compressibilidade dos solos

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MECÂNICA 
DOS SOLOS 
Cleber de Freitas Floriano
Compressibilidade dos solos
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Identificar a importância da compressibilidade nos solos.
 � Conhecer os mecanismos de ocorrência da compressibilidade
nos solos.
 � Reconhecer por meio de analogia o fenômeno da compressibili-
dade dos solos.
Introdução
Neste texto, você vai identificar o que é a compressibilidade no caso 
aplicado aos solos por meio do conhecimento dos mecanismos que 
fazem os solos, em especial os solos argilosos saturados, terem um 
comportamento mecânico especial, que requer atenção extrema nas 
obras de engenharia. Verá, também, uma analogia que contribui para 
o entendimento do fenômeno da compressibilidade nos solos.
O que é um solo compressível
Você já viu que qualquer material pode ser compressível. No instante em que 
aplicamos alguma solicitação (carregamento externo), um material deve sofrer 
uma resposta àquele estado de tensões. E, normalmente o material se deforma.
Podemos citar dois exemplos clássicos antes de falarmos sobre os solos, 
os quais são os materiais objeto de nossos estudos. Esses dois materiais clás-
sicos são: uma borracha de apagar lápis e uma peça cúbica de concreto. São 
materiais de nosso dia a dia. Como já notamos intuitivamente apresentam 
propriedades muito diferentes. A borracha apresenta comportamento elástico, 
ou seja, quando recebe um carregamento (a força de nossos dedos apertando-
-a), deforma-se muito e, após a descarga, volta ao tamanho original, evidente-
mente se não exagerarmos no carregamento. Já o concreto quando aplicamos
um nível de carregamento de nossa capacidade física (tente apertar com seus
dedos...), notamos que não ocorrem deformações visíveis, daí achamos que o
concreto é um elemento indeformável. No entanto, não é bem esse o conceito
correto, pois, basta colocarmos a peça em uma prensa e se pudermos medir
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a deformação, verificamos que para o concreto existe um patamar onde as 
solicitações passam a ter expressão e, portanto, causam deformações na peça. 
Primeiro, vão acontecer as deformações como as que vemos na borracha, que 
são chamadas de deformações elásticas, ou seja, aquelas que quando descar-
regarmos (aliviarmos as cargas), observamos que a peça volta a sua dimensão 
original. Mas se continuarmos carregando (aumentando a carga) veremos que 
em determinado estado de tensões a peça de concreto entra no patamar de 
escoamento, o que corresponde à plastificação do concreto. A esse estado de 
tensões, onde existem deformações permanentes, chamamos de tensão de es-
coamento. As deformações a partir daí, passam a ser permanentes, ou seja, a 
peça deforma, mas não retorna à dimensão original, permanecendo com uma 
deformação residual.
Enfim, dois comportamentos mecânicos governam os materiais em geral: 
o comportamento elástico e o comportamento plástico (ver Figura 1). Ambos 
são intrínsecos do material, podendo ocorrerem juntos ou de forma expressi-
vamente separadas (desconsidere aqui o tempo de carregamento).
Nos solos, a resposta à aplicação de tensões é semelhante, no entanto, na 
maioria dos casos, a carga que aplicamos é a partir da superfície, portanto, um 
carregamento externo de compressão em uma massa confinada. A resposta 
a essas solicitações instigou e instiga muitos engenheiros a entender como os 
solos se comportam mecanicamente. Poderia ser a mesma situação de mate-
riais como a borracha ou seria como o comportamento do concreto? Em ver-
dade, os solos como materiais naturais se comportam de maneira única, em 
cada local ou cada ambiente. Os solos levaram milhares ou mesmo milhões de 
anos para se formarem, compondo uma estrutura complexa trifásica, algumas 
vezes quase homogênea, mas, na maioria dos casos, difícil até mesmo de de-
finir como se distribuem as camadas no espaço subterrâneo.
Com essa instigante atividade desafiadora da engenharia, durante muitos 
anos ocorre acúmulo de conhecimentos sobre a ciência da mecânica dos solos 
que vem evoluindo e trazendo diariamente novas experiências de cada obra 
de engenharia importante no planeta. Podemos citar alguns limiares classica-
mente identificados como é o caso da divisão do comportamento mecânico 
de areias (granulares, de fácil drenagem e deformações em curto prazo) e 
das argilas (solos muito finos, com dificultosa drenagem e deformações de 
longo prazo). Vale ressaltar que a drenagem, aqui, é a passagem de água pelo 
interior (poros) do solo. Sobre a compressibilidade dos solos, portanto, é im-
portante notar que a resposta a deformabilidade dos solos, em especial dos 
solos argilosos, está diretamente relacionada ao tempo de carregamento. 
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As deformações plásticas e elásticas ocorrem gradativamente, em ver-
dade, na velocidade de execução das obras (cargas). Nos casos de solos argi-
losos saturados, podem também ocorrer posterior a execução destas. Eis que 
surge um grande desafio, pois as deformações diferencias no solo implicam 
em danos a estrutura.
