GEOTECNIA Aula 6º período Engenharia Civil

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6º PERÍODO – ENGENHARIA CIVIL
Profº.M.Sc. João Luíz
Email: biologoverde@hotmail.com
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Geotécnica, combina uma Geologia, mais observada do ponto de vista físico, e uma Mecânica dos Solos, mais ligada aos problemas geológicos.
O ano de 1925, data em que o Prof. Karl Terzaghi publicou o seu famoso livro Erdbaumechanik, constitui um marco decisivo na nova orientação a ser seguida no estudo do comportamento dos solos. Àquela data, nascia a MECÂNICA DOS SOLOS, ou seja, a mecânica dos sistemas constituídos por uma fase sólida granular e uma fase fluida.
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O estudo e a caracterização dos parâmetros físicos e químicos do solo constituem uma metodologia de trabalho essencial na realização de levantamentos das comunidades vegetais, que ocorrem numa determinada área.
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O solo é um recurso natural renovável que, de uma forma simplificada, se pode definir como a camada superficial da crosta terrestre, formada por partículas minerais de vários tamanhos e composição química diversa e matéria orgânica em diferentes fases de decomposição. As diferentes proporções destes componentes, o modo como se distribuem no solo e a composição da rocha mãe determinam a sua natureza.
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Forma-se lentamente por processos biológicos, físicos e químicos, mas pode ser rapidamente deteriorado ou destruído por fenômenos naturais ou por práticas incorretas.
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O componente mineral do solo resulta dos processos erosivos que levam à progressiva desagregação das rochas em elementos de diferente tamanho, variando desde partículas mais grosseiras, como o cascalho e o saibro, até partículas de dimensões mais pequenas, como a areia, o limo e a argila.
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O componente orgânico do solo resulta da decomposição dos restos de animais e vegetais por parte de microrganismos, como bactérias, e fungos. Depois de decompostos estes detritos tomam o nome de húmus. O teor em matéria orgânica favorece a fertilidade, a permeabilidade ao ar e à água e contribui para melhorar a estrutura do solo.
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Habitamos a superfície da Terra e dependemos, para viver, dos materiais aí disponíveis – os quais, em sua maior parte, são produto das transformações que a crosta terrestre sofre.
Cultivo do solo.
Aproveitamento dos depósitos minerais na const. civil e na indústria
 INTEMPERISMO – conjunto de modificações de ordem física (desagregação) e química (decomposição) que as rochas sofrem ao aflorar na superfície da Terra.
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# Os produtos do intemperismo (rocha alterada e solo) mostram-se sujeitos a outros processos (erosão, transporte, sedimentação) levando ao aplainamento do relevo.
# Fatores que controlam a ação do intemperismo:
Clima (expressado na variação sazonal da temperatura e na distribuição das chuvas).
Relevo (que influi no regime de infiltração e drenagem das águas pluviais).
Biota (fornecem matéria orgânica para reações químicas e remobilizam materiais).
4 - Tempo de exposição da rocha aos agentes intempéricos.
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# A pedogênese (formação do solo) ocorre quando as modificações causadas nas rochas pelo intemperismo (químicas e mineralógicas) tornam-se estruturais.
# Biota – ao realizarem suas funções vitais, modificam e movimentam enormes quantidades de material (mantendo o solo aerado e renovado em sua parte superficial).
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Intemperismo físico – processos que causam desagregação das rochas (separação dos grãos minerais antes coesos) transformando-a em material descontínuo.
# Variações de temperatura ao longo dos dias e noites (e ao longo das diferentes estações do ano) causam expansão e contração térmica nos materiais rochosos – levando a fragmentação dos grãos minerais.
# Minerais com diferentes coeficientes de dilatação térmica comportam-se de forma diferenciada às variações de temperatura – deslocamento relativo entre os cristais (rompendo a coesão inicial entre os grãos.
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A mudança cíclica da umidade pode, também, causar expansão e contração e, em associação com a variação térmica, provoca um efetivo enfraquecimento e fragmentação das rochas (desertos).
 O congelamento da água nas fissuras das rochas, acompanhado por um aumento de volume, exerce pressão nas paredes (causando esforços que terminam por aumentar a rede de fraturas (e fragmentar a rocha).
