Stress-strain Response of an Unsaturated Volcanic Ash Soil From Colombia

Resumo Técnico: Resposta Tensão-Deformação de um Solo de Cinza Vulcânica Não Saturado da Colômbia

Definição do Problema
Solos derivados de cinzas vulcânicas (Andisols) são prevalentes nas regiões andinas da Colômbia, sustentando infraestruturas urbanas e industriais significativas. Apesar de sua ocorrência generalizada, esses solos residuais apresentam desafios geotécnicos distintos devido à sua mineralogia única (dominada por alofane e imogolita), alta plasticidade, altos índices de vazios e sensibilidade às variações de teor de umidade. Essas características frequentemente levam à instabilidade de taludes e ao surgimento de fissuras em áreas povoadas. Embora a influência da sucção e da cimentação na resistência ao cisalhamento seja reconhecida, permanece uma lacuna de conhecimento sobre como variações específicas no teor de umidade e processos de remoldagem (recompactação) influenciam a resposta tensão-deformação, particularmente em termos de parâmetros de resistência ao cisalhamento ($c'$ e $\phi'$) e módulo de cisalhamento ($G$).

Metodologia
O estudo utilizou um solo derivado de cinza vulcânica coletado em Manizales, Colômbia, classificado como um silte de alta plasticidade (MH) com limite de liquidez de 74% e índice de plasticidade de 37%. A pesquisa empregou testes de Cisalhamento Simples Direto (DSS) para avaliar o comportamento mecânico sob diferentes condições.

O programa experimental envolveu 12 testes com as seguintes variáveis:

• Procedimentos de Preparação: Dois históricos de compactação distintos foram comparados:
  • Compactação Única (SC): Material seco ao ar compactado uma única vez ao teor de umidade ótimo.
  • Compactação Dupla (DC): Material que foi pré-compactado, seco ao ar, desagregado e recompactado (simulando um processo de recompactação).
• Estados Hidráulicos: As amostras foram testadas em três condições iniciais de teor de umidade:
  • Teor de umidade ótimo ($w_{opt}$).
  • Seco ao ar por três dias após a compactação ($w_{dry}$).
  • Saturado pós-compactação ($w_{sat}$).
• Níveis de Tensão: Os testes foram conduzidos sob tensões normais efetivas de 50, 100 e 200 kPa.
• Caracterização: O estudo incluiu análise mineralógica (SEM, EDS), distribuição granulométrica (difração a laser e hidrômetro) e determinação da curva de retenção de água no solo (SWRC).

Principais Resultados

1. Efeito da Recompactação (DC vs. SC):

   • O processo de compactação dupla induziu mudanças estruturais irreversíveis, resultando em um peso específico seco máximo maior ($\gamma_d$ de 11,4 kN/m³ vs. 10,5 kN/m³) e um menor teor de umidade ótimo em comparação com a compactação única.
   • As amostras DC exibiram resistência ao cisalhamento significativamente maior, com a coesão efetiva ($c'$) aumentando de 37,2 kPa (SC) para 73,4 kPa (DC) e o ângulo de atrito ($\phi'$) subindo de 25,7° para 30,6°.
   • As amostras DC exibiram comportamento dilatante (expansão axial) durante o cisalhamento a 100 kPa, característico de solos sobreconsolidados, enquanto as amostras SC geralmente mostraram comportamento compressivo.
   • O módulo de cisalhamento secante ($G$) foi consistentemente maior para as amostras DC em todos os níveis de tensão.

2. Influência do Teor de Umidade e Sucção:

   • Baixa Confinamento (50 kPa): Variações no teor de umidade (e, consequentemente, na sucção) tiveram um efeito negligenciável na resistência ao cisalhamento e no módulo de cisalhamento.
   • Alto Confinamento (100 e 200 kPa): Observou-se um aumento substancial na resistência ao cisalhamento e no módulo de cisalhamento conforme o teor de umidade diminuía (a sucção aumentava). Isso confirma que a sucção matricial atua como uma variável de estado crítico, contribuindo para a tensão efetiva em níveis de tensão mais elevados.
   • Resposta Volumétrica: Amostras saturadas exibiram comportamento contrativo, semelhante a solos normalmente consolidados. Em contraste, amostras não saturadas (ótimas e secas ao ar) mostraram tendências dilatantes a 100 kPa devido às forças capilares. No entanto, a 200 kPa, o confinamento suprimiu a dilatação nas amostras ótimas, retornando-as a uma resposta compressiva.

3. Caracterização Mineralógica e Física:

   • As análises SEM e EDS confirmaram a presença de halloysite (morfologia tubular cilíndrica) e inferiram a presença de alofane e imogolita.
   • A análise de distribuição granulométrica revelou que a secagem induz a agregação de partículas primárias em aglomerados estáveis e mais grosseiros. A difração a laser mostrou uma distribuição agregada, enquanto o método do hidrômetro (usando dispersantes) mostrou tamanhos de partículas menores, destacando a natureza sensível à técnica de medição desses solos.

Significância e Conclusões
O estudo conclui que o comportamento mecânico dos solos de cinza vulcânica é fundamentalmente governado tanto pelo seu histórico de compactação quanto pelo seu estado hidráulico inicial.

• Sensibilidade Estrutural: O colapso irreversível das estruturas de alofane e imogolita ao secar leva a mudanças permanentes na textura, aumentando significativamente a densidade seca e a resistência ao cisalhamento após a recompactação.
• Dependência da Sucção: A contribuição da sucção matricial para a resistência ao cisalhamento e rigidez é dependente do confinamento. Embora negligível em baixas tensões, a sucção aumenta drasticamente a estabilidade em níveis de tensão mais elevados.
• Implicações para a Estabilidade: Os achados ressaltam o risco crítico posed pela saturação induzida pela chuva. A eliminação da sucção nesses depósitos desencadeia uma transição do comportamento dilatante para o contrativo e uma perda de resistência, fornecendo uma explicação mecanística para a alta suscetibilidade desses materiais a instabilidades de taludes e fluxos de lama em ambientes tropicais.

Os autores enfatizam que as análises de estabilidade para estruturas de terra utilizando esses materiais devem considerar o estado hidráulico específico e o histórico de compactação do solo, pois esses fatores ditam a coesão efetiva, o ângulo de atrito e a resposta volumétrica.