Universidade Federal da Bahia - Escola PolitécnicaDepartamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais

(Setor de Geotecnia)

MECÂNICA DOS SOLOS IConceitos introdutórios

Autores: Sandro Lemos Machado e Miriam de Fátima C. Machado

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MECÂNICA DOS SOLOS IConceitos introdutórios

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO AO CURSO. 41.1 Importância do estudo dos solos 41.2 A mecânica dos solos, a geotecnia e disciplinas relacionadas. 41.3 Aplicações de campo da mecânica dos solos. 51.4 Desenvolvimento do curso. 5

2. ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS. 62.1 Conceituação de solo e de rocha. 62.2 Intemperismo. 62.3 Ciclo rocha - solo. 82.4 Classificação do solo quanto a origem e formação. 10

3. TEXTURA E ESTRUTURA DOS SOLOS. 173.1 Tamanho e forma das partículas. 173.2 Identificação táctil visual dos solos. 183.3 Análise granulométrica. 203.4 Designação segundo NBR 6502. 233.5 Estrutura dos solos. 243.6 Composição química e mineralógica 25

4. FASES SÓLIDA - ÁGUA - AR. 284.1 Fase sólida. 284.2 Fase gasosa. 284.3 Fase líquida. 28

5. LIMITES DE CONSISTÊNCIA. 295.1 Noções básicas 295.2 Estados de consistência. 295.3 Determinação dos limites de consistência. 305.4 Índices de consistência 325.5 Alguns conceitos importantes. 33

6. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS. 366.1 Classificação segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS).376.2 Classificação segundo a AASHTO. 42

7. ÍNDICES FÍSICOS. 467.1 Introdução. 467.2 Relações entre volumes. 467.3 Relação entre pesos e volumes - pesos específicos ou entre massas e volumes - massa

específica. 477.4 Diagrama de fases. 487.5 Utilização do diagrama de fases para a determinação das relações entre os diversos

índices físicos. 497.6 Densidade relativa 497.7 Ensaios necessários para determinação dos índices físicos. 50

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7.8 Valores típicos. 51

8. DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES NO SOLO 528.1 Introdução. 528.2 Tensões em uma massa de solo. 528.3 Cálculo das tensões geostáticas. 548.4 Exemplo de aplicação. 568.5 Acréscimos de tensões devido à cargas aplicadas. 57

9. COMPACTAÇÃO. 739.1 Introdução 739.2 O emprego da compactação 739.3 Diferenças entre compactação e adensamento. 739.4 Ensaio de compactação 749.5 Curva de compactação. 749.6 Energia de compactação. 769.7 Influência da compactação na estrutura dos solos. 779.8 Influência do tipo de solo na curva de compactação 779.9 Escolha do valor de umidade para compactação em campo 789.10 Equipamentos de campo 799.11 Controle da compactação. 819.12 Índice de suporte Califórnia (CBR). 83

10. INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO. 8610.1 Introdução. 8610.2 Métodos de prospecção geotécnica. 87

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NOTA DOS AUTORES

� Estetrabalhofoi desenvolvidoapoiando-senaestruturaçãoe ordenaçãode tópicosjá existentesno Departamentode Ciênciae Tecnologiados Materiais (DCTM),relativosà disciplinaMecânicadosSolos.Destaforma,a ordenaçãodoscapítulosdo trabalhoe a sualógica deapresentaçãodevemmuito ao materialdesenvolvidopelos professoresdeste Departamento,antes do ingressodo professorSandroLemos Machado à UFBA, o que se deu em 1997.

� Vale ressaltartambémque o capítulo de origem e formação dos solos, cujoconteúdoé apresentadono volume1 destetrabalho,tem a suafundamentaçãonomaterial elaborado,com uma enorme base de conhecimentoregional, pelosprofessoresdo DCTM e pelo aluno Maurício de JesusValadão,apresentadoemum volume de notasde aulas, de grandevalor didático e certamentereferênciabibliográfica obrigatóriapara os alunosque cursama disciplina MecânicadosSolos.

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1. INTRODUÇÃO AO CURSO

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Quasetodasas obrasde engenhariatêm, de algumaforma, de transmitir as cargassobre elas impostasao solo. Mesmo as embarcações,ainda durante o seu período deconstrução,transmitemao solo as cargasdevidasao seu peso próprio. Além disto, emalgumasobras,o solo é utilizado como o próprio material de construção,assimcomo oconcretoe o açosãoutilizadosna construçãode pontese edifícios.Sãoexemplosde obrasque utilizam o solo como material de construçãoos aterros rodoviários, as basesparapavimentosde aeroportose as barragensde terra, estasúltimas podendoser citadascomopertencentesa umacategoriade obrade engenhariaa qual é capazde concentrar,em um sólocal, uma enorme quantidadede recursos,exigindo para a sua boa construçãoumagigantescaequipe de trabalho, calcada principalmentena interdisciplinaridadede seuscomponentes.O estudodo comportamentodo solo frenteàssolicitaçõesa ele impostasporestasobrasé portantode fundamentalimportância.Pode-sedizer que,de todasasobrasdeengenharia,aquelasrelacionadasaoramodo conhecimentohumanodefinidocomogeotecnia(do qual a mecânicado solos faz parte), são responsáveispela maior parte dos prejuízoscausadosà humanidade,sejam eles de naturezaeconômicaou mesmoa perda de vidashumanas.No Brasil, por exemplo,devidoaoseuclima tropicale aocrescimentodesordenadodasmetrópoles,um sem númerode eventoscomo os deslizamentosde encostasocorrem,provocandoenormesprejuízose ceifandoa vida de centenasde pessoasa cadaano.Vê-sedaqui a grandeimportânciado engenheirogeotécnicono acompanhamentodestasobrasdeengenharia, evitando por vezes a ocorrência de desastres catastróficos.

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Por sero solo um materialnatural,cujo processode formaçãonãodependede formadiretada intervençãohumana,o seuestudoe o entendimentodeseucomportamentodependede umasériede conceitosdesenvolvidosem ramosafins de conhecimento.A mecânicadossolosé o estudodo comportamentode engenhariado solo quandoesteé usadoou comomaterial de construçãoou como material de fundação.Ela é uma disciplina relativamentejovem da engenhariacivil, somentesistematizadae aceita como ciência em 1925, apóstrabalhopublicadopor Terzaghi(Terzaghi,1925),que é conhecido,com todosos méritos,como o pai da mecânica dos solos.

Um entendimentodosprincípiosdamecânicadossólidosé essencialparao estudodamecânicados solos.O conhecimentoe aplicaçãode princípios de outrasmatériasbásicascomo física e química são também úteis no entendimento desta disciplina. Por ser um materialde origem natural, o processode formaçãodo solo, o qual é estudadopela geologia, iráinfluenciarem muito no seucomportamento.O solo, comoveremosadiante,é um materialtrifásico,compostobasicamentede ar, águae partículassólidas.A partefluida do solo (ar eágua)podese apresentarem repousoou podese movimentarpelosseusvaziosmedianteaexistênciade determinadasforças.O movimentoda fasefluida do solo é estudadocom baseem conceitos desenvolvidospela mecânica dos fluidos. Pode-secitar ainda algumasdisciplinas,como a física dos solos,ministradaem cursosde agronomia,como de grandeimportânciano estudode umamecânicadossolosmaisavançada,denominadade mecânicadossolosnãosaturados.Além disto,o estudoe o desenvolvimentodamecânicadossolossãofortemente amparados em bases experimentais, a partir de ensaios de campo e laboratório.

A aplicaçãodos princípios da mecânicados solos para o projeto e construçãodefundaçõesé denominadade "engenhariade fundações".A engenhariageotécnica(ougeotecnia)pode ser consideradacomo a junção da mecânicados solos,da engenhariade

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fundações,da mecânicadas rochas,da geologia de engenhariae mais recentementedageotecniaambiental,que trata de problemascomo transportede contaminantespelo solo,avaliaçãode locaisimpactados,proposiçãodemedidasderemediaçãoparaáreasimpactadas,projetos de sistemas de proteção em aterros sanitários, etc.

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Fundações: As cargas de qualquer estrutura têm de ser, em última instância,descarregadasno solo atravésde suafundação.Assim a fundaçãoé uma parteessencialdequalquerestrutura.Seutipo e detalhesdesuaconstruçãopodemserdecididossomentecomoconhecimento e aplicação de princípios da mecânica dos solos.

Obras subterrânease estruturas de contenção:Obrassubterrâneascomoestruturasde drenagem,dutos, túneis e as obrasde contençãocomo os muros de arrimo, cortinasatirantadassomentepodemserprojetadase construídasusandoosprincípiosdamecânicadossolos e o conceito de "interação solo-estrutura".

Projeto de pavimentos: o projeto de pavimentospode consistir de pavimentosflexíveisou rígidos.Pavimentosflexíveisdependemmaisdo solosubjacenteparatransmissãodascargasgeradaspelo tráfego.Problemaspeculiaresno projetodepavimentosflexíveissãoo efeitodecarregamentosrepetitivose problemasdevidosàsexpansõese contraçõesdo solopor variações em seu teor de umidade.

Escavações,aterros e barragens: A execuçãode escavaçõesno solo requerfreqüentementeo cálculo da estabilidadedos taludes resultantes.Escavaçõesprofundaspodemnecessitarde escoramentosprovisórios,cujosprojetosdevemser feitos com basenamecânicados solos. Paraa construçãode aterrose de barragensde terra, onde o solo éempregadocomo material de construçãoe fundação,necessita-se de um conhecimentocompletodo comportamentode engenhariadossolos,especialmentenapresençade água.Oconhecimentoda estabilidadede taludes,dos efeitosdo fluxo de águaatravésdo solo, doprocessode adensamentoe dos recalquesa ele associados,assim como do processodecompactaçãoempregadoé essencialpara o projeto e construçãoeficientesde aterrosebarragens de terra.

