Resumo de Solos na Geologia de Engenharia

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Geologia de Engenharia Engenharia Civil
Solos na Geologia de Engenharia
Prof. Dr. Danilo Castro Rosendo
Autor: Samuel Carlos Cavalcante Silva
Universide Estadual do Maranhão
31/10/2021
Resumo
O presente estudo tem como objetivo apresentar de forma breve um análise sobre os
solos na Geologia de Engenharia, mostrando suas principais características e definições,
além da importância da realização desses estudos, com a finalidade de auxiliar nos
processos de formações do conhcimento e acadêmico. Desse modo, o desenvolvimento
desse estudo é fundamental para para a formação do engenheiro.
1 Elementos sobre o Solo
A definição de solo segundo os engenheiros é um pouco diferente em relaçao ao conceito
geológico, uma vez que para eles o termo abrange todos os materiais orgânicos e inorgâni-
cos inconsolidados ou parcialmente cimentado, presente na superfície terrestre, materiais
esses que são classificados, do ponto de vista da geologia, como rochas sedimentares ou
sedimentos.
No Brasil, a grande maioria das construções de engenharia está localizada sobre solo,
tais como barragens, pistas de aeroportos, rodovias, etc. Nos casos em que há a contrução
de túneis, as maiores profudidades não costumam ultrapassar 150 m de profundidade, e
a prática habitual se limita geralmete a profundidades entre 20 e 30 m. Por outro lado,
no continete europeu, com destaque para as regiões muito acidentadas como os Alpes,
alguns túneis chegam a estar cerca de 150 m abaixo da superfície do terreno.
2 Tipos de solo
Tratamos a definição de solo como todo material resultante dos processos de decom-
posição e desintegração das rochas através dos agentes atmosféricos.
Os solos podem ser divididos em dois grandes grupos, de acordo com a origem de
seus constituíntes: Solo Residual, nos casos em que os produtos da rocha intemperizada
permanecem ainda no local em que se deu a transformação; Solo transportado, ocorre nos
casos em que os produtos de alteração são transportados por agentes quaisquer, para um
local diferente do que houve a transformação.
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2.1 Solos Residuais
Este tipo de solo é muito comum no território brasileiro, especialmente na região do
centro-sul, dentre outros fatores, em função do clima.
O solo residual deriva de todos os tipos de rochas. Desse modo, sua composição será
de acordo com a composição mineralógica da rocha que lhe deu origem. Como exemplo,
podemos citar a decomposição de basaltos, que formam um solo típico conhecido como
"terra-roxa", de composição argilo-arenosa. Por outro lado, a decomposição de arenitos
ou quartzitos formará um solo totalmente arenoso, formado por quartzo.
basalto plagioclésio piroxênios argiloso argila
quartzito quartzo arenoso quartzo
filitos micas argiloso argila
granito quartzo areno-argiloso quartzo e argila
Tabela 1: solos residuais
Não há um limite direto entre o solo e a rocha que lhe deu origem. A passagem entre
eles é gradativa e possibilita a separação de ao menos duas faixas distintas: A que se
encontra logo abaixo do solo propriamente dito, que é chamado de solo de alteração de
rocha e outra acima da rocha, chamada de rocha decomposta.
O solo residual é subdividido em maduro e jovem, de acordo com grau de decomposição
dos minerais.
O solo residual é um material que não apresenta nenhuma relação com a rocha da qual
foi originado. Não é possível observar restos estruturais da rocha nem seus minerais.
Já o solo de alteração de rocha mostra alguns elementos da rocha-matriz, como os
minerais não decompostos.
A rocha alterada é um material que tem certa semelhança com a rocha no aspecto,
não considerando sua estrutura e de seus minerais, entretanto com um estágio de dureza
inferior ao da rocha.
A rocha-sã representa a rocha inalterada.
As espessuras das quatro faixas descritas são variáveis e dependem das condições cli-
máticas e do tipo da rocha.
