Conheça Solos Orgânicos e Turfas II

OBTER AMOSTRAS FIDEDIGNAS DE SOLOS MOLES ORGÂNICOS, PARA ANÁLISES EM LABORATÓRIO, BEIRA A UTOPIA.

Segundo Hvorslev, 1949, são quatro as modalidades de afetamento das amostras de solos orgânicos, amolgadas ou simplesmente comprometidas, para análises laboratoriais:
• Alteração para as condições de tensão.
• Alteração no teor de umidade e índice de vazios.
• Alteração da estrutura do solo.
• Mistura e segregação dos constituintes do solo.

Figura 1 – Localidade perto de Navegantes, SC, sendo preparada para o Geoenrijecimento de profundos depósitos de solos moles, objetivando-se a duplicação da BR470. Nesta região há depósitos de solos moles orgânicos com 30m de profundidade, com diversas camadas de turfas. Ou seja, solo extremamente difícil de melhorar.

Turfas, geralmente, contém mais de 90% d’água, com camadas de material fibroso/esponjoso, difíceis de serem cortados sem danificar seu estado de compressão, mesmo utilizando-se tubos de amostragem de parede fina e cortante. Alguns pesquisadores, sugerem fazer a amostragem com rotação, pois danifica menos a condição do “solo”. A questão é que, quase que invariavelmente, é missão impossível retirar amostras de solos orgânicos moles ou turfas sem alterar sua condição original. Amostras consideradas amolgadas, do ponto de vista geotécnico, ou seja, com sua densidade e propriedades mecânicas alteradas, podem, no entanto serem representativas do solo, com relação a sua natureza, tipo, preparação de seus constituintes, teor de umidade, etc, bastando, para pequenas profundidades, um simples trado, operado manualmente. Para maiores profundidades faz-se uso de perfuratriz.
Na realidade não há, ainda, ferramentas específicas para se determinar as propriedades in situ de turfas. No entanto utiliza-se, rotineiramente, os mesmos métodos de análises de solos argilosos moles. Devido a grande variabilidade presente nos depósitos orgânicos, particularmente com relação ao sua textura, utilizam-se diversos testes, complementados com análises laboratoriais, objetivando-se obter propriedades específicas para um determinado projeto. São eles:

a) Ensaio palheta (Vane Test)
O teste com base na ruptura do solo, utilizando-se miniatura de palheta, pode ser utilizado objetivando-se estimar, rapidamente, a resistência cisalhante não drenada de solos moles, assim como na condição altamente orgânico ou com turfa, desde que não se ultrapasse os 200kPa. Solos muito sensitivos podem ser amolgados durante a inserção da palheta.

b) CPT ou CPTU
Este ensaio, também com base na ruptura do solo, determina a resistência de ponta e o atrito lateral, ou seja, os componentes da resistência à penetração na medida em que se procede a lenta cravação do instrumento.

c) Ensaio pressiométrico
Este ensaio, ao contrário dos dois anteriores, baseia-se na deformação do solo, obtendo-se a resposta tensão-deformação in situ. O módulo pressiométrico e a pressão limite são extremamente úteis para a análise geotécnica, objetivando-se projetos de fundação.

d) Provas de carga com aterros teste
Este ensaio é o mais realista para a obtenção da capacidade de carga do solo. São aterros monitorados, geralmente em formato quadrado, com 3 a 6m de lado, com altura sugestiva da carga do aterro mais a do empreendimento, adicionando-se uma carga de segurança. Este ensaio fornece o recalque que o solo apresentará quando carregado.

Figura 2 – Neste terreno, com solos orgânicos e turfosos já a superfície, tentou-se escavar para a construção da galeria de águas pluviais, sem sucesso.

