Mecânica dos solos

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MECÂNICA DOS SOLOS: 
SOLOS 
 
 
 
 
Material heterogêneo 
Formado por matéria orgânica e inorgânica. 
Formados a partir de rochas pelo intemperismo. 
Formados por: intemperismo físico (decomposição) e 
intemperismo químico (desintegração). 
Podem ser utilizados tanto como material de suporte de 
estruturas como um material de construção. 
 
Intemperismo físico - processo mecânicos, não há mudança 
nas composições químicas e mineralógicas. 
Agentes: água, temperatura, pressão, crescimento de 
minerais, vento e organismos vivos. 
Intemperismo químico - há mudança nas composições 
químicas e mineralógicas. Principais reações químicas são 
lixiviação, oxidação, hidratação, hidrólises, carbonatação. 
Agentes: ação da água, compostos químicos e organismos 
vivos. 
 
 
 
 
Composição mineralógica:- rochas silicosas (intemperismo físico), micas e feldspatos 
(intemperismo químico) 
Solos silicosos – solos arenosos 
Micas e feldspatos – solos argilosos 
Os dois intemperismos podem acontecer simultaneamente. 
Clima – Temperatura e umidade. 
Solos tropicais (alta temperatura e pluviosidade) tem muito intemperismo químico e 
pouca MO. 
Solos secos e frios ricos em MO, solos mais escuros. 
Solos temperados: físico (inverno) e químico (verão) 
 
 
 
Topografia – solos mais íngremes, predominância do 
intemperismo físico e solos planos (maior infiltração) 
predominância do químico. 
 
Organismos – raízes (intemp. Físico) ou liberando substâncias 
(químico) 
 
Tempo – quando maior o tempo, maior o intemperismo. 
Quanto mais agressivo o intemperismo, menor o tempo e 
menor as partículas do solo. 
 
 
 
 
 
 
Residuais 
Permanecem no local em que são formados. 
Transição gradual do tamanho e de composição. 
Nas camadas superficiais solos totalmente alterados com 
predominância de matéria orgânica. 
Possuem características das rochas de origens. 
Taxa de deposição >Taxa de carregamento/remoção 
 
Sedimentares 
Solos transportados. 
Extremamente heterogêneos (formados por várias rochas-mães) 
Tipos principais: 
Solos aluviares (Água - influenciado pela velocidade da água) Solos 
coluvionares (Gravidade - comum em encostas e tem um alto índice 
de vazios, pouco capacidade de suporte); Eólicos (Vento- Dunas, 
solos uniformes, pois o próprio vento seleciona o tamanho das 
partículas) e solos glaciais.) 
 
Orgânicos 
MO > 20% 
Coloração escura 
Estrutura fibrosa 
Muito compressíveis, baixa capacidade de suporte e de alta 
permeabilidade. 
Turfa >75% de MO 
 
 
 
Água livre – ocupa os espaços vazios, evapora no meio. 
Água higroscópica – está ao redor das partículas Processo de 
secagem. 
Água capilar – ocupa os vazios capilares 
Água adsorvida- importante para argilas (polaridade), removidas 
em temperaturas altíssimas. 
Água de constituição – entra na composição química. 
 
 
 
. 
 
 
 
 
 
Formado por sólidos, água e ar. 
Sólidos: fração fina (<0,075mm) e grossa (>0,075 mm). 
Forma das partículas sólidas: arredondadas (solos aluvionares); 
lamelares (argilas), fibrilares (solos orgânicos) e angulares (areias). 
 
* O formato lamelar é responsável por várias propriedades das 
argilas, como a compressibilidade e a plasticidade. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MECÂNICA DOS SOLOS: 
ENSAIOS PARA IDENTIFICAÇÃO 
DOS SOLOS 
 
 
 
 
Identificar dimensões e proporções. 
Fração grossa (>0,075mm #200) - ensaio de peneiramento 
Fração fina (<0,075mm #200) - sedimentação 
 
Ensaio de peneiramento 
Primeiramente, o material será destorroado e a amostra 
será seca (105ºc) até a constância de massa. 
 
