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Mecânica dos Solos INTRODUÇÃO A Mecânica dos Solos é um dos ramos mais recentes da Engenharia Civil, trabalha com uma matéria prima bastante heterogênea e com propriedades complexas, sendo de extrema dificuldade a modelação ou ensaio em modelo que caracterize satisfatoriamente o seu comportamento. O engenheiro dos solos deve ter sempre em mente as dificuldades encontradas quando se trabalha com o solo, são elas: o solo não possui comportamento tensão-deformação linear ou não linear ou único; o comportamento de um solo depende em solicitação, tempo de aplicação, e meio ambiente; meio o solo é diferente para cada local; o solo a ser pesquisado geralmente não está situado na superfície e sim em horizontes profundos, necessitando ser retirado em pequenas amostras para seu estudo em laboratório; muitos solos são sensíveis a perturbações na amostragem e não reproduzem, em laboratório, suas características reais. Deve-se ainda considerar a possibilidade de todos esses fatores se juntarem, o que acontece frequentemente, tornando o problema de solos de difícil solução. O solo é constituído por um conjunto de partículas sólidas, formando entre si poros, que poderão estar total ou parcialmente preenchidos pela água. É, pois, no caso mais geral, um sistema disperso formado por três fases: sólida, líquida e gasosa. Mecânica dos Solos 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 • Suporte dos solos • Estruturas de arrimo Silos Mecânica dos Solos Formação do solo Mecânica dos Solos Formação do solo Mecânica dos Solos Formação do solo Mecânica dos Solos Formação do solo As rochas, quando passam pelo processo de intemperismo, sofrem um processo de decomposição e desagregação, transformando-se em sedimentos ou material sedimentar, que podem ser transportados para outras áreas. Os termos “decomposição” e “desagregação” acima destacados fazem referência, respectivamente, aos intemperismos: Físico, Químico e Biológico Mecânica dos Solos Solo O solo pode ser definido como a camada intemperizada da crosta terrestre, que, por ação de processos físicos, químicos e biológicos de desintegração, decomposição e recombinação, se transformou em material poroso de características peculiares, contendo minerais primários, minerais secundários e materiais orgânicos, mostrando o desenvolvimento de um perfil. Cinco fatores são considerados responsáveis pela formação do solo: material parental (de origem) rochas e outros materiais - (p), tempo (t), clima (cl), relevo (r) e organismos vivos (o). Formalmente, pode-se dizer que Solo = f (cl,o,r,p,t). Da combinação dos fatores de formação (cl, o, r, t), atuando em intensidades variáveis sobre o material parental (p), resultam os mais variados tipos de solos. Mecânica dos Solos Intemperismo Intemperismo é um processo que altera física e quimicamente as rochas e seus minerais, tendo principais fatores o clima e o relevo. Agente causador (agem conjuntamente): • Intemperismo físico ou mecânico – temperatura, vento, chuvas etc. • Intemperismo químico – água, vento marinho etc. • Intemperismo biológico – seres vivos. Mecânica dos Solos Intemperismo Mecânico ou Físico Intemperismo físico: Desagregação ou desintegração do material de origem (rocha ou sedimento) sem que haja alteração química dos minerais constituintes. Ele, portanto, causa uma desagregação de fragmentos cada vez menores, conservando as características de seus minerais, aumentando a superfície de contato dos fragmentos, o que colabora com o intemperismo químico. Em regiões desérticas e de clima semiárido esse processo é mais intenso. Mecânica dos Solos Intemperismo Químico Mecânica dos Solos Intemperismo Químico Tipos Basicamente ocorre devido aos seguintes processos: Dissolução; Oxidação; Hidrolise; Carbonatação. Mecânica dos Solos Intemperismo Biológico Consiste na desagregação física e decomposição química das rochas causada por organismos vivos Mecânica dos Solos Resumindo Mecânica dos Solos Solo O solo é composto por partículas sólidas que apresentam vazios entre si. Estes vazios podem estar preenchidos por água e/ou ar. Assim, temos 