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Disciplina: Professor: Eduardo Rodrigues da Cunha 6º Período de Engenharia Civil Disciplina: Mecânica dos Solos I Professor: Eduardo Rodrigues da Cunha º Período de Engenharia Civil 4ª Edição – Agosto 2012 Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 1 CESUBE – CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DE UBERABA FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL MECÂNICA DOS SOLOS I Sejam bem-vindos ao 6º período do Curso de Engenharia Civil. A matéria sobre Mecânica dos Solos I lhes proporcionará inicialmente o conhecimento sobre as características dos solos: sua origem, sua estrutura, sua textura e seu comportamento nos diversos estados em que ele poderá estar, antes e após manuseado pelo homem. Para o Engenheiro Civil, este conhecimento e extremamente importante, pois todas as obras civis estão assentes sobre ele, e, em alguns casos, ele é o próprio material de construção. Então, resta ao engenheiro saber da condição em que o solo está, como deverá estar, quando de seu uso; sendo este conhecimento de fundamental importância ao engenheiro para assegurar-se da estabilidade e durabilidade de suas obras. Neste período, iremos ver os seguintes tópicos: • Introdução: A origem da Mecânica dos Solos; • A origem e formação dos solos; • Textura dos solos; • Estrutura dos solos; • O estado dos solos; • Consistência dos solos; • Classificação dos solos; • Compactação dos solos. Observações importantes • Esta apostila estará em constante revisão com o seu uso; • Com o objetivo de fixar os conhecimentos teóricos apresentados nestes capítulos, foi desenvolvida uma segunda apostila com exercícios, também dividida em capítulos na mesma seqüência da teoria, que deverão ser desenvolvidos em parte, na sala de aula e em parte, em casa. A apresentação desta apostila com os exercícios resolvidos valerá como parte da nota de trabalho. Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 2 ÍNDICE CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO 1. A importância do estudo dos solos.............................................................................................................................. 5 2. Grandes acidentes......................................................................................................................................................... 6 3. A Mecânica dos Solos.................................................................................................................................................. 7 4. Geotécnia..................................................................................................................................................................... 8 5. Aplicações de campo da Mecânica dos Solos............................................................................................................. 8 CAPÍTULO II – ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS 1. Origem........................................................................................................................................................................... 10 2. Conceitos de solos e rochas.......................................................................................................................................... 10 3. Horizontes.................................................................................................................................................................... 11 4. Classificação dos solos pela sua origem...................................................................................................................... 12 4.1 Solos residuais............................................................................................................................................................ 13 4.1.1 Solo residual maduro.................................................................................................................................................. 13 4.1.2 Solo residual jovem.................................................................................................................................................... 13 4.1.3 Solo saprolítico............................................................................................................................................................ 13 4.1.4 Rocha alterada............................................................................................................................................................. 13 4.2 Solos sedimentares...................................................................................................................................................... 14 4.2.1 Solos coluvionares...................................................................................................................................................... 14 4.2.2 Solos aluvionares........................................................................................................................................................ 14 4.2.3 Solos eólicos............................................................................................................................................................... 14 4.2.4 Solos drifts.................................................................................................................................................................. 15 4.3 Solos orgânicos........................................................................................................................................................... 15 5. Composição química e mineralógica.......................................................................................................................... 15 5.1 Argilo-minerais........................................................................................................................................................... 17 6. Solos lateríticos........................................................................................................................................................... 20 7. Solos colapsíveis......................................................................................................................................................... 20 8. Solos expansíveis........................................................................................................................................................ 22 CAPÍTULO III – TEXTURA DOS SOLOS 1. Tamanho e forma das partículas.................................................................................................................................. 23 1.1 Solos grossos................................................................................................................................................................ 23 1.1.1 Blocos de rochas......................................................................................................................................................... 23 1.1.2 Matacão........................................................................................................................................................................ 23 1.1.3 Pedregulhos.................................................................................................................................................................. 24 1.1.4 Areias..........................................................................................................................................................................24 1.2 Solos finos................................................................................................................................................................... 25 1.2.1 Siltes............................................................................................................................................................................ 25 1.2.2 Argilas......................................................................................................................................................................... 25 2. Identificação táctil-visual dos solos............................................................................................................................ 26 2.1 Tato............................................................................................................................................................................ 26 2.2 Plasticidade................................................................................................................................................................. 26 2.3 Resistência do solo...................................................................................................................................................... 27 2.4 Dispersão em água...................................................................................................................................................... 27 2.5 Impregnação................................................................................................................................................................ 