Uma análise atual dos testes in situ, para solos orgânicos e turfas deixam claro que, infelizmente, não acompanharam a prática desenvolvida para solos minerais inorgânicos. Torna-se necessário reconhecer estas diferenças, estabelecendo-se que com teores orgânicos até 25%, poder-se-á Geoenrijecê-los como solos argilosos inorgânicos, utilizando-se todos os ensaios pertinentes. Por outro lado, há sérias questões com relação a aceitabilidade dos ensaios convencionais in situ, quando aparecem solos fibrosos, altamente orgânicos, já que apresentam inerente anisotropia, tendência de alta compressibilidade, rápida drenagem, alta ou nenhuma resistência (variável), tornando-se inviável interpretar seus parâmetros mecânicos. Principalmente porque são irrelevantes os modos de ruptura, induzidos nos ensaios laboratoriais ou penetrométricos de campo (palheta, CPTU, SPT), considerando-se a interação com suas fibras, anisotropia e compressibilidade, resultando em propriedades mecânicas nada representativas ou, frequentemente, inconsistentes. É muito interessante observar que no ensaio palheta, a superfície cisalhante é vertical, no CPTU é mal definida, inclinada na compressão triaxial e horizontal no ensaio de cisalhamento direto. O ensaio pressiométrico, por outro lado, por ser um ensaio com características deformativas é o que apresenta melhores resultados. Contudo, esta inerente dificuldade com solos orgânicos e turfosos, tem feito com que pesquisadores, como Landva, recomendassem execução de provas de carga, com aterros testes, objetivando-se de obter parâmetros mais realistas para cada projeto.

Figura 3 – Difilculdades de trabalho em terrenos com solos moles.
Propriedades dos solos orgânicos e turfosos

O grau de humificação, resistividade, teor de umidade, limites líquidos, peso específico e pH são parâmetros mais que indicadores para solos orgânicos e turfosos. Estes parâmetros são úteis para descrever ou caracterizá-los, mas, principalmente, relacioná-los com outras variáveis geotécnicas, como o índice de vazios, parâmetros de deformação e da resistência cisalhante.
Na mecânica do solo convencional, solos são considerados materiais particulados, independentes podendo, simultaneamente, conter as fases sólida, líquida e gasosa. As fases líquida e gasosa estão contidas nos vazios ou poros entre partículas sólidas. A partir destas fases, deduz-se sua relação peso-volume, ou seja, seu teor de umidade, grau de saturação, peso unitário, densidade, índice de vazios, etc.

Figura 4 – Terreno com profundos depósitos de solos moles orgânicos, sendo preparado para o geoenrijecimento na duplicação de uma BR.

No caso dos solos orgânicos e turfosos, a fase sólida consiste dos componentes caracterizados pela matéria orgânica e materiais minerais inorgânicos. Sua proporção relativa e natureza determinam suas propriedades física e geotécnica. Com relação ao componente mineral deste solo não há qualquer dúvida. Com relação a matéria orgânica do solo, Russel, 1952, descreve “uma série de produtos que procedem de plantas ainda não decompostas, tecidos animais travestidos de materiais efêmeros em decomposição, até materiais amorfos, de cor preta a amarronzada, fracamente estáveis, sem qualquer traço de estrutura anatômica, em relação à condição original, redundando no húmus”. Adicionalmente contém, também, produtos de síntese microbiana, o que permite resumi-la em:
• Resíduos vegetais e animais (em decomposição).
• Húmus (resistente ou inerte).
• Materiais inertes semelhantes ao carbono (carvão vegetal ou grafite).

Sem dúvida, o carbono (c) é o elemento chefe da matéria orgânica, facilmente medido, quantitativamente, pela queima (c é determinado como CO2 emitido). O teor de carbono orgânico utiliza-se para estimar a matéria orgânica total, multiplicando-o pelo fator 1.724 ou um valor próximo de 2. De forma alternativa, pode-se utilizar a queima do solo, à temperaturas de 450 a 550ºC, de modo a se destruir toda a matéria orgânica determinando-se seu conteúdo orgânico. Este método de perda com queima, resulta na oxidação quantitativa da matéria orgânica podendo decompor também alguns dos constituintes minerais ou inorgânicos, o que resulta em valor excessivo para o conteúdo orgânico do solo (Edil, 2003).
A matéria orgânica, quando extraída, pode ser subdividida no componente vegetal, ou matéria não húmica, o que inclui gorduras, ceras, óleos, resinas, polissacarídeos solúveis em água, hemicelulose, celulose e proteínas. E no componente não húmico, é caracterizado pelo ácido húmico e fúlvico, além da humina, nas fases sólida e líquida (Huttuneu et al, 1996). Solos orgânicos e turfosos caracterizam-se, também, pelo seu tecido ou microestrutura, relacionando-se à sua morfologia e ao arranjo espacial dos elementos constituintes, considerando-se suas partículas ou fibras. Seu macrotecido ou macroestrutura, refere-se às características visíveis a olho nú. De acordo com o Musked Engineering Handbook, 1969, é a estrutura do solo orgânico e seus vários aspectos, que afetam seu comportamento geotécnico, grosseiramente subdividido em fibroso e amorfo. Com imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV), visualiza-se, perfeitamente, a composição de seu tecido.