3 fases: • fase sólida – formada por partículas sólidas; • fase líquida – formada pela água; • fase gasosa – formada pelo ar (vapor, gases). Mecânica dos Solos Solo o Fase sólida – constituída por agrupamento de partículas sólidas que deixam espaços vazios que podem conter ar e ou água. o Volume total do solo é formado pelo volume de sólidos somado ao volume de vazios. o Solo Saturado - solo quando seus vazios estão totalmente ocupados pela água. o Podemos quantificar as proporções das três fases de um solo, entre peso, volumes, pesos volumes Mecânica dos Solos Solo Zona VADOSA ou Não Saturada = É a zona superficial dos solos, em que os poros se encontram cheios de ar. Inferiormente está a zona de saturação, em que os instersticios estão cheios de água. • Ultimamente tem chovido tanto, que a zona vadosa se tornou zona de saturação. Mecânica dos Solos Fases constituintes dos solos Podemos verificar que: VV = Va + Var Vt = VS+ VV = VS + Va + Var e Mt = MS + Ma Solo Água Ar Mt Mar≈ 0 Ma VS Vt Var Va MS VV Onde: Vt = Volume total de uma amostra de solo; VS = Volume dos sólidos VV = Volume dos vazios (soma dos volumes não ocupados por sólidos); Va = Parte do volume de vazios que está ocupado pela água; Var = Parte do volume de vazios que está ocupado pelo ar; Mt = Massa total de uma amostra; Ma = Massa de água presente nos vazios da amostra Ms = Massa do solo seco. Mecânica dos Solos Solo A água contida no solo pode ser classificada em: Água de Constituição - faz parte da estrutura molecular da partícula sólida; Água Adsorvida ou adesiva – película de água que envolve e adere a partícula sólida; Água Livre – é a água encontrada em determinada zona do terreno, enchendo todos os vazios; Água Higroscópica – é a que ainda encontramos em um solo seco ao ar livre, em função do vapor de água presente na atmosfera; Água Capilar – é a que nos solos finos sobe pelos interstícios capilares deixados pelas partículas sólidas; Fase Gasosa – Vapor de água e Gás carbono. Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas Conforme apresentado por Bueno e Vilar (1979), as três relações de volume mais utilizadas são: a porosidade, o índice de vazios e o grau de saturação. Porosidade (𝛈) é definida pela relação entre o volume de vazios e o volume total da amostra. A porosidade de um solo varia entre 0 a 100% e os valores médios encontrados situam-se entre 30 a 70%. Porosidade é a característica de uma rocha ou solo de poder armazenar fluidos em seus espaços interiores, chamados poros. Esses espaços são preenchidos por gases, água ou petróleo. Também chamado de volume de vazios. Usa-se a porcentagem para determinar o valor da porosidade. 𝛈 = VV V Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas Índice de Vazios (e) é definido pela relação entre o volume de vazios e o volume de sólidos. Os valores médios situam-se entre 0,5 a 1,5, porém, em algumas argilas, o índice de vazios pode atingir valores superiores a 3. Classificação da porosidade e do índice de vazios nos solos (IAEG, 1979) Segundo o IAEG, a porosidade e o índice de vazios podem ser classificados segundo a tabela a seguir: The International Association for Engineering Geology and the Environment (IAEG)e = VV VS Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas Grau de saturação (S) representa a relação entre o volume de água e o volume de vazios. O grau de saturação de um solo varia de 0 a 100%. Solo saturado possui grau de saturação = 100% e solo completamente seco = 0%. S = Va VV O grau de saturação, segundo o IAEG (1979), pode ser classificado em: Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas Teor de Umidade (ω), que é a relação entre a massa de água e a Massa de sólidos presentes na amostra. Os teores de umidade em geral situam-se entre 10 e 40%, podendo, em casos específicos, atingir valores acima de 150%. ω= MaMS 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 pesos e volumes mais utilizados são o peso específico natural, o peso específico dos sólidos e o peso específico da água. Peso específico natural (𝜸n ) é a relação entre a massa do elemento e o volume total desse elemento. A