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Estecursode mecânicadossolospodeter suaparteteóricadividida em duaspartes:umaparteenvolvendoos tópicosorigeme formaçãodossolos,texturae estruturadossolos,análisegranulométrica,estudodas fasesar-água-partículassólidas,limites de consistência,índicesfísicose classificaçãodossolos,ondeumaprimeiraaproximaçãoé feita com o temasolos e uma segunda parte, envolvendo os tópicos tensõesgeostáticase induzidas,compactação,permeabilidadedos solos, compressibilidadedos solos, resistência aocisalhamento,estabilidadede taludese empuxosde terrae estruturasdecontenção,ondeumtratamento mais fundamentado na ótica da engenharia civil é dado aos solos.

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2. ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS.

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Quandomencionamosa palavrasolo já nosvema menteumaidéia intuitiva do quesetrata.No linguajarpopulara palavrasoloestáintimamenterelacionadacoma palavraterra,aqual poderiaser definida como material solto, natural da crostaterrestreonde habitamos,utilizado como materialde construçãoe de fundaçãodasobrasdo homem.Uma definiçãoprecisae teoricamentesustentadado significadodapalavrasoloé contudobastantedifícil, demodoqueo termosolo adquirediferentesconotaçõesa dependerdo ramodo conhecimentohumanoque o emprega.Paraa agronomia,o termo solo significa o materialrelativamentefofo dacrostaterrestre,consistindoderochasdecompostase matériaorgânica,o qualé capazde sustentara vida. Destaforma, os horizontesde solo paraagriculturapossuemem geralpequenaespessura.Para a geologia, o termo solo significa o material inorgânico nãoconsolidadoprovenientedadecomposiçãodasrochas,o qualnãofoi transportadodo seulocalde formação.Na engenharia,é convenientedefinir como rocha aquilo que é impossívelescavarmanualmente,quenecessitedeexplosivoparaseudesmonte.Chamamosdesolo,emengenharia,a rochajá decompostaaopontogranulare passíveldeserescavadaapenascomoauxílio de pás e picaretas ou escavadeiras.

A crostaterrestreé compostadeváriostiposdeelementosqueseinterligame formamminerais.Essesmineraispoderãoestaragregadoscomorochasou solo.Todosolotemorigemnadesintegraçãoe decomposiçãodasrochaspelaaçãodeagentesintempéricosou antrópicos.As partículasresultantesdesteprocessode intemperismoirão dependerfundamentalmentedacomposiçãoda rochamatriz e do clima da região.Por ser o produtoda decomposiçãodasrochas,o solo invariavelmenteapresentaum maior índice de vazios do que a rocha mãe,vazios estesocupadospor ar, água ou outro fluido de naturezadiversa. Devido ao seupequenoíndice de vazios e as fortes ligaçõesexistentesentre os minerais,as rochassãocoesas,enquanto que os solos são granulares.Os grãos de solo podem ainda estarimpregnadosde matériaorgânica.Destaforma,podemosdizer queparaa engenharia,solo éum material granular composto de rocha decomposta,água, ar (ou outro fluido) eeventualmente matéria orgânica, que pode ser escavado sem o auxílio de explosivos.

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Intemperismoé o conjuntode processosfísicos,químicose biológicospelosquaisarochasedecompõeparaformaro solo.Porquestõesdidáticas,o processode intemperismoéfreqüentementedividido emtrêscategorias:intemperismofísico químicoe biológico.Deveseressaltarcontudo,quenanaturezatodosestesprocessostendema aconteceraomesmotempo,de modoqueum tipo de intemperismoauxilia o outro no processode transformaçãorocha-solo.

Os processosde intemperismofísico reduzemo tamanhodaspartículas,aumentandosua áreade superfíciee facilitando o trabalhodo intemperismoquímico. Já os processosquímicos e biológicos podem causara completaalteraçãofísica da rocha e alterar suaspropriedades químicas.

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É o processo de decomposiçãoda rocha sem a alteração química dos seuscomponentes. Os principais agentes do intemperismo físico são citados a seguir:

Variações de Temperatura - Da física sabemosque todo materialvaria de volumeem funçãode variaçõesna suatemperatura.Estasvariaçõesde temperaturaocorrementreodia e a noitee duranteo ano,e suaintensidadeseráfunçãodo clima local. Acontecequeuma

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rocha é geralmenteformada de diferentestipos de minerais, cada qual possuindoumaconstantede dilataçãotérmicadiferente,o quefaz a rochadeformarde maneiradesigualemseuinterior, provocandoo aparecimentode tensõesinternasquetendema fraturá-la.Mesmorochascom uma uniformidadede componentesnão têm uma arrumaçãoque permitaumaexpansãouniforme,poisgrãoscompridosdeformammaisnadireçãodesuamaiordimensão,tendendo a gerar tensões internas e auxiliar no seu processo de desagregação.

Repuxo coloidal - O repuxocoloidal é caracterizadopelaretraçãodaargila devidoàsuadiminuiçãode umidade,o queem contatocom a rochapodegerartensõescapazesdefraturá-la.

Ciclos gelo/degelo- As fraturasexistentesnasrochaspodemseencontrarparcialmenteou totalmentepreenchidascom água.Estaágua,em funçãodascondiçõeslocais,podevir acongelar,expandindo-see exercendoesforçosno sentidode abrir ainda mais as fraturaspreexistentesnarocha,auxiliandono processode intemperismo(a águaaumentaemcercade8% o seuvolumedevidoà novaarrumaçãodassuasmoléculasdurantea cristalização).Valeressaltartambémquea águatransportasubstânciasativasquimicamente,incluindo saisqueao reagirem com ácidos provocam cristalização com aumento de volume.

Alívio de pressões- Alívio depressõesirá ocorreremum maciçorochososemprequedaretiradadematerialsobreou aoladodo maciço,provocandoa suaexpansão,o quepor suavez,irá contribuirno fraturamento,estricçõese formaçãodejuntasnarocha.Estesprocessos,isoladosou combinados(caso mais comum) "fraturam" as rochascontinuamente,o quepermitea entradade agentesquímicose biológicos,cujos efeitosaumentama fraturaçãoetende a reduzir a rocha a blocos cada vez menores.

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É o processo de decomposiçãoda rocha com a alteração química dos seuscomponentes.Há várias formas atravésdas quais as rochasdecompõem-sequimicamente.Pode-sedizer,contudo,quepraticamentetodoprocessodeintemperismoquímicodependedapresença da água. Entre os processos de intemperismo químico destacam-se os seguintes:

Hidrólise - Dentre os processosde decomposiçãoquímica do intemperismo,ahidrólise é a que se reveste de maior importância, porque é o mecanismo que leva a destruiçãodossilicatos,que sãoos compostosquímicosmais importantesda litosfera.Em resumo,osmineraisnapresençadosíonsH+ liberadospelaáguasãoatacados,reagindocomosmesmos.O H+ penetranasestruturascristalinasdosmineraisdesalojandoos seusíonsoriginais(Ca++,K+, Na+, etc.) causandoum desequilíbriona estruturacristalina do mineral e levando-oadestruição.

Hidratação - Como a própria palavraindica, é a entradade moléculasde águanaestruturadosminerais.Alguns mineraisquandohidratados(feldspatos,por exemplo)sofremexpansão, levando ao fraturamento da rocha.

Carbonatação- O ácidocarbônicoé o responsávelpor estetipo de intemperismo.Ointemperismopor carbonataçãoé maisacentuadoem rochascalcáriaspor causada diferençade solubilidade entre o CaCo3 e o bicarbonato de cálcio formado durante a reação.

Os diferentesmineraisconstituintesdas rochasoriginarãosolos com característicasdiversas,de acordocoma resistênciaqueestestenhamao intemperismolocal. Há, inclusive,minerais que têm uma estabilidade química e física tal que normalmente não sãodecompostos.O quartzo,por exemplo,porpossuirumaenormeestabilidadefísicae químicaéparte predominante dos solos grossos, como as areias e os pedregulhos.

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Nestecaso,a decomposiçãoda rochase dá graçasa esforçosmecânicosproduzidospor vegetaisatravésdasraízes,por animaisatravésdeescavaçõesdosroedores,daatividadedeminhocasoupelaaçãodoprópriohomem,oupor umacombinaçãodestesfatores,ouaindapelaliberaçãode substânciasagressivasquimicamente,intensificandoassimo intemperismoquímico,sejapeladecomposiçãodeseuscorposou atravésde secreções,comoé o casodosouriços do mar.

Logo,osfatoresbiológicosdemaiorimportânciaincluema influênciadavegetaçãonoprocessode fraturamentoda rochae o ciclo de meio ambienteentresolo e plantae entreanimais e solo. Pode-sedizer que a maior parte do intemperismobiológico poderia serclassificadocomoumacategoriado intemperismoquímicoem queasreaçõesquímicasqueocorrem nas rochas são propiciadas por seres vivos.

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O intemperismoquímicopossuium poderde desagregaçãoda rochamuito maior doque o intemperismo físico. Deste modo, solos gerados em regiões onde há a predominância dointemperismoquímico tendema ser mais profundose mais finos do que aquelessolosformados em locais onde há a predominânciado intemperismo físico. Além disto,obviamente,os solos originadosa partir de uma predominânciado intemperismofísicoapresentarãouma composiçãoquímica semelhanteà da rocha mãe,ao contrário daquelessolos formados em locais onde há predominância do intemperismo químico.

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Conformerelatadoanteriormente,a águaé um fator fundamentalno desenvolvimentodo intemperismoquímicoda rocha.Destemodo,regiõescom altosíndicesdepluviosidadeealtos valores de umidade relativa do ar tendem a apresentaruma predominânciadeintemperismo do tipo químico, o contrário ocorrendo em regiões de clima seco.

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Comovimos,todosoloprovémdeumarochapré-existente,masdadaa riquezadasuaformaçãonãoé de seesperardo solo umaestagnaçãoa partir de um certoponto.Comoemtudo na natureza,o solo continuasuastransformações,podendoinclusivevoltar a serrocha.De forma simplificada, definiremosa seguir um esquemade transformaçõesque vai domagma ao solo sedimentar e volta ao magma (fig. 2.1).

No interior do Globo Terrestre,graçasàs elevadaspressõese temperaturas,oselementosquímicos que compõeas rochasse encontramem estadolíquido, formandoomagma (fig. 2.1 -6).

