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MECÂNICA DOS SOLOS MECÂNICA DOS SOLOS I 1. Qual a relação do intemperismo com a formação e tipos de solos? 2. Diferencie intemperismo de erosão 3. Quais os fatores de formação dos solos? 4. Qual a relação entre a posição dos minerais na serie de Bowen e os tipos de solos e rochas? Os conhecimentos básicos da Mecânica dos Solos para a o curso de Engenharia Civil, assim como para profissionais atuantes nesta área de especialização, vem da necessidade de se compreender itens como: a) Aprender a entender e poder avaliar as propriedades dos materiais geológicos, em particular o solo; b) Aplicar o conhecimento dos solos de uma maneira prática para projetar obras geotécnicas de forma segura e econômica; c) Desenvolver e progredir no conhecimento da Mecânica dos Solos através da pesquisa e experiência, e então acrescentar novos conhecimentos conceituais, e d) Estender conhecimentos a outros ramos do aprendizado ainda a serem desenvolvidos. UMA BREVE HISTÓRIA DA MECÂNICA DOS SOLOS O engenheiro geotécnico tem ainda que lembrar de duas importantes responsabilidades: primeiro, projetar e construir estruturas seguras, e segundo, dar proteção às vidas das pessoas que usam ou passam sob estas estruturas. Por causa destas razões, e também porque o solo é considerado não apenas material de fundação (que serve de suporte às estruturas), mas também como material de construção (barragens de terra, rodovias, etc), os engenheiros devem ter um sólido conhecimento das propriedades e comportamento dos solos. O solo é formado pela natureza, apresentado como consequência uma ampla variação das suas propriedades físicas sendo a maioria delas variáveis em relação a determinadas condições. Esta tendência dos solos variarem nas suas propriedades físicas é uma contradição se compararmos com o comportamento dos materiais manufaturados como o aço, concreto, ferro, etc, cujas propriedades são relativamente constantes. As propriedades dos solos dependem do tipo do solo, estas por sua vez são mais ou menos desfavoravelmente afetadas por muitos fatores, incluindo a presença da umidade, proximidade com águas subterrâneas, umidade do ar, enchentes, congelamento e descongelamento, etc. Uma das dificuldades para tratar o solo como um material é que as suas propriedades físicas no campo podem variar entre distâncias consideravelmente pequenas (ordem de 1 m, ou até menos). A influência da água no desempenho do solo quando carregado é um dos fatores mais importantes. Na Mecânica dos Solos, a umidade é considerada como um dos fatores que regem as propriedades dos solos. Nenhum engenheiro, arquiteto ou construtor pode ignorar o problema de investigação das propriedades físicas locais e a possibilidade das variações destas decorrentes da variação da umidade durante e após a construção da obra. Uma investigação detalhada destas propriedades é a melhor maneira de se evitar o colapso do sistema solo-estrutura, além dos problemas de exploração, manutenção, financeiro, etc, que podem ocorrer no futuro. Se as propriedades dos solos forem estudadas convenientemente os resultados consequentes interpretados corretamente e inteligentemente aplicados num projeto e posterior construção desta obra, as falhas podem ser evitadas. SOLO. MECÂNICA DOS SOLOS. ENGENHARIA DE SOLOS. O termo solo, como usado pelos engenheiros e adotado em Mecânica dos Solos, cobre uma faixa muito ampla de variação de materiais do que o usado em outras áreas. Para: agrônomo - geólogo – pedólogo – engenheiro civil Sob o ponto de vista da tecnologia do solo, o termo “solo” compreende toda espessura da crosta terrestre que seja acessível e possível de ser utilizada e explorada em termos práticos para solução de problemas de engenharia. Na Engenharia de Fundação ou Obras de Terra, o suporte é quase sempre uma rocha não consolidada, particularmente quando o terreno for rígido e localizado abaixo da sua superfície. Isto necessita de investigação e avaliação das propriedades físicas e do comportamento do solo submetido às tensões estruturais. Portanto, o termo “solo” na Engenharia Civil inclui não apenas a pedologia do solo, mas também qualquer material não adensado, incluindo a água no solo, que pode ser encontrado entre a superfície do terreno e a rocha. Em outras palavras, a definição do engenheiro inclui todos os materiais, ou todo