâmetros de resistência. O intercepto

de coesão efetiva cai cerca de 23,91 % e o ângulo de atrito interno efetivo 10,49

%.

Já no caso do solo coluvionar, o que se nota é que o licor causa dispersão,

porém, por ser um solo transportado, a estrutura que este possui pouco

influencia em sua resistência.

Dois fatores diferenciam o comportamento dos solos residual e coluvionar:

influência da estrutura e composição mineralógica.

O solo residual apresenta uma composição mineralógica que o torna mais

propenso a reagir com o licor que o solo coluvionar (formado basicamente por

gibbsita). A composição dos solos é refletida nos valores dos índices de

intemperismo Ki e Kr e nos valores de CTC, que são maiores no solo residual.

Ambos são lateríticos, um dos indicativos é que eles possuem Ki menor que 2.

Tanto o solo residual quanto o coluvionar possuem uma estrutura, no

entanto, o arranjo dos grãos e as ligações entre estes são mais importantes nos

solos residuais. Enquanto que nos solos residuais a estrutura que estes

possuem é herdada da rocha mãe e modificada ao longo do tempo por

processos intempéricos (principalmente lixiviação), nos solos transportados

estas características são adquiridas após o transporte dos materiais que os

compõem. Por isso, a estrutura de solos transportados é mais frágil, se

comparada a de solos residuais, e seu comportamento é regido pela história de

tensões a que estes já foram submetidos.

Devido a isto, o licor afeta de maneira mais pronunciável a resistência do

solo residual, principalmente para tensões mais baixas, onde a tensão efetiva de

adensamento não altera, ou pouco altera, a estrutura que este possui. Para

níveis de tensões superiores ao da tensão efetiva de adensamento do solo

residual, espera-se que este passe a responder de maneira semelhante ao solo

coluvionar, à adição do licor.

DBD


Conclusões e sugestões

7 Conclusões e sugestões 7 Conclusões e sugestões

145145

7.1. Conclusões 7.1. Conclusões

7.1.1. Caracterização física, química e mineralógica 7.1.1. Caracterização física, química e mineralógica

Tanto para o solo natural como para o coluvionar, os ensaios de difração

por raios-X, análise termodiferencial, ataque sulfúrico e amorfos indicaram que

não houve amorfização dos minerais, ao menos de maneira significativa, quando

os solos são contaminados com licor. O efeito causado pelo licor foi apenas o de

provocar dispersão de finos, como observado nas análises granulométricas.

Tanto para o solo natural como para o coluvionar, os ensaios de difração

por raios-X, análise termodiferencial, ataque sulfúrico e amorfos indicaram que

não houve amorfização dos minerais, ao menos de maneira significativa, quando

os solos são contaminados com licor. O efeito causado pelo licor foi apenas o de

provocar dispersão de finos, como observado nas análises granulométricas.

Os solos em seus estados naturais apresentaram vários cátions trocáveis

tais como Mg2+, Na+ e H+ (ensaios de complexo sortivo). Já nos solos

contaminados, obteve-se um grande aumento do cátion Na+ e o


substituição destes constituintes por Na+.

Os solos em seus estados naturais apresentaram vários cátions trocáveis

tais como Mg

O sódio, adsorvido pelos argilominerais dos solos contaminados com licor,

reduziu a rigidez da camada dupla, diminuindo a força de ligação exercida por

esta camada e facilitando o deslizamento das partículas entre si.

Conseqüentemente, diminuiu o teor de umidade necessário para alcançar os

limites de consistência.

O sódio, adsorvido pelos argilominerais dos solos contaminados com licor,

reduziu a rigidez da camada dupla, diminuindo a força de ligação exercida por

esta camada e facilitando o deslizamento das partículas entre si.

Conseqüentemente, diminuiu o teor de umidade necessário para alcançar os

limites de consistência.

As conclusões chegadas são restritas às reações que ocorreram durante o

tempo de execução dos ensaios e a temperatura do ambiente em que estes

foram realizados. Não se pode afirmar que os solos se comportarão da mesma

maneira se submetidos a temperaturas mais elevadas ou se forem expostos ao

licor por um tempo maior.