Quebra das rochas pela pressão causada pelo crescimento de raízes em suas fissuras.
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Quando rochas afloram à superfície, seus minerais entram em desequilíbrio e, através de uma série de reações químicas, transformam-se em outros minerais, mais estáveis nesse novo ambiente.
# O principal agente do intemperismo químico é a água da chuva – que infiltra e percola as rochas.
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Rica em O2, em interação com o CO2 da atmosfera, esta água adquire caráter ácido.
Em contato com o solo, onde a respiração das plantas pelas raízes e a oxidação da matéria orgânica enriquecem o ambiente em CO2, tem seu pH ainda mais diminuído.
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Minerais primários são carregados pelas águas e depositados nas bacias de sedimentação. Esta etapa de aplainamento dos continentes (dominada pela remoção mecânica dos materiais do manto de alteração) está relacionada à geração de rochas sedimentares clássicas – arenito, folhelho e argilito.
Ambiente de intemperismo – subtração da matéria.
Ambientes de sedimentação – adição da matéria.
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As reações de intemperismo químico podem ser representadas pela seguinte equação genérica:
Mineral I + solução de alteração → Mineral II + solução de lixiviação (extração comp. Solo)
Entre os materiais sedimentares, os arenosos tendem a ser mais permeáveis que os argilosos.
A topografia regula a velocidade do escoamento superficial das águas pluviais (também dependente da cobertura vegetal), controlando a água que se infiltra nos perfis.
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 No que diz respeito à natureza das partículas, vimos que o solo é constituído por grãos minerais, podendo conter matéria orgânica. As frações grossas são predominantemente de grãos silicosos, enquanto os minerais que ocorrem nas frações argilosas pertencem aos dois grupos principais: caolinita e ilita.
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 A forma das partículas dos solos tem grande influência sobre suas propriedades. Distinguem-se , principalmente, as seguintes formas:
 a) Partículas arredondadas ou, mais exatamente , com forma poliédrica. São as que predominam nos pedregulhos, areias e siltes.
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 b) Partículas lamelares, isto é, semelhantes a lamelas ou escamas. São as que se encontram nas argilas. Esta forma das partículas das argilas responde por algumas de suas propriedades, como, por exemplo, a compressibilidade e a plasticidade , esta última, uma das suas características mais importantes. As areias que contêm uma porcentagem acentuada de mica, tornam-se, por isso, relativamente elásticas.
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c) Partículas fibrilares, característica dos solos turfosos (pantanosos).
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As bentonitas são argilas ultra-finas, formadas, em sua maioria, pela alteração química de cinzas vulcânicas. 
Em sua composição predomina a montmorilonita, o que explica sua tendência ao inchamento. Graças a esta propriedade, as injeções de bentonita são usadas para vedação em barragens e escavações.
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Trata-se de um fenômeno, constatado pela primeira vez em 1907 e assim designado por Péterfi , ao qual se atribui grande importância no campo da Mecânica dos Solos.
De uma maneira muito simples, Terzaghi e Peck assim explicam a tixotropia* nos solos: Amassando-se completamente uma amostra da fração muito fina de um solo e, a seguir, deixando-se repousar, a massa adquire, com o tempo, maior resistência coesiva. Esta resistência aumenta, a princípio rapidamente , e a seguir, lentamente. Se a amostra é novamente amassada, mantido o teor de umidade , sua coesão diminui de maneira considerável, porém, deixando-se outra vez em repouso, toma a recuperar seu valor.
 *Do grego thixis (contato) e trepo (mudar).
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Este fenômeno se conhece com o nome de "tixotropia". A perda e o conseqüente retorno da resistência coesiva parecem ser devidos a destruição e conseqüente reordenação da estrutura molecular das camadas.
A bentonita é um material que exibe propriedades tixotrópicas.
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As "lamas tixotrópicas" - ou sejam, suspensões em água desta argila especial, que é a bentonita - são muito empregadas nas perfurações para petróleo, fundações profundas.