A camadasólidada Terra poderomper-seem pontoslocalizadose deixarescaparomagma.Destaforma, haveráum resfriamentobruscodo magma(fig. 2.1 linha 6-1), quesetransformaráemrochasígneas,nasquaisnãohaverátemposuficienteparao desenvolvimentode estruturascristalinasmaisestáveis.O processoindicadopela linha 6-1 é denominadodeextrusãovulcânicaou derramee é responsávelpelaformaçãoda rochaígneadenominadadebasalto.A dependerdo tempode resfriamento,o basaltopodemesmovir a apresentarumaestrutura vítrea.

Quando o magma não chega à superfície terrestre,mas ascendea pontos maispróximosà superfície,com menor temperaturae pressão,ocorreum resfriamentomaislento(fig. 2.1 linha 6-7), o que permite a formaçãode estruturascristalinasmais estáveis,e,portanto,derochasmaisresistentes,denominadasdeintrusivasou plutônicas(diabásio,gabroe granito).

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Figura 2.1 - Ciclo rocha - solo

Podemosavaliar comparativamenteas rochasvulcânicase plutônicaspelo tamanhodos cristais,o que podeser feito facilmentea olho nu ou com o auxílio de lupas.Cristaismaiores indicam uma formação mais lenta, característica das rochas plutônicas, e vice-versa.

Uma vez exposta,(fig. 2.1-1),a rochasofrea açãodasintempériese forma os solosresiduais(fig. 2.1-2), os quais podemser transportadose depositadossobreoutro solo de

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qualquer espécieou sobre uma rocha (fig. 2.1 linha 2-3), vindo a se tornar um solosedimentar.A contínuadeposiçãode solos faz aumentara pressãoe a temperaturanascamadasmais profundas, que terminam por ligarem seus grãos e formar as rochassedimentares (fig. 2.1 linha 3-4), este processo chama-se litificação ou diagênese.

As rochassedimentarespodem,da mesmamaneiraqueasrochasígneas,afloraremàsuperfíciee reiniciar o processode formaçãode solo ( fig. 2.1 linha 4-1), ou de formainversa,asdeposiçõespodemcontinuare conseqüentementeprosseguiro aumentodepressãoe temperatura,o que irá levar a rocha sedimentara mudar suascaracterísticastexturaisemineralógicas,a achataros seuscristaisde forma orientadatransversalmenteà pressãoe aaumentara ligação entre os cristais (fig. 2.1 linha 4-5). O material que surge daí temcaracterísticastãodiversasdarochaoriginal, quemudaa suadesignaçãoe passaa sechamarrocha metamórfica.

Naturalmente,a rocha metamórficaestá sujeita a ser exposta(fig. 2.1 linha 5-1),decompostae formarsolo.Sepersistiro aumentodepressãoe temperaturagraçasàdeposiçãode novas camadas de solo, a rocha fundirá e voltará à forma de magma (fig. 2.1 linha 5-6).

Obviamente, todos essesprocessos.com exceção do vulcanismo e de algunstransportesmais rápidos,ocorremnumaescalade tempogeológica,isto é, de milharesoumilhões de anos.

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Há diferentes maneiras de se classificar os solos, como pela origem, pela sua evolução,pelapresençaou nãodematériaorgânica,pelaestrutura,pelo preenchimentodosvazios,etc.Neste item apresentar-se-á uma classificação genética para os solos, ou seja, iremos classificá-los conforme o seu processo geológico de formação.

Na classificação genética, os solos são divididos em dois grandes grupos, sedimentarese residuais,a dependerda existênciaou não de um agentede transportena suaformação,respectivamente.Os principais agentesde transporte atuando na formação dos solossedimentaressão a água,o vento e a gravidade.Estesagentesde transporteinfluenciamfortemente nas propriedades dos solos sedimentares, a depender do seu grau de seletividade.

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Sãosolosquepermanecemno local dedecomposiçãodarocha.Paraqueelesocorramé necessárioquea velocidadede decomposiçãoda rochasejamaior do quea velocidadederemoção do solo por agentes externos.

A velocidade de decomposiçãodepende de vários fatores, entre os quais atemperatura,o regimedechuvase a vegetação.As condiçõesexistentesnasregiõestropicaissãofavoráveisa degradaçõesmaisrápidasdarocha,razãopelaqualháumapredominânciadesolos residuais nestas regiões (centro sul do Brasil, por exemplo).

Como a ação das intempériesse dá, em geral, de cima para baixo, as camadassuperioressão, via de regra, mais trabalhadasque as inferiores. Este fato nos permitevisualizar todo o processoevolutivo do solo, de modo que passamosde uma condiçãoderocha sã, para profundidadesmaiores, até uma condição de solo residual maduro, emsuperfície. A fig. 2.2 ilustra um perfil típico de solo residual.

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Solo maduro

Solo jovem

Saprolito

Rocha alterada

Rocha sã

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Figura 2.2 - Perfil típico de solo residual.

Conforme se pode observarda fig. 2.2, a rocha sã passapaulatinamenteà rochafraturada,depois ao saprolito, ao solo residual jovem e ao solo residualmaduro.Em setratandode solos residuais,é de grande interessea identificaçãoda rocha sã, pois elacondiciona, entre outras coisas, a própria composição química do solo.

A rochaalteradacaracteriza-sepor umamatriz de rochapossuindointrusõesde solo,locais onde o intemperismo atuou de forma mais eficiente.

O solo saprolíticoainda guardacaracterísticasda rochamãe e tem basicamenteosmesmosminerais,poréma sua resistênciajá se encontrabastantereduzida.Este podesercaracterizadocomo uma matriz de solo envolvendograndespedaçosde rocha altamentealterada. Visualmente pode confundir-se com uma rocha alterada, mas apresentarelativamentea rocha pequenaresistênciaao cisalhamento.Nos horizontessaprolíticosécomuma ocorrênciadegrandesblocosde rochadenominadosdematacões,responsáveispormuitos problemas quando do projeto de fundações.

O solo residualjovem apresentaboaquantidadedematerialquepodeserclassificadocomo pedregulho(# > 4,8 mm). Geralmentesão bastanteirregularesquantoa resistênciamecânica,coloração,permeabilidadee compressibilidade,já queo processodetransformaçãonãosedáemigual intensidadeem todosospontos,comumenteexistindoblocosda rochanoseu interior. Pode-sedizer também que nos horizontesde solo jovem e saprolítico assondagensa percussãoa seremrealizadasdevemserrevestidasde muito cuidado,hajavistaque a presençade material pedregulhosopode vir a danificar os amostradoresutilizados,vindo a mascarar os resultados obtidos.

Os solos maduros, mais próximos à superfície, são mais homogêneose nãoapresentamsemelhançascom a rocha original. De uma forma geral, há um aumentodaresistênciaao cisalhamento,da textura(granulometria)e da heterogeneidadedo solo com aprofundidade,razãoestapelaquala realizaçãodeensaiosdelaboratórioemamostrasdesoloresidual jovem ou do horizonte saprolítico é bastante trabalhosa.

No RecôncavoBaianoé comuma ocorrênciade solosresiduaisoriundosde rochassedimentares.Um perfil típico de solo do recôncavoBaianoé apresentadona fig. 2.3, sendoconstituído de camadassucessivasde argila e areia, coerentecom o material que foi

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depositadono local. Mereceuma atençãoespecialo solo formado pela decomposiçãodarochasedimentardenominadade folhelho, muito comumno RecôncavoBaiano.Estarocha,quandodecomposta,produzumaargila conhecidapopularmentecomo"massapê",que temcomomineralconstituintea montimorilonita,apresentandograndepotencialde expansãonapresençadeágua.As constantesmudançasdeumidadea queo soloestásubmetidoprovocamvariaçõesde volume que geramsériosproblemasnas construções(aterrosou edificações)assentessobreestessolos.A fig. 2.4 apresentafotos queilustramalgunsdosaspectosdeumFolhelho/MassapêcomumenteencontradoemPojuca,RegiãoMetropolitanadeSalvador.Nafig. 2.4(a)pode-senotaro aspectoextremamentefraturadodo folhelho alteradoenquantonafig. 2.4(b)nota-sea existênciadeumagrandequantidadede trincasdetraçãooriginadaspelasecagem do solo ao ser exposto à atmosfera.

Figura 2.3 - Perfil geotécnico típico do recôncavo Baiano.

(a) (b)Figura 2.4- Característicasdo Folhelho/Massapê,encontradoem Pojuca-BA. (a) -

Folhelho alterado e (b) - Retração típica do solo ao sofrer secagem.

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Os solossedimentaresou transportadossãoaquelesque foram levadosao seulocalatual por algum agente de transporte e lá depositados.As característicasdos solossedimentares são função do agente de transporte.

Cadaagentede transporteselecionaos grãosque transportacom maior ou menorfacilidade,alémdisto,duranteo transporte,aspartículasdesolosedesgastame/ouquebram.Resultadaí um tipo diferentede solo para cadatipo de transporte.Esta influência é tãomarcante que a denominação dos solos sedimentares é feita em função do agente de transportepredominante.

Pode-selistar os agentesde transporte,por ordem decrescentede seletividade,daseguinte forma:

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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 agentesnaturaiscitadosacimanãodevemserencaradosapenascomoagentesdetransporte,pois elestêm umaparticipaçãoativa no intemperismoe portantona formaçãodopróprio solo, o que ocorre naturalmente antes do seu transporte.

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O transportepelo ventodáorigemaosdepósitoseólicosdesolo.Em virtudedo atritoconstanteentreaspartículas,os grãosde solo transportadospelo ventogeralmentepossuemformaarredondada.A capacidadedo ventodetransportare erodiré muito maiordo quepossaparecerà primeira vista. Vários são os exemplosde construçõese até cidadessoterradasparcial ou totalmentepelo vento,como foram os casosde Taunas- ES e Tutóia - MA; osgrãosmaisfinos do desertodo Saaraatingememgrandeescalaa Inglaterra,percorrendoumadistânciade mais de 3000km!. Como a capacidadede transportedo vento dependede suavelocidade, o solo é geralmente depositado em zonas de calmaria.

O transporteeólicoé o maisseletivotipo de transportedaspartículasdo solo.Seporum lado grãosmaiorese maispesadosnãopodemsertransportados,os solosfinos, comoasargilas,têmseusgrãosunidospelacoesão,formandotorrõesdificilmente levadospelovento.Esseefeito tambémocorreem areiase siltes saturados(falsacoesão)o que faz da linha delençol freático(definidapor um valor depressãodaáguaintersticial igual a atmosférica)umlimite para a atuação dos ventos.

