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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIAPROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL
METODOLOGIA DE PREVISO DO COMPORTAMENTO
MECNICO DE SOLOS TRATADOS COM CAL
Luizmar da Silva Lopes Junior
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CIP - Catalogao na Publicao
da Silva Lopes Junior, Luizmar Metodologia de Previso do Comportamento Mecnicode Solos Tratados com Cal / Luizmar da Silva Lopes
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LUIZMAR DA SILVA LOPES JUNIOR
METODOLOGIA DE PREVISO DO COMPORTAMENTOMECNICO DE SOLOS TRATADOS COM CAL
Tese apresentada ao Programa de Ps-Graduao em EngenhariaCivil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como partedos requisitos para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia
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LUIZMAR DA SILVA LOPES JUNIOR
METODOLOGIA DE PREVISO DO COMPORTAMENTOMECNICO DE SOLOS TRATADOS COM CAL
Esta tese de doutorado foi julgada adequada para a obteno do ttulo de DOUTOR EM
ENGENHARIA, Geotecnia, e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo
Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do
Sul.
Porto Alegre, 28 de novembro de 2011
Prof. Nilo Csar ConsoliPh.D. pela Concordia University, Canad
Orientador
Prof. Luiz Carlos Pinto da Silva FilhoCoordenador do PPGEC/UFRGS
BANCA EXAMINADORA
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AGRADECIMENTOS
Desejo expressar os meus agradecimentos as seguintes pessoas e instituies:
Primeiramente a minha famlia, em especial ao meu av Derli de Souza Lopes (in
memoriam), exemplo de carter e determinao, meus pais Luizmar e Beatriz e meus irmos
pelo amor, incentivo e apoio incondicional dispensado em todos os momentos da minha vida.
A famlia Lovato pelo apoio e companheirismo, em especial a minha noiva Patrcia
pela ajuda, compreenso e carinho dedicado.
Ao meu orientador Nilo Cesar Consoli pela confiana que depositou em mim,
dedicao, amizade e empenho com que me orientou, alm do exemplo de carter eprofissionalismo.
Aos professores Antnio Thom e Pedro Prietto pelo interesse, incentivo, amizade e
conhecimentos transmitidos.
A todos os professores do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil daUFRGS pelos ensinamentos ministrados.
Aos funcionrios da Escola de Engenharia da UFRGS pelo apoio nas atividades
realizadas, em especial ao laboratorista Joo Diniz e ao pessoal da secretaria do PPGEC, Ana
Luiza, Liliane e Carmem.
A todos os meus colegas e amigos, em especial ao Anderson Fonini, Lucas Festugato,
Francisco Dalla Rosa, Rodrigo Cruz, Mrcio Floss, Jos Rojas, Amanda Dalla Rosa e
Emanuele Gauer pelo companheirismo e ajuda prestada durante o doutorado.
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RESUMO
LOPES JUNIOR, Luizmar da Silva. Metodologia de Previso do ComportamentoMecnico de Solos Tratados com Cal. 2011. Tese (Doutorado em Engenharia) Programade Ps-Graduao em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre.
Cada vez mais frequente a utilizao de tcnicas tradicionais da engenharia geotcnica
depara-se com obstculos de carter econmico e ambiental. A tcnica do solo-cal torna-se
atrativa quando o melhoramento das propriedades do solo do local constitui-se numa
alternativa de projeto. A tcnica de tratamento de solos com cal encontra aplicao, por
exemplo, na construo de bases para pavimentos, na proteo de taludes em barragens de
terra e como camada de suporte para fundaes superficiais. As ltimas pesquisas em solos
tratados com cal esto no desenvolvimento de metodologias de dosagem baseadas em
critrios racionais onde a relao volume de vazios/volume de cal desempenha papel
fundamental na obteno da resistncia desejada. Nesse sentido, este estudo tem por objetivo
validar a relao volume de vazios/volume de cal na estimativa da resistncia compresso
simples e triaxial, comportamento tenso-dilatncia e rigidez inicial de um solo tratado com
cal curado por perodos longos e quantificar a influncia da adio de resduos de diferentes
potenciais de reatividade no comportamento mecnico do solo-cal. Para isso foram realizados
ensaios de compresso simples e triaxial, medidas de suco matricial e medidas de G0
atravs da tcnica de bender elements. Os resultados mostram uma correlao entre
resistncia e o mdulo cisalhante inicial; e que os mesmos crescem no linearmente com o
aumento da quantidade de cal e com a reduo na porosidade da mistura compactada curada
por perodos longos. Para uma mesma relao vazios/cal, a adio de resduos nas misturas
teve um efeito significativo no comportamento do solo-cal estudado. A relao vazios/cal,
definido pela razo entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumtrico de cal,
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ABSTRACT
LOPES JUNIOR, Luizmar da Silva. Prevision Methodology of Mechanical Behavior ofSoils Treated with Lime. 2011. Thesis (Doctor in Engineering) Civil Engineering Post-Graduation Program, UFRGS, Porto Alegre.
Not rarely, the use of traditional techniques in geotechnical engineering faces obstacles of
economical and environmental nature. The soil-lime technique becomes attractive when the
improvement of the local soil is a project alternative. The treatment of soils with lime finds
application, for instance, in the construction of pavement base layers, in slope protection of
earth dams and as a support layer for shallow foundations. The last researches in soils treated
with lime are in the development of dosage methodologies based on rational criteria where the
voids/lime ratio plays a fundamental role in the assessment of the target strength. In that
sense, this study has for objective to validate the use of the voids/lime ratio in the estimate of
unconfined and confined compression strength, stress-dilatancy behavior and initial shear
modulus of a treated soil with lime cured by long periods and to quantify the influence of the
insertion of industrial wastes of different potentials reactivity in the mechanical behavior of
the soil-lime. For that, a number of unconfined and confined compression tests, measurements
of matric suction and bender elements were carried out. The results show a correlation
between compression tests and the initial shear modulus; and that the same ones increased not
linearly with the increase in lime content as well as with the reduction in the porosity of the
compacted mixture cured for long periods. For a same voids/lime ratio value, the insertion of
industrial wastes in the mixtures had a significant effect in the behavior of the soil-lime
studied. In contrast, the voids/lime ratio, defined as the ratio between the porosity of the
compacted mixture and the volumetric lime content, adjusted by a power, demonstrated to be
the most appropriate parameter to assess the mechanical behavior of the soil-lime mixture
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SUMRIO
1 INTRODUO ..................................................................................................................................25
1.1 PROBLEMA E RELEVNCIA DA PESQUISA .....................................................................25
1.2 OBJETIVOS .............................................................................................................................. 26
1.3 ORGANIZAO DA TESE .....................................................................................................27
2 REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................................28
2.1 VISO GERAL SOBRE A TCNICA DO SOLO-CAL .......................................................... 28
2.1.1 Materiais Utilizados no Solo-Cal .......................................................................................32
2.1.1.1 Solo ..........................................................................................................................32
2.1.1.2 Cal ............................................................................................................................33
2.1.1.3 Resduos Industriais .................................................................................................34
2.1.2 Reaes Solo-Cal ...............................................................................................................34
2.1.3 Dosagem Solo-Cal .............................................................................................................37
2.1.3.1 Mtodos Clssicos ....................................................................................................37
2.1.3.2 Metodologia Relao Vazios/Cal ............................................................................. 38
2.2 VARIVEIS DETERMINANTES DO COMPORTAMENTO DO SOLO-CAL .................... 43
2.2.1 Efeito da Cal ......................................................................................................................43
2.2.2 Efeito da Densidade e Compactao .................................................................................. 43
2.2.3 Efeito do Teor de Umidade e da Relao gua/Cal .......................................................... 44
2.2.4 Efeito do Tempo de Cura ...................................................................................................45
2.3 COMPORTAMENTO MECNICO DO SOLO-CAL .............................................................. 47
2.3.1 Resistncia Compresso Simples .................................................................................... 47
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3.2.1 Solo ....................................................................................................................................61
3.2.2 Resduo de Britagem ..........................................................................................................61
3.2.3 Cinza Volante ....................................................................................................................62
3.2.4 Cal ......................................................................................................................................63
3.2.5 gua ...................................................................................................................................64
3.3 MTODOS ................................................................................................................................ 64
3.3.1 Coleta de Amostras ............................................................................................................64
3.3.2 Preparao das Amostras ...................................................................................................64
3.3.3 Ensaios de Caracterizao .................................................................................................65
3.3.4 Moldagem e Cura dos Corpos-de-prova ............................................................................ 66
3.3.5 Ensaios de Compresso Simples ........................................................................................ 68
3.3.6 Medidas de Suco ............................................................................................................70
3.3.7 Ensaios de Compresso Triaxial ........................................................................................ 71
3.3.8 Medidas de G0Atravs da Tcnica de Bender Elements ................................................... 74
3.4 PROGRAMA DE ENSAIOS .....................................................................................................76
3.4.1 Programa de Ensaios de Compresso Simples .................................................................. 76
3.4.2 Programa de Ensaios Triaxiais........................................................................................... 78
3.4.3 Programa de Ensaios com Bender Elements ..................................................................... 79
4 APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS .................................................................... 80
4.1 ENSAIOS DE CARACTERIZAO ....................................................................................... 80
4.1.1 Propriedades Fsicas ..........................................................................................................80
4.1.2 Propriedades Qumicas ......................................................................................................83
4.1.3 Reatividade Potencial dos Materiais pelo Mtodo Qumico .............................................. 83
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4.2.2.2 Efeito da Porosidade .................................................................................................95
4.2.2.3 Efeito do Teor de Umidade de Moldagem ............................................................... 97
