Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Mecânica dos Solos SCHOLA DIGITAL 2018 Material Didático de Leitura Obrigatória utilizado na Disciplina de Mecânica dos Solos – Revisão 00 de Janeiro de 2018 ÍNDICE UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS Aula 1: Tipificação dos Solos ......................................................................................................1 Aula 2: Textura e Estrutura I.....................................................................................................17 Aula 3: Textura e Estrutura II....................................................................................................27 UNIDADE 2 – PROPRIEDADES DOS SOLOS Aula 4: Consistência dos Solos..................................................................................................34 Aula 5: Classificação dos Solos..................................................................................................42 Aula 6: Índices Físicos...............................................................................................................52 UNIDADE 3 – DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES Aula 7: Roteiros Para Classificação...........................................................................................63 Aula 8: Tensões no Solo I..........................................................................................................78 Aula 9: Tensões no Solo II.........................................................................................................85 UNIDADE 4 – OPERAÇÕES NO SOLO Aula 10: Compactação............................................................................................................100 Aula 11: Equipamentos de Compactação...............................................................................108 Aula 12: Investigações de Subsolo..........................................................................................117 M e c â n ic a d o s S o lo s Aula 1 – Tipificação dos Solos UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 1 Unidade 1 – Introdução aos Solos Aula 1: Tipificação dos Solos Quase todas as obras de engenharia têm, de alguma forma, de transmitir as cargas sobre elas impostas ao solo. Mesmo as embarcações, ainda durante o seu período de construção, transmitem ao solo as cargas devidas ao seu peso próprio. Além disto, em algumas obras, o solo é utilizado como o próprio material de construção, assim como o concreto e o aço são utilizados na construção de pontes e edifícios. 1. O Estudo dos Solos São exemplos de obras que utilizam o solo como material de construção os aterros rodoviários, as bases para pavimentos de aeroportos e as barragens de terra, estas últimas podendo ser citadas como pertencentes a uma categoria de obra de engenharia a qual é capaz de concentrar, em um só local, uma enorme quantidade de recursos, exigindo para a sua boa construção uma gigantesca equipe de trabalho, calcada principalmente na interdisciplinaridade de seus componentes. O estudo do comportamento do solo frente às solicitações a ele impostas por estas obras é portanto de fundamental importância. Pode-se dizer que, de todas as obras de engenharia, aquelas relacionadas ao ramo do conhecimento humano definido como geotecnia (do qual a mecânica dos solos faz parte), são responsáveis pela maior parte dos prejuízos causados à humanidade, sejam eles de natureza econômica ou mesmo a perda de vidas humanas. No Brasil, por exemplo, devido ao seu clima tropical e ao crescimento desordenado das metrópoles, um sem número de eventos como os deslizamentos de encostas ocorrem, provocando enormes prejuízos e ceifando a vida de centenas de pessoas a cada ano. 1.1. Geotecnia e Disciplinas Relacionadas Por ser o solo um material natural, cujo processo de formação não depende de forma direta da intervenção humana, o seu estudo e o entendimento de seu comportamento depende de uma série de conceitos desenvolvidos em ramos afins de conhecimento. A Aula 1 – Tipificação dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 2 mecânica dos solos é o estudo do comportamento de engenharia do solo quando este é usado ou como material de construção ou como material de fundação. Ela é uma disciplina relativamente jovem da engenharia civil, somente sistematizada e aceita como ciência em 1925, após trabalho publicado por Terzaghi, que é conhecido, com todos os méritos, como o pai da mecânica dos solos. O conhecimento e aplicação de princípios de outras matérias básicas como física e química são úteis no entendimento desta disciplina. Por ser um material de origem natural, o processo de formação do solo, o qual é estudado pela geologia, irá influenciar em muito no seu comportamento. O solo, como será visto adiante, é um material trifásico, composto basicamente de ar, água e partículas sólidas. A parte fluida do solo (ar e água) pode se apresentar em repouso ou pode se movimentar pelos seus vazios mediante a existência de determinadas forças. O movimento da fase fluida do solo é estudado com base em conceitos desenvolvidos pela mecânica dos fluidos, que, neste curso, tem uma parte de seu escopo estudado nas disciplinas de Hidráulica. Pode-se citar ainda algumas disciplinas, como Fundações, Materiais de Construção I e Processos e Técnicas Construtivas, que acabam compartilhando em algum momento os tópicos e assuntos, que são correlatos. Vale ressaltar que o estudo e o desenvolvimento da mecânica dos solos são fortemente amparados em bases experimentais, a partir de ensaios de campo e laboratório. A aplicação dos princípios da mecânica dos solos para o projeto e construção de fundações é denominada de "engenharia de fundações". A engenharia geotécnica (ou geotecnia) pode ser considerada como a junção da mecânica dos solos, da engenharia de fundações, da mecânica das rochas, da geologia de engenharia e mais recentemente da geotecnia ambiental, que trata de problemas como transporte de contaminantes pelo solo, avaliação de locais impactados, proposição de medidas de remediação para áreas impactadas, projetos de sistemas de proteção em aterros sanitários, etc. 1.2. Aplicações de Campo 1.2.1. Fundações As cargas de qualquer estrutura têm de ser, em última instância, descarregadas no solo através de sua fundação. Assim a fundação é uma parte essencial de qualquer estrutura. Seu tipo e detalhes de sua construção podem ser decididos somente com o conhecimento e aplicação de princípios da mecânica dos solos. Aula 1 – Tipificação dos Solos UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 3 1.2.2. Obras Subterrâneas e Estruturas de Contenção Obras subterrâneas como estruturas de drenagem, dutos, túneis e as obras de contenção como os muros de arrimo, cortinas atirantadas somente podem ser projetadas e construídas usando os princípios da mecânica dos solos e o conceito de "interação solo- estrutura". 1.2.3. Projeto de Pavimentos O projeto de pavimentos pode consistir de pavimentos flexíveis ou rígidos. Pavimentos flexíveis dependem mais do solo subjacente para transmissão das cargas geradas pelo tráfego. Problemas peculiares no projeto de pavimentos flexíveis são o efeito de carregamentos repetitivos e problemas devidos às expansões e contrações do solo por variações em seu teor de umidade. 1.2.4. Escavações, Aterros e Barragens A execução de escavações no solo requerfrequentemente o cálculo da estabilidade dos taludes resultantes. Escavações profundas podem necessitar de escoramentos provisórios, cujos projetos devem ser feitos com base na mecânica dos solos. Para a construção de aterros e de barragens de terra, onde o solo é empregado como material de construção e fundação, necessita-se de um conhecimento completo do comportamento de engenharia dos solos, especialmente na presença de água. O conhecimento da estabilidade de taludes, dos efeitos do fluxo de água através do solo, do processo de adensamento e dos recalques a ele associados, assim como do processo de compactação empregado é essencial para o projeto e construção eficientes de aterros e barragens de terra. 