Curva granulométrica 
Porcentagem em massa do material passante em função do 
tamanho das partículas em escala logarítmica. 
Representa os dois ensaios peneiramento + sedimentação 
Curvas contínuas, descontínuas e uniformes. 
Coeficiente de não uniformidade (CNU= D60/D10) 
Solo uniforme CNU <5, média 5<CNU<15, sem uniformidade 
CNU>15. 
Coeficiente de curvatura (CC= D302/(D60XD10) 
Solos bem graduado 1<CC<3; Descontinuo CC<1; Uniforme 
CC>3. 
 
*D10 = Diâmetro efetivo. 
 
Utilizado em argilas. 
Propriedades das argilas dependem da umidade. 
Argilas possuem plasticidade. 
Plasticidade - solo ser deformado e manter a forma. 
Teor de umidade 
 LL LP LC 
LÍQUIDO PLÁSTICO SEMISÓLIDO SÓLIDO 
 
Limite de liquidez (LL) – aparelho de Casagrande (Ranhura + 25 golpes) 
Limite de plasticidade (LP) – moldura de um rolinho 
Índice de plasticidade (IP) = LL-LP, quanto maior o IP mais plástico 
Fracamente plástico 1<IP<7, medianamente plástico 7<IP,15, alta plast. IP>15 
Como calcular o IC (Índice de consistência): 
Consistência das argilas – grau de adesão 
Por ensaio de resistência 
Consistência Res. (Kpa) 
Muito mole <25 
Mole 25 a 50 
Média 50 a 100 
Rija 100 a 200 
Muito rija 200 a 400 
Dura >400 
 
Por índices de consistência 
IC= 
(𝐿𝐿−ℎ)
𝐼𝑃
 
 
Consistência Res. (Kpa) 
Muito mole 0 
Mole <0,5 
Média 0,5 a 0,75 
Rija 0,75 a 1 
Dura >1 
 
 
 
 
 
 
 
Alteração na capacidade de suporte, mesmo com diminuição de 
índice de vazios- destruição da matriz do solo 
 
S= Tensão ind/Tensão Amolgado 
 
Classificação Sensitividade 
Insensitiva 1 
Baixa sensitividade 1 a 2 
Média sensitividade 2 a 4 
Sensitiva 4 a 8 
Ultrassensitiva >8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MECÂNICA DOS SOLOS: 
CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS 
 
 
 
 
Distribuição granulométrica (grossos, finos e turfas) 
Grossos (pedregulho e areais): % #200 <50% 
Finos (siltes, argilas e orgânicos: % #200 >50% 
Turfas: MO >75% 
Duas letras para classificação 
Primeira letra (tipo principal do solo) 
Segunda letra (Graduação e compressibilidade) 
 
Tipo principal Dados complementares 
G Pedregulho W Bem Graduado 
S Areia P Mal Graduado 
M Silte H Alta 
Compressibilidade 
C Argila L Baixa 
compressibilidade 
O Orgânico PL Turfa 
Classificação unificada: solos finos 
1º passo: solo é fino ou grosso? Olhar %retido na #200 
Se solo fino: 2ª passo: carta de Casagrande ou carta de plasticidade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diferenciação entre silte e orgânico pela cor. 
Classificação dupla, se próximo de uma das retas. 
Normatizado pela AASTHO, 
Utiliza a granulometria e os limites de consistência. 
Índice de grupo.: 
IG = (F-35) [0,20+0,005(LL-40] + 0,01 (F-15)(IP-10) 
F= quant. finos (<0,075mm) 
Quanto maior o IG, menor a capacidade de suporte do solo 
Composto por 7 tipos de solos (A-1 a A-7) 
Materiais granuloso (%finos <35%) A1-A3 
Materiais silicosos ou argilosos (%finos >35%) A4 – A7 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Classificação unificada: solos grossos 
1º passo: solo grosso (identificar solo predominante) 
2º passo: determinas a % finos 
3º passo: Considerando pedregulho 
% finos <5% (bem graduado (W) ou mal graduado (P)) 
( CU >4 e 1 < CC <3) – GW senão, GP *se areia CU > 6 
% finos entre 5 e 12% - Nome duplo com fração fina (Carta de plasticidade) – GW- GC 
% finos >12% - Nome do solo fino predominante (Carta de plasticidade) – GM ou GC 
 
 
LL 
IP 
CH 
MH ou OH 
IP = 0,73(LL-20) 
50% 
CL 
ML ou OL 
7 
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MECÂNICA DOS SOLOS: 
ÍNDICE FÍSICOS 
 
