MecSolos_Aula01_06OUT2016

Prévia do material em texto

- Apresentação Disciplina, Bibliografia e Métodos de Avaliação
- Origem e Formação dos Solos e Índices Físicos
Professor:
Giuliano BordinTrindade
São José dos Campos, 06 de Outubro de 2016
Mecânica dos Solos
Aula 01 
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“JULIO DE MESQUITA FILHO”
Definições do Curso: Pendentes para Validação com Alunos
 Cronograma: Geral e Reposição de Aulas (?)
Aula 01: Teórica (06/10/2016)
 Origem e Formação dos Solos
 Índices Físicos
Aula 01: Prática (07/10/2016)
 Verificar Grupos (até 4 pessoas) e Turmas A e B (~20 alunos 
por turma)
 Descrição e Armazenamento das Amostras
 Determinação dos Índices Físicos
Conteúdo
2
 CAPUTO, H. P. Mecânica dos Solos e suas aplicações. 6ª. Ed., 
Rio de Janeiro, LTC Editora, 1998.
 PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos. 2ª. Ed. São 
Paulo, Oficina de Textos, 2002.
 VARGAS, M. Introdução à Mecânica dos solos. São Paulo, 
McGraw-Hill do Brasil EDUSP, 1978
 OLIVEIRA, A. M ; BRITO, S. N. A. Geologia de Engenharia. São 
Paulo, Associação Brasileira de Geologia de Engenharia, 1998.
Bibliografia
3
 Duas avaliações escritas e relatório das aulas de laboratório
Média Final: 20% Nrelatório + 80% M provas escritas
Nrelatório = média (relatório 1; relatório 2; relatório n...)
M provas escritas = (2x Prova 1 + 3x Prova 2)/5
Critérios de Avaliação
4
 O que é Solo?
 Segundo Vargas (1977), “Solo” é todo material da crosta terrestre que pode ser escavado por meio de ferramentas e que, além disso, desagrega perante longa exposição à água.
 O que é Rocha?
 Também segundo Vargas (1977), “Rocha” é todo material que necessita de explosivos para o seu desmonte. 
 O que é a Mecânica dos Solos?
 “...é a aplicação das leis da mecânica e da hidráulica aos problemas de engenharia relacionados com os sedimentos e outros depósitos não consolidados de partículas sólidas produzidas pela desintegração mecânica ou química das rochas, prescindindo do fato de conterem ou não elementos constituídos por substâncias orgânicas.” (Terzaghi, TheoreticalSoil Mechanics, 1942).
 Objetivo da Mecânica dos Solos?
 “... substituir, por métodos científicos, os métodos empíricos de projeto, aplicados no passado, na engenharia de fundações e obras de terra.” (Caputo, 1967).
Origem e Formação dos Solos
5
ORIGEM DOS SOLOS
Resultam do intemperismo ou meteorização das rochas, por dois mecanismos: desintegração mecânica ou decomposição química. Em geral, esses processos ocorrem simultaneamente, sendo que em determinados locais ou condições climáticas, um pode ter predominância sobre o outro.
1. Por desintegração mecânica: através de agentes como água, temperatura, vegetação e vento, formam-se pedregulhos e areias (solos de partículas grossas), siltes (intermediárias) e em condições especiais apenas, as argilas.
2. Por decomposição química: processo onde há modificação química ou mineralógica das rochas de origem, sendo o principal agente a água e os mais importantes mecanismos de ataque a oxidação, hidratação, carbonatação e efeitos químicos da vegetação. Argilas apresentam o último produto do processo de decomposição.
Origem e Formação dos Solos
6
 Solo apresenta-se como uma ‘função’ da rochamáter e dos diferentes 
agentes de alteração.
 Solos que mantém uma nítida macroestrutura herdada da rocha de 
origem são designados como solos saprolíticos.
 Solos que, por sua vez, apresentam aglomerações de partículas 
envoltas por deposições de sais de ferro ou alumínio, decorrentes da 
laterização*, são designados solos lateríticos.
 A maior ou menor concentração de cada tipo de partícula num solo 
depende da composição química da rocha que lhe deu origem.
Origem e Formação dos Solos
7
TIPOS MAIS COMUNS DE SOLOS
 Solos Residuais: são os que permanecem no local da rocha de origem, 
observando-se uma gradual transição do solo até a rocha (ex: 
lateríticos, expansivos, porosos também chamados de ‘colapsíveis’).