2. Origem e Formação dos Solos 2.1. Conceitos de Solo e Rocha Quando mencionamos a palavra solo já nos vem em mente uma idéia intuitiva do que se trata. No linguajar popular a palavra solo está intimamente relacionada com a palavra terra, a qual poderia ser definida como material solto, natural da crosta terrestre onde habitamos, utilizado como material de construção e de fundação das obras do homem. Uma definição precisa e teoricamente sustentada do significado da palavra solo é, contudo, bastante difícil, de modo que o termo solo adquire diferentes conotações a depender do ramo do conhecimento humano que o emprega. Para a agronomia, o termo solo significa o material relativamente fofo da crosta terrestre, consistindo de rochas decompostas e Aula 1 – Tipificação dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 4 matéria orgânica, o qual é capaz de sustentar a vida. Desta forma, os horizontes de solo para agricultura possuem em geral pequena espessura. Para a geologia, o termo solo significa o material inorgânico não consolidado proveniente da decomposição das rochas, o qual não foi transportado do seu local de formação. Na engenharia, é conveniente definir como rocha aquilo que é impossível escavar manualmente, que necessite de explosivo para seu desmonte. Chamamos de solo, em engenharia, a rocha já decomposta ao ponto granular e passível de ser escavada apenas com o auxílio de pás e picaretas ou escavadeiras. A crosta terrestre é composta de vários tipos de elementos que se interligam e formam minerais. Esses minerais poderão estar agregados como rochas ou solo. Todo solo tem origem na desintegração e decomposição das rochas pela ação de agentes intempéricos ou antrópicos. As partículas resultantes deste processo de intemperismo irão depender fundamentalmente da composição da rocha matriz e do clima da região. Por ser o produto da decomposição das rochas, o solo invariavelmente apresenta um maior índice de vazios do que a rocha mãe, vazios estes ocupados por ar, água ou outro fluido de natureza diversa. Devido ao seu pequeno índice de vazios e as fortes ligações existentes entre os minerais, as rochas são coesas, enquanto que os solos são granulares. Os grãos de solo podem ainda estar impregnados de matéria orgânica. Desta forma, podemos dizer que para a engenharia, solo é um material granular composto de rocha decomposta, água, ar (ou outro fluido) e eventualmente matéria orgânica, que pode ser escavado sem o auxílio de explosivos. 2.2. Intemperismo Intemperismo é o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos pelos quais a rocha se decompõe para formar o solo. Por questões didáticas, o processo de intemperismo é frequentemente dividido em três categorias: intemperismo físico químico e biológico. Deve-se ressaltar, contudo, que na natureza todos estes processos tendem a acontecer ao mesmo tempo, de modo que um tipo de intemperismo auxilia o outro no processo de transformação rocha-solo. Os processos de intemperismo físico reduzem o tamanho das partículas, aumentando sua área de superfície e facilitando o trabalho do intemperismo químico. Já os processos químicos e biológicos podem causar a completa alteração física da rocha e alterar suas propriedades químicas. Aula 1 – Tipificação dos Solos UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 5 2.2.1. Intemperismo Físico É o processo de decomposição da rocha sem a alteração química dos seus componentes. Os principais agentes do intemperismo físico são citados a seguir: • Variações de Temperatura: da física sabemos que todo material varia de volume em função de variações na sua temperatura. Estas variações de temperatura ocorrem entre o dia e a noite e durante o ano, e sua intensidade será função do clima local. Acontece que uma rocha é geralmente formada de diferentes tipos de minerais, cada qual possuindo uma constante de dilatação térmica diferente, o que faz a rocha deformar de maneira desigual em seu interior, provocando o aparecimento de tensões internas que tendem a fraturá-la. Mesmo rochas com uma uniformidade de componentes não têm uma arrumação que permita uma expansão uniforme, pois grãos compridos deformam mais na direção de sua maior dimensão, tendendo a gerar tensões internas e auxiliar no seu processo de desagregação; • Repuxo Coloidal: o repuxo coloidal é caracterizado pela retração da argila devido à sua diminuição de umidade, o que em contato com a rocha pode gerar tensões capazes de fraturá-la; • Ciclos Gelo/Degelo: as fraturas existentes nas rochas podem se encontrar parcialmente ou totalmente preenchidas com água. Esta água, em função das condições locais, pode vir a congelar, expandindo-se e exercendo esforços no sentido de abrir ainda mais as fraturas preexistentes na rocha, auxiliando no processo de intemperismo (a água aumenta em cerca de 8% o seu volume devido à nova arrumação das suas moléculas durante a cristalização). Vale ressaltar também que a água transporta substâncias ativas quimicamente, incluindo sais que ao reagirem com ácidos provocam cristalização com aumento de volume; • Alívio de Pressões: alívio de pressões irá ocorrer em um maciço rochoso sempre que da retirada de material sobre ou ao lado do maciço, provocando a sua expansão, o que por sua vez, irá contribuir no fraturamento, estricções e formação de juntas na rocha. Estes processos, isolados ou combinados (caso mais comum) "fraturam" as rochas continuamente, o que permite a entrada de agentes químicos e biológicos, cujos efeitos aumentam a fraturação e tende a reduzir a rocha a blocos cada vez menores. Aula 1 – Tipificação dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 6 2.2.2. Intemperismo Químico É o processo de decomposição da rocha com a alteração química dos seus componentes. Há várias formas através das quais as rochas decompõem-se quimicamente. Pode-se dizer, contudo, que praticamente todo processo de intemperismo químico depende da presença da água. Entre os processos de intemperismo químico destacam-se os seguintes: • Hidrólise: dentre os processos de decomposição química do intemperismo, a hidrólise é a que se reveste de maior importância, porque é o mecanismo que leva a destruição dos silicatos, que são os compostos químicos mais importantes da litosfera. Em resumo, os minerais na presença dos íons H+ liberados pela água são atacados, reagindo com os mesmos. O H+ penetra nas estruturas cristalinas dos minerais desalojando os seus íons originais (Ca++, K+, Na+, etc.) causando um desequilíbrio na estrutura cristalina do mineral e levando-o a destruição; • Hidratação: como a própria palavra indica, é a entrada de moléculas de água na estrutura dos minerais. Alguns minerais quando hidratados (feldspatos, por exemplo) sofrem expansão, levando ao fraturamentoda rocha; • Carbonatação: o ácido carbônico é o responsável por este tipo de intemperismo. O intemperismo por carbonatação é mais acentuado em rochas calcárias por causa da diferença de solubilidade entre o CaCO3 e o bicarbonato de cálcio formado durante a reação. Os diferentes minerais constituintes das rochas originarão solos com características diversas, de acordo com a resistência que estes tenham ao intemperismo local. Há, inclusive, minerais que têm uma estabilidade química e física tal que normalmente não são decompostos. O quartzo, por exemplo, por possuir uma enorme estabilidade física e química é parte predominante dos solos grossos, como as areias e os pedregulhos. 2.2.3. Intemperismo Biológico Neste caso, a decomposição da rocha se dá graças a esforços mecânicos produzidos por vegetais através das raízes, por animais através de escavações dos roedores, da atividade de minhocas ou pela ação do próprio homem, ou por uma combinação destes fatores, ou ainda pela liberação de substâncias agressivas quimicamente, intensificando assim o intemperismo químico, seja pela decomposição de seus corpos ou através de secreções, como é o caso dos ouriços do mar. Aula 1 – Tipificação dos Solos UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 7 Logo, os fatores biológicos de maior importância incluem a influência da vegetação no processo de fraturamento da rocha e o ciclo de meio ambiente entre solo e planta e entre animais e solo. Pode-se dizer que a maior parte do intemperismo biológico poderia ser classificado como uma categoria do intemperismo químico em que as reações químicas que ocorrem nas rochas são propiciadas por seres vivos. 2.2.4. Influências do Intemperismo O intemperismo químico possui um poder de desagregação da rocha muito maior do que o intemperismo físico. Deste modo, solos gerados em regiões onde há a predominância do intemperismo químico tendem a ser mais profundos e mais finos do que aqueles solos formados em locais onde há a predominância do intemperismo físico. Além disto, obviamente, os solos originados a partir de uma predominância do intemperismo físico apresentarão uma composição química semelhante à da rocha mãe, ao contrário daqueles solos formados em locais onde há predominância do intemperismo químico. Conforme relatado anteriormente, a água é um fator fundamental no desenvolvimento do intemperismo químico da rocha. Deste modo, regiões com altos índices de pluviosidade e altos valores de umidade relativa do ar tendem a apresentar uma predominância de intemperismo do tipo químico, o contrário ocorrendo em regiões de clima seco. 2.3. Ciclo Rocha – Solo Todo solo provém de uma rocha pré-existente, mas dada a riqueza da sua formação não é de se esperar do solo uma estagnação a partir de um certo ponto. Como em tudo na natureza, o solo continua suas transformações, podendo inclusive voltar a ser rocha. De forma simplificada, será definido a seguir um esquema de transformações que vai do magma ao solo sedimentar e volta ao magma. Aula 1 – Tipificação dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 8 No interior do Globo Terrestre, graças às elevadas pressões e temperaturas, os elementos químicos que compõe as rochas se encontram em estado líquido, formando o magma. A camada sólida da Terra pode romper-se em pontos localizados e deixar escapar o magma. Desta forma, haverá um resfriamento brusco do magma, que se transformará em rochas ígneas, nas quais não haverá tempo suficiente para o desenvolvimento de estruturas cristalinas mais estáveis. O processo de extrusão vulcânica ou derrame