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Segundo as dimensões das suas partículas e dentro de determinados limites convencionais, as “frações constituintes” dos solos recebem designações próprias que se identificam com as acepções usuais dos termos. Essas frações, de acordo com a escala granulométrica brasileira (ABNT), são: pedregulho - conjunto de partículas cujas dimensões (diâmetros equivalentes) estão compreendidas entre 76 e 4 ,8 mm; areia, entre 4,8 e 0,05 mm; silte, entre 0,05 e 0,005 mm; argila, inferiores a 0,005 mm. Na Fig. 3-3 indicamos as duas escalas granulométricas: a da ABNT, esta muito usada para fins rodoviários.
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Para fins de peneiramento os grãos de maior e médio tamanho são empregados o processo de separação acima.
Para grãos com dimensões menores são empregados o método da sedimentação para separação das partículas.
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O solo é um material constituído por um conjunto de partículas sólidas, deixando entre si vazios que poderão estar parcial ou totalmente preenchidos pela água. É, pois, no caso mais geral, um sistema disperso formado por três fases: sólida, líquida e gasosa.
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A fase sólida já foi estudada. Vejamos , agora, as fases líquida e gasosa. Conquanto seja extremamente difícil separar os diferentes estados em que a água se apresenta nos solos, é, no entanto, de grande interesse estabelecer uma distinção entre os mesmos.
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Água de constituição - é a que faz parte da estrutura molecular da partícula sólida;
Água adesiva ou adsorvida - é aquela película de água que envolve e adere fortemente a partícula sólida, e a qual já nos referimos;
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Água livre - é a que se encontra em uma determinada zona do terreno , enchendo todos os seus vazios; o seu estudo rege-se pelas leis da Hidráulica;
Água higroscópica - é a que ainda se encontra em um solo seco ao ar livre;
Água capilar - é aquela que nos solos de grãos finos sobe pelos interstícios capilares deixados pelas partículas sólidas, além da superfície livre da água.
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As águas livre , higroscópica e capilar são as que podem ser totalmente evaporadas pelo efeito do calor, a uma temperatura de 100°C.
Quanto à fase gasosa, que preenche os vazios das demais fases, é constituída por ar, vapor d'água e carbono combinado.
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 a) Estrutura granular simples - é característica das areias e pedregulhos, predominando as forças da gravidade na disposição das partículas, que se apoiam diretamente umas sobre as outras.
De acordo com a maneira pela qual os grãos se agrupam, a estrutura pode ser mais densa ou mais solta, o que é definido pelo "grau de compacidade" (item 4 .6).
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 b) Estrutura alveolar ou em favo de abelha - é o tipo de estrutura comum nos siltes mais finos e em algumas areias. Mostremos como se origina: quando na formação de um solo sedimentar, um grão cai sobre o sedimento já formado, devido à predominância da atração molecular sobre o seu peso, ele ficará na posição em que se der o primeiro contato, dispondo-se assim em forma de arcos, como indicado na Fig. 5-1 .
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c) Estrutura floculenta - nesse tipo de estrutura, que só é possível em solos cujas partículas componentes sejam todas muito pequenas, as partículas, ao se sedimentarem, dispõem-se em arcos, os quais, por sua vez, formam outros arcos, tal como representado Fig. 5-2.
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 d) Estrutura em esqueleto - nos solos onde, além de grãos finos, há grãos mais grossos, estes dispõem-se de maneira tal a formar um esqueleto, cujos interstícios são parcialmente ocupados por uma estrutura de grãos mais finos. É o caso, apresentado na Fig. 5-3, das complexas estruturas das argilas marinhas.
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É a operação de destruição da estrutura do solo, com a conseqüente perda da sua Resistência e formação de lama nos solos argilosos.
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A plasticidade é normalmente definida como uma propriedade dos solos, que consiste na maior ou menor capacidade de serem eles moldados, sob certas condições de umidade, sem variação de volume . Trata-se de uma das mais importantes propriedades das Argilas.
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A experiência mostrou que, para os solos em cuja textura haja uma certa porcentagem de fração fina, não basta a granulometria para caracterizá-los, pois suas propriedades plásticas dependem do teor de umidade, além da forma das partículas e da sua composição química e mineralógica.
