A areia de Coimbra insere-se no estudo da temática de liquefação, tendo já sido relatada a manifestação deste fenómeno em Portugal. No decorrer do sismo de 1755 em Lisboa, Chalés Davy descreveu um fenómeno em tudo semelhante à ocorrência de vulcões de areia, que explicou como a saída de jatos de areia fina e branca através de pequenas fissuras do solo (Tappan, 1914). Os depósitos aluvionares de areia de Coimbra caracterizam-se como suscetíveis à liquefação, não só os presentes na região de Coimbra, mas também os existentes no estuário do Rio Mondego, na Figueira da Foz. (Jorge e Vieira, 1997; Jorge e Coelho, 1998). A liquefação é um fenómeno complexo produzido pelo excesso de pressão de água nos poros do solo (ou pressão hidrostática) em condições de carregamento não drenadas (Kramer, 1996). Neste fenómeno, ocorre um aumento da pressão hidrostática no solo que origina a diminuição e, consequentemente, a anulação da tensão efetiva. O solo não tem capacidade de dissipar a água e assume temporariamente a consistência de um líquido, ocorrendo a perda de resistência ao corte da massa de solo, e não apenas de um plano de rotura ou superfície de deslizamento (Terzaghi et al., 1996).
Kramer (1996) dividiu o fenómeno de liquefação em dois grupos para avaliar os seus efeitos, a liquefação por fluxo e a mobilidade cíclica, sendo que ambos devem ser considerados na avaliação dos efeitos produzidos. A liquefação por fluxo acontece quando a tensão de corte necessária para o equilíbrio estático do solo é superior à sua tensão resistente ao corte do solo na situação de liquefação. A avaliação do fluxo de liquefação é baseada no estado crítico de mecânica dos solos desencadeado por condições monotónicas. Esta situação causa danos severos já que o solo não consegue atingir um novo estado de equilíbrio. Por sua vez, a mobilidade cíclica ocorre quando a tensão induzida e necessária para o equilíbrio estático do solo é menor que a força de corte do solo liquefeito, ou seja, menor que o estado crítico.
Kramer (1996) avaliou ainda a suscetibilidade à liquefação fundamentada na análise de quatro critérios diferentes, referentes ao critério histórico, geológico, de estado do solo e ao critério de composição do solo.
O critério histórico baseia-se no princípio que a liquefação tende a ocorrer no mesmo local, desde que o solo não sofra alterações no seu estado nem nas suas condições hidráulicas. (Youd,1984). Isto porque um solo depois de liquefeito, tende a tornar-se mais resistente devido ao seu assentamento (Terzaghi et al., 1996).
Relativamente ao critério geológico, a idade e o método de deposição do solo influenciam a sua suscetibilidade à liquefação, sendo mais provável de acontecer em solos saturados em depósitos fluviais e eólicos (Kramer, 1996). A liquefação é mais suscetível em solos soltos com uma idade geológica recente (Terzaghi et al., 1996).
No critério de estado, a suscetibilidade à liquefação depende do estado inicial de tensão e da densidade relativa em que se encontra o solo (Kramer, 1996).
A suscetibilidade do solo à liquefação é influenciada pela composição do solo e é predominantemente afetada pela sua deformação volumétrica, quanto maior a variação volumétrica de um solo mais provável é a sua liquefação (Kramer, 1996). Solos com partículas arredondadas, são mais densos que solos constituídos por partículas angulares e têm baixa variação volumétrica. Areias com menor que 0,02mm e maior que 2mm não liquefazem, sendo que as areias mais suscetíveis à liquefação são as que têm coeficientes de permeabilidade entre 107 e 107"m/s. Os solos uniformes são também mais suscetíveis a liquefação, já que os solos bem graduados têm uma estrutura mais estável com os vazios preenchidos por partículas mais finas, sofrendo por isso menor variação volumétrica em condições drenadas. Por fim, na Figura 2.9 é apresentado o intervalo das distribuições granulométricas mais prováveis à liquefação, tendo sido estabelecido através dos resultados de Tsuchida (1970), com a peneiração de areias liquefeitas e não liquefeitas após a ocorrência de sismos. (Terzaghi et al., 1996).
Figura 2.9 - Limites de liquefação determinados por Tsuchida 1970 (Santos, 2009). A liquefação pode originar vários efeitos nos movimentos do solo durante e após a ocorrência de um sismo e levar ao infortúnio de várias estruturas. A liquefação por fluxo pode provocar a rotura de estruturas de contenção, a inclinação ou afundamento de estruturas pesadas, e no caso
encostas, assentamentos de construções, fluência lateral e rotura de muros de suporte. Pode ainda verificar-se à superfície de um solo após o sismo, oscilações, assentamentos e roturas (Kramer, 1996).
A liquefação pode originar alterações nos movimentos do solo, sendo que o aumento de pressão da água nos poros durante o sismo tem como consequência a diminuição da sua rigidez. Uma vez que o solo está sujeito a variações de amplitudes e frequências, a sua rigidez após o sismo pode ser inferior à inicial. Na Figura 2.10 é evidenciado um exemplo de alterações nos movimentos de solos planos, em que pode ocorrer a separação entre o solo liquefeito e o solo de superfície que se encontra fissurado e sujeito a várias oscilações.
Figura 2.10 - Separação entre o solo liquefeito e o solo superficial (adaptada de Kramer (1996)).
Os vulcões de areia surgem durante ou em consequência da liquefação. Num solo liquefeito sob um estrato de solo menos permeável, que impede a drenagem da água, ocorre um fluxo ascendente provocado pela dissipação do excesso de pressão intersticial nos poros, em que a força de saída da água arrasta as partículas mais finas de areia.
Os assentamentos ocorridos em areias dependem do seu estado seco ou saturado. Os assentamentos em areias secas são imediatos. Por outro lado, quando as areias estão saturadas, os assentamentos são mais demorados, já que é necessário a dissipação do excesso de pressão hidrostática, como exemplificado no esquema da Figura 2.11. O assentamento de areias saturadas depende da permeabilidade, compressibilidade e da distância de drenagem da camada de solo.
A rotura induzida por fluxo é um efeito complexo desencadeado por vários fenómenos, é difícil prever o fenómeno responsável por este tipo de rotura que se encontra descrito pormenorizadamente por Kramer (1996). A rotura induzida por fluxo é influenciada pela resistência ao corte do solo liquefeito e pode ter consequências severas nas estruturas.
A liquefação pode também originar pequenas deformações por fluência lateral que podem provocar danos consideráveis. Neste fenómeno, ocorre a divisão das camadas superficiais do terreno em blocos, que se movem livremente na direção vertical e horizontal durante o sismo - Figura 2.12. Note-se que a fluência lateral apenas ocorre em terrenos inclinados, como em leitos de rios.
Figura 2.12 - Deformações por fluência lateral provocadas por liquefação (adaptada de Kramer (1996)).
Por fim, podem ainda ocorrer deformações como fendas de alívio ou misturas de solo. As fendas de alívio têm o mesmo princípio dos vulcões de areia, cuja a ascensão da água visa a diminuição das pressões intersticiais existentes numa camada de solo. Por sua vez, a mistura de solos é o efeito da liquefação na junção de solos saturados de granulometrias diferentes, por exemplo, um solo de granulometria grosseira sobreposto por um solo de granulometria mais fina, em que ambos estão sujeitos à vibração de um sismo, ocorre o preenchimento dos vazios com as partículas de menores dimensões.