e é responsável pela formação da rocha ígnea denominada de basalto. A depender do tempo de resfriamento, o basalto pode mesmo vir a apresentar uma estrutura vítrea. Quando o magma não chega à superfície terrestre, mas ascende a pontos mais próximos à superfície, com menor temperatura e pressão, ocorre um resfriamento mais lento, o que permite a formação de estruturas cristalinas mais estáveis, e, portanto, de rochas mais resistentes, denominadas de intrusivas ou plutônicas (diabásio, gabro e granito). Pode-se avaliar comparativamente as rochas vulcânicas e plutônicas pelo tamanho dos cristais, o que pode ser feito facilmente a olho nu ou com o auxílio de lupas. Cristais maiores indicam uma formação mais lenta, característica das rochas plutônicas, e vice-versa. Uma vez exposta, a rocha sofre a ação das intempéries e forma os solos residuais, os quais podem ser transportados e depositados sobre outro solo de qualquer espécie ou sobre uma rocha, vindo a se tornar um solo sedimentar. A contínua deposição de solos faz aumentar a pressão e a temperatura nas camadas mais profundas, que terminam por ligarem seus grãos e formar as rochas sedimentares, este processo chama-se litificação ou diagênese. As rochas sedimentares podem, da mesma maneira que as rochas ígneas, aflorarem à superfície e reiniciar o processo de formação de solo, ou de forma inversa, as deposições podem continuar e consequentemente prosseguir o aumento de pressão e temperatura, o que irá levar a rocha sedimentar a mudar suas características texturais e mineralógicas, a achatar os seus cristais de forma orientada transversalmente à pressão e a aumentar a ligação entre os cristais. O material que surge daí tem características tão diversas da rocha original, que muda a sua designação e passa a se chamar rocha metamórfica. Naturalmente, a rocha metamórfica está sujeita a ser exposta, decomposta e formar solo. Se persistir o aumento de pressão e temperatura graças à deposição de novas camadas de solo, a rocha fundirá e voltará à forma de magma. Aula 1 – Tipificação dos Solos UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 9 Obviamente, todos esses processos, com exceção do vulcanismo e de alguns transportes mais rápidos, ocorrem numa escala de tempo geológica, isto é, de milhares ou milhões de anos. 2.4. Classificação do Solo Quanto a Origem e Formação Há diferentes maneiras de se classificar os solos, como pela origem, pela sua evolução, pela presença ou não de matéria orgânica, pela estrutura, pelo preenchimento dos vazios, etc. Neste item apresentar-se-á uma classificação genética para os solos, ou seja, conforme o seu processo geológico de formação. Na classificação genética, os solos são divididos em dois grandes grupos, sedimentares e residuais, a depender da existência ou não de um agente de transporte na sua formação, respectivamente. Os principais agentes de transporte atuando na formação dos solos sedimentares são a água, o vento e a gravidade. Estes agentes de transporte influenciam fortemente nas propriedades dos solos sedimentares, a depender do seu grau de seletividade. 2.4.1. Solos Residuais São solos que permanecem no local de decomposição da rocha. Para que eles ocorram é necessário que a velocidade de decomposição da rocha seja maior do que a velocidade de remoção do solo por agentes externos. Aula 1 – Tipificação dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 10 A velocidade de decomposição depende de vários fatores, entre os quais a temperatura, o regime de chuvas e a vegetação. As condições existentes nas regiões tropicais são favoráveis a degradações mais rápidas da rocha, razão pela qual há uma predominância de solos residuais nestas regiões (centro sul do Brasil, por exemplo). Como a ação das intempéries se dá, em geral, de cima para baixo, as camadas superiores são, via de regra,mais trabalhadas que as inferiores. Este fato nos permite visualizar todo o processo evolutivo do solo, de modo que passamos de uma condição de rocha sã, para profundidades maiores, até uma condição de solo residual maduro, em superfície. A figura acima ilustra um perfil típico de solo residual. Conforme se pode observar da figura, a rocha sã passa paulatinamente à rocha fraturada, depois ao saprolito, ao solo residual jovem e ao solo residual maduro. Em se tratando de solos residuais, é de grande interesse a identificação da rocha sã, pois ela condiciona, entre outras coisas, a própria composição química do solo. A rocha alterada caracteriza-se por uma matriz de rocha possuindo intrusões de solo, locais onde o intemperismo atuou de forma mais eficiente. O solo saprolítico ainda guarda características da rocha mãe e tem basicamente os mesmos minerais, porém a sua resistência já se encontra bastante reduzida. Este pode ser caracterizado como uma matriz de solo envolvendo grandes pedaços de rocha altamente alterada. Visualmente pode confundir-se com uma rocha alterada, mas apresenta relativamente a rocha pequena resistência ao cisalhamento. Nos horizontes saprolíticos é comum a ocorrência de grandes blocos de rocha denominados de matacões, responsáveis por muitos problemas quando do projeto de fundações. O solo residual jovem apresenta boa quantidade de material que pode ser classificado como pedregulho (# > 4,8 mm). Geralmente são bastante irregulares quanto a resistência mecânica, coloração, permeabilidade e compressibilidade, já que o processo de transformação não se dá em igual intensidade em todos os pontos, comumente existindo blocos da rocha no seu interior. Pode-se dizer também que nos horizontes de solo jovem e saprolítico as sondagens a percussão a serem realizadas devem ser revestidas de muito cuidado, haja vista que a presença de material pedregulhoso pode vir a danificar os amostradores utilizados, vindo a mascarar os resultados obtidos. Os solos maduros, mais próximos à superfície, são mais homogêneos e não apresentam semelhanças com a rocha original. De uma forma geral, há um aumento da resistência ao cisalhamento, da textura (granulometria) e da heterogeneidade do solo com a Aula 1 – Tipificação dos Solos UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 11 profundidade, razão esta pela qual a realização de ensaios de laboratório em amostras de solo residual jovem ou do horizonte saprolítico é bastante trabalhosa. 2.4.2. Solos Sedimentares Os solos sedimentares ou transportados são aqueles que foram levados ao seu local atual por algum agente de transporte e lá depositados. As características dos solos sedimentares são função do agente de transporte. Cada agente de transporte seleciona os grãos que transporta com maior ou menor facilidade, além disto, durante o transporte, as partículas de solo se desgastam e/ou quebram. Resulta daí um tipo diferente de solo para cada tipo de transporte. Esta influência é tão marcante que a denominação dos solos sedimentares é feita em função do agente de transporte predominante. Pode-se listar os agentes de transporte, por ordem decrescente de seletividade, da seguinte forma: • Ventos (Solos Eólicos); • Águas (Solos Aluvionares): ✓ Água dos Oceanos e Mares (Solos Marinhos); ✓ Água dos Rios (Solos Fluviais); ✓ Água de Chuvas (Solos Pluviais); • Geleiras (Solos Glaciais); • Gravidade (Solos Coluvionares). Os agentes naturais citados acima não devem ser encarados apenas como agentes de transporte, pois eles têm uma participação ativa no intemperismo e, portanto, na formação do próprio solo, o que ocorre naturalmente antes do seu transporte. 2.4.2.1. SOLOS EÓLICOS O transporte pelo vento dá origem aos depósitos eólicos de solo. Em virtude do atrito constante entre as partículas, os grãos de solo transportados pelo vento geralmente possuem forma arredondada. A capacidade do vento de transportar e erodir é muito maior do que possa parecer à primeira vista. Vários são os exemplos de construções e até cidades soterradas parcial ou totalmente pelo vento, como foram os casos de Itaúnas - ES e Tutóia - MA; os grãos mais finos do deserto do Saara atingem em grande escala a Inglaterra, percorrendo uma distância de mais de 3000 km. Como a capacidade de transporte do vento depende de sua velocidade, o solo é geralmente depositado em zonas de calmaria. Aula 1 – Tipificação dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 12 O transporte eólico é o mais seletivo tipo de transporte das partículas do solo. Se por um lado grãos maiores e mais pesados não podem ser transportados, os solos finos, como as argilas, têm seus grãos unidos pela coesão, formando torrões dificilmente levados pelo vento. Esse efeito também ocorre em areias e siltes saturados (falsa coesão) o que faz da linha de lençol freático (definida por um valor de pressão da água intersticial igual a atmosférica) um limite para a atuação dos ventos. Pode-se dizer portanto que a ação do transporte do vento se restringe ao caso das areias finas ou silte. Por conta destas características, os solos eólicos possuem grãos de aproximadamente mesmo diâmetro, apresentando uma curva granulométrica denominada de uniforme. São exemplos de solos eólicos: a) Dunas: As dunas são exemplos comuns de solos eólicos no nordeste do Brasil. A formação de uma duna se dá inicialmente pela existência de um