 Solos Sedimentares: são os que sofrem a ação de agentes 
transportadores, podendo ser aluvionares, eólicos, coluvionares
(gravidade) e glaciares.
 Solos Orgânicos: são os de origem essencialmente orgânica, seja de 
natureza vegetal (plantas, raízes), seja animal (conchas).
Origem e Formação dos Solos
8
CONSIDERAÇÕES SOBRE ALGUNS SOLOS BRASILEIROS
 Estado de SP: “terra roxa”, solo laterítico, de cor marrom-
avermelhada, de grande importância para cultura do café.
 Recôncavo Baiano: “massapê”, solo residual não laterítico, de cor 
escura, muito fértil, apresentando comportamento geotécnico 
peculiar. (solo expansivo, exemplo da montmorilonita).
 Trabalho da ABGE: Geologia de Engenharia (1998): livro de consulta 
com caracterização do estágio atual da geologia de engenharia 
brasileira.
Origem e Formação dos Solos
9
COMPOSIÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA DOS SOLOS
 Os minerais encontrados nos solos são os mesmos das rochas de origem (minerais primários), além de outros que se formam na decomposição (minerais secundários).
 Principais minerais componentes dos solos grossos:
o Silicatos: feldspato, mica, quartzo, serpentina, clorita, talco;
o Óxidos: hematita, magnetita, limonita;
o Carbonatos: calcita, dolomita;
o Sulfatos: gesso, anidrita.
 Principais componentes dos solos finos:
o Sílica (SiO2), em forma coloidal, e sesquióxidos metálicos da forma geral R2O3, onde R se refere a Al e Fe. 
* Razão de seisquióxidos (em peso): SiO2/R2O3 = SiO2/(Al2O3+Fe2O3), varia de 1,33 a 2,0 para solos lateríticos e é maior que 2,0 para os não leteríticos.
Origem e Formação dos Solos
10
MINERAIS ARGÍLICOS
Argilas são constituídas de pequeníssimos minerais cristalinos, chamados minerais 
argílicos. Compõem-se do agrupamento de duas unidades cristalográficas fundamentais:
o Configuração tetraedro (Figura 1), formado por um átomo de silício 
equidistante de quatro de oxigênio.
o Configuração octaedro (Figura 2), com um átomo de alumínio no centro 
envolvido por seis de oxigênio, ou grupos de oxidrilas OH. 
Figura 1 (Fonte: Caputo,2015) Figura 2 (Fonte: Caputo,2015)
Origem e Formação dos Solos
11
A associação entre si desses elementos forma diversas espécies de minerais argílicos, dentre os 
quais se distinguem três grupos principais: 
 Caulinitas: formadas por unidades de silício e alumínio que se unem alternadamente, 
conferindo-lhes uma estrutura rígida (Figura 3). Com isso, as caulinitas são relativamente 
estáveis em presença de água. Fórmula: H4Al2Si2O9 ou Al2O3 • 2SiO2 • 2H20 
Origem e Formação dos Solos
12
Figura 3: Estrutura de 
uma camada de 
caulinita:
(a) atômica, 
(b) Simbólica.
Fonte: Pinto, 2003.
 Montmorilonitas: estruturalmente formadas por uma unidade de alumínio entre duas 
unidades de silício (Figura 4). A ligação entre essas unidades, por não ser suficientemente 
firme para impedir a passagem de moléculas de água, torna essas argilas muito expansivas e 
instáveis em presença de água. Fórmula: [(OH)4Si8Al4O20nH2O)](a) 
(b)
Origem e Formação dos Solos
13
Figura 4: Estrutura de uma camada 
de montmorilonita:
(a) atômica, 
(b) Simbólica.
Fonte: Caputo, 2015.
 Ilitas: estruturalmente análogas às montorilonitas, porém menos expansivas. Em sua 
formula química, ‘y’ é geralmente 1,5. Para micas, 2,0. 
Fórmula: [(OH)4Ky(Si8-y • Aly)(Al4Fe4Mg4Mg6)O20]
Origem e Formação dos Solos
14
Figura 5: Estrutura simbólica de minerais com camadas 2:1: (a) esmectita com duas 
camadas de moléculas de água, (b) ilita. Fonte: Pinto, 2003.
Origem e Formação dos Solos
15
Tamanho das partículas (valores adotados pela ABNT)
Tabela 1 - Limites das frações de solo pelo tamanho dos grãos (modificado de Pinto, 2003).
• Diferente da ABNT, a separação entre as frações silte e areia é frequentemente tomada como
0,075 mm, correspondente à abertura da peneira n° 200, que é a mais fina peneira
correntemente usada nos laboratórios.
