Revisão Sistemática: Solos Colápsíveis e Expansiveis

Introdução

A necessidade por estabilidade, de modo geral em aterros, tanto nas fases de projeto, construção e operação a longo prazo exigem conhecimento da resposta do solo a cargas e gradientes hidráulicos atuantes. Em adição, precisa-se considerar a interação entre as camadas de solos presentes, sob ação de agentes internos e externos e, das suas propriedades mecânicas e hidráulicas bem como seus índices de vazios e teor de umidade.

Na condição saturada, profissionais da área de geotécnica aceitam o uso do “Princípio das Tensões Efetivas” proposto por Terzaghi em 1936, fornecendo uma previsão do comportamento de tensão-deformação e variações do solo.

A teoria proposta por Fredlund (1976) supõe que um solo seja um material com quatro fases, onde apresentam fluxo, ar, e a água e relacionam-se com o equilíbrio das cargas atuantes no solo, e a resposta da estrutura do solo e seu "esqueleto" deformável.

Assim, por conta de alterações repentinas seja por suas propriedades hidráulicas ou seu comportamento mecânico devido à mudança no teor de umidade e, que a bibliográfica indica como característica de colapsividade por apresentar este comportamento sob certas condições de tensões atuantes da estrutura e o teor de umidade que, por outro lado, a expansibilidade é vista como um comportamento associado à composição mineralógica e química, ambas condições podem ser presenciadas por qualquer solo quando não saturado, entretanto neste presente trabalho abordaremos somente na condição acima citada.

Uma característica típica de alguns solos não saturados é a tendência de sofrerem variações de volume quando são submetidos a alteração de umidade, com ou sem sobrecargas. Nos solos colapsáveis, o aumento da umidade causa redução da resistência interpartículas e rearranjo estrutural provocando uma brusca redução de volume. Nos solos expansivos, pode ocorrer aumento de volume devido umedecimento ou redução por secagem, esses problemas são típicos em regiões com variações sazonais de umidade e sucção do solo (FERREIRA, VILAR, 2015).

Ainda de acordo com (Ferreira, Vilar, 2015) o início dos estudos no Brasil abordando solos colapsáveis foi datado na década 70, o qual foi motivado pela construção de barragens no Centro-Sul e movido pelos problemas associados a fundações destas obras e de edifícios no Sudeste em municípios no semiárido. Já o expansivo, mais precisamente do Massapê do Recôncavo Baiano foi o início do norteamento de estudos. Este último material é acompanhado por um fenômeno mais complexo de causas físico-químicas e, a tensão de expansão que, pode haver alteração tanto por umedecimento quanto por redução por secagem desta ação.

Cabe destacar que neste caso, destes dois solos, dependerão do nível da carga atuante e de sua composição mineralógica. O texto abordará com clareza os aspectos gerais de ambos, expansivos e colapsivos, suas características, dados de solos brasileiros, ensaios que os envolvem e, aplicabilidade, por meio da literatura disponível.

2 Solos Colapsíveis

2.1 Origem e Características

De acordo com o trabalho de PEDROSO (2017), os solos colapsíveis são mais comuns em locais com clima quente. No Brasil, estes solos fazem parte das áreas extensas das Regiões Centro-Sul e Nordeste do país, sendo representados por aterros mal compactados e por depósitos aluviais, coluviais e residuais. Os solos da região Centro-Sul (interior de São Paulo e Paraná) são solos porosos que englobam solos residuais típicos, solos sedimentares ou colúvios. A formação de solos colapsáveis depende dos fatores climáticos regionais e do ambiente geológico, assim a forma de ocorrência dos mesmos no momento atual pode ser bastante variada.

Esse fenômeno corresponde a caracterização pela súbita redução do volume do solo, devido ao ganho de umidade com presença ou não de sobrecarga.

Solos colapsáveis ou porosos se caracterizam por apresentarem altos índices de vazios, estrutura macroposa e baixo grau de saturação. São solos compostos basicamente por grãos de areia e silte, quando submetidos ao acréscimo de umidade, sofrem um arranjo brusco na estrutura, com consequente redução de seu volume.

Essa redução pode ser rápida ou gradual e está associada a perda estrutural dos vínculos de cimentação entre partículas, devido à saturação, que permite as partículas deslizarem umas sobre outras, deslocando-se para os espaços vazios.