obstáculo ao caminho natural do vento, o que diminui a sua velocidade e resulta na deposição de partículas de solo. A deposição continuada de solo neste local acaba por gerar mais deposição de solo, já que o obstáculo ao caminho do vento se torna cada vez maior. Durante o período de existência da duna, partículas de areia são levadas até o seu topo, rolando então para o outro lado. Este movimento faz com que as dunas se desloquem a uma velocidade de poucos metros por ano, o que para os padrões geológico é muito rápido. b) Solos Loéssicos: Formado por deposições sobre vegetais que ao se decomporem deixam seu molde no maciço, o Loess é um solo bastante problemático para a engenharia, pois a despeito de uma capacidade de formar paredões de altura fora do comum e inicialmente suportar grandes esforços mecânicos, podem se romper completa e abruptamente devido ao umedecimento. O Loess, comum na Europa oriental, geralmente contêm grandes quantidades de cal, responsável por sua grande resistência inicial. Quando umedecido, contudo, o cimento calcário existente no solo pode ser dissolvido e o solo entra em colapso. Aula 1 – Tipificação dos Solos UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 13 2.4.2.2. SOLOS ALUVIONARES São solos resultantes do transporte pela água e sua textura depende da velocidade da água no momento da deposição, sendo frequente a ocorrência de camadas de granulometrias distintas, devidas às diversas épocas de deposição. O transporte pela água é bastante semelhante ao transporte realizado pelo vento, porém algumas características importantes os distinguem: • Viscosidade - por ser mais viscosa a água tem uma capacidade de transporte maior, transportando grãos de tamanhos diversos. • Velocidade e Direção - ao contrário do vento que em um minuto pode soprar com forças e direções bastante diferenciadas, a água têm seu roteiro mais estável; suas variações de velocidade tem em geral um ciclo anual e as mudanças de direção estão condicionadas ao próprio processo de desmonte e desgaste do relevo. • Dimensão das Partículas - os solos aluvionaresfluviais são, via de regra, mais grossos que os eólicos, pois as partículas mais finas mantêm-se sempre em suspensão e só se sedimentam quando existe um processo químico que as flocule (isto é o que acontece no mar ou em alguns lagos). • Eliminação da Coesão - vimos que o vento não pode transportar os solos argilosos devido a coesão entre os seus grãos. A presença de água em abundância diminui este efeito; com isso somam-se as argilas ao universo de partículas transportadas pela água. a) Solos Pluviais: A água das chuvas pode ser retida em vegetais ou construções, podendo se evaporar a partir daí. Ela pode se infiltrar no solo ou escoar sobre este e, neste caso, a vegetação rasteira funciona como elemento de fixação da parte superficial do solo ou como um tapete impermeabilizador (para as gramíneas), sendo um importante elemento de proteção contra a erosão. A água que se infiltra pode carrear grãos finos através dos poros existentes nos solos grossos, mas este transporte é raro e pouco volumoso, portanto de pouca relevância em relação à erosão superficial. De muito maior importância é o solo que as águas das chuvas levam ao escoar de pontos mais elevados no relevo aos vales. Os vales contêm rios ou riachos que serão alimentados não só da água que escoa das escarpas, como também de matéria sólida. b) Solos Fluviais: Os rios durante sua existência têm várias fases. Em áreas de formação geológicas mais recentes, menos desgastadas, existem irregularidades topográficas muito grandes e por isso os rios têm uma inclinação maior e conseqüentemente uma maior velocidade. Existem vários fatores determinantes da capacidade de erosão e Aula 1 – Tipificação dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 14 transporte dos rios, sendo a velocidade a mais importante. Assim, os rios mais jovens transportam mais matéria sólida do que os rios mais velhos. Sabe-se que os rios não possuem a mesma idade em toda a sua extensão; quanto mais distantes da nascente, menor a inclinação e a velocidade. As partículas de determinado tamanho passam a ter peso suficiente para se decantar e permanecer naquele ponto, outras menores só serão depositadas com velocidade também menor. O transporte fluvial pode ser descrito sumariamente da seguinte forma: • Os rios desgastam o relevo em sua parte mais elevada e levam os solos para sua parte mais baixa, existindo com o tempo uma tendência a planificação do leito. Rios mais velhos têm, portanto, menor velocidade e transportam menos; • Cada tamanho de grão será depositado em um determinado ponto do rio, correspondente a uma determinada velocidade, o que leva os solos fluviais a terem uma certa uniformidade granulométrica. Solos muito finos, como as argilas, permanecerão em suspensão até decantar em mares ou lagos com água em repouso. De um modo geral, pode-se dizer que os solos aluvionares apresentam um grau de uniformidade de tamanho de grãos intermediário entre os solos eólicos (mais uniformes) e coluvionares (menos uniformes). c) Solos Marinhos: As ondas atingem as praias com um pequeno ângulo em relação ao continente. Isso faz com que a areia, além do movimento de vai e vem das ondas, desloquem-se também ao longo da praia. Obras que impeçam esse fluxo tendem a ser pontos de deposição de areia, o que pode acarretar sérios problemas. 2.4.2.3. SOLOS GLACIAIS De pequena importância para nós, os solos formados pelas geleiras, ao se deslocarem pela ação da gravidade, são comuns nas regiões temperadas. São formados de maneira análoga aos solos fluviais. A corrente de gelo que escorre de pontos elevados onde o gelo é formado para as zonas mais baixas, leva consigo partículas de solo e rocha, as quais, por sua vez, aumentam o desgaste do terreno. Os detritos são depositados nas áreas de degelo. Uma ampla gama de tamanho de partículas é transportada, levando assim a formação de solos bastante heterogêneos que possuem desde grandes blocos de rocha até materiais de granulometria fina. Aula 1 – Tipificação dos Solos UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 15 2.4.2.4. SOLOS COLUVIONARES São solos formados pela ação da gravidade. Os solos coluvionares são dentre os solos transportados os mais heterogêneos granulometricamente, pois a gravidade transporta indiscriminadamente desde grandes blocos de rocha até as partículas mais finas de argila. Entre os solos coluvionares estão os escorregamentos das escarpas da Serra do Mar formando os Tálus nos pés do talude, massas de materiais muito diversas e sujeitas a movimentações de rastejo. Têm sido também classificados como coluviões os solos superficiais do Planalto Brasileiro depositados sobre solos residuais. a) Tálus: são solos coluvionares formados pelo deslizamento de solo do topo das encostas. A figura lustra suas formações típicas. A parte mais inclinada dos morros corresponde à formação original, enquanto que a parte menos inclinada é composta basicamente de solo coluvionar (tálus). 2.4.3. Solos Orgânicos Formados pela impregnação do solo por sedimentos orgânicos preexistentes, em geral misturados a restos de vegetais e animais. Podem ser identificados pela cor escura e por possuir forte cheiro característico. Têm granulometria fina, pois os solos grossos têm uma permeabilidade que permite a "lavagem" dos grãos, eximindo-os da matéria impregnada. 2.4.3.1. TURFAS Solos que incorporam florestas soterradas em estado avançado de decomposição. Têm estrutura fibrilar composta de restos de fibras vegetais e não se aplicam aí as teorias da Mecânica dos Solos, sendo necessários estudos especiais. Têm ocorrência registrada na Bahia, Sergipe, Rio Grande do Sul e outros estados do Brasil. Aula 1 – Tipificação dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 16 2.4.4. Solos de Evolução Pedogênica Alguns solos sofrem, em seu local de formação (ou de deposição) uma série de transformações físico-químicas que os levam a ser classificados como solos de evolução pedogênica. Os solos lateríticos são um tipo de solo de evolução pedogênica. O processo de laterização é típico de regiões onde há uma nítida separação entre períodos chuvosos e secos e é caracterizado pela lavagem da sílica coloidal dos horizontes superiores do solo, com posterior deposição desta em horizontes mais profundos, resultando em solos superficiais com altas concentrações de óxidos de ferro e alumínio. A importância do processo de laterização no comportamento dos solos tropicais é discutida no item classificação dos solos. Baseado e adaptado de Sandro Lemos Machado e Miriam C. Machado. Edições sem prejuízo de conteúdo. Aula 2 – Textura e Estrutura I UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 17 Aula 2: Textura e Estrutura I Entende-se por textura o tamanho relativo e a distribuição das partículas sólidas que formam os solos. O estudo da textura dos solos é realizado por intermédio do ensaio de granulometria, do qual falaremos adiante. Pela sua textura os solos podem ser classificados em dois grandes grupos: solos grossos (areia, pedregulho, matacão) e solos finos (silte e argila). Nesta aula, serão revistos e complementados (aprofundados) alguns conceitos da disciplina Materiais de Construção I, que tratou do assunto em seu tópico de Agregados. 