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Tese apresentada à Divisão de Pós- Graduação do Instituto Tecnológico de Aeronáutica como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciência no Curso de Engenharia de Infra-Estrutura Aeronáutica na Área de Infra Estrutura de Transportes.
Grácia Cristina Fonseca Santos
Determinação das Propriedades Mecânicas de Um Solo Argilo Arenoso da
Bacia do Taubaté
Tese aprovada em sua versão final pelos abaixo assinados:
Delma de Mattos Vidal Orientadora
Paulo Afonso de Oliveira Soviero Chefe da Divisão de Pós-Graduação
Campo Montenegro São José dos Campos, SP – Brasil 2000
Determinação das Propriedades Mecânicas de Um Solo Argilo Arenoso da
Bacia do Taubaté
Grácia Cristina Fonseca Santos
Composição da Banca Examinadora Prof. Dr. Eliseu Lucena Neto, PhD - Presidente - ITA Prof. Dr. Delma de Mattos Vidal, DSc - Orientadora - ITA Prof. Dr. Fernando A M. Marinho, PhD, - USP Prof. Dr. George de Paula Bernardes, PhD - FEG - UNESP Prof. Dr Regis Martins Rodrigues, DSc - ITA
ITA
- I Introdução ___________________________________________________________ Agradecimentos _________________________________________________________ XV
- I.1 Generalidades_____________________________________________________
- I.2 Escolha do Local e Tipo de Amostra de Solo ____________________________
- I.3 Objetivo da Dissertação_____________________________________________
- I.4 Etapas da Dissertação ______________________________________________
- II Características da Região _______________________________________________
- II.1 Localização e Vias de Acesso ________________________________________
- II.2 Geologia _________________________________________________________
- II.3 Geomorfologia ___________________________________________________
- II.4 Pedologia________________________________________________________
- II.5 Ensaios Geotécnicos Realizados Nesta Região _________________________
- II.5.1 Ensaios de Campo _____________________________________________
- II.5.2 Correlações com Ensaios de Penetração _____________________________
- II.5.3 Correlações NSPT – qc no Brasil ___________________________________
- II.5.4 Análise dos Dados _____________________________________________
- III Amostra Analisada __________________________________________________
- III.1 Introdução _______________________________________________________ II
- III.2 Escolha do Local, Coleta Transporte e Armazenamento da Amostra ________
- III.2.1 Local da Coleta de Amostra de Solo ________________________________
- III.2.2 Coleta, Transporte e Armazenamento de Amostras _____________________
- III.2.3 Transporte e Armazenamento de Amostras ___________________________
- III.3 Características Físicas _____________________________________________
- III.4 Identificação da Microestrutura e Constituição dos Argilominerais _________
- III.4.1 Difração de Raios- X e Microscópio Eletrônico de Varredura ______________
- III.4.2 Amostragem __________________________________________________
- IV Ensaios de Comportamento Mecânico __________________________________
- IV.1 Introdução _______________________________________________________
- IV.2 Comportamento Unidirecional _______________________________________
- IV.2.1 Equipamento de Ensaio de Adensamento e Parâmetros Obtidos____________
- IV.3 Comportamento em Cisalhamento ___________________________________
- IV.3.1 Cisalhamento Direto ____________________________________________
- IV.3.2 Ensaio de Compressão Triaxial ____________________________________
- IV.4 Trajetória de Tensões no Ensaio Triaxial ______________________________
- IV.4.1 Representação Gráfica do Estado de Tensões _________________________
- IV.4.2 Representação de Campo de tensão MIT ____________________________
- IV.4.3 Campo de Tensão Cambridge _____________________________________
- IV.5 Módulo de Deformabilidade (E) _____________________________________
III
V Resultados___________________________________________________________ 57
