Apostila Mecânica dos Solos

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL MECÂNICA DOS SOLO S - I Caderno de Conteúdo e Ex ercícios da disciplina de M e c â n i c a d o s S o l o s I do Curso de Eng enharia Civil da Estácio de Sá, UCDB, Unigran e da Facsul. Professor: Eng. Civil Esp. Talles Mello www.tallesmello.com.br eng.tallesmello@gmail.com Acadêmico: Campo Grande \u2013 MS 3ª Edição Prof Talles Mel lo \u2013 www.tal lesmel lo.com .br / eng.tal lesmello@gma il.com / 3 ª Edição / 20 1 9 2 Solicita-se aos usuários deste trabalho a apresentação de sugestões que tenham por objetivo aperfeiçoa-lo ou que se destinem à supressão de eventuais incorreções. As observações apresentadas, mencionando a página, o parágrafo e a linha do text o a que se referem, devem conter comentários apropriados p ara seu entendimento ou sua justificação. A correspondência deve ser enviada diretamente a o autor, por meio do e-mail: eng.tallesmello@gmail.com Ficha Catalográfica Mello, Talles. Mecânica dos Solos I/Talles Taylor dos Santo s Mello\u2013Cam po Grande,MS, 2018. 85 p. : il. color. \u2013 (Mat erial didático) Caderno de aula de exercícios da disciplina de Mecânica dos Solos, do Curso de ECV da Universidade Católica Dom Bosco, Estácio de Sá, Universidade da Grande D ourados e da Facsul, de Ca mpo Grande/MS. 1. Engenharia Civil \u2013 composição, proporção, etc. 2. Solos. 3. Apostila.I . Universidade Católica Dom Bosco. Unigran. Estácio de Sá. Facsul. Curso de Engenharia Civil.II .Título. CDD (20) 720.7 3 Mecânica dos Solos I \u2013 Prof. Talles Mello \u2013 www.talles mello.com.br Sum á rio Sum á rio Sum á rio Sum á rio 1 ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS ........................................................................................................................ 5 1.1 I NTRODUÇÃO ................................................................................................................................................................. 5 1.2 F ORMAÇÃO DOS SOLOS .................................................................................................................................................. 5 1.3 C LASSIFICAÇÃ O DOS SOLO S QUANT O À SUA ORI GEM ........................................................................................................ 6 1.4 F ÍSICA DOS SOLO S .......................................................................................................................................................... 7 1.4.1 P ARTÍCULAS SÓLIDAS : .......................................................................... ...................................................................... 7 1.5 I DENTIFI CAÇÃO E C LASSIFICAÇÃ O DOS S OLOS ................................................................................................................ 7 1.5.1 M ATERIAIS CONSTIT UINTES DO SOLO .......................................................................................................................... 7 1.5.2 T IXOTROPIA ................................................................................................................................................. .............. 8 1.6. S OLO .......................................................................... .................................................................................................. 9 1.7. R OCHA ......................................................................................................................................................................... 9 1.8. M INERAL ......................................................................................................................................... ........................... 10 1.8.1. P RINCIPA IS M INERAIS ............................................................................................................................................. 10 1.8.1.1. M INERAIS SI LICOSOS ........................................................................................................................................... 10 1.8.1.1.1 B ARRAGEM DE C ONCRETO ..................................................................................................... ..................................... 11 1.8.1.2. M INERAIS M ICÁCEOS ........................................................................................................................................... 11 1.8.1.3. M INERAIS A RGILOSOS .......................................................................................................................................... 12 1.8.1.3.1. P RINCIPAIS CARACTERÍ STICAS GEO TÉCNIC AS ............................................................................................................. 