Mecânica dos Solos I - aula modificada

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Mecânica dos 
Solos I
ENGENHARIA CIVIL – UNISALESIANO
Conceitos Introdutórios
→ Solo → Material resultante da decomposição física e química das
rochas, constituído de partículas sólidas livres para movimentar entre si,
água (ou outro líquido) e ar.
Mecânica dos solos
Estudo do comportamento dos solos quando tensões são aplicadas ou 
perante o fluxo de água (ou outro líquido) em seus vazios, como ocorre 
nas seguintes obras de construção civil:
- fundações
- escavações
- estruturas de contenção
- pavimentos
- aterros
- barragens
- estabilização de taludes
- túneis
- obras ambientais: aterro sanitário; barragem de rejeitos, contaminação 
do solo
Fundações
Escavações
Estabilidade de Taludes
Estruturas de contenção
Aterros sobre solos moles
Obras ambientais –
contaminação do solo
Partículas constituintes do solo
Constituição mineralógica
O formato dos grãos influenciam a forma de entrosamento entre as partículas e a 
possibilidade de quebra → influência no comportamento mecânico dos solos.
A água no solo
O ar no solo
Indices Físicos
Origem e formação dos Solos
Intemperismo → processos físicos e químicos que modificam as rochas
quando expostas ao tempo.
Duas fases:
- intemperismo físico→ desintegração da rocha;
- intemperismo químico→ decomposição da rocha.
Intemperismo físico 
(desintegração)
Ruptura das rochas inicialmente em fendas, progredindo para partículas de
tamanhos menores, sem haver mudança na sua composição.
Água, temperatura, pressão, vegetação e vento → os pedregulhos e as
areias (solos de partículas grossas) e até mesmo os siltes (partícula
intermediária entre areia e argila).
Condições especiais são formadas as argilas (partículas finas), resultantes da
decomposição do feldspato das rochas ígneas.
Intemperismo químico 
(decomposição)
Modificação mineralógica das rochas de origem. Principal agente é a água, e
os mecanismos modificadores são a oxidação, hidratação, carbonatação e
os efeitos químicos resultantes do apodrecimento de vegetais e animais.
Normalmente a desintegração e a decomposição atuam juntas → a ruptura
física da rocha permite a circulação da água e de agentes químicos. Os
organismos vivos concorrem também na desagregação puramente física e
na decomposição química das rochas.
Formação dos Solos
Cada rocha e maciço rochoso se decompõem de uma forma própria →
porções mais fraturadas se decompõem mais intensamente do que as
partes maciças, e certos constituintes das rochas são mais solúveis que
outros.
As rochas que se dispõem em camadas, respondem ao intemperismo de
forma diferente para cada camada, resultando numa alteração diferencial.
O material decomposto pode ser transportado pela água, pelo vento, etc.
Os solos são misturas complexas de materiais inorgânicos e resíduos
orgânicos parcialmente decompostos.
Intemperismo altera os solos e transformando as partículas em outras
cada vez menores.
O solo propriamente dito é a parte superior do manto de intemperismo
→ 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.
Classificação dos Solos -
Origem
Formação→ solos residuais, solos sedimentares e solos orgânicos.
Solos residuais → permanecem no local da rocha de origem (rocha-
mãe), observando-se uma gradual transição da superfície até a rocha. A
velocidade de decomposição de rocha maior que a velocidade de
remoção pelos agentes externos.
Solos residuais apresentados em horizontes (camadas) com graus de
intemperismos decrescentes → solo residual maduro, saprolito e a
rocha alterada
Solos sedimentares ou transportados → sofrem a ação de agentes
transportadores, podendo ser aluvionares (transportados pela água),
eólicos (vento), coluvionares (gravidade) e glaciares (geleiras).
Solos orgânicos → originados da decomposição e posterior apodrecimento
de matérias orgânicas, de natureza vegetal (plantas, raízes) ou animal. Os
solos orgânicos são problemáticos para construção por serem muito
compressíveis. Em algumas formações de solos orgânicos ocorre uma
importante concentração de folhas e caules em processo de decomposição,
formando as turfas (matéria orgânica combustível).