Pode-sedizer portantoque a açãodo transportedo vento se restringeao casodasareiasfinas ou silte. Por conta destascaracterísticas,os solos eólicos possuemgrãos deaproximadamentemesmodiâmetro,apresentandoumacurvagranulométricadenominadadeuniforme. São exemplos de solos eólicos:

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As dunassãoexemploscomunsde soloseólicosnordestedo Brasil). A formaçãodeumadunasedá inicialmentepelaexistênciadeum obstáculoaocaminhonaturaldo vento,oque diminui a sua velocidade e resulta na deposição de partículas de solo (fig. 2.5)

Mar

Vento

Figura 2.5- Atuação do transporte eólico na formação das dunas.

14

A deposiçãocontinuadadesolonestelocal acabapor gerarmaisdeposiçãodesolo, jáque o obstáculoao caminho do vento se torna cada vez maior. Durante o período deexistênciada duna,partículasdeareiasãolevadasatéo seutopo, rolandoentãoparao outrolado.Estemovimentofaz comqueasdunassedesloquema umavelocidadedepoucosmetrospor ano, o que para os padrões geológico é muito rápido.

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Formadopor deposiçõessobrevegetaisqueao sedecomporemdeixamseumoldenomaciço,o Loessé um solo bastanteproblemáticoparaa engenharia,pois a despeitode umacapacidadede formar paredõesde altura fora do comum e inicialmentesuportargrandesesforços mecânicos, podem se romper completa e abruptamente devido ao umedecimento.

O Loess,comumna Europaoriental,geralmentecontêmgrandesquantidadesde cal,responsávelpor sua grande resistênciainicial. Quando umedecido,contudo, o cimentocalcáreo existente no solo pode ser dissolvido e solo entra em colapso.

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Sãosolosresultantesdo transportepelaáguae suatexturadependeda velocidadedaáguano momentoda deposição,sendofreqüentea ocorrênciade camadasde granulometriasdistintas, devidas às diversas épocas de deposição.

O transportepela água é bastantesemelhanteao transporterealizadopelo vento,porém algumas características importantes os distinguem:

a) Viscosidade - por ser mais viscosa a água tem uma capacidade de transporte maior,transportando grãos de tamanhos diversos.

b) Velocidadee Direção- aocontráriodo ventoqueemum minutopodesoprarcomforçase direçõesbastantediferenciadas,a águatêm seuroteiromaisestável;suasvariaçõesde velocidadetem em geral um ciclo anuale as mudançasde direçãoestão condicionadas ao próprio processo de desmonte e desgaste do relevo.

c) Dimensãodas Partículas- os solos aluvionaresfluviais são,via de regra,maisgrossosque os eólicos, pois as partículasmais finas mantêm-sesempreemsuspensãoe só sesedimentamquandoexisteum processoquímicoqueasflocule(isto é o que acontece no mar ou em alguns lagos).

d) EliminaçãodaCoesão- vimosqueo ventonãopodetransportarossolosargilososdevidoa coesãoentreos seusgrãos.A presençade águaem abundânciadiminuiesteefeito; com issosomam-seasargilasao universode partículastransportadaspela água.

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A águadaschuvaspodeserretidaemvegetaisou construções,podendoseevaporarapartir daí.Ela podeseinfiltrar no soloou escoarsobreestee,nestecaso,a vegetaçãorasteirafunciona como elemento de fixação da parte superficial do solo ou como um tapeteimpermeabilizador(paraasgramíneas),sendoum importanteelementode proteçãocontraaerosão.

A águaqueseinfiltra podecarreargrãosfinos atravésdosporosexistentesnossolosgrossos,mas este transporteé raro e pouco volumoso,portanto de pouca relevânciaemrelaçãoà erosãosuperficial.De muito maior importânciaé o solo que as águasdaschuvaslevamaoescoardepontosmaiselevadosno relevoaosvales.Osvalescontémrios ou riachosque serãoalimentadosnão só da águaque escoadas escarpas,como tambémde matériasólida.

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Osrios durantesuaexistênciatêmváriasfases.Em áreasdeformaçãogeológicasmaisrecentes,menosdesgastadas,existemirregularidadestopográficasmuito grandese por issoosrios têm uma inclinaçãomaior e conseqüentementeuma maior velocidade.Existemváriosfatoresdeterminantesda capacidadede erosãoe transportedos rios, sendoa velocidadeamaisimportante.Assim, os rios mais jovenstransportammaismatériasólidado queos riosmais velhos.

Sabe-sequeosrios nãopossuema mesmaidadeemtodaa suaextensão;quantomaisdistantesda nascente,menor a inclinação e a velocidade.As partículasde determinadotamanhopassama ter pesosuficienteparase decantare permanecernaqueleponto, outrasmenoressó serãodepositadascom velocidadetambémmenor.O transportefluvial podeserdescrito sumariamente da seguinte forma:

a) Os rios desgastamo relevo em suapartemais elevadae levamos solosparasuapartemais baixa, existindocom o tempouma tendênciaa planificaçãodo leito. Rios maisvelhos têm portanto menor velocidade e transportam menos.

b) Cada tamanho de grão será depositadoem um determinadoponto do rio,correspondentea umadeterminadavelocidade,o quelevaossolosfluviais a teremumacertauniformidade granulométrica.Solos muito finos, como as argilas, permanecerãoemsuspensão até decantar em mares ou lagos com água em repouso.

De um modo geral, pode-sedizer que os solosaluvionaresapresentamum grau deuniformidadede tamanhode grãosintermediárioentreos soloseólicos(mais uniformes)ecoluvionares (menos uniformes).

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As ondas atingem as praias com um pequeno ângulo em relação ao continente. Isso fazcomquea areia,alémdo movimentodevai e vemdasondas,desloquem-setambémaolongoda praia.Obrasque impeçamessefluxo tendema ser pontosde deposiçãode areia,o quepode acarretar sérios problemas.

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De pequenaimportânciaparanós,os solosformadospelasgeleiras,aosedeslocarempela ação da gravidade,são comunsnas regiões temperadas.São formadosde maneiraanálogaaossolosfluviais. A correntede gelo queescorrede pontoselevadosondeo gelo éformadoparaaszonasmaisbaixas,levaconsigopartículasdesoloe rocha,asquais,por suavez, aumentam o desgaste do terreno.

Os detritos são depositadosnas áreasde degelo.Uma ampla gamade tamanhodepartículasé transportada,levando assim a formaçãode solos bastanteheterogêneosquepossuem desde grandes blocos de rocha até materiais de granulometria fina.��� ��� ��� ��� ����� ���#!$��� � ��� �������&%"�

Sãosolosformadospelaaçãodagravidade.Ossoloscoluvionaressãodentreossolostransportadosos mais heterogêneosgranulometricamente,pois a gravidade transportaindiscriminadamente desde grandes blocos de rocha até as partículas mais finas de argila.

Entre os soloscoluvionaresestãoos escorregamentosdasescarpasda Serrado Marformando os Tálus nos pés do talude, massasde materiaismuito diversase sujeitasamovimentaçõesde rastejo. Têm sido também classificadoscomo coluviões os solossuperficiais do Planalto Brasileiro depositados sobre solos residuais.

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� ����� ��� - Os tálussãosoloscoluvionaresformadospelo deslizamentode solo do topodasencostas.No sul da Bahiaexistemsolosformadospeladeposiçãode colúviosem áreasmaisbaixas,osquaisseapresentamgeralmentecomaltosteoresdeumidadee sãopropíciosàlavoura cacaueira.Encontram-sesolos coluvionares(tálus) tambémna CidadeBaixa, emSalvador, ao pé da encosta paralela à falha geológica que atravessa a Baia de Todos os Santos.De extremabelezasãoos tálusencontradosna ChapadaDiamantina,Bahia.A fig. 2.6 lustraformaçõestípicas da região. A parte mais inclinada dos morros correspondeà formaçãooriginal, enquantoque a partemenosinclinadaé compostabasicamentede solo coluvionar(tálus).

.

Figura 2.6 - Exemplos de solos coluvionares (tálus) encontradosna chapadadiamantina.

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Formadospelaimpregnaçãodo solopor sedimentosorgânicospreexistentes,emgeralmisturadosa restosde vegetaise animais.Podemser identificadospela cor escurae porpossuirforte cheiro característico.Têm granulometriafina, pois os solosgrossostem umapermeabilidade que permite a "lavagem" dos grãos, eximindo-os da matéria impregnada.

� ��� ����� � - solos que encorporamflorestas soterradasem estado avançadodedecomposição.Têm estruturafibrilar compostade restosde fibras vegetaise nãoseaplicamaí as teoriasda Mecânicados Solos,sendonecessáriosestudosespeciais.Têm ocorrênciaregistrada na Bahia, Sergipe, Rio Grande do Sul e outros estados do Brasil.

� � ������ � � �! #"$"�% � � ��&(' �*) " �+��,�� � ��� � Alguns solossofrem,em seu local de formação(ou dedeposição)uma série de transformaçõesfísico-químicasque os levam a ser classificadoscomo solosde evoluçãopedogênica.Os solos lateríticossãoum tipo de solo de evoluçãopedogênica.O processode laterizaçãoé típico deregiõesondeháumanítidaseparaçãoentreperíodoschuvosose secose é caracterizadopela lavagemda sílica coloidal dos horizontessuperioresdo solo, com posteriordeposiçãodestaem horizontesmaisprofundos,resultandoem solossuperficiaiscom altasconcentraçõesde óxidosde ferro e alumínio.A importânciado processode laterizaçãono comportamentodos solos tropicais é discutida no itemclassificação dos solos.

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3. TEXTURA E ESTRUTURA DOS SOLOS.

