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i UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE GEOTECNIA MECÂNICA DOS SOLOS Vol. 1 Benedito de Souza Bueno Orencio Monje Vilar São Carlos/Viçosa - 1979 ii INTRODUÇÃO A nova orientação para o ensino da Mecânica dos Solos, defendida pôr alguns dos maiores centros de ensino e pesquisa do mundo, estabelece que se devem reforçar, com real ênfase, os conceitos fundamentais da disciplina, tendo como respaldo uma bibliografia que os enfoque de forma simples e objetiva. Baseados no motivo acima e no fato de que há uma carência enorme de bibliografia de Mecânica dos Solos de cunho didático, em língua portuguesa, resolvemos compilar uma obra, que constitui a matéria da disciplina Mecânica dos Solos I. Neste trabalho, selecionamos uma seqüência de capítulos que entendemos ser a mais didática possível, procurando agrupar os conceitos universalmente conhecidos, às vezes, com forma de tratamentos já apresentadas por outros autores. Agradecemos ao Centro de Estudos Geotécnicos Arthur Casagrande - CEGAC, de quem procuramos conservar o espírito de trabalho e pesquisa, em favor da Geotecnia, e a seus membros, particulares amigos, pelo constante apoio. Os Autores. ALERTA Esta apostila foi escrita em 1979/1980 e encontra-se esgotada. O aluno PAE Carlos Vinícius dos Santos Benjamim providenciou esta versão após “escanear” os originais. Não foi possível fazer as atualizações nem os ajustes que se desejava, porém algumas fórmulas foram reescritas. Em especial, notar a diferença entre massa específica (ρ) e peso específico (γ), pois γ = ρ.g. Nas Figuras 10 e 11, quando utilizadas para deduzir as fórmulas de correlação seguintes, substituir os γ por ρ. Outras atualizações serão comunicadas oportunamente em classe. São Carlos, março de 2003 Orencio Monje Vilar Depto. de Geotecnia EESC-USP iii ÍNDICE I.A MECÂNICA DOS SOLOS E A ENGENHARIA……………....................... 1 1. Introdução………………………………………….....................…….......... 2. Histórico……………………………………………….................................. 3. A Mecânica dos Solos e as Obras Civis………………............................ II.O SOLO PARA O ENGENHEIRO............... ............................................................... 4 1. Conceituação.......................................................................................... 2. Tipos de Solos Quanto à Origem............................................................ 3. Tamanho e Forma das Partículas........................................................... 4. Descrição dos Tipos de Solos................................................................. 5. Identificação Visual e Táctil dos Solos................................................... III. PROPRIEDADES ÍNDICES......................................................................... 10 1. Introdução............................................................................................... 2. índices Físicos ........ ......................................................................................... 3. Granulometria……………………………………………............................. 4. Plasticidade e Estados de Consistência……………................................ 25 IV.ESTRUTURA DOS SOLOS.............. ......................................................................... 1. Introdução......... ............................................................................................... 2. Estrutura dos Solos Grossos................................................................... 3. Estrutura dos Solos Finos....................................................................... 4. Amolgamento e Sensibilidade das Argilas.............................................. 5. Tixotropia................................................................................................. V.CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS.................................................................. 30 1. Introdução………………………………………………............................... 2. Classificação Dor Tipo de Solo……………………................................... 3. Classificação Genética Geral……………………….................................. 4. Classificação Granulométrica………………………................................. 5. Classificação Unificada………………………………................................ 6. Classificação HBR…………………………………..…............................... VI. O PRINCÍPIO DAS TENSÕES EFETIVAS.................................................... 40 1. Definições................................................................................................ 2. Implicações.............................................................................................. 3. Massa específica Submersa.................................................................... VII.TENSÕES ATUANTES NUM MACIÇO DE TERRA…………...................... 43 1. Introdução...................................... ……………………………………................. 2. Esforços Geostáticos ..................... …………………………………..................... 3. Propagação de Tensões no Solo…………………………........................ 3.1. A Solução de Boussinesq………………………............................ 3.2. Extensão da Solução de Boussinesq……………......................... 3.3.O Gráfico de Newmark…………………………….......................... 3.4. A Solução de Westergaard.......................................................... 3.5.Comparação entre as Soluções de Boussinesq e Westergaard e Algumas Simplificações.......………….................. 3.6. Limitações da Teoria da Elasticidade......……….......................... VIII.PERMEABILIDADE DOS SOLOS............................................................... 61 1. Introdução............................................................................................... 2. Leis de Darcy e de Bernouilli.................................................................. 3. Determinação do Coeficiente de Permeabilidade................................... 3.1. Métodos Diretos........................................................................... 3.2. Métodos Indiretos........................................................................ 4. Fatores que Interferem na Permeabilidade............................................. 5. Forças de Percolação............................................................................. iv 6. Areia Movediça........................................................................................ 7. Filtros de Proteção.................................................................................. 8. Capilaridade............................................................................................ IX.COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO............................................... 75 1. Introdução.…………………………………………………........................... 2. Analogia e Mecânica do Processo de Adensamento.............................. 3. Teoria do Adensamento de Terzaghi...................................................... 4. Solução da Equação Fundamental do Adensamento............................. 5. Porcentagem de Adensamento............................................................... 6. Ensaio de Adensamento......................................................................... 7. Tensão de Pré-Adensamento.................................................................. 8. Determinação do Coeficiente de Adensamento...................................... 9. Construção da Curva de compressão do Solo no Campo...................... 10. Aplicação da Teoria do Adensamento……………………...................... 11. Correções do Recalque de Adensamento………………....................... 12. Noções sobre a Compressão Secundária............................................. 13. Recalques por colapso.......................................................................... X.EXPLORAÇÃO DO SUBSOLO...................................................................97 1 Introdução................................................................................................ 2. Informações Exigidas num Programa de Prospecção……...................... 3. Tipos de Prospecção Geotécnica........................................................... 4. Prospecção Geofísica............................................................................. 4.1. Processo da Resistividade Elétrica.............................................. 4.2. Processos de Sísmica da Refração............................................. 5. Métodos Semidiretos............................................................................... 5.1. Vane Test..................................................................................... 5.2. Ensaio de Penetração Estática do Cone..................................... 5.3. Ensaio Pressiométrico................................................................. 6. Processos Diretos................................................................................... 6.1. Poços........................................................................................... 6.2. Trincheira .................................................................................... 6.3. Sondagens a Trado...................................................................... 6.4. Sondagens a Percussão ou de Simples Reconhecimento........... 6.5. Sondagem Rotativa...................................................................... 6.6. Sondagem Mista.......................................................................... 7. Amostragem............................................................................................ 