27 2.6 Dilatância.................................................................................................................................................................... 27 3. Analise granulométrica................................................................................................................................................ 28 3.1 Ensaio granulométrico................................................................................................................................................ 29 3.2 Representação gráfica do ensaio de granulometria.................................................................................................... 32 4. Designação do solo segundo NBR 6502..................................................................................................................... 34 CAPÍTULO IV – ESTRUTURA DOS SOLOS 1. Estrutura dos solos..................................................................................................................................................... 36 2. Amolgamento............................................................................................................................................................. 38 3. Tixotropia................................................................................................................................................................... 38 4. Sensitividade das argilas............................................................................................................................................ 38 5. O estado das argilas................................................................................................................................................... 40 6. Compacidade de solos granulares.............................................................................................................................. 41 Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 3 6.1 O estado das areias........................................................................................................................................................ 41 7. Capacidade de carga dos solos de acordo com sua estrutura ...................................................................................... 43 CAPÍTULO V – O ESTADO DO SOLO 1. Índices físicos entre as três partes.................................................................................................................................. 45 1.1 Relação entre pesos....................................................................................................................................................... 45 1.1.1 Umidade........................................................................................................................................................................ 46 1.2 Relação entre volumes.................................................................................................................................................. 46 1.2.1 Índice de vazios............................................................................................................................................................. 46 1.2.2 Porosidade..................................................................................................................................................................... 47 1.2.3 Grau de saturação........................................................................................................................................................... 47 1.3 Relação entre pesos e volumes...................................................................................................................................... 47 1.3.1 Peso especifico dos grãos sólidos.................................................................................................................................. 47 1.3.2 Peso especifico da água................................................................................................................................................. 48 1.3.3 peso especifico natural................................................................................................................................................... 48 1.3.4 Peso especifico aparente seco........................................................................................................................................ 49 1.3.5 Peso especifico submerso............................................................................................................................................... 49 2. Relações fundamentais – Quadro resumo...................................................................................................................... 50 3. Formulas de correlação................................................................................................................................................... 50 3.1 Índice de vazios............................................................................................................................................................... 51 3.2 Porosidade....................................................................................................................................................................... 51 3.3 Grau de saturação............................................................................................................................................................ 51 3.4 Peso especifico aparente seco......................................................................................................................................... 51 3.5 Peso especifico natural.................................................................................................................................................... 51 3.6 Peso especifico saturado.................................................................................................................................................51 3.7 Peso especifico submerso.............................................................................................................................................. 51 3.8 Relações para solos saturados........................................................................................................................................ 51 3.9 Relações para solos secos.............................................................................................................................................. 52 4. Massas especificas......................................................................................................................................................... 52 5. Representação gráfica das equações.............................................................................................................................. 53 6. Diagrama das informações para cálculos........................................................................................................................ 53 CAPÍTULO VI – CONSISTÊNCIA DOS SOLOS 1. Noções básicas............................................................................................................................................................... 54 2. Estados de consistência................................................................................................................................................. 54 3. Determinação dos limites de consistência..................................................................................................................... 54 3.1 Limite de liquidez.......................................................................................................................................................... 55 3.1.1 Determinação do limite de liquidez............................................................................................................................... 55 3.2 Limite de plasticidade.................................................................................................................................................... 56 3.2.1 Determinação do limite de plasticidade......................................................................................................................... 56 3.3 Limite de contração....................................................................................................................................................... 57 3.3.1 determinação do limite de contração............................................................................................................................. 57 4. Índices dos solos – IP – IC – IA................................................................................................................................... 58 4.1 Índice de plasticidade..................................................................................................................................................... 58 4.2 Índice de consistência.................................................................................................................................................... 58 4.3 Índice de atividade da argila.......................................................................................................................................... 