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Origem e Formação dos Solos

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1
 Origem e Formação dos Solos 
 
 1.1) O Solo 
 
 1.2) Solo e Crosta Terrestre 
 
 1.3) Origem dos solos 
 
 1.4) Erosão física - areias 
 
 1.5) Erosão química - argilas 
 
 1.6) Tipos de solos 
 
 1.7) Minerais argílicos 
 
 1.8) Superfícies específicas. 
 
 
“ Caiu a chuva, e correram os rios, e assopraram os ventos, e combateram aquela casa e 
não caiu, porque estava edificada sobre a rocha” 
 Mateus, 8,25. 
 
1.1) O solo: 
 
 São materiais que resultam do intemperismo ou meteorização das rochas, por 
desintegração mecânica ou decomposição química e biológica. 
 
Agentes do Intemperismo: temperatura / pressão / alterações cristalinas / hidratação / 
agentes biofísicos – vegetação / agentes químicos – dissolução, oxidação, redução, 
hidratação, hidrólise, lixiviação. 
 
 É uma função da rocha “mater” e dos diferentes agentes de alteração. 
 
 Os solos são agregados de partículas minerais que juntas com o ar e a água nos seus 
vazios formam um sistema de três fases: 
 
 
 
 
 
 2
 O significado original de solo vem do latim da palavra "solum" que em português 
clássico significa chão. 
 Cada área possui sua definição própria para o solo. No campo da agricultura, solo é 
a camada de terra tratável, geralmente de poucos metros de espessura que suporta as raízes 
das plantas. 
 
 Na Geologia, solo é descrito como o material disposto em camadas, não 
consolidado, que se estende da superfície até a rocha sólida e que é formado devido ao 
intemperismo e a desintegração da rocha sã. 
 
Para a Engenharia Civil, o solo é visto em termos de trabalho que pode ser realizado 
nele ou com ele. É todo material que pode ser escavado a pá e picareta e rocha é todo 
material que necessite de explosivos para seu desmonte. 
 
 Sob o ponto de vista puramente técnico são os materiais da crosta terrestre que 
servem de suporte, são arrimados, escavados ou perfurados e utilizados nas obras de 
engenharia civil. 
 
 
1.2) Solo e Crosta Terrestre: 
 
 Os solos constituem a camada mais superficial da crosta terrestre. 
 
 
 
 A matriz geradora dos solos é o magma, princípio de todas as rochas existentes no 
globo terrestre. 
 
 3
 Magma = matéria incandescente, constituinte do núcleo terrestre, de onde é trazida à 
superfície pelos vulcões. 
 
 A Pedologia é a ciência que estuda essas camadas, a sua formação e a classificação, 
levando em conta a ação dos agentes climatológicos. 
 
 Solo = f (rocha de origem, organismos vivos, clima, fisiografia, tempo, etc) 
 
 As camadas que constituem um perfil são chamadas de horizontes: camada 
superficial, subsolo e camada profunda. 
 
 Os solos se classificam em zonais ou climatogênicos (grupo laterítico); intrazonais e 
azonais. 
 
ROCHAS: 
 
ÍGNEAS (magmáticas) – formada pelo resfriamento do magma na superfície da crosta. Ex.: 
granito, basalto 
 
SEDIMENTARES – formada em camadas a partir da sedimentação ou deposição de 
partículas de rochas. Ex.: arenito, xisto, rocha calcária. 
 
METAMÓRFICAS - formada pela alteração (mudança de composição) de rochas 
existentes devido ao extremo calor (ex.: mármore) ou a extrema pressão (ex.: ardósia). 
 
 Mecânica dos Solos: 
 
 Aplicação das leis de mecânica e de hidráulica aos problemas de engenharia 
relacionados com os solos. 
 
 Áreas correlatas: mecânica dos fluídos, resistência dos materiais, reologia. 
 
 Problemas com o solo na Engenharia Civil: 
 
 Solo: características 
 
 1- Não possui uma relação única nem linear de tensão x deformação. 
 
 2- Comportamento do solo depende de pressões, tempo, etc. 
 
 3- É diferente em cada local. 
 
 4- A massa subterrânea não pode ser vista e sim avaliada através de amostras 
isoladas. 
 
 5- Amostragem causa distúrbios no solo. 
 
 4
 Usos do solo na Engenharia: 
 
 - Como fundação para suportar estruturas – resistência ao cisalhamento => 
colapso ou compressibilidade => recalques, escavações – trincheiras, bases, cortes de 
estradas, remoção e suporte do solo, capacidade de carga – aterros naturais ou construídos, 
taludes 
- Como material de construção 
- Fluxo d´água – quando o solo é permeável, a água pode fluir através dele 
e causar alguns problemas (piping, carreamento). 
 