 
 
 
Solo é formado por três fases. 
Volume totol (Vt) = Volume sólidos (Vs) = Volume de vazios (Vv) 
Onde, Volume de vazios (água+ar). 
Peso total (Pt) = peso sólidos (Ps)+ peso da água (Pa) 
Será desconsiderado o peso do ar. 
A quantidade de partículas sólidas em um determinado solo é 
sempre a mesma, contudo, a quantidade de água ou ar pode 
variar. 
O solo também pode ter todos os seus vazios preenchidos por 
água e nesse caso o solo é dito como saturado. 
 
 
 
 
Umidade: ℎ (%) =
𝑃𝑎
𝑃𝑠 
 *Pa é determinado pela secagem de uma massa já 
conhecida. A umidade também pode ser determinada em campo por meio do 
ensaio conhecido como Speedy. 
Peso específico aparente ou natural do solo: 𝛾𝑛 =
𝑃𝑡
𝑉𝑡
 *Umidade diferente de 0% 
Peso específico aparente do solo seco: 𝛾𝑑 =
𝑃𝑠
𝑉𝑡
 *Umidade é 0% 
Peso específico saturado: 𝛾𝑠𝑎𝑡 =
𝑃𝑠𝑎𝑡
𝑉𝑡
 
Peso específico real: 𝛾𝑠 =𝑃𝑠
𝑉𝑡
 *Nesse caso, não é considerado o peso da água e 
nem o volume de vazios. Maior valor de peso específico que um solo pode ter. 
 
*Volume total determinado pelo método do frasco de areia. 
*Para converter massa específica em peso específico, basta multiplicá-la pela 
aceleração da gravidade (9,81 m/s²). 
Peso específico da água: 𝛾𝑎 =
𝑃𝑎
𝑉𝑎
, normalmente adota 10 
KN/m3 
Peso específico submerso: 𝛾𝑠𝑢𝑏 = 𝛾𝑠𝑎𝑡 − 𝛾𝑎 
Densidade específica real: 𝛿 =
𝛾𝑠
𝛾𝑎
 
Índice de vazios: 𝑒 =
𝑉𝑣
𝑉𝑠
 
Porosidade: 𝑛 =
𝑉𝑣
𝑉𝑡
 
Grau de saturação: 𝑆 =
𝑉𝑎
𝑉𝑣
 
 
 
 
Em laboratório, conseguimos determinar umidade, peso específico real e peso 
específico natural. 
 
𝑛 =
𝑒
1 + 𝑒
 𝛾𝑛 =
𝛾𝑠 (1 + ℎ)
1 + 𝑒
 𝛾𝑑 =
𝛾𝑠 
1 + 𝑒
 𝑛 =
𝛾𝑠 + 𝑒. 𝛾𝑎
1 + 𝑒
 
𝛾𝑑 =
𝛾𝑛 
1 + ℎ
 𝑒 =
𝛾𝑠
𝛾𝑑
 − 1 𝑆 =
𝛾𝑠. ℎ
𝛾𝑎. 𝑒
 
 
 
 
 
 
𝐶𝑅 = 
𝑒𝑚á𝑥 − 𝑒𝑛𝑎𝑡
𝑒𝑚á𝑥 − 𝑒𝑚í𝑛
 
Classificação CR 
Areia fofa <0,33 
Areia de 
compacidade média 
0,33 < CR <0,66 
Areis compacta >0,66 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MECÂNICA DOS SOLOS: 
COMPACTAÇÃO 
 
 
 
Solo: partículas sólidas + vazios. 
Reduzir o ar do solo: compactação. 
Densificação do solo. 
Melhorar a capacidade de suporte 
Solos mais homogêneo, resistente e estáveis.. 
Manuais ou mecânicos. 
 
 
 
Aumento dos vazios do solo, quando ele é revirado/escavado – perda de 
confinamento e rearranjo. 
 
𝑣𝑡𝑠 = 𝑣𝑐 (1 + 𝐸) 
 
Pode-se encontrar Vc pela densidade do solo. 
 
 
 
Melhora as propriedades do solo. 
Volume da fase sólida não se altera, porém os vazios diminuem. 
Ensaio de Proctor – cilindro padrão compactado em 3 camadas 
com 26 golpes. 
Solo é seco. 
 