As conclusões chegadas são restritas às reações que ocorreram durante o

tempo de execução dos ensaios e a temperatura do ambiente em que estes

foram realizados. Não se pode afirmar que os solos se comportarão da mesma

maneira se submetidos a temperaturas mais elevadas ou se forem expostos ao

licor por um tempo maior.

2+, Na+ e H+ (ensaios de complexo sortivo). Já nos solos

contaminados, obteve-se um grande aumento do cátion Na+ e o


substituição destes constituintes por Na+.

7.1.2. Compressibilidade 7.1.2. Compressibilidade

De acordo com os resultados do ensaio de adensamento edométrico

realizado com o solo residual, este apresenta uma tensão de escoamento de

De acordo com os resultados do ensaio de adensamento edométrico

realizado com o solo residual, este apresenta uma tensão de escoamento de

DBD



146

600 kPa. Esta tensão não está ligada à história de tensões, como ocorre nos

solos sedimentares, mas sim à estrutura que o solo residual possui e que é

modificada com o aumento das tensões efetivas de adensamento. Para tensões

efetivas inferiores a de escoamento, observou-se um comportamento rígido do

solo, com pequenas variações do índice de vazios. Após a tensão de

escoamento, o solo passou a exibir grandes deformações plásticas.

Na fase de adensamento nos ensaios de resistência, notou-se que o licor

tornou os solos mais compressíveis. Isto ocorre, pois, além de atuar como

defloculante, o licor quebra e/ou enfraquece as ligações entre as partículas dos

solos, tornando-os mais suscetíveis à ação das tensões efetivas de

adensamento.

7.1.3. Resistência

Solo residual jovem

Os efeitos das interações solo-licor, mencionados no parágrafo anterior,

associados ao estado de tensões e ao índice de vazios dos corpos de prova,

resultou em mudanças nas curvas tensão-deformação, na rigidez do solo, na

magnitude das deformações volumétricas (CID) ou excessos de poropressão

(CIU), nos parâmetros de resistência ao cisalhamento e nas envoltórias de

resistência.

Para tensões efetivas de adensamento abaixo da de escoamento, espera-

se que as ligações e o índice de vazios inicial comandem o comportamento dos

solos residuais. As tensões efetivas de adensamento, utilizadas nos ensaios com

água, foram todas abaixo da de escoamento, por isso, a resistência do solo no

estado natural mostrou ser pouco influenciada por esta tensão, tendo seu

comportamento sido comandado, principalmente, pelo índice de vazios.

No caso do solo contaminado com licor, obteve-se boas correlações entre

as resistências e as tensões efetivas de adensamento, com as resistências

aumentando de acordo com o crescimento desta tensão, ao contrário do solo

natural. Por este mesmo motivo, as correlações estabelecidas entre o índice de

vazios inicial e as resistências obtidas pelo solo contaminado, não foram

satisfatórias.

Solo coluvionar

DBD



147

O licor provoca a dispersão do solo coluvionar, como constatado nos

ensaios de caracterização. No entanto, por ser um solo transportado, a estrutura

que este solo possui, e que é afetada pelo licor, não influencia de maneira

significativa em sua resistência. Independente do solo estar contaminado ou não,

a tensão normal de adensamento é quem dita o seu comportamento. Observa-se

que o licor causa uma redução nos parâmetros de resistência deste. Apesar de

tal redução ser da mesma ordem de grandeza da observada no solo residual, os

efeitos do licor no colúvio são menos importantes.

