A ação da geada sobre o solo

Deformações do solo devido à ação da geada

Sob a ação do gelo, a água livre sem escoamento congela a 0°C e, nesse processo, expande-se em 9% do seu volume. Porém, a água em tubos capilares estreitos não congela a 0°C, mas sim a temperaturas mais baixas, que variam de -1°C a -78°C. Esta última temperatura de congelação foi determinada por ensaios laboratoriais na América. Quanto mais estreito for o tubo capilar, mais baixa será a temperatura de congelação.

No solo existem poros interligados em todas as direções, formando tubos capilares. Na areia, os poros são grandes e formam tubos capilares largos, nos quais a água congela a 0°C ou a uma temperatura ligeiramente inferior. A água congela de maneira uniforme, formando-se nos poros cristais de gelo, cujo aumento de volume de 9% não provoca deformações significativas no solo. Nos solos de granulometria fina, os poros são menores e formam tubos capilares estreitos nos quais a água congela a temperaturas inferiores a 0°C. Contudo, na camada superficial, o solo é sempre mais solto, com poros maiores, nos quais a água congela a 0°C e forma cristais de gelo. Estes cristais atraem para si a água arrefecida dos poros estreitos com grande força, a chamada força de cristalização. Quando a água assim atraída entra em contacto com os cristais de gelo e também congela, aumentando o volume dos cristais de gelo, estes transformam-se em lentes de gelo, cuja espessura pode ser de cerca de 0,1 a 10 mm. As lentes de gelo formadas provocam uma deformação considerável do solo durante a ação da geada, que, em condições particularmente desfavoráveis, pode atingir 30 e 50 cm.

O aparecimento e a magnitude da deformação do solo devido à ação do gelo dependem principalmente dos seguintes 3 fatores:

1. Composição granulométrica do solo

2. Nível da água subterrânea

3. Duração da geada.

Ad 1) No que respeita à composição granulométrica, o maior efeito do gelo ocorre em solos de grão fino, cujos poros são suficientemente pequenos para formar estreitos capilares, e que ao mesmo tempo têm permeabilidade suficientemente elevada, permitindo uma rápida circulação da água durante a ação do gelo. Esse solo é o mais sensível ao gelo, tanto quanto à rapidez de aparecimento como quanto à magnitude das deformações. Tratam-se de solos siltosos, que consistem predominantemente em grãos de tamanho 0,02-0,002 mm. Grãos de tamanho >0,02 mm têm pequena altura de ascensão capilar, enquanto grãos de tamanho < 0,002 mm têm ascensão capilar lenta, de modo que, em ambos os casos, durante o período de geada pode chegar apenas uma pequena quantidade de água à zona de atuação do gelo. Se o solo argiloso contiver mais de 25% partículas de tamanho < 0,002 mm, a permeabilidade do solo é muito baixa e a circulação da água nos poros é tão lenta que esta congela nos poros antes que as lentes de gelo possam ser atraídas.

Ad 2) Além das condições relativas à composição granulométrica do solo, deve ser cumprida ainda uma outra condição para que ocorram deformações do solo provocadas pela geada. Essa condição é que exista possibilidade de abastecimento de água na zona de ação da geada. Se esta condição não fosse satisfeita, isto é, se os capilares do solo não estivessem ligados à água que fluirá continuamente por eles durante a ação da geada, não ocorreriam deformações provocadas pela geada, qualquer que fosse a composição granulométrica do solo.

Quanto mais elevado for o nível freático, maior é a possibilidade de deformações do solo devido à ação da geada. Se o nível freático estiver a uma profundidade maior do que a altura da ascensão capilar da água desse solo, as deformações por ação da geada são insignificantes.

Ad 3) Quanto maior for o período de duração contínua da geada, maiores serão as deformações provocadas pela geada, devido à formação de lentes de gelo maiores e mais numerosas. Geadas fortes e de curta duração provocam deformações menores, porque nesse caso ocorre o congelamento súbito da água nos poros e a interrupção do fluxo capilar da água. Pelo contrário, geadas moderadas e de longa duração provocam deformações maiores devido à formação desimpedida de lentes de gelo.

Efeito de descongelamento

Durante o degelo, primeiro derretem-se as lentes de gelo na parte superior do solo superficial, enquanto imediatamente abaixo permanece uma camada congelada e, portanto, também impermeável. Como as lentes de gelo derretidas libertam uma grande quantidade de água, que não pode infiltrar-se através da camada inferior congelada, essa quantidade aumentada de água na camada superficial satura o solo e transforma-o numa massa líquida, sem qualquer resistência, sendo então expulsa lateralmente sob pressão. As deformações do solo devido à ação do degelo podem ser consideráveis e, em certos casos, perigosas. Essas deformações são frequentes em escavações em linhas ferroviárias e estradas, onde na primavera ocorre o deslizamento parcial dos taludes devido à saturação do solo pela água proveniente das lentes de gelo derretidas, bem como em estradas cujos pavimentos se deformam sob o tráfego sobre um solo que perdeu a capacidade de suporte em virtude da saturação por água.