 FUNDAÇÕES: 
 Tipos: Direta Profunda 
 
 
 
 Problema: recalques ou levantamentos que causem a ruína da estrutura. Solos 
expansivos (regiões áridas). 
 
 MATERIAL DE CONSTRUÇÃO: 
 
 - Utilizado para aterros (barragens), pavimentos (estradas), aeroportos, etc 
 
 - Problema: Empréstimos. Cortes e aterros. 
 
 PROBLEMAS ESPECIAIS: 
 
 - Vibrações (equipamentos, compressores, turbinas) → densificação de solos 
granulares 
 
 - Explosões (escavações), Terremotos → deslizamentos (estabilidade de taludes) 
 
 - Congelamento → expansão dos solos 
 
 - Bombeamento → recalques 
 5
 
Exemplos: 
 
Internacionais: 
 Canal do Panamá - sucessivos escorregamentos de terra (Culebra e Cucaracha) 
 Estados Unidos - rupturas de barragens, recalques de edifícios (ASCE) 
 Suécia - escorregamentos em taludes de ferrovias 
 Alemanha - Canal de Kiel 
 México - Palácio de las Bellas Artes (2 m de recalque diferencial) 
 
Nacionais: 
 Rio de Janeiro - deslizamentos 
 Rio Grande do Norte - Barragem do Açu 
 
MECÂNICA DOS SOLOS 
- Propriedades de tensão x deformação 
- Análise teórica para massas de solo 
 
GEOLOGIA 
- Composição da massa + JULGAMENTO → SOLUÇÕES 
 de solo DE ENGENHARIA PARA OS 
EXPERIÊNCIA PROBLEMAS 
 
ECONOMIA 
 
Considerações: 
(a) A natureza do material, incluindo a medição das propriedades relevantes para a 
engenharia 
(b) O conhecimento da situação (cenário) do problema incluindo o entendimento 
das características comportamentais do material e suas circunstâncias 
particulares. 
(c) Derivação de um modelo a partir de (a) e (b) ou a representação em termos 
matemáticos ou mecânicos do comportamento esperado. 
(d) Aplicação das condições de contorno, tais como, tempo, segurança, estética, 
controles de planejamento, disponibilidade dos materiais, viabilidade 
operacional, fatores de custo que sempre têm importância primordial. 
(e) Previsão das soluções em termos de engenharia, mas que também leve em conta 
os outros fatores. 
 
1.3) Origem dos solos: 
 
 A origem remota do solo está na decomposição da rocha pela ação das intempéries. 
 
 Fatores: 
 
 1- Natureza da rocha madre 
 2- Clima da região 
 6
 3- Agente intempérico de transporte 
 4- Topografia da região 
 5- Processos orgânicos 
 
 Quanto à formação eles podem ser: 
 
a) Residuais (ou autóctones) - quando provieram da decomposição da rocha 
subjacente, ou seja, permanecem no local de origem onde existe uma 
transformação gradual da rocha até o solo. 
 
 Graduação: solo residual madura (% maior de argila) ==> saprolito (sapros (grego) 
= podre,deteriorado) ==> blocos em mat.alterado ==> rocha sã. 
 
 Exemplo: solos lateríticos, minerais de ferro dão origem a solos lateríticos ou 
lateritas (zonas tropicais), os solos expansivos e porosos (colapsíveis – solos de Brasília). 
 
 
b) Transportados (ou alotóctones) - quando provieram da decomposição de 
matéria num lugar de detritos provenientes de outro lugar. Apresentam 
características mecânicas inteiramente diferentes dos solos residuais de onde 
provieram. Sedimentares: 
 
 
 
 
 
 
 7
Os agentes de transporte (influenciam na textura do solo)são: 
 
 1) água - solos aluvionares (terraços fluviais, deltáicos, estuários e baixadas 
litorâneas) 
 2) ventos - solos eólicos (grãos homogêneos) - "estratificação cruzada"; 
 3) gravidade - solos coluvionares (talus - pé de serra) – elevado índice de 
vazios – pequeno suporte de carga. 
 4) geleiras - solos glaciares. 
 5) correntes marinhas e marés - solos marinhos 
 6) homem - aterros ( empréstimos → aterro compactado) 
 
 c) Orgânicos - quando provenientes da deposição de matéria orgânica, seja de 
natureza vegetal (plantas, raízes), seja animal (conchas), quase sempre desenvolvida no 
mesmo lugar. 
 