7.1. Introdução.................................................................................... 7.2. Amostras Indeformadas............................................................ XI.COMPACTAÇÃO......................................................................................... 117 1. Definição e Importância........................................................................... 2. Curva de Compactação........................................................................... 3. Ensaio de Compactação......................................................................... 4. Equipamentos de Compactação.............................................................. 5. Controle de Compactação....................................................................... BIBLIOGRAFIA............................................…………………………....................... 125 1 CAPÍTULO I1 A MECÂNICA DOS SOLOS E A ENGENHARIA 1 - Introdução A Engenharia Civil procurou sempre acompanhar a evolução científica. A dificuldade de um conhecimento profundo e abrangente, em todo o seu campo de atuação, exigiu sua divisão em áreas específicas, consoante, principalmente, aos materiais objetos de estudo. Estas áreas não tiveram um desenvolvimento paralelo, e algumas evoluíram mais cedo que outras. Historicamente, os ramos básicos que primeiro se desenvolveram e que foram, pôr isso mesmo, os mais estudados e divulgados são a Teoria das Estruturas e a Hidráulica. O primeiro trabalha com materiais selecionados, cujos comportamentos são bem conhecidos, entre os quais o concreto, o aço e a madeira. Este campo utiliza, para solução dos seus problemas, modelos simples, passíveis de tratamento matemático. A área da Hidráulica estuda os fluidos, em particular a água, principalmente em ambientes naturais. Os fenômenos hidráulicos podem fugir a um tratamento matemático, mas a utilização de ensaios em modelos reduzidos permite, quase sempre, uma adequada análise de seus comportamentos. Um dos campos básicos da Engenharia Civil que por último se desenvolveu foi a Mecânica dos Solos. Ela estuda o comportamento do solo sob o aspecto da Engenharia Civil. O solo cobre o substrato rochoso e provém da desintegração e decomposição das rochas, mediante a ação dos intemperismos físico e químico. Assim, de maneira geral, pôr causa da sua heterogeneidade e das suas propriedades bastante complexas, não existe modelo matemático ou um ensaio em modelo reduzido que caracterize, de forma satisfatória, o seu comportamento. Para o engenheiro civil, a necessidade do conhecimento das propriedades do solo vai além do seu aproveitamento como material de construção, pois o solo exerce um papel especial nas obras de Engenharia porquanto cabe a ele absorver as cargas aplicadas na sua superfície, e mesmo interagir com obras implantadas no seu interior. De um modo geral, as características mecânicas do solo, em seu estado natural, devem ser aceitas e só em casos particulares, com o auxílio de técnicas especiais, podem ser melhoradas. Atualmente, a Mecânica dos Solos situa-se dentro de um campo mais envolvente que congrega ainda a Engenharia de Solos (Maciços e Obras de Terra e Fundações) e a Mecânica das Rochas. Esta área denominada Geotecnia tem como objetivo estudar as propriedades físicas dos materiais geológicos, solos, rochas e suas aplicações em obras de Engenharia Civil, quer como material de construção, quer como elemento de fundação. A Mecânica dos Solos pode ser definida como uma aplicação das leis e princípios da Mecânica e da Hidráulica aos problemas de Engenharia, que lidam com o solo e a Engenharia de Solos, como uma utilização dos conceitos da Mecânica dos Solos aos problemas práticos de Engenharia. Assim, a Engenharia de Solos abrange um campo mais amplo, pois é uma ciência aplicada e não apenas puramente baseada em conceitos de Física e Matemática. Ela engloba disciplinas, tais como: mecânica e dinâmica dos solos, geologia de engenharia, mineralogia das argilas e mecânica dos fluidos, entre outras. Pode-se dizer também que a Mecânica dos Solos ocupa, em relação aos solos, posição análoga àquela que a resistência dos materiais ocupa em relação aos outros materiais de construção. Na prática usual, entretanto, os termos Mecânica dos Solos e Engenharia dos Solos geralmente se confundem. 2 - Histórico A Mecânica dos Solos surgiu como ciência em 1925, quando Karl Terzaghi publicou a sua extraordinária obra "Erdbaumechanik Auf Bodenphysikalisher Grundlage", título este que pode ser traduzido como "Mecânica das Construções de Terra Baseada na Física dos Solos". Nela, põe-se em 1 Mecânica dos Solos - vol. 1 – Benedito de Souza Bueno & Orencio Monje Vilar – Depto de Geotecnia – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo 2 evidência o papel desempenhado pela água, que preenche os poros, no comportamento dos solos. Historicamente, porém, os precursores de Terzaghi remontam ao período neolítico (idade da pedra polida: 5000 a 2000 anos a.C.) quando, então, se formavam povoações lacustres apoiadas em estacas, as palafitas. Estas povoações possuíam passarelas que permitiam a circulação das pessoas entre as habitações e faziam contato com a terra firme. As passarelas tinham também a função de defesa da povoação em face dos inimigos e animais vindos da terra, pois eram facilmente destruídas. Deve-se ressaltar, também, o engenho e a arte encontrados, notadamente na área de fundações, em obras monumentais executadas pôr povos das antigas civilizações. Nos palácios da Babilônia, nas pirâmides do Egito, nos arquedutos romanos ou na muralha da China, o solo desempenhou um papel de realce. Durante muitos séculos, entretanto, o aproveitamento do solo, como elemento de fundação e materiais de construção/seguiu dentro do empirismo racional, e da observação de métodos empregados com êxito, em obras similares. Embora já houvesse tentativas da criação de métodos e processos de dimensionamento, principalmente em muros de arrimo (pode-se citar as contribuições de Vauban, Bullet, Couplet e Belidor), porém, somente em 1776 apareceu a primeira obra de valor. Neste trabalho apresentadopelo engenheiro francês Coulomb são referenciados os parâmetros de resistência dos solos (coesão e ângulo de atrito),e foram também enunciados os princípios básicos da resistência ao cisalhamento dos solos. O trabalho de Coulomb abrange ainda análise da estabilidade de taludes, escavações, barragens de terra e aterros e um estudo da estabilidade de muros de arrimo. A teoria clássica de Coulomb é empregada ainda hoje em problemas de Engenharia. Pode-se enumerar ainda importantes contribuições de vários pesquisadores, em ordem cronológica: Cauchy (1822) apresentou um estudo sobre o estado de tensão e deformação, em torno de um ponto no interior de um maciço. Esse trabalho deu outro aspecto ao desenvolvimento das análises de estabilidade, que até então utilizavam apenas os princípios da estática. Poncelet (1840) aplicou a teoria clássica de Coulomb a muros de arrimo com paramentos inclinados. Alexandre Colin (1846) publicou um livro que continha observações de campo sobre o deslocamento de camadas de argilas e a descrição de um aparelho capaz de medir a sua resistência ao cisalhamento. A Mecânica dos Solos recebeu também contribuições de outras áreas. Em 1856, Darcy estabeleceu a lei que define "o movimento da, água em meios porosos". Esta lei é de suma importância no estudo da percolação da água através dos solos. Neste mesmo ano, surge a contribuição de Rankine. Nela são aplicadas as equações desequilíbrio interno de maciços terrosos. Atterberg (1908) estabeleceu os limites de consistência dos solos argilosos, com utilização na Agronomia. Os limites de Atterberg, tais como são conhecidos na Mecânica dos Solos, foram introduzidos, tempos depois, por Karl Terzaghi. Otto Mohr (1914) aplicou aos solos a sua teoria de ruptura dos materiais. Esta teoria lança a idéia das curvas envolventes, que associadas às proposições de Coulomb, segundo as quais a envoltória e uma reta, estabeleceu o critério de resistência de Mohr-Coulomb, sem dúvida, o mais utilizado, ainda hoje, na Mecânica dos Solos. No inicio do século XX, graças ao avanço técnico alcançado peIa Engenharia Civil, principalmente na área da teoria das estruturas, houve a necessidade de se estudar a Mecânica dos Solos de maneira mais sistemática. As catástrofes ocorridas em obras projetadas com requinte em cálculo estrutural tiveram, quase sempre, como causa o mau dimensionamento das fundações. Na Suécia e na Holanda, países que possuíam estradas e cidades situadas sobre formações geológicas compressíveis, a necessidade e o interesse peIa investigação geotécnica do subsolo aumentou de tal forma que, em 1913, na Suécia, pôr exemplo, foi criada a famosa Comissão Geotécnica das Estradas de Ferro da Suécia. Naquela ocasião, foi feita primeira alusão ao termo "geotécnico". Entre 1918 e 1926, Fellenius, célebre engenheiro sueco, inventou o método de estudo de estabilidade de taludes, em que se considera a superfície de escorregamento em forma cilíndrica. Houve, nessa época, na Suécia, um admirável desenvolvimento na Mecânica dos Solos. Neste clima de esforços isolados e das primeiras associações e comissões de estudo do comportamento do solo, é que aparece Terzaghi. 