60 5. Grau de contração.......................................................................................................................................................... 60 6. Gráfico da plasticidade.................................................................................................................................................. 61 CAPÍTULO VII – CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS 1. A importância da classificação dos solos....................................................................................................................... 63 2. Identificação dos solos................................................................................................................................................... 64 3. Sistema de classificação unificada................................................................................................................................. 65 3.1 Solos granulares............................................................................................................................................................. 66 3.2 Solos de granulação fina................................................................................................................................................ 68 4. Sistema rodoviário de classificação............................................................................................................................... 73 4.1 Índice de grupo.............................................................................................................................................................. 73 4.2 Solos grossos................................................................................................................................................................ . 73 4.2.1 Solo A1.......................................................................................................................................................................... 74 4.2.2 Solo A2.......................................................................................................................................................................... 74 4.2.3 Solo A3.......................................................................................................................................................................... 74 Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 4 4.3 Solos finos...................................................................................................................................................................... 76 4.3.1 Solo A4........................................................................................................................................................................... 76 4.3.2 Solo A5........................................................................................................................................................................... 76 4.3.3 Solo A6........................................................................................................................................................................... 76 4.3.4 Solo A7........................................................................................................................................................................... 76 5. Classificação MCT para solos tropicais ......................................................................................................................... 78 5.1 Tabela com classificação dos solos segundo metodologia MCT ................................................................................... 80 CAPÍTULO VIII – COMPACTAÇÃO DOS SOLOS 1. Introdução...................................................................................................................................................................... 81 2. Objetivo da compactação ............................................................................................................................................... 83 3. Diferença entre compactação e adensamento................................................................................................................. 83 4. Ensaio de compactação...................................................................................................................................................83 5. Curva de compactação.................................................................................................................................................... 86 6. Energia de compactação................................................................................................................................................. 89 7. Influência da compactação na estrutura dos solos......................................................................................................... 90 8. Influência do tipo de solo na compactação..................................................................................................................... 91 9. Justificativa da escolha do valor de umidade ótima na compactação ........................................................................... 91 10. Técnicas executivas de uma compactação...................................................................................................................... 92 10.1 Escolha dos equipamentos de compactação.................................................................................................................. 93 10.1.1 Soquetes......................................................................................................................................................................... 94 10.1.2 Rolos compactadores estáticos....................................................................................................................................... 95 10.1.2.1 Rolo compactador pé de carneiro................................................................................................................................... 95 10.1.2.2 Rolo compactador liso.................................................................................................................................................... 95 10.1.2.3 Rolo compactador pneumático........................................................................................................................................ 96 10.1.3 Rolos compactadores vibratórios.................................................................................................................................... 96 10.2 Umidade......................................................................................................................................................................... 97 10.3 Números de passadas..................................................................................................................................................... 98 10.4 Espessura das camadas................................................................................................................................................... 98 10.5 Homogeneidade das camadas...................................................................................................................................... 100 10.6 Especificação para a compactação............................................................................................................................... 101 10.7 Sequência construtiva.................................................................................................................................................... 102 11. Controle da compactação............................................................................................................................................... 103 11.1 Verificação da umidade em campo............................................................................................................................... 103 11.1.1 Método da frigideira...................................................................................................................................................... 104 11.1.2 Método do speedy......................................................................................................................................................... 104 11.2 Determinação do grau de compactação......................................................................................................................... 105 11.2.1 Método do frasco de areia............................................................................................................................................. 105 11.2.2 Método do amostrador.................................................................................................................................................. 106 11.3 Freqüência de ensaios................................................................................................................................................... 106 11.4 Planilha para controle de compactação......................................................................................................................... 