1. Tamanho e Forma das Partículas A divisão dos grupos de solos pelo tamanho de suas partículas é fundamental no entendimento do de seu comportamento, pois a dependerdo tamanho predominante das suas partículas, as forças de campo influenciando em seu comportamento serão gravitacionais (solos grossos) ou elétricas (solos finos). De uma forma geral, pode-se dizer que quanto maior for a relação área/volume ou área/massa das partículas sólidas, maior será a predominância das forças elétricas ou de superfície. Estas relações são inversamente proporcionais ao tamanho das partículas, de modo que os solos finos apresentam uma predominância das forças de superfície na influência do seu comportamento. Conforme relatado anteriormente, o tipo de intemperismo influencia na textura e estrutura do solo. Pode-se dizer que partículas com dimensões até cerca de 0,001 mm são obtidas através do intemperismo físico, já as partículas menores que 0,001 mm provém do intemperismo químico. 1.1. Solos Grossos Nos solos grossos, por ser predominante a atuação de forças gravitacionais, resultando em arranjos estruturais bastante simplificados, o comportamento mecânico e hidráulico está principalmente condicionado a sua compacidade, que é uma medida de quão próximas estão as partículas sólidas umas das outras, resultando em arranjos com maiores ou menores quantidades de vazios. Os solos grossos possuem uma maior percentagem de partículas visíveis a olho nu (φ ≥ 0,074 mm) e suas partículas têm formas arredondadas, poliédricas e angulosas. Aula 2 – Textura e Estrutura I MECÂNICA DOS SOLOS 18 1.1.1. Pedregulhos São classificados como pedregulho as partículas de solo com dimensões maiores que 2,0 mm (DNER, MIT) ou 2,0 mm (ABNT). Os pedregulhos são encontrados em geral nas margens dos rios, em depressões preenchidas por materiais transportados pelos rios ou até mesmo em uma massa de solo residual (horizontes correspondentes ao solo residual jovem e ao saprolito). 1.1.2. Areias As areias se distinguem pelo formato dos grãos que pode ser angular, subangular e arredondado, sendo este último uma característica das areias transportadas por rios ou pelo vento. A forma dos grãos das areias está relacionada com a quantidade de transporte sofrido pelos mesmos até o local de deposição. O transporte das partículas dos solos tende a arredondar as suas arestas, de modo que quanto maior a distância de transporte, mais esféricas serão as partículas resultantes. Classificamos como areia as partículas com dimensões entre 2,0 mm e 0,074 mm (DNER), 2,0 mm e 0,05 mm (MIT) ou ainda 2,0 mm e 0,06 mm (ABNT). O formato dos grãos de areia tem muita importância no seu comportamento mecânico, pois determina como eles se encaixam e se entrosam, e, em contrapartida, como eles deslizam entre si quando solicitados por forças externas. Por outro lado, como estas forças se transmitem dentro do solo pelos pequenos contatos existentes entre as partículas, as de formato mais angulares, por possuírem em geral uma menor área de contato, são mais susceptíveis a se quebrarem. 1.2. Solos Finos Quando as partículas que constituem o solo possuem dimensões menores que 0,074 mm (DNER), ou 0,06 mm (ABNT), o solo é considerado fino e, neste caso, será classificado como argila ou como silte. Nos solos formados por partículas muito pequenas, as forças que intervêm no processo de estruturação do solo são de caráter muito mais complexo e serão estudadas no item composição mineralógica dos solos. Os solos finos possuem partículas com formas lamelares, fibrilares e tubulares e é o mineral que determina a forma da partícula. As partículas de argila normalmente apresentam uma ou duas direções em que o tamanho da partícula é bem superior àquele apresentado em uma terceira direção. O comportamento dos solos finos é definido pelas forças de superfície (moleculares, elétricas) e pela presença de água, a qual influi de maneira marcante nos fenômenos de superfície dos argilo-minerais. Aula 2 – Textura e Estrutura I UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 19 1.2.1. Argilas A fração granulométrica do solo classificada como argila (diâmetro inferior a 0,002 mm) se caracteriza pela sua plasticidade marcante (capacidade de se deformar sem apresentar variações volumétricas) e elevada resistência quando seca. É a fração mais ativa dos solos. 1.2.2. Siltes Apesar de serem classificados como solos finos, o comportamento dos siltes é governado pelas mesmas forças dos solos grossos (forças gravitacionais), embora possuam alguma atividade. Estes possuem granulação fina, pouca ou nenhuma plasticidade e baixa resistência quando seco. A figura apresenta a escala granulométrica adotada pela ABNT (NBR 6502): 2. Identificação Visual e Tátil dos Solos Muitas vezes em campo temos a necessidade de uma identificação prévia do solo, sem que o uso do aparato de laboratório esteja disponível. Esta classificação primária é extremamente importante na definição (ou escolha) de ensaios de laboratório mais elaborados e pode ser obtida a partir de alguns testes feitos rapidamente em uma amostra de solo. No processo de identificação tátil visual de um solo utilizam-se frequentemente os seguintes procedimentos (vide NBR 7250): • Tato: Esfrega-se uma porção do solo na mão. As areias são ásperas; as argilas parecem com um pó quando secas e com sabão quando úmidas; • Plasticidade: Moldar bolinhas ou cilindros de solo úmido. As argilas são moldáveis enquanto as areias e siltes não são moldáveis; • Resistência do solo seco: As argilas são resistentes à pressão dos dedos enquanto os siltes e areias não são; Aula 2 – Textura e Estrutura I MECÂNICA DOS SOLOS 20 • Dispersão em água: Misturar uma porção de solo seco com água em uma proveta, agitando-a. As areias depositam-se rapidamente, enquanto que as argilas turvam a suspensão e demoram para sedimentar; • Impregnação: Esfregar uma pequena quantidade de solo úmido na palma de uma das mãos. Colocar a mão embaixo de uma torneira aberta e observar a facilidade com que a palma da mão fica limpa. Solos finos se impregnam e não saem da mão com facilidade; • Dilatância: O teste de dilatância permite obter uma informação sobre a velocidade de movimentação da água dentro do solo. Para a realização do teste deve-se preparar uma amostra de solo com cerca de 15 mm de diâmetro e com teor de umidade que lhe garanta uma consistência mole. O solo deve ser colocado sobre a palma de uma das mãos e distribuído uniformemente sobre ela, de modo que não apareça uma lâmina d’água. O teste se inicia com um movimento horizontal da mão, batendo vigorosamente a sua lateral contra a lateral da outra mão, diversas vezes. Deve-se observar o aparecimento de uma lâmina d’água na superfície do solo e o tempo para a ocorrência. Em seguida, a palma da mão deve ser curvada, de forma a exercer uma leve compressão na amostra, observando-se o que poderá ocorrer à lâmina d’água, se existir, à superfície da amostra. O aparecimento da lâmina d’água durante a fase de vibração, bem como o seu desaparecimento durante a compressão e o tempo necessário para que isto aconteça deve ser comparado aos dados da tabela, para a classificação do solo. Após realizados estes testes, classifica-se o solo de modo apropriado, de acordo com os resultados obtidos (areia siltosa, argila arenosa, etc.). Os solos orgânicos são identificados em separado, em função de sua cor e odor característicos. Além da identificação tátil visual do solo, todas as informações pertinentes à identificação do mesmo, disponíveis em campo, devem ser anotadas. Deve-se informar, sempreque possível, a eventual presença de material cimentante ou matéria orgânica, a cor do solo, o local da coleta do solo, sua origem geológica, sua classificação genética, etc. Aula 2 – Textura e Estrutura I UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 21 A distinção entre solos argilosos e siltosos, na prática da engenharia geotécnica, possui certas dificuldades, já que ambos os solos são finos. Porém, após a identificação tátil-visual ter sido realizada, algumas diferenças básicas entre eles, já citadas nos parágrafos anteriores, podem ser utilizadas para distingui-los. • O solo é classificado como argiloso quando se apresenta bastante plástico em presença de água, formando torrões resistentes ao secar. Já os solos siltosos quando secos, se esfarelam com facilidade; • Os solos argilosos se desmancham na água mais lentamente que os solos siltosos. Os solos siltosos, por sua vez, apresentam dilatância marcante, o que não ocorre com os solos argilosos. 3. Análise Granulométrica A análise da distribuição das dimensões dos grãos, denominada análise granulométrica, objetiva determinar os tamanhos dos diâmetros equivalentes das partículas sólidas em conjunto com a proporção de cada fração constituinte do solo em relação ao peso de solo seco. A representação gráfica das medidas realizadas é denominada de curva granulométrica. Pelo fato de o solo geralmente apresentar partículas com diâmetros equivalentes variando em uma ampla faixa, a curva granulométrica é normalmente apresentada em um gráfico semi-log, com o diâmetro equivalente das partículas em uma escala logarítmica e a percentagem de partículas com diâmetro inferior à abertura da peneira considerada (porcentagem que passa) em escala linear. 