3 Deve-se ressaltar, durante a fase inicial de desenvolvimento da Mecânica dos Solos, o trabalho incansável de Terzaghi. Este trabalho não foi, só intenso, mas também original. Terzaghi preocupou-se em enfatizar a importância do estudo das tensões e deformações nos solos. Estabeleceu a diferença entre pressões totais efetivas e neutras. Criou a teoria do adensamento, aplicada a solos saturados. Concebeu e esquematizou ensaios e a respectiva aparelhagem e, sobretudo, fez sugestões para a interpretação dos resultados conseguidos e sua aplicação aos diferentes problemas práticos enfrentados pela Mecânica dos Solos. A Mecânica dos Solos apenas se impôs de forma definitiva a partir de 1936, época da realização da I Conferencia de Mecânica dos Solos na Universidade de Harvard. A partir desta época os fundamentos e diversos aspectos teóricos da disciplina começaram a ser enunciados, porém deve-se ressaltar que, a despeito do intenso trabalho já desenvolvido pôr inúmeros pesquisadores, muito resta a ser explicado adequadamente. Dessa forma, pôr ser uma ciência relativamente nova, a Mecânica dos Solos encontra-se em continuo e intenso desenvolvimento. 3 - A Mecânica dos Solos A Mecânica dos Solos foi estabelecida com o propósito de estudar o comportamento dos solos, segundo formulações teóricas de embasamento científico. Procurou-se, a partir de bases físicas, modelos reológicos e observações de campo, elaborar teorias explicativas desse comportamento. Algumas dessas teorias possuem um cunho determinístico, e outras, probabilístico. Embora as teorias determinísticas se prestem melhor à elaboração de doutrinas, que, sendo de fácil apreensão, fornecem fundamentos racionais à explicação de fenômenos observados, a heterogeneidade dos solos com propriedades variáveis, de ponto para ponto, tem conduzido a um uso acentuado de teorias probabilísticas. No estudo do comportamento dos solos, duas linhas de conduta têm sido utilizadas. A primeira preocupasse com as propriedades físico-qulmicas, forças intergranulares, efeito dos fluidos intersticiais, para, a partir de tais fenômenos, explicar o comportamento dos solos. A segunda apoia-se na hipótese que considera o solo como um meio contínuo, cuja relação tensão-deformação fornece subsídios para previsão do comportamento do solo. Nos problemas geotécnicos de ordem prática, o engenheiro civil deve ter consciência das limitações das teorias utilizadas, e nunca esperar o valor exato nas grandezas obtidas, senão uma ordem de grandeza. Neste ponto, um recurso utilizado ria mecânica dos solos, como em todas as ciências é consultar as soluções dadas a problemas análogos, como primeira referência à solução de um problema proposto. Este recurso dá ao engenheiro a liberdade de escolha de soluções que deverão ser adaptadas ao problema em estudo, pois nunca há repetição de condições anteriores. Os ensaios de campo e laboratórios serão, portanto, necessários para fornecer as reais propriedades dos solos e os dados exigidos nos cálculos de dimensionamento e verificação da solução adotada. O QUADRO I a seguir fornece uma relação dos principais problemas pertinentes ao campo da Mecânica dos Solos. QUADRO I – ALGUMAS APLICAÇÕES DA MECÂNICA DOS SOLOS O solo como fundações Fundações rasas Fundações profundas Fundações em solos moles Fundações em solos expansivos O solo como material de construção Barragens de terra e enrocamento Estradas e Aeroportos Estabilidade dos solos Taludes e escavações MECÂNICA DOS SOLOS Suporte dos solos Estruturas de arrimo Silos 4 CAPÍTULO II2 O SOLO PARA O ENGENHEIRO 1 - Conceituação A parte mais externa do globo terrestre, denominada crosta, é constituída essencialmente de rochas que são agregados naturais de um ou diversos minerais, podendo, eventualmente, ocorrer vidro ou matéria orgânica. A ação contínua dos agentes atmosféricos e biológicos (intemperismo) tende a desintegrar e a decompor essas rochas, dando origem ao solo. O significado da palavra solo não é o mesmo para todas as ciências que estudam a natureza. Para fins de Engenharia Civil, admite-se que os solos são misturas naturais de um ou diversos minerais (às vezes com matéria orgânica) que podem ser separa pôr processos mecânicos simples, tais como agitação em água ou manuseio. Numa conceituação mais simplista, o solo seria todo material que pudesse ser escavado, sem o emprego de técnicas especiais, como, pôr exemplo, explosivos. Esse material forma a fina camada superficial que recobre quase toda a crosta terrestre e no seu estado natural apresentasse composto de partículas sólidas (com diferentes formas e tamanhos), líquidas e gasosas. Os solos normalmente são caracterizados pela suafase sólida, enquanto as fases líquida e gasosa são consideradas conjuntamente como porosidade. Entretanto, na análise de comportamento real de um solo, há necessidade de se levar em conta as porcentagens das fases componentes, bem como a distribuição dessas fases através da massa de solo. 2 - Tipos de Solos Quanto à Origem Ao ocorrer à ação dos mecanismos de intemperização, o material resultante poderá permanecer ou não sobre a rocha que lhe deu origem. No primeiro caso, temos os chamados solos residuais. Estes são bastante comuns no Brasil, sobretudo no Centro-Sul. Como exemplo, cite-se a decomposição dos basaltos que origina as chamadas "terras roxas" ou a decomposição de rochas cristalinas que originam espessas camadas de solo residual, como acontece freqüentemente na Serra do Mar. A separação entre a rocha matriz e o solo residual não é nítida, mas sim, gradual. Pode-se distinguir, pelo menos, duas faixas distintas entre o solo e a rocha: a primeira, sobre rocha, denominada rocha alterada ou rocha decomposta e a segunda, logo abaixo do solo, chamada de solo de alteração. A Figura 1 ilustra um perfil de intemperização típico de rochas ígneas intrusivas. Se, eventualmente, o produto de alteração for removido de sobre a rocha matriz pôr um agente qualquer, teremos os chamados solos transportados. Segundo os agentes de transporte, os solos transportados podem ser aluviais (água), eólicos (vento), coluviais (gravidade) e glaciais (geleiras). A capacidade de transporte dos agentes determina o tamanho das partículas e a homogeneidade dos solos transportados. Sirva de exemplo um curso de água que tenderá a selecionar o tamanho das partículas depositadas. Assim, próximo da cabeceira, em que a velocidade das águas é maior, devem depositar-se os grãos mais grossos, e as partículas mais finas poderão ser transportadas a longas distâncias, até que a velocidade da água diminua consideravelmente, e permita que haja deposição. Dessa forma, os depósitos de solos transportados apresentam geralmente maior homogeneidade no tamanho das partículas constituintes, o que já não ocorre nos solos residuais, nos quais aparece uma grande variedade de tamanho das partículas. Os chamados solos orgânicos são formados pela mistura de restos de organismos (animais ou vegetais) com sedimentos preexistentes. A ocorrência de solos orgânicos se dá em locais bem característicos, tais como as áreas adjacentes aos rios, as baixadas litorâneas e as depressões continentais. 2 Mecânica dos Solos - vol. 1 – Benedito de Souza Bueno & Orencio Monje Vilar – Depto de Geotecnia – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo 5 3 - Tamanho e Forma das Partículas Em função dos agentes de intemperismo e de transporte, os depósitos de solos podem estar constituídos de partículas dos mais diversos tamanhos. Em termos qualitativos, deve-se frisar que o intemperismo físico (desintegração) é capaz de originar partículas de tamanhos até cerca de 0,001 mm e somente o intemperismo químico (decomposição) é capaz de originar partículas de diâmetro menor que 0,001 mm. Solos cuja maior porcentagem esteja constituída de partículas visíveis a olho nu (φ > 0,074 mm) são chamados de solos de grãos grossos ou solos granulados. As características e o comportamento desses solos ficam determinados, em última analise, pelo tamanho das partículas, uma vez que as forças gravitacionais prevalecem sobre as outras. Os solos de granulação grossa apresentam-se compostos de partículas normalmente equidimensionais, podendo ser esféricas (solos transportados) ou angulares (solos residuais). A forma característica dos solos de granulação fina (↓ < 0,074 mm) é a lamelar, em que duas dimensões são incomparavelmente maiores que a terceira. Aparece, às vezes, a forma acicular, em que uma das dimensões prevalece sobre as outras duas. A Figura 2 mostra duas partículas de solo fino. O mineral constituinte da partícula determina a sua forma, em quanto o comportamento desses solos é determinado pelas forças de superfície (moleculares, elétricas e eletromagnéticas), uma vez que a 6 relação, entre a superfície da partícula e o seu volume é muito alta. Nos solos finos, a afinidade pela água é uma característica marcante, e irá influenciar sobremaneira o seu comportamento. Para descrever o tamanho das partículas, é usual citar a sua dimensão ou fazer uso de nomes conferidos arbitrariamente a certa faixa de variação de tamanhos. Nesse sentido, existem escalas que apresentam os nomes dos solos juntamente com a dimensão que eles representam. A Figura 3 apresenta duas escalas elaboradas pôr duas instituições diferentes: ABNT e o MIT. Os solos de grãos grossos são subdivididos em pedregulhos e areias, e os de granulação fina em siltes e argilas. A seguir, apresenta-se uma breve descrição dos principais tipos de solos existentes, procurando-se ressaltar algumas características que permitam uma fácil identificação desses solos. 