7.2. Sugestões para trabalhos futuros

• Efetuar a caracterização física, química e mineralógica completa do licor

cáustico para melhor interpretar os resultados dos ensaios de complexo

sortivo e amorfos;

• Confeccionar lâminas delgadas a partir de amostras indeformadas do

solo residual contaminado, bem como do solo coluvionar natural e

contaminado. Isto permitiria observar, de maneira mais clara, as

alterações estruturais que o licor causa em ambos os solos;

• Executar ensaios de adensamento edométrico com o solo residual

contaminado e assim quantificar a tensão de escoamento do solo neste

estado. Realizar, também, ensaios de adensamento edométrico com

corpos de prova com índice de vazios diferentes para avaliar a influência

deste parâmetro no valor da tensão de escoamento encontrada. Seria

interessante também efetuar este ensaio com o solo remoldado;

• Realizar ensaios triaxiais CIU com o solo residual no estado natural para

tensões efetivas de adensamento próximas e maiores que a de

escoamento, o que permitiria traçar de maneira mais precisa a envoltória

de resistência. Executar este ensaio com solo residual remoldado para

avaliar melhor a influência da estrutura na resistência;

• Efetuar ensaios triaxiais com corpos de prova com maiores dimensões,

visto a grande influência do índice de vazios na resistência observada no

presente trabalho;;

• Verificar o grau aproximado de saturação dos corpos de prova dos

ensaios de cisalhamento direto visando avaliar os efeitos da sucção nos

resultados obtidos.

DBD



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Apêndice I Características do licor cáustico

Na Tabela AI.1 são apresentadas as características químicas do licor.

Tabela AI.1 – Características químicas do licor cáustico

Propriedades químicas do licor pH 13,50 Alcalinidade (mg/l) 28958,20 Condutividade elétrica (ms/cm) 22,89

Villar (2002) fez análise química da lama (resíduo de mineração da

bauxita) de Poços de Caldas (ver Tabela AI.2) . No presente trabalho, utilizou-se

o fluido que fica na superfície dos lagos de disposição após a decantação de boa

parte dos sólidos que compõem a lama. Por isso, as porcentagens encontradas

pelo autor não refletem as do licor aqui empregado, mas espera-se que este

contenha os mesmo componentes que a lama.

Tabela AI.2 – Análise químico-mineralógica do resíduo de mineração da bauxita de Poços de Caldas ( Villar, 2002)

Elemento Concentração (%) SiO2 18,50 Al2O3 25,70 Fe2O3 20,60 FeO 0,28 CaO 0,45 MgO 0,13 TiO2 2,80 P2O5 0,26 Na2O 9,40 K2O 2,40 MnO 0,32

F 0,20 Cl 0,68

Perda ao fogo 13,20 Soma total 98,98

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Apêndice II Coeficientes de adensamento e permeabilidade do solo residual 159

Apêndice II Coeficientes de adensamento e permeabilidade do solo residual

Neste apêndice, são apresentados os valores dos coeficientes de

adensamento (Cv) obtidos nos ensaios triaxiais (solo residual) e nos ensaios de

cisalhamento direto (solo coluvionar). No último item, é mostrada a

permeabilidade do solo residual jovem obtida no ensaio triaxial.

AII.1. Coeficiente de adensamento – Solo residual

Os valores de Cv foram calculados com base na formulação proposta por

Head (1986) para ensaios triaxiais:

Cv = (πD²) / (λt100)

Onde:

D = diâmetro do corpo de prova;

λ = fator que indica as condições de drenagem;

t100 = tempo correspondente a 100 % do recalque, calculado conforme

mostrado no capítulo 4, item 4.4.2.7.

Como todos os corpos de prova tinham a relação altura/diâmetro igual a 2

e a drenagem durante a fase de adensamento era realizada no topo e na base, o

valor de λ é igual a 4 em todos os ensaios.

Os valores de t100 e Cv são apresentados na Tabela A.1.

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Tabela AII. 01. Valores de Cv calculados nos ensaios triaxiais (solo residual) Fluido de saturação σ’c (kPa) t100 (minutos) Cv (cm²/s)

25 (a) - - 25 (b) - - 50 0,31 0,61 77 0,27 0,70 100 0,30 0,63 200 (a) 0,45 0,42

Água

200 (b) 0,12 1,55 25 0,64 0,30 50 (a) 1,21 0,16 50 (b) 1,21 0,16 100 1,21 0,16 200 2,89 0,07

Licor

400 5,29 0,04 AII.2. Coeficiente de adensamento – Solo coluvionar

Os coeficientes de adensamento calculados a partir dos ensaios de

cisalhamento direto, realizados com solo coluvionar, foram estimados a partir da

formulação proposta por Head (1986):

Cv = (0,103H²) / (t100) m²/ano

Onde:

H = altura do corpo de prova (mm);

t100 = tempo correspondente a 100 % do recalque (em minutos), calculado

conforme mostrado no capítulo 4, item 4.4.2.7.