12 1.8.1.3.2. A DENS AMENTO N ATURAL ......................................................................................................................................... 13 1.8.1.3.3. P ROBLEMA GEOTÉCNICO : T ALUDE ...................................................................................................... ....................... 14 1.8.1.4. G RUPO DOS CARB ONATOS .................................................................................................................................... 15 1.8.1.4.1 C ARACTERÍSTIC AS DOS C ARBONATOS .................................................. ................................................... .................... 15 1.8.1.5. G RUPO DOS F ELDSPATOS ...................................................................................................................................... 16 1.8.1.5.1. E NSAIO DE DUR ABILIDADE FELDSPATOS .................................................................................................................... 17 1.9. R ASTEJO ( OU C OLUVIAM ENTO ) ................................................................................................................................... 18 1.10. O RIGEM E F ORMAÇÃO DOS S OLOS : E XERCÍCIOS ....................................................................................................... 21 2. ÍNDICES FÍSICOS .................................................................................................................................. .................... 22 2.1. I NTRODUÇÃO ....... ........................................................................................................................................................... 22 2.2. O ESTADO DOS S OLOS .................................................................................................................................................. 23 A) T EOR DE U MIDAD E ( W OU H ) .................................................. ................................................... ........................................... 23 A.1) P ROCEDIMENT O PARA D ETERMINA ÇÃO DO TEOR DE UMI DADE (M ÉTODO DA E STUFA ) ......................................................... 24 A.2) P ROCEDIMENT O PARA D ETERMINA ÇÃO DO TEOR DE UMI DADE (M ÉTODO S PEEDY ) .................................................. ............ 24 B) Í NDICE DE V AZIOS ( E ) ..................................................................................................... ...................................................... 25 C) P OROSIDADE ( N ) .................................................. ...................................................................................................... ........... 25 D) G RAU DE S ATURAÇÃO (S OU S R ) .................................................. ........................................................................................ 25 E) P ESO E SPECÍFI CO A PARENTE N ATURAL DO S OLO ( \u0194 OU \u0194 NAT OU \u0194 N ) ................................................................................ 26 F) P ESO E SPECÍFI CO A PARENTE S ECO DO S OLO ( \u0194 S OU \u0194 D ) .................................................. ................................................... 26 G) P ESO E SPECÍFI CO R EAL DOS G RÃOS OU S ÓLIDOS ( \u0194 G OU \u03b4 \u03b4 \u03b4 \u03b4 ) .................................................. ............................................. 26 H) R ELAÇÃO ENT RE Í NDICES F ÍSICOS ....................................................................................................................................... 26 2.3. Í NDICES F ÍSICOS : E XERCÍCIOS .................................................................................................................................... 27 3. GRANULOMETRIA .................................................................................................... ............................................... 32 3.1. P ENEIRAS ....... ........................................................................................................................................................... 32 3.1.1 R EPRESENTA ÇÃO DAS PE NEIRAS .................................................. ................................................... ................................. 32 3.2. F RAÇÕES L IMI TES ....... ............................................................................................................................................... 33 3.3. C OEFICIE NTE DE UNIFORMI DADE (C UN ) ............................................................................... ........................................ 