4 - Descrição dos Tipos de Solos PEDREGULHOS - Os pedregulhos são acumulações incoerentes de fragmentos de rocha, com dimensões maiores que 2 mm (escala MIT). Normalmente, são encontrados em grandes extensões, nas margens dos rios e em depressões preenchidas pôr materiais transportados pelos rios. AREIAS - Tem origem semelhante à dos pedregulhos, entretanto, as suas dimensões variam entre 2 mm e 0,05 mm. As areias são ásperas ao tacto, e, estando isentas de finos, não se contraem ao secar, não apresentam plasticidade e comprimem-se, quase instantaneamente, ao serem carregadas. SILTES - Os siltes são solos de granulação fina que apresentam pouca ou nenhuma plasticidade. Um torrão de silte seco ao ar pode ser desfeito com bastante facilidade. ARGILAS - São solos de granulação muito fina que apresentam características mercantes de plasticidade e elevada resistência, quando secas. Constituem a fração mais ativa dos solos. As argilas, quando secas e desagregadas, dão uma sensação de farinha, ao tacto, e, quando úmidas, são lisas. Quanto à constituição química das argilas, pode-se dizer que elas se compõem de silicatos de alumínio hidratados, podendo ocorrer eventualmente silicatos de magnésio, ferro ou outros metais, também hidratados. A estrutura desses minerais é bastante complexa, com seus tomos dispostos em forma laminar, a partir de duas unidades cristalográficas básicas: uma silícica e uma alumínica. A primeira consiste numa unidade tetraédrica, com um átomo de silício ao centro, rodeado pôr quatro de oxigênio, conforme se mostra ira Figura 4. Aparece também nessa figura o símbolo utilizado para representar essa unidade. 7 As lâminas alumínicas formam uma unidade octaédrica, com um átomo de Al ao centro, envolvido pôr seis átomos de oxigênio ou pôr hidroxilas, como se esquematiza na Figura 5. De acordo com as associações que essas unidades venham a ter, podem formar-se vários tipos de minerais argílicos, dos quais as caulinitas, as montmorilonitas e as ilitas constituem três grupos básicos. As caulinitas estão formadas pela combinação alternada de uma lâmica silícica e de uma alumínica, que se superpõem indefinidamente e com um vínculo tal entre suas retículas, que não é possível a entrada de molécula de água entre elas. A Figura 6 esquematiza esse arranjo. As montmorilonitas, grupo ao qual pertencem as bentonitas, são formadas pela superposição de uma unidade alumínica, situada entre duas unidades silícicas, como se mostra esquematicamente na Figura 7. 8 Diferentemente das caulinitas, a união entre os retículos é frágil, o que permite a penetração de água com relativa facilidade. Assim, tais argilas, com presença de água, experimentam expansões, fonte de inúmeros problemas para a engenharia de solos. As ilitas apresentam um arranjo estrutural semelhante ao das montmorilonitas, entretanto, a presença deíons não permutáveis faz com que a união entre os retículos seja mais estável, e não seja afetada fortemente pela água. Tais argilas são bem menos expansivas que as montmorilonitas. A Figura 8 mostra o arranjo estrutural esquemático das ilitas. A identificação dos minerais do tipo, argila, presentes num solo, é feita pôr meio de processos bastante aprimorados, tais como a análise termodiferencial e a microscopia eletrônica. Um processo de identificação bastante simples e expedito consiste na utilização de corantes orgânicos, os quais mudam de coloração, quando em contato com a argila. Os corantes mais utilizados são a benzidina, a safranina Y e o verde malaquita. Para maiores minúcias a respeito das técnicas de identificação de minerais da espécie argila, consultar a referência 25. Além desses quatro tipos fundamentais de solos existem outros com nomes característicos, tais como: os loess, os saibros e as turfas, contudo, em verdade, nada mais são do que ocorrências particulares ou combinações dos tipos já citados. As turfas ou solos turfosos merecem realce, pôr serem depósitos de solos orgânicos bastante compressíveis e que trazem problemas para a Engenharia de Solos. Consistem no primeiro estádio de formação do carvão e iniciam-se pelo acúmulo de detritos vegetais em depressões, como, pôr exemplo, num lago. A sua coloração varia, desde amarela até castanho-escura, e normalmente apresentam-se com alto teor de umidade. 5 - Identificação Visual e Táctil dos Solos 9 Existem alguns testes rápidos que permitem, a partir das características apresentadas pelos solos, a sua identificação. Como na natureza os solos normalmente são uma mistura de partículas dos mais variados tamanhos, busca-se determinar qual o tamanho que ocorre em maior quantidade, e depois as demais ocorrências. É usual também, na identificação de um solo, citar a sua cor. Assim, pôr exemplo, alguns nomes que poderiam ocorrer seriam: argila arenosa vermelha; silte argiloso pouco arenoso marrom; areia grossa, com pedregulhos, cinza etc. Os testes mais comuns são: a - Sensação ao tacto: esfrega-se uma porção de solo na mão, buscando sentir a sua aspereza. As areias são bastante ásperas ao tacto, e as argilas dão uma sensação de farinha, quando seca ou de sabão, quando úmidas. b - Plasticidade: tenta-se moldar pequenos cilindros de solo úmido e em seguida, busca-se deformá-los. As argilas são bastante moldáveis, enquanto as areias e, normalmente também os siltes não são moldáveis. c - Resistência do solo seco. Por causa das forças interpartículas que se desenvolvem nos solos finos, um torrão de solo argiloso apresenta elevada resistência, quando se tenta desagregá-los com os dedos. Os siltes apresentam alguma resistência, enquanto as areias, quando puras, nem formam torrões. d - Mobilidade da água intersticial: consiste em se colocar na palma da mão uma porção de solo úmido. Fazendo-se bater essa mão fechada, com o solo dentro, contra outra, verifica-se o aparecimento da água na superfície do solo. Nos solos arenosos, graças à sua alta permeabilidade, a água aparece rapidamente na superfície. Ao abrir a mão, a superfície brilhante desaparece nesses solos arenosos, e eles freqüentemente trincam. Nos solos argilosos, a superfície brilhante permanece pôr bastante tempo e não ocorrem fissuras, quando se abre a mão. e - Dispersão em água: coloca-se uma amostra de solo seco e desagregado numa proveta (100 ml) e, em seguida, água, Agita-se a mistura e verifica-se o tempo para deposição das partículas. As areias depositam-se rapidamente, enquanto as argilas tendem a turvar a suspensão e demoram bastante tempo para sedimentar. O Quadro Il procura sintetizar esses procedimentos comuns normalmente utilizados para identificar os solos: QUADRO II: IDENTIFICAÇÃO DOS SOLOS Tipos de Solos Procedimentos e Características Areias e solos arenosos Tacto (áspero), observação visual incoerente Areias finas, siltes, areias siltosas ou pouco argilosas Tacto-pequena resistência do torrão seco (esfarela facilmente), torrão seco desagrega rapidamente, quando submerso; dispersão em água (sedimenta rápido e a água permanece turva, por pouco tempo) Argilas e solos argilosos (com pouca areia ou silte) Tacto (úmidos: saponáceos; secas: farinhosas); torrão seco bastante resistente, e não desagrega quando submerso; plasticidade; mobilidade da água intersticial Turfas e solos turfosos (orgânicos) Cor: geralmente cinza, castanho-escura, preta; Partículas fibrosas, cheiro característico de matéria orgânica em decomposição; Inflamáveis, quando secos, e de pouca a média plasticidade 10 CAPÍTULO III3 PROPRIEDADES ÍNDICES I - Introdução Os solos em a natureza apresentam-se compostos pôr elementos das três fases físicas, em maior ou menor proporção. O arcabouço do solo, constituído do agrupamento das partículas sólidas, apresenta-se entremeado de vazios, os quais podem estar preenchidos com água e ou ar. O ar é extremamente compressível, e a água pode fluir através do solo, portanto, quando da avaliação quantitativa do comportamento do solo, há necessidade de se levar em conta as ocorrências dessas fases físicas. Para efeito dessa apostila, consideram-se como propriedades índices, determinadas características, tanto da fase sólida, como das três fases, em conjunto, passíveis de mensuração, seja mediante relações entre as fases ou pôr meio da avaliação do comportamento do solo, ante algum ensaio convencional. A determinação das propriedades índices aplica-se na classificação e identificação do solo, uma vez que elas podem ser correlacionadas, ainda que grosseiramente, com características mais complexas do solo, como, pôr exemplo, a compressibilidade. Neste capítulo, descrevem-se as seguintes propriedades índices: Índices Físicos, Granulometria e Estados de Consistência. 2 - Índices Físicos Os Índices Físicos são relações entre as diversas fases, em termos de massas o volumes, os quais procuram caracterizar as condições físicas em que um solo se encontra. A Figura 9a apresenta um elemento de solo, constituído das três fases, tal como poderia ocorrer em a natureza. Para melhor visualização e para facilitar as deduções referentes às relações entre os diversos índices, o elemento de solo é mostrado esquematicamente, com divisão das três fases, na Figura 9b. No lado esquerdo da Figura 9b, as fases estão separadas em volumes, e no lado direito, em massas. 2.1 - Definições As três relações de volumes mais utilizadas são: a porosidade, o índice de vazios e o grau de saturação. 3 Mecânica dos Solos - vol. 1 – Benedito de Souza Bueno & Orencio Monje Vilar – Depto de Geotecnia – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo 11 A porosidade (n) é definida pela relação entre o volume de vazios e o volume total da amostra. V V n v= O índice de vazios (e) é definido pela relação entre o volume de vazios e volume de sólidos isto é: s v V V e = O grau de saturação (Sr) representa a relação entre o volume de água e o volume de vazios, ou seja: v w r V V S = A relação entre as massas mais utilizadas é o teor de umidade (w), que é a relação entre a massa de água e a massa de sólidos presentes na amostra: s w M M w = Esses índices físicos, como se vê, são adimensionais e, com exceção do índice de vazios (e), todos os demais são expressos em termos de porcentagem. As relações entre massas e volumes mais usuais são a massa específica natural, a massa específica dos sólidos e a massa especifica da água. A massa especifica natural (ρ) é a relação entre a massa do elemento e o volume desse elemento: V M=ρ Por sua vez, a massa específica dos sólidos (ρs) é determinada, dividindo-se a massa de sólidos pelo volume ocupado por esses sólidos, ou seja: ws s sV M=ρ e, por extensão, a massa específica da água (ρw) define-se como: w w w V M=ρ que, na maior parte dos casos práticos, é tomada como ρw = 1,0 g/cm3. O Quadro Ill apresenta os limites extremos de variação desses índices físicos. 