Física dos Solos
O solo é constituído de uma fase fluida (água e/ou gases) e de uma fase
sólida.
Conjunto de partículas sólidas que deixam espaços vazios entre si,
sendo que estes vazios podem estar preenchidos com água, com gases
(normalmente o ar), ou com ambos.
Partículas Sólidas
Dão características e propriedades ao solo conforme sua forma, tamanho e textura:
a) poligonais angulares→ irregulares, ex. de solos: areias, siltes e pedregulhos.
b) poligonais arredondadas→ superfície arredondada, normalmente devido ao transporte
sofrido quando da ação da água. Exemplo: seixo rolado.
c) lamelares → duas dimensões predominantes, típicas de solos argilosos. Esta forma das
partículas das argilas responde por alguma de suas propriedades, como por exemplo, a
compressibilidade e a plasticidade, esta última, uma das características mais importantes.
d) Fibrilares→ possuem uma dimensão predominante. São típicas de solos orgânicos.
As partículas poligonais (areia) apresentam menor superfície específica que as lamelares
(argila), proporcionando às areias atrito interno.
A água contida no solo pode ser classificada em:
a) água higroscópica → a que se encontra em um solo úmido ou seco ao ar livre,
ocupando os vazios do solo, na região acima do lençol freático. Pode ser totalmente
eliminada quando submetida a temperaturas acima de 100ºC.
b) água adsorvida→ também chamada de adesiva, é aquela película de água que envolve
e adere fortemente às partículas de solos muito finos (argila), devido a ação de forças
elétricas desbalanceadas na superfície dos argilominerais sólida.
c) água de constituição → é a que faz parte da estrutura molecular da partícula sólida.
d) água capilar → é a que, nos solos finos, sobe pelos vazios entre as partículas, até
pontos acima do lençol freático (ascensão capilar). Pode ser totalmente eliminada quando
submetida a temperaturas acima de 100ºC.
e) água livre → é aquela formada pelo excesso de água no solo, abaixo do lençol freático,
e que preenche todos os vazios entre as partículas sólidas. Pode ser totalmente eliminada
quando submetida a temperaturas acima de 100ºC.
Gases: Dependendo do tipo de solo e das suas propriedades
(principalmente porosidade), os vazios podem ser preenchidos com ar.
Em algumas regiões pantanosas podem ter gases (alguns tóxicos)
preenchendo estes vazios.
Construção Civil X Agricultura
Quando um solo é apropriado para construção civil, deve ser impróprio
para fins de agricultura. Assim um solo muito compacto, é conveniente
para obras civis, mas é péssimo para agricultura. Do mesmo modo que
um solo poroso, com muitos vazios, é bom para a agricultura, mas
inadequado para construção.
ÍNDICES FÍSICOS DOS SOLOS
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).
• Fases do Solo
•O solo é formado pelas três fases físicas sólida, liquida e gasosa , distribuídas em 
diferentes proporções.
• Fase sólida – constituída por agrupamento de partículas sólidas que deixam espaços vazios
que podem conter ar e ou água.
• Volume total do solo é formado pelo volume de sólidos somado ao volume de vazios.
• Solo Saturado: solo quando seus vazios estão totalmente ocupados pela água.
O comportamento de um solo depende das quantidades relativas de
cada uma das fases constituintes. Chamamos de índices físicos as
relações entre as fases.
Solo sujeito a diversosestados → afetados por fatores naturais (chuvas, insolação)
ou não (compactação mecânica, cortes, aterros).
Após um período chuvoso, um determinado solo apresentará um estado em que os
vazios serão preenchidos pela água, e o ar anteriormente presente será expulso.
No verão, após a evaporação da água, este mesmo solo apresentará um novo estado,
com o ar penetrando nos vazios deixados pela água. Para identificar o estado em que
se encontra um determinado solo, num dado momento, utilizamos os índices físicos.