33 3.4. C OEFICIE NTE DE C URVATURA (C C ) ............................................................................................................................. 33 3.5. G RANULOM ETRI A : E XERCÍCIOS .......................................................................... ........................................................ 34 4 Mecânica dos Solos I \u2013 Prof. Talles Mello \u2013 www.talles mello.com.br 4. PERMEABILIDADE ................................................................................................................................................... 36 4.1. I NTRODUÇÃO .......................................................................... ................................................................................... 36 4.2. O CORRÊNCIA DE ÁGUA SUBT ERRÂN EA ............. ............................................................................................................ 36 4.3. F ENÔMEN OS CAPILAR ES ......................................................................................................................................... ..... 37 4.4. F LUXO DE Á GUA NOS SOLOS ........................................................................................................................................ 38 4.5. C ONSERVAÇÃO DA ENERGI A ............. ........................................................................................................................... 39 4.5.1. G RADIENTE HIDRÁULI CO CRÍTIC O ..................................................................................................... ............................ 41 4.6. L EI DE D ARCY .................................................................................................................................... ........................ 42 4.6.1. V ALIDADE DA L EI DE D ARCY .................................................. ................................................... ..................................... 43 4.7. C OEFICIE NTE DE PE RMEABIL IDADE ............................................................................................................................. 44 4.7.1. F ATORES QUE I NFLUEM NA PE RMEABILIDADE ..................................................................................................... ........... 44 4.8. D ETERM INAÇÃO DO COEFICI ENTE DE P ERMEABILIDA DE .............................................................................................. 47 4.8.3. E QUAÇÃO EM PÍRIC A DE H AZEN .................................................. ................................................... ................................. 49 5 - LIMITES DE LIQUIDEZ E LIM ITES DE PLASTICIDADE ....................................................................................... 55 5.1 \u2013 E NSAIO DE L IMITE DE L IQUIDEZ - NBR 6459 ................. ................................................................................................. 55 5.2. \u2013 E NSAIO DE L IMITE DE P LASTICIDAD E - NBR 7190 ......................................................................................................... 57 5.3. I NDICE DE P LASTICIDAD E ................................................................................................................................................. 58 5.4. L IMITES DE L IQUIDEZ E L IMITE DE P LASTICIDAD E : E XERCÍCIOS ....... .............................................................................. 58 6. TENSÕES NOS SOLOS ............................................................................................................................................. 59 6.1. T ENSÕES GEOSTÁ TICAS ............................................................................................................................................... 59 6.1.1. T ENSÃO TOTAL - \u03a3 V ........................................................................................................................................................ .. 60 6.1.2. P RESSÃO N EUTRA - µ ( PRESSÃO D A ÁGU A DOS POROS ): ..................................................................................................... 61 6.1.3. T ENSÃO E FETIVA ..................................................................................................... ................................................... ..... 61 6.2. D ISTRIBUI ÇÃO DE TE NSÕES DEVIDO A APLI CAÇÃO DE C ARGAS ...................................................................................... 61 6.2.1. C ARGA PONTU AL ..................................................................................................... ................................................... ...... 