V.1 Introdução _______________________________________________________ 57 V.2 Ensaios Geotécnicos de Campo _____________________________________ 57 V.3 Características Físicas _____________________________________________ 58 V.4 Identificação da Microestrutura e Constituição dos Argilominerais _________ 60 V.4.1 Resultados das Investigações ______________________________________ 60 V.5 Comportamento em Deformação_____________________________________ 64 V.5.1 Adensamento Oedométrico _______________________________________ 64 V.6 Comportamento em Cisalhamento ___________________________________ 69 V.6.1 Cisalhamento Direto ____________________________________________ 69 V.6.2 Ensaio de Compressão Triaxial ____________________________________ 74 V.7 Comparações com Valores Estimados por Correlações __________________ 82
VI Comentários Finais e Conclusões ______________________________________ 89
Referências Bibliográficas__________________________________________________ 93
Anexo A _________________________________________________________________ I
Resultados dos Ensaios de Adensamento Oedométrico________________ I
Anexo B _________________________________________________________________ X
Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Direto ______________________ X
Anexo C _______________________________________________________________ XVI
Resultados dos Ensaios Triaxiais ___________________________________ XVI
V
Índice de Figuras
_Figura II.1- Localização da Cidade de Caçapava na região do Vale do Paraíba (modificado de IPT, 1977). _____________________________________________________________ 8 Figura II.2– Mapa geológico da Bacia do Taubaté (Mancini, 1995). _________________ 11 Figura II.3 – Modelo Evolutivo Simplificado para a Formação Pindamonhangaba (Mancini, 1995).___________________________________________________________________ 12 Figura II.4 - Coluna litoestratigráfica para a Bacia do Taubaté com a proposta de divisão para a Formação Pindamonhangaba (Mancini. 1995). ____________________________ 15 Figura II.5- Mapa geomorfológico da Bacia do Taubaté (Hasui e Ponçano, 1978).______ 17 Figura II.6 Mapa pedológico com destaque para o local de coleta de amostra, (Oliveira,
- ___________________________________________________________________ 18 Figura III.1 – Fotografia aérea do local de coleta, cedida por Shimizu Engenharis do Brasil. ________________________________________________________________________ 28 Figura III.2 - Esquema de localização da amostra na escavação da fundação do prédio _ 31 Figura IV.1 - Esquema do equipamento para ensaio de adensamento oedométrico______ 39 Figura IV.2 – Fases de adensamento para um estágio de carga. ____________________ 40 Figura IV.3 – Gráfico (e X óv) com indicação da pressão de pré adensamento pelo método Pacheco Silva (1970). ______________________________________________________ 43 Figura IV.4 - Esquema de ensaio de cisalhamento _______________________________ 44 Figura IV.5 – Resultados de ensaio de cisalhamento. _____________________________ 45 Figura IV.6 - Envoltória a partir do cisalhamento direto (Pinto, 1983). ______________ 46 Figura IV.7 - Célula típica para ensaio de compressão triaxial sem célula de carga. ____ 47 Figura IV.8 - Campo de tensões Cambridge (sem escala) __________________________ 51_
VI
Figura IV.9 - Gráfico q × ε 1. ________________________________________________ 53 Figura V.1 – Resultados de sondagem de SPT versus profundidade do local de coleta (cedida por Shimizu Engenhariado Brasil Ltda). ________________________________________ 58 Figura V.2- Carta de Plasticidade de Casagrande mostrando o resultado de dois ensaios de LL e LP na amostra de solo. _________________________________________________ 59 Figura V.3 – Curva granulométrica. __________________________________________ 60 Figura V.4 – Difração de raios-x de amostra total._______________________________ 61 Figura V.5 - Difração de raios-x da fração com diâmetro inferior a 0,075 mm _________ 62 Figura V.6 – Foto da amostra total de solo com ampliação 1:300 ___________________ 63 Figura V.7 - Foto da amostra fração total de solo com ampliação 1:1000. ____________ 