A origem dos solos colapsíveis está intimamente relacionada com sua formação geológica, com os condicionantes climáticos e o relevo. São identificados vários processos de formação: ação do vento, da água, lixiviação dos sais solúveis, etc (SILVA, 2003).

2.1.1    Solos Colapsíveis Eólicos

HOUSTON et al (1988) a partir de estudos realizados com solos depositados pelos ventos em áreas áridas do sudoeste dos Estados Unidos dizem que esses solos quando depositados tem altos índices de vazios, baixas densidades e são não coesivos ou levemente coesivos. Uma vez que o solo foi depositado, mudanças “in situ” resultam do intemperismo local e pode ocorrer deposição das partículas mais finas.

2.1.2    Solos Colapsíveis Aluvionares

SILVA (2003) diz que os depósitos aluviais e aqueles formados por corrida de lama, provocados por uma enxurrada, características de regiões que apresentam curtos períodos de precipitação intensa e alternada por longos períodos de estiagem. Estes depósitos sofrem evaporação antes de uma nova deposição e nunca se tornam saturados, constituindo-se num material mal consolidado, com alto índice de vazios e baixa massa específica, com considerável teor de argila.

CLEMENCE E FINBARR (1981) disseram que a quantidade de argila tem forte relação com o comportamento desses solos. Em Pesquisas realizadas por BULL (1964) citados por CLEMENCE e FINBARR (1981), mostram que a subsidência máxima devido ao colapso ocorre quando o teor de argila é da ordem de 12%, que abaixo de 5% ocorre uma baixa subsidência e que acima de 30% a argila expande.

2.1.2    Solos Colapsíveis de Formação Residual

DUDLEY (1970), a partir de estudos de um solo de formação residual na África do Sul e Rodésia, chegou a conclusão que em solos residuais de granito decomposto, a estrutura é desenvolvida pelo processo de lixiviação dos sais solúveis e matéria coloidal. Segundo ele, nos tipos de solos estudados a rocha mãe é geralmente composta de quartzo, feldspato e mica. Os pré-requisitos para esse tipo de solo colapsível é que tenha decomposição bem evoluída, altas precipitações anuais e boa drenagem interna. Afirma ainda que a lixiviação dos solúveis e do material fino resulta em um alto índice de vazios e uma estrutura instável de quartzo, feldspato e mica.

2.2 Ocorrências

No Brasil foram encontrados e investigados materiais naturais colapsíveis em vários estados: Amazonas, Bahia, Ceará, Goiás, Minas Gerais, Paraná, Pernambuco, Piauí, Rio Grande do Sul, São Paulo e no Distrito Federal. 

Local de Ocorrência                                       Tipo de Solo                                                            Referência 

Manaus                              Sedimentos terciários do grupo Barreira/Latossolo                           Dias & Gonzalez (1985)

Paraíba, PI                                                     Eólico                                                                     Riani & Barbosa (1989)

Gravatá, PE                       Complexo Carnaíba Remobilizado/Podzólicos                                  Ferreira (1989)

Carnaíba, PE                         Complexo Monteiro / Brumo não Cálcico                                      Ferreira (1989)

Tabela 1 – Coletânia de dados sobre a ocorrência de solos colapsíveis no Brasil
O aspecto estrutural dos solos está associado com o fenômeno de colapsividade ou seja, solos colapsíveis ocorrem variando sua origem assim podendo ter variação de volume. Em sua maioria ocorre envolvimento da ação de partículas de argilas em vínculos entre os grãos de areia resultando em diversas possibilidades de arranjos estruturais que pode depender em como é a história de formação do solo, agentes cimentantes/ligação e condições climáticas e drenagem.2.3 Estrutura dos Solos Colapsíveis

2.4 Identificação de Solos Colapsíveis

Na identificação de solos colapsíveis é preciso saber que inúmeros critérios são usados. FERREIRA (1995), utiliza os critérios de SCHREINER (1987) na agrupação de métodos de identificação de solos expansivos, assim dividindo em dois grupos: métodos diretos e indiretos. Os métodos diretos fundamentam-se na medida do potencial de colapso do solo, assim é permitido que antecipam recalques através de ensaios edométricos, em laboratório e ensaios de campo.