Critério para avaliar a ação do gelo no solo

Ao estudar o efeito da geada em vários tipos de solo, concluiu-se que, quanto ao comportamento face à geada, é necessário distinguir dois tipos de solo: seguro e perigoso face à geada.

Solos resistentes à geada são aqueles nos quais não se formam lentes de gelo, por mais longo que seja o período de geada. Neste tipo de solo ocorre apenas o congelamento da água nos seus poros e a formação de cristais de gelo, com deformações insignificantes sob a ação da geada. Neste grupo incluem-se cascalho, areia e solos semelhantes.

Os solos suscetíveis à geada são aqueles nos quais se formam lentes de gelo, em consequência do que podem ocorrer maiores deformações. A água acumulada na camada superficial, na forma de lentes de gelo, durante a ação da geada, também produz o efeito de descongelação. A este grupo pertencem alguns solos siltoso-argilosos e, sobretudo, os siltosos.

Existem vários critérios para avaliar a resistência do solo à geada, entre os quais os mais conhecidos são os critérios de Arthur Casagrande e de Rukli, que descreveremos aqui.

Critério de A. Casagrande

Este critério baseia-se na composição granulométrica do solo e enuncia-se da seguinte forma:

a) No caso de solos de composição uniforme, cujo grau de não uniformidade U < 5, o solo é suscetível à geada se contiver mais de 10% de grãos com tamanho inferior a 0,02 mm.

b) Em solos de composição irregular, cujo grau de desuniformidade U > 15, o solo é suscetível à geada se contiver mais de 3% de grãos com tamanho inferior a 0,02 mm.

Embora este critério tenha sido aplicado durante muito tempo e sempre tenha dado resultados fiáveis, a sua desvantagem é basear-se apenas na granulometria do solo e não ter em conta outros fatores que influenciam a ação da geada no solo. Por isso, considera-se hoje que este critério é demasiado rigoroso e antieconómico.

Critério de Rukliev

Segundo este método, o solo é dividido em duas frações pela granulometria das partículas sólidas, nomeadamente na fração grossa, com grãos de diâmetro d > 2 mm e na fração fina, com grãos de diâmetro d < 2 mm. Para avaliar a resistência do solo à geada, estabelece-se a dependência da quantidade de fração fina em relação à quantidade de fração grossa, e essa dependência é dada por um limite inferior e um limite superior (fig. 1).

O limite inferior representa a percentagem máxima admissível de partículas sólidas de diâmetro d < 0,02 mm em relação ao peso seco do enchimento, isto é, da fração 0-2 mm, na qual praticamente não ocorrem danos por gelo em condições desfavoráveis, como nível elevado da água subterrânea, condições climáticas desfavoráveis (geadas prolongadas) e elevada humidade natural do solo.

O limite superior representa a maior percentagem admissível de partículas d < 0,02 mm do peso seco da fração fina, a partir da qual praticamente não ocorrem danos por geada em condições favoráveis, tais como nível freático baixo, condições climáticas favoráveis (geadas de curta duração) e baixa humidade natural do solo.

Fig. 1 Limite inferior e superior para a avaliação do perigo de geada do solo segundo o critério de Rukliew

Proteção contra o efeito da geada no solo

A profundidade de ação do gelo no solo depende das condições climáticas da região. No nosso país, ela situa-se predominantemente entre 0,8 e 1,0 m abaixo da superfície do terreno. Por conseguinte, as estruturas fundadas a uma profundidade igual ou superior a 1,0 m não estarão sob a ação do gelo.

As estruturas de fundação rasa, como os pavimentos rodoviários, estão expostas à ação da geada, que pode provocar maiores deformações e danos no pavimento, tanto no congelamento como no descongelamento. Por isso, na construção de pavimentos em estradas e pistas de descolagem e aterragem em aeroportos, é necessário examinar o solo quanto à ação da geada e, no caso de o subsolo ser suscetível à geada, devem ser tomadas medidas de proteção. Nos pavimentos rodoviários e aeroportuários, a medida mais eficaz é a execução de uma camada de sub-base, cuja espessura se determina de modo que a espessura total do pavimento e da camada de sub-base seja 0,80 m para tráfego pesado até 0,60 m para tráfego ligeiro. Na maioria dos casos, uma espessura da camada de sub-base de 0,30 m sob o pavimento é proteção suficiente contra a ação da geada.

O material para execução da camada de base é, normalmente, areia ou brita arenosa, que deve satisfazer as seguintes condições:

Índice de plasticidade IP < 5

Conteúdo da fração d < 0,02 mm inferior a 3%

Grau de heterogeneidade U > 7.

A parte superior da camada de regularização, numa espessura de 20 cm, não deve ser areia uniforme e de grão fino devido à insuficiente compactação e à capacidade de carga limitada. Nesta parte, a camada de regularização deve ser brita arenosa com 30-70% de grãos de tamanho 2-30 mm. Grãos maiores que 30 mm não são recomendados.

As paredes de vedação com fundação rasa também ficam sob a ação da geada no solo, com o que se inclinam, o que, com a ação repetida da geada ao longo do tempo, leva ao seu tombamento e colapso. Por isso, estas paredes devem ser fundadas a 1,0 m de profundidade, se o solo estiver sujeito a geada.