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Entende-sepor texturao tamanhorelativo e a distribuiçãodaspartículassólidasqueformam os solos.O estudoda textura dos solos é realizadopor intermédiodo ensaiodegranulometria,do qual falaremosadiante.Pelasuatexturaos solospodemser classificadosem dois grandesgrupos:solos grossos(areia, pedregulho,matacão)e solos finos (silte eargila). Esta divisão é fundamentalno entendimentodo comportamentodos solos,pois adependerdo tamanhopredominantedassuaspartículas,asforçasdecampoinfluenciandoemseucomportamentoserãogravitacionais(solosgrossos)ou elétricas(solos finos). De umaforma geral, pode-sedizer que quantomaior for a relaçãoárea/volumeou área/massadaspartículassólidas,maior seráa predominânciadas forças elétricasou de superfície.Estasrelaçõessão inversamenteproporcionaisao tamanhodaspartículas,de modo que os solosfinos apresentamuma predominânciadas forças de superfície na influência do seucomportamento.Conforme relatadoanteriormente,o tipo de intemperismoinfluencia natexturae estruturado solo.Pode-sedizerquepartículascomdimensõesatécercade0,001mmsãoobtidasatravésdo intemperismofísico, já aspartículasmenoresque0,001mmprovémdointemperismo químico.

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Nos solos grossos, por ser predominante a atuação de forças gravitacionais, resultandoem arranjosestruturaisbastantesimplificados,o comportamentomecânicoe hidráulico estáprincipalmentecondicionadoa suacompacidade,queé umamedidade quãopróximasestãoas partículassólidas umas das outras, resultandoem arranjoscom maiores ou menoresquantidadesde vazios. Os solos grossospossuemuma maior percentagemde partículasvisíveisa olho nu (φ ≥ 0,074mm) e suaspartículastêm formasarredondadas,poliédricaseangulosas.

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Sãoclassificadoscomopedregulhoaspartículasde solo com dimensõesmaioresque2,0mm (DNER, MIT) ou 2,0mm (ABNT). Os pedregulhossão encontradosem geral nasmargensdos rios, em depressõespreenchidaspor materiaistransportadospelosrios ou atémesmoem umamassade solo residual(horizontescorrespondentesaosolo residualjovem eao saprolito).

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As areiasse distinguempelo formato dos grãosque podeser angular,subangularearredondado,sendoesteúltimo uma característicadasareiastransportadaspor rios ou pelovento.A forma dosgrãosdasareiasestárelacionadacom a quantidadede transportesofridopelos mesmosaté o local de deposição.O transportedas partículasdos solos tende aarredondarassuasarestas,demodoquequantomaiora distânciadetransporte,maisesféricasserãoaspartículasresultantes.Classificamoscomo areiaas partículascom dimensõesentre2,0mm e 0,074mm (DNER), 2,0mm e 0,05mm (MIT) ou ainda 2,0mm e 0,06mm (ABNT).

O formatodosgrãosdeareiatemmuitaimportânciano seucomportamentomecânico,poisdeterminacomoelesseencaixame seentrosam,e,emcontrapartida,comoelesdeslizamentre si quando solicitados por forças externas.Por outro lado, como estas forças setransmitemdentro do solo pelos pequenoscontatosexistentesentre as partículas,as de

18

formato mais angulares,por possuíremem geral uma menor área de contato, são maissusceptíveis a se quebrarem.

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Quando as partículas que constituem o solo possuemdimensõesmenores que0,074mm (DNER), ou 0,06mm (ABNT), o solo é consideradofino e, neste caso, seráclassificado como argila ou como silte.

Nossolosformadospor partículasmuito pequenas,asforçasqueintervêmnoprocessode estruturaçãodo solo são de carátermuito mais complexo e serãoestudadasno itemcomposiçãomineralógicadossolos.Ossolosfinos possuempartículascomformaslamelares,fibrilarese tubularese é o mineralquedeterminaa formadapartícula.As partículasdeargilanormalmenteapresentamumaouduasdireçõesemqueo tamanhodapartículaébemsuperioràqueleapresentadoem uma terceiradireção.O comportamentodos solos finos é definidopelasforçasde superfície(moleculares,elétricas)e pela presençade água,a qual influi demaneira marcante nos fenômenos de superfície dos argilo-minerais.

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A fração granulométricado solo classificadacomo argila (diâmetro inferior a0,002mm)se caracterizapela sua plasticidademarcante(capacidadede se deformarsemapresentarvariaçõesvolumétricas)e elevadaresistênciaquandoseca.É a fraçãomaisativados solos.

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Apesar de serem classificadoscomo solos finos, o comportamentodos siltes égovernadopelasmesmasforçasdos solosgrossos(forçasgravitacionais),emborapossuamalgumaatividade.Estespossuemgranulaçãofina, poucaou nenhumaplasticidadee baixaresistênciaquandoseco.A fig. 3.1 apresentaa escalagranulométricaadotadapela ABNT(NBR 6502):

Figura 3.1 - Escala granulométrica da ABNT NBR 6502 de 1995

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Muitasvezesemcampotemosa necessidadedeumaidentificaçãopréviado solo,semque o uso do aparato de laboratório esteja disponível. Esta classificaçãoprimária éextremamenteimportantenadefinição(ou escolha)deensaiosdelaboratóriomaiselaboradose podeser obtida a partir de algunstestesfeitos rapidamenteem uma amostrade solo. Noprocessode identificaçãotátil visual de um solo utilizam-se freqüentementeos seguintesprocedimentos (vide NBR 7250):

Tato: Esfrega-seuma porção do solo na mão. As areiassão ásperas;as argilasparecem com um pó quando secas e com sabão quando úmidas.

Argila MédiaFina

Areia

Silte Grossa Pedregulho

2,0mm

0,060,002 0,600,20 60,0

Pedra demão

19

Plasticidade: Moldar bolinhasou cilindros de solo úmido. As argilassãomoldáveisenquanto as areias e siltes não são moldáveis.

Resistênciado solo seco: As argilassãoresistentesa pressãodosdedosenquantoossiltes e areias não são.

Dispersãoem água: Misturar uma porçãode solo secocom águaem uma proveta,agitando-a. As areias depositam-se rapidamente, enquanto que as argilas turvam a suspensão edemoram para sedimentar.

Impregnação: Esfregarumapequenaquantidadedesoloúmidonapalmadeumadasmãos.Colocara mãoembaixodeumatorneiraabertae observara facilidadecomquea palmada mão fica limpa. Solos finos se impregnam e não saem da mão com facilidade.

Dilatância: O testededilatânciapermiteobterumainformaçãosobrea velocidadedemovimentaçãoda água dentro do solo. Para a realizaçãodo teste deve-seprepararumaamostradesolocomcercade15mmdediâmetroe comteordeumidadequelhe garantaumaconsistênciamole. O solo deveser colocadosobrea palmade uma dasmãose distribuídouniformementesobreela,demodoquenãoapareçaumalâminad'água.O testeseinicia comum movimentohorizontalda mão, batendovigorosamentea sua lateral contraa lateral daoutra mão, diversasvezes.Deve-seobservaro aparecimentode uma lâmina d'água nasuperfíciedo soloe o tempoparaaocorrência.Em seguida,a palmadamãodevesercurvada,de forma a exerceruma leve compressãona amostra,observando-seo quepoderáocorreràlâminad' água,seexistir,à superfíciedaamostra.O aparecimentodalâminad águaduranteafase de vibração, bem como o seu desaparecimentodurante a compressãoe o temponecessáriopara que isto aconteçadeve ser comparadoaos dadosda tabela 3.1, para aclassificação do solo.

Tabela 3.1 - Teste de dilatância

Descrição da ocorrência de lâmina d'água duranteVibração (aparecimento)Compressão (desaparecimento)

Dilatância

Não há mudança visível Nenhuma (argila)Aparecimento lento Desaparecimento lento Lenta (silte ou areia argilosos)Aparecimento médio Desaparecimento médio Média (Silte, areia siltosa)Aparecimento rápido Desaparecimento rápido Rápida (areia)

Após realizadosestestestes,classifica-seo solo de modoapropriado,de acordocomosresultadosobtidos(areiasiltosa,argilaarenosa,etc.).Ossolosorgânicossãoidentificadosem separado, em função de sua cor e odor característicos.

Além da identificação tátil visual do solo, todas as informaçõespertinentesàidentificaçãodo mesmo,disponíveisem campo, devem ser anotadas.Deve-seinformar,semprequepossível,aeventualpresençadematerialcimentanteoumatériaorgânica,acor dosolo, o local da coleta do solo, sua origem geológica, sua classificação genética, etc.

A distinçãoentresolosargilosose siltosos,napráticadaengenhariageotécnica,possuicertasdificuldades,já queambosos solossãofinos. Porém,apósa identificaçãotátil-visualter sido realizada,algumasdiferençasbásicasentreeles,já citadasnosparágrafosanteriores,podem ser utilizadas para distingui-los.

1- O solo é classificadocomo argiloso quandose apresentabastanteplástico empresençade água, formando torrões resistentesao secar.Já os solos siltososquando secos, se esfarelam com facilidade.

2- Os solosargilosossedesmanchamna águamaislentamentequeos solossiltosos.Os solossiltosos,por suavez, apresentamdilatânciamarcante,o quenãoocorrecom os solos argilosos.

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A análise da distribuição das dimensões dos grãos, denominada análisegranulométrica,objetiva determinaros tamanhosdos diâmetrosequivalentesdaspartículassólidasem conjuntocom a proporçãodecadafraçãoconstituintedo soloem relaçãoaopesode solo seco. A representaçãográfica das medidas realizadasé denominadade curvagranulométrica.Pelo fato de o solo geralmenteapresentarpartículas com diâmetrosequivalentesvariando em uma ampla faixa, a curva granulométrica é normalmenteapresentadaem um gráfico semi-log, com o diâmetroequivalentedas partículasem umaescalalogarítmicae a percentagemdepartículascom diâmetroinferior à aberturadapeneiraconsiderada (porcentagem que passa) em escala linear.

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O ensaiode granulometriaconjuntaparao levantamentoda curvagranulométricadosoloé realizadocom baseem dois procedimentosdistintos:a) peneiramento- realizadoparapartículascomdiâmetrosequivalentessuperioresa 0,074mm(peneira200)e b) Sedimentação- procedimentoválido para partículascom diâmetrosequivalentesinferiores a 0,2mm. Oensaiode peneiramentonãoé realizadoparapartículascom diâmetrosinferioresa 0,074mmpela dificuldade em se confeccionarpeneirascom aberturasde malha desta ordem degrandeza.Emboraexistindono mercado,a peneira400(comaberturademalhade0,045mm)nãoé regularmenteutilizada no ensaiode peneiramento,por ser facilmentedanificadae decusto elevado.