3.1. Ensaio de Granulometria O ensaio de granulometria conjunta para o levantamento da curva granulométrica do solo é realizado com base em dois procedimentos distintos: peneiramento - realizado para partículas com diâmetros equivalentes superiores a 0,074 mm (peneira 200) e Sedimentação - procedimento válido para partículas com diâmetros equivalentes inferiores a 0,2 mm. O ensaio de peneiramento não é realizado para partículas com diâmetros inferiores a 0,074 mm pela dificuldade em se confeccionar peneiras com aberturas de malha desta ordem de grandeza. Embora existindo no mercado, a peneira 400 (com abertura de malha de 0,045 mm) não é regularmente utilizada no ensaio de peneiramento, por ser facilmente danificada e de custo elevado. O ensaio de granulometria é realizado empregando-se os seguintes equipamentos: jogo de peneiras, balança, estufa, destorroador, quarteador, bandejas, proveta, termômetro, densímetro, cronômetro, dispersor, defloculante, etc. A preparação das Aula 2 – Textura e Estrutura I MECÂNICA DOS SOLOS 22 amostras de solo se dá pelos processos de secagem ao ar, quarteamento, destorroamento (vide Aulas de Material de Construção I), utilizando-se quantidades de solo que variam em função de sua textura (aproximadamente 1500 g para o caso de solos grossos e 200 g, para o caso de solos finos). A seguir são listadas algumas características dos processos normalmente empregados no ensaio de granulometria conjunta (vide NBR 7181). • Peneiramento: utilizado para a fração grossa do solo (grãos com até 0,074 mm de diâmetro equivalente), realiza-se pela passagem do solo por peneiras padronizadas e pesagem das quantidades retidas em cada uma delas. Retira- se 50 a 100 g da quantidade que passa na peneira de #200 e prepara-se o material para a sedimentação; • Sedimentação: os solos muito finos, com granulometria inferior a 0,074 mm, são tratados de forma diferenciada, através do ensaio de sedimentação desenvolvido por Arthur Casagrande. Este ensaio se baseia na Lei de Stokes, segundo a qual a velocidade de queda, V, de uma partícula esférica, em um meio viscoso infinito, é proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula. Sendo assim, as menores partículas se sedimentam mais lentamente que as partículas maiores. O ensaio de sedimentação é realizado medindo-se a densidade de uma suspensão de solo em água, no decorrer do tempo. A partir da medida da densidade da solução no tempo, calcula-se a percentagem de partículas que ainda não sedimentaram e a velocidade de queda destas partículas (a profundidade de medida da densidade é calculada em função da curva de calibração do densímetro). Com o uso da lei de Stokes, pode-se inferir o diâmetro máximo das partículas ainda em suspensão, de modo que com estes dados, a curva granulométrica é completada. A equação apresenta a lei de Stokes. V = γS − γW 18 . μ . D² Onde: γS é o peso específico médio das partículas do solo; γW é o peso específico do fluido; μ é a viscosidade do fluído; D é o diâmetro das partículas. Aula 2 – Textura e Estrutura I UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 23 Pode-se dizer que o Diâmetro Máximo corresponde ao número da peneira da série normal na qual a porcentagem acumulada é inferior ou igual a 5%, desde que essa porcentagem seja superior a 5% na peneira imediatamente abaixo. Deve-se notar que o diâmetro equivalente calculado se empregando a equação corresponde a apenas uma aproximação, à medida em que durante a realização do ensaio de sedimentação, as seguintes ocorrências tendem a afastá-lo das condições ideais para as quais a lei de Stokes foi formulada. Algumas observações devem ser feitas: • As partículas de solo não são esféricas (muito menos as partículas dos argilo- minerais que têm forma placóide). • A coluna líquida possui tamanho definido; • O movimento de uma partícula interfere no movimento de outra; • As paredes do recipiente influenciam no movimento de queda das partículas; • O peso específico das partículas do solo é um valor médio; • O processo de leitura (inserção e retirada do densímetro) influencia no processo de queda das partículas. 3.2. Representação Gráfica de Resultado da Granulometria A representação gráfica do resultado de um ensaio de granulometria é dada pela curva granulométrica do solo. A partir da curva granulométrica, podemos separar facilmente os solos grossos dos solos finos, apontando a percentagem equivalente de cada fração granulométrica que constitui o solo (pedregulho, areia, silte e argila). Além disto, a curva granulométrica pode fornecer informações sobre a origem geológica do solo que está sendo investigado. Por exemplo, na figura abaixo, a curva granulométrica “a” corresponde a um solo com a presença de partículas em uma ampla faixa de variação. Assim, o solo representado por esta curva granulométrica poderia ser um solo de origem glacial, um solo coluvionar (tálus) (ambos de baixa seletividade) ou mesmo um solo residual jovem. Contrariamente, o solo descrito pela curva granulométrica “c” foi evidentemente depositado por um agente de transporte seletivo, tal como a água ou o vento (a curva “c” poderia representar um solo eólico, por exemplo), pois possui quase que todas as partículas do mesmo diâmetro. Na curva granulométrica “b”, uma faixa de diâmetros das partículas sólidas está ausente. Esta curva poderia ser gerada, por exemplo, por variações bruscas na capacidade de transporte de um rio em decorrência de chuvas. De acordo com a curva granulométrica obtida, o solo pode ser classificado como bem graduado, caso ele possua uma distribuição contínua de diâmetros equivalentes em uma ampla faixa de tamanho de partículas (caso da curva granulométrica “a”) ou mal graduado, Aula2 – Textura e Estrutura I MECÂNICA DOS SOLOS 24 caso ele possua uma curva granulométrica uniforme (curva granulométrica “c”) ou uma curva granulométrica que apresente ausência de uma faixa de tamanhos de grãos (curva granulométrica “b”). Alguns sistemas de classificação utilizam a curva granulométrica para auxiliar na previsão do comportamento de solos grossos. Para tanto, estes sistemas de classificação lançam mão de alguns índices característicos da curva granulométrica, para uma avaliação de sua uniformidade e curvatura. Os coeficientes de uniformidade e curvatura de uma determinada curva granulométrica são obtidos a partir de alguns diâmetros equivalente característicos do solo na curva granulométrica. São eles: D10 - Diâmetro Efetivo - Diâmetro equivalente da partícula para o qual temos 10% das partículas passando (10% das partículas são mais finas que o diâmetro efetivo); D30 e D60 - O mesmo que o diâmetro efetivo, para as percentagens de 30 e 60%, respectivamente. As equações a seguir apresentam os coeficientes de uniformidade e curvatura de uma dada curva granulométrica. Coeficiente de Uniformidade: Cu = D60 D10 De acordo como valor do Cu obtido, a curva granulométrica pode ser classificada conforme apresentado abaixo: Aula 2 – Textura e Estrutura I UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 25 • Cu < 5 → muito uniforme; • 5 < Cu < 15 → uniformidade média; • Cu > 15 → não uniforme. E o Coeficiente de Curvatura: 𝐶𝑐 = 𝐷30 2 𝐷60 . 𝐷10 Classificação da curva granulométrica quanto ao coeficiente de curvatura: • 1 < Cc < 3 → solo bem graduado; • Cc < 1 ou Cc > 3 → solo mal graduado. Exemplo: Para a curva granulométrica 5 abaixo, calcular Cu e Cc. Resolução: 1º Passo: Encontrar D10 (ou Def – Diâmetro Efetivo), D30 e D60 da amostra. O Def da amostra corresponde à porcentagem passante de 10% em massa. Neste caso, segundo o gráfico podemos pegar a porcentagem retida de 90% pela escala da esquerda ou Aula 2 – Textura e Estrutura I MECÂNICA DOS SOLOS 26 a porcentagem que passa de 10% da escala da direita. Fica a critério pois significam a mesma coisa. Vejamos no gráfico: Nota: é válido lembrar que o eixo “X” está em escala logarítmica, ou seja, uma escala que usa o logaritmo da grandeza em vez da grandeza propriamente dita. Pelo gráfico, observa-se que a curva 5 cruza os 10% (na porcentagem que passa) em 0,0035 mm, que é o D10. O mesmo é válido para os valores de D30 e D60, demonstrados no gráfico, com valores de ≈ 0,17 e ≈ 1,3 mm respectivamente. 2º Passo: Calcular o Coeficiente de uniformidade (Cu): Cu = D60/D10 → Cu = 1,3/0,0035 → Cu = 371,43 3º Passo: Calcular o Coeficiente de Curvatura: Cc = D30²/D60 . D10 → Cc = (0,17²)/1,3 . 0,0035 → Cc = 6,35 Portando, como Cu > 15 e Cc > 3, então a amostra é “não uniforme e mal graduado”. Baseado e adaptado de Sandro Lemos Machado e Miriam C. Machado. Edições sem prejuízo de conteúdo. Aula 3 – Textura e Estrutura II UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 27 Aula 3: Textura e Estrutura II A completa classificação de um solo depende também de outros fatores além da granulometria, sendo a adoção de uma nomenclatura baseada apenas na curva granulométrica insuficiente para uma previsão, ainda que qualitativa, do seu comportamento de engenharia. 