o perfil do terreno. A NATUREZA DO SOLO Uma grande parcela das dificuldades enfrentadas em fundações é devida à natureza do solo. Normalmente estes materiais de construção são escolhidos de forma que melhor se adapte às condições de uma dada tarefa. Portanto um dado depósito pode ser aceito ou recusado. Esta situação pode existir dependendo das condições ou situações, e o único recurso é escolher um outro depósito se aquele desejado apresentar condições inadequadas. Se as características do solo são inadequadas, pode ser possível, ocasionalmente, serem melhoradas pela injeção de alguma substância; a maioria dos casos, no entanto, o solo deve ser empregado nas suas condições naturais. É totalmente impossível usar alguns solos como material de fundação (????). Duas amostras de solo coletadas em pontos relativamente próximas, mesmo que sejam da mesma camada descrita como relativamente homogênea, podem ter propriedades muitos diferentes. Além da natureza variável, o solo é um material difícil de ser tratado por causa da complexidade das suas propriedades físicas, por isso torna-se necessário considerar um grande número de propriedades quando se deseja informações razoavelmente completas para a finalidade do seu uso. Alguns solos orgânicos são tão compressíveis que devem ser evitados. Outros solos são satisfatórios sob certas condições de carregamentos; argilas moles é um exemplo. Materiais mais indicados para fundação são areias, pedregulhos, argilas rígidas, solos cimentados, e rocha; é interessante notar que fundação em rocha pode ser inadequada por causa do elevado custo de escavação para se chegar à cota desejada. Nenhum outro tipo de material tem tão ampla variação das características do que o solo. Um dos maiores riscos que se pode correr no campo de Engenharia de Construções é iniciar uma obra sem um conhecimento tão perfeito quanto possível do terreno (rocha ou solo) de fundação. Apenas para justificar (como se necessário fosse) indicamos na figura seguinte o caso da fundação de um arco de ponte que, por deficiência de estudos geotécnicos, comportar-se-ia de maneira instável pela possibilidade de deslocamento do “bloco de rocha” (suposto erroneamente um maciço rochoso) em que se apoiam as estacas. ELEMENTOS CONSTITUINTES DE UM SOLO Água Capilar Água Adesiva/Adsorvida Água Livre Água Capilar Água higroscópica Partícula de Argila/água de constituição A água contida no solo pode ser classificada em: a. Água de constituição: é aquela que faz parte da estrutura molecular da partícula sólida. b. Água adesiva ou adsorvida: é a película de água que envolve a partícula sólida e a ela se adere fortemente (0,005μ). c. Água livre: é a que se encontra em uma determinada zona do terreno (na superfície ou em profundidade) enchendo todos os seus vazios. O seu estudo rege-se pelas leis da hidráulica. d. Água higroscópica: é a que ainda se encontra em um solo seco ao ar livre. e. Água capilar: é aquela que nos solos de grãos finos sobe pelos interstícios "capilares“ deixados pelaspartículas sólidas, além da superfície livre da água. As águas encontradas nas condições livre, higroscópica e capilar são as que podem ser totalmente evaporadas pelo efeito do calor a uma temperatura maior que 100° C. Quanto à fase gasosa que preenche os vazios das demais fases, é constituída por ar, vapor de água e carbono combinados. Seu estudo detalhado foge ao escopo do nosso curso. Os índices físicos que serão apresentados mais adiante, são de grande importância no estudo das propriedades dos solos, uma vez que estas dependem dos seus constituintes e das proporções relativas entre eles, assim como das interações entres as fases. O SOLO COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO O solo pode ser considerado como o mais antigo e mais complexo dos materiais de construção usado pelo homem. Todas as estruturas, a menos que estejam apoiadas diretamente sobre uma rocha sã, devem estar suportadas pelo solo. Portanto, a escolha de uma fundação adequada é um dos primeiros problemas a ser considerado em qualquer projeto, e a importância do solo como um material de suporte, assim como uma escolha adequada do solo como material de construção é da mais alta relevância. Então, pode-se entender que a estabilidade de uma estrutura dependerá totalmente do comportamento do solo sobre o qual é construído. VER AULA 1.1 Por causa