4.2.2.4 Relao Vazios/Cal .................................................................................................. 99
4.2.2.5 Tempo de Cura x Relao Vazios/Cal ...................................................................103
4.2.3 Solo-Cinza Volante-Cal ................................................................................................... 105
4.2.3.1 Efeito do Teor de Cal e da Porosidade ................................................................... 105
4.2.3.2 Relao Vazios/Cal ................................................................................................106
4.2.3.3 Tempo de Cura x Relao Vazios/Cal ...................................................................108
4.2.4 Efeito da Adio de Resduos Industriais ........................................................................ 109
4.3 MEDIDAS DE SUCO MATRICIAL .................................................................................110
4.4 ENSAIOS TRIAXIAIS ............................................................................................................ 111
4.4.1 Variao do Parmetro B de Poro-presso ......................................................................112
4.4.2 Solo-Cal ........................................................................................................................... 113
4.4.2.1 Comportamento Tenso-Deformao x Relao /(Cav)0,12................................... 114
4.4.2.2 Efeito do Nvel de Tenses Efetivas e Parmetros de Resistncia ......................... 117
4.4.2.3 Tenso Confinada x Tenso No-Confinada .......................................................... 123
4.4.2.4 Anlise da Rigidez ................................................................................................. 126
4.4.2.5 Comportamento Tenso x Dilatncia ..................................................................... 129
4.4.3 Solo-Resduo de Britagem-Cal ........................................................................................ 133
4.4.3.1 Comportamento Tenso-Deformao x Relao /(Cav)0,12................................... 133
4.4.3.2 Efeito do Nvel de Tenses Efetivas e Parmetros de Resistncia ......................... 137
4.4.3.3 Tenso Confinada x Tenso No-Confinada .......................................................... 141
4.4.3.4 Anlise da Rigidez ................................................................................................. 143
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4.5.1 Leituras ............................................................................................................................ 164
4.5.2 Efeito do Teor de Cal ....................................................................................................... 167
4.5.3 Efeito da Porosidade ........................................................................................................ 170
4.5.4 Efeito da Relao Vazios/Cal .......................................................................................... 172
4.5.5 Efeito do Tempo de Cura .................................................................................................178
4.5.6 Correlao com a Resistncia Compresso Simples .....................................................180
4.6 EXEMPLO DE APLICAO PARA A RELAO VAZIOS/CAL .....................................180
5 CONSIDERAES FINAIS ............................................................................................................ 185
5.1 CONCLUSES ....................................................................................................................... 185
5.2 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................................190
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................................. 191
APNDICE A DADOS DOS CPS ENSAIADOS COMPRESSO SIMPLES .......................... 200
APNDICE B DADOS DOS CPS ENSAIADOS COMPRESSO TRIAXIAL .......................219
APNDICE C DADOS DOS CPS ENSAIADOS COM BENDER ELEMENTS ..........................223
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: mecanismo de troca de ctions (adaptado de PRUSINSKI; BHATTACHARJA, 1999) .... 35
Figura 2.2: mecanismo de estabilizao solo-cal (adaptado de INGLES; METCALF, 1972) ..............36
Figura 2.3: relao vazios/cal ajustado versus resistncia compresso simples (LOPES JUNIOR,2007) ...................................................................................................................................................... 39
Figura 2.4: relao porosidade/teor volumtrico de cal ajustado versus resistncia compressosimples (adaptado de DALLA ROSA, 2009a) .......................................................................................40
Figura 2.5: previso da tenso desvio atravs da relao vazios/cimento (CONSOLI et al., 2007) ...... 41
Figura 2.6: tenso versus relao vazios/cimento para diferentes tenses confinantes (CRUZ, 2008) .42
Figura 2.7: mdulo cisalhante versus relao vazios/cimento (CRUZ, 2008) .......................................42
Figura 2.8: efeito do tempo de cura sobre a resistncia compresso simples para alguns solosestabilizados com cal (adaptado de INGLS; METCALF, 1972) .........................................................46
Figura 2.9: efeito da quantidade de cal sobre a resistncia compresso simples para alguns solostratados com cal e curados por 7 dias (adaptado de INGLS; METCALF, 1972) ................................47
Figura 2.10: Curvas (ensaios triaxiais CIU) tenso-deformao-poropresso (CONSOLI et al., 1997)................................................................................................................................................................ 51
Figura 2.11: curva de degradao da rigidez com o nvel de deformao (adaptado de ATKINSON,2000) ...................................................................................................................................................... 52
Figura 2.12: (a) Esquema de lminas representando o intertravamento das partculas de solo; (b)Foras resultantes. (adaptado de WOOD, 1990) ....................................................................................55
Figura 2.13: Comportamento tenso-dilatncia generalizado (adaptado de ATKINSON, 1993) .......... 56
Figura 2.14: comportamento tenso-dilatncia encontrado para dois solos arenosos cimentados
naturalmente (adaptado de COOP; WILLSON, 2003) .......................................................................... 57
Figura 2.15: Tenso-dilatncia para um solo residual de arenito artificialmente cimentado sob umadeterminada tenso de confinamento (adaptado de DALLA ROSA, 2006) .......................................... 57
Figura 3.1: formaes geolgicas ao norte do estado do RS (adaptado de IBGE, 1986) ....................... 62
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Figura 4.1: curvas granulomtricas dos materiais ..................................................................................80
Figura 4.2: difratograma de raios x do arenito Botucatu ........................................................................82
Figura 4.3: difratograma de raios x do resduo de britagem .................................................................. 82
Figura 4.4: difratograma de raios x da cinza volante .............................................................................82
Figura 4.5: reatividade potencial dos materiais de acordo com a ASTM C289/07 ................................ 84
Figura 4.6: variao da resistncia compresso simples em relao quantidade de cal do SRAB-
CAL (90 dias de cura) ............................................................................................................................86
Figura 4.7: variao da resistncia compresso simples em relao quantidade de cal do SRAB-CAL (360 dias de cura) ..........................................................................................................................86
Figura 4.8: variao da resistncia compresso simples em relao porosidade do SRAB-CAL (90dias de cura) ........................................................................................................................................... 87
Figura 4.9: variao da resistncia compresso simples em relao porosidade do SRAB-CAL (360
dias de cura) ........................................................................................................................................... 88
Figura 4.10: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-CAL (90 dias decura)........................................................................................................................................................ 89
Figura 4.11: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-CAL (360 dias decura)........................................................................................................................................................ 89
Figura 4.12: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-CAL (90
dias de cura) ........................................................................................................................................... 90
Figura 4.13: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-CAL (360dias de cura) ........................................................................................................................................... 91
Figura 4.14: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-CAL (90 e360 dias de cura) ....................................................................................................................................92
Figura 4.15: variao da resistncia compresso simples em relao quantidade de cal do SRAB-
25%RBR-CAL (28 dias de cura) ...........................................................................................................93
Figura 4.16: variao da resistncia compresso simples em relao quantidade de cal do SRAB-25%RBR-CAL (90 dias de cura) ...........................................................................................................94
Figura 4.17: variao da resistncia compresso simples em relao quantidade de cal do SRAB-
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Figura 4.23: resistncia compresso simples versus teor de umidade de moldagem do SRAB-
25%RBR-CAL (360 dias de cura) .........................................................................................................98
Figura 4.24: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (28dias de cura) ......................................................................................................................................... 100
Figura 4.25: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (90dias de cura) ......................................................................................................................................... 100
Figura 4.26: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (360
dias de cura) ......................................................................................................................................... 101
Figura 4.27: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%RBR-CAL (28 dias de cura) .......................................................................................................................... 102
Figura 4.28: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%RBR-CAL (90 dias de cura) .......................................................................................................................... 102
Figura 4.29: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%RBR-
CAL (360 dias de cura) ........................................................................................................................ 103
Figura 4.30: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%RBR-CAL (28,90 e 360 dias de cura) ........................................................................................................... 104
Figura 4.31: variao da resistncia compresso simples em relao porosidade, teor de cal e tempode cura do SRAB-25%RBR-CAL ........................................................................................................ 105
Figura 4.32: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%CV-
CAL (28 dias de cura) .......................................................................................................................... 107
Figura 4.33: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%CV-CAL (90 dias de cura) .......................................................................................................................... 107