As principais grandezas de um solo são:
Ps→ peso das partículas sólidas;
Pa→ peso da água;
◦ * o peso do ar é considerado desprezível.
Vs→ volume das partículas sólidas;
Va→ volume da água;
Var→ volume do ar;
Vv→ volume de vazios; Teremos sempre:
Pt = Ps + Pa;
Vv = Va + Var;
Vt = Vs + Va + Var = Vs + Vv;
As unidades mais usuais são: - para o peso: g; kg ; t. - para o volume: cm3 ; dm3 ; m3 .
Umidade (h%)
É a relação, expressa na forma percentual, entre o peso da água contida num certo
volume de solo e o peso da parte sólida existente neste mesmo volume.
-
Para se determinar o teor de umidade de um solo, em laboratório, pesa-se uma
amostra do solo no seu estado natural e o peso após a completa secagem em estufa
(T = 105oC).
Procedimento para Determinação do Teor de 
Umidade
Toma-se uma porção de solo (aprox. 50,0 g), colocando-a numa cápsula de alumínio com 
tampa;
Pesa-se o solo úmido + cápsula (precisão de 0,01g);
Leva-se a cápsula destampada a uma estufa até constância de peso (aprox. 6 horas para 
solos arenosos e 24 horas para solos argilosos);
Pesa-se o conjunto solo seco + cápsula.
→ Aparelho Speed → pressão interna → solo + carbureto de cálcio
(CaC2)→ gás acetileno
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2 H2
→ Na natureza não existem solos com teor de umidade igual a zero.
Aparelho Speedy
Reservatório metálico fechado que se comunica com um manômetro,
destinado a medir a pressão interna. Coloca-se dentro do reservatório o sol
úmido e uma porção de carbureto de cálcio (CaC2), pela combinação da água
do solo com o carbureto gera acetileno e pela variação da pressão interna
obtém-se a umidade do solo.
CaC2 + 2H20 = Ca(OH) 2 + C2H2
Retomando…
Peso específico aparente do solo 
natural (γ)
“Processo do frasco de areia”. 
Vídeo – a partir dos 2 min até 3min45seg
Peso específico aparente do solo 
natural (γ)
É a relação entre o peso total (Pt) e o volume total (Vt). A umidade h é diferente de zero.
No campo, a determinação de γ pode ser feita entre outros métodos, pelo “processo do
frasco de areia”.
◦ A unidade padrão é o kN/m3, mas as mais usadas são: g/cm3 ; kg/dm3 ; t/m3 .
OBS: Se o solo estiver saturado (todos os seus vazios preenchidos pela água), teremos o peso
específico saturado γsat, se o solo, além de saturado, estiver submerso, as partículas sólidas
sofrerão o empuxo da água, e o peso específico efetivo do solo será o γsat menos o γa.
Assim, γsub = γsat −γa = γsat −1.
Peso específico aparente do solo seco (γs) (h=0)
É a relação entre o peso das partículas sólidas (Ps) e o volume total (Vt).
A umidade (h) da amostra é retirada.
A sua determinação é feita a partir do peso específico do solo natural
(γ) e da umidade (h).
A unidade padrão é o kN/m3, mas as mais usadas são: g/cm3 ; kg/dm3 ;
t/m3 .
Peso específico real ou das partículas
sólidas (γg)
É a relação entre o peso das partículas sólidas (Ps) e o volume das
partículas sólidas (Vs). Varia pouco de um solo a outro, oscilando entre
25 e 29 kN/m3, tendo valor menor para um solo com elevado teor de
matéria orgânica, e valor maior para solo rico em óxido de ferro.
A unidade padrão é o kN/m3, mas as mais usadas são: g/cm3 ; kg/dm3 ;
t/m3 .
Peso específico da água (γa)
É a relação entre o peso (Pa) e o volume da água (Va).
Densidade relativa das 
partículas (δ)
É a relação entre o peso específico das partículas sólidas (γg) e o peso 
específico da água (γa).
- É adimensional. 