107 12. Índice de suporte Califórnia – ISC............................................................................................................................... 108 12.1 Ensaio de compactação................................................................................................................................................. 109 12.2 Material constituinte do corpo de prova....................................................................................................................... 110 12.3 Ensaio de expansão....................................................................................................................................................... 110 12.4 Determinação do CBR ou ISC...................................................................................................................................... 110 Capítulo I Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 5 INTRODUÇÃO 1. A IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DOS SOLOS O solo constitui-se em um importante elemento nas obras de engenharia, por ser: • Material de fundação: elemento onde se apóiam todas as obras de engenharia, prédios, pontes, barragens, estradas, etc., recebendo delas todas as cargas provenientes do peso próprio de suas estruturas e de sua funcionalidade. • Material de construção: elemento utilizado para construção de barragens, rodovias, aterros e moradias (solo-cimento). O conhecimento da estrutura, composição e comportamento do solo perante a presença das cargas estruturais e da água é de vital importância para a estabilidade das construções, e proteção das pessoas que se utilizam de tais obras. Para a Engenharia, a Arquitetura e Geologia, a necessidade de se compreender a Mecânica dos Solos é: • Aprender a entender e poder avaliar as propriedades dos materiais geológicos, em particular o solo; • Aplicar o conhecimento dos solos de uma maneira prática para projetar obras geotécnicas de forma segura e econômica; • Desenvolver e progredir no conhecimento da Mecânica dos Solos através da pesquisa e experiência, e então acrescentar novos conhecimentos conceituais, e • Estender conhecimentos a outros ramos do aprendizado ainda a serem desenvolvidos. O solo é formado pelas forças da natureza, de uma forma muito desigual nas várias regiões do planeta, para não dizer de uma mesma localidade, apresentando como conseqüência uma ampla variação de suas propriedades físicas, sendo a maioria delas variáveis em relação a determinadas condições. Como elemento de uma construção, esta tendência dos solos de variarem nas suas propriedades físicas é uma contradição se compararmos com as propriedades dos outros “Em se tratando de solos e rochas, a heterogeneidade é a regra, a homogeneidade a exceção”. Capítulo I Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodriguesda Cunha Pág. 6 materiais de construção manufaturados, como o aço, o cimento, as cerâmicas, etc., cujas propriedades são constantes. As propriedades do solos dependem do tipo de solo, e estas são mais ou menos afetadas por vários fatores, incluindo a presença de umidade, proximidade com águas subterrâneas, umidade do ar, enchentes, congelamento e descongelamento, etc. Uma das dificuldades para tratar com o solo como um material é que as suas propriedades físicas no campo podem variar entre distâncias consideravelmente pequenas (ordem de 1 m, ou até menos). A influência da água no desempenho do solo quando carregado é um dos fatores mais importantes. Na Mecânica dos Solos, a umidade é considerada como um dos fatores que regem as propriedades dos solos. A água influência na capacidade de carga do solo, podendo levar um solo coesivo a se comportar plasticamente, contrair ou inchar, etc. A água é controlada para compactar o solo com a finalidade de aumentar a sua resistência. Portanto, uma das operações mais freqüentes num programa de ensaios laboratoriais é o controle da água presente nos seus vazios. A natureza diversa do solo é o problema mais difícil com o qual o engenheiro se depara. Nenhum engenheiro, arquiteto ou construtor pode ignorar o problema de investigação das propriedades físicas locais e a possibilidade das variações destas, decorrentes da variação da umidade durante e após a construção da obra. Uma investigação detalhada destas propriedades é a melhor maneira de se evitar o colapso do sistema solo-estrutura, além dos problemas de exploração, manutenção, financeiro, etc., que podem ocorrer no futuro. Se as propriedades dos solos forem estudadas convenientemente, os resultados dos ensaios conseqüentes, interpretados corretamente e inteligentemente aplicados num projeto e posterior construção de determinada obra, as falhas podem ser evitadas. 2. GRANDES ACIDENTES Uma série de numerosos acidentes ocorridos com grandes obras de engenharia, ao fim do Século XIX e princípios do Século XX, veio mostrar a inadequada percepção dos princípios até então admitidos e, por outro lado, a insuficiência de conhecimento para a tomada de decisões. Entre grandes acidentes ocorridos em quase todos os países e as providências tomadas visando um esclarecimento da situação, citam-se como exemplos históricos, os que tiveram lugar no Panamá, Estados Unidos, Suécia e Alemanha. • Panamá: Durante a construção do Canal do Panamá, ocorreram sucessivos escorregamentos de taludes de terra, destacando-se os celebres escorregamentos de Cucaracha e Culebra; Capítulo I Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 7 • Estados Unidos: Ruptura de barragens de terra e os sucessivos recalques de grandes edifícios. Preocupados com os acontecimentos, a American Society of Civil Engineers, resolveu então, em 1913, nomear uma comissão para examinar e opinar sobre o que estava ocorrendo. Uma das conclusões centrais do trabalho apresentado se referia à necessidade de se exprimir quantitativamente as propriedades dos solos, estabelecendo ainda sua classificação e dando ênfase à importância das partículas coloidais dos solos. • Suécia: Face a uma série de escorregamentos em taludes de ferrovias, foi nomeada em 1913 a famosa Comissão Geotécnica Sueca. Em 1916 ocorria o escorregamento de Goteborg, onde um muro de cais se deslocou 5 m para dentro do mar, notando-se, a cerca de 90 m, um levantamento do fundo de alguns metros. Dentre as conclusões constantes do relatório, publicado em 1922, destaca-se a origem do valioso método sueco de verificação da estabilidade de talude, hoje tão difundido. • Alemanha: Devido aos acidentes com muros de cais e escorregamentos de terra, em particular na construção do Canal de Kiel, foram realizados importantes estudos por Krey, destacando-se os de resistência ao cisalhamento dos solos e os relativos à teoria dos suportes laterais. 3. A MECÂNICA DOS SOLOS A Mecânica dos Solos é o estudo do comportamento de engenharia do solo quando este é usado ou como material de construção ou como material de fundação. Ela é uma disciplina relativamente jovem da engenharia civil, somente sistematizada e aceita como ciência em 1925 por Terzaghi (Terzaghi, 1925), que é conhecido com todos os méritos, como o pai da Mecânica dos Solos. A Mecânica dos Solos estuda as características físicas dos solos e as suas propriedades mecânicas (equilíbrio e deformação) quando submetido a acréscimos ou alívio de tensões. Através de pesquisas em campo, ensaios padronizados em laboratório, a Mecânica dos Solos procura conhecer e determinar as várias características do solo em questão, e assim definir como proceder no projeto de uma obra e no seu uso. As conclusões advindas dos relatórios destes acidentes e as contribuições dos estudos realizados para compreendê-los nas varias partes do planeta, deram lugar a uma nova orientação para o estudo dos solos. Surge a Mecânica dos Solos propriamente dita. Capítulo I Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 8 4. GEOTECNIA Por Geotecnia ou Engenharia Geotécnica, entende-se a junção da Mecânica dos Solos, da Engenharia de Fundações, da Mecânica das Rochas, da Geologia da Engenharia e mais recentemente da Geotecnia Ambiental (que trata de problemas como transporte de contaminantes pelo solo, avaliação de locais impactados, projetos de sistemas de proteção de aterros sanitários) 5. APLICAÇÕES DE CAMPO DA MECÂNICA DOS SOLOS • Fundações: As cargas de qualquer estrutura têm de ser, em última instância, descarregadas no solo através de sua fundação. Assim a fundação é uma parte essencial de qualquer estrutura. Seu tipo e detalhes de sua construção podem ser decididos somente com o conhecimento e aplicação de princípios da mecânica dos solos. • Obras subterrâneas e estruturas de contenção: Obras subterrâneas como estruturas de drenagem, dutos, túneis e as obras de contenção como os muros de arrimo, cortinas atirantadas somente podem ser projetadas e construídas usando os princípios da mecânica dos solos e o conceito de "interação solo-estrutura". • Projeto de pavimentos: o projeto de pavimentos pode consistir de pavimentos flexíveis ou rígidos. Pavimentos flexíveis dependem mais do solo subjacente para transmissão das cargas geradas pelo tráfego. Problemas peculiares no projeto de pavimentos flexíveis são os efeitos de carregamentos repetitivos e problemas devidos às expansões e contrações do solo por variações em seu teor de umidade. • Escavações, aterros e barragens: A execução de escavações no solo requer freqüentemente o cálculo da estabilidade dos taludes resultantes. Escavações profundas podem necessitar de escoramentos provisórios, cujos projetos devem ser feitos com base na mecânica dos solos. Para a construção de aterros e de barragens de terra, onde o solo é empregado como material de construção e fundação, necessita-se de um conhecimento completo do comportamento de engenharia dos solos, especialmente na presença de água. O conhecimento da estabilidade de taludes, dos efeitos do fluxo de água através do solo, do processo de adensamento e dos recalques a ele associados, assim como do processo de compactação empregado é essencial para o projeto e construção eficientes de aterros e barragens de terra. Capítulo I Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da CunhaPág. 