Figura 4.34: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%CV-CAL (28 e 90 dias de cura) .................................................................................................................. 108
Figura 4.35: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado dos trs compsitos
utilizados para 90 dias de cura ............................................................................................................. 109
Figura 4.36: posio dos pontos de moldagem escolhidos para os ensaios de compresso triaxial ....111
Figura 4.37: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-CAL (28 dias de cura).............................................................................................................................................................. 114
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Figura 4.43: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-CAL 28
dias de cura) ......................................................................................................................................... 118
Figura 4.44: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-
CAL 28 dias de cura) ........................................................................................................................... 118
Figura 4.45: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-CAL 90
dias de cura) ......................................................................................................................................... 119
Figura 4.46: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-
CAL 90 dias de cura) ........................................................................................................................... 119
Figura 4.47: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-CAL
360 dias de cura) .................................................................................................................................. 120
Figura 4.48: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-
CAL 360 dias de cura) ......................................................................................................................... 120
Figura 4.49: comportamento idealizado para solos estruturados onde a parcela coesiva dominanete:
(a) comportamento tenso-deformao e (b) trajetria de tenses (adaptado de COOP;ATKINSON,1993) .................................................................................................................................................... 122
Figura 4.50: comportamento idealizado para solos estruturados onde a parcela friccional preponderante: (a) comportamento tenso-deformao e (b) trajetria de tenses (adaptado deCUCCOVILLO;COOP, 1999) ............................................................................................................. 122
Figura 4.51: envoltrias de ruptura do SRAB-CAL para 28, 90 e 360 dias de cura e /Cav0,12 = 35 ... 123
Figura 4.52: resistncia confinada 20kPa e no confinada versus relao vazios/cal ajustado doSRAB-CAL para 28, 90 e 360 dias de cura ......................................................................................... 124
Figura 4.53: variao da resistncia confinada 20kPa e no confinada em relao a porosidade, teorde cal e tempo de cura do SRAB-CAL ................................................................................................ 125
Figura 4.54: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/caldo SRAB-CAL (28 dias de cura) ......................................................................................................... 126
Figura 4.55: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/caldo SRAB-CAL (90 dias de cura) ......................................................................................................... 126
Figura 4.56: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/caldo SRAB-CAL (360 dias de cura) ....................................................................................................... 127
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Figura 4.63: tenso-dilatncia em amostras com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-CAL 360
dias de cura) ......................................................................................................................................... 131
Figura 4.64: comportamento tenso-dilatncia para um solo cimentado (LO; WARDANI, 2002) .....132
Figura 4.65: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (28 diasde cura) ................................................................................................................................................. 134
Figura 4.66: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (28dias de cura) ......................................................................................................................................... 134
Figura 4.67: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (90 diasde cura) ................................................................................................................................................. 135
Figura 4.68: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (90dias de cura) ......................................................................................................................................... 135
Figura 4.69: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (360dias de cura) ......................................................................................................................................... 136
Figura 4.70: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL(360 dias de cura) ................................................................................................................................. 136
Figura 4.71: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-
25%RBR-CAL 28 dias de cura) ........................................................................................................... 137
Figura 4.72: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-
25%RBR-CAL 28 dias de cura) ........................................................................................................... 138
Figura 4.73: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-25%RBR-CAL 90 dias de cura) ........................................................................................................... 138
Figura 4.74: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-
25%RBR-CAL 90 dias de cura) ........................................................................................................... 139
Figura 4.75: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-25%RBR-CAL 360 dias de cura) ......................................................................................................... 139
Figura 4.76: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-
25%RBR-CAL 360 dias de cura) ......................................................................................................... 140
Figura 4.77: envoltrias de ruptura do SRAB-25%RBR-CAL para 28, 90 e 360 dias de cura e /Cav0,12
= 35 ...................................................................................................................................................... 141
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Figura 4.83: variao do mdulo secante com a deformao axial com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e
400kPa (SRAB-25%RBR-CAL 28 dias de cura) .................................................................................146
Figura 4.84: variao do mdulo secante com a deformao axial com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e
400kPa (SRAB-25%RBR-CAL 90 dias de cura) .................................................................................146
Figura 4.85: variao do mdulo secante com a deformao axial com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e
400kPa (SRAB-25%RBR-CAL 360 dias de cura) ...............................................................................147
Figura 4.86: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%RBR-CAL 28 dias de
cura)...................................................................................................................................................... 147
Figura 4.87: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%RBR-CAL 90 dias decura)...................................................................................................................................................... 148
Figura 4.88: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%RBR-CAL 360 dias decura)...................................................................................................................................................... 148
Figura 4.89: tenso-dilatncia em amostras com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-
25%RBR-CAL 28 dias de cura) ........................................................................................................... 149
Figura 4.90: tenso-dilatncia em amostras com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-
25%RBR-CAL 90 dias de cura) ........................................................................................................... 149
Figura 4.91: tenso-dilatncia em amostras com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-
25%RBR-CAL 360 dias de cura) ......................................................................................................... 150
Figura 4.92: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%CV-CAL (28 dias
de cura) ................................................................................................................................................. 151
Figura 4.93: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%CV-CAL (28dias de cura) ......................................................................................................................................... 152
Figura 4.94: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%CV-CAL (90 diasde cura) ................................................................................................................................................. 152
Figura 4.95: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%CV-CAL (90
dias de cura) ......................................................................................................................................... 153
Figura 4.96: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-
25%CV-CAL 28 dias de cura) ............................................................................................................. 154
Figura 4.97: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-
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Figura 4.103: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/cal
do SRAB-25%CV-CAL (28 dias de cura) ...........................................................................................159
Figura 4.104: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/caldo SRAB-25%CV-CAL (90 dias de cura) ...........................................................................................159
Figura 4.105: variao do mdulo secante com a deformao axial com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e
400kPa (SRAB-25%CV-CAL 28 dias de cura) ...................................................................................160
Figura 4.106: variao do mdulo secante com a deformao axial com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e
400kPa (SRAB-25%CV-CAL 90 dias de cura) ...................................................................................160
Figura 4.107: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%CV-CAL 28 dias decura)...................................................................................................................................................... 161
Figura 4.108: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%CV-CAL 90 dias decura)...................................................................................................................................................... 162
Figura 4.109: tenso-dilatncia em amostras com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-
25%CV-CAL 28 dias de cura) ............................................................................................................. 163
Figura 4.110: tenso-dilatncia em amostras com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-
25%CV-CAL 90 dias de cura) ............................................................................................................. 163
Figura 4.111: tpico sinal recebido do ensaio com bender elements de um corpo de prova curado por28 dias .................................................................................................................................................. 165