- Para a maioria dos solos varia entre 2,50 e 3,00.
Índice de vazios (ε):
É a relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume das partículas 
sólidas (Vs).
É adimensional e expresso em percentagem.
Capacidade de Carga
Segundo o critério usualmente aceito, as areias se classificam em:
fofas→ quando 0 < CG < 1/3
medianamente compactas→ quando 1/3 < CG < 2/3
compactas→ quando 2/3 < CG < 1
Porosidade (η)
É a relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume total (Vt). 
É adimensional e expresso em percentagem.
Exemplos
Grau de saturação (S%)
É a porcentagem de água que preenche os vazios do solo.
Relação entre os índices
Exercícios
1)Tem se 1900g de solo úmido, o qual será compactado num molde, cujo volume é de 1000 cm3.
O solo seco em estufa apresentou um peso de 1705g. Sabendo-se que o peso específico dos
grãos (partículas) é de 2,66g/cm3 determine:
a) o teor de umidade
b) a porosidade
c) o grau de saturação
dados:
P = 1900g
PG =1705g
V = 1000cm3
Exercícios
2) Uma amostra de um solo pesa 22kg. O volume correspondente a esta amostra é 12,20 litros. Desta amostra subtrai-
se uma parte, para a qual determina-se: Pt=70g; Ps=58g; γg = 2,67g/cm3. Determinar:
a) h%;
b) Ps da amostra maior;
c) Pa;
d) Vs;
e) Vv;
f) ε;
g) η;
h) γ;
i) γs da amostra maior;
j) S%;
3) - Uma amostra de solo foi coletada em campo. Verificou-se que a
amostra, juntamente com seu recipiente, pesavam 120,45g. Após
permanecer em estufa a 105°C, até estabilizar o peso, o conjunto
pesava 110,92g. Sendo a massa do recipiente de coleta da amostra de
28,72g, qual a umidade deste solo?
𝑚𝐶+𝑆+𝐴 = 120,45𝑔 ∴𝑚𝑢 = 120,45 − 28,72 = 91,73𝑔
𝑚𝐶+𝑆 = 110,92𝑔 ∴𝑚𝑠 = 110,92− 28,72 = 82,20𝑔
𝑚𝐶 = 28,72𝑔
𝑤 = 𝑚𝑤/𝑚𝑠 × 100 = 𝑚𝑢 − 𝑚𝑠/𝑚𝑠 × 100 𝑤 = 91,73 − 82,20/82,20 × 100
= 11,59%
4) - Considere uma amostra de solo que foi colocada junto com uma
cápsula e levada à balança, apresentando uma massa de 126,12 g. Essa
amostra permaneceu em estufa até atingir constância de peso, e então
foi pesada novamente, desta vez tendo uma massa de 106,09 g. A
massa da cápsula era de 37,12 g. Qual o valor da umidade do solo?
𝑚𝐶+𝑆+𝐴 = 126,12𝑔 ∴𝑚𝑢 = 126,12 − 37,12 = 89,00𝑔
𝑚𝐶+𝑆 = 106,09𝑔 ∴𝑚𝑠 = 106,09− 37,12 = 68,97𝑔
𝑚𝐶 = 37,12𝑔
𝑤 = 𝑚𝑤/𝑚𝑠 × 100 = 𝑚𝑢 − 𝑚𝑠/𝑚𝑠 × 100
𝑤 = 89,00 − 68,97/68,97 × 100 = 29,04%
5) O teor de umidade de uma amostra é de 25% e o peso inicial da
amostra é de 300 g. Qual a quantidade de água existente na amostra?
𝑤 = 𝑚𝑤/𝑚𝑠 × 100 = 𝑚𝑢 − 𝑚𝑠/𝑚𝑠 × 100
0,25 = 300 − 𝑚𝑠/𝑚𝑠 ∴𝑚𝑠 = 300/1,25 = 240𝑔
𝑚𝑤 = 𝑚𝑢 − 𝑚𝑠 = 300 − 240 = 60𝑔
6) Uma amostra de solo tem volume de 60 cm³ e peso de 87,1 g. Depois
de completamente seca seu peso é 69,4 g. O peso específico real dos
grãos é 26,2 kN/m³. Calcular sua umidade e grau de saturação.