62 6.2.2. C ARREGAM ENTO UNIF ORMEM ENTE DISTRIB UÍDO SOBRE PLACA R ETANGULAR .................................................. ........... 62 6.2.3. C ARREGAM ENTOS UNIF ORMEMENTE DISTRIB UÍDOS SOBRE P LACA CI RCULAR ............................................................... 64 6.3. T ENSÕES : E XERCÍCIOS ............................................................................................................................................... 66 7. REDES DE FLUXO ................................................................................................................................. .................... 71 7.1. S OLUÇÃO GRÁFI CA .................................................................................................................................... ................. 71 7.2. R EDE DE FLUXO .......................................................................................................................................................... 72 7.2.1. R ELEVÂNCIA PARA E NGENHARIA G EOTÉCNICA : .................................................. ......................................................... 72 7.3. F LUXO B IDIMENSIONAL .............................................................................................................................................. 73 7.3.1. F LUXO EM UM SOLO ISOTRÓP ICO KX = KY) ..................................................................................................... ............. 73 7.3.2. F LUXO EM UM SOLO ANI SOTRÓPIC O (K X \u2260 K Y ): .................................................. ................................................... ........ 73 7.4. D ETERM INAÇÃO G RÁFICA DAS R EDES DE F LUXO ........................................................................................................ 74 7.5. R EDES DE F LUXO \u2013 E XERCÍCIOS .................................................................................................................................. 75 ANEXO A: MODELO DE RELATÓRIO ........................................................................................................................... 79 ANEXO B: ENSAIO TÁCTIL VISUAL .............................................................................................................................. 81 ANEXO C: ENSAIO DE ANÁLISE GRANULOMÉTRICA: NBR 7181 ............................................................................ 82 5 Mecânica dos Solos I \u2013 Prof. Talles Mello \u2013 www.talles mello.com.br 1 Origem e Formação dos Solos 1.1 Introdução A porção externa e superficial da crosta terrestre é formada por vários tipos de corpos rochosos que constituem o manto rochoso. Estas rochas est ão s ujeitas a condições que alteram a sua forma física e sua composição quím ica. Estes fatores que produzem essas alterações são chamados de agentes de intemperismo. Pode-se então conceituar o intemperismo como o conjunto de processos físicos e químicos quemodificam as rochas quando ex postas ao tempo. O processo do intemperismo se dá em duas fases: - intemperismo físico \u2013 que é a desintegração da rocha; - intemperismo químico \u2013 que é a decomposição da rocha. A desintegração (intemperismo físico) é a ruptura das rochas inicialmente emfendas, progredindo para partículas de tamanhos m enores, sem, no entanto, havermudança na sua composição. Nesta desintegração, atr avés de agentes como água,temperatura, pressão, vegetação e vento, formam-se os p edregulhos e as areias (s olos depar tículas grossas) e até mesmo os siltes (partícula intermediária entre areia e argila). Somente em condições especiais são formadas as ar gilas (partículas finas), resultant es dadecomposição do feldspato das rochas ígneas. A decomposiç ão (intemp erismo químico) é o pro cesso onde há modificaçãomineralógica das rochas de origem. O principal agente é a água, e os mais importantesmecanismos modificadores são a oxidação, hidratação, carbonatação e os efeitos químicosresultantes do apodrecimento de vegetais e animais. Normalmente a desinte gração e a decomposição atuam juntas, uma vez que aruptura física da rocha permit e a circulação da água e de a gentes quími cos. Os organismosvivos concorrem também na desagregação puramente física e na decomposição quími cadas rochas. 1.2 Formação dos solos Cada rocha e cada maciço rochoso se decompõem de uma forma própria. Porções mais fraturadas se decompõem mais intensa mente do que as partes maciça s, e certos constituintes das rochas são mais solúveis que outros. 