• O conjunto de silte e argila é denominado como a fração de finos do solo, enquanto o
conjunto areia e pedregulho é denominado fração grossa ou grosseira do solo.• Por outro lado, a fração argila é considerada, com frequência, como a fração abaixo do diâmetro
de 0,002 mm, que corresponde ao tamanho mais próximo das partículas de constituição
mineralógica dos minerais-argila.
Fração grossa do solo
Fração de finos do solo
FIGURA 6 - Exemplo de curva de distribuição granulométrica do solo (Pinto, 2003)
Origem e Formação dos Solos
16
“Existem grãos de areia com dimensões de 1 a 2 mm, e existem partículas de argila com
espessura da ordem de 10 Angstrons (0,000001 mm). Isto significa que, se uma partícula de
argila fosse ampliada de forma a ficar com o tamanho de uma folha de papel, o grão de areia
acima citado ficaria com diâmetros da ordem de 100 a 200 m.” (Pinto, 2003).
FIGURA 7 - Curvas granulométricas de alguns solos brasileiros (Pinto, 2003)
Origem e Formação dos Solos
17
 Superfície Específica
Pode ser definida como “a superfície total de um conjunto de partículas dividida
pelo seu peso” (Pinto, 2003). Caputo (1969), define como “A soma das
superfícies de todas as partículas contidas na unidade de volume (ou peso) do
solo.”
Exemplificando:
Imagine um cubo de pedregulho aresta igual a 1 cm. Sua área, portanto, é de 6
cm2, e seu volume de 1 cm3. Agora imagine um conjunto de cubos com arestas
de 0,05 mm (siltes), sua área seria 125 cm2 para cada cm3 de volume (ou 125
cm²/cm³).
Fazendo esta analogia agora com uma superfície esférica, chegaríamos à mesma
lógica, que seria: quanto mais fino for o solo, maior será a sua superfície
específica.
Origem e Formação dos Solos
18
 Certos tipos de argilas chegam a apresentar 300 m2de área por cm3 (1 cm3 ésuficiente para cobrir uma sala de aula!).
Por que isto é importante? Algumas conclusões:
 A diferença de superfície específica é uma indicação da diferença de
comportamento entre solos com distintos minerais-argila, principalmente no
que diz respeito à sua estrutura e comportamento perante à água (retenção ou
não, expansão, etc.).
 Exemplos: Caulinita 10m²/g ; Ilita 80m²/g ; Montmorilonita 800m²/g.
 Para a mesma porcentagem de fração argila, o solo pode ter comportamento
muito diferente, dependendo das características dos minerais presentes.
 Todos esses fatores interferem no comportamento do solo.
Origem e Formação dos Solos
19
Origem e Formação dos Solos
20
Exercício 1.1
Calcule a superfície específica dos seguintes sistemas de partículas, expressando-as em m2/g. Admita 
que a massa específica das partículas seja de 2,65 g/cm3:
(a) areia fina: cubos com 0,1 mm de aresta;
(b) silte: esferas com 0,01 mm de diâmetro;
(c) argila caulinita: placas em forma de prismas quadrados com 1μ de aresta e 0,1μ de altura;
(d) argila esmectita: placas em forma de prismas quadrados com 0,1μ de aresta e 0,001μ de altura.
Solução: Os cálculos estão na tabela abaixo:
Origem e Formação dos Solos
21
Exercício 1.2 Considerando que uma molécula de água tem cerca de 2,5 Å (= 2,5 × 10-8 cm) e que, 
envolvendo as partículas, a camada de água tem pelo menos a espessura de 2 moléculas, portanto 5 Å, 
estime a umidade de solos constituídos de grãos como os referidos no Exercício 1.1, quando eles 
estiverem envoltos por uma película de água de 5 Å. Que conclusões vc pode tirar a partir dos 
resultados?
Solução: Multiplicando-se a superfície específica pela espessura da película de água, tem-se o volume 
de água. Para o caso da areia fina, 1 g de solo será envolvido por 230 × 5 × 10-8 = 1,15 × 10-5 cm3 de 
água. A massa dessa água é de 1,15 × 10-5 g. Sendo de 1 g a massa do solo, a umidade é de 0,00115%.
Análise semelhante para os outros solos dão os seguintes resultados:
- silte: w = 0,0113%;
- argila caulinita: w = 0,38%; e
- argila esmectida: w = 38%.
Conclusões?