A forte ação do intemperismo em áreas de climas quentes e úmidos leva à decomposição
profunda das rochas com a formação de solos residuais, onde as profundidades dependem
essencialmente da decomposição e tipo de rocha existente na área. Basicamente, numa
região de granito e gnaisse distinguem-se três zonas distintas de material decomposto. Nas
proximidades da superfície, ocorre um horizonte argiloso plástico, resultante do profundo
intemperismo; Segue-se um horizonte de características silto-arenosas e finalmente surge
uma faixa de rocha parcialmete decomposta, onde ainda se pode destinguir a textura
e estrutura de rocha original. Este horizonote é equivalente a um estágio intermediário
entre solo e rocha. Abaixo desta feixa, a rocha aparece ligeiramente decomposta, com
transições para rocha-sã.
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Figera 1: solo residual formado em área de gnaisses
Em algumas áreas das rochas pode haver minerais mais resistentes à composição, fa-
zendo com que essas áreas permaneçam como blocos isolados, englobados ao solo. Devido
a isso nem sempre ocorre uma decomposição contínua, homogênea e total na faixa do
solo. Esses blocos são comhecidos como matacões.
2.2 Solos transportados
Os solos transportados formam, na maioria das vezes, depósitos mais inconsolidados
que os residuais, além de possuírem profundidade variável. Nos solos transportados, deve-
mos distinguir uma variedade especial que é o solo orgânico, onde o material transportado
está misturado com quantidades variáveis de matéria orgânica decomposta, que em quan-
tidades apreciáveis, forma as turfeiras.
De modo geral, o solo residual é mais homogêneo do que o transportado no modo
de ocorrer, principalmente se a rocha matriz for homogênea. O solo transportado, de
acordo com a capacidade do agente transportador, pode exibir grande variações laterais e
verticais na sua composição. Ex.: um riacho que transporte areia fina e argila para uma
abacia poderá, em períodos de muita chuva, tranpostar também cascalho, ocasionando
na preseça desses materiais intercalados no depósito.
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Figura 2: local de solos transportados
Ainda entre os solos trnsportados, é fundamental destacarmos, de acordo com o agente
transportador, os seguintes tipos: caluviais, de aluvião, eólicos. O solo residual é mais
comum e de ocorrência generalizada, enquanto que o transportado ocorre somente em
áreas mais restritas.
2.2.1 Tipos de solos transportados
2.2.2 Solos de aluvião
Os solos aluvionares consistem em materiais sólidos que são transportados e arrastados
pelas águas e e depositados nos momentos em que há uma diminuição da velocidade da
corrente de água.
Os depósitos de aluvião podem aparecerde duas formas diferentes: em terraços, ao
longo do próprio vale do rio, ou na forma de depósitos mais extensos, constituíndo as
planícies de inundação.
Figura 3: Elementos sobre o solo
A fotografia aérea é a melhor fonte de indução de áreas de aluvião, de várzeas e de
planícies de inundação. Embora os solos que constituem os aluviões sejam, via de regra,
fontes de material de construções, por outro lado, não tem eficiência como material de
fundação.
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2.2.3 Solos orgânicos
Os locais de ocorrência dos solos orgânicos se dá em áreas topografica e geograficamente
bem definidas: em bacias e depressões continentais, nas baixadas marginais dos rios e
nas baixadas litorâneas.
Exemplo de ocorrência de solos de origem orgânica e baixadas litorâneas são encontra-
das nas cidades de Santos e do Rio de Janeiro e na baixada do Rio Ribeira em São Paulo.
Uma sondagem na Avenida Presidente Vargas, no Rio de Janeiro, mostra a partir da
superfície 10 m de areia média fina, compacta, seguida de 8 m de argila orgânica marinha
mole, seguida de 5 m de argila muito arenosa dura e rija.
Figura 4:Rodovia piaçaguerra - Guarujá
Na própria Baixada Santista, a construção da Usina Siderúrgica de Piaçaguerra da
COSIPA, bemcomo a Rodovia de Piaçaguerra-Guarujá, tiveram suas fundações desen-
volvidas em solo orgânico, por se tratar de uma área de mangue.
Dá área total do Estado de São Paulo, 10 % correspondem às baixadas litorâneas.
2.2.4 Solos coluviais
Os depósitos de caluvião, também conhecidos como depósitos de Tálus, são aqueles
solos cujo o transporte se deve exclusivamente à ação da gravidade. Situam-se ao pé de
elvações, encostas etc. Esse tipo de depósito é muito comum ao longo de rodovias no Vale
do Ribeira, barragens no vale do paraíba etc. A composição desses depósitos depende do
tipo de rocha encontrada nas partes mais elevadas.