6 Mecânica dos Solos I \u2013 Prof. Talles Mello \u2013 www.talles mello.com.br As rochas que se dispõe m em cam adas, respondem ao intempe rismo de forma dif erente para cada camada, r esultando num a alteração diferencial. O material decomposto pode ser transportado pela água, pelo vento, etc. Os sol os são mi sturas complex as de materi ais inorgânicos e resí duos orgânicos parcialmente d ecompostos. Para o homem em geral, a formação do solo é um dos m ais importantes produtos do intemperismo. Os sol os diferem grandemente de área para área, não só em quantidade (espessura de camada), mais também qualitativamente. Os ag entes de intemperismo estão continuamente em atividade, alterando os solos e transformando as partículas em outras cada vez menores. O solo propriamente dit o é a parte superior do m anto de in temperismo, assim, as partículas diminuem de tamanho conforme se aproximam da superfície. Os fatores mais importantes na formação do solo são: - ação de organismos vivos; - rocha de origem; - tempo (estágio de desintegração/decomposição); - clima adequado; - inclinação do terreno ou condições topográficas. 1.3 Classificação dos solos quan to à sua origem Quanto à su a formação, podemos classificar os solos em t rês grupos principais: solos residuais, solos sedimentares e solos orgânicos. Solos residuais \u2013 são os que permanecem no local da rocha de ori gem (rocha m ãe), observando-se uma gradual transição da superfície até a rocha. Para que ocorramos solos residuais, é necessário que a velocidade d e decom posição de rocha s eja maior que a velocidad e de remoção pelos a gentes externos. Estando os solos residuais apresentados em horiz ontes (camadas) com graus de intemperismos decrescentes, podem-se i dentificar as seguintes c amadas: solo residual maduro, saprolito e a rocha alterada. Solos sedimentares ou transportados \u2013 são os que sofrem a ação de age ntes transportadores, podend o ser aluvionares (quando transportados pel a água), eólicos(vento), coluvionares (gravidade) e glaciares (geleiras). 7 Mecânica dos Solos I \u2013 Prof. Talles Mello \u2013 www.talles mello.com.br Solos orgânicos\u2013 originados da decomposição e posterior apodr ecimento de matérias orgânicas, sejam estas d e natureza ve getal (plantas, raízes) ou animal. Os solos orgânicos são problemáticos para construção por s erem muito compressíveis. Em algumas formações de solos orgânicos oco rre uma im portante concentração d e folhas e c aules em pro cesso de decomposição, formando as turfas (matéria orgânica combustível). 1.4 Física dos solos O solo é constituído de uma fase fluida (água e/ou gases) e de uma fase sólida. Pode-se dizer que solo é um conjunto de p artículas sólidas que deixam espa ços vazios entre si, sendo que estes v azios podem estar preenchidos com águ a , com gases (normalmente o ar), ou com ambos. 1.4.1 Partículas sólidas: As partículas sólidas dão características e propriedades ao solo conforme sua forma, tamanho e tex tura. A forma das par tículas tem gr ande influência nas suas propriedades. As principais formas das partículas são: a) poligonais angulares: são irregulares, exemplo de solos: areias, siltes e pedregulhos. b) poligonais arredondadas: possuem a superfície arredondada, normalmente devido ao transporte sofrido quando da ação da água. Exemplo: s eixo rolado. c) lamelares: possuem duas dimensões predominantes, típicas de solos argilosos. Est a forma das partículas d as ar gilas responde por alguma de suas propriedades, como por exemplo, a compressibilidade e a plasticidade, esta última, uma das características mais im portantes. d) Fibrilares: possuem uma dimensão predominante. São típicas de solos orgânicos. 1.5 Identificação e Classificação dos Solos 1.5.1 Materiais constituintes do solo Pedregulhos: Solos cujas propriedades dominantes sã o devidas à sua parte constituída pelos grãos minerais de diâmetro máx imo superior a 4,8mm e inferior a 76mm. S ão caracterizados pela sua textura, compacidade e forma dos grãos. 8 Mecânica dos Solos I \u2013 Prof. Talles Mello \u2013 www.talles mello.com.br Areias: Solos cujas propriedade s dominantes são devidas à sua parte constituída pelos grãos minerais de diâmetro máximo superior a 0,05mm e inf erior a 4,8mm . São c aracterizados pela sua textur a, compacidade e form a dos grãos. Quanto à tex tura, a areia pode ser: - grossa: grãos cujo diâm etro máxim o compreendido entre 2,00m m e 4,80mm; - m édia: grãos cujo diâmetro máxim o compreendido entre 0,42m m e 2,00mm; - fina: grãos cujo diâm etro m áxi mo com preendido entre 0,05mm e 0,42mm. Silte: Solo qu e apre senta apenas a co esão necessária para form ar, quan do seco, t orrões facilmente desagregáveis pela pres são dos dedos. Suas proprieda des dominantes são dev idas à sua parte constituída pelos grãos minerais de d iâmetro máximo super ior a0,005mm e inferior a 0,05mm. São caracterizados pela sua textura e com pacidade. Argila: Solo que ap resenta caract erísticas m arcant es de pla