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Em outras ciências da engenharia, o comportamento plástico dos materiais fundamenta-se nas características tensão-deformação. Assim é que um corpo diz-se elástico quando recupera a forma e o volume primitivos, ao cessar a ação das forças externas que o deformava; ao contrário, diz-se plástico quando não recupera seu estado original ao cessar a ação deformante .
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Os corpos da prática não correspondem rigorosamente a nenhum dos tipos citados, posto que todos eles apresentam uma fase elástica e outra plástica, com predominância, em geral de uma ou de outra. O chumbo, por exemplo, é um material fundamentalmente Plástico.
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Observe-se , ainda, que os conceitos de elasticidade e plasticidade não são absolutos, isto é, o fato de um corpo se comportar como elástico ou como plástico depende da intensidade das forças aplicadas e, também, do grau de precisão das observações efetuadas. Assim, por exemplo, o aço doce (baixo índice de carbono), material de largo emprego na construção, se comporta como elástico até um certo limite; elevando-se a solicitação ele passa a se comportar como plástico num certo intervalo de deformações.
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Sendo a umidade de um solo muito elevada, ele se apresenta como um fluido denso e se diz no estado líquido. À medida que evapora a água, ele se endurece e, para um certo h= LL (limite de liquidez), perde sua capacidade de fluir, porém pode ser moldado facilmente e conservar sua forma. O solo encontra-se , agora, no estado plástico.
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A continuar a perda de umidade , o estado plástico desaparece até que , para h = LP (limite de plasticidade), o solo se desmancha ao ser trabalhado. Este é o estado semi-sólido. Continuando a secagem, ocorre a passagem gradual para o estado sólido. O limite entre os dois estados é um teor de umidade h = LC (limite de contração).
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Umidade equivalente centrífuga - teor de umidade final de uma massa de solo, previamente saturada, após ser submetida a uma aceleração centrífuga com intensidade 100 vezes a da gravidade (AASHO - T94-42).
Umidade equivalente de campo - teor de umidade de um solo para o qual já não permite a absorção, em 30 s, de uma gota de água colocada na sua superfície previamente alisada (AASHO - T93-49).
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Nos solos, por capilaridade, a água se eleva por entre os interstícios de pequenas dimensões deixados pelas partículas sólidas, além do nível do lençol freático. A altura alcançada depende da natureza do solo.
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O corte, na Fig. 7-1 , mostra-nos a distribuição típica da umidade do solo. Verifica-se, por aí, que o solo não se apresenta saturado ao longo de toda a altura de ascensão capilar, mas somente até um certo nível , denominado nível de saturação.
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N. De saturação
N. freático
Ascensão capilar
Grau de saturação 100%
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A altura capilar que a água alcança em um solo se determina, considerando sua massa como um conjunto de tubos capilares, formados pelo seus vazios, sendo que estes tubos são irregulares e informes.
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Portanto nos solos arenosos e pedregulhosos onde os poros são maiores,
a altura de ascensão capilar está entre 30cm e 1 m, nos solos siltosos e argilosos a altura de ascensão capilar pode chegar a dezenas de metros, devido os poros destes solos serem menores.
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Na construção de pavimentos rodoviários: se o terreno de fundação de um pavimento é constituído por um solo siltoso e o nível freático está pouco profundo, para evitar a ascensão capilar da água é necessário substituir o material siltoso por outro com menor potencial de capilaridade.
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Coesão aparente da areia úmida: se for seca ou saturada a areia, a coesão se desfaz. Os meniscos se desfazem quando o movimento entre os grãos aumenta e as deformações são muito grandes.
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É a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento de água através dele (todos os solos são mais ou menos permeáveis). Essa permeabilidade é representada pelo coeficiente de permeabilidade.
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O conhecimento da permeabilidade de um solo é de importância em diversos problemas práticos de engenharia, tais como: drenagem, rebaixamento do nível d'água, recalques, etc.
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Os problemas, mais graves, de construção estão relacionados com a presença da água no solo.
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 – na estimativa da vazão que percolará através do maciço e da fundação de barragens de terra, 
– em obras de drenagem, 
– rebaixamento do nível d’água, 
– adensamento, 
– entre outras...
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Fluxo Laminar e fluxo turbulento.