Tabela AII. 02. – Valores de Cv calculados nos ensaios de cisalhamento direto (solo coluvionar)

Fluido σ’c (kPa) t100 (minutos) Cv (10-2 cm²/s) 25 0,30 4,35 50 0,16 8,17 Água

100 0,09 14,52 25 16,00 0,08 50 0,13 10,05 Licor

100 0,25 5,23

DBD



AII.3. Permeabilidade do solo residual

A permeabilidade do solo residual foi obtida durante o ensaio triaxial

realizado com uma tensão confinante igual a 50 kPa. Após a fase de saturação,

foi imposto um gradiente hidráulico (i) igual a 10. Em seguida, foi medido o

volume de água que percolava a amostra ao longo do tempo (Figura A.1). Com o

auxílio deste gráfico obteve-se o valor da vazão (Q). A permeabilidade foi obtida

através da fórmula:

Q = k . i . A

Onde:

Q = vazão em cm³/s;

i = gradiente hidráulico;

A = área do corpo de prova (cm²).

k = permeabilidade do solo (cm/s).

0

1

2

3

4

5

6

0 20 40 60 80 100 120 1

Tempo (min)

Vol

ume(

cm³)

40

Figura 0A.1 – Gráfico volume x tempo utilizado para o cálculo da permeabilidade do solo

residual

A permeabilidade obtida foi de 6,2 x 10-6 cm/s, valor bastante próximo do

encontrado no ensaio edométrico por correlação.

DBD


Anexo I Cálculo do teor dos minerais: ilita, caulinita e gibbsita 162

Anexo I Cálculo do teor dos minerais: ilita, caulinita e gibbsita

Os teores dos minerais ilita, caulinita e gibbsita foram calculados com base

na metodologia proposta por Santos (1998). Ele sugere que a porcentagem de

ilita seja determinada com base na concentração de K2O, no entanto, o solo não

pode conter feldspatos potássicos. São utilizados os teores de SiO2, Al2O3 e K2O

obtidos no ensaio de análise química total.

Nesta dissertação, não foram utilizados os dados de análise química total

devido à presença de serecita, mineral com estrutura semelhante a da ilita.

Optou-se por trabalhar com os dados da análise química seletiva por ataque

sulfúrico, pois neste ensaio o teor de potássio encontrado corresponde ao

presente na ilita.

A fórmula estrutural padrão da ilita utilizada foi:

• (K2O)p = 8 %;

• (SiO2)p = 56 %;

• (Al2O3)p = 18,50 %;

• (H2O)p = 5,98 %.

O procedimento é o seguinte: Todo K2O da amostra é atribuído à ilita.

Determina-se a porcentagem de ilita da amostra pela relação (K2O)x/(K2O)p. Ao

invés de trabalhar com o teor de alumina, como sugerido pelo autor, utilizou-se o

teor de sílica, pois esta não se encontra na gibbsita. O SiO2 da ilita da amostra é

determinado multiplicando o teor de ilita pelo teor (SiO2)p. Estima-se o teor de

SiO2 da caulinita pela diferença entre o SiO2 total e o SiO2 da ilita. A caulinita da

amostra é obtida dividindo o seu teor de (SiO2) pelo teor deste componente na

caulinita pura (46,5 %). Estima-se o teor de gibbsita subtraindo as porcentagens

de ilita e caulinita de 100 %. Tem-se então:

(K2O)x – potássio da ilita;

(SiO2)i – sílica da ilita;

(SiO2)c – sílica da caulinita;

(SiO2)t – sílica total.