Para os métodos indiretos são utilizados índices físicos e limites de consistência que obtêm parâmetros relacionados à textura dos solos, para os critérios desse grupo geralmente é dado as informações de caráter avaliativo, orientativos e qualitativo, facilitando em obter nos ensaios de laboratório e em campo.

2.5 Critérios de previsão de colapso

2.5.1 BASMA e TUNCER (1992)

Realizando investigações de: efeitos do tipo de solo, teor de umidade na compactação, massa unitária seca inicial e tensão de colapso, num total de 138 ensaios edométrico em oito tipos diferentes de solos, puderam concluir que solos que apresenta boa graduação têm por colapsar mais que solos de má graduação, além que o potencial de colapso tem por decrescer uma vez que apresenta um incremento por exemplo:

• Diferença de percentual entre areia e argila;

• Teor de umidade na compactação;

• Massa unitária seca inicial que quando acrescenta pressão de inundação ela tem por crescer;

2.5.2 GIBBS e BARA (1962, 1967)

Com a proposta do uso de massa específica seca e limite de liquidez como critério de previsão de colapso, GIBBS e BARA basearam-se na premissa de que um solo no qual apresenta suficientes espaços vazios para poder manter pelo menos a umidade do limite de liquidez na saturação resulta em ser apto ao colapso uma vez inundado. Usados para solos não cimentados e limite de liquidez superior a 20, os autores nos apresentam nesse método um ábaco em função do limite de liquidez e peso específico seco.

3  Solos Expansíveis

Chama-se solo expansíveis ou potencialmente expansivos solos nãos saturados que ao mudarem as condições de umidade o seu volume pode aumentar ou diminuir, sendo esse fenômeno associado a presença de argilominerais do grupo 2:1, sendo eles montmorilonita e ilitas (grupo das Esmectitas), apresenta expansividade maior do que os outros grupos, haja vista que devido a estas imperfeições, há um desbalanceamento das cargas.

3.1 Fatores que influencia na Expansão

O que deve ter bem claro é que o potencial de expansão do solo está atrelado principalmente ao arranjo estrutural de seus argilominerais, ao CTC (Capacidade de Troca Catiônica) e a sucção do solo.

Com relação aos fatores ambientais o que se pode comentar é que a expansão é função principalmente da variação positiva da umidade em campo, ou seja, ao aumento do grau de saturação do solo.

Logo as causas externas que podem levar a expansão de um solo são: variação da umidade devido a variações climáticas sazonais (chuvas), modificação do nível freático ou das condições hidrogeológicas e redução da tensão total do solo, proveniente de escavações ou corte de taludes, sendo que nesse caso as variações são mais lentas.

4 Influência do estado de tensões e sobre as deformações

Quando fizeram estudos experimentais de colapso em solos não saturados, basearam-se em ensaios edométricos sob situações de carregamento unidirecional, sem possibilidade de deformações laterais. Então, sob a perspectiva de VILAR, O.M. & RODRIGUES, R.A. (2007) pouco se pôde determinar sobre a resposta de solos colapsíveis quando umedecidos sob estados de compressão triaxial, condição está mais frequente do que em repouso, este tema foi abordado por Lawton et al. (1991), que realizaram ensaios triaxiais duplos, com dois corpos de prova carregados na umidade de interesse e outro saturado. Estes autores notaram que as deformações volumétricas, resultantes da mudança no estado de tensão ou devido ao umedecimento dependeram da média das tensões principais totais e foram independentes da razão entre as tensões principais, enquanto as deformações laterais e axiais dependeram significativamente da razão entre as tensões principais.

“Ensaios de compressão triaxial e edométricos com umedecimento do solo em determinados estágios de carregamento foram realizados sob distintas tensões confinantes utilizando-se uma areia argilosa indeformada que apresentava peso específico com de 15,50 kN/m3 , índice de vazios de 1,07 e umidade de 18,3%”  VILAR, O.M. & RODRIGUES, R.A. (2007), que pode ser visto na figura 02 que, representa as deformações axiais e laterais em função da relação de tensões observadas em ensaios realizados com tensão confinante de 50 kPa. Notaram que as deformações axiais provocadas por umedecimento, sob tensões constantes, tendem a atingir uma condição próxima a uma situação de ruptura, por conta do umedecimento, entretanto, deformações radiais, por sua vez, foram de compressão e, acima desse valor, de expansão, ou seja, de aumento de diâmetro de corpo de prova.