do estado inicial do conhecimento da Mecânica dos Solos ou adoção de hipóteses errôneas, ou até mesmo do desconhecimento dos princípios da Mecânica dos Solos, os engenheiros enfrentaram no passado (??), em várias partes do mundo, com um crescente número de insucessos provocado por diversas causas tais como: 1) a não previsão da presença da água; 2) a ação do congelamento do solo; 3) recalques imprevistos do solo; 4) deslocamento lateral do solo (creep e escorregamentos), e 5) outros comportamentos imprevistos do solo. Centenas de quilômetros de pavimentos em rodovias e aeroportos desintegraram por causa do desempenho não previsto do solo, e que foram provocadas por cargas excessivas, variação da umidade do solo, ou a fatores climáticos. Muitas barragens de terra se romperam porque os engenheiros não foram capazes de prever com devida precisão o desempenho do solo compactado e o efeito da ação da água existente sobre o comportamento do solo. O colapso de túneis, fundações de pontes, estruturas de arrimo e várias estruturas hidráulicas têm ocorrido com muita frequência porque os engenheiros não foram capazes de avaliar satisfatoriamente a pressão que o terreno poderia exercer contra estas estruturas sob as mais variadas condições, e qual era a distribuição das tensões no solo sob a área de contato solo-estrutura. Recalques diferenciais em fundações para estruturas foram diretamente responsáveis por sérios danos estruturais em alguns casos e, em outros, aumentaram consideravelmente o custo de manutenção. Escorregamentos e ruptura de taludes em cortes e aterros colocaram continuamente em risco a segurança dos edifícios, pontes, ferrovias, rodovias, canais, etc, em muitas regiões do mundo. Por outro lado, solos usados para suportar fundações e assim como usados como materiais de construção em barragens, rodovias, canais, etc, apresentam muitas e diferentes propriedades. É bem conhecido que vibrações podem transformar uma areia fofa numa areia densa; solos podem recalcar por causa do aumento de cargas, movimentos laterais, ou escorregamentos. Solos podem se apresentar denso ou fofo, saturado ou rígido dependendo da umidade, permeáveis ao ar e água. Alguns solos expandem quando umedecidos, o que são indesejáveis. É mais que coincidência que a maioria das rupturas com estruturas são causadas pela não previsão antecipada da ação da água, cujo regime de variações são decorrentes da interferência da atividade estrutural do engenheiro. A água é a variável independente mais importante (?) que rege os objetivos da Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações. Pode-se ver que as propriedades mecânicas dos solos são muito complexas e difíceis de serem determinadas do que para aço, concreto, ou madeira. Nenhum material apresenta variação maior nas propriedades do que solos, provavelmente porque não é um material padrão manufaturado. Isto porque o solo com o qual engenheiro deve trabalhar é originada da natureza sob as mais variadas formas e condições. Então, pode-se concluir que os solos representam o mais sério problema num projeto porque não são homogêneos. Isto traz como conseqüência a necessidade de se compreender adequadamente as suas propriedades e o seu comportamento. Para isso, há a necessidade de investigar o solo antes do planejamento de um projeto. As investigações e o conhecimento das propriedades físicas e mecânicas dos solos podem auxiliar na proteção do proprietário do edifício e do engenheiro na responsabilidade das condições imprevistas e problemas do futuro que podem acompanhar uma obra. Estas são as primeiras medidas a serem tomados para um apropriado entendimentos dos problemas. NECESSIDADE DE ESTUDAR SOLOS Muitos engenheiros já experimentaram pelo menos uma vez que o solo enterrou os resultados dos seus esforços; e que a água, movimentando através dos poros do solo, anularam os resultados de todos s seus esforços. É, portanto uma obrigação de qualquer engenheiro projetista entender claramente que a água e solo são oponentes naturais. Além disso, por causa da sua responsabilidade quanto ao sucesso final ou falha de um projeto estrutural, é sua obrigação adquirir um conhecimento apropriado e detalhado, e compreender os princípios da Mecânica dos Solos. Atualmente o engenheiro civil deve acreditar menos nas regras práticas, pois hoje os recursos disponíveis são totalmente diferentes