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Anexo I Cálculo do teor dos minerais: ilita, caulinita e gibbsita 163

Logo:

Teor de ilita = [(K2O)x/(K2O)p] . 100;

SiO2 da ilita = [(K2O)x/(K2O)p] . (SiO2)p;

SiO2 da caulinita = (SiO2)t - (SiO2)i (já que a gibbsita não possui sílica em

sua composição);

Teor de caulinita = {[(SiO2)t - (SiO2)i]/ 46,5} . 100;

Teor de gibbsita = 100 – teor de caulinita – teor de gibbsita.

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Anexo II Correção da tensão desviadora após a ruptura (ensaios triaxiais) 164

Anexo II Correção da tensão desviadora após a ruptura (ensaios triaxiais)

Os corpos de provas, nos ensaios triaxiais CIU e CID, romperam formando

plano, tanto nos ensaios realizados com solo natural como nos executados com

solo contaminado. Por isso, foi necessário corrigir os valores da tensão

desviadora após a ruptura. As correções foram feitas tanto para a mudança de

área, que diminui ao longo do tempo após a ruptura, como para a membrana,

que passa a colaborar de maneira significativa na resistência. A metodologia

utilizada foi a sugerida por Head (1986).

Quando ocorre ruptura com formação de plano, a área do plano de

cisalhamento, usada para calcular a tensão desviadora, diminui com o

movimento entre os planos. O mecanismo é ilustrado na Figura ANII.1. A

sobreposição da superfície elíptica de deslizamento (Figura ANII.1 (b)) pode ser

projetada verticalmente o que dá o segmento de área no plano, como mostrado

na Figura ANII.1 (c).

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Área de contato

Figura 0.1 – Correção da área devido à formação de plano na ruptura: a) mecanismo de

deslizamento, b) Área de contato entre as duas porções da amostra, c) projeção da área

de contato, d) deslocamento ao longo da superfície de ruptura relacionado com a

deformação vertical

Através de relações trigonométricas obtém-se:

cos(β) = εs (L/D) tan(θ)

Onde:

εs = deformação axial medida a partir da formação do plano;

L = altura inicial do corpo de prova;

D = diâmetro do corpo de prova;

θ = ângulo formado entre o plano e a direção vertical.

Para obter as tensões desviadoras corrigidas devido à variação de área,

multiplica-se os valores destas pelo fator de correção que é dado por:

fs = π/2(β - sinβ . cosβ), sendo β em radianos.

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Como já mencionado, os valores das tensões desviadoras também foram

corrigidos devido à ação da membrana. Head (1986) sugere o uso de curvas

obtidas através das equações de La Rochelle (1967), mostradas na Figura

ANII.2 (a). A relação mostrada nestas curvas é baseada na formação de um

plano de ruptura com θ igual a 35o, corpo de prova com diâmetro de 38 mm e

altura de 76 mm e membrana de borracha com espessura de 0,2 mm (valores

estes similares aos deste trabalho).

Cor

reçã

o da

tens

ão a

pós

a ru

ptur

a (k

Pa)

Ape

nas

mem

bran

a A

pena

s dr

enag

em

“Deformação” após a formação do plano – εs (%)

Valores de fθ

Plano de cisalhamento

Figura 0.2 - Correções devido à membrana e drenagem (ensaios triaxiais com ruptura

formando plano): a) Curvas de correção e equação geral, b) valores do fator fθ para

várias inclinações do plano de ruptura

As pressões indicadas nas curvas são as tensões efetivas de

confinamento utilizadas nos ensaios. As “deformações” se referem ao

deslocamento vertical que ocorre quando as duas partes deslizam entre si. Já

que os corpos de prova romperam formando ângulos variados com a vertical, os

valores obtidos por meio da Figura ANII.2 (a) foram corrigidos de acordo com o

valor de θ de cada ensaio, com auxílio da Figura ANII.2 (b).

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Em alguns ensaios não foi medido o ângulo θ, nestes casos adotou-se um

valor de θ médio, obtido pela média de todos os ensaios onde este foi

mensurado. Os valores de θ encontrados giraram em torno de 30o.

DBD


Documents

Taíse Monique de Oliveira Carvalho Efeitos de um licor ... ou parcial do trabalho sem ... II . Antunes, Franklin ... Neste trabalho se estuda a influência de um fluido alcalino na