 Exemplo: terras diatomáceas, constituídas de carapaças de algas ou infusórios, turfa 
(carbonificação - folhas, caules, troncos) - solo fofo, não plástico e combustível. Com alta 
compressibilidade, absorção de alta quantidade de água, baixa resistência ao cisalhamento, 
baixa capacidade de carga e difícil de estabilizar. 
 
 d) Pedogênicos (solos brasileiros) - quando provenientes da evolução pedogênica, 
tais como solos superficiais que suportam as raízes de plantas ou os solos "porosos" dos 
países tropicais. 
 
 Exemplo: Terra roxa (solo laterítico de cor marrom - avermelhada - SP); o massapê 
(solo residual, não laterítico, cor escura, expansivo - BA) ou solo margalítico (cor preta, 
escuro, cinza ou claro - muito argiloso) Laterita = pedregulho laterítico 
Solos porosos, colapsíveis - solos de Brasília. 
 
1.4) Erosão física - areias 
 
 A erosão física é a decomposição mecânica, através dos agentes como água, 
temperatura, vegetação (raízes), vento, formando-se os pedregulhos e areias (solos de 
partículas grossas) e até mesmo os siltes (partículas intermediárias) e somente em 
condições especiais, as argilas (partículas finas). 
 
 Decomposição mecânica das rochas: 
 
 É realizada pela expansão e contração térmica alternadas das rochas sãs até que 
ocorra o fraturamento. A esse processo estão associadas as forças expansivas de certos 
minerais constituintes da rocha, da água ou das raízes, que penetram nas fissuras das 
rochas. 
 
 Esses fatores isolados ou associados causam a decomposição física das rochas 
maciças em grandes blocos ou, até mesmo, em pequenos fragmentos. 
 
 
 8
1.5) Erosão química - argilas: 
 
 É o processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas de origem. 
O principal agente é a água acidulada por ácidos orgânicos e os mais importantes 
mecanismos de ataque são a oxidação, hidratação, carbonatação e os efeitos químicos da 
vegetação (ácidos orgânicos). As argilas representam o último produto do processo de 
decomposição. 
 
 A alteração química das espécies minerais que formam as rochas pode também 
produzir areias. 
 
 O caráter e a amplitude da alteração dependem, de um lado, da natureza da rocha, 
isto é, de sua composição química, sua estrutura e textura, e do outro, do clima da região, 
das alternâncias de chuvas e temperaturas. 
 
1.6) Tipos de solos: 
 
 - Quanto à formação: 
 
 a) Residuais; 
 b) Transportados; 
 c) Orgânicos; 
 d) Pedogênicos. 
 
 - Quanto à granulometria: 
 
 a) Blocos - D > 1,00m 
 b) Matacões - D > 2,5cm 
 c) Pedregulhos - D > 2,0mm 
 d) Areia: 
 grossa - 0,2mm < D < 2,0mm 
 fina - 0,02mm < D < 0,2mm 
 
 e) Silte - 0,002mm < D < 0,02mm 
 f) Argila - D < 0,002mm 
 
D = diâmetro dos grãos 
 
 
 - Quanto à plasticidade: 
 
 a) Plásticos 
 b) Não plásticos. 
 
 
 
 
 9
 - Quanto à composição química 
 a) solos grossos ( minerais da rocha de origem): 
 a.1) silicatos – feldspato, mica, quartzo, serpentina, clorita, 
talco 
 a.2) óxidos – hematita, magnetita, limonita 
 a.3) carbonatos – calcita, dolomita 
 a.4) sulfatos – gesso, anifrita 
 b) solos finos 
 
 a.1) Silicatos: 
 No grupo dos silicatos estão: 
 
 Feldspato: silicato duplo de Al e de um metal alcalino ou alcalino-
terroso (K, Na, ou Ca), sendo os principais a ortoclasita, a anotita e a albita; 
 
 Mica: ortossilicatos de Al, Mg, K, Na, Li, Mn e Cr, sendo os 
principais a muscovita (branca) e a biotita (preta) - mineral facilmente identificável pelo 
brilho característico (malacacheta). 
 
 Quartzo: composição química SiO2 (sílica cristalina pura) - mineral 
de decomposição muito difícil. Praticamente passa da rocha ao solo sem sofrer alteração. 
 