1. Designação Segundo a NBR 6502 A NBR- 6502 apresenta algumas regras práticas para designar os solos de acordo com a sua curva granulométrica. A tabela abaixo ilustra o resultado de ensaios de granulometria realizados em três solos distintos. As regras apresentadas pela NBR-6502 serão então empregadas para classificá-los, em caráter ilustrativo. 1.1. Normas para a Designação do Solo Segundo a NBR, Baseando-se na Curvatura Granulométrica Quando da ocorrência de mais de 10% de areia, silte ou argila adjetiva-se o solo com as frações obtidas, vindo em primeiro lugar as frações com maiores percentagens. Aula 3 – Textura e Estrutura II MECÂNICA DOS SOLOS 28 Em caso de empate, adota-se a seguinte hierarquia: • 1°) Argila; • 2°) Areia; • 3°) Silte. No caso de percentagens menores do que 10% adjetiva-se o solo do seguinte modo, independente da fração granulométrica considerada: • 1 a 5% → com vestígios; • De 5 a 10% → com pouco. Para o caso de pedregulho com frações superiores a 10% adjetiva-se o solo do seguinte modo: • 10 a 29% → com pedregulho; • > 30% → com muito pedregulho. Resultado da nomenclatura dos solos conforme os dados apresentados na tabela acima: • Solo 1: Argila Silto-Arenosa com pouco Pedregulho; • Solo 2: Areia Silto-Argilosa com Pedregulho; • Solo 3: Pedregulho Arenoso com vestígios de Silte e Pedra. 2. Estrutura dos Solos Denomina-se estrutura dos solos a maneira pela qual as partículas minerais de diferentes tamanhos se arrumam para formá-lo. A estrutura de um solo possui um papel fundamental em seu comportamento, seja em termos de resistência ao cisalhamento, compressibilidade ou permeabilidade. Como os solos finos possuem o seu comportamento governado por forças elétricas, enquanto os solos grossos têm na gravidade o seu principal fator de influência, a estrutura dos solos finos ocorre em uma diversificação e complexidade muito maior do que a estrutura dos solos grossos. De fato, sendo a gravidade o fator principal agindo na formação da estrutura dos solos grossos, a estrutura destes solos difere, de solo para solo, somente no que se refere ao seu grau de compacidade. No caso dos solos finos, devido a presença das forças de superfície, arranjos estruturais bem mais elaborados são possíveis. A figura abaixo ilustra algumas estruturas típicas de solos grossos e finos. Aula 3 – Textura e Estrutura II UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 29 Quando duas partículas de argila estão muito próximas, entre elas ocorrem forças de atração e de repulsão. As forças de repulsão são devidas às cargas líquidas negativas que elas possuem e que ocorrem desde que as camadas duplas estejam em contato. As forças de atração decorrem de forças de Van der Waals e de ligações secundárias que atraem materiais adjacentes. Da combinação das forças de atração e de repulsão entre as partículas resulta a estrutura dos solos, que se refere à disposição das partículas na massa de solo e as forças entre elas. Lambe (1969) identificou dois tipos básicos de estrutura do solo, denominando-os de estrutura floculada, quando os contatos se fazem entre faces e arestas das partículas sólidas, ainda que através da água adsorvida, e de estrutura dispersa quando as partículas se posicionam paralelamente, face a face. 3. Composição Química e Mineralógica Os solos são formados a partir da desagregação de rochas por ações físicas e químicas do intemperismo. As propriedades química e mineralógica das partículas dos solos assim formados irão depender fundamentalmente da composição da rocha matriz e do clima da região. Estas propriedades, por sua vez, irão influenciar de forma marcante o comportamento mecânico do solo. Os minerais são partículas sólidas inorgânicas que constituem as rochas e os solos, e que possuem forma geométrica, composição química e estrutura própria e definidas. Eles podem ser divididos em doisgrandes grupos, a saber: Aula 3 – Textura e Estrutura II MECÂNICA DOS SOLOS 30 • Primários: Aqueles encontrados nos solos e que sobrevivem a transformação da rocha (advêm, portanto, do intemperismo físico); • Secundários: Os que foram formados durante a transformação da rocha em solo (ação do intemperismo químico). 3.1. Solos Grossos: Areias e Pedregulhos As partículas dos solos grossos, dentre as quais apresentam-se os pedregulhos, são constituídas algumas vezes de agregações de minerais distintos, sendo mais comum, entretanto, que as partículas sejam constituídas de um único mineral. Estes solos são formados, na sua maior parte, por silicatos (90%) e apresentam também na sua composição óxidos, carbonatos e sulfatos. Como já estudado em Materiais de Construção I, a saber os grupos minerais: • Silicatos - feldspato, quartzo, mica, serpentina; • Óxidos - hematita, magnetita, limonita; • Carbonatos - calcita, dolomita; • Sulfatos - gesso, anidrita. 3.2. Solos Finos: Argilas Os solos finos possuem uma estrutura mais complexa e alguns fatores, como forças de superfície, concentração de íons, ambiente de sedimentação, etc., podem intervir no seu comportamento. As argilas possuem uma complexa constituição química e mineralógica, sendo formadas por sílica no estado coloidal (SiO2) e sesquióxidos metálicos (R2O3), onde R = Al; Fe, etc. Os feldspatos são os minerais mais atacados pela natureza, dando origem aos argilo- minerais, que constituem a fração mais fina dos solos, geralmente com diâmetro inferior a 2 µm. Não só o reduzido tamanho, mas, principalmente, a constituição mineralógica faz com que estas partículas tenham um comportamento extremamente diferenciado em relação ao dos grãos de silte e areia. O estudo da estrutura dos argilo-minerais pode ser facilitado "construindo-se" o argilo- mineral a partir de unidades estruturais básicas. Este enfoque é puramente didático e não representa necessariamente o método pelo qual o argilo-mineral é realmente formado na natureza. Assim, as estruturas apresentadas nesta aula são apenas idealizações. Um cristal típico de um argilo-mineral é uma estrutura complexa similar ao arranjo estrutural aqui idealizado, mas contendo usualmente substituições de íons e outras modificações Aula 3 – Textura e Estrutura II UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 31 estruturais que acabam por formar novos tipos de argilo-minerais. As duas unidades estruturais básicas dos argilo-minerais são os tetraedros de silício e os octaedros de alumínio (figura). Os tetraedros de silício são formados por quatro átomos de oxigênio equidistantes de um átomo de silício enquanto que os octaedros de alumínio são formados por um átomo de alumínio no centro, envolvido por seis átomos de oxigênio ou grupos de hidroxilas, OH-. A depender do modo como estas unidades estruturais estão unidas entre si, podemos dividir os argilo-minerais em três grandes grupos. • GRUPO DA CAULINITA: A caulinita é formada por uma lâmina silícica e outra de alumínio, que se superpõem indefinidamente. A união entre todas as camadas é suficientemente firme (pontes de hidrogênio) para não permitir a penetração de moléculas de água entre elas. Assim, as argilas cauliníticas são as mais estáveis em presença d'água, apresentando baixa atividade e baixo potencial de expansão; • MONTMORILONITA: É formada por uma unidade de alumínio entre duas silícicas, superpondo-se indefinidamente. Neste caso a união entre as camadas de silício é fraca (forças de Van der Walls), permitindo a penetração de moléculas de água na estrutura com relativa facilidade. Os solos com grandes quantidades de montmorilonita tendem a ser instáveis em presença de água. Apresentam em geral grande resistência quando secos, perdendo quase que totalmente a sua capacidade de suporte por saturação. Sob variações de umidade apresentam grandes variações volumétricas, retraindo- se em processos de secagem e expandindo-se sob processos de umedecimento; • ILITA: Possui um arranjo estrutural semelhante ao da montmorilonita, porém os íons não permutáveis fazem com que a união entre as camadas seja mais Aula 3 – Textura e Estrutura II MECÂNICA DOS SOLOS 32 estável e não muito afetada pela água. É também menos expansiva que a montmorilonita. Como a união entre as camadas adjacentes dos argilo-minerais do tipo 1:1 (grupo da caulinita) é bem mais forte do que aquela encontrada para os outros grupos, é de se esperar que estes argilo-minerais resultem por alcançar tamanhos maiores do que aqueles alcançados pelos argilo-minerais do grupo 2:1, o que ocorre na realidade: Enquanto um mineral típico de caulinita possui dimensões em torno de 500 (espessura) x 1000 x 1000 (nm), um mineral de montmorilonita possui dimensões em torno de 3x 500 x 500 (nm). A presença de um determinado tipo de argilo-mineral no solo pode ser identificada utilizando-se diferentes métodos, dentre eles a análise térmica diferencial, o raio-X, a microscopia eletrônica de varredura, etc. 3.2.1. Superfície Específica Denomina-se de superfície específica de um solo a soma da área de todas as partículas contidas em uma unidade de volume ou peso. A superfície específica dos argilo-minerais é geralmente expressa em unidades como m2/m3 ou m2/g. Quanto maior o tamanho do mineral menor a superfície específica do mesmo. Deste modo, pode-se esperar que os argilo-minerais do grupo 2:1 possuam maior superfície específica do que os argilo-minerais do grupo 1:1. A montmorilonita, por exemplo, possui uma superfície específica de aproximadamente 800 m2/g, enquanto que a ilita e a caulinita possuem superfícies específicas de aproximadamente 80 e 10 m2/g, respectivamente. A superfície específica é uma importante propriedade dos argilo-minerais, na medida em que quanto maior a superfície específica, maior vai ser o predomínio das forças elétricas (em detrimento das forças gravitacionais), na influência sobre as propriedades do solo (estrutura, plasticidade, coesão, etc.). 