A “finura” (ou tamanho!) das partículas é importante no relacionamento com a água.
Índices Físicos
22
FIGURA 8: As fases no solo: (a) no estado natural, (b) separada em volume (Pinto, 2003).
1) Teor de Umidade – Relação entre o peso da água e o peso dos sólidos. Os teores de umidade 
dependem do tipo de solo e situam-se geralmente entre 10 e 40%, podendo ocorrer valores muito 
baixos (solos secos) ou muito altos (150% ou mais). – DETERMINADO DIRETAMENTE EM 
LABORATÓRIO PARTIR DA AMOSTRA DE SOLO.
Índices Físicos
23
2) Índice de vazios – Relação entre o volume de vazios e o volume das partículas sólidas. Costuma 
se situar entre 0,5 e 1,5, mas argilas orgânicas podem ocorrer com índices de vazios superiores a 3 
(volume de vazios, no caso com água, superior a 3 vezes o volume de partículas sólidas).
3) Porosidade – Relação entre o volume de vazios e o volume total. Indica a mesma coisa que o 
índice de vazios. Valores geralmente entre 30 e 70%.
4) Grau de Saturação – Relação entre o volume de água e o volume de vazios. Varia de zero (solo 
seco) a 100% (solo saturado).
Índices Físicos
24
5) Peso específico dos sólidos (ou dos grãos) – É uma característica dos sólidos. Relação entre o 
peso das partículas sólidas e o seu volume. É expresso pelo símbolo γs e determinado diretamente em laboratório para cada solo (Método do Picnômetro). Varia pouco de solo para solo e os valores 
situam-se em torno de 27 kN/m3 .
FIGURA 9 
Esquema da determinação do volume dos sólidos pelo peso de água deslocada, 
no ensaio de peso específico dos grãos (Pinto, 2003).
Índices Físicos
25
6) Peso específico da água – Embora varie um pouco com a temperatura, adota-se sempre como 
igual a 10 kN/m3, a não ser em certos procedimentos de laboratório. É expresso pelo símbolo γw.
7) Peso específico natural – Relação entre o peso total do solo e seu volume total. A expressão 
“peso específico natural” é, algumas vezes, substituída por “peso específico” do solo. No caso de 
compactação do solo, o peso específico natural é denominado peso específico úmido. DETERMINADO 
DIRETAMENTE EM LABORATÓRIO. Situa-se em torno de 19 a 20 kN/m3 .
8) Peso específico aparente seco – Relação entre o peso dos sólidos e o volume total. 
Corresponde ao peso específico que o solo teria se ficasse seco, se isso pudesse ocorrer sem variação de 
volume. Situa-se entre 13 e 19 kN/m3 (5 a 7 kN/m3 no caso de argilas orgânicas moles).
9) Peso específico aparente saturado – Peso específico do solo se ficasse saturado e se isso 
ocorresse sem variação de volume. Da ordem de 20 kN/m3.
10) Peso específico submerso – É o peso específico efetivo do solo quando submerso. Serve para 
cálculos de tensões efetivas. Com valores da ordem de 10 kN/m3 .
Índices Físicos
26
CÁLCULO DOS ÍNDICES DE ESTADO
Dos índices vistos, só três são determinados diretamente em laboratório: a umidade, o peso específico 
dos grãos e o peso específico natural. O peso específico da água é adotado; os outros são calculados a 
partir dos determinados.
Como? Adota-se o volume de sólidos igual a 1 (uma unidade de volume), como na Figura 10. Com 
esse esquema, correlações são facilmente obtidas.
FIGURA 10 As fases no solo: (c) em função do volume de sólidos (Pinto, 2003).
Índices Físicos
27
CÁLCULO DOS ÍNDICES DE ESTADO
Algumas relações entre índices físicos (mais importantes e mais comumente utilizadas).
Algumas resultam diretamente da definição dos índices:
Outras resultam de deduções. A sequência natural dos cálculos, a partir de valores determinados em 
laboratório, ou estimados, é a seguinte:
Aula Laboratorial
 Tema: Descrição e Armazenamento das amostras e determinação dos índices físicos.
 Capítulo 2 Livro “Mecânica dos Solos Experimental” (Faiçal Massad, 2015).
 LER MATERIAL previamente à ida ao laboratório.
 Levar material na aula laboratorial.
28
FIM AULA 01
"Se você traçar metas absurdamente altas e falhar, seu fracasso será muito melhor que o sucesso de todos." – James Cameron, cineasta
Obrigado!
29