12 QUADRO lll: LIMITES DE VARIAÇÃO DOS ÍNDICES FÍSICOS 1,0 < ρ < 2,5 g/cm3 2,5 < ρs < 3,0 g/cm3 0 < e < 20 0 < n < I00 % 0 ≤ Sr ≤ I00 % 0 < w < I500% 2.2 - Relações entre os diversos índices Atribuindo ao volume de fase sólida o valor unitário (Vs = 1) é possível relacionar os diversos índices físicos com o índice de vazios. Se Vs = 1, então, e = Vv e Vw = Sr.e, e dessa forma temos na Figura 10, o elemento esquemático de solo, em que as massas agora são expressas em termos de produto entre os volumes e as massas específicas das diversas fases. A partir dos dados da Figura 10, é possível obter as novas expressões para os diversos índices físicos, conforme as seguintes relações: s wr s w .e.S M Mw ρ ρ== e1 e V Vn v +== e1 .e.S V M wrs + ρ+ρ==ρ 4 4 Lembrar que há diferenças entre massa específica (ρ) e peso específico (γ) e que γ = ρ.g. Nas Figuras 10 e 11, quando utilizadas para deduzir as fórmulas de correlação seguintes, em lugar dos diversos γ deve-se ler ρ. Caso se admita g=10 m/s2, para converter ρ, expresso em g/cm3, para γ, expresso em kN/m3, basta fazer γ =10ρ. Por exemplo, ρ=1,75 g/cm3 equivale a γ = 17,5 kN/m3 13 Em função da quantidade de água presente no solo, podemos definir a massa específica saturada (γsat), que ocorre quando todos os vazios do solo estão preenchidos com água, ou seja, Sr = l00%: e e ws sat + ⋅+= 1 ρρρ Da mesma forma, quando o solo se encontra completamente seco (Sr = 0%), sem nenhuma água em seus vazios, temos a massa específica seca (ρd): e s d += 1 ρρ É importante notar que essas duas novas relações estão referidas ao volume natural da amostra (1 + e), isto é, admite-se, quando se faz matematicamente Sr = 0% ou Sr = 100%, que o solo não sofra variações de volume. Isto não é o que realmente ocorre em a natureza, pois os solos, ao serem secados ou saturados normalmente passam por variações de volume. A massa especifica natural relaciona-se com a massa específica seca pôr intermédio da seguinte expressão: e1 w. e1e1 .e.S V M sswrs + ρ++ ρ=+ ρ+ρ==ρ )w1(d +ρ=ρ Tanto ρ, como ρd, estão referidos ao volume da amostra natural. Dessa forma é possível colocar a expressão anterior, em termos de massas, o que é bastante útil, sobretudo em ensaios de laboratório. ( )wMM d += 1 Para relacionar os índices com a porosidade, faz-se, para facilidade de cálculo, V = 1. Da mesma forma que na Figura 10, temos agora na Figura 11 as massas e volumes para a nova situação. Como V = 1, tem-se n = Vv e Vw = Sr. n. Assim, podemos colocar os índices físicos de acordo com novas relações: 14 n1 n V Ve s v −== s wr s w )n1( .n.S M Mw ρ− ρ== wrs .n.S)n1(V M ρ+ρ−==ρ 2.3 - Determinação dos Índices Físicos Os índices físicos são determinados em laboratório ou mediante formulas de correlação, desenvolvidas no item anterior. Em laboratório, são determinados a massa específica natural o teor de umidade e a massa específica dos sólidos. A seguir, descrevesse resumidamente o procedimento, para determinação desses três índices físicos. a. Massa Específica Natural Toma-se um bloco de solo de forma cúbica, tendo cerca de 8cm de lado e procura-se torneá-lo de maneira que se transforme num cilindro. Para tanto, utilizasse um berço para alisar a base e o topo, e em seguida o corpo de prova é levado a um torno, onde lhe dada a forma cilíndrica. As determinações que se fazem são as medidas do diâmetro da altura do cilindro, para cálculo do volume e a pesagem do corpo de prova. Deve-se salientar que a massa especifica natural normalmente determinada em corpos de prova já talhados para os ensaios usuais de Mecânica dos Solos, isto é, não se talha um corpo de prova para medir unicamente a sua massa específica natural. b. Teor de Umidade Toma-se uma porção de solo (cerca de 50 g), colocando-a numa cápsula de alumínio com tampa: O conjunto, solo úmido mais cápsula, é pesado com precisão de 0,01 g e, em seguida, a cápsula destampada é levada a uma estufa até constância de peso. O tempo de permanência da cápsula varia em função do tipo de solo; como ordem de grandeza, os solos arenosos necessitam de cerca de 6h e os solos argilosos, às vezes, até de 24 horas. Pesa-se o conjunto solo seco mais cápsula e, com a tara da cápsula, determinada de início, pode- se calcular o teor de úmida de pôr meio da seguinte expressão: %100x MM MMw 01 12 − −= M2 = Massa do solo úmido mais cápsula M1 = Massa do solo seco mais cápsula M0 = Tara da cápsula c. Massa Específica dos Sólidos 15 Este índice é determinado, usualmente, empregando um frasco de vidro chamado picnômetro (balão volumétrico). Coloca-se uma porção de solo (cerca de 80g para solos argilosos e 150 para solos arenosos) no picnômetro e, em seguida, preenche-se o frasco com água destilada até a marca de referência. Pesa-se o conjunto picnômetro, água e solo, determina-se a temperatura da suspensão e mediante a curva de calibração do picnômetro, determinam-se o peso do picnômetro e a água para a temperatura do ensaio. A Figura 12 ilustra o cálculo da massa específica dos sólidos. A massa de água correspondente ao volume deslocado pelos sólidos será: s ' ww21 MMMMM −−=− ou ws21 ' ww MMMMMM ∆=+−=− Portanto, o volume dos sólidos corresponde a wws /MV ρ∆= e, por fim, a massa específica dos sólidos pode ser assim obtida: w s21 s sw w s s s s MMM M;. M M V M ρ+−=ρρ∆==ρ Deve-se frisar que normalmente são feitas de três a quatro determinações, fazendo variar a temperatura e acertando o nível de água na marca de referência, com vistas à obtenção de um valor médio consistente. Embora a determinação da massa específica dos sólidos seja simples, muitas vezes adota-se um valor médio para resolução de problemas, uma vez que a faixa de variação no caso de solos é bem pequena. Para solos arenosos, pode-se tomar ρs=2,67 g/cm3 (correspondente ao quartzo) e para solos argilosos, ρs = 2,75 - 2,90 g/cm3. d. Demais índices 16 Como já foi salientado, os demais índices são determinados mediante fórmulas de correlação. O Quadro III engloba as várias fórmulas de correlação. 3 - Granulometria A medida do tamanho das partículas constituintes de um solo é feita pôr meio da granulometria e a representação dessa medida se dá usualmente por intermédio da curva de distribuição granulométrica. A Figura 13 apresenta curvas de distribuição granulométrica alguns solos. Pode-se notar que as curvas são desenhadas em gráfico semilogarítmico. Nas abscissas tem-se o logaritmo do tamanho das partículas e nas ordenadas, à esquerda, a porcentagem retida acumulada, ou seja, a porcentagem do solo em massa, que é maior que determinado diâmetro: à direita, tem-se a porcentagem que passa, isto é, a porcentagem do solo, em massa, que é menor que determinado diâmetro. 17 QUADRO III – FÓRMULAS DE CORRELAÇÃO PARA OS ÍNDICES FÍSICOS %100S0 r << ρ %100S sal r = ρ %0S d r = ρ %100S ' r = ρ sρ rS e n w e1 eS wrs + ρ+ρ e1 e ws + ρ+ρ e1 s + ρ e1 ws + ρ−ρ )e1(d +ρ w s e w ρ ρ 1 d s −ρ ρ e1 e + s wr eS ρ ρ n)S( wrss ρ−ρ−ρ n)( wss ρ−ρ−ρ s)n1( ρ− )()n1( ws ρ−ρ− n1 d − ρ w sw n n1 ρ ρ− n1 n − s d1 ρ ρ− s wr )n1( nS ρ− ρ )w1(d +ρ e1 )w1(s + +ρ - e s )e1( )we( + −ρ w eS wr ρ )( wsw dws ρ−ρρ ρρ wr s S w ρ ρ wS w swr s ρ+ρ ρds dswr )(S ρρ ρ−ρρ 18 Como foi salientado, as partículas finas de solo têm formas bastante diferentes de uma esfera. Assim, quando se utiliza alei de Stokes, as partículas finas têm suas dimensões representadas pôr um diâmetro equivalente. Para a determinação do tamanho dos grãos de um solo grosso, recorre-se ao ensaio de peneiramento, no qual se faz passar pôr uma bateria de peneiras, de aberturas sucessivamente menores, certa quantidade de solo, determinando-se as porções retidas em cada peneira. Para um solo de graduação fina o peneiramento se torna impraticável. Neste caso, faz-se uso do ensaio de sedimentação que consiste basicamente em medir indiretamente a velocidade de queda das partículas em água. O cálculo do tamanho das partículas finas é feito utilizando-se a lei de Stokes, que diz ser a velocidade de queda de uma partícula esférica de massa específica ρ, num fluido de viscosidade µ e massa específica ρw, proporcional ao quadrado do diâmetro dessas partículas, ou seja: 2 18 Dv ws µ ρρ −= Ressalta-se ainda que as partículas coloidais (diâmetro inferior a 0,0002 mm) não sedimentam, por causa da ação de forças repulsivas entre elas, o que origina o movimento browniano, de tratamento bastante complexo. Como, freqüentemente, os solos são uma mistura de partículas dos mais diversos tamanhos, costuma-se conduzir conjuntamente os ensaios de peneiramento e sedimentação ,ou seja, faz-se uma análise granulométrica conjunta, para determinação dos diâmetros e das respectivas porcentagens de partículas que ocorrem num solo. 3.1 - Noções sobre o Ensaio de Análise Granulométrica A experiência tem mostrado que a amostra a ser ensaiada deve conter de 40 a 70g de sólidos, passando na peneira #100. Como as partículas finas de solo tendem a aglutinar-se, há necessidade de dispersá-las com o auxílio de um defloculante (silicato de sódio, hexametafosfato de sódio etc.), para que o resultado de ensaio seja