Figura 4.112: tpico sinal recebido do ensaio com bender elements de um corpo de prova curado por
90 dias .................................................................................................................................................. 165
Figura 4.113: tpico sinal recebido do ensaio com bender elements de um corpo de prova curado por180 dias ................................................................................................................................................ 166
Figura 4.114: variao do G0em relao quantidade de cal de amostras com 7 dias de cura ...........167
Figura 4.115: variao do G0em relao quantidade de cal em amostras com 15 dias de cura ........167
Figura 4.116: variao do G0em relao quantidade de cal em amostras com 28 dias de cura ........168
Figura 4.117: variao do G0em relao quantidade de cal em amostras com 90 dias de cura ........168
Figura 4.118: variao do G0em relao quantidade de cal em amostras com 180 dias de cura ......169
Figura 4.119: variao do G0em relao porosidade de amostras com 7 dias de cura ..................... 170
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Figura 4.128: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal de amostras com 180 dias de cura ...........175
Figura 4.129: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado de amostras com 7 dias de cura 176
Figura 4.130: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado de amostras com 15 dias de cura.............................................................................................................................................................. 176
Figura 4.131: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado de amostras com 28 dias de cura.............................................................................................................................................................. 177
Figura 4.132: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado de amostras com 90 dias de cura.............................................................................................................................................................. 177
Figura 4.133: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado de amostras com 180 dias de cura.............................................................................................................................................................. 178
Figura 4.134: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado (todas as amostras) ....................179
Figura 4.135: variao do G0em relao porosidade, teor de cal e tempo de cura ........................... 179
Figura 4.136: razo G0/quversus relao vazios/cal ajustado de amostras com 90 dias de cura .........180
Figura 4.137: camada de solo-cal assente sobre o solo residual determinao da capacidade desuporte .................................................................................................................................................. 181
Figura 4.138: posicionamento dos pontos de moldagem .....................................................................183
Figura 4.139: determinao da relao vazios/cal para dosagem da mistura .......................................183
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LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Faixa de validade para aplicao da metodologia proposta por Thom et al. (2005) .........31
Tabela 2.2: Composio mdia das cales brasileiras (GUIMARES, 2002) ........................................ 33
Tabela 2.3: Previso da quantidade de cal em funo do tipo de solo (adaptada de INGLES;METCALF, 1972) ..................................................................................................................................38
Tabela 3.1: etapas e ensaios do programa experimental ........................................................................60
Tabela 3.2: caracterizao da cal utilizada .............................................................................................63
Tabela 4.1: propriedades fsicas dos materiais .......................................................................................81
Tabela 4.2: anlise semi-quantitativa dos materiais ...............................................................................81
Tabela 4.3: caracterizao qumica dos materiais ..................................................................................83
Tabela 4.4: resultados reatividade potencial pelo mtodo qumico ....................................................... 83
Tabela 4.5: valores tpicos para o parmetro B (adaptado de LAMBE;WHITMAN, 1979) ............... 112
Tabela 4.6: programa de ensaios triaxiais em SRAB-CAL ..................................................................113
Tabela 4.7: programa de ensaios triaxiais em SRAB-25%RBR-CAL .................................................133
Tabela 4.8: programa de ensaios triaxiais em SRAB-25%CV-CAL ...................................................151
Tabela A.1: dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 90 dias de cura .......................... 201
Tabela A.1 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 90 dias de cura ...202
Tabela A.1 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 90 dias de cura ...203
Tabela A.2: dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 360 dias de cura ........................ 204
Tabela A.2 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 360 dias de cura .205
Tabela A.2 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 360 dias de cura .206
Tabela A.3: dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 28 dias de cura ................. 207
Tabela A 3 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 28 dias de cura
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Tabela A.4 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 90 dias de cura
.............................................................................................................................................................. 214
Tabela A.5: dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 360 dias de cura ............... 215
Tabela A.5 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 360 dias decura ....................................................................................................................................................... 216
Tabela A.5 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 360 dias decura ....................................................................................................................................................... 217
Tabela A.5 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 360 dias decura ....................................................................................................................................................... 218
Tabela B.1: dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados compresso triaxial do SOLO-CAL ........220
Tabela B.2: dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados compresso triaxial do SOLO-RBR-CAL.............................................................................................................................................................. 221
Tabela B.3: dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados compresso triaxial do SOLO-CV-CAL .222
Tabela C.1: dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados com bender elements ................................. 224
Tabela C.1 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados com bender elements ..........225
Tabela C.1 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados com bender elements ..........226
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LISTA DE SMBOLOS
a: massa de gua
B: parmetro de poro-presso de Skempton
c: coeso efetiva
Ca: teor de cal calculado em relao massa de solo seco e expresso em porcentagem
ca: massa de cal
Cav: teor volumtrico de cal, expresso em porcentagem do volume total
Cu: coeficiente de uniformidade
d: parmetro de dilatncia igual ao quociente entre os incrementos de deformao plsticavolumtrica e cisalhante
D10: dimetro efetivo
e: base do logaritmo neperiano (2,7183)
e: ndice de vazios
Es: mdulo de deformao axial secante
G: mdulo cisalhante
G0, Gmax: mdulo cisalhante mximo
LL: limite de liquidez
LP: limite de plasticidade
p: tenso efetiva normal mdia
q: tenso desvio
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: porosidade
: teor de umidade
f: teor de umidade aps a imerso do corpo-de-prova por 24 horas
: incremento de deformao
a: deformao axial
s: deformao cisalhante
v: deformao volumtrica
: ngulo de atrito efetivo
1,3 : tenses principais totais maior e menor
1,3: tenses principais efetivas maior e menor
d: tenso desvio
: ngulo de dilatncia
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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABNT: Associao Brasileira de Normas Tcnicas.
ASTM: American Society for Testing and Materials
CIENTEC: Fundao de Cincia e Tecnologia do Estado do Rio Grande do Sul
CV: Cinza VolanteNORIE: Ncleo Orientado para a Inovao da Edificao
LEEG: Laboratrio de Engenharia Geotcnica e Geotecnologia Ambiental
NBR: Norma Brasileira
PPGEC: Programa de Ps Graduao em Engenharia Civil
RBR: Resduo de Britagem
SUCS: Sistema Unificado de Classificao de Solos
UFRGS: Universidade Federal do Rio Grande do Sul
USACE: United States Army Corps of Engineers
USBR: United States Bureau of Reclamation
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1 INTRODUO
1.1 PROBLEMA E RELEVNCIA DA PESQUISA
Tendncias evidentes em Geotecnia encontram-se na busca de novas tecnologias e
alternativas que tornem economicamente viveis as obras de engenharia e busquem solucionar
os problemas relacionados com a agresso ao meio ambiente. A utilizao de bases granulares
para rodovias, por exemplo, torna-se invivel quando a jazida est muito distante do local da
obra, pelos elevados custos associados ao transporte e danos ambientais provenientes da
prpria explorao e transporte do material.
Outro exemplo a execuo de fundaes em terrenos de baixa capacidade de suporte
e alta deformabilidade, onde a utilizao de fundaes profundas e os custos associados a essa
soluo podem-se tornar incompatveis com porte do empreendimento, como no caso deconjuntos habitacionais de baixo custo.
Nesses casos, uma alternativa disponvel o melhoramento das propriedades do solo
do local atravs da adio de cal ou cimento. A aplicao da tcnica de tratamento de solos
com cal vem sendo empregada com sucesso na construo de bases para pavimentos.
Inmeras pesquisas (NEZ, 1991; THOM, 1994; CARRARO, 1997; CONSOLI,
2001; LOVATO, 2004; LOPES JUNIOR, 2007; CONSOLI et al., 2009a, 2009b; DALLA
ROSA 2009a) sobre solos tratados com cal tm sido realizadas na Universidade Federal do
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inicial fornecida pela literatura ou norma, seguida pela execuo de uma srie de ensaios
laboratoriais. Na busca de metodologias baseadas em critrios racionais como existe, porexemplo, para o concreto convencional, onde a relao gua/cimento desempenha papel
fundamental na obteno da resistncia desejada, pesquisas recentes (LOPES JUNIOR, 2007;
CONSOLI et al., 2009a; DALLA ROSA, 2009a) mostraram que a relao vazios/cal, definido
pela razo entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumtrico de cal, ajustado por
uma potncia pode ser utilizada na previso da resistncia mecnica de solos tratados com calno estado no saturado.
Solos tratados com cal exibem um comportamento mecnico complexo, influenciado
por diversos fatores, dentre os quais se destacam a quantidade de cal adicionada, a porosidade
da mistura, teor de umidade e principalmente tempo de cura.
A presente pesquisa, ao identificar e quantificar as variveis mais importantes no
controle do comportamento de solos artificialmente tratados com cal fornecer subsdios para
que, a partir da manipulao adequada de tais variveis por meio de dosagem, se possa atingir
de forma objetiva e com maior confiabilidade as propriedades requeridas.
1.2 OBJETIVOS
O objetivo geral desta pesquisa validar o uso da relao vazios/cal na estimativa da
resistncia compresso simples e triaxial e verificar o comportamento tenso-deformao,comportamento tenso-dilatncia e rigidez inicial de um solo siltoso tratado com cal, com ou
sem adies (finos), curado por perodos longos.
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Quantificar a influncia da adio de resduos (normalmente utilizados em solos
arenosos) de diferentes potenciais de reatividade no comportamento do solo-calestudado e verificar os efeitos das adies na relao vazios/cal.
Estabelecer uma relao entre a resistncia compresso simples e o mdulo
cisalhante inicial (G0) na metodologia de dosagem, expressa pela relao
vazios/cal.