 
 
 
 
 
 
Máximo do gráfico – umidade ótima e máxima massa seca 
encontrada. 
Formato de sino 
Água funciona como lubrificantes no ramo seco, umidade e massa 
específica aumenta 
No ramo úmido, água é incompressível por isso a massa seca 
decresce com o aumento da umidade. 
Não é possível eliminar todos os vazios presentes no solo, assim a 
curva de compactação nunca irá alcançar a curva de saturação. 
 
 
 
 
 
Soquetes mecânicos – usado em valas ou solos de difícil 
acesso, camadas até 15 cm. 
 
Rolos estáticos – não utilizam vibração (lisos – comuns em 
etapas finais, para solos granulares; pé-de-carneiro – 
protuberâncias na roda, amassamento do solo para solos 
argilosos e pneumáticos – acabamento final) 
 
Rolos vibratórios – ideal para solos granulares (areias) 
 
 
 
. 
 
 
 
 
 
 
Energia de compactação – quando maior desloca o gráfico para cima e esquerda 
(umidade ótima menor e densidade seca aumenta no ramo seco, como a água é 
incompressível (fenômeno “borrachudo” a densidade seca não altera no ramo 
úmido). 
𝐸𝑐 =
𝑀𝐻𝑁𝑔𝑁𝑐
𝑣
 
 
Controle em campo 
 
Grau de compactação: GC = 
𝛾𝑑𝑎𝑡𝑒𝑟𝑟𝑜
𝛾𝑑𝑙𝑎𝑏
 ≥ 95%, em casos mais especiais ≥ 98% 
 
Umidade – mais controlada no laboratório, em campo a norma aceita variações 
de 2% para mais ou para menos. 
 
 
 
Umidade ótima 
𝛾𝑑 
Umidade (%) 
Ramo úmido 
Ramo 
seco 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MECÂNICA DOS SOLOS: 
ÁGUA NOS SOLOS 
 
 
 
 
Material incompressível. 
Não possui res. ao cisalhamento. 
Importante para cálculo de vazão (perda de água de um 
reservatório), os recalques e a estabilidade. 
 
 
 
 
Ascenção de água acima do lençol freático, só é possível se os vazios forem capilares (tensão superficial) 
Quanto menor os capilares/diâmetro, maior a altura de ascensão. 
Geralmente, os solos arenosos apresentam altura de ascensão de 30 cm a 1 m. No caso dos siltes ou argilas, essa 
altura pode chegar a dezenas de metros. 
ℎ𝑐 =
2𝑇
𝑟𝛾𝑎
 
Nível de saturação – ponto acima do lençol 
Tensão capilar: aumenta com a evaporação da água e termina quando umidade é zero. 
A tensão capilar influencia na contração do solo. 
Solos saturados não tem tensão superficial. 
*Falsa coesão nas areias (experiencia do balde de areia) 
 
 
Água que escoa pelo solo 
 
Coeficiente de permeabilidade (k) 
Permeâmetro de carga constante (solos granulares) 
Permeâmetro de carga variável (solos finos) 
Ensaio de bombeamento – feito em campo 
Indiretamente- através do ensaio de adensamento 
 
Lei de Darcy – válido para regime laminar 
𝑄 = 𝑘. 𝐴.
ℎ
𝐿
 
H – Desnível entre cargas hidráulicas 
L- Comprimento do solo analisado 
Gradiente hidráulico 
𝑖 =
ℎ
𝐿
 
Velocidade de escoamento: 
𝑣 = 𝑘. 𝑖 
 
 
 
 
 
 
 
Tipo de solo – argila 10-9 m/s; areias 10-3 m/s 
Temperatura- quanto maior a temperatura, menor a viscosidade e maior 
permeabilidade. 
Índice de vazios – quanto maior e, maior permeabilidade. 
Estrutura do solo – arranjo das partículas. 
Estratificação - o coeficiente de permeabilidade varia na direção vertical e 
na horizontal. 
Grau de saturação- geralmente solos saturados, são menos permeáveis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MECÂNICA DOS SOLOS: 
TENSÃO NOS SOLOS 
 
 
 