4. As Fases do Solo O solo é constituído de uma fase fluida (água e/ou ar) e se uma fase sólida. A fase fluida ocupa os vazios deixados pelas partículas sólidas. 4.1. Fase Sólida Caracterizada pelo seu tamanho, forma, distribuição e composição mineralógica dos grãos, conforme já apresentado anteriormente. Aula 3 – Textura e Estrutura II UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS SOLOS 33 4.2. Fase Gasosa Fase composta geralmente pelo ar do solo em contato com a atmosfera, podendo-se também apresentar na forma oclusa (bolhas de ar no interior da fase água). A fase gasosa é importante em problemas de deformação de solos e é bem mais compressível que as fases sólida e líquida. 4.3. Fase Líquida Fase fluida composta em sua maior parte pela água, podendo conter solutos e outros fluidos imiscíveis. Pode-se dizer que a água se apresenta de diferentes formas no solo, sendo, contudo, extremamente difícil se isolar os estados em que a água se apresenta em seu interior. A seguir são expressados os termos mais comumente utilizados para descrever os estados da água no solo. É diversificada em: • Água Livre: Preenche os vazios dos solos. Pode estar em equilíbrio hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou de outros gradientes de energia; • Água Capilar: É a água que se encontra presa às partículas do solo por meio de forças capilares. Esta se eleva pelos interstícioscapilares formados pelas partículas sólidas, devido a ação das tensões superficiais nos contatos ar- água-sólidos, oriundas a partir da superfície livre da água; • Água Adsorvida: É uma película de água que adere às partículas dos solos finos devido a ação de forças elétricas desbalanceadas na superfície dos argilo-minerais. Está submetida a grandes pressões, comportando-se como sólido na vizinhança da partícula de solo; • Água de Constituição: É a água presente na própria composição química das partículas sólidas. Não é retirada utilizando-se os processos de secagem tradicionais. Ex: Montmorilonita (OH)4Si2Al4O20nH2O; • Água Higroscópica: Água que o solo possui quando em equilíbrio com a umidade atmosférica e a temperatura ambiente. Baseado e adaptado de Sandro Lemos Machado e Miriam C. Machado. Edições sem prejuízo de conteúdo. Aula 4 – Consistência dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 34 Unidade 2 – Propriedades dos Solos Aula 4: Consistência dos Solos Em linhas gerais, corresponde ao comportamento do material constituinte em função da variação da umidade. A consistência do solo é altamente correlacionada com a textura e atividade da fração de argila. Vale dizer que este atributo ocorre por atuação das forças de adesão e coesão entre as partículas do solo, que variam com o grau de umidade do solo. 1. Noções Iniciais Quando tratamos com solos grossos (areias e pedregulhos com pequena quantidade ou sem a presença de finos), o efeito da umidade nestes solos é frequentemente negligenciado, na medida em que a quantidade de água presente nos mesmos tem um efeito secundário em seu comportamento. Pode se dizer que se pode classificar os solos grossos utilizando-se somente a sua curva granulométrica, o seu grau de compacidade e a forma de suas partículas. Por outro lado, o comportamento dos solos finos ou coesivos irá depender de sua composição mineralógica, da sua umidade, de sua estrutura e do seu grau de saturação. Em particular, a umidade dos solos finos tem sido considerada como uma importante indicação do seu comportamento desde o início da mecânica dos solos. Um solo argiloso pode se apresentar em um estado líquido, plástico, semissólido ou sólido, a depender de sua umidade. A este estado físico do solo dá-se o nome de consistência. Os limites inferiores e superiores de valor de umidade para cada estado do solo são denominados de limites de consistência. No estado plástico, o solo apresenta uma propriedade denominada de plasticidade, caracterizada pela capacidade do solo se deformar sem apresentar ruptura ou trincas e sem variação de volume. A manifestação desta propriedade em um solo dependerá fundamentalmente dos seguintes fatores: Aula 4 – Consistência dos Solos UNIDADE 2 – PROPRIEDADES DOS SOLOS 35 • Umidade: Existe uma faixa de umidade dentro da qual o solo se comporta de maneira plástica. Valores de umidade inferiores aos valores contidos nesta faixa farão o solo se comportar como semissólido ou sólido, enquanto que para maiores valores de umidade o solo se comportará preferencialmente como líquido; • Tipo de argilo-mineral: O tipo de argilo-mineral (sua forma, constituição mineralógica, tamanho, superfície específica, etc.) influi na capacidade do solo de se comportar de maneira plástica. Quanto menor o argilo-mineral (ou quanto maior sua superfície específica), maior a plasticidade do solo. É importante salientar que o conhecimento da plasticidade na caracterização dos solos finos é de fundamental importância. 2. Estados de Consistência A depender da quantidade de água presente no solo, teremos os seguintes estados de consistência: Cada estado de consistência do solo se caracteriza por algumas propriedades particulares, as quais são apresentadas a seguir. Os limites entre um estado de consistência e outro são determinados empiricamente, sendo denominados de limite de contração, WS, limite de plasticidade, WP e limite de liquidez, WL. Estado Sólido - Dizemos que um solo está em um estado de consistência sólido quando o seu volume "não varia" por variações em sua umidade. Estado Semissólido - O solo apresenta fraturas e se rompe ao ser trabalhado. O limite de contração, WS, separa os estados de consistência sólido e semissólido. Estado Plástico - Dizemos que um solo está em um estado plástico quando podemos moldá-lo sem que o mesmo apresente fissuras ou variações volumétricas. O limite de plasticidade, WP, separa os estados de consistência semissólido e plástico. Estado Fluido - Denso (Líquido) - Quando o solo possui propriedades e aparência de uma suspensão, não apresentando resistência ao cisalhamento. O limite de liquidez, WL, separa os estados plástico e fluido. Aula 4 – Consistência dos Solos MECÂNICA DOS SOLOS 36 Como seria de se esperar, a resistência ao cisalhamento, bem como a compressibilidade dos solos, varia nos diversos estados de consistência. 2.1. Determinação dos Limites de Consistência A delimitação entre os diversos estados de consistência é feita de forma empírica. Esta delimitação foi inicialmente realizada por Atterberg, culminando com a padronização dos ensaios para a determinação dos limites de consistência por Arthur Casagrande. Conforme apresentado anteriormente, são os seguintes os limites que separam os diversos estados de consistência do solo: • Limite de Liquidez (WL) ou LL; • Limite de Plasticidade (WP) ou LP; • Limite de Contração (WS) ou LC. 2.1.1. Limite de Liquidez É o valor de umidade para o qual o solo passa do estado plástico para o estado fluido. A determinação do limite de liquidez do solo é realizada seguindo-se o seguinte procedimento: 1º → coloca-se na concha do aparelho de Casagrande uma pasta de solo passando #40 e com umidade próxima de seu limite de plasticidade. 2º → faz-se um sulco na pasta com um cinzel padronizado. 3º → aplicam-se golpes à massa de solo posta na concha do aparelho de Casagrande, girando-se uma manivela, a uma velocidade padrão de 2 golpes por segundo. Esta manivela é solidária a um eixo, o qual por possuir um excêntrico, faz com que a concha do aparelho de casagrande caia de uma altura padrão de aproximadamente 1 cm. 4º → conta-se o número de golpes necessário para que a ranhura de solo se feche em uma extensão em torno de 1 cm. 5º → repete-se este processo ao menos 5 vezes, geralmente empregando-se valores de umidade crescentes. 6º → lançam-se os pontos experimentais obtidos, em termos de umidade versus log N° de golpes. 7º → ajusta-se uma reta passando por esses pontos. O limite de liquidez corresponde à umidade para a qual foram necessários 25 golpes para fechar a ranhura de solo. As figuras abaixo ilustram o aparelho utilizado na determinação do limite de liquidez e a determinação do limite de liquidez do solo (vide NBR 6459). De acordo com os estudos do Federal Highway Administration, o limite de liquidez pode ser determinado, conhecido “um só ponto”, pela fórmula Empírica: Aula 4 – Consistência dos Solos UNIDADE 2 – PROPRIEDADES DOS SOLOS 37 LL = w (1,419 − 0,3 log n) Onde “w” é a umidade vinculada a “n” a golpes. 2.1.2. Limite de Plasticidade É o valor de umidade para o qual o solo passa do estado semissólido para o estado plástico. A determinação do limite de plasticidade do solo é realizada seguindo-se o seguinte procedimento: 1º → prepara-se uma pasta com
Compartilhar