O ensaiodegranulometriaé realizadoempregando-seosseguintesequipamentos:jogode peneiras, balança, estufa, destorroador,quarteador,bandejas,proveta, termômetro,densímetro,cronômetro,dispersor,defloculante,etc.A preparaçãodasamostrasdesolosedápelos processosde secagemao ar, quarteamento,destorroamento(vide NBR 9941),utilizando-sequantidadesde solo que variam em funçãode sua textura (aproximadamente1500g para o caso de solos grossos e 200g, para o caso de solos finos).

A seguirsãolistadasalgumascaracterísticasdosprocessosnormalmenteempregadosno ensaio de granulometria conjunta (vide NBR 7181).

Peneiramento: utilizado para a fração grossado solo (grãoscom até 0,074mmdediâmetroequivalente),realiza-sepelapassagemdo solopor peneiraspadronizadase pesagemdasquantidadesretidasem cadaumadelas.Retira-se50 a 100gda quantidadequepassanapeneira de #200 e prepara-se o material para a sedimentação.

Sedimentação: os solos muito finos, com granulometriainferior a 0,074mm,sãotratadosde forma diferenciada,atravésdo ensaiode sedimentaçãodesenvolvidopor ArthurCasagrande.EsteensaiosebaseianaLei deStokes,segundoa quala velocidadedequeda,V,de uma partícula esférica,em um meio viscoso infinito, é proporcionalao quadradododiâmetro da partícula. Sendo assim, as menores partículas se sedimentam mais lentamente queas partículas maiores.

O ensaiode sedimentaçãoé realizadomedindo-sea densidadede umasuspensãodesolo em água,no decorrerdo tempo.A partir da medidada densidadeda soluçãono tempo,calcula-sea percentagemde partículasqueaindanãosedimentarame a velocidadede quedadestaspartículas(a profundidadedemedidadadensidadeé calculadaemfunçãodacurvadecalibraçãodo densímetro).Com o usoda lei de Stokes,pode-seinferir o diâmetromáximodaspartículasaindaem suspensão,de modoquecom estesdados,a curvagranulométricaécompletada. A eq. 3.1 apresenta a lei de Stokes.

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partículas das diâmetro D

fluído do de viscosida

(3.1) fluido do específico peso

solo do partículas das médio específico peso

onde, 18

W

S

2

→→→

→

⋅−=

µγγ

µγγ

DV WS

Deve-se notar que o diâmetro equivalente calculado empregando-sea eq. 3.1correspondea apenasumaaproximação,à medidaem quedurantea realizaçãodo ensaiodesedimentação,asseguintesocorrênciastendemaafastá-lodascondiçõesideaisparaasquaisalei de Stokes foi formulada.

As partículasdesolonãosãoesféricas(muito menosaspartículasdosargilo-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 processode leitura (inserçãoe retiradado densímetro)influencia no processode

queda das partículas.

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A representaçãográficado resultadodeum ensaiodegranulometriaé dadapelacurvagranulométricado solo. A partir da curva granulométrica,podemossepararfacilmenteossolos grossos dos solos finos, apontandoa percentagemequivalente de cada fraçãogranulométricaque constitui o solo (pedregulho,areia,silte e argila). Além disto, a curvagranulométricapodefornecerinformaçõessobrea origemgeológicado solo queestásendoinvestigado.Porexemplo,nafig. 3.2,a curvagranulométricaa correspondea um solocomapresençade partículasem umaamplafaixa de variação.Assim,o solo representadopor estacurva granulométricapoderia ser um solo de origem glacial, um solo coluvionar (tálus)(ambosde baixa seletividade)ou mesmoum solo residual jovem. Contrariamente,o solodescrito pela curva granulométricac foi evidentementedepositadopor um agente detransporteseletivo,tal comoa águaou o vento(a curvac poderiarepresentarum soloeólico,por exemplo), pois possui quaseque tosasas partículasdo mesmodiâmetro. Na curvagranulométricab, uma faixa de diâmetrosdas partículassólidasestáausente.Esta curvapoderiasergerada,por exemplo,por variaçõesbruscasnacapacidadedetransportedeum rioem decorrência de chuvas.

De acordocoma curvagranulométricaobtida,o solopodeserclassificadocomobemgraduado,caso ele possuauma distribuição contínuade diâmetrosequivalentesem umaamplafaixa detamanhodepartículas(casodacurvagranulométricaa) ou mal graduado,casoele possuauma curva granulométricauniforme (curva granulométricac) ou uma curvagranulométrica que apresenteausência de uma faixa de tamanhos de grãos (curvagranulométrica b).

Alguns sistemasde classificaçãoutilizam a curva granulométricapara auxiliar naprevisãodo comportamentode solos grossos.Para tanto, estessistemasde classificaçãolançammãodealgunsíndicescaracterísticosdacurvagranulométrica,paraumaavaliaçãodesua uniformidade e curvatura. Os coeficientes de uniformidade e curvatura de umadeterminadacurva granulométricasão obtidos a partir de alguns diâmetroseqüivalentecaracterísticos do solo na curva granulométrica. São eles:

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D10 - Diâmetroefetivo- Diâmetroeqüivalentedapartículaparao qual temos10%daspartículas passando (10% das partículas são mais finas que o diâmetro efetivo).

D30 e D60 - O mesmoque o diâmetroefetivo, para as percentagensde 30 e 60%,respectivamente.

0,001 0,01 0,1 1 10 100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

(a) Contínua

(b) Aberta

(c) Uniforme

Abertura da peneira (mm)

Por

cent

agem

que

pas

sa (

%)

Solo bem graduado (a)(granulação contínua)

Granulação uniforme (c)(mal graduado)

Granulação aberta (b)(mal graduado)

Figura 3.2 - Representação de diferentes curvas granulométricas.

As equações3.2 e 3.3 apresentamoscoeficientesdeuniformidadee curvaturadeumadada curva granulométrica.

Coeficiente de uniformidade:

10

60

DCu

D=

(3.2)

De acordocomo valor do Cu obtido, a curva granulométricapode ser classificadaconforme apresentado abaixo:

Cu < 5 → muito uniforme5 < Cu < 15 → uniformidade médiaCu > 15 → não uniforme

Coeficiente de curvatura:

1060

2

30

D x Cc

D

D= (3.3)

Classificação da curva granulométrica quanto ao coeficiente de curvatura1 < Cc < 3 → solo bem graduadoCc < 1 ou Cc > 3 → solo mal graduado

23

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A NBR- 6502apresentaalgumasregraspráticasparadesignarossolosdeacordocoma sua curva granulométrica.A tabela3.2 ilustra o resultadode ensaiosde granulometriarealizadosem três solos distintos. As regras apresentadaspela NBR-6502 serão entãoempregadas para classificá-los, em caráter ilustrativo.

Tabela 3.2 - Exemplosde resultadosde ensaiosde granulometria para três solosdistintos.

PERCENTAGEM QUE PASSA

# Abertura (mm) Solo 1 Solo 2 Solo 33" 76,2 981" 25,4 100 82¾" 19,05 100 95 72

N° 4 4,8 98 88 61

N° 10 2,0 92 83 45

N° 40 0,42 84 62 20

N° 200 0,074 75 44 03

Argila ------ 44 21 00Silte ------ 31 23 03

Areia ------ 17 39 42Pedregulho ------ 08 17 53

Pedra ------ 00 00 02Considerar a areia com partículas entre 0,074mm e 2,0mm.

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Quandoda ocorrênciade mais de 10% de areia,silte ou argila adjetiva-seo solo com asfrações obtidas, vindo em primeiro lugar as frações com maiores percentagens.Em caso de empate, adota-se a seguinte hierarquia: 1°) Argila; 2°) Areia e e 3°) Silte

No caso de percentagensmenoresdo que 10% adjetiva-seo 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 3.2.

Solo 1: Argila Silto-Arenosa com pouco PedregulhoSolo 2: Areia Silto-Argilosa com Pedregulho

24

Solo 3: Pedregulho Arenoso com vestígios de Silte e Pedra

ATENÇÃO : A completaclassificaçãodeum solo dependetambémde outrosfatoresalém da granulometria,sendoa adoçãode uma nomenclaturabaseadaapenasna curvagranulométricainsuficienteparaumaprevisão,aindaquequalitativa,do seucomportamentode engenharia.

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Denomina-seestruturados solos a maneira pela qual as partículasminerais dediferentestamanhosse arrumampara formá-lo. A estruturade um solo possuium papelfundamental em seu comportamento,seja em termos de resistênciaao cisalhamento,compressibilidadeou permeabilidade.Como os solos finos possuemo seucomportamentogovernadopor forçaselétricas,enquantoos solosgrossostêm na gravidadeo seuprincipalfator de influência,a estruturadossolosfinos ocorreem umadiversificaçãoe complexidademuito maiordo quea estruturadossolosgrossos.De fato, sendoa gravidadeo fator principalagindonaformaçãodaestruturadossolosgrossos,a estruturadestessolosdifere,desoloparasolo,somenteno queserefereaoseugraudecompacidade.No casodossolosfinos,devidoapresençadasforçasde superfície,arranjosestruturaisbemmaiselaboradossãopossíveis.Afig. 3.3 ilustra algumas estruturas típicas de solos grossos e finos.

Areia compacta

Areia fofa

+

+

+

+

Placas individuais,

Estrutura dispersa

Estrutura floculada

Figura 3.3- Alguns arranjos estruturais presentesemsolosgrossose finos e fotografias obtidas a partir datécnica de Microscopia Eletrônica de Varredura.

Quandoduaspartículasde argila estãomuito próximas,entreelasocorremforçasdeatraçãoe derepulsão.As forçasderepulsãosãodevidasàscargaslíquidasnegativasqueelaspossueme que ocorrem desdeque as camadasduplasestejamem contato.As forças deatraçãodecorremdeforçasdeVan derWaalse de ligaçõessecundáriasqueatraemmateriaisadjacentes.Da combinaçãodasforçasde atraçãoe de repulsãoentreas partículasresultaaestruturadossolos,queserefereà disposiçãodaspartículasnamassadesoloe asforçasentreelas.Lambe(1969) identificou dois tipos básicosde estruturado solo, denominando-osdeestruturafloculada,quandoos contatossefazementrefacese arestasdaspartículassólidas,

25

ainda que através da água adsorvida,e de estruturadispersaquando as partículas seposicionam paralelamente, face a face.