sticidade; quando sufic ientemente úm ido, molda-se f acilmente em dife rentes formas; quando seco, a presenta coesão bast ante para constituir torrões dificilmente desagregáv eis por pressão dos dedos; suas propriedades d ominantes são devidas à sua parte constituída pelo s grãos m inerais de diâm etro máximo i nferior a 0,005mm . São caracterizados pela sua plasticidade, t extura e con sistência em seu estado e umidade naturais. Quanto à te xtura, s ão as argilas identificadas quant itativamente pela sua di stribuição granulom étrica. Os três grupos principais de minerais a rgílicos são: caolinitas, ilitas e m ontmorilonitas. As montim orilonita s são as que causam mais preocupação, pois são muito expansivas e, portanto, instáveis em presença de água. As bentonitas são argilas muito finas, form adas, em sua maioria, pela alteração física de cinza s vulcânicas. Este material foi descoberto em 1888, em Fort Benton(EUA ), daí a sua denominação. Em sua composição predom ina a montmorilonita, o que explica a sua tendência ao inchamento. Graças a esta propriedade, as injeções de bentonita são usadas para vedação em barragens e escavações. A bentoni ta é um material que exibe p ropriedades tixotrópicas . 1.5.2 Tixotropia É a propriedade qu e possui alguns s olos f inos coesiv os, de, após ter a sua estrutura molecular destruída (amassando-se o solo, por exem plo), quando deixado em repouso, recuperar a sua resistência coesiva (através da su a reordenação da estrutur a molecular). As \u201clamas tixotrópicas\u201d, ou sejam, s uspensão, em água, desta argila especial, que é a bentonita, são muito usadas em perfurações petrolíferas, fundações profundas,etc. 9 Mecânica dos Solos I \u2013 Prof. Talles Mello \u2013 www.talles mello.com.br Matéria Orgânica: Cada s olo pode apresenta r t eor de matéria orgânica, oriundo de r estos v egetais e a nimais. São de fácil identificação, pois possuem cor escura e odor característico. A norma D2487 da AS TM classifica como solo orgânico àquele que apresenta LL de um a am ostra seca em estufa menor que 75% do LL de uma amostra natural sem secagem e m estufa. Geralm ente são problemático s, dev ido à sua g rande compressibilidade. Apresentam elev ados índices de vaz ios. As turfas são solos orgânicos com grande porcentagem de partículas fi brosas de material carbonoso (folhas e caules) ao la do de matéria orgânica no estado coloidal. Esse tipo de so lo pode ser identificado p or ser fofo e não plástico e ainda com bustível. 1.6. Solo Faixa (superficial) des agregada (é pos sível efet uar corte em solo sem explosivos) de espessura e constituição variáveis, apresentando componentes só lidos (minerais e materiais orgânicos), líquidos (água) e gasosos (ar), em proporções variáveis (fato que m odifica sensivelmente as características tecnológicas do mesmo solo). OBS: abaixo do solo temos a for mação rochosa ( também denominada e mbasamento rochoso ou maciço rochoso). Exemplos de solo: Solos orgânicos \u2013 turfa, mangue. Solos inorgânicos \u2013 p edregulhos, are noso, sil toso, argiloso, areno-argiloso, silto-argiloso, arenoso, etc. 1.7. Rocha Agregado natural de mi nerais de 1 ou mais espécies e que constitui uma unidade bem definida (para corte temos necessidade de explosivos). Ex : As rochas podem ser agrupadas em : Rochas magmáticas (ou ígneas): a. Extrusivas (ex: meláfiro, basalto, felsito) b. Intrusivas (ex: granito, pegmatito, diabásio) 10 Mecânica dos Solos I \u2013 Prof. Talles Mello \u2013 www.talles mello.com.br Rochas sedimentares : a. Mecânicas ou clásticas (ex: conglomerado, arenito, argilito) b. Químicas (ex: sílex, ágata, limonita) Rochas metamórficas: a. Dinamotermais (ex: gnaisse, xisto, ardósia, quartzito micáceo) b. Termais (ex: mármore) c. Cataclásticas (ex: brecha tectônica, milonito) 1.8. Mineral Natural MINERAL qualquer substância I norgânica Composição química e estruturas de finidas *Pérola e petróleo não são minerais, pois são de origem orgânica. Ex: de minerais (já agrupados para a Engenharia) \uf0a7 Minerais silicosos (SiO 2 ) \uf0a7 Minerais argilosos \uf0a7 Água (H 2 O) \uf0a7 Grupo dos feldspatos \uf0a7 Minerais micáceos \uf0a7 Grupo dos carbonatos Embora os minerais pos sam ocorrer na natureza de formas diferentes, interessam para a engenharia: \uf0d8 Como um grande conjunto de partículas desagregadas, constituindo solos; \uf0d8 Como um conjunto de partículas agregadas, constituindo rochas; \uf0d8 Isolados em grandes concentrações formando as jazidas 1.8.1. Principais Minerais 1.8.1.1. Minerais silicosos Constituído de sílica (SiO 2 ). Ex: quartzo (mais comum ), calcedônea e opala (mais raro). A calcedônia e a opala são reativas a álcalis.

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