efetivamente representativo dos tamanhos de partículas que ocorrem no solo. A mistura solo e defloculante é peneirada, com o auxílio de lavagem, na peneira #100. O material que passa é recolhido numa proveta graduada para 1000 ml e será destinada ao ensaio de sedimentação. O material retido, após secagem em estufa, é passado pôr uma bateria peneiras, com o auxílio de vibração. Determina-se a massa retida em cada peneira e, em seguida, calculam-se as porcentagens retidas e as acumuladas. Com esses valores pode-se determinar a parte da curva granulométrica relativa à fração grossa do solo, utilizando o logaritmo de abertura da peneira e a porcentagem retida acumulada nessa peneira. No ensaio de sedimentação, a velocidade de queda da partícula é obtida indiretamente, determinando-se densidade da suspensão, em intervalos de tempos espaçados. Agita-se a suspensão contida na proveta para homogeneizá-la, em seguida, são feitas leituras periódicas de densidades, ao longo do tempo. A leitura do densímetro (δi) é correlacionada com a queda da partícula (z), ou seja, a distância entre a superfície da suspensão e o centro de volume do bulbo (Figura 14). Dessa forma, a velocidade de uma partícula de diâmetro D, que percorreu uma distancia z, num tempo t, pode ser determinada pela lei de Stokes: t zDv ws =−= 2 18µ ρρ 19 Resulta então, que: t zD ws ⋅−= ρρ µ18 Se admitirmos a uniformidade da suspensão, é óbvio que, após o tempo t, todas as partículas com diâmetro maior que D, dado pela fórmula anterior, deverão estar a uma profundidade -abaixo de z ou, em outras palavras, acima de z não haverá partículas de diâmetro maior que V. Chamando de N a porcentagem de partículas de diâmetro menor que D, pode-se demonstrar que: ( )wi ws s M VN δ−δρ−ρ ρ= em que: V - volume da suspensão (1000 ml, geralmente); M - massa total de sólidos; δi - leitura do densímetro; δw - massa específica da água. Se fizermos V = 1000 ml e ρw = 1g/cm3, teremos: %100 M LN c ws s ρρ ρ −= em que Lc = 1000 (δi - 1). Assim, com os valores de diâmetro D e N, porcentagem que passa (porcentagem de partículas com diâmetro menor que D) é possível traçar a curva correspondente à fração fina do solo e que complementa a curva obtida do peneiramento. 3.2 - Considerações sobre a Curva de Distribuição Granulométrica 20 A curva de distribuição granulométrica de um solo, freqüentemente, é representada pôr dois parâmetros. São eles o diâmetro efetivo (De ou D10) e o coeficiente de não uniformidade (Cu). Dado que as partículas finas são as que mais interferem no comportamento do solo, definiu-se o diâmetro no sentido de dar medida dessa característica do solo. Assim, o diâmetro efetivo é õ diâmetro tal que I0% do solo, em massa, têm diâmetros menores que ele. A Figura 13 mostra quatro curvas granulométricas e para o solo representado pela curva 3, pode-se notar que o diâmetro efetivo (De) é de 0,12 mm. O coeficiente de não uniformidade Cu dá uma idéia da inclinação da curva granulométrica, e é definido como: 10 60 D DCu = sendo que D60 tem definição análoga ao diâmetro efetivo. Para a curva 2 da Figura 13, 46 0026,0 12,0 ==uC Um solo em que Cu = 1 está composto de partículas de mesmo tamanho (mal graduado). Por outro lado, valores de Cu maiores do que a unidade indicam uma variedade no tamanho das partículas, podendo o coeficiente de não uniformidade atingir valores da ordem de 300 ou 400, no caso dos solos residuais, sem que isso signifique que o solo seja bem graduado. Um solo bem graduado apresenta uma distribuição proporcional do tamanho de partículas, de forma que os espaços deixados pelas partículas maiores sejam ocupados pelas menores. Tais solos, quando bem compactados, normalmente apresentam alta resistência, o que é de bastante interesse para aplicação, na prática. Deve salientar-se que o diâmetro efetivo e o coeficiente de não uniformidade não são suficientes para representar sozinhos a curva de distribuição granulométrica, uma vez que curvas distintas podem ter os mesmos De e Cu, como facilmente é possível visualizar pelas curvas 2 e 4 da Figura 13. Assim, resulta que somente a curva de distribuição granulométrica pode identificar um solo quanto à sua textura. A curva de distribuição granulométrica encontra aplicação prática na classificação do solo quanto à textura, na estimativa do coeficiente de permeabilidade e no dimensionamento de filtros de proteção. 4 - Plasticidade e Estados de Consistência 4.1 - Noções sobre a Plasticidade dos Solos Desde épocas remotas, sabe-se que alguns solos, ao serem trabalhados, fazendo variar a sua umidade, atingem um estado de consistência característico denominado estado de consistência plástico. Em cerâmica, tais solos são chamados de argilas, palavra que foi incorporada à Mecânica dos Solos com o mesmo significado. Sabe-se também que a forma lamelar das partículas é a responsável pelas características de plasticidade e de compressibilidade dos solos finos. Por sua vez, a forma dessas partículas determinada, em última análise, pelo mineral argila, presente, ou seja, ela depende da estrutura cristalina de cada argilo-mineral Como a estrutura cristalina é própria de cada mineral, seria lícito supor, que, em função do argilo-mineral presente, cada sol apresentasse distintas características de plasticidade. Isso é o que realmente ocorre em a natureza, com os argilo-minerais de estrutura cristalina mais complexa, tais como as montimorilonitas, apresentando maior plasticidade. 21 A plasticidade pode ser definida em Mecânica dos Solos, com a propriedade que um solo tem de experimentar deformações rápidas, sem que ocorra variação volumétrica apreciável e ruptura. Para que essa propriedades possa manifestar-se, compreendes que a forma característica das partículas finas permita que ela deslizem, uma pôr sobre as outras, desde que haja quantidadesuficiente de água para atuar como lubrificante. Entretanto, se quantidade de água for maior que a necessária para que tal ocorra, é evidente que se formara uma suspensão, com característica de um fluido viscoso. Ocorreu, portanto, uma alteração do estado de consistência do solo, assunto que será tratado no próximo item. Em resumo, pode-se dizer que a plasticidade está associada aos solos finos, e depende do argilo-mineral, e da quantidade de água no solo. 4.2 - Estados de Consistência A plasticidade, portanto, é um estado de consistência circunstancial, que depende da quantidade de água presente no solo. Assim, em função da quantidade de água presente no solo, podem-se ter vários estados de consistência, os quais, em ordem d crescente de teor de umidade, são: a - estado liquido: o solo apresenta as propriedades e a aparência de uma suspensão e, portanto, não apresenta nenhuma resistência ao cisalhamento; b - estado plástico: no qual ele apresenta a propriedade de plasticidade; c - estado semi-sólido: o solo tem a aparência de um sólido, entretanto, ainda passa pôr variações de volume, ao, ser secado d - estado sólido: não ocorrem mais variações de volume, peIa secagem do solo. A Figura 15 ilustra os diversos estados de consistência de um solo. 4.3 - Limites de Consistência A passagem de um estado para outro não é repentina, mas sim, gradual, o que torna difícil estabelecer um critério, para demarcar os limites entre os diversos estados. De fato, esses limites são estabelecidos arbitrariamente, a partir de ensaios padroniza dos. Os limites de consistência são também conhecidos como limites de Atterberg, que foi quem primeiro se preocupou em estabelecê-los. As idéias iniciais de Atterberg, baseadas em conceitos 22 estritamente empíricos permaneceram, entretanto, houve necessidade de realizar algumas modificações na técnica de obtenção dos limites para que se tivesse um resultado padronizado. a. Limite de Liquidez A fronteira convencional entre o estado líquido e o estado plástico (teor de umidade – w1) foi chamada pôr Atterberg de limite de liquidez (LL, ou wL) o a sua obtenção foi padronizado por Casagrande. A Figura 16 mostra o aparelho de Casagrande, com as dimensões padrão, para determinação do limite de liquidez. A técnica do ensaio consiste em colocar na concha do aparelho uma pasta de solo, que passou na peneira #40. Faz-se com o cinzel uma ranhura e, em seguida, gira-se a manivela, a razão de duas revoluções, pôr segundo, fazendo com que a concha caia em queda livre e bata contra a base do aparelho. Conta-se o número de golpes para que a ranhura se feche, numa extensão de 12 mm, e, em seguida, determina-se o teor de umidade do solo. O processo é repetido, para diferentes teores de umidade. Os valores obtidos são lançados em um gráfico semilogarítmico em que as ordenadas se têm os teores de umidade e nas abcissas o numero de golpes. Traça-se a reta média, que passa pôr esses pontos, e determina-se o teor de umidade correspondente a 25 golpes, o qual ser o limite de liquidez do solo. A Figura 17 ilustra a forma de obtenção do limite de liquidez. 