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Ossolossãoformadosa partir dadesagregaçãoderochaspor açõesfísicase químicasdo intemperismo.As propriedadesquímica e mineralógicadas partículasdos solos assimformadosirão dependerfundamentalmenteda composiçãoda rocha matriz e do clima daregião.Estaspropriedades,por suavez,irão influenciarde formamarcanteo comportamentomecânico do solo.

Os mineraissãopartículassólidasinorgânicasqueconstituemasrochase os solos,eque possuemforma geométrica,composiçãoquímica e estruturaprópria e definidas.Elespodem ser divididos em dois grandes grupos, a saber:

- Primários ⇒ Aquelesencontradosnossolose quesobrevivema transformaçãodarocha (advêm portanto do intemperismo físico).

- Secundários⇒ Os queforam formadosdurantea transformaçãoda rochaem solo(ação do intemperismo químico).��� ���+* �-,.��% � ��/�"$� �(���(��0213"4�#� ���5�76-��89"4��'#��% :�� �

As partículasdos solos grossos,dentreas quais apresentam-seos pedregulhos,sãoconstituídasalgumas vezes de agregaçõesde minerais distintos, sendo mais comum,entretanto,que as partículassejam constituídasde um único mineral. Estes solos sãoformados,na suamaior parte,por silicatos(90%) e apresentamtambémna suacomposiçãoóxidos, carbonatos e sulfatos.

Silicatos - feldspato, quartzo, mica, serpentina Grupos Minerais Óxidos - hematita, magnetita, limonita

Carbonatos - calcita, dolomita Sulfatos - gesso, anidrita

O quartzo,presentenamaioriadasrochas,é bastanteestável,e emgeralresistebemao processode transformaçãorocha-solo.Sua composiçãoquímica é simples,SiO2, aspartículassão eqüidimensionais,como cubosou esferase ele apresentabaixa atividadesuperficial(devidoao tamanhode seusgrãos).Por contadisto, o quartzoé o componenteprincipal na maioria dos solos grossos (areias e pedregulhos)

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Ossolosfinos possuemumaestruturamaiscomplexae algunsfatores,comoforçasdesuperfície,concentraçãode íons, ambientede sedimentação,etc., podem intervir no seucomportamento.As argilas possuemuma complexaconstituiçãoquímica e mineralógica,sendoformadaspor sílica no estadocoloidal (SiO2) e sesquióxidosmetálicos(R2O3), ondeR = Al; Fe, etc.

Os feldspatossãoos mineraismaisatacadospelanatureza,dandoorigemaosargilo-minerais,que constituema fraçãomais fina dos solos,geralmentecom diâmetroinferior a2µm. Não só o reduzidotamanho,mas,principalmente,a constituiçãomineralógicafaz comqueestaspartículastenhamum comportamentoextremamentediferenciadoemrelaçãoaodosgrãos de silte e areia.

O estudodaestruturadosargilo-mineraispodeserfacilitado"construindo-se"o argilo-mineral a partir de unidadesestruturaisbásicas.Este enfoqueé puramentedidático e nãorepresentanecessariamenteo método pelo qual o argilo-mineral é realmenteformado nanatureza.Assim,asestruturasapresentadasnestecapítulosãoapenasidealizações.Um cristal

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típico de um argilo-mineral é uma estruturacomplexasimilar ao arranjo estruturalaquiidealizado,mascontendousualmentesubstituiçõesde íonse outrasmodificaçõesestruturaisqueacabampor formar novostipos de argilo-minerais.As duasunidadesestruturaisbásicasdos argilo-mineraissão os tetraedrosde silício e os octaédrosde alumínio (fig. 3.4). Ostetraedrosde silício sãoformadospor quatroátomosde oxigênioeqüidistantesde um átomodesilício enquantoqueosoctaédrosdealumíniosãoformadospor um átomodealumínionocentro,envolvidopor seisátomosde oxigênioou gruposde hidroxilas,OH-. A dependerdomodo como estasunidadesestruturaisestãounidas entre si, podemosdividir os argilo-minerais em três grandes grupos.

a) GRUPO DA CAULINITA: A caulinitaé formadapor umalâminasilícica e outrade alumínio, que se superpõemindefinidamente.A união entre todas as camadasésuficientementefirme (pontesdehidrogênio)paranãopermitir a penetraçãodemoléculasdeágua entre elas. Assim, as argilas cauliníticassão as mais estáveisem presençad'água,apresentando baixa atividade e baixo potencial de expansão.

b) MONTMORILONITA: É formada por uma unidade de alumínio entre duassilícicas,superpondo-seindefinidamente.Nestecasoa união entreas camadasde silício éfraca(forçasde Van der Walls), permitindoa penetraçãode moléculasde águana estruturacom relativa facilidade.Os soloscom grandesquantidadesde montmorilonitatendema serinstáveis em presençade água. Apresentamem geral grande resistênciaquando secos,perdendoquasequetotalmentea suacapacidadede suportepor saturação.Sobvariaçõesdeumidadeapresentamgrandesvariaçõesvolumétricas,retraindo-seemprocessosdesecagemeexpandindo-se sob processos de umedecimento.

c) ILITA: Possuium arranjoestruturalsemelhanteao da montmorilonita,porémosíonsnãopermutáveisfazemcomquea uniãoentreascamadassejamaisestávele nãomuitoafetada pela água. É também menos expansiva que a montmorilonita.

AlSi

Si

AlSi

Si

AlSi

AlSi

Si

AlSi

Si

AlSi

Si

K

AlSiAlSiAlSiAlSiAlSiAlSi

oo

o

o

Si

Montmorilonita Ilita Caulinita Unidades cristalográficas

Figura 3.4 - Arranjos estruturais típicos dos três principais grupos de argilo-minerais.

Comoa uniãoentreascamadasadjacentesdosargilo-mineraisdo tipo 1:1 (grupodacaulinita)é bemmais forte do queaquelaencontradaparaos outrosgrupos,é de seesperarqueestesargilo-mineraisresultempor alcançartamanhosmaioresdo queaquelesalcançadospelosargilo-mineraisdo grupo2:1, o queocorrenarealidade:Enquantoum mineraltípico de

27

caulinitapossuidimensõesem torno de 500 (espessura)x 1000x 1000(nm), um mineraldemontmorilonita possui dimensões em torno de 3x 500 x 500 (nm).

A presençade um determinadotipo de argilo-mineralno solo podeser identificadautilizando-sediferentesmétodos,dentre eles a análise térmica diferencial, o raio x , amicroscopia eletrônica de varredura, etc.

Superfície específica- Denomina-sede superfícieespecíficade um solo a somadaárea de todas as partículascontidasem uma unidadede volume ou peso. A superfícieespecíficados argilo-mineraisé geralmenteexpressaem unidadescomo m2/m3 ou m2/g.Quantomaior o tamanhodo mineralmenora superfícieespecíficado mesmo.Destemodo,pode-seesperarqueos argilo-mineraisdo grupo2:1 possuammaior superfícieespecíficadoqueos argilo-mineraisdo grupo1:1. A montmorilonita,por exemplo,possuiumasuperfícieespecíficade aproximadamente800 m2/g, enquantoque a ilita e a caulinita possuemsuperfíciesespecíficasde aproximadamente80 e 10 m2/g, respectivamente.A superfícieespecíficaé umaimportantepropriedadedosargilo-minerais,namedidaemquequantomaiora superfícieespecífica,maior vai ser o predomíniodasforçaselétricas(em detrimentodasforçasgravitacionais),na influência sobreas propriedadesdo solo (estrutura,plasticidade,coesão, etc.)

28

4. FASES SÓLIDO - ÁGUA - AR.

O solo é constituídode umafasefluida (águae/ ou ar) e seumafasesólida.A fasefluida ocupa os vazios deixados pelas partículas sólidas.

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Caracterizadapelo seutamanho,forma, distribuiçãoe composiçãomineralógicadosgrãos, conforme já apresentado anteriormente.

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Fasecompostageralmentepelo ar do solo em contatocom a atmosfera,podendo-setambém apresentar na forma oclusa (bolhas de ar no interior da fase água).

A fase gasosaé importanteem problemasde deformaçãode solos e é bem maiscompressível que as fases sólida e líquida.

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Fasefluida compostaem suamaior partepelaágua,podendocontersolutose outrosfluidos imiscíveis.Pode-sedizerquea águaseapresentadediferentesformasno solo,sendocontudoextremamentedifícil seisolarosestadosemquea águaseapresentaemseuinterior.A seguirsãoexpressadosos termosmaiscomumenteutilizadosparadescreveros estadosdaágua no solo.

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Preencheosvaziosdossolos.Podeestaremequilíbriohidrostáticoou fluir soba açãoda gravidade ou de outros gradientes de energia.

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É a águaqueseencontrapresaàspartículasdo solopor meiodeforçascapilares.Estase eleva pelos interstícioscapilaresformadospelaspartículassólidas,devido a ação dastensões superficiais nos contatos ar-água-sólidos, oriundas a partir da superfície livre da água.

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É umapelículadeáguaqueadereàspartículasdossolosfinos devidoa açãodeforçaselétricasdesbalanceadasnasuperfíciedosargilo-minerais.Estásubmetidaa grandepressões,comportando-se como sólido na vizinhança da partícula de solo.

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É a águapresentenaprópriacomposiçãoquímicadaspartículassólidas.Nãoé retiradautilizando-seosprocessosdesecagemtradicionais.Ex: Montmorilonita(OH)4 Si2 Al 4 O20 nH2

O

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Água que o solo possui quando em equilíbrio com a umidade atmosféricae atemperatura ambiente.