daqueles existentes há algumas décadas. A MECÂNICA DOS SOLOS A Mecânica dos Solos faz parte de um campo de engenharia chamado de Geotécnica ou Geotecnia, e é uma das mais novas disciplinas da Engenharia Civil. A partir dos conteúdos lógicos dos objetivos da matéria como discutidos nos capítulos anteriores, pode-se deduzir que a Mecânica dos Solos não é uma disciplina conhecida pelo termo “ciência dos solos”. A Mecânica dos Solos pode ser definida como uma disciplina da engenharia que estuda os solos sob o ponto de vista teórico e prático por meio do qual os engenheiros constroem suas estruturas. A essência desta definição é que as análises dos problemas sob condições estática ou dinâmica, assim como sob o efeito da água e temperatura, são feitas teórica e experimentalmente. Os conhecimentos da física, mecânica, hidráulica, e transferência de calor são aplicados tanto para verificar antigas teorias como aquelas que virão a ser estabelecida sobre o comportamento do solo quando sujeito às mais variadas situações. Em outras palavras, a Mecânica dos Solos estuda a interação mútua entre estrutura e solo sob diferentes condições climáticas. Segundo Terzaghi, Mecânica dos Solos é a aplicação das leis da mecânica e da hidráulica em problemas de engenharia envolvendo sedimentos e outros acúmulos de partículas sólidas não consolidadas originadas da desintegração mecânica e químicas das rochas contendo ou não matéria orgânica, ou seja, a Mecânica dos Solos é a aplicação das leis mecânicas e hidráulicas em problemas de engenharia que trata dos sedimentos e outros acúmulos de partículas sólidas originadas pela ação mecânica e química nas rochas, sem levar em conta se contém ounão constituintes orgânicos”. Na Geologia tais acúmulos são chamados de manto ou regolito. OBJETIVOS DA MECÂNICA DOS SOLOS Dentre os mais importantes o estudo da Mecânica dos Solos inclui: a. Teorias sobre comportamentos dos solos submetidos a tensões, baseados em hipóteses altamente simplificadas; b. Investigação das propriedades físicas reais de solos, c. Aplicação de conhecimentos teóricos e empíricos aos problemas práticos. Podem-se enumerar os seguintes objetivos: a. Realizar pesquisas na área de Engenharia dos Solos; b. Desenvolver equipamentos e métodos racionais de amostragens; c. Desenvolver equipamentos e métodos de ensaios apropriados para solos; d. Coletar e classificar informações sobre solos e suas propriedades físicas sob a luz dos conhecimentos dos fundamentos da Mecânica dos Solos, Obras de Terra e Engenharia de Fundações; e. Investigar as propriedades físicas dos solos e determinar coeficientes para caracterizar estas propriedades; f. Adquirir mais conhecimento nos processos físicos que realmente ocorrem nos solos submetidos a várias situações como carregamentos estáticos e dinâmicos, presença de água, e variação de temperatura; g. Aplicar o conhecimento da Mecânica dos Solos para solução de problemas práticos de engenharia; e h. Substituir o empirismo pelos métodos científicos nos projetos usados no passado para fundações e obras de terra, contribuindo assim para o avanço da disciplina. OS PROBLEMAS NA MECÂNICA DOS SOLOS Alguns dos problemas relacionados a seguir indicam importantes formas de relações existentes entre fundações e solos: • A que profundidade deve atingir uma exploração do subsolo? • Qual é a capacidade de carga do solo na superfície e a várias profundidades? • Qual é a carga a ser aplicada nas partículas do solo? • Qual é a intensidade e distribuição de tensão decorrentes de diversos tipos de carregamentos? • Qual devera ser a espessura de uma camada de um solo sobrejacente a uma outra com resistência muito menor, para que uma determinada fundação não rompa essa camada? • O solo possui propriedades (atrito e coesão) que assegure satisfatoriamente a estabilidade da obra? • Qual deverá ser o contrapeso a ser colocado como uma medida preventiva contra movimento lateral da massa do solo a fim de manter a estabilidade da estrutura? • O engenheiro está também interessado nos recalques provocados pelos mais variados esforços aplicados: pelas estruturas, rebaixamento do nível d’água, vibrações, escavações de túneis, etc. Também a velocidade e magnitude dos recalques são de grande importância, especialmente no caso onde estruturas são estaticamente indeterminados; • Qual o tempo necessário para alcançar