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Figura 5: Solos coluviais
2.2.5 Solo eólicos
Os principais, localizam-se ao longo do litoral, onde formam as dunas, não sendo tão
comum no Brasil, como nos países europeus,USA etc. No Brasil, podemos citar como
exemplo os de Fortaleza, no Ceará, e os de Cabo Frio.
3 Propriedades gerais dos solos
3.1 índeces físicos
Uma massa de solo é considerada como um conjunto de partículas sólidas, encerrando
vazios de tamanho variado. Os vazios poderam estar preeenchidos com ar, água ou par-
cialmente com ar e parcialmente com água.
Figura 6: Elementos sobre o solo
Existem algumas relações de peso e volume entre os componentes de uma massa de
solo.
As relações de volume que aparecem com mais frequência são:
a) Porosidade (n) de uma massa de solo é definida como a relação do volume de vazios
pelo volum etotal de massa.
n =
VV
V
(%) (1)
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b) índice de vazios (e) de uma massa de solo é definida como a relação do volume de
vazios pelo volume de sólidos.
e =
VV
VS
(%) (2)
c) Grau de saturação (G) é definido como a relação do volume de água pelo volume
de vazios.
G =
VV
VS
(%) (3)
d) Umidade natural (h) é definida como a relação do peso de água pelo peso de material
sólido.
h =
PA
PS
(%) (4)
e) Peso específico de um material é definido é definido como a relação entre o peso de
um determinado fragmento pelo seu volume. Sendo um agragado de solo constituído de
três diferentes fases, o peso específico desse agregado deverá considerar essas três fazes:
γ =
P
V
=
PS + PA
PS + PV
(5)
VV = Var + Vag (6)
peso específico natural do solo:
γn =
P
V
(t/m3) (7)
peso específico dos grãos sólidos:
δ =
PS
VS
(t/m3) (8)
peso específico da água
γa =
Pa
Va
(t/m3) (9)
3.2 Forma das partículas
A parte sólida de um solo é constituída por partículas e grãos que têm as seguintes
formas:
a) esferoidais
b)lamelares ou placoides
c) fibrosas
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As partículas esferoidais possuem dimensões aproximadas em todas as direções e po-
derão, de acordo com a intensidade do tranporte sofrido, serem esféricas.
Nos solos de constituição granulométrica mais fina, onde as partículas são microscópi-
cas, apresentam-se lamelares e placóides, isto é, há predomínio de duas dimensões sobre
uma terceira.
As partícula scom forma fibrosa ocorrem nos solos de origem orgânica, onde uma das
dimensões predomina sobre as outras duas.
A forma das partículas influi em certas características dos solos.
4 Clasificação granulométrica de solos
4.1 Tamanho das partículas
Sabe-se que o comportamento dos solos está se certo modo ligado ao tamanho das
partículas que os compõem. De acordo com a granulometria, os solos são classificados nos
seguintes tipos, segundo o tamanho decrescente dos grãos:
a) pedregulhos ou cascalho
b) areias
C) siltes
d) argila
Na natureza, raramente um solo é constituido em, sua totalidade, de uma única gra-
nulometria. Desse modo, o comum é que o solo apresente certa porcentagem de areia, de
silte, de argila, de cascalho, etc.
Existem várias classificações granulométricas utilizadas, com ligeiras diferrenças entre
si. As mais usuais são as seguintes:
Escala granulométrica internacional
Pedregulho Areia grossa Areia fina Silte Argila
2mm 0,2mm 0,02mm 0,002mm
Escala da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
Pedregulho Areia grossa Areia média Areia fina Silte Argila
5mm 2mm 0,4mm 0,05mm 0,005mm
Escala do M.I.T.(Massachussets Institute of technology
Pedregulho Areia Silte Argila
2mm 0,06 mm 0,006mm
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4.2 Análise granulométrica
O objetivo da análise granulométrica é determinar a dimensão dos grãos que constituem
um solo e a porcentagem do peso total representada pelos grãos em diversos intervalos de
tamanho. O método mais direto para separar solos em fraçoes é o uso de peneira. Entre-
tanto, como a abertura da malha mais fina de peneira disponível na prática é 0,07mm, seu
uso se restringe a análise de areia. São frequentimente empregadas as seguintes peneiras:
N° de peneira Abertura em mm
4 4,76
10 2,00
16 1,19
30 0,590
50 0,297
100 0,149
200 0,074
Após o peneiramento, pesam-se as quantidades retiradas em cada peneira, peso P1,
calcula-se a quantidade retida numa peneira pela relação:
P1
P
100 (10)
A vibração dada às paneiras durante o peneiramento deverá durar no mínimo 10 mi-
nutos e ter sentido horizontal.