Figura 5 – Microfotografia eletrônica de varredura de solo orgânico turfoso fibroso (após Kazemian et al., 2011).
Figura 6 – Microfotografia eletrônica de varredura de solo turfoso (após Kazemian et al., 2011).
Figura 7 – Microfotografia eletrônica de varredura de solo turfoso (após Kazemian et al., 2011).

Na figura 5, observa-se um”solo” fibroso, com poros relativamente grandes e com estrutura aberta e perfurada. A figura 6, a seguir, evidencia a mesma característica fibrosa do “solo”, agora com alto nível de humificação. Na figura 7, apresenta-se uma MEV de um “solo” com característica amorfa. Todas estas imagens pertencem a solos turfosos, com teores orgânicos superiores a 80%, e com alto grau de humificação o que, geralmente, é difícil de se reconhecer (Landva e Pheeney, 1980).

Figura 8 – A presença de solos moles altamente orgânicos exige melhoramento com Geoenrijecimento, já que impõe tensões efetivas pré-estabelecidas, homogeneizando-se o solo de fundação. Ideal para fundação de torres eólicas.

O material húmico, de solos orgânicos e turfosos, forma um meio contínuo, com partículas dispersas, apresentando diâmetro inferior a 2 micrômetros e constituindo-se de grande quantidade de grupos ácidos que, uma vez saturados, promove-se redução drástica do fornecimento de oxigênio, diminuindo a atividade microbiana aeróbica, o que dá lugar a decomposição anaeróbica lenta, provocando acúmulo de material vegetal, Fuchsman, 1986. Regiões com climas quentes, apresentam variação no pH do solo, principalmente quando situa-se entre o neutro e o básico. Assim, quanto mais ácida a matéria orgânica mais tempo é preservada. Considerando-se a condição trivial de solo orgânico saturado, a degradação completa do seu conteúdo orgânico ficará limitada à volatidade ácida e ao desequilíbrio dos nutrientes. A flutuação do nível d’água do solo, introduzirá nutrientes, o que é fundamental para o processo de decomposição.

Figura 9 – Terreno de baixada, com solos moles orgânicos, antes dos serviços de melhoramento.

A trajetória deste processo causa diminuição no volume sólido do solo, similar ao processo de compressão. Do ponto de vista geotécnico, a humificação causa redução do teor de umidade total, aumento do peso específico, aumento da compactação, diminuição dos poros e, finalmente, alteração na cor do “solo”, tendendo para o marrom bem escuro e o preto (Gunther, 1983).
Já que falamos em variação do nível freático do solo, seu rebaixamento, permite que a função orgânica entre em contato com o ar o que, automaticamente, promove processos de retração e oxidação, impondo processo acelerado de decomposição, destruindo a estrutura das fibras, o que torna-a mais amorfa (Vonk, 1994). Este ciclo de atividades, no solo orgânico, resulta em alterações significativas de suas características geotécnicas. Se interiorizarmos mais nossa visão, perceberemos que a matéria orgânica é envolvida com reações ácidas, promovidas pelo dióxido de carbono e ácido húmico, resultante do natural processo de decomposição. A água presente na matéria orgânica é, praticamente livre de sais e, quase sempre evidenciando pH entre 4 e 7 (Lea, 1986). O conteúdo orgânico do solo, na condição submerso, não fica totalmente inerte, ou seja, seu processo de decomposição existe, mas lento, acompanhado da produção de gás metano, com pouca presença de nitrogênio e dióxido de carbono (Musked Engineering Handbook, 1969). Outro gás, também presente, é o sulfeto de hidrogênio, proveniente da presença de enxofre. Estes gases tem importância prática considerável já que, no geral, alteram a performance física do solo, relacionada às propriedades de compressão e do fluxo d’água, impactando no ensaio de consolidação. Seu conteúdo, no entanto, é difícil de ser avaliado, mesmo porque não há método reconhecido disponível. O Musked Engineering Handbook, 1969, informa que seu conteúdo, dentro da matéria orgânica, varia de 5 a 10% do volume total de solos orgânico/turfosos analisados.
Este é um dos motivos principais em que exige-se o melhoramento de solos moles com Geoenrijecimento, pois impõe processo de homogeneização, transformando-o, impedindo que a parte orgânica sofra alterações.