 
Solo sofre deformação com a aplicação de cargas – 
comportamento complexo por não ser um material contínuo. 
Partículas sólidas suportam as cargas de cisalhamento. 
Por outro lado, as tensões normais são suportadas tanto 
pelo esqueleto rígido do solo, como pela água. 
Carga transferida de partícula a partícula. 
Solos granulares (contato direto entre grãos) 
Solos argilosos (contato indireto por meio de água adsorvida) 
 
 
Facilita a abordagem, porque não se determina a área de contato entre 
partículas. 
Considera-se a área de atuação no solo como um todo. 
Tensão normal e tensão de cisalhamento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pressão geostática: 
Peso próprio do solo – não pode ser desconsiderado 
 
𝛾1 
 
𝛾2 
𝜎𝑣 = 𝑧1𝛾1 + 𝑧2𝛾2 
 
Pressão neutra 
𝑢 = ℎ𝑎𝛾𝑎 
Observar a presença de N.A no terreno. 
A água deve entrar nos cálculos de tensão. 
Recebe o nome de pressão neutro ou poropressão 
 
Tensão efetiva 
A tensão vertical normal depende da tensão efetiva e da pressão 
neutra. 
Tensão efetiva é o contato entre as partículas. 
Se a tensão vertical e poropressão aumentam na mesma proporção, 
logo não se altera a tensão efetiva. 
Sempre que houver variação da tensão efetiva, haverá variações de 
volume 
𝜎𝑣 = 𝜎
′ + 𝑢 
*Para solos abaixo do N.A, usar peso submerso. 
 
 
 
Geralmente, rompimento do solo por cisalhamento. 
Capacidade do solo depende da res. ao cisalhamento. 
Res. ao cisalhamento: ângulo de atrito + coesão 
A coesão é a característica dos solos finos. Areias e pedregulhos 
são solos não coesivos. 
Coesão aumenta com o aumento da quantidade de argila, relação 
pré-adensamento e diminuição do teor de umidade. 
 
𝜏 = 𝑐 + 𝜎. 𝑡𝑔𝜙′ 
 
 
 
 
 
N.T 
z1 
z2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MECÂNICA DOS SOLOS: 
COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO 
 
 
 
 
Relacionado a deformação do solo. 
Deformação mais complexa – solo não é um material 
contínuo. 
Deformação dos solos: compressão das partículas, 
compressão da água ou expulsão da água. 
O mais importante seria a expulsão da água ou dos vazios. 
Deformações são calculadas em função da variação da 
tensão efetiva. 
Deformações podem ser rápidas ou lentas. 
 
 
 
 
 
Diminuição do volume de vazios por causa da carga aplicada. 
Compactação – retira o ar do solo 
Adensamento – retira a água dos solos. 
 
 
 
Tipo de solos: solos arenosos (permeabilidade alta, não acontece 
adensamento, tensão efetiva é praticamente igual à tensão 
aplicada), solos argilosos (sofrem adensamento) 
Estrutura do solo: quanto maior o índice de vazios, mais 
compressível. 
Nível de tensão: se o solo já sofreu pré-adensamento, ele já está 
em processo de adensamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Recalque imediato: imediato a aplicação da força com redução 
de vazios de ar, não segue a teoria de adensamento; típico de 
solos arenosos e argilas não-saturadas. 
Recalque primário: expulsa a água pela variação da tensão 
efetiva. 
Recalque secundário: deformação lentae com tensão efetiva 
praticamente constante. Efeito mais pronunciado em solos ricos 
em MO. 
 
 
 
 
 
 
Teoria de adensamento unidirecional. 
Solo é considerado homogêneo e totalmente saturado. 
Fluxo de água é unidimensional e governado pela Lei de Darcy. 
Além disso, As partículas sólidas e a água são consideradas como 
incompressíveis. O índice de vazios varia linearmente como o 
aumento da tensão efetiva. 
 
 
 
 
 
 
Amostra submetida a esforços de tensão vertical em um molde 
que impede as deformações laterais. 
A variação da altura da amostra representa o recalque. 
Plota-se um gráfico do índice de vazios em função da tensão 
aplicada; 
𝛥ℎ =
ℎ0
1 + 𝑒0
𝛥𝑒 
 
Se grande variação do índice de vazios – solo está normalmente 
adensado. 
Se pequena variação – solo pré-adensado.