Ex.:
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Fatores que influenciam:
• Granulometria 
• Índice de vazios 
• Composição mineral 
• Estrutura 
• Fluído 
• Macro-estrutura 
• Temperatura
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Em geotecnia, o fenômeno do deslocamento da água através do solo é chamado de percolação da água. Conhecer como se dá o fluxo da água no solo é muito importante pois ele é responsável por um grande número de problemas práticos de engenharia, os quais podem ser resumidos em três grupos:
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A vazão da água através de maciços terrosos, drenos ou filtros;
O recalque nas fundações das obras;
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Quase sempre a água na terra move-se lentamente em baixo de um gradiente hidráulico sem parar, como uma série de filetes. Os filetes não se movem sempre em linhas retas, mas vagueiam de acordo com os interstícios, movendo-se mais rapidamente onde convergem para passar pelas constricções e mais lentamente onde se espalham nas aberturas maiores. Também, devido à fricção, as partículas perto das paredes das aberturas movem-se mais rapidamente.
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No movimento da água através de um maciço terroso, a carga total é dissipada pela ocorrência do atrito viscoso da água com as partículas do solo. Assim, entre dois pontos da trajetória de um filete há uma perda de carga. Essas perdas por atrito é que dão origem às chamadas “forças de percolação”, de grande importância no estudo das obras de terra.
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Muitas vezes na prática da engenharia geotécnica, o solo de um determinado local não apresenta as condições requeridas pela obra. Ele pode ser pouco resistente, muito compressível ou apresentar características que deixam a desejar do ponto de vista econômico. Uma das possibilidades é tentar melhorar as propriedades de engenharia do solo local.
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A compactação é um método de estabilização e melhoria do solo através de processo manual ou mecânico, visando reduzir o volume de vazios do solo.
A compactação tem em vista estes dois aspectos: aumentar a intimidade de contato entre os grãos e tornar o aterro mais homogêneo melhorando as suas características de resistência, deformabilidade e permeabilidade.
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A compactação de um solo é a sua densificação por meio de equipamento mecânico, geralmente um rolo compactador, embora, em alguns casos, como em pequenas valetas até soquetes manuais podem ser empregados.
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Um solo, quando transportado e depositado para a construção de um aterro, fica num estado relativamente fofo e heterogêneo e, portanto, além de pouco resistente e muito deformável, apresenta comportamento diferente de local para local.
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A compactação é empregada em diversas obras de engenharia, como: aterros para diversas utilidades, camadas constitutivas dos pavimentos, construção de barragens de terra, preenchimento com terra do espaço atrás de muros de arrimo e reenchimento das inúmeras valetas que se abrem diariamente nas ruas das cidades.
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Os tipos de obra e de solo disponíveis vão ditar o processo de compactação a ser empregado, a umidade em que o solo deve se encontrar na ocasião e a densidade a ser atingida.
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O início da técnica de compactação é creditada ao engenheiro Ralph Proctor, que, em 1933, publicou suas observações sobre a compactação de aterros, mostrando ser a compactação função de quatro variáveis: a) Peso específico seco; b) Umidade; c) Energia de compactação e d) Tipo de solo.
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A compactação dos solos tem uma grande importância para as obras geotécnicas, já que através do processo de compactação consegue-se promover no solo um aumento de sua resistência e uma diminuição de sua compressibilidade e permeabilidade.
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Pelo processo de compactação, a diminuição dos vazios do solo se dá por expulsão do ar contido nos seus vazios, de forma diferente do processo de adensamento, onde ocorre a expulsão de água dos interstícios do solo. As cargas aplicadas quando compactamos o solo são geralmente de natureza dinâmica e o efeito conseguido é imediato, enquanto que o processo de adensamento é deferido no tempo (pode levar muitos anos para que ocorra por completo, a depender do tipo de solo) e as cargas são normalmente estáticas.
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As cargas aplicadas quando compactamos o solo são geralmente de natureza dinâmica e o efeito conseguido é imediato, enquanto que o processo de adensamento é deferido no tempo (pode levar muitos anos para que ocorra por completo, a depender do tipo de solo) e as cargas são normalmente estáticas.