23 b. Limite de Plasticidade O teor de umidade que determina a fronteira entre o estado plástico e o estado semi- sólido é chamado de Limite de plasticidade (LP ou wp). Para sua determinação, faz-se uma pasta com o solo que passa na peneira # 40, e em seguida procura-se rolar essa pasta, com auxilio da palma da mão, sobre uma placa de vidro esmerilhado, fim de formar pequenos cilindros. Quando o cilindro assim forma do atingir um diâmetro de 3 mm, e começar a apresentar fissuras interrompe-se o ensaio e determina-se o teor de umidade do sol formador do cilindro. Repete-se a operação algumas vezes, para se obter um valor médio do teor de umidade, o qual será o limite de plasticidade do solo. Neste ensaio, se o solo estiver com muita água, obtêm-se cilindros com diâmetros inferiores a 3 mm sem que ocorram fissura. Será necessário então remoldar o solo e rola-lo novamente, par que só vão eliminando a água, até que se consiga o resultado desejado. Em caso contrário (solo muito seco) é necessário acrescentar água e reiniciar o ensaio, até que se consigam “rolinhos" de solo que fissurem com um diâmetro de 3 mm. c. Limite de Contração A fronteira convencional entre o estado de consistência semi-sólido e o sólido é chamada de limite de contração (LC). A observação de que a maior parte dos solos não apresenta redução de volume, quando submetidos à secagem abaixo do limite d contração, permite determinar esse limite mediante medida de massa e do volume de uma amostra de solo completamente seca. Quando tal ocorre, o limite de contração corresponde ao teor de umidade que satura os vazios da amostra de solo. A Figura 18 esquematiza determinação do limite de contração, nesse caso: w s s w s w MVM M MLC ρρ −== −= ss w M VLC ρρ 1 24 É óbvio que para tal determinação é necessário conhecer a massa específica dos sólidos do solo. A determinação padronizada desse limite em laboratório é feita, partindo-se dê uma pasta de solo (cujo teor de umidade (w) corresponde, geralmente, a 10 golpes no aparelho de Casagrande) que e colocada num recipiente do qual se conhece o volume (V). Em seguida, o solo é deixado secar lentamente, à sombra, e depois é levado à estufa até constância do peso (Ms). Determinasse volume do solo seco (V1), utilizando o recipiente esquematizado na Figura 19, em que se obtém o peso de mercúrio deslocado (MHg ): 6,131 MHgV = O limite de contração é obtido pôr meio da seguinte expressão: w sM VVwLC ρ⋅−−= 0 Como é possível observar, o LC assim determinado depende do teor de umidade inicial (w) do ensaio. 25 4.4 - Índices de Consistência A partir dos limites de consistência, são calculados vários índices, dentre os quais sobressaem os índices de plasticidade (IP) e de consistência (IC) por causa de sua maior utilização, na prática. O índice de plasticidade é definido como a diferença entre o limite de liquidez e o de plasticidade, ou seja: IP = LL - LP Tal índice tenta medir a maior ou menor plasticidade do solo, e fisicamente representaria a quantidade de água que seria necessário acrescentar a um solo, para que ele passasse do estado plástico ao líquido. O índice de consistência procura colocar a consistência de um solo em função do teor de umidade (w) e é definido como: LPLL wLLIC − −= Esse índice busca situar o teor de umidade do solo no intervalo de interesse para a utilização na prática, ou seja, entre o limite de liquidez e o de plasticidade. Entretanto, tem-se notado que tal índice não acompanha, com fidelidade, as variações de consistência de um solo, fazendo com que esteja gradativamente caindo em desuso. 26 CAPÍTULO IV5 ESTRUTURA DOS SOLOS 1 - Introdução Define-se a estrutura do solo como a forma pela qual estão dispostas as suas partículas, formando um agregado. Na verdade a estrutura constituiria a propriedade que proporciona a integridade do solo, o que torna o conceito mais amplo e abrangente. Dentre os principais componentes da estrutura do solo, destacar-se-iam então: a mineralogia, o tamanho e arranjo físico, bem como as proporções relativas das articulas tamanho dos poros e distribuição das fases fluidas nesses poros; a química das três fases constituintes do solo, com ênfase nas forças existentes entre as partículas. 2 - Estrutura dos Solos Grossos No caso das areias, supondo-se formadas de grãos esféricos e uniformes, compreende- se facilmente que a disposição dos grãos só poderá variar entre uma estrutura fofa e uma estrutura compacta, conforme se vê na Figura 20. Essas estruturas são chamadas do tipo intergranular e a força que atua (prevalece) quando do processo da sedimentação, é a de gravidade (peso próprio dos grãos).O comportamento mecânico desses solos grossos fica determina da fundamentalmente pela condição de compacidade com que ele se encontra. Para medir essa condição foi introduzido o conceito de compacidade relativa (Dr) e definida por: %100 min ⋅− −= ee eeD máx natmáx r Nessa expressão: emáx = Índice de vazios correspondente ao estado mais fofo possível. emin = índice de vazios correspondente ao estado mais compacto possível. enat = índice de vazios natural. 5 Mecânica dos Solos - vol. 1 – Benedito de Souza Bueno & Orencio Monje Vilar – Depto de Geotecnia – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo 27 A compacidade relativa pode ser obtida em laboratório, se bem que exista uma série de divergências acerca da forma de executar o ensaio. Um dos mais utilizados métodos atualmente é o D 2049-69 da ASTM (ASTM Test for the Relative Density of Cohesionless Soils - ref. 01). 3 - Estrutura dos Solos Finos Em se tratando dos solos finos, a situação torna-se muito mais complexa, uma vez que agora passa a interferir uma série de fatores, tais como as forças de superfície entre as partículas e a concentração de íons, no líquido em que se deu a sedimentação. As concepções clássicas acerca da estrutura dos solos finos devem-se a Terzaghi que sugeriu a estrutura alveolar e a floculenta. Na estrutura alveolar, característica de solos com partículas da ordem de 0,02 mm, a força da gravidade e as forças de superfície quase se equivalem. As partículas sedimentando em água ou em ar podem aderir-se tendendo a formar uma estrutura semelhante a um favo de abelhas, conforme se mostra na Figura 21. No caso de partículas menores que 0,02 mm, estas não sedimentam isoladamente por causa do seu pequeno peso. Entretanto, estas partículas ainda -em suspensão podem vir a tocar- se e unir-se, for mando grumos de peso maior que podem vir a sedimentar. Completada a sedimentação, os diversos grumos formam a chamada estrutura floculenta, semelhante à alveolar, mas agora os alvéolos são compostos por esses grumos, conforme se mostra na Figura 22. 28 Como em a natureza o processo de sedimentação envolve partículas dos mais diversos tamanhos, as estruturas anteriormente descritas raramente ocorrem isoladamente. A estrutura composta é formada por grãos grossos e por conjuntos de partículas finas que proporcionam uma ligação entre as diversas partículas. A estrutura mostrada na Figura 23 ocorre, freqüentemente, quando a sedimentação se dá em ambiente marinho ou Iacustre, com acentuada concentração de sais. Interpretações mais recentes sugerem novas idéias sobre o mecanismo de formação da estrutura floculada. Imaginando partículas de solo fino sedimentado em meio aquoso, tem-se que essas partículas carregadas negativamente podem estar envolvidas por cátions, os quais estarão livres (os mais distantes) ou adsorvidos. Isso gera potenciais de atração e de repulsão que tendem a variar com a distancia, com a concentração de íons e com a temperatura. Dessa forma, em função desses potenciais de atração e repulsão, podem originar-se situações distintas, como a que ocorre no estado disperso, em que as forças de repulsão fazem com que as partículas se sedimentem separadamente, e adotem uma disposição paralela. Quando os potenciais de atração prevalecem, as partículas tendem a aglutinar-se formando o estado floculado. Tal pode se dar quando ocorre a sedimentação em água salgada, pois a concentração de íons tende a aglutinar as partículas, formando os flóculos , que agora sedimentam, sob a ação da gravidade, e originam a estrutura floculada. Entretanto, como foi salientado, podem ocorrer situações intermediárias, em virtude da concentração de íons. A Figura 24 mostra três estruturas que ocorrem por causa da concentrarão de íons. No caso (a) tem-se uma estrutura floculada constituída em ambiente salino de sedimentação (35 g/l de NaCl); em (b), a estrutura floculada constituída em ambiente não salino e em (c) estrutura dispersa. Como é fácil visualizar, nota-se que as estruturas dos solos finos, dada a forma e a disposição das partículas que as compõem são bastante porosas, isto é, possuem um grande volume de vazios o que confere a esses solos uma considerável compressibilidade. O aumento de peso graças à disposição de novas camadas faz com que seja reduzido o volume de vazios, com a conseqüente expulsão da água contida nesses vazios. Compreende-se intuitivamente, que qualquer acréscimo de cargas (por causa de uma construção por exemplo) sobre um solo desse tipo, tenderá a provocar uma diminuição do volume de vazios dada a expulsão da água, uma vez que para a faixa de pressões normalmente 29 utilizadas na prática, as partículas sólidas do solo são praticamente incompreensíveis. Tal fenômeno, de particular interesse para a Engenharia, constitui o fenômeno de adensamento do solo, que será tratado futuramente (CAPÍTULO IX). 4 - Amolgamento e Sensibilidade das Argilas Entende-se por amolgamento a operação de amassado da argila em todas as direções, sem que ocorra alteração do teor de umidade. O amolgamento tende a destruir a estrutura original do solo, isto é, elimina as ligações existentes desde a sua formação, e provoca uma redução da resistência. A maior ou menor perda de resistência de uma argila, que ocorre pelo amolgamento, é medida pela sensibilidade dessa argila que é definida, como a relação entre resistências à compressão simples (CAPÍTULO XIII) do estado indeformado e do estado amolgado, isto é: c c t R RS ' = St - sensibilidade Rc - amostra indeformada R’c - amostra amolgada As argilas, quanto à sensibilidade, classificam-se em: St = 1 sem sensibilidade 2 < St < 4 pequena e média sensibilidade 30 St > 8 extra-sensíveis Uma amostra amolgada comprime mais que a amostra indeformada, embora o seu índice de compressão (CAPITULO IX) seja menor. O que realmente ocorre é que o amolgamento elimina o pré-adensamento do solo e este passa agora a comprimir-se sob efeito de seu próprio peso. Outra alteração importante é com referência à permeabilidade, que se torna menor, quando o solo é amolgado. 