4.1   Coeficiente de empuxo em repouso – K0

A condição de repouso para tensões laterais, dependem da sucção e de sua variação conforme exemplificado por dados obtidos com uma areia fina na argilosa laterítico compactada com peso específico de 14 kN/m3 e umidade de 12% (grau de compactação da ordem de 80%, e desvio de umidade de cerca de 5,5% em relação aos parâmetros do Proctor Normal). A figura 4 mostra as tensões laterais medidas para o solo saturado e sob distintas sucções, notando-se, no primeiro carregamento uma relação constante entre as tensões verticais e laterais e são diretamente proporcionais e, coeficiente de empuxo em repouso tende a ser maior para o solo saturado (Machado e Vilar, 1997).

5 Metodologia para reconhecimento e distinção de ambos os solos

Primeiramente fazem um cronograma ou programa de investigação geotécnica divididos em campo e laboratório.

Campo:

• Sondagem de Simples Reconhecimento;

• Poços de Investigação – Coleta de amostras indeformadas,

Laboratório:

• Ensaio de Caracterização – Teor de umidade, Granulometria, Massa Específica dos Grãos e Limites de Liquidez e Plasticidade;

• Ensaio Edométrico Simples;

• Ensaio Edométrico Duplo;

• Microscopia Eletrônica de Varredura.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Catálogo Engegraut - CPR solos colapsíveis e expansivos: tratamento. Disponível em:

CLEMENCE, S. P. e FINBARR, A. O., (1981) “Design considerations for Collapsible Soils”. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 7, Nº GT3, March, pp 305-317.

DUDLEY (1970) (F.ASCE),Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 1970, Vol. 96, Edição 3, Pág. 925-947

HOUSTON, S. L., HOUSTON, W. N. e SPADOLA, D. J., (1988). “Prediction of Field Collapse of Soil Due to Wetting”. Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 114, Nº 1, pp. 40-58.

IBGE 2014, disponível em: . Acesso em 19 de Jul. de 2021.

MACHADO, S.L. & VILAR, O.M. (1997). The Influence of Suction on Lateral Stress and on Collapse of a Non-Saturated Soil. Symposium on Recent Developments. In Soil and Pavement Mechanics, Rio de Janeiro, v. I. pp. 309-314.

Marinho, Rafaella Pereira. Melhoramento de solo colapsível e expansivo de Santa Maria da Boa Vista-PE / 2018.

MARGOTO E JUNIOR (2016), Caracterização e Análise de Solos Colapsíveis na Área Urbana do Município de Campos Gerais-MG. Disponível em: . Acesso em 19 de Jul. de 2021.

PEDROSO (2017), Solos Colapsíveis. Disponível em: . Acesso em: 19 de Jul. de 2021.

SILVA (2003), Comportamento Geomecânico de Solos Colapsíveis e Expansivos em Petrolina-PE: Cartas de Suscetibilidade. Disponível em: . Acesso em 19 de Jul. de 2021.

VARGAS, M. Introdução à mecânica dos solos. 2a Edição, McGraw-Hill doBrasil, São Paulo, 509p., 1992.

Vilar, Orencio Monje; Ferreira, Silvio Romero de Melo. Solos Colapsíveis e Expansivos. Acesso em: 23 de junho de 2021. Disponível em: .

VILAR, O.M. & DAVIES, G.I. (2002). Collapse behavior analysis of a clayey sand using different testing procedures. In: Third International Conference on Unsaturated Soils, Recife. Third International Conference on Unsaturated Soils, Amsterdam, Balkema, v. II, pp. 571- 576.

VILAR, O.M. & RODRIGUES, R.A. (2007). Métodos expeditos para a previsão da resistência de solos não saturados e identificação de solos colapsíveis. VI Simpósio Brasileiro de Solos Não Saturados, Salvador, v. II, pp. 575-592.

Simões de Oliveira, A.G.; Jesus, A.C (2016). Miranda, S.B (2016), Estudo Geológico – Geotécnico dos Solos Expansivos da Região do Recôncavo Baiano. Acesso em: 23 de agosto de 2021. Disponível em: http://www.geotecnia.ufba.br/arquivos/EGGAGS.pdf

Por Ludimila dos Santos Almeida, Mario Benedito de Araujo Filho, Diandra Deyse Rodrigues e Manoel Jose Alves de Souza.