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As cargas de uma determinada estrutura ou, por exemplo, da construção de um aterro, são transmitidas ao solo gerando uma redistribuição dos estados de tensão em cada ponto do maciço (acréscimos de tensão), a qual irá provocar deformações em maior ou menor intensidade, em toda área nas proximidades do carregamento, que por sua vez, resultarão em recalques superficiais. 
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Compressão (ou expansão): É o processo pelo qual uma massa de solo, sob a ação de cargas, varia de volume (“deforma”) mantendo sua forma. Os processos de compressão podem ocorrer por compactação (redução de volume devido ao ar contido nos vazios do solo) e pelo adensamento (redução do volume de água contido nos vazios do solo). 
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Compressibilidade: Relação independente do tempo entre variação de volume (deformação) e tensão efetiva. É a propriedade que os solos têm de serem suscetíveis à compressão.
Adensamento: Processo dependente do tempo de variação de volume (deformação) do solo devido à drenagem da água dos poros. 
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O solo é um sistema particulado composto de partículas sólidas e espaços vazios, os quais podem estar parcialmente ou totalmente preenchidos com água. Os decréscimos de volume (as deformações) dos solos podem ser atribuídos, de maneira genérica, a três causas principais:
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• Compressão das partículas sólidas; 
• Compressão dos espaços vazios do solo, com a conseqüente expulsão da água (no caso de solo saturado); 
• Compressão da água (ou do fluido) existente nos vazios do solo.
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Em grande parte dos problemas de engenharia de solos, é necessário o conhecimento do estado de tensões em pontos do subsolo, antes e depois da construção de uma estrutura qualquer. As tensões na massa de solo são causadas por cargas externas ou pelo próprio peso do solo. 
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Dado o perfil geotécnico da Figura abaixo, no qual o nível do terreno (N.T.) é horizontal, a natureza do solo não varia horizontalmente e não há carregamento externo (cargas aplicadas e distribuídas) próxima
a região considerada, caracteriza uma situação de tensões geostáticas. Quando a superfície do terreno for horizontal, em um elemento de solo situado a uma profundidade “z” da superfície não existirá tensões cisalhantes em planos verticais e horizontais, portanto, estes são planos principais de tensões. 
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Tensão que efetivamente atua no contato grão a grão, respondendo pelas características de deformabilidade e resistência ao cisalhamento dos solos.
A resistência ao cisalhamento dos solos é em parte devido ao atrito entre as partículas, função das tensões de contato entre as partículas.
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Qualquer obra de engenharia que envolve conhecimentos geotécnicos deve necessariamente responder a pergunta, pode ocorrer a ruptura? Para respondê-la, deve-se equacionar diversas solicitações envolvidas na obra e verificar se o solo resiste a estas solicitações, determinando-se a resistência ao cisalhamento mobilizada pelo solo.
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Portanto, qualquer ponto no interior de uma massa de solo é solicitado por forças devido ao peso próprio do solo e as forças externas aplicadas. Os esforços resistentes do solo são chamados de tensões, cuja intensidade é medida pela força por unidade de área.
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A ruptura de um solo, representada de maneira ideal, se produz por cisalhamento ao longo de uma superfície de ruptura, ocorre o deslizamento de uma parte do maciço sobre uma zona de apoio que permanece fixa.
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A lei de cisalhamento é a relação que une, no momento da ruptura e ao longo da superfície de ruptura a tensão normal ou tensão de compressão (σ) e a tensão tangencial ou tensão de cisalhamento (τ), conforme está representado na figura abaixo.
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Qualquer problema de ruptura em Mecânica dos Solos envolve, portanto, uma superfície de ruptura, a qual poderá ser definida a priori como aquela onde, em todos os seus pontos, a tensão de cisalhamento atinge o valor limite da resistência ao cisalhamento do solo.
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A resistência ao cisalhamento de um solo em qualquer direção é a tensão de cisalhamento máxima que pode ser aplicada à estrutura do solo naquela direção. Quando este máximo é atingido, diz-se que o solo rompeu, tendo sido totalmente mobilizada a resistência do solo.
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Exemplos típicos onde a determinação da resistência ao cisalhamento do solo é que condiciona o projeto, são as análises de estabilidade de taludes (aterros e cortes), empuxos sobre muros de arrimo ou qualquer estrutura de contenção, capacidade de carga de sapatas e estacas. 
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