É fato que a deformabilidade dos solos depende de diversas condições como: 
estado do solo, a granulometria e o tipo de grão, o índice de vazios, a permeabi-
lidade, etc. O que fazemos com este material natural é tentar ao máximo padro-
nizar os diversos comportamentos mecânicos o que nada mais é do uma forma 
de matematização da natureza. Para isso, usa-se as respostas de ensaios de la-
boratório e campo combinado com o sucesso e insucesso das obras geotécnicas 
monitoradas, bem como o embasamento científico, assim, constata-se que pode 
existir modelos que se aproximam do comportamento destes materiais naturais.
A condição de grande importância prática na engenharia civil sob o ponto 
de vista da compressibilidade dos solos é a definição de recalque e o tempo 
que leva para acontecer o recalque em uma camada saturada e confinada late-
ralmente. Portanto, vamos enfatizar essa situação nesta e nas próximas aulas.
Sobre a compressibilidade dos solos, todavia, é importante notar que a res-
posta a deformabilidade, em especial dos solos argilosos, está diretamente re-
lacionada ao tempo de carregamento. Para estimar a ordem de grandeza desse 
tempo em função do carregamento de uma camada de solo, não obstante, além 
do conhecimento das propriedades do material, geometria e condições de nível 
d’água, precisamos conhecer como se distribuem as tensões nos solos.
Figura 1. Gráfico da deformação relativa em 
função da carga de compressão (q).
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Por serem materiais de massas notáveis, os solos apresentam nível de confinamento 
dependente da sua profundidade. Portanto, quanto maior a profundidade, mais confi-
nado estará o solo. Esse nível de confinamento corresponde a comportamentos mecâ-
nicos distintos para um mesmo material.
Por que ocorre a compressibilidade?
Para explicar como ocorre o fenômeno da compressibilidade, em especial nos 
casos das argilas saturadas, como já frisamos anteriormente, nada melhor que 
tomar um exemplo típico de uma condição de obra. Analise o caso da Figura 
2, onde observamos a construção de um aterro sobre uma fina camada de 
areia e, logo abaixo, uma camada de argila saturada compressível limitada 
pelo leito rochoso impermeável. 
O aterro funciona como sobrecarga. Assim, para um ponto M qualquer da 
camada compressível de argila saturada, admitimos que a pressão transmitida 
pela sobrecarga do aterro seja .
Você nota que o nível d’água encontra-se junto a superfície do terreno 
natural, assim, parte dessa pressão, u, será transmitida à água que está preen-
chendo os vazios do solo e a outra parte, q, a pressão entre contato de partí-
culas sólidas, sendo, portanto:
O acréscimo de pressão
Figura 2. Aterro condicionado à sobrecarga em uma camada compressível de solo ar-
gilososaturado.
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Como a água é incompressível, ou seja, não sofre deformação com a ação 
de carregamento, essa sobrepressão busca um caminho de dissipação, e esse 
caminho será vertical e junto à camada de areia, como mostra a Figura 3. 
Sabendo que as argilas têm baixíssima permeabilidade, notamos que esse pro-
cesso de migração da água é bastante lento. 
À medida que a água migra lentamente dos poros da argila para os poros 
da areia (que apresenta permeabilidade elevada), a sobrepressão, , vai dimi-
nuindo até anular-se, enquanto que a tensão efetiva, de contato entre grão, 
ganha magnitude, aumentado na mesma proporção, uma vez que (altura da 
camada de aterro), é constante.
Figura 3. Direção do fluxo de dissipação de sobrepressão da água nos poros saturados do 
solo argiloso.
No instante da aplicação da carga, temos que e . Passado o 
tempo necessário para dissipar a sobrepressão hidrostática, quando termina 
a transferência de para p, na prática temos que e . Em qualquer 
outra fase, ou seja, no meio tempo entre inicio de carregamento e final de 
dissipação de sobrepressão hidrostática, teremos:
visto que tanto q quanto u são funções do tempo. 
Ao final do estágio, a expulsão de água acarreta perda volumétrica, cor-
respondendo à redução de volume da camada de argila, proporcionando um 
recalque ( ) que poderia ser medido no topo do aterro, como você pode ob-
servar na Figura 4. 
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Figura 4. Adensamento final da camada de argila.
Exemplos de mecanismos como este podem ser aplicados também para uma fun-
dação superficial. Por exemplo, a sapata de um prédio solicitando uma camada de 
solo onde o acréscimo de tensões atinge uma segunda camada de solo compressível 
e ocasiona ao final do processo o recalque. Nas estruturas prediais, grande parte das 
patologias provenientes de fundações ocorre em função dessa imprevisibilidade. Cha-
mamos esse mecanismo de recalques diferenciais. 
Alguns autores identificam essa equação fundamental como a mais im-
portante da mecânica dos solos. Portanto, trata-se da lei fundamental que rege 
o fenômeno do adensamento das camadas de solo mole.
Figura 5. Transferência de pressões em uma argila saturada.