1.3 ORGANIZAO DA TESE
A presente tese est estruturada em cinco captulos descritos sucintamente a seguir:
No captulo 1 feita uma introduo, onde so apresentados o problema e a relevncia
da pesquisa e so definidos os objetivos gerais e especficos a serem atingidos.
O captulo 2 constitui-se numa reviso da literatura acerca de aspectos relevantes ao
tema abordado. Pretende-se dar ao leitor uma viso geral sobre a tcnica de solos tratadoscom cal, enfatizando sua aplicao, os materiais utilizados e os mtodos de dosagem
existentes. Ainda neste captulo, so abordadas as caractersticas comportamentais tpicas de
solos tratados com cal, bem como, nos fatores que exercem influncia sobre tais
caractersticas, incluindo trabalhos recentes sobre o uso da relao vazios/cal na previso da
resistncia mecnica de solos artificialmente cimentados.
No captulo 3 feita uma descrio detalhada do programa experimental adotado,
especificando as variveis de interesse, os materiais e mtodos utilizados.
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2 REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 VISO GERAL SOBRE A TCNICA DO SOLO-CAL
O uso da cal como aditivo no tratamento de solos o mais antigo mtodo de
estabilizao qumica conhecida, utilizada nas mais variadas aplicaes, como a Via Apia,
construda pelos Romanos. Pode-se definir solo-cal como o produto resultante da mistura
ntima compactada de solo (geralmente argila), cal e gua, em propores estabelecidas
atravs de dosagem (USBR, 1998).
A adio de cal ao solo tem sido denominada de maneiras diferentes conforme o autor,
sendo que termos como solo estabilizado, solo melhorado, solo modificado e solo tratado, so
comumente utilizados. De maneira geral o critrio para a adoo de uma ou outra
denominao o grau de alterao das propriedades do solo natural em funo da quantidadede aglomerante aplicado. Entretanto os processos so conceitualmente os mesmos, ou seja, a
introduo e mistura de cal ao solo para obteno de propriedades como resistncia ou
deformabilidade adequadas a um determinado uso de engenharia. Nesta reviso da literatura
no ser feita distino entre os termos, sendo mantido o termo utilizado pelo autor citado.
Utiliza-se solo-cal quando no se dispem de um material ou combinao de materiais
com as caractersticas de resistncia, deformabilidade e permeabilidade adequados ao projeto.
A estabilizao com cal comumente empregada na construo de estradas, sendo geralmente
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II Rodovia Curitiba/Porto Alegre (Paran) prximo ao km 10, com 1000 metros de
extenso. Foi utilizado um solo siltoso, com 3% e 7% de cal;
III Rodovia Braslia/Fortaleza (Distrito Federal) proximidades de Sobradinho,
foram construdos dois trechos de 150 metros cada e bases com 1% e 3% de cal;
IV Avenida Sernambetiba Guanabara (Rio de Janeiro) trecho de 18 km, com
base de 3% a 4% de cal;
V Rodovia Cruz Alta/Carazinho (BR-377/RS) dois trechos experimentais em solo
argiloso com 4% de cal.
Outra importante aplicao do solo-cal tem sido na proteo de taludes contra a eroso
em obras hidrulicas como, por exemplo, no canal de irrigao de Friant-Kern na Califrnia,
no qual foi utilizada cal virgem pulverizada (3% a 5%). Tanto no aspecto estanqueidade,
como no de estabilidade, o canal, com vazo de 150 m3/min, no apresentou nenhuma eroso
significativa aps um ano de servios contnuos (LITTLE, 1999; GUIMARES, 2002).
A tcnica de melhoramento do solo tambm pode ser utilizada nas fundaes deedificaes de pequeno porte, em solos com baixa capacidade de suporte ou que apresentam
baixa estabilidade volumtrica. Tais condies so problemticas na medida em que podem
causar severas patologias na edificao (INGLES; METCALF, 1972).
A soluo tradicionalmente utilizada para suportar as cargas das construes nestes
locais o uso de fundaes profundas, no entanto, este tipo de soluo tcnica pode
inviabilizar a obra dependendo do tipo do empreendimento (THOM et al., 2005).
Sandroni e Consoli (2010) apresentam uma ampla reviso bibliogrfica sobre a prtica
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estaqueada e congelamento. A adoo de uma ou mais solues tcnicas est associada
principalmente ao tipo de obra e a espessura da camada de baixa resistncia.
Thom et al. (2005), a partir de uma srie de resultados de ensaios de placa sobre
sistemas de dupla camada, sendo a superior cimentada, e simulaes numricas atravs do
Mtodo dos Elementos Finitos, apresentam um mtodo semi-emprico de dimensionamento
de fundaes superficiais apoiadas sobre uma camada de solo resistente, a qual se encontra
assente sobre uma camada de baixa resistncia.
As principais concluses apresentadas por Thom et al. (2005) so:
I - possvel utilizar um modelo simples para representar o comportamento de solos
cimentados e no-cimentados, como o modelo elstico perfeitamente plstico com critrio de
ruptura de Drucker-Prager em conjunto com o Mtodo dos Elementos Finitos, para prever o
comportamento de fundaes superficiais apoiadas em um sistema de dupla camada;
II - dos parmetros dos materiais, o mdulo de elasticidade e o ngulo de atrito da
camada cimentada no influenciam significativamente o valor de capacidade de carga
referente a 2% de recalque relativo (sendo o recalque relativo igual ao recalque observado
divido pelo dimetro da placa);
III - os parmetros dos materiais que mais influenciam a capacidade de carga em um
sistema de dupla camada, sendo a superior cimentada, em ordem e importncia so: coeso da
camada cimentada; coeso, mdulo de elasticidade e ngulo de atrito interno da camada no-cimentada;
IV - a resposta tenso versus recalque relativo ser nica para uma mesma relao
H/D d H d d i d D di d f d Q i
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Portanto a partir de um ensaio de placa de pequeno dimetro sobre um sistema de
dupla camada, alm do valor da capacidade de carga a 2% de recalque relativo, possvelreproduzir a curva carga versus recalque de fundaes de maiores dimenses. De acordo com
os autores, os valores da capacidade de carga a 2% de recalque relativo de fundaes
superficiais apoiadas em sistema de dupla camada, sendo a superior cimentada, podem ser
obtidos atravs das equaes (2.1), (2.2) e (2.3) abaixo:
Para H/D = 1,00: Fu
ePa
q 3235,0%2 10,2 = (equao 2.1)
Para H/D = 0,50: Fu
ePa
q 3365,0%2 31,1 = (equao 2.2)
Para H/D = 0,25: Fu ePa
q 3328,0%2 84,0 = (equao 2.3)
Onde: qu2%: tenso de ruptura a 2% de recalque relativo.
F: fator de parmetros
+
+
+
=Pa
E
Pa
c
Pa
cF
2
24
21ln
cos
1'ln
'ln (equao 2.4)
Pa: presso atmosfrica.c1: coeso da camada cimentada.c2: coeso da camada no-cimentada.2: ngulo de atrito interno da camada no-cimentada.
E2: mdulo de elasticidade da camada no-cimentada.
Como esta formulao foi obtida a partir de dados experimentais, necessrio
explicitar a sua faixa de validade. Na tabela 2.1 apresentada a faixa de variao dos
parmetros para os quais a metodologia aplicvel.
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Alm das aplicaes destacadas anteriormente, como execuo de fundaes
profundas, construo de caminhos de servio, reforo em aterros, conteno em escavaes(injeo de lama de cal sob presso ou grouting), a tcnica de solo-cal tambm pode ser
utilizada na confeco de blocos para alvenaria ou ainda no fechamento de trincheiras abertas
para passagem de canalizaes (INGLES; METCALF, 1972; GUIMARES, 2002).
2.1.1 Materiais Utilizados no Solo-Cal
2.1.1.1 Solo
A cal tem pouco efeito em solos altamente orgnicos e tambm em solos com pouca
ou nenhuma quantidade de argila. mais eficiente em solos argilosos, podendo ser mais
efetivo que o cimento em pedregulhos argilosos (INGLES; METCALF, 1972).
Para verificar qual aglomerante mais indicado a ser utilizado na estabilizao de solosdeve-se levar em considerao a granulometria do solo e a plasticidade. Solos com mdia a
alta plasticidade so mais reativos a cal, a qual aumenta a trabalhabilidade, diminui a
expanso volumtrica e aumenta a resistncia (USACE, 1994).
