Estudo da influência da estrutura e da cimentação artificial no comportamento hidromecânico de uma argila tropical com o uso da técnica ultrassônica

Abstract

Os solos tropicais, presentes em regiões de clima quente e úmido, como é o caso do Brasil, possuem inúmeras propriedades e peculiaridades de comportamento resultantes de seus processos geológicos e pedológicos. As características peculiares de estruturação desses solos dificultam seu entendimento geotécnico, incluindo a compreensão de seu comportamento quanto ao colapso. Um fator que aumenta ainda mais a complexidade do comportamento hidromecânico desses solos é a presença de cimentação artificial. Essa complexidade resulta na existência, ainda hoje, de contradições na literatura técnico- científica quanto ao efeito da cimentação artificial sobre parâmetros geotécnicos. Neste contexto, esta pesquisa objetivou o desenvolvimento de um estudo experimental para investigar a influência da estrutura e da cimentação artificial no comportamento hidromecânico de um solo residual tropical argiloso, considerando-se análises das respostas obtidas em nível macroestrutural subsidiadas pela microestrutura e mineralogia e pela aplicação da técnica ultrassônica, visando contribuir para o avanço científico na compreensão das causas das peculiaridades comportamentais desses solos e do efeito da variação do grau de cimentação. Os ensaios ultrassônicos foram realizados para prover informações complementares sobre a taxa de alteração das propriedades hidromecânicas do solo atribuídas à cimentação. O estudo foi dividido em três artigos: o primeiro teve como foco investigar a influência da estrutura na curva de retenção de água e no comportamento do solo tropical residual argiloso quanto à compressibilidade e susceptibilidade ao colapso, analisando-se os fatores que intervêm na ocorrência do colapso e o efeito de ciclos de umedecimento e secagem; o segundo é referente ao estudo das misturas do solo tropical argiloso com diferentes teores de cimento, a fim de se compreender as mudanças nas propriedades físicas e mecânicas associadas às alterações mineralógicas e microestruturais causadas pela cimentação artificial, aplicando-se a técnica ultrassônica e avaliando-se, de forma correlacionada, os resultados dos ensaios propostos; o terceiro envolve a parte do estudo referente à análise das alterações no comportamento hidromecânico do solo tropical argiloso devido à variação do grau de cimentação artificial, tendo por base análises do efeito da cimentação a nível microestrutural, como subsídio para interpretação dos resultados, e avaliações mediante aplicação da técnica ultrassônica. De forma geral, o programa experimental envolveu a realização de ensaios de caracterização geotécnica, química, mineralógica, microestrutural, investigação físico-química, ensaios de resistência à compressão não confinada, módulo de resiliência, triaxial adensado e não drenado, ultrassônicos e determinação da curva de retenção de água. Os resultados indicaram alterações nas respostas hidromecânicas devidas à variação da estrutura e do grau de cimentação, sendo essas alterações explicadas pelas mudanças observadas na microestrutura. Compressibilidade, suscetibilidade e potencial de colapso, capacidade de retenção de água, deformabilidade e resistência não drenada foram afetados diretamente pela variação da estrutura. As alterações microestruturais, ao fornecerem variação no caminho para a propagação da onda ultrassônica, alteraram os valores de sua velocidade, o que permitiu associar essas alterações com as diferenças observadas através dos ensaios destrutivos, que também foram associadas às alterações microestruturais. Boas correlações foram obtidas entre as velocidades da técnica ultrassônica e os parâmetros obtidos a partir dos ensaios destrutivos. As constatações da pesquisa reforçam a eficiência da aplicação da técnica ultrassônica para análise da variação da estrutura, o que sugere sua aplicabilidade para avaliação da qualidade de conservação de amostras indeformadas, e do efeito da cimentação artificial, considerando tempo de cura e variação da quantidade de cimento. Isso permite que as velocidades ultrassônicas sejam consideradas como parâmetros preliminares para identificação do efeito da cimentação artificial em projetos ligados à estabilização solo-cimento, sendo possível obter correlações com parâmetros mecânicos obtidos de ensaios destrutivos de módulo de resiliência, resistência à compressão não confinada e ensaio triaxial adensado não drenado. Palavras-chave: estrutura do solo; cimentação artificial; comportamento hidromecânico; técnica ultrassônica.Tropical soils, found in regions with hot and humid climates such as Brazil, have numerous properties and behavioral peculiarities resulting from their geological and pedological processes. The peculiar structural characteristics of these soils make them difficult to understand geotechnically, including their collapse behavior. A factor that further increases the complexity of the hydromechanical behavior of these soils is the presence of artificial cementation. This complexity leads to the existence of contradictions in the technical-scientific literature regarding the effect of artificial cementation on geotechnical parameters. In this context, this research aimed to develop an experimental study to investigate the influence of fabric and artificial cementation on the hydromechanical behavior of a tropical clayey residual soil, considering analyses of the responses obtained at the macrostructural level. These analyses were supported by microstructure and mineralogy and by the application of ultrasonic technique, in order to contribute to the scientific progress in understanding the causes of the behavioral peculiarities of these soils and the effect of varying the degree of cementation. Ultrasonic tests were performed to provide complementary information on the rate of change of the hydromechanical properties of the soil due to cementation. The study has been divided into three separate papers: the first paper was focused on the study of the influence of the fabric on the soil water retention curve and on the behavior of tropical residual clay soil in terms of compressibility and its susceptibility to collapse. It was also analyzed the factors that intervene in the occurrence of the collapse and the effect of wetting and drying cycles on the clay soil behavior; the second paper is about the study of mixtures of tropical clay soils with different cement content. The main objective was to understand the changes in physical and mechanical properties associated with the mineralogical and microstructural alterations caused by artificial cementation. The ultrasonic technique was applied and the results of the proposed tests were evaluated in a correlated manner; the third part of the study involves the analysis of changes in the hydromechanical behavior of tropical clay soils due to variations in the degree of artificial cementation. The analyses were based on the effect of cementation at the microstructural level as a basis for interpreting the results. Microstructural analyses were also applied for evaluations using the ultrasonic technique. Overall, the experimental program included geotechnical, chemical, mineralogical and microstructural characterization tests, physicochemical investigations, unconfined compressive strength tests, resilient modulus tests, triaxial tests (consolidated and undrained), ultrasonic tests, and determination of the soil water retention curve. The results showed changes in the hydromechanical responses due to variations in the structure and degree of cementation, which were explained by the changes observed in the microstructure. Compressibility, susceptibility and collapse potential, water retention capacity, deformability and undrained strength were directly affected by the variation in structure. The microstructural changes, by varying the path for the propagation of the ultrasonic wave, modified the velocity values. This made it possible to relate these changes to the differences observed in the destructive tests, which were also related to the microstructural changes. Good correlations were obtained between the ultrasonic velocities and the parameters obtained from the destructive tests. The research results confirm the efficiency of the ultrasonic technique for the analysis of structural variations, suggesting its applicability for the evaluation of the conservation quality of undeformed samples. It was also effective in analyzing the effect of artificial cementation, taking into account the curing time and the variation in the amount of cement. These results allow ultrasonic velocities to be considered as preliminary parameters for identifying the effect of artificial cementation in soil-cement stabilization projects. In this way, it is possible to obtain correlations with mechanical parameters obtained from destructive resilient modulus tests, unconfined compressive strength and undrained triaxial tests. Key-words: fabric; artificial cementation; hydromechanical behavior; ultrasonic technique.