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Além do conceito de carga hidráulica, a água quando exerce fluxo, também proporciona 
força nas partículas. A este assunto, chamamos de tensões no solo submetidas a perco-
lação da água. A força de percolação é importantíssima nos casos de fluxo ascendente, 
pois acaba reduzindo as tensões efetivas no solo. Em projetos de barragem de terra você 
deve ter uma atenção imensa para que não atingir gradientes críticos que venham a causar 
danos por ruptura hidráulica, tanto no corpo da barragem como nas suas fundações.
A analogia mecânica de Terzaghi
A conhecida analogia de Terzaghi que foi apresentada por Taylor (1948, p. 
223) relaciona faz uma correspondência do fenômeno de adensamento com 
uma mola dentro de um êmbolo com água. 
A explicação da analogia segue a orientação da Figura 6, na qual você pode 
verificar, passo a passo, indicações sobre as diferentes situações do fenômeno. 
De antemão podemos associar o seguinte:
a. o êmbolo é o espaço confinado do solo argiloso;
b. a mola são as partículas sólidas do solo argiloso (o contato entre estas);
c. a torneira é o mecanismo que associa a baixa permeabilidade das ar-
gilas, que corresponde a vazão de drenagem entre os poros do solo;
d. o carregamento externo ao êmbolo (20 kN) corresponde ao acréscimo 
de tensão de um aterro sobre o solo argiloso, por exemplo.
Vejamos:
 � Na posição 1, observamos a condição inicial onde temos o êmbolo 
cheio de água com a mola totalmente esticada e a torneira de saída 
d’água permanece fechada. Isso corresponde ao estado natural do solo.
 � Na posição 2, aplicamos o carregamento externo de 20kN, mas per-
manecemos com torneira fechada. Isso corresponde a situação do car-
regamento instantâneo de uma camada de aterro ou de uma fundação 
no solo. Veja que, nesta condição, a carga aplicada é transferida na sua 
totalidade para a água.
 � Na posição 3, você abre a torneira. Nesse instante, a carga aplicada 
ainda é absorvida 100% pela água dentro do êmbolo. Isso corresponde 
ao instante t=0 onde inicia-se o processo de adensamento.
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 � Na posição 4, mantendo-se a torneira aberta, observamos que a carga
aplicada de 20 kN está sendo lentamente transferida para a mola;
15 kN ainda são suportados pela água e 5 kN pela mola. Isso cor-
responde a uma etapa do adensamento de 25% do tempo total, onde 
a tensão efetiva está aumentando à medida que a pressão neutra vai 
sendo dissipada.
 � Na posição 5, mantendo a torneira aberta, você observa que da carga
aplicada de 20 kN já foram transferidos 10 kN para a mola, e a água
restante suporta os outros 10 kN do carregamento. Isso corresponde 
a uma etapa do adensamento de 50% do tempo total, onde a tensão 
efetiva continua a aumentar à medida que a pressão neutra está sendo 
dissipada.
 � Na posição 6, mantendo a torneira aberta, você observa que da carga
aplicada de 20 kN já foram transferidos 15 kN para a mola, e a água
restante suporta os outros 5 kN do carregamento. Isso corresponde 
a uma etapa do adensamento de 75% do tempo total, onde a tensão 
efetiva continua a aumentar à medida que a pressão neutra está sendo 
dissipada.
 � Na posição 7, mantendo a torneira aberta, você observa que a carga
aplicada de 20 kN foi absorvida completamente para a mola. A partir
desse instante, não há mais deformações da mola, nem saída d’água 
pela torneira. Isso corresponde a 100% do tempo total de adensa-
mento, onde já ocorreu dissipação total da sobrepressão e ocorreu 
transferência total da carga aplicada para as tensões efetivas do solo. 
Nesse instante, o adensamento está hipoteticamente finalizado para 
a carga de 20 kN. 
Dessa analogia, você conclui que, para a ocorrência de adensamento, 
é necessária a presença de solos compressíveis, que corresponde aos solos 
de baixa permeabilidade, como os solos argilosos. A analogia é válida para 
o caso de solos saturados de água. Quando aplicamos um carregamento a
uma camada de solo compressível, verificamos que existe um acréscimo de
tensões e esse acréscimo de tensões é instantaneamente transferido como
pressão de água e lentamente dissipada com ganho de tensões efetivas. A
consequência da dissipação e expulsão vertical da água corresponde ao um
adensamento da camada de solo que será exposta por meio de um desloca-
mento (recalque) na superfície.
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Figura 6. Analogia mecânica de Terzaghi para o fenômeno de adensamento.
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Nos terrenos muito permeáveis, como os solos arenosos ou pedregulhosos sem a pre-
sença de matriz argilosa, não se aplica a situação explícita do fenômeno de adensa-
mento em função do tempo, pois as deformações são instantâneas, neste caso. 
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ALMEIDA, M. S. S.; MARQUES, M. E. S. Aterros sobre solos moles: projeto e desempenho. 
São Paulo: Oficina de Textos, 2010.
CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações. Rio de Janeiro: LTC, 1987. 
GRAIG, R. F.; KNAPPETT, J. A. Graig mecânica dos solos. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2015.
PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos em 16 aulas. 2. ed. São Paulo: Oficina de 
Textos, 2012.
TAYLOR, D. W. Fundamentals of soil mechanics. New York: John Wiley e Sons, 1948.