5 - Tixotropia A recuperação da resistência perdida pelo efeito do amolgamento recebe o nome de tixotropia. Quando se revolve a argila, desequilibram-se as forças interpartículas, porém, permanecendo a argila em repouso, gradualmente, os potenciais de atração e repulsão tendem a um estado de equilíbrio mais estável, de maneira a recompor parte da resistência inicial. O efeito da tixotropia é mais flagrante nas argilas montmoriloniticas. Tal propriedade encontra grande utilização na prática como, por exemplo, na estabilização dos furos de paredes diafragmáticas, dos furos de sondagens e de poços de petróleo por meio do emprego de lamas bentoníticas. 31 CAPÍTULO V1 CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS 1 - Introdução Tem havido na Mecânica dos Solos um considerável esforço no sentido de criar um sistema de classificação que, de fato, permita o agrupamento de solos dotados de características similares, quer sob o aspecto genético, quer de comportamento. A grande variedade de sistemas de classificação existente procura, quase sempre, em bases mais ou menos arbitrárias, encontrar um princípio qualificador universal que possibilite agrupar a grande variedade de solos existentes em classes, com o objetivo de não se facilitar os estudos de caracterização, senão também antever o comportamento diante das solicitações, a que serão submetidos. Diferentemente das outras ciências, deve interessar à Mecânica dos Solos um sistema de classificação que prefira o comportamento dos solos à 'sua constituição, à origem, à formação etc. Não se quer, com isso, criar um desinteresse por estes ultimes aspectos. Eles terão uma considerável importância,à medida que interferirem de forma significativa no comportamento do solo. Sob o aspecto mais prático pode-se dizer que e necessário lia ver várias classificações, que possam atender mais especificamente aos vários campos da Geotecnia. Pode-se imaginar que um sistema de classificação que atenda aos interesses da área de estradas não pode atender com a mesma eficiência à área de fundações. Em resumo, deve-se utilizar os sistemas de classificação existentes, com certa reserva, tendo em conta para que fim o sistema foi proposto e sobre que solos o processo foi elaborado. Ainda sob este último aspecto pode-se dizer que nós brasileiros devemos ter um cuidado maior, visto que os países criadores destes sistemas de classificação possuem climas bem diferentes do nosso, e portanto solos com condições particulares. Vale ainda lembrar as palavras de Nogami, quando se refere aos sistemas de classificação. Diz ele que nos países de origem, geralmente do Hemisfério Norte com climas temperados, a fração areia e silte é quase totalmente composta por quartzo, enquanto nos solos tropicais podem ocorrer minerais como feldspatos, micas, limonitas, magnetita, ilmenita etc., além de fragmentos de rochas e concreções lateríticas e que, por vezes, o mineral quartzo pode mesmo estar ausente da fração areia de muitos destes solos. De acordo com o que se espera dos sistemas de classificação, eles devem obedecer aos seguintes quesitos. a. ser simples, facilmente memorizável e permitir uma rápida determinação do grupo a que o solo pertence, permitindo a classificação por meio de processos simples de análise visual-táctil. b. ser flexível, para tornar-se geral ou particular, quando o caso exigir. c. ser capaz de permitir, uma expansão a "posteriori", permitindo subdivisões. Dentre os vários sistemas de classificação existentes vale citar: - classificação por tipos de solos; - classificação genética geral; 1 Mecânica dos Solos - vol. 1 – Benedito de Souza Bueno & Orencio Monje Vilar – Depto de Geotecnia – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo 32 - classificação granulométrica; - classificação unificada (U.S. Corps of Engineers); - classificação H.B.R. (Highway Research Board). 2 - Classificação Por Tipos De Solos É um sistema classificação descritivo em que o reconhecido a que determinado grupo pertence é baseado em análise visual-táctil (Capítulo II). 3 - Classificação Genética Geral É um sistema de classificação também de natureza descritiva, sendo necessário para a sua utilização um conhecimento da gênese dos solos, ou de uma forma que seja mais simples, fazer uma análise de sua macroestutura da cor e da posição de coleta da amostra no perfil do subsolo. Foi proposta com a finalidade de ser usada em problemas de estradas: divide os solos em três categorias, isto é: a. Solo Superficial Solo que constitui o horizonte superficial, normalmente contendo matéria orgânica. Nesse horizonte concentra-se o campo de estudo da pedologia. Possui estrutura, cor e constituição mineralógica diferentes das camadas inferiores. A espessura varia de alguns decímetros a alguns metros. b. Solo de Alteração Solo proveniente da decomposição das rochas graças aos processos de jntemperismo. Em condições normais, acha-se subjacente ao solo superficial. r um solo residual e pode, freqüentemente, no Brasil, atingir até dezenas de metros. São solos de granulometria crescente com a profundidade. c. Solo Transportado Solo originado do transporte e deposição de material, por meio dos processos geológicos de superfície. A granulometria é mais ou menos uniforme, de acordo com o agente transportador. Em condições normais, pode constituir as camadas aflorantes ou estar subjacente ao solo superficial. Atinge, por vezes, espessuras de centenas de metros. 4 - Classificação Granulométrica A composição granulométrica do solo, como foi visto no Capítulo lll, não só corresponde à sua aparência visual e sensível, como determina, especialmente para os solos grossos, as características de seu comportamento. 33 A determinação da curva granulométrica de um solo é tarefa simples e os métodos atuais conduzem a uma exatidão razoável. NeIa os solos são designados pelo nome da fração preponderante. Esta última afirmação deve ser analisada com maior rigor, pois sabe-se que as definições não deveriam ser baseadas simplesmente nas frações preponderantes, porquanto nem sempre são elas que ditam o comportamento de um solo. Neste caso, preferindo-se agrupar os solos quanto ao comportamento em detrimento das constituições, a classificação deveria denominá-lo de acordo com a fração mais ativa, no seu comportamento. Embora hoje recomendada mais para os solos grossos, a classificação granulométrica tornou-se universalmente empregada. Não existe, entretanto uma concordância entre os geotécnicos quanto ao intervalo de variação dos diâmetros de cada uma das frações que compõem os solos. A Figura 25 dá uma idéia deste fato2. Além das escalas granulométricas, foram grandemente utilizados no passado os diagramas triangulares (triângulo de FERET), Figura 26, em que o solo era dividido em três classes, isto é, areia, silte e argila. A soma das porcentagens destas três frações é 100%, e conduzem a um ponto no interior do triângulo. Este ponto cai em áreas, nas quais o triângulo é dividido, e que fornece a classificação do solo. 2 A faixa granulométrica especificada pela ABNT 6502/95 é diferente da antiga apresentada na Figura 26 e é semelhante à do MIT da mesma figura. Considerar, adicionalmente, que entre 0,06 e 0,2mm situam-se as areias finas; entre 0,2 e 0,6mm, as areias médias e entre 0,6 e 2mm, as areias grossas. 34 5 - Classificação do U.S. Corps of Engineers (Unificada) Esta classificação apresentada por Arthur Casagrande, em 1942, visava classificar os solos com o propósito de utilizá-los na construção de aeroportos, razão pela qual é conhecida também como classificação para aeroporto. Foi depois adotada pelo U.S. Corps of Engineers que lhe deu o nome e a divulgou. Além da granulometria, os limites de consistência são utilizados como elementos qualificadores. Cada solo é representado por duas letras: um prefixo e um sufixo. O prefixo é uma das subdivisões ligada ao tipo; o sufixo, as características, granulométricas e à plasticidade. Os materiais terrosos são divididos em duas grandes classes: material grosso (solos tendo mais de 50% retidos na # 200) e material fino (solos tendo mais de 50% passando na # 200): A classe dos materiais grosseiros foi dividida em dois grupos: pedregulhos e areias, representados pelos prefixos G (gravel) e S (sand) - iniciais de suas classificações em Inglês, respectivamente. Cada um destes dois grupos foi dividido em quatro subgrupos, representados pelos seguintes sufixos: W (well) = material limpo, bem graduado P (poor) = material limpo, mal graduado C (clay) = material bem graduado com bom aglutinante argiloso F (fine) = material com excesso de finos Os materiais W possuem diferentes coeficientes de não uniformidade, com valores até acima de 20 e os materiais P, geralmente inferiores a 5. Podem-se obter por meio da combinação destas letras os seguintes subgrupos: GW; GP; GC; GF; SW; SP; SC; SF. A classe dos materiais finos foi dividida em três grupos: silte e areia muito fina, argila inorgânica e silte e argilas orgânicas, representados pelo prefixo M (Mo) ; C (Clay) e O (Organic) , respectivamente. Cada um destes grupos são subdivididos em dois subgrupos representados pelos sufixos: H (High) - solos com alta compressibilidade, apresentando LL acima de 50. L (Low) - solos com baixa compressibilidade, apresentando LL abaixo de 50. 35 Podem-se obter com a combinação destas letras
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