𝑉𝑡 = 60𝑐𝑚3 (𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜)
𝑇𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑢 = 87,1𝑔 𝑒 𝑚𝑠 = 69,4𝑔
𝐷𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎, 𝑚𝑤 = 𝑚𝑢 − 𝑚𝑠 = 87,1 − 69,4 = 17,7𝑔
𝛾𝑠 = 26,2 𝑘𝑁/𝑚³ ∴ 𝜌𝑠 = 2,62 𝑔/𝑐𝑚³
Determinando o teor de umidade (𝑤) 𝑤 = 𝑚𝑤/𝑚𝑠 × 100 = 𝑚𝑢 − 𝑚𝑠/𝑚𝑠 × 100 𝑤 = 17,7 69,4 × 100 = 25,5%
Determinando o grau de saturação (𝑆𝑟 ) 𝑆𝑟 = 𝑉𝑤/𝑉𝑣 × 100
𝐶𝑜𝑛h𝑒𝑐𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒, 𝜌𝑤 = 1,00 𝑔/𝑐𝑚³ 𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑚𝑤 = 17,7𝑔
𝐴𝑠𝑠𝑖𝑚 𝑠𝑒𝑛𝑑𝑜, 𝑝𝑜𝑑𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 𝑉𝑤 ∴ 𝑉𝑤 = 𝑚𝑤/𝜌𝑤 = 17,7/1,00 = 17,7𝑐𝑚³
𝑁𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜, 𝑓𝑎𝑟𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑎 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑖𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 𝑜 𝑉𝑣 ∴ 𝑉𝑡 = 𝑉𝑠 + 𝑉𝑣 ∴ 𝑉𝑣 = 𝑉𝑡 − 𝑉𝑠
𝐷𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑚𝑜𝑑𝑜, 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑠𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟
𝑉𝑠 𝑆𝑎𝑏𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝜌𝑠 = 2,62 𝑔/𝑐𝑚³ 𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑚𝑠 = 69,4𝑔 𝐸𝑛𝑡ã𝑜,𝑡𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑉𝑠 = 𝑚𝑠/𝜌𝑠 = 69,4/2,62 = 26,5𝑐𝑚³
𝐶𝑜𝑛h𝑒𝑐𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑉𝑡 𝑒 𝑉𝑠 ,𝑡𝑒𝑚𝑜 𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑉𝑣
𝑉𝑣 = 𝑉𝑡 − 𝑉𝑠 = 60− 26,5 = 33,5𝑐𝑚³
𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑜𝑟𝑎, 𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑓á𝑐𝑖𝑙 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 𝑆𝑟
𝑆𝑟 = 𝑉𝑤/𝑉𝑣 ×100 = 17,7/33,5 × 100 = 52,8%
7) - Uma amostra indeformada de solo foi coletada numa cápsula
cilíndrica de 4,0 cm de diâmetro e 10,0 cm de altura e apresentou uma
massa de 300,38g. Determine a massa específica natural do solo.
Considere a massa da cápsula como sendo 100,32 g.
𝑉𝑐á𝑝𝑠𝑢𝑙𝑎 = 𝜋 𝑟2h = 𝜋 × 2,02 × 10 = 125,66𝑐𝑚³
𝑚𝐶+𝑆+𝐴 = 300,38𝑔 (𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑎 𝑐á𝑝𝑠𝑢𝑙𝑎 +𝑠𝑜𝑙𝑜 ú𝑚𝑖𝑑𝑜)
𝑚𝐶 = 100,32𝑔𝑚𝑡 = 300,38𝑔 − 100,32𝑔 = 200,06g
𝜌𝑛𝑎𝑡 = 𝑚𝑡/𝑉𝑡 = 200,06/125,66 = 1,59 𝑔 𝑐𝑚³