63 Figura V.8 – Resultado da análise do MEV da fração fina de solo indicando seus principais componentes. _____________________________________________________________ 64 Figura V.9 - Gráfico adensamento X tempo para um ensaio (ciclo de carga e descarga). _ 65 Figura V.10 - Gráfico de curva de adensamento para um ciclo de carregamento (compressão X √tempo). _______________________________________________________________ 66 Figura V.11 - Gráfico (e X log σv) mostrando a obtenção da pressão de pré-adensamento (pa). ____________________________________________________________________ 66 Figura V.12 - Gráfico (deformação acumulada X tempo) para um ciclo de carga.______ 67 Figura V.13 – Gráfico (e X óv) mostrando a média dos resultados. __________________ 67 Figura V.14 - Equipamento de ensaio de Cisalhamento Direto. _____________________ 70 Figura V.15 - Gráfico tensão de cisalhamento por deslocamento horizontal (τ X d). ____ 71 Figura V.16 - Gráfico de verificação da variação volumétrica. _____________________ 71
VIII
Figura A.4 – Continuação da planilha de cálculos dos ensaios de adensamento. ________ V Figura A.5 - Curvas e X σv dos ensaios de adensamento _________________________ VIII
Figura B.1 - Calibração do anel de cisalhamento. ________________________________ XI Figura B.2 - Curva de calibração do braço de carregamento do equipamento de cisalhamento._____________________________________________________________ XI Figura B.3 - Correção de leitura de tempo para deslocamento.______________________ XII Figura B.4 - Planilha para cálculos dos ensaios de cisalhamento direto.______________ XIII Figura B.5 - Corpos de prova após ensaios de cisalhamento direto. __________________ XV
Figura C.1 -gráficos q x å - gráficos Äu x å para diferentes tensões confinantes. ______ XVII Figura C.2 -Trajetória de tensões para ensaios de compressão triaxiais com diferentes tensões confinantes.______________________________________________________ XVII Figura C.3 -– amostra de solo sendo preparada para ensaios triaxiais. _____________ XVIII Figura C.4 -– Programação de ensaio utilizando o software TRIAX. _________________ XX
IX
Índice de Tabelas
Tabela II.1 – Comparação entre SPT e CPT. ......................................................................... 21 Tabela V.1 – Resultados dos ensaios de caracterização. ........................................................ 59 Tabela V.2 - Valores obtidos após resultados de ensaios de adensamento............................. 68 Tabela V.3 – Comparação de resultados de ensaios............................................................... 84 Tabela V.4 Tabela de valores da relação E/Cu (Massad et al., 1992) para solos variegada da BSTSP. ..................................................................................................................................... 88
Anexos
Tabela A. 1- Dados dos corpos de prova dos ensaios de adensamento. ________________ VI Tabela A. 2 - Resultados doe ensaios de adensamento (e X σv0). _____________________ VII Tabela A. 3 - Parâmetros obtidos pelos ensaios de adensamento. ____________________ IX
Tabela B. 1 - Dados dos corpos de prova dos ensaios de cisalhamento direto. _________ XIV
Tabela C. 1 - Dados dos Corpos de prova dos ensaios triaxiais____________________ XVIII
XI
H Altura do cdp IP Índice de plasticidade K Coeficiente de permeabilidade LL Limite de liquidez LP Limite de plasticidade MEV Microscópio eletrônico de varredura mv Coeficiente de variação volumétrica N Expoente que determina a taxa de variação de E por ó N72% NSPT para equipamento com eficiência de 72% NSPT Número de golpes de um ensaio no equipamento do tipo SPT OCR Razão de sobre-adensamento p' Pressão média ⇒ p = (ó 1 + 2 ó 3 )/3 (representação Cambridge) pa Tensão de pré-adensamento patm Pressão atmosférica ⇒ patm = 101,32 KN/m pc Pressão de campo q Tensão deviatórica ⇒ q = ó 1 – ó 3 (representação Cambridge) RCSB Rift Continental do Sudeste do Brasil s' Tensão efetiva ⇒ s’ = (ó’ 1 + ó’ 3 )/2 (representação MIT) SPT Standard Penetration Test SPT-t SPT com medida de torque T Força horizontal aplicada no ensaio de cisalhamento t Tensão deviatórica ⇒ t = q/2 = (ó 1 – ó 3 )/2 (representação MIT) U Grau de adensamento