As partículas que são por demais finas para serem recolhidas em peneiras, são sub-
metidas à análise mecânica por via úmida. Os métodos dessa análise são baseados são
baseados na lei de Lei de Stokes, que determina a velocidade com que uma partícula
esférica cai em um liquido em repouso.
Lei de Stokes
Supondo-se uma única esfera caindo num meio aquoso de extensão infinita, após os
primeiros instantes de queda a esfera adquire velocidade constante (V ) que é função do
quadrado (D) da esfera:
V =
γe − γa
18U
D2 (11)
5 Representação granulométrica dos solos
A representação gráfica dos dados obtidos nas medidas das partículas é um dos pri-
meiros passos em uma análise de resultado granulométrico.
Um gráfico não representa tão somente os resultados de um modo visível, como também
tem grande utilidade na comparação de dados de um sedimento ou solo.
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6 Ensaios de simples caracterização
Os ensaios mais simples de caracterização preliminar de certas propriedades do solo
consistem na determinação em laboratório da umidade natural, limites de Atterberg e da
sua granulometria.
6.1 Umidade natural
Coleta-se certa quantidade de solo em um recipiente, sendo o conjunto pesado (peso
P1). Em seguida, o conjunto é levado a uma estufa à temperatura de 105°c, devendo
permanecer um período suficiente para permitir a evaporação da água contida na amostra.
Em seguida o conjunto retirado da estufa é novamente pesado, obtendo-se o peso P2.
Sendo o peso do recipiente P3, o valor da umidade será:
h =
P1 − P2
P2 − P3
100% (12)
6.2 Granulometria
*Exemplificada anteriormente
6.3 Plasticidade
Os solos de composição arenosa podem ser identificados através de suas curvas granulo-
métricas uma vez que, quando as curvas são semelhantes, o comportamento também o é.
O mesmo não acontece com as argilas, pois além das dimensões das partículas, intervém
também sua forma. As formas dos minerais argilosos variam de acordo com o tipo de
mineral presente. De acordo com o mineral a argila terá um certo tipo de plasticidade.
Estados
Sólido Semi-sólido Plástico Líquido
. LL LP .
LP = Limite de plasticidade
LL = limite de liquidez
IP = índice de plasticidade
IP= LL-LP
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A determinação do limite de liquidez pode ser feita através de um pequeno aparelho
provido de um recipiente de cobre ligado a um suporte a manivela, que fará com que
o recipiente se eleve a uma altura constante de 1 cm, caíndo em seguida contra a base.
Coloca-se o solo no recipiente, abre-se uma ranhura, e o giro da manivela faz com que a
ranhura se feche gradativamente. O limite de plasticidade é determinado pelo cálculo da
% de umidade em que o solo começa a fraturar, quando se tentamoldar um cilindro de
3mm de diâmentro por 10 cm de comprimento. Nesse instante, determina-se a umidade
do solo obtendo-se seu LP.
7 Tabela resumida para identificação do solo no campo
Propriedades Tipos de solos
arenosos siltosos argilosos turfosos
Granulação grossa fina muito fina fibrosa
Plasticidade nenhuma pouca grande pouco a média
Compressibilidade pouca média grande muito grande
Idem (vibração)
Coesão nenhuma média grande pouca
Rsistência do solo seco nenuhma média grande pouca a média
Resumo tato e visual tato, seco tato cor preta
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8 Referências
CHIOSSI, José Nivaldo. Geologia Aplicada a Engenharia 2. ed. São Paulo:
Grêmio politécnico, 1975.
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