9 Figura 1.1 UHE Peixe Angelical - Rio Tocantins- Barragem do lado direito Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 10 ORIGEM E FORMAÇÃO DO SOLO 1. ORIGEM Todos os solos se originam da decomposição das rochas que constituíam inicialmente a crosta terrestre. A decomposição é decorrente de agentes físicos e químicos. • Por decomposição física: através de agentes como água, temperatura, vegetação, vento, alívios de pressão; formam-se os pedregulhos e areias (solos de partículas grossas) e até mesmo os siltes (partículas intermediárias), e, somente em condições especiais, as argilas (partículas finas). Na ação do intemperismo físico, não há alteração na composição química e minerológica da rocha, mas sim laterações texturais, ou seja dissociação das partículas das rochas, que conseqüentemente resultam em solo grosso. • Por decomposição química: entende-se o processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas de origem. O principal agente é a água e os mais importantes mecanismos de ataque são a oxidação, hidratação, carbonatação e os efeitos químicos da vegetação. As argilas representam o ultimo produto do processo de decomposição. Variações de temperatura provocam trincas, nas quais penetra a água, atacando quimicamente os minerais. O congelamento da água nas trincas, entre outros fatores, exerce elevadas tensões, do que decorre maior fragmentação dos blocos. A presença da fauna e flora promove o ataque químico, através de hidratação, hidrólise, oxidação, lixiviação, troca de cátions, carbonatação, etc. O conjunto destes processos que atuam simultaneamente, em determinados locais e condições climáticas, podendo um deles predominar sobre o outro, em função do clima da região, leva à formação dos solos que, em conseqüência, são misturas de partículas pequenas que se diferenciam pelo tamanho e pela composição química. A maior ou menor concentração de cada tipo de partícula num solo depende da composição química da rocha que lhe deu origem. O solo é, assim, uma função da rocha-mater e dos diferentes agentes de alteração. 2. CONCEITOS DE SOLOS E ROCHAS No linguajar popular a palavra solo está intimamente relacionada com a palavra terra, a qual poderia ser definida como material solto, natural da crosta terrestre onde habitamos, Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 11 utilizado como material de construção e de fundação em obras. Uma definição precisa e teoricamente sustentada do significado da palavra solo é, contudo, bastante difícil, de modo que o termo solo adquire diferentes conotações a depender do ramo do conhecimento humano que o emprega. Para a agronomia, o termo solo significa o material relativamente fofo da crosta terrestre, consistindo de rochas decompostas e matéria orgânica, o qual é capaz de sustentar a vida. Desta forma, os horizontes de solo para agricultura possuem em geral pequena espessura. Para a geologia, o termo solo significa o material inorgânico não consolidado proveniente da decomposição das rochas, o qual não foi transportado do seu local de formação. Na engenharia, solo e rocha são conceitualmente distintos: • Solo: é um material granular composto de rocha decomposta, água, ar (ou outro fluido) e eventualmente matéria orgânica, que pode ser escavado sem o auxílio de explosivos. • Rocha: aquilo que é impossível escavar manualmente, integro, que necessite de explosivo para seu desmonte. 3. HORIZONTES Pedologia é a ciência que estuda e classifica os solos da superfície terrestre através da caracterização da morfologia dos materiais que o constituem (cor, estrutura, consistência, composição química, etc.). A Pedologia tradicional identifica seu objeto de estudo, o solo, como um corpo natural tridimensional, bem definido, apresentando uma sucessão vertical de materiais em camadas chamada “HORIZONTES”, que têm extensão lateral contínua, profundidades variáveis e estão via de regra dispostos horizontalmente ou paralelamente à superfície do terreno As camadas que constituem o perfil de um terreno, denominadas de “Horizontes” são designadas pela letra A (camada superficial), B (subsolo) e C (camada profunda). • Horizonte O: Matéria Orgânica: Camada fina de resíduos de plantas relativamente decompostas. É especialmente importante nas áreas de mata. • Horizonte A: Solo superficial: Camada de solo mineral com muita acumulação de matéria orgânica (o húmus) e vida. Esta camada é eluviada de ferro, argila, alumínio, compostos orgânicos e outros constituintes solúveis. Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 12 Quando a eluviação é proeminente, aparece uma camada de cor clara "horizonte E" na base do horizonte "A". • Horizonte B: Subsolo: Camada de alteração abaixo dos horizontes "E" ou "A". Esta camada acumula ferro, argila, alumínio e compostos orgânicos, num processo denominado de iluviação. • Horizonte C: Substrato: Camada de material não consolidado de origem do solo (rocha- mãe alterada). Esta camada acumula os compostos mais solúveis que percolaram do horizonte "B". Figura 2.1 Horizontes de um solo 4. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS PELA SUA ORIGEM A classificação dos solos pela sua origem é um complemento importante para o conhecimento das ocorrências e para a transmissão de conhecimentos acumulados. Algumas vezes, a indicação da origem do solo é tão ou mais útil do que a classificação sob o ponto de vista da constituição física. Os solos podem ser classificados em dois grandes grupos: solos residuais e solos transportados. Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 13 4.1 Solos residuais: São aqueles resultantes da decomposição das rochas que se encontram no próprio local em que as rochas se formaram. Para que eles ocorram, é necessário que a velocidade de decomposição da rocha seja maior do que a velocidade de decomposição por agentes externos. A velocidade de decomposição depende de vários fatores, entre os quais a temperatura, o regime de chuva e a vegetação. As condições existentes nas regiões tropicais são favoráveis às degradações mais rápidas da rocha-mater, razão pela qual as maiores ocorrências de solos residuais ocorrem nestas regiões, entre elas o Brasil. Os solos residuais se apresentam em horizontes com grau de intemperização decrescente. Vargas (1981) identifica as seguintes camadas, cujas transições são gradativas, conforme mostra o diagrama a seguir. 4.1.1 Solo residual maduro: Mais próximos à superfície, são mais homogêneos e não apresentam semelhanças com a rocha original. De uma forma geral, há um aumento da resistência ao cisalhamento, da textura (granulometria) e da heterogeneidade do solo com a profundidade. 4.1.2 Solo residual jovem: O solo residual jovem apresenta boa quantidade de material que pode ser classificado como pedregulho (Ø > 4,8 mm). Geralmente são bastante irregulares quanto a resistência mecânica, coloração, permeabilidade e compressibilidade, já que o processo de transformação não se dá em igual intensidade em todos os pontos, comumente existindo blocos da rocha no seu interior. Pode-se dizer também que nos horizontes de solo jovem e saprolítico as sondagens a percussão a serem realizadas devem ser revestidas de muito cuidado, haja vistaque a presença de material pedregulhoso pode vir a danificar os “amostradores” utilizados, vindo a mascarar os resultados obtidos. 4.1.3 Solo saprolítico: Ainda guarda características da rocha-mater e tem basicamente os mesmos minerais, porém sua resistência já se encontra bastante reduzida. Este pode ser caracterizado como uma matriz de solo envolvendo grandes pedaços de rocha altamente alterada. Visualmente pode confundir-se com uma rocha alterada, mas apresenta pequena resistência ao manuseio. Nos horizontes saprolíticos é comum a ocorrência de grandes blocos de rocha denominados matacões, responsáveis por muitos problemas quando do projeto de fundações. 4.1.4 Rocha alterada: Horizonte em que a alteração progrediu ao longo de fraturas ou zonas de menor resistência, deixando intactos grandes blocos da rocha original. Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 14 Figura 2.2 Perfil de solo residual de decomposição de gnaisse Em se tratando de solos residuais, é de grande interesse a indicação da rocha-mater, pois ela condiciona, entre outras coisas, a própria composição física. Solos residuais de basalto são predominantemente argilosos, os de gnaisse são siltosos e os graniticos apresentam teores aproximadamente iguais de areia média, silte e argila, etc. 4.2 Solos sedimentares ou transportados: São aqueles que foram levados ao seu local atual por algum agente de transporte. As características dos solos são função do agente transportador. 4.2.1 Solos coluvionares: São solos formados por ação da gravidade. Entre eles estão os escorregamentos das escarpas da Serra do Mar, formando os tálus nos pés do talude, massas de materiais muito diversos e sujeitos a movimentações de rastejo. Têm sido também classificados como “Coluviões”, solos superficiais do planalto brasileiro depositados sobre solos residuais. 4.2.2 Solos aluvionares: São solos resultantes do carregamento pela água, também denominados de “solos de aluviões”. Sua composição depende da velocidade das águas no momento de deposição. Existem aluviões essencialmente arenosos, bem como aluviões muito argilosos, comuns nas várzeas quaternárias dos córregos e rios. Registra-se também a ocorrência de camadas sobrepostas de granulometrias distintas, devidas a diversas épocas e regimes de deposição. 4.2.3 Solos eólicos: São os solos resultantes do carregamento pelo vento. O transporte eólico provoca o arredondamento das partículas, em virtude do seu atrito constante. As areias Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 15 constituintes dos arenitos brasileiros são arredondadas, por ser esta uma rocha sedimentar com partículas previamente transportadas pelo vento. 4.2.4 Solos drifts: São solos transportados por geleiras, muito freqüentes na Europa e nos Estados Unidos, mas com pequena ocorrência no Brasil 4.3 Solos orgânicos: São chamados solos orgânicos àqueles que contém uma quantidade apreciável de matéria decorrente de decomposição de origem vegetal ou animal, em vários estágios de decomposição. Geralmente argilas ou areias finas, os solos orgânicos são de fácil identificação, pela cor escura e pelo odor característico. A norma norte- americana classifica como solo orgânico àquele que apresenta WL de uma amostra seca em estufa menor do que 75% do WL de amostra natural sem secagem em estufa. O teor de matéria orgânica pode ser determinado pela secagem em mufla a 540°C. Solos orgânicos geralmente são problemáticos por serem muito compressíveis. Eles são encontrados no Brasil principalmente nos depósitos litorâneos, em espessura de dezenas de metros, e nas várzeas dos rios e córregos, em camadas de 3 a 10 m de espessura. O teor de matéria orgânica em peso tem variado de 4 a 20%. Por sua característica orgânica, apresentam elevados índices de vazios, e por serem de sedimentação recente e normalmente adensados, possuem baixa capacidade de suporte e considerável compressibilidade. Em algumas formações, ocorre uma importante concentração de folhas e caules em processo incipiente de decomposição, formando as turfas. São materiais extremamente deformáveis, mas muito permeáveis, permitindo que os recalques, devidos a carregamentos externos, ocorram rapidamente. 5. COMPOSIÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA As partículas resultantes da desagregação de rochas dependem da composição da rocha matriz e do clima da região. Estas propriedades, por sua vez, irão influenciar de forma marcante o comportamento mecânico do solo. Algumas partículas maiores, dentre os pedregulhos, são constituídas freqüentemente de agregações de minerais distintos. É mais comum, entretanto, que as partículas dos solos sejam constituídas de um único mineral proveniente da rocha-mater. Quanto à composição química dos principais minerais componentes dos solos grossos, podem ser agrupados em quatro grupos distintos: Um mineral é uma substância inorgânica e natural, com composição química e estrutura definida. Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 16 • Os silicatos: Feldspato, mica, quartzo, serpentina, clorita e talco; • Os óxidos: hematita, magnetita e limonita; • Os carbonatos: Calcita e dolomita; • Os sulfatos: gesso e anidrita. Os “Felsdspatos” são silicatos duplos de Al e de um metal alcalino ou alcalino-terroso (K, Na e Ca). São os minerais mais atacados pela natureza, dando origem aos argilos- minerais, que constituem a fração mais fina dos solos, geralmente com dimensão inferior a 0,002 mm. Não só o reduzido tamanho mas, principalmente, a constituição mineralógica faz com que estas partículas tenham um comportamento extremamente diferenciado em relação aos dos grãos de silte e areia. Os Feldspatos sofrem decomposição mais ou menos acentuada pelos agentes da natureza; pela ação da água carregada de CO2; é característica a alteração em argila branca, denominada “Caulim”. As “Micas” são, geralmente, ortossilicatos de Al, Mg, K, Na ou Li e, mais raramente de Mn e Cr. Distinguem-se imediatamente por suas delgadas lâminas flexíveis e por sua clivagem extremamente fácil. Os principais tipos são a muscovita (mica branca) e a biotita (mica preta). Nos solos, as micas aparecem sob a forma de pequenas escamas brilhantes, conferindo- lhes um brilho característico, e as cores as mais variadas e vivas. O “Quartzo”, é o mais importante dos minerais do grupo dos silicatos. Está presente na maioria das rochas, é bastante resistente à desagregação e forma grãos de silte e areia. Sua composição química é SiO2, sílica cristalina pura. Suas partículas são eqüidimensionais, como cubos ou esferas, e ele apresenta baixa atividade superficial. São facilmente identificados macroscopicamente. Devido à sua estabilidade química e dureza, é um dos minerais mais resistentes aos habituais agentes de intemperismo, tais como a água e a variação de temperatura; por isso, passa quase que incólume da rocha aos solos. A Hematita (Fe2O3), a magnetita (Fe3O4) e a limonita (Fe2O3·H2O) são os principais minerais entre os óxidos de ferro. No grupo dos carbonatos, os mais importantes minerais são a calcita (CO3Ca) e dolomita [(CO3)2CaMg]. Embora tenham propriedades físicas semelhantes, a dolomita difere da calcita pela sua maior dureza e fraca reação em contato com o HCl Dentre os sulfatos citam-se o gesso (SO4Ca· 2H2O) e a anidrita (SO4Ca), os quais se diferenciam pelo teor de “água estrutural” e, conseqüentemente, pelosvalores de densidade e de dureza. Entre os solos finos as argilas apresentam uma complexa constituição química. A sua analise revela serem constituídas basicamente de sílica SiO2 em forma coloidal e Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 17 sesquióxidos metálicos da forma geral R2O3, onde o símbolo R refere-se ao Al e ao Fe. A razão (em peso) SiO2 = SiO2/(Al2O3 + Fe2O3), chamada razão de sesquióxidos, varia de: • De 1,33 a 2,00 para os solos lateríticos; • Maior do que 2 para os solos não lateríticos. 5.1 Argilo-Minerais Pesquisas rentgenográficas das argilas revelam, apesar da aparência amorfa do conjunto, que elas são constituídas de pequeníssimos minerais cristalinos, chamados “Argilo- minerais”, dentre os quais distinguem-se três grupos principais: caolinitas, montmorilonitas e ilitas. Os argilo-minerais apresentam uma estrutura complexa. Uma abordagem detalhada deste tema foge ao intuito desta apostila, porem, uma síntese do assunto, que permita compreender o comportamento dos solos argilosos perante a água, é apresentada a seguir, tomando-se como exemplo os três minerais mais comuns na natureza (a caolinita, a montmorilonitas e a ilita), que apresentam comportamentos bem distintos, principalmente na presença de água. As estruturas dos argilo-minerias compõem-se do agrupamento de duas unidades cristalográficas fundamentais: • Uma, com a configuração de um tetraedo (figura 2.3-a ) formado por um átomo de silício eqüidistante de quatro átomos de oxigênio e, • Outra representada por um octaedro (figura 2.3-b) com um átomo de alumínio no centro, envolvido por seis átomos de oxigênio. Na representação abaixo, mostramos também a representação simbólica de cada unidade (trapézio e retângulo) (a) (b) Figura 2.3 Representação das estruturas básicas dos argilo-minerais As associações entre si, desses elementos, formam as diversas espécies de argilo- minerais, conforme veremos a seguir. Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 18 Figura 2.4 Representação simbólica dos principais argilo-minerais As caolinitas (Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O ou H4Al2Si2O9), são formadas por unidades de silício e alumínio, que se unem alternadamente, conferindo-lhes uma estrutura rígida. Em conseqüência, as argilas caoliníticas são relativamente estáveis em presença de água. Esta estrutura formada por uma camada tetraédrica e uma octaédrica denomina-se estrutura de camada 1:1, determinando uma espessura da ordem de 7 Å (1 Angstron = 10 -10 m). Estas camadas assim constituídas encontram-se firmemente empacotadas, com ligações de hidrogênio que impedem sua separação e que entre elas se introduzam moléculas de água. A partícula resultante fica com espessura da ordem de 1.000 Å, sendo sua dimensão longitudinal de cerca de 10.000 Å. Figura 2.5 Estrutura de uma camada de caolinita – (a) representação atômica (b) representação simbólica As montmorilonitas [(OH)4Si8Al4O20nH2O] são estruturalmente formadas por uma unidade de alumínio entre duas unidades de silício. As ligações entre essas unidades, não são suficientemente firmes para impedir a passagem de moléculas de água. Os solos com grandes Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 19 quantidades de montmorilonita tendem a ser instáveis em presença de água. Apresentam em geral grande resistência quando secos, perdendo quase que totalmente a sua capacidade de suporte por saturação. Sob variações de umidade apresentam grandes variações volumétricas, retraindo-se em processos de secagem e expandindo-se sob processos de umedecimento. As Ilitas possuem um arranjo estrutural semelhante ao da montmorilonita, porém os íons não permutáveis fazem com que a união entre as camadas seja mais estável e não muito afetada pela água. É também menos expansiva que a montmorilonita. Nesta estrutura, onde o arranjo octaédrico é encontrado entre duas estruturas do arranjo tetraédrico denomina-se estrutura de camadas 2:1, definindo uma espessura de cerca de 10 Å. Nestes minerais, as ligações entre as camadas se fazem por íons O² - e O² + dos arranjos tetraédricos, que são mais fracos que a ligações entre camadas de caolinita, em que íons O² + da estrutura tetraédrica se ligam a OH - da estrutura octaédrica. As camadas ficam livres, e as partículas, no caso das montmorilonitas, ficam com a espessura da própria camada estrutural, que é de 10 Å. Sua dimensão longitudinal também é reduzida, ficando com cerca de 1.000 Å, pois as placas se quebram por flexão. As partículas de montmorilonitas apresentam um volume 10 -4 vezes menor do que as de caolinita e uma área 10 -2 vezes menor. Isto significa que para igual volume ou massa, a superfície das partículas de montmorilonitas é 100 vezes maior do que das partículas de caolinita. A superfície específica (superfície total de um conjunto de partículas dividida pelo seu peso) das caolinitas é da ordem de 10 m²/g, enquanto que a das montmorilonitas é de cerca de 1.000 m²/g e das ilitas é cerca de 80 m²/g. As forças de superfície são muito importantes no comportamento de partículas coloidais, sendo a diferença de superfície específica uma indicação da diferença de comportamento entre os solos com distintos argilo-minerais. Figura 2.6 Estrutura simbolica de minerais com camada 2:1; (a) montmorilonitas com duas camadas de molecula de água; (b) ilita Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 20 O comportamento das argilas seria menos complexo se não ocorressem imperfeições na sua composição mineralógica. É comum, entretanto, a ocorrência de um átomo de alumínio, Al³ + , substituindo um de silício, Si 4+ , na estrutura tetraédrica, e que na estrutura octaédrica, átomos de alumínio estejam substituídos por outros átomos de menor valência, como o magnésio, Mg ++ . Estas alterações são definidas como “substituições isomórficas”, pois não alteram o arranjo dos átomos, mas as partículas resultam com uma carga negativa. Para neutralizar as cargas negativas, existem cátions livres nos solos, por exemplo, cálcio, Ca ++ , ou sódio, Na + , aderidos às partículas. Estes cátions atraem camadas contíguas, mas com força relativamente pequena, o que não impede a entrada de água entre as camadas. A liberdade de movimento das placas explica a elevada capacidade de absorção de água de certas argilas, sua expansão quando em contato com a água e sua contração considerável ao secar. As bordas das partículas argilosas apresentam cargas positivas, resultantes das descontinuidades da estrutura molecular, mas íons negativos neutralizam estas cargas. Os cátions e íons são facilmente trocáveis por percolação de soluções químicas. O tipo de cátion presente numa argila condiciona o seu comportamento. Uma argila montmorilonita com sódio absorvido, por exemplo, é muito mais sensível à água do que tendo cálcio absorvido. Daí a diversidade de comportamentos apresentados pelas argilas e a dificuldade de correlacioná-los por meio de índices empíricos. A presença de um determinado mineral argílico em um solo pode ser identificado, entre outros métodos, pela análise termodiferencial.6. SOLOS LATERÍTICOS A pedologia é o estudo das transformações da superfície dos depósitos geológicos, dando origem a horizontes distintos, ocorrendo tanto em solos residuais como nos transportados. Os fatores que determinam as propriedades dos solos considerados na pedologia são: • A rocha matriz, • O clima e a vegetação, • Os organismos vivos, • A topografia, • O tempo de exposição a estes fatores. Na engenharia civil, as classificações pedológicas são utilizadas principalmente pelos engenheiros rodoviários, que lidam com solos superficiais e que encontram úteis correlações entre o comportamento de pavimentos e taludes com estas classificações. Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 21 “Laterização ou latolização”, é um processo característico de regiões tropicais de clima úmido com estações chuvosas e secas alternadas, segundo o qual, por lixiviação, processa-se a remoção da sílica coloidal, e o enriquecimento dos solos e rochas em ferro e alumina. A identificação dos solos lateríticos é de particular interesse para o Brasil, já que são típicos da evolução de solos em climas quentes, com regime de chuvas moderadas a intensas. A denominação de lateríticos se incorporou na terminologia dos engenheiros, embora não seja mais usada nas classificações pedológicas. Os solos lateríticos têm sua fração argila constituída predominantemente de minerais caoliníticos e apresentam elevada concentração de ferro e alumínio na forma de óxidos e hidróxidos, donde vem sua peculiar coloração avermelhada. Estes sais se encontram, geralmente, recobrindo agregações de partículas argilosas. Os solos lateríticos apresentam-se na natureza, geralmente não-saturados e com elevados índice de vazios, daí sua pequena capacidade de suporte. Quando compactados, entretanto, sua capacidade de suporte é elevada, sendo por isto muito empregado em pavimentação e em aterros. Depois de compactado, um solo laterítico apresenta contração se o teor de umidade diminuir, mas não apresenta expansão na presença de água. Uma metodologia de classificação – o MCT, que permite a identificação dos solos de comportamento laterítico, foi desenvolvida pelo Prof. Job S. Nogami e vem sendo empregada por alguns órgãos rodoviários do País. - 7. SOLOS COLAPSÍVEIS Define-se como solos colapsívies os solos que sofrem significativa redução de volume quando umedecidos, com ou sem aplicação de carga adicional. Em geral, os solos colapsíveis apresentam a seguinte características: • Compostos basicamente por areia e silte, • Estrutura macroporosa: com índices de vazios superior a 60% - fofa, • Baixo grau de saturação: solos não saturados, • Partículas maiores mantidas por cimentação ou coesão capilar. A estrutura do solo colapsível consiste de grãos não lixiviados, separados por espaços vazios, com as menores distâncias entre os grãos sendo normalmente preenchidas por pontes de argila floculada, que freqüentemente incluem pequenas partículas não lixiviadas. O colapso do solo ocorre quando o solo sob carga é submetido a um aumento no conteúdo de água fazendo com que a infiltração da água decomponha os cimentos naturais ou pontes de argila, diminuindo a coesão entre os grãos. Desta maneira, a magnitude das tensões cisalhantes entre os grãos excedem a resistência das pontes de argila. Capítulo II Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 22 O quadro de colapso de um solo apresenta as seguintes sinalizações: • Inclinação de prédios; • Desnivelamento acentuado entre estruturas e os terrenos adjacentes; • Trincas no terreno, em pavimentos e em edificações • Afundamentos e formação de cavidades A ocorrência de um colapso do solo pode proporcionar as seguintes ocorrências em construções: • Inutilização de construções devido a recalques excessivos, podendo mesmo ocorrer o desabamento das edificações; • Rompimento de galerias, encanamentos e tubos subterrâneos; • Vazamentos 8. SOLOS EXPANSÍVEIS Define-se como solos expansíveis, os solos coesivos que aumentam de volume quando umedecidos e que se contraem quando ressecam. Os solos expansíveis apresentam as seguintes características: • Solos não saturados; • Presença de argilo-minerais expansivos: especialmente as montmorilonitas; • Solos derivados de rochas ígneas (basaltos, diabásios e gabros) e rochas sedimentares (folhelhos e calcários). Os movimentos de expansão e contração de um solo expansível apresenta as seguintes sinalizações: • Ondulações e trincas em pisos e pavimentos; • Trincas em paredes; • Material desagregando nas superfícies de cortes; • Rupturas em taludes muito suaves. A movimentação de um solo pode provocar os seguintes danos em obras: • Instabilização de taludes, de fundações e de cavidades subterrâneas; • Ruptura de pavimentos. Capítulo III Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 23 TEXTURA DOS SOLOS 1. TAMANHO E FORMA DAS PARTÍCULAS Entende-se por textura o tamanho relativo e a distribuição das partículas sólidas que formam os solos. O estudo da textura dos solos é realizado por intermédio do ensaio de granulometria, do qual falaremos adiante. Pela sua textura os solos podem ser classificados em dois grandes grupos: • Solos grossos: areia, pedregulho, matacão, • Solos finos: silte e argila. Esta divisão é fundamental no entendimento do comportamento dos solos, pois a depender do tamanho predominante das suas partículas, as forças de campo influenciando em seu comportamento serão gravitacionais (solos grossos) ou elétricas (solos finos). De uma forma geral, pode-se dizer que quanto maior for a relação área/volume ou área/massa das partículas sólidas, maior será a predominância das forças elétricas ou de superfície. Estas relações são inversamente proporcionais ao tamanho das partículas, de modo que os solos finos apresentam uma predominância das forças de superfície na influência do seu comportamento. Conforme relatado anteriormente, o tipo de intemperismo influencia no tipo de solo a ser formado. Pode-se dizer que partículas com dimensões até cerca de 0,001mm são obtidas através do intemperismo físico, já as partículas menores que 0,001mm provém do intemperismo químico. 