Thompson (1966) denominou de reativos aqueles solos que ao reagirem com a cal
sofrem substancial ganho de resistncia, qual seja, 345 kN/m2, aps 28 dias de cura
temperatura de 22,8 C. Solos que apresentam limitada reatividade pozolnica (ganhos de
resistncia inferiores a 345 kN/m2) so denominados de no-reativos.
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Ormsby e Kinter (1973) constataram para um solo contendo como principal argilo-
mineral a caulinita, que a mistura com cal clcica apresentou maior resistncia compressosimples que a mistura com cal dolomtica. Quando o principal argilo-mineral presente era a
montmorilonita, a cal dolomtica apresentou desempenho um pouco superior. Segundo
Bhattacharja et al. (2003), independentemente da fonte de clcio utilizada, necessrio que
uma quantidade equivalente de clcio seja disponibilizada para as reaes pozolnicas. Na cal
dolomtica a presena de magnsio reduz a disponibilidade de clcio por peso unitrio, o quepoderia ser compensado pela dosagem de um maior teor de cal.
2.1.1.2 Cal
Conforme Guimares (2002), a cal utilizada na estabilizao ou melhoria dos solos
produto resultante da calcinao, em temperaturas prximas de 1000C, de rochas
carbonatadas clcicas e magnesianas existentes na superfcie terrestre. Na forma hidratada
deve obedecer s determinaes da Norma Brasileira NBR 7175.
Na tabela 2.2 so apresentadas as propriedades com valores mdios das cales
comercializadas no mercado brasileiro, segundo Guimares (2002).
Tabela 2.2: Composio mdia das cales brasileiras (GUIMARES, 2002)
TIPO DE CAL CaO(%)MgO(%)
Insolvelno HCl
(%)
Fe2O3+Al2O3(%)
Perda aoFogo (%)
CO2(%) SO3(%)
CaO + MgO
Base deNo-Voltil
(%)
MgO
NoHidratado
(%)
CAL VIRGEM
CLCICA9098 0,10,8 0,53,5 0,21,0 0,55,0 0,23,8 0,10,6
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2.1.1.3 Resduos Industriais
A preocupao com o destino dos resduos proveniente de qualquer tipo de indstria
alvo de inmeros trabalhos e pesquisas na atualidade. A introduo de resduos industriais na
rea de melhoramento de solos visa basicamente solucionar problemas de carter econmico,
tecnolgico, de consumo energtico e de ordem ambiental (CINCOTTO, 1988).
Thom (2008) apresenta uma ampla reviso bibliogrfica do uso de resduosindustriais no melhoramento de solos no Brasil. Entre os materiais utilizados no
melhoramento de solos no Brasil esto o fosfogesso, cal de carbureto, cinza pesada, fibras de
garrafas PET, alcatro de madeira, resduo da indstria de pedras preciosas, resduos de
britagem, resduos de construo e demolio e raspas de pneu.
O uso de resduos como a cinza volante e filler proveniente da britagem de rochas
baslticas, materiais utilizados nessa pesquisa, em principio so normalmente utilizados como
adies no melhoramento de solos com cal, onde a matriz predominantemente arenosa com
escassez de argila coloidal, a qual no reage satisfatoriamente cal. Para a estabilizao
desses solos, quando o consumo de cal muito elevado (economicamente invivel) ou quando
a correo da granulometria no possvel (por falta de outros materiais), a adio de
materiais silicosos pode torn-los reativos cal (TRB, 1976; CONSOLI et al., 2001; LOPES
JUNIOR, 2007; DALLA ROSA, 2009a).
2.1.2 Reaes Solo-Cal
Castro (1995) observa que quando se adiciona cal a um solo fino em presena de gua,
ocorrem simultaneamente algumas reaes qumicas A estabilizao qumica com cal
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As reaes pozolnicas so responsveis pelo contnuo aumento da resistncia
mecnica de misturas solo-cal. Esse aumento ocorre porque as fontes de slica, alumina eferro presentes no solo reagem com a cal e a gua, formando diversos produtos cimentantes.
Segundo Rogers e Glendinning (2000), os ons hidroxila liberados da cal elevam o pH
da mistura a um valor suficientemente alto, de modo que a slica e a alumina sejam
dissolvidas da argila. Essas reaes formaro gis de silicatos ou aluminatos hidratados de
clcio. Segundo relato do TRB (1987) esta reao no cessar enquanto houver Ca(OH)2
reagindo e slica disponvel no solo. Conforme Ingles e Metcalf (1972), os gis de silicato
resultantes da reao imediatamente cobrem e ligam as partculas de argila, bloqueando os
vazios. Os gis so cristalizados lentamente e transformados em silicatos hidratados de clcio
bem definidos. Os autores salientam que esta reao s ocorre em presena de gua, que tem a
funo de carregar os ons clcio e hidroxila para a superfcie da argila. Este mecanismo
mostrado na figura 2.2.
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2.1.3 Dosagem Solo-Cal
2.1.3.1 Mtodos Clssicos
A dosagem visa selecionar a quantidade de cal a ser adicionada ao solo que fornecer a
resistncia e a durabilidade adequadas ao uso que o material se destina. O procedimento dedosagem feito atravs de baterias de testes de laboratrio (INGLES; METCALF, 1972).
Entre os mtodos clssicos de dosagem de misturas solo-cal mais utilizados destacam-
se:
I Mtodo do pH (EADES; GRIM, 1966) consiste na determinao do teor mnimode cal que produza um aumento no valor de pH para 12,4.
II Mtodo do ICL (Initial Consumption of Lime) proposto por Rogers et al. (1997),
uma variao do mtodo do pH, onde o teor mnimo de cal aquele onde o pH atinge um
valor constante (mximo);
III Mtodo doLime Fixation Point(HILT; DAVIDSON, 1960) baseado no limite
de plasticidade, que determina o teor de cal mximo que proporciona melhoria na
trabalhabilidade, sem ganhos significativos de resistncia;
IV Mtodo de Thompson (1966) que define como reativo um solo que apresenteum aumento de resistncia compresso simples de pelo menos 345 kPa quando estabilizado
com cal.
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como Gley Hmico, verificou que o mtodo Eades e Grim (1966) no se apresentou adequado
para a determinao do teor timo de cal, o valor adotado pelo mtodo (9%) simplesmentemelhorou as caractersticas do material, no cimentando as partculas como esperado.
Segundo Bhattacharja et al. (2003), os mtodos de dosagem existentes geralmente
consideram a resistncia como um critrio secundrio e no levam em considerao a
durabilidade.
A ttulo de ilustrao, a tabela 2.3, adaptada de Ingls e Metcalf (1972), apresenta um
indicativo da quantidade de cal a ser adicionada para a estabilizao, de acordo com o tipo de
solo.
Tabela 2.3: Previso da quantidade de cal em funo do tipo de solo(adaptada de INGLES; METCALF, 1972)
TIPO DE SOLOTEOR DE CAL PARA
MODIFICAOTEOR DE CAL PARA
ESTABILIZAO
Pedra finamente britada 2 a 4 No recomendado
Pedregulho argiloso bem graduado 1 a 3 3
Areias No recomendado No recomendado
Argila arenosa No recomendado 5
Argila siltosa 1 a 3 2 a 4
Argilas 1 a 3 3 a 8
Solos orgnicos No recomendado No recomendado
2.1.3.2 Metodologia Relao Vazios/Cal
A relao volume de vazios/volume de agente cimentante na previso do
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Em seu estudo, Lopes Junior (2007) utilizou solo residual de arenito Botucatu
misturado com 25% de rocha basltica pulverizada. As porcentagens de cal utilizadas, emrelao massa de solo seco, foram de 3%, 5%, 7%, 9% e 11%. Para cada porcentagem de cal
foi feita uma srie de ensaios de resistncia compresso simples, moldadas a diferentes
teores de umidade e massas especficas aparentes secas, ambos determinados a partir das
curvas de compactao das misturas de solo-cal.
A relao vazios/cal utilizada por Lopes Junior (2007) definida pela seguinte
expresso:
caldeabsolutoVolume
gua)(arvaziosdeabsolutoVolume +=
ca
v
V
V (equao 2.5)
Para Lopes Junior (2007), a melhor maneira de representar a relao vazios/cal na
previso da resistncia compresso simples e compatibilizar as taxas de variao das
grandezas foi atravs da aplicao de uma potncia igual a 0,06 sobre o parmetro Vca. Na
figura 2.3 so mostrados os resultados obtidos para amostras com 28 e 90 dias de cura. Para o
autor, o uso deste tipo de relao pode ser de utilizada para dosagem de solo-cal e controle de
execuo de misturas em campo.