faixa de variação do peso específico natural dos solos encontra-se entre 17 e 21 kN/m³ em geral, porém, para casos muito específicos, estes valores podem atingir valores próximos a 14 kN/m³ (argilas orgânicas moles): A magnitude do peso específico natural dependerá da quantidade de água nos vazios e dos grãos minerais predominantes, e é utilizado no cálculo de esforços 𝜸n = Pt Vt , Lembrando que: 𝑷𝒆𝒔𝒐 = 𝑴𝒂𝒔𝒔𝒂 𝒙 𝒈(𝒂𝒄𝒆𝒍𝒆𝒓𝒂çã𝒐 𝒅𝒂 𝒈𝒓𝒂𝒗𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆) Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas Peso específico dos sólidos ou dos grãos (𝜸s) é determinado dividindo-se o peso dos sólidos pelo volume ocupado por eles. A faixa de variação do peso específico dos sólidos encontra-se entre 26 kN/m³ (areia) e 30 kN/m³ (argilas lateríticas): 𝜸s = PS VS unidades (g/cm3 , Kg/m3 , kN/m3 , t/m3 ) O peso específico aparente seco é empregado para verificar o grau de compactação de bases e sub-bases de pavimentos e barragens de terra Por extensão, o Peso específico da água (𝜸a ), na maior parte dos casos práticos, é assumido como 𝜸a = 10 kN/m 3: 𝜸a = Pa Va , unidades (g/cm3 , Kg/m3 , kN/m3 , t/m3 ) Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas Em seguida, temos também o Peso específico submerso que representa o peso específico efetivo do solo quando submerso. Este índice físico é utilizado para cálculo das tensões efetivas no solo. É igual ao peso específico natural menos o peso específico da água, portanto com valores da ordem de 10 kN/m³: 𝜸sub = 𝜸n – 𝜸a Peso específico aparente seco (γd) é a relação entre o peso dos sólidos e o volume total do solo. A faixa de variação do peso específico aparente seco de um solo encontra-se entre 13 e 19 kN/m³ em geral, porém, para casos muito específicos, estes valores podem atingir valores próximos a 5 kN/m³ (argilas orgânicas moles): 𝜸d = PS Vt Densidade dos sólidos ou dos grãos (ds) é a razão entre o peso específico real dos grãos (γs) e o peso específico da água (γa) a 4 ºC. Esta relação possui valor adimensional. Como adendo, da física básica temos que a densidade se refere à massa específica e que a densidade relativa é a relação entre a densidade do material e a densidade da água a 4 ºC. Comumente, estende-se o conceito de densidade relativa à relação dos pesos e adota-se como peso específico a densidade relativa do material multiplicada pelo γa: dS= ϒS ϒa Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas Massa Específica (δ) é definida como a relação entre a massa e volume de uma substância sendo expressas geralmente em g/cm3 (PINTO, 2006). O Peso Específico possui definição semelhante a Massa Específica, sendo que este considera-se o seu peso ao invés da massa, expresso em KN/m². Ambos são dados necessários para a determinação de índices físicos afim de ser obter características importantes do solo. δ = 𝑀 𝑉 δ = Massa específica dos grãos do solo (g/cm³) M = Massa do solo úmido (g) Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas δ = M1 x 100 100 + ω M1 x 100 100 + ω + M3 −M2 x δT δ = Massa específica dos grãos do solo (g/cm³) δT = Massa específica da água na temperatura T de ensaio, obtida na Tabela da NBR6508/84 ω = Umidade inicial da amostra (%) M1 = Massa do solo úmido (g) M2 = Massa do balão + solo úmido + água na temperatura T de ensaio (g) M3 = Massa de calibração do Balão + água na temperatura de ensaio (g) Mecânica dos Solos Determinação das Propriedades Físicas Fórmulas de correlação As fórmulas de definição dos índices físicos não são práticas, para a utilização em cálculos e assim, recorre-se as fórmulas de correlação entre os índices, como as apresentadas a seguir: 1. peso específico natural: 𝛾n = Pt/+Vt 2. teor de umidade: ω = Ma/Ms 3. peso específico real dos grãos: 𝛾s = Ps/Vs 4. peso específico aparente seco: 𝛾d = PS 𝑉𝑡 = 𝛾/(1 + Pt) 5. índice de vazios: e= 6. porosidade: 𝜂 = VV/ V = e/(1+ e) 7. grau de saturação: S = Va/Vv = (ω . 𝛾s)/(e . 𝛾água) 8. peso específico saturado: γsat = Wsat/V = (1 - η) . γs + η . γw 9. peso específico submerso: 𝛾sub = 𝛾n – 𝛾a = (𝛾s - 𝛾água ) . (1 - η) VV VS = (𝛾s/ 𝛾d ) − 1
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