o recalque final; • Qual é a interação solo-estrutura, e que tipo e magnitude das tensões são induzidas na estrutura e solo de uma rodovia devida a vários tipos de carregamentos? • Qual é solo apropriado para ser usado como base de rodovias, ferrovias, e construção de aterros? • O solo em questão sofre expansão ou contração, e quanto? • Que tratamento deve ser dado a tais solos? • Até que grau um solo deve ser drenado? OS PROBLEMAS NA MECÂNICA DOS SOLOS Os problemas de Mecânica dos Solos podem ser divididos em dois principais grupos: estabilidade e elasticidade. Os problemas de estabilidade tratam das condições de equilíbrio de solos ideais imediatamente anterior à ruptura pelo escoamento plástico. Os problemas mais importantes desta categoria são: • os cálculos da pressão mínima exercida pela massa do solo sobre os suportes laterais (problemas de empuxo de solo), • cálculo da resistência última do solo contra forças externas como a pressão vertical exercida no solo pelas sapatas carregadas (problemas de capacidade de carga), • e a investigação das condições para estabilidade de taludes. Para resolver estes problemas basta conhecer as condições de tensões para a ruptura do solo. Os problemas de elasticidade tratam das deformações do sol devido ao seu peso próprio ou devida a forças externas como o peso dos edifícios. Todos os problemas de recalques e pertencem a essa categoria. Para resolver estes problemas devemos conhecer a relação entre tensão e deformação para o solo, mas as condições de tensão para a ruptura são desconsideradas nestas análises. Situação intermediaria entre os dois grupos está o problema de determinação das condições de carregamento e de suporte exigidos para estabelecer o estado plástico em ponto da massa do solo. Relacionados com esse tipo de problemas, tanto as propriedades elásticas como as condições de tensões para ruptura devem ser levadas em consideração. A transição da estado inicial para a ruptura do solo pelo escoamento plástico é conhecida como ruptura progressiva. Na natureza os vazios existentes nos solos são parcialmente ou totalmente preenchidos pela água. A água deve estar num estado de repouso ou no fluxo. Se estiver em repouso, os métodos para resolver problemas de estabilidade e deformação são essencialmente idênticos daqueles usados geralmente para resolver problemas de Mecânica dos Sólidos. Por outro lado, quando a água se movimenta através dos vazios dos solos, os problemas não podem ser resolvidos sem a determinação prévia do estado de tensão da água contida nestes vazios. Neste caso exige-se a combinação da Mecânica dos Solos com a Hidráulica Aplicada. ENGENHARIA DOS SOLOS Toda estrutura seja um edifício, uma ponte, uma barragem, um tipo de pavimento, ou mesmo um navio durante sua construção, deve estar apoiada no solo. Desde os tempos pré-históricos a escolha de uma fundação satisfatória tem sido um dos primeiros problemas em qualquer projeto geotécnico. Como a maioria das estruturas apoia sobre o solo, o papel do solo como um material de fundação e como material de construção tem sido sempre uma das preocupações mais importantes. História da Engenharia Fundação: Nas grandes cidades das antigas civilizações existiram inúmeros edifícios que certamente apresentaram problemas de fundação muito semelhantes aos encontrados nas modernas cidades: as pirâmides do Egito, os templos da Babilônia, a Grande Muralha da China, os aquedutos e rodovias do Império Romano, e outros igualmente grandes, mas historicamente menos reconhecidos projetos certamente enfrentaram problemas complexos de fundações. Em vista da natureza variável e complexa do solo, pode-se dizer que desde os tempos pré-históricos poucos ou nenhum outro tipo de problema tem recebido tanta atenção e originalidade como os problemas associados com o solo. INTERAÇÃO ENTRE ESTRUTURA E MACIÇO Todas as obras de Engenharia Civil estão em contato com o solo ou rocha. O solo em questão pode ser empregado tanto no estado natural como manuseado. Como exemplo pode-se citar a construção de um edifício o qual exige uma escavação num terreno natural onde estacas são cravadas ou preenchidas por argamassa ou concreto. Da mesma maneira, a base de um muro de arrimo toca o terreno natural e a sua face lateral mantém em equilíbrio o solo. O prédio exerce uma pressão no maciço com o qual está em contato, e no caso do