1000
1200
1400
1600
1800
2000
qu(kPa)
Cal 28 dias : qu= 4,22.1009
(Vv/(Vca)0,06
)-3,89
(R2= 0,97)
Cal 90 dias : qu= 4,15.1010
(Vv/(Vca)0,06
)-4,29
(R2= 0,98)
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Posteriormente Dalla Rosa (2009a), utilizando o mesmo conceito vazios/cal, tratou um
solo silte arenoso misturado com diferentes propores de cinza volante (12,5%, 25% e 50%)com 3%, 5%, 7% e 9% de cal. Para cada porcentagem de cal foi feita uma srie de ensaios de
compresso simples, moldadas a diferentes massas especficas aparente secas e curadas por
distintos perodos de cura. A figura 2.4 apresenta a relao vazios/cal, expressa na forma de
porosidade/teor volumtrico de cal, com os resultados de compresso simples das amostras de
solo-cal com 25% de cinza volante curadas previamente por 28, 60 e 90 dias. Paracompatibilizao das grandezas, o autor utilizou uma potncia igual a 0,12, o qual no variou
com o tempo de cura.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
qu
(kPa)
/ (Cav)0,12
28 dias : qu = 1,37x1010(/Cav
0,12)-4,58 (R2 = 0,93)
60 dias : qu = 2,11x1010(/Cav
0,12)-4,58 (R2 = 0,88)
90 dias : qu = 3,44x1010(/Cav
0,12)-4,58 (R2 = 0,92)
Figura 2.4: relao porosidade/teor volumtrico de cal ajustado versus
resistncia compresso simples (adaptado de DALLA ROSA,
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resultados de resistncia compresso simples obtidos por Foppa (2005). Foram adotados trs
valores de /(Civ)0,28
(relao entre a porosidade e o teor volumtrico de cimento ajustadospor um fator 0,28) para avaliao (20, 25 e 35), como apresentado na figura 2.6.
Os autores concluram que a relao vazios/cimento tambm fornece bons resultados
para a previso da tenso desvio dos ensaios triaxiais adensados no-drenados. Observaram,
tambm, que a curva de ajuste dos ensaios triaxiais ficou prxima, porm, um pouco acima da
curva de ajuste dos ensaios de compresso simples, devido ao efeito do confinamento (Figura
2.5).
qu = 5,025.107(
/(Civ)0,28
)-3,32
R
2
= 0,97
d = 2,948.106(
(Civ)0,28
)-2,31
R2= 0,85
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
10 15 20 25 30 35 40 45
/(Civ)0.28
qu(kPa)
Compresso Simples
Triaxiais N o-drenados
Figura 2.5: previso da tenso desvio atravs da relaovazios/cimento (CONSOLI et al., 2007)
Cruz (2008) utilizando o conceito vazios/cimento tratou uma areia fina com 2% 3%
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Figura 2.6: tenso versus relao vazios/cimento para diferentestenses confinantes (CRUZ, 2008)
Na figura 2.7 so apresentas as correlaes entre a relao vazios/cimento e a rigidez
inicial (G0). A partir dos resultados de compresso simples e rigidez inicial, Cruz (2008)
relacionou as duas variveis de resposta, obtendo como equao resultante:
ivu Cq
G 10000 (equao 2.6)
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2.2 VARIVEIS DETERMINANTES DO COMPORTAMENTO DO SOLO-
CAL
2.2.1 Efeito da Cal
A primeira resposta da mistura solo-cal ser a reduo do ndice de plasticidade e
melhoria na trabalhabilidade e a segunda ser o ganho de resistncia atravs da cimentao
das partculas (INGLES; METCALF, 1972; ATTOH-OKINE, 1995; TRB, 1987).
Guimares (1971) afirma que, de modo geral, a cal afeta favoravelmente certas
propriedades dos solos, o que se reflete em variaes das caractersticas fsicas seguintes:
granulometria, plasticidade, contrao e retrao, umidade de campo, densidade,
trabalhabilidade, desintegrao e compactao, resistncia e permeabilidade.
Consoli et al. (2001), ao estudar um solo arenoso tratado com cinza volante e cal decarbureto, verificaram que para uma mesma tenso confinante, o aumento da quantidade de
cal provoca aumento da resistncia de pico e diminuio da deformao na qual o pico
atingido.
2.2.2 Efeito da Densidade e Compactao
De similar importncia quantidade de cal a densidade na qual a mistura
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As partculas do solo, quando adicionada cal, se tornam mais floculadas, devido
substituio dos ons sdio monovalentes da argila por ons clcio divalentes. Devido floculao, a quantidade de vazios e o tamanho dos vazios no solo aumenta. Esta estrutura
floculada forte o suficiente para resistir aos esforos de compactao com um ndice de
vazios mais alto, reduzindo assim o ddo solo. Quanto mais vazios houver, mais gua ser
necessria para preench-los, o que resultar em uma umidade tima maior, e uma curva de
compactao mais achatada (SIVAPULLAIAH et al., 1998).
2.2.3 Efeito do Teor de Umidade e da Relao gua/Cal
Solos estabilizados com cal normalmente so compactados em campo na umidadetima para obteno da massa especfica aparente seca mxima, como determinado no ensaio
de compactao de Proctor. Entretanto, estudos com solo-cal e solo-cimento mostram que em
alguns casos, o teor de umidade que proporciona mxima resistncia e durabilidade no
necessariamente igual ao teor de umidade que gera a maior massa especfica aparente seca, e
sim um valor levemente inferior ao teor timo (CARRARO, 1997; FOPPA, 2005).
Kzdi (1979) observou que no existe uma correlao entre o teor de umidade de
moldagem que confere aos corpos-de-prova o mximo valor de resistncia e aquele que
permite a compactao na mxima densidade.
Osinubi (1998) estudou a influncia do retardamento da compactao em misturassolo-cal, observando uma reduo na umidade tima da mistura com a espera na
compactao, o que pode ser atribudo s trocas catinicas e floculao das partculas de
argila que ocorrem simultaneamente deste modo diminuindo a gua disponvel no sistema
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clcica e dolomtica, o autor observou uma umidade tima em mdia 1,3% maior para as
misturas com cal clcica que para as misturas com cal dolomtica.
Lopes Junior (2007) estudou misturas de solo residual de arenito Botucatu com 25%
de rocha basltica pulverizada, tratadas com 3%, 5%, 7%, 9% e 11% de cal. Nessas misturas
utilizou-se 10%, 12%, 14% e 16% de umidade de moldagem. Os resultados mostraram que a
variao de umidade de moldagem no afetou a resistncia compresso simples para os
tempos de cura estudados (28 e 90 dias), verificou-se no existir relao entre a resistncia
compresso simples e a relao gua/cal. Segundo o autor, para o solo-cal estudado, a relao
gua/cal no a melhor maneira de prever a resistncia em solos no estado no-saturado. Em
solos tratados com cal, Ingls e Metcalf (1972) afirmam que a gua somente necessria para
transportar os ons clcio e hidroxila para a superfcie da argila para que ocorram as reaes
qumicas, e que o teor timo de gua obtido pelo ensaio de compactao suficiente para
efetivar esse processo.
2.2.4 Efeito do Tempo de CuraIngls e Metcalf (1972) apresentam um estudo sobre a influncia do tempo de cura em
diferentes tipos de solos, tratados com 5% de cal hidratada, observando taxas de ganhos de
resistncia maiores em pedregulhos arenosos, conforme a figura 2.8.
Thom (1994) estudou misturas de uma argila mole (pedologicamente conhecidacomo Gley Hmico) com 5, 7 e 9% de cal dolomtica. Observou que a resistncia no
apresentou variao significativa para tempos de cura superiores a 7 dias. Segundo o autor, as
reaes pozolnicas foram impedidas ou sua quantidade insuficiente para cimentar as
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simples fundamentalmente dependente do teor de cal de carbureto, apresentando uma
relao aproximadamente linear.
Figura 2.8: efeito do tempo de cura sobre a resistncia compresso
simples para alguns solos estabilizados com cal (adaptado deINGLS; METCALF, 1972)
Lopes Junior (2007) verificou que misturas de solo residual de arenito Botucatu com
25% de rocha basltica pulverizada, tratadas com 3%, 5%, 7%, 9% e 11% de cal, curadas com
90 dias, apresentaram em mdia, resistncias 50% superiores em relao s amostras com 28
dias de cura.