1.1 Solos grossos: Nos solos grossos, por ser predominante a atuação de forças gravitacionais, resultando em arranjos estruturais bastante simplificados, o comportamento mecânico e hidráulico está principalmente condicionado a sua compacidade, que é uma medida de quão próximas estão as partículas sólidas umas das outras, resultando em arranjos com maiores ou menores quantidades de vazios. Os solos grossos possuem uma maior percentagem de partículas visíveis a olho nu (> 0,074 mm) e suas partículas têm formas arredondadas, poliédricas e angulosas. 1.1.1 Blocos de rochas: Fragmentos de rocha transportados ou não, com diâmetro superior a 1 metro. 1.1.2 Matacão: Fragmento de rocha transportado ou não, comumente arredondado por intemperismo ou abrasão, com uma dimensão compreendida entre 1 e 2 metros. Capítulo III Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 24 1.1.3 Pedregulhos: Solos formados por minerais ou partículas de rocha, com diâmetro compreendido entre 2,0 e 60,0 mm. Quando arredondados ou semi- arredondados, são denominados cascalhos ou seixos. Subdividem-se quanto ao diâmetro em: • Pedregulhofino: de 2 a 6 mm • Pedregulho médio: de 6 a 20 mm • Pedregulho grosso: de 20 a 60 mm Os pedregulhos são encontrados em geral nas margens dos rios, em depressões preenchidas por materiais transportados pelos rios ou até mesmo em uma massa de solo residual (horizontes correspondentes ao solo residual jovem e ao saprolitico). 1.1.4 Areias: Solo não coesivo e não plástico formado por minerais ou partículas de rochas. Classificamos como areia as partículas com dimensões entre 2,0 mm e 0,074 mm (DNER), 2,0mm e 0,05 mm (MIT) ou ainda 2,0 mm e 0,06 mm (ABNT). Subdividem-se quanto ao diâmetro em: • Areia fina: de 0,06 a 0,2 mm; • Areia média: de 0,2 a 0,6 mm • Areia grossa: de 0,6 a 2,0 mm As areias se distinguem pelo formato dos grãos que pode ser angular, sub-angular e arredondado, sendo este último uma característica das areias transportadas por rios ou pelo vento. A forma dos grãos das areias está relacionada com a quantidade de transporte sofrido pelos mesmos até o local de deposição. O transporte das partículas dos solos tende a arredondar as suas arestas, de modo que quanto maior a distância de transporte, mais esféricas serão as partículas resultantes. De acordo com sua origem, os grãos de areias tem as seguintes formas: • Grãos de areia provenientes de praias: geralmente são angulosos; • Grãos de areia provenientes de rios: geralmente predomina as arredondadas, mas temos as sub-arredondas e sub-angulosas; • Grãos de areia provenientes de jazidas: geralmente são angulosos e sub-angulosos e bem mais ásperos do que os provenientes de rios. • As areias eólicas geralmente são finas e arredondadas. Capítulo III Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 25 O formato dos grãos de areia tem muita importância no seu comportamento mecânico, pois determina como eles se encaixam e se entrosam, e, em contrapartida, como eles deslizam entre si quando solicitados por forças externas. Por outro lado, como estas forças se transmitem dentro do solo pelos contatos entre as partículas, as de formato mais angulares são mais susceptíveis a se quebrarem. 1.2 Solos finos: Quando as partículas que constituem os solos, em maior porcentagem, possuem dimensões menores que 0,074 mm (DNER), ou 0,06 mm (ABNT), o solo é considerado fino e, neste caso, será classificado como silte ou como argila. Nos solos formados por partículas muito pequenas, as forças que intervêm no processo de estruturação do solo são de caráter muito mais complexo e foram estudadas no item “composição mineralógica dos solos – pag. 13”. Os solos finos possuem partículas com formas lamelares, fibrilares e tubulares e é o mineral que determina a forma da partícula. As partículas de argila normalmente apresentam uma ou duas direções em que o tamanho da partícula é bem superior àquele apresentado em uma terceira direção. O comportamento dos solos finos é definido pelas forças de superfície (moleculares, elétricas) e pela presença de água, a qual influi de maneira marcante nos fenômenos de superfície dos argilo-minerais. 1.2.1 Siltes: Apesar de serem classificados como solos finos, o comportamento dos siltes é governado pelas mesmas forças dos solos grossos (forças gravitacionais), embora possuam alguma atividade. Estes possuem granulação fina, pouca ou nenhuma plasticidade e baixa resistência quando seco. 1.2.2 Argilas: A fração granulométrica do solo classificada como argila (diâmetro inferior a 0,002 mm) se caracteriza pela sua plasticidade marcante (capacidade de se deformar sem apresentar variações volumétricas) e elevada resistência quando seca. É a fração mais ativa dos solos. Como foi visto, os grãos dos solos recebem designações segundo as dimensões das partículas compreendidas entre determinados limites convencionais. Na tabela a seguir, estão relacionadas as classificações adotadas pela ASTM ( American Society for Testing and Materials); AASHTO ( American Association for State Highway and Transportation Officials), MIT (Massachuttes Institute of Technology) e ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas – NBR 6502:95) Capítulo III Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 26 Escalas granulometricas adotadas pela ASTM, AASHTO, MIT e ABNT NBR 6502:95 2. IDENTIFICAÇÃO TÁCTIL VISUAL DOS SOLOS Muitas vezes em campo temos a necessidade de uma identificação prévia do solo, sem que o uso do aparato de laboratório esteja disponível. Esta classificação primária é extremamente importante na definição (ou escolha) de ensaios de laboratório mais elaborados e pode ser obtida a partir de alguns testes feitos rapidamente em uma amostra de solo. No processo de identificação tátil visual de um solo utilizam-se freqüentemente os seguintes procedimentos (vide NBR 7250): 2.1 Tato: Esfrega-se uma porção do solo na mão. As areias são ásperas; as argilas parecem com um pó quando secas e com sabão quando úmidas. 2.2 Plasticidade: (ou teste da “cobrinha”): Consiste em umedecer uma amostra de solo, manipular bastante essa massa entre os dedos e tentar moldar com ela uma “cobrinha”: • Se isto não for possível o solo é arenoso; • Se for possível, mas ela se quebrar ao tentar dobrá-la, o solo areno-argiloso; • Se a cobrinha se dobrar, mas se quebrar ao se tentar fazer um círculo, o solo é argilo-arenoso. • Se a cobrinha for dobrada em forma de círculo sem se quebrar, o solo é argiloso. Capítulo III Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 27 2.3 Resistência do solo seco: As argilas são resistentes a pressão dos dedos enquanto os siltes e areias não são. 2.4 Dispersão em água: Misturar uma porção de solo seco com água em uma proveta, agitando-a. As areias depositam-se rapidamente, enquanto que as argilas turvam a suspensão e demoram para sedimentar. 2.5 Impregnação: Esfregar uma pequena quantidade de solo úmido na palma de uma das mãos. Colocar a mão embaixo de uma torneira aberta e observar a facilidade com que a palma da mão fica limpa. Solos finos se impregnam e não saem da mão com facilidade. Tabela para identificação do solo no campo PROPRIEDADES TIPOS DE SOLOS ARENOSOS SILTOSOS ARGILOSOS TURFOSOS Granulação Grossa (olho nu) Fina (tato) Muito Fina Fibrosa Plasticidade Nenhuma Pouca Grande Média a Pouca Compressibilidade (carga estática) Pouca Média Grande Muito Grande Compressibilidade (carga vibrada) Pouca Média Grande Muito Grande Coesão Nenhuma Média Grande Pouca Resistência ao Solo Seco Nenhuma Média Grande Média a Pouca Resumo para caracterização Tato Visual Tato Quando seco se esfarela Se imergir uma porção seca na água desagrega Tato Se molhar torna-se bem plástico Se imergir na água, mesmo depois de seca não desagrega. Pela cor escura (preta) Quando Molhado, é bem plástico. Nota-se ser um material fibroso cheiro 2.6 Dilatância: O teste de dilatância permite obter uma informação sobre a velocidade de movimentação da água dentro do solo. Para a realização do teste deve-se preparar uma amostra de solo com cerca de 15 mm de diâmetro e com teor de umidade que lhe garanta uma consistência mole. O solo deve ser colocado sobre a palma de uma Capítulo III Mecânica dos Solos I Prof. Eduardo Rodrigues da Cunha Pág. 28 das mãos e distribuído uniformemente sobre ela, de modo que
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