muro de arrimo o material de enchimento pressiona lateralmente a estrutura. Assim existe uma interação entre a estrutura e o solo adjacente; e como resultado, desenvolvem-se tensões em ambas. Por sua vez tensões provocam mudanças tanto da forma como no tamanho da estrutura e do maciço fazendo com que a estrutura desloque para baixo. Este movimento é denominado recalque.Algumas vezes a estrutura pode se afastar do terrapleno. Quando o solo é suficientemente resistente para suportar as tensões atuantes a amplitude do deslocamento da estrutura decorrente desta condição é muito pequena, portanto movimento não induzirá nenhum dano à estrutura. Entretanto, se o movimento da massa for apreciável há o risco de surgir fissuras na estrutura e conforme a amplitude desse movimento pode até mesmo levar ao seu colapso. No planejamento de uma estrutura, um engenheiro deverá ser capaz de visualizar e prever seu comportamento para qualquer situação ao longo do tempo. Além da determinação das tensões provocadas pelas estruturas e pela ação das forças externas, como carregamentos permanentes, carregamentos temporários, ação do vento, e outros, é necessário determinar ou pelo menos estimar as características e os valores das tensões na estrutura e no maciço adjacente, ou seja, a interação solo-estrutura. É necessário também estimar a característica e valor das mudanças nas formas e dimensões das estruturas e do maciço em contato. É especialmente importante a determinação da amplitude provável do recalque, pois conforme já foi comentado poderá expor a estrutura aos riscos de sofrer danos. Quanto menor e mais uniforme for o recalque melhor será a estabilidade. OBSERVAÇÕES SOBRE DEPENDÊNCIA DA ANÁLISE DE DADOS A limitada dependência da investigação dos resultados quantitativos é uma matéria que tem provocado muita discussão e deve ser enfrentado e considerado cuidadosamente com franqueza por todos os engenheiros que estão envolvidos com determinados estudos. Estes profissionais devem estar cientes de que poucas análises de solo fornecem resultados com alta precisão e a maioria deles fornece apenas valores que são estimativas grosseiras. Este pode ser devido em parte ao uso de hipóteses que não são a rigor verdadeiras, mas apenas um conhecimento limitado das condições existentes, que em muitos casos pode ser a causa mais importante. Numa análise quantitativa da percolação que será considerado como exemplo, o procedimento comum para a medida da permeabilidade é usar um certo número de ensaios de laboratório com amostras coletadas no local. Frequentemente existem camadas no subsolo cuja textura é muito mais grosseira do que das outras identificadas, e a sua existência não são notadas durante as investigações. Esta falha faz com que estas camadas de textura grosseira sejam as responsáveis pelo fluxo maior do que o previsto. Nenhuma responsabilidade por negligência pode ser exigida em tal caso, porque uma investigação exaustiva pode falhar na verificação da existência destes estratos. Estas situações só podem ser verificadas no estágio final da análise, ou seja, no momento em que os engenheiros responsáveis usam da suas experiências e julgamentos para justificar quais fatores e as razões que levaram a cometer involuntariamente estas falhas. As seguintes questões têm sido algumas vezes levantadas: • Se os estudos não podem revelar importantes itens e se a experiência e o julgamento são as bases das decisões finais, qual é a importância de se realizar os estudos? Duas afirmações podem ser dadas para responder esta questão. Primeira: muitos fatores que se baseia o problema pode estar afetando nos resultados da análise e além de outros que não foram adequadamente considerados. Além disso, existe a possibilidade destes fatores desconsiderados nos estudos serem muitos dependentes uns em relação ao outro. Segunda: é o julgamento, que superpõe a experiência e todos os outros fatores em importância. Além disso, sem dizer que as análises teóricas se usadas sem julgamento, os resultados obtidos serão piores e podem até mesmo levar ao desastre. No entanto, o engenheiro deve também estar totalmente ciente de que a sua solução deve ter uma forte retaguarda teórica, pois o julgamento dos resultados recai sobre importantes decisões tomadas com base na natureza científica do problema.
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