29

5. CONSISTÊNCIA DOS SOLOS.

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Quandotratamoscomsolosgrossos(areiase pedregulhoscompequenaquantidadeousema presençadefinos),o efeitodaumidadenestessolosé freqüentementenegligenciado,namedidaemquea quantidadedeáguapresentenosmesmostemum efeitosecundárioem seucomportamento.Podese dizer, conformealiás serávisto no capítulo de classificaçãodossolos, que podemos classificar os solos grossos utilizando-se somente a sua curvagranulométrica,o seugrau de compacidadee a forma de suaspartículas.Por outro lado, ocomportamentodossolosfinos ou coesivosirá dependerdesuacomposiçãomineralógica,dasuaumidade,desuaestruturae do seugraudesaturação.Em particular,a umidadedossolosfinos tem sido consideradacomouma importanteindicaçãodo seucomportamentodesdeoinício da mecânica dos solos.

Um solo argilosopodeseapresentarem um estadolíquido, plástico,semi-sólidoousólido,a dependerdesuaumidade.A esteestadofísico do solodá-seo nomedeconsistência.Os limites inferiores e superioresde valor de umidade para cada estadodo solo sãodenominados de limites de consistência.

No estadoplástico,o solo apresentauma propriedadedenominadade plasticidade,caracterizadapela capacidadedo solo se deformarsemapresentarrupturaou trincase semvariação de volume.

A manifestaçãodesta propriedadeem um solo dependeráfundamentalmentedosseguintes fatores:

Umidade: Existeumafaixa deumidadedentrodaqualo solosecomportademaneiraplástica.Valores de umidadeinferiores aos valores contidos nestafaixa farão o solo secomportarcomosemi-sólidoou sólido,enquantoqueparamaioresvaloresdeumidadeo solose comportará preferencialmente como líquido.

Tipo de argilo-mineral : O tipo de argilo-mineral (sua forma, constituiçãomineralógica, tamanho,superfície específica,etc.) influi na capacidadedo solo de secomportar de maneira plástica. Quanto menor o argilo-mineral (ou quanto maior suasuperfície específica), maior a plasticidade do solo. É importante salientar que oconhecimento da plasticidade na caracterização dos solos finos é de fundamental importância.

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A dependerda quantidadede águapresenteno solo, teremosos seguintesestadosdeconsistência:

SÓLIDO SEMI-SÓLIDO PLÁSTICO FLUIDO-DENSO wS wP wL w%

Cada estado de consistênciado solo se caracterizapor algumas propriedadesparticulares,asquaissãoapresentadasa seguir.Os limites entreum estadodeconsistênciaeoutrosãodeterminadosempiricamente,sendodenominadosdelimite decontração,wS, limitede plasticidade, wP e limite de liquidez, wL.

Estado Sólido - Dizemosque um solo estáem um estadode consistênciasólidoquando o seu volume "não varia" por variações em sua umidade.

Estado Semi - Sólido - O solo apresentafraturase se rompeao ser trabalhado.Olimite de contração, wS, separa os estados de consistência sólido e semi-sólido.

30

EstadoPlástico - Dizemosqueum soloestáem um estadoplásticoquandopodemosmoldá-lo sem que o mesmo apresentefissuras ou variaçõesvolumétricas.O limite deplasticidade, wP, separa os estados de consistência semi-sólido e plástico.

EstadoFluido - Denso(Líquido) - Quandoo solopossuipropriedadese aparênciadeuma suspensão, não apresentando resistência ao cisalhamento. O limite de liquidez, wL, separaos estados plástico e fluido.

Comoseriadeseesperar,a resistênciaaocisalhamentobemcomoa compressibilidadedos solos variam nos diversos estados de consistência.

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A delimitaçãoentreosdiversosestadosdeconsistênciaé feita deformaempírica.Estadelimitaçãofoi inicialmenterealizadapor Atterberg, culminandocom a padronizaçãodosensaios para a determinação dos limites de consistência por Arthur Casagrande.

Conforme apresentadoanteriormente,são os seguintesos limites que separamosdiversos estados de consistência do solo:

. Limite de Liquidez (wL)

. Limite de Plasticidade (wP)

. Limite de Contração (wS)

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É o valor de umidade para o qual o solo passa do estado plástico para o estado fluido.

Determinaçãodo limite de liquidez (wL). A determinaçãodo limite de liquidez dosoloé realizadaseguindo-seo seguinteprocedimento:1) coloca-senaconchado aparelhodeCasagrandeuma pastade solo passando#40 e com umidadepróxima de seu limite deplasticidade.2) faz-seum sulconapastacomum cinzelpadronizado.3) Aplicam-segolpesàmassade solo postana conchado aparelhode Casagrande,girando-seumamanivela,a umavelocidadepadrãode 2 golpespor segundo.Estamanivelaé solidáriaa um eixo, o qual porpossuirum excêntrico,faz com quea conchado aparelhode casagrandecaiade umaalturapadrãode aproximadamente1cm. 4) Conta-seo númerode golpesnecessáriopara que aranhurade solo se fecheem umaextensãoem torno de 1cm. 5) Repete-seesteprocessoaomenos5 vezes,geralmenteempregando-sevaloresde umidadecrescentes.6) lançam-seospontosexperimentaisobtidos,em termosde umidadeversus log N° de golpes.6) ajusta-seumaretapassandopor essespontos.O limite de liquidezcorrespondeà umidadeparaa qualforam necessários25 golpespara fechar a ranhurade solo. A fig. 5.1 ilustra o aparelhoutilizadonadeterminaçãodo limite deliquidez.A fig. 5.2 apresentaa determinaçãodo limitede liquidez do solo (vide NBR 6459).

31

Figura 5.1 - Aparelhoutilizado na determinaçãodo limite deliquidez.Apud Vargas(1977)

10 10070

74

78

82

86

90

78,778,778,778,778,778,778,778,778,7

Número de golpes (N)

Teo

r de

um

idad

e, w

(%

)

Figura 5.2 - Determinação do limite de liquidez do solo.

��� ��� ������ � �� ��� ���� ������ �� ������

É o valor de umidadeparao qual o solo passado estadosemi-sólidoparao estadoplástico.

Determinação do limite de plasticidade (wP). A determinaçãodo limite deplasticidadedo soloé realizadaseguindo-seo seguinteprocedimento:1) prepara-seumapastacomo soloquepassana#40,fazendo-arolar coma palmadamãosobreumaplacadevidroesmerilhado,formandoum pequenocilindro. 2) quandoo cilindro desolo atingir o diâmetrode 3mm e apresentarfissuras,mede-sea umidadedo solo. 3) estaoperaçãoé repetidapelomenos5 vezes,definido assimcomo limite de plasticidadeo valor médio dos teoresde

N w (%)53 70,1135 75,2028 75,9122 81,0718 83,2612 86,3225 78,70

32

umidadedeterminados.A fig. 5.3 ilustra a realizaçãodo ensaioparadeterminaçãodo limitede plasticidade (vide NBR 9180).

Rolo de soloPlaca de vidro fosco

Controle,3mm

Se o solo fissurar com um diâmetro superior a 3mm, então

W < W

Controle,3mm

Se o solo fissurar com um diâmetro inferior a 3mm, então

W > WP

��� ��� ������� � � �����������������������

É o valor de umidadeparao qual o solo passado estadosólido parao estadosemi-sólido.

Determinaçãodo limite de contração (wS). A determinaçãodo limite de contraçãodo solo é realizadaseguindo-seo seguinteprocedimento:1) molda-seumaamostrade solopassandona #40,na forma de pastilha,em umacápsulametálicacom teorde umidadeentre10e 25golpesno aparelhodeCasaGrande.2) seca-sea amostraà sombrae depoisemestufa,pesando-aem seguida.3) utiliza-seum recipienteadequado(cápsulade vidro) paramedir ovolumedo solo seco,atravésdo deslocamentode mercúrioprovocadopelo solo quandodesuaimersãono recipiente.O limite de contraçãoé determinadopela eq. 5.1, apresentadaaseguir (vide NBR 7183).

w s �VP� 1

s

w x100 (5.1)

Onde: V = Volume da amostra secaP = Peso da amostra secaγw = Peso específico da águaγs = Peso específico das partículas sólidas

33

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Uma vez conhecidosos limites de consistênciade um solo,váriosíndicespodemserdefinidos. A seguir, apresentaremos os mais utilizados.

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O índice de plasticidade(IP) correspondea faixa de valoresde umidadedo solo naqual ele secomportade maneiraplástica.É a diferençanuméricaentreo valor do limite deliquidez e o limite de plasticidade.

PL wwIP −= (5.2)

O IP é umamaneiradeavaliarmosa plasticidadedo solo.Seriaa quantidadedeáguanecessáriaa acrescentara um solo (com umaconsistênciadadapelo valor de wP) paraqueeste passasse do estado plástico ao líquido.

Classificação do solo quanto ao seu índice de plasticidade:

IP = 0 → NÃO PLÁSTICO 1 < IP < 7 → POUCO PLÁSTICO

7 < IP < 15 → PLASTICIDADE MÉDIA IP > 15 → MUITO PLÁSTICO

��� ��� #$�������� �� �� &%'�$����� ����������� �

É uma forma de medirmosa consistênciado solo no estadoem quese encontraemcampo.

IP

wwI L

C

−= (5.3)

É um meio de sesituara umidadedo solo entreos limites de liquidez e plasticidade,com o objetivo de utilizaçãoprática.Obtençãodo estadode consistênciado solo em campoutilizando-se o IC:

IC < 0 → FLUÍDO - DENSO 0 < IC < 1 → ESTADO PLÁSTICO

IC > 1 → ESTADO SEMI - SÓLIDO OU SÓLIDO ��� ���"()! *�+����,%'������ �� �����-�.0/��$1��������� ��

AMOLGAMENTO: É a destruição da estrutura original do solo, provocandogeralmente a perda de sua resistência (no caso de solos apresentando sensibilidade).

SENSIBILIDADE: É a perda de resistênciado solo devido a destruiçãode suaestruturaoriginal. A sensibilidadede um solo é avaliada por intermédio do índice desensibilidade(St), o qual é definido pela razãoentrea resistênciaà compressãosimplesdeuma amostraindeformadae a resistênciaà compressãosimplesde uma amostraamolgada,

34

remoldadano mesmoteordeumidadedaamostraindeformada.A sensibilidadedeum soloécalculada por intermédio da eq. 5.4, apresentada adiante.

C