Materializando o conteúdo orgânico do solo

Percebe-se, portanto, que o conteúdo orgânico dos solos orgânicos e turfosos é fator determinante na performance geotécnica destes solos. Sua determinação é feita com a queima da matéria orgânica, como porcentagem da massa seca (ASTM D2974). Primeiramente, seca-se a amostra úmida na estufa à temperatura de 105ºC, por 24 horas, até a obtenção da consistência da massa. A partir daí, coloca-se no forno, por uma hora, em cadinho coberto à temperatura de 450ºC, pesando-o para obter-se sua massa M1. O solo, seco no forno, é então pesado com o cadinho, fornecendo a massa M2. A amostra de solo, juntamente com o cadinho é, finalmente, aquecido por cinco horas no forno à temperatura de 450ºC, obtendo-se a massa M3, que é esfriada à temperatura ambiente. A perda N, pela queima, é calculada como:


O teor orgânico, H, é calculado de acordo com a equação proposta por Skempton e Petley, 1970:

Onde C é o fator de correção. Para uma temperatura de 450ºC, o C = 1,0, de acordo com Arman, 1971. Na Europa utiliza-se, para a queima de solos turfosos, uma temperatura mais alta, de 550ºC, aplicando-se um C = 1,04, com correção.
No entanto, segundo Edil, 2003, a diferença é usualmente menor e, portanto, pouco significante para questões práticas. O quadro a seguir apresenta teores orgânicos de vários depósitos de turfas no mundo, com o objetivo compativo.


A água, presente na matéria orgânica, é o seu teor de umidade, um de seus parâmetros mais importantes, representado em termos de massa ou peso:


Onde:
W é o teor de umidade
Ww peso de água
Ws peso de solo seco

Figura 10 – Corte de vegetação pertinente à Lagoa de Jacarepaguá. Posteriormente foi feito o geoenrijecimento para a construção da Cidade do Rock, no Rio de Janeiro.

Solos orgânicos com pequenos teores de umidade, W, indicam que está seco, enquanto que com valores maiores há água presente. O teor de umidade pode, facilmente, ser medido em laboratório, seguindo-se recomendações do padrão americano ASTM D2216, que seca o solo em forno, durante 24 horas, á temperatura de 105ºC. Para o caso de amostras de solos turfosos, há sempre a questão de que o teste padrão de secagem, a 105ºC, durante 24 horas, carboniza a matéria orgânica, produzindo valor elevado do teor de umidade.
Contudo, a prática padrão é secar a amostra à temperatura de 105ºC e, com 24 horas de secagem, calculando-se o teor de umidade com a seguinte fórmula:


Onde:
W1 é o peso (ou a massa) do recipiente mais a tampa
W2 é o peso (ou massa) do recipiente + tampa + solo úmido
W3 é o peso (ou massa) do recipiente + tampa + solo seco

Figura 11 – Limpeza superficial de terreno, com solo orgânico turfoso, preparando-se para o melhoramento.

No caso de solos turfosos, a água fica contida na matéria orgânica, enquanto permanecem as células das plantas. De um modo geral, o teor de umidade do solo diminui, à medida em que aumenta seu teor mineral. Solos turfosos fibrosos costumam apresentar teor de umidade bem superiores aos solos turfosos humificados, chegando-se a valores da ordem de 1.500%, se compararmos aos solos minerais, que variam de 3 a 70%. Depósitos de solos moles, por sua vez, quando abaixo do nível d’água, podem apresentar teores de umidade bem superiores a 100%. Na próxima edição apresentaremos mais informações.

Eng M. Sc. Joaquim Rodrigues

Eng M. Sc. Joaquim Rodrigues

Joaquim Rodrigues é engenheiro civil M.Sc. formado no Rio de Janeiro em 1977, pós-graduado pela COPPE na Universidade Federal do Rio de Janeiro em 1999. Diretor do Soft Soil Group e da Engegraut Geotecnia e Engenharia, associada à ABMS e ao American Society of Civil Engineers desde 1994. Desenvolveu duas técnicas de tratamento de solos moles, sendo motivo de patente o CPR Grouting, utilizada hoje em todo o Brasil. Desenvolvimento de trabalhos de Grouting, com empresas parceiras nos EUA e Alemanha. Mais de um milhão de metros de verticais de geoenrijecimento executadas em solos moles com CPR Grouting, para a construção de aterros, estradas, portos, ferrovias e armazenagem.

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