Para as misturas de solo residual de Arenito Botucatu com 25% de cinza volante,
d 3% 5% 7% 9% d l D ll R (2009 ) ifi d
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2.3 COMPORTAMENTO MECNICO DO SOLO-CAL
2.3.1 Resistncia Compresso Simples
A resistncia de misturas solo-cal normalmente avaliada atravs dos ensaios de
compresso simples, compresso triaxial e ndice de Suporte Califrnia (ISC), e depende de
diversas variveis como: tipos de solo e cal, teor de cal, tempo e temperatura de cura (TRB,
1987).
Segundo Ingls e Metcalf (1972), geralmente, a resistncia compresso simples
aumenta linearmente com a quantidade de cal at certo nvel, usualmente 8% para solos
argilosos. A partir deste ponto a taxa de acrscimo de resistncia diminui com a quantidade de
cal, devido s misturas solo-cal apresentarem uma cimentao lenta e depender do tipo de
solo (Figura 2.9).
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Herrin e Mitchell (1961) afirmaram que no h, aparentemente, um teor timo de cal,
que produza a mxima resistncia em um solo estabilizado. Apontaram o teor e tipo de cal, otipo de solo, a massa especfica, o tempo e tipo de cura, como sendo os principais fatores que
influenciam a resistncia de misturas de solo e cal.
Ormsby e Kinter (1973), por sua vez, constataram que em solos ricos em caolinita a
adio de cal clcica d maiores resistncias do que a dolomtica, sendo a resistncia
compresso simples funo linear do teor de cal adicionado. J para solos contendo
montmorilonita a relao uma equao do segundo grau, e os melhores efeitos so obtidos
com a adio de cal dolomtica.
O aumento da resistncia compresso simples de misturas solo-cal, com o aumento
da energia de compactao, foi observado por Mateos (1964), que afirmou que a resistnciadas misturas fortemente influenciada pela temperatura de cura, recomendando a construo
de camadas de pavimento estabilizadas com cal no incio do vero. Carraro (1997) verificou
que a energia de compactao influencia e de fundamental importncia na determinao da
resistncia mecnica de solos tratados com cal de carbureto e cinza volante.
2.3.2 Resistncia Trao
A resistncia trao do solo-cimento de grande interesse em projetos de
pavimentos e tem sido investigada por vrios pesquisadores. (TRB, 1987).
Conforme citado por Nez (1991), Thompson (1975) afirmou que a resistncia
trao por compresso diametral conduz a menores valores que a resistncia trao na
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Segundo TRB (1987), estudos de Thompson (1969) demonstraram que o quociente
entre a resistncia trao na flexo e a resistncia trao na compresso diametral emtorno de 2. Assim pode-se estimar que a resistncia trao na flexo 25% da resistncia
compresso simples.
2.3.3 Resistncia ao Cisalhamento
Existe um entendimento geral que, para uma dada variao de tenses, a resistncia ao
cisalhamento de solos naturalmente e artificialmente cimentados pode ser representada por
uma envoltria reta de Mohr-Coulomb, definida por um intercepto coesivo, que apenas
funo da cimentao, e por um ngulo de atrito que parece no ser afetado pela cimentao(SCHNAID et al, 2001).
O principal efeito na resistncia ao cisalhamento de um solo fino reativo o de
produzir um substancial aumento da coeso; sendo o aumento do ngulo de atrito bem menos
expressivo. Considerando as baixas tenses confinantes atuantes no interior de pavimentos
flexveis ou fundaes superficiais, o aumento da coeso da maior importncia. Para os
solos de Illinois, Thompson (1966) observou que o ngulo de atrito interno de misturas solo-
cal variava de 25 a 35 e obteve a seguinte relao entre a coeso (c) e a resistncia
compresso simples (RCS):
c = 9,3 + 0,292 RCS (equao 2.6)
Onde: c e RCS so medidas em psi (1 psi 0,7 kgf/cm2)
Th (1994) t bili l l ifi d Gl H i 5% 7%
50
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2.3.4 Resposta Tenso-Deformao
As caractersticas tenso-deformao so essenciais para a anlise do comportamento
de uma estrutura de pavimento ou fundaes superficiais assentes sobre uma camada em solo-
cal.
Em geral, o comportamento tenso-deformao de solos cimentados pode ser descrito
como inicialmente rgido, aparentemente linear at um ponto de plastificao bem definido,alm do qual o solo sofre aumento nas deformaes plsticas at a ruptura. Outra
caracterstica apresentada a marcante fragilidade na ruptura com a formao de planos de
ruptura. Tal fragilidade aumenta com o aumento da quantidade de aglomerante e diminui com
o aumento da tenso efetiva mdia (SCHNAID et al., 2001).
O efeito da cal nas caractersticas de deformabilidade de um solo fino reativo so
marcantes. A tenso de ruptura aumenta significativamente, enquanto que a deformao para
ruptura diminui. Akoto e Singh (1986) observaram que quando as tenses de trao so
elevadas, as amostras de laterita tratadas com cal se deformam notavelmente antes de
romperem. Thompson (1965), entretanto, afirmou que a anlise da curva tenso deformao
revela o comportamento frgil das misturas solo-cal.
Para o solo classificado como Gley Hmico, Thom (1994) observou que o mdulo
secante, entre a origem e 75% da tenso de ruptura, aumenta com o teor de cal. Aps 7 dias de
cura, a mistura de solo tratado com 9% de cal apresentou mdulo secante 2,63 vezes maior
do que o solo natural.
Consoli et al. (1997) apresentam resultados de ensaios triaxiais CIU contendo o
comportamento tenso-deformao-poropresso de misturas de argila com alto teor de
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mas tambm as condies de compactao. Os autores observaram tambm que o mdulo de
deformao secante decresce de forma acentuada com o aumento das deformaes axiais.
Figura 2.10: Curvas (ensaios triaxiais CIU) tenso-deformao-poropresso (CONSOLI et al., 1997)
2.3.5 Rigidez Inicial
O aumento da rigidez inicial o efeito mais evidente em solos cimentados, por esta
razo, e em funo dos avanos tecnolgicos realizados nas reas de medio de deformaes
e de aquisio de dados em laboratrio, diversos autores tm se dedicado ao estudo do
comportamento a pequenas deformaes de materiais geotcnicos. Entre eles, esto ostrabalhos apresentados por Clough et al. (1981), Bressani (1990), Chang e Woods (1992),
Hight e Jardine (1993), Tatsuoka et al (1999), Consoli et al (2000) e Schnaid et al (2001).
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Atravs dos trabalhos realizados por Atkinson e Sallfors (1991) e Mair (1993),
Atkinson (2000) apresenta na figura 2.11 uma tpica curva rigidez-deformao, onde seobserva a degradao da rigidez com o aumento da deformao, as faixas de deformaes a
que o solo est submetido em condies de servio para diferentes estruturas geotcnicas e as
faixas de deformaes para as quais a rigidez pode ser determinada em diferentes ensaios
laboratoriais. Verifica-se que para pequenas deformaes a rigidez relativamente alta,
enquanto que, para deformaes prximas da ruptura, o seu valor diminui drasticamente. Estadegradao, demostra claramente a forte dependncia da rigidez com o nvel de deformao,
comprovando o carter no linear dos solos.
Figura 2.11: curva de degradao da rigidez com o nvel dedeformao (adaptado de ATKINSON, 2000)
Assim vrios estudos tm proposto a utilizao de um modelo de comportamento
53
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contatos das partculas, sendo que quando superada a mesma, notveis mudanas no vetor de
incremento de deformaes plsticas so constatadas. Por final, uma terceira superfcie define olimite onde a partir deste ponto, deformaes em larga escala so observadas, e como
consequncia, ocorre progressiva degradao da estrutura cimentante. Sendo assim, esta
superfcie somente afetada por deformaes relativamente grandes.
O comportamento na faixa de deformaes intermedirias (10-5a 10-2) caracteriza-se
por deformaes irreversveis no lineares, muito importantes na avaliao de movimentos
em massas de solo e estrutura de engenharia, mas que, porm, so mais difceis de
caracterizar do que as propriedades quase-elsticas. A obteno de parmetros adequados para
projeto nesta faixa de deformaes normalmente baseada em uma combinao das seguintes
abordagens: (1) a combinao de parmetros de rigidez quase-elsticos obtidos a partir de
medidas ssmicas com dados a grandes deformaes obtidos em ensaios de carregamento emcampo; (2) a anlise no linear de resultados de ensaios de placa ou pressiomtricos; e (3)
ensaios de laboratrio com medidas na faixa de deformaes de interesse, realizados sobre
amostras da melhor qualidade possvel e utilizando-se trajetrias de tenses relevantes
(TATSUOKA et al., 1999).
Segundo Tatsuoka e Kohata (1994), a avaliao da rigidez inicia