XII
u Pressão de poros ou poro pressão υ Coeficiente de Poisson v Volume específico γt Peso específico do solo δt Densidade dos grãos ∆u Variação de pressão de poros εh, εv Deformação horizontal e vertical respectivamente εl Deformação lateral φ’ Ângulo de atrito na ruptura φa Ângulo de atrito na ruptura no trecho sobre adensado σ Tensão total σ' Tensão efetiva σ' 1 Tensão axial efetiva no ensaio triaxial σ1, σ2, σ 3 Tensões principais totais σa, σr Tensão axial e radial respectivamente σn, σv Tensão normal e vertical respectivamente σ' (^) v0 Tensão efetiva de campo τmax Tensão de cisalhamento máximo τr Tensão de cisalhamento na ruptura τres Tensão de cisalhamento residual
XIV
Abstract
The study of soils geological and geotechnical characteristics is very important, and lack of publication concerning the behavior of soil types present in the Vale do Paraíba region increases the necessity of engineering studies to this region. This work presents a review of the most recent publication about this region and its new geological denominations. It researches the physical characteristics, the main components, and the mechanical behavior of an undisturbed sample of clayey-sandy mass soil extensively tested in laboratory. Ground properties are evaluated from laboratory and field tests results, and “typical” values are obtained. The results obtained from laboratory tests are compared with soil behavior prediction or correlations for the São Paulo Tertiary Basin.
The soil studied comes from an undisturbed soil sample taken from the Paraíba do Sul river basin portion denominates Presidente Dutra member, Pindamonhangaba formation, originated from the Taubaté Basin. Laboratory tests consisted of determination of Atterberg limits, particle size distribution with hydrometer analysis, x-ray diffraction and microscopic analysis were performed to identify its basic material components and distribution. Consolidation ,direct shear and triaxial compression tests were also performed in order to establish the soil behavior parameters.
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Agradecimentos
Gostaria de externar meus agradecimentos a todas as pessoas e instituições que colaboraram de alguma forma para a realização deste trabalho.
A Professora Dr. Delma de Mattos Vidal da Divisão Engenharia de Infra-Estrutura do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), pela oportunidade, aprendizado, apoio e amizade ao longo deste estudo.
Aos Professores da Escola Politécnica da USP Dr. Carlos de Souza Pinto pelo apoio, empréstimo do laboratório de Mecânica dos Solos e equipamento e ao professor Dr. Fernando A. M. Marinho pelo acompanhamento e auxílio na interpretação dos resultados sem o qual não teria sido possível a finalização deste trabalho.
Ao Professor Dr. Eugênio Vertamatti (ITA), pelas críticas e sugestões.
Aos Professores Dr. Cláudio Riccomini (IGUSP), Dr. José Jorge Nader (Politécnica USP) e Antônio Pedroso de Moraes (UNIVAP), pelo auxílio e informações fornecidas.
Ao engenheiro Cláudio Tyioshi Miura, da Construtora Shimizu do Brasil Ltda pelo auxílio na coleta das amostras de solo, sem a qual não seria possível esta pesquisa
Ao colega de pós-graduação Roberto Mariano, pelo inestimável auxílio na execução e interpretação das análises dos argilominerais.
Ao pessoal da Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço (AMR/ IAE), pelas análises de amostras DRX e MEV.
Ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), pela infra-estrutura oferecida.
XVII
Ao professor Flávio Massayuki Kuwajima, responsável pelos meus primeiros passos em geotecnia.
A toda a minha família, em especial aos meus filhos Daniel e Ana Paula, que foram compreensivos nas horas que tive de ser ausente.
Aos meus pais, Erasmo e Aurelina, por tudo que fizeram e fazem por mim.
Ao meu marido Agnaldo Roberto Silva pela compreensão, carinho e constante apoio.
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