 Serpentina: rocha com o mesmo nome (verde) 
 
 Clorita: tonalidade verde 
 
 Talco: tonalidade branca ou branca-esverdeada. 
 
 a.2) Óxidos: 
 Óxido de ferro: 
 hematita (Fe2O3) 
 magnetita (Fe2O4) 
 limonita (Fe2O3H2O) 
 a.3) Carbonatos: 
 
 Calcita: (CO3Ca) 
 
 Dolomita: [(CO3)2CaMg] - maior dureza e fraca reação em contato 
com o HCl 
 
 a.4) Sulfatos: 
 
 Gesso: (SO4Ca2H2O) 
 
 Anidrita: (SO4Ca) 
 
 
 10
1.7 - Minerais Argílicos (SOLOS FINOS): 
 
 A plasticidade e a coesão do solo são funções do teor de umidade, da espécie de 
mineralogia e de suas propriedades coloidais. 
 
 A argila influencia nas características mecânicas do solo. Ela é constituída de micro-
partículas (microscópio eletrônico), tem baixa permeabilidade. Dois solos argilosos com 
mesma granulometria podem apresentar propriedades inteiramente diferentes. 
 
 As principais propriedades a serem consideradas na engenharia são: área de 
superfície, carga e absorção da superfície, capacidade de mudança de base, floculação e 
dispersão, expansão e colapso, plasticidade e coesão. 
 
 Colóides são partículas com 1 µm < D < 1µ ( 10-6 mm = 10 Å - Angstron) que 
possuem grande superfície especifica (superfície em relação à sua massa) e onde 
predominam as forças superficiais gravíticas (atração e repulsão) 
 
 Os minerais das argilas são silicatos complexos de alumínio, magnésio e ferro. As 
duas estruturas cristalinas básicas são: 
 
 1) Tetraedro: formado de um átomo de silício eqüidistante de quatro de oxigênio. 
 
 
 
 
 2) Octaedro: formado por seis átomos de oxigênio, ou grupos de oxidrilas ao redor 
de um átomo de alumínio ou magnésio. 
 
 
 
 
 11
 A associação, entre si, desses elementos, forma as diversas espécies de minerais 
argílicos, dentre elas as que ocorrem com mais freqüência são: as caolinitas, as ilitas e as 
montmorilonitas. 
 
 Existem também as halloysitas, comuns nas argilas marinhas e as gibsitas 
constituintes dos solos lateríticos e bauxitas. 
 
 
 Caolinitas: 
 
 Composição química: Al2O32SiO22H2O ou H4Al2Si2O9 
 
 Caulim = cao + ling (chinês) = “coluna alta”. 
 
 São formadas por unidades de silício e alumínio, que se unem alternadamente 
conferindo-lhes uma estrutura rígida e estável em presença de água. 
 
 
 
 
 O caolim é o principal membro do grupo das caolinitas. Exemplo: argila branca - 
mineral que sofre constantes transformações ocasionadas pelos agentes da natureza 
 
 As caolinitas são as argilas que apresentam menores plasticidade e coesão. 
 
Quando pura é utilizada na confecção de porcelana. Possui cor branca, com brilho 
mascarado, variando de cor pelas impurezas. Não é expansiva – impedem a penetração da 
água, baixa atividade e LL baixo. 
 
 Montmorilonitas: 
 
 Composição química: (OH)4Si8Al4O20nH2O 
 
 São estruturalmente formadas por uma unidade de alumínio entre duas unidades de 
silício 
 
 12
 
 
 As moléculas de água são agregadas ao cristal que é diferente da água intersticial do 
solo. 
 
 A ligação entre essas unidades, não sendosuficientemente firme para impedir a 
passagem de moléculas de águas, torna as argilas desse tipo muito expansivas, ou seja, 
instáveis em presença de água. 
 
Principal mineral do grupo das esmectitas. 
 
 Nontronita - ocorre quando o alumínio é trocado por ferro ou magnésio divalentes - 
encontrada nas fissuras de decomposição do basalto. Extremamente expansiva. 
 
 São os que têm maiores plasticidade e coesão. 
 
 Grande atividade, LL elevado, forca de expansão que chega aos 4 kg/cm2 e provoca 
aumento de volume. Mais comuns nas regiões semi-áridas. As esmectitas se constituem a 
base das bentonitas conhecidas por seu alto grau de expansão. 
 
 Illitas: 
 
 Composição química: [(OH)4Ky(Sis-yAly)(Al4Fe4Mg4Mg6)O20] y=1,5 (micas: y=2) 
 
 São menos expansivas. 
 
Nome devido a cidade de Illinois (EUA). 
 
 Sua formação é semelhante às montmorilonitas, só que as unidades de silício são 
intercaladas por íons de potássio: 
 
 
 
 13
 
 
 A estrutura das illitas é semelhante à das micas muscovita e sericita. 
 
 Cor branca, presente em quase todas as concentrações sedimentares marinhas, 
normalmente as argilas de origem sedimentar são uma mistura de caulinita e elita. 
 
Outras propriedades das argilas: 
 
 Troca catiônica: 
 
 Propriedade das argilas de trocar íons adsorvidos, dada pelo peso, em mi-
liequivalentes dos cátions que podem ser absorvidos na superfície de 100g de material 
sólido. 
 
 A troca catiônica resulta em efeitos profundos sobre as propriedades físicas das 
argilas e, consequentemente, sobre as suas propriedades mecânicas. 
 
 Atividade: 
 
 A capacidade que a fração argilosa do solo tem de transmitir ao solo maior ou 
menor plasticidade e coesão. 
 
 Índice de atividade do solo é a relação entre o seu índice de plasticidade e a 
percentagem de argila do solo: 
 
 I
IP
a = 〈%φ µ2 
 
 solo normal: 0,75 < Ia < 1,25 
 solo ativo: Ia > 1,25 
 
 caulinita – 0,4 a 0,5 
 illita – 0,5 a 1,0 
 montmorilonita – 1,0 a 7,0 
 
 
 
 14
 Coesão: 
 
 É a resistência que a fração argilosa empresta ao solo, pela qual ele se torna capaz 
de se manter coeso, em forma de torrões ou blocos, ou pode ser cortado em formas diversas 
e manter essa forma. 
 
 Resistência ao cisalhamento do solo quando sobre ele não atua força externa. 
 
 Origens da coesão: 
 
 1) efeito da existência de um cimento natural aglutinado aos grãos do solo 
entre si (cimentos argilosos - solos concrecionados). 
 
 2) efeito da eventual ligação entre os grãos, muito próximos uns dos outros 
exercida pelo potencial atrativo de natureza molecular ou coloidal (água adsorvida = coesão 
verdadeira) 
 
 3) efeito da pressão capilar na água intersticial, quando o corpo de prova 
sofre um esforço de ruptura (coesão aparente - os meniscos se desfazem por efeito da 
saturação ou movimento da água intersticial). 
 
 Contração de resistência seca: 
 
 Depósito de argila sujeito à: evaporação constante da água intersticial => retração 
dos meniscos capilares => aumento da pressão capilar. 
 
 Limite de contração => é a umidade correspondente ao mínimo de volume; 
 
 Rachaduras => quando as tensões capilares ultrapassam a resistência à tração das 
argilas (forma hexagonal - observado nas superfícies argilosas de lagos ou pântanos secos) 
 
 Resistência seca => força atrativa dos colóides. 
 
 Identificação prática das argilas: as argilas, quando secas, não são facilmente 
desagradáveis pelo esforço dos dedos como a areia ou o silte. 
 
 
1.8 - Superfícies Específicas 
 
 Definição: é a soma das superfícies de todas as partículas contidas na unidade de 
volume (ou de peso) do solo. 
 
 Superfície específica de minerais argílicos: 
 
 Caolinitas - dimensão lateral das plaquetas:1.000 a 20.000 Å 
 espessura: 100 a 1.000 Å 
 15
 superfície específica =15m2/g 
 
 Illitas - dimensão lateral:1.000 a 5.000Å 
 espessura:50 a 500Å 
 superfície específica = 90m2/g 
 
 Montmorilonitas -dimensão lateral:1.000 a 5.000Å 
 espessura:10 a 50Å 
 superfície específica = 800m2/g. 
 
 Para amostras que possuem a mesma massa, aquela que tem a maior área de 
superfície é a que tem os menores tamanhos das partículas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 16
Exercícios: 
 
1) Descreva, resumidamente, as origens dos solos e os fatores que controlam a sua 
formação. 
 
2) Discuta a composição do solo no contexto da construção civil, apontando a 
significância da presença ou ausência de componentes notáveis. 
 
3) Descreva a natureza da estrutura dos minerais de argila e explique sua importância 
na engenharia como constituintes do solo. 
 
4) Liste os minerais argílicos mais comuns e suas principais propriedades no contexto 
da engenharia. 
 
5) Faça um resumo dos tipos de problemas de engenharia associados com solos e 
discuta a natureza de possíveis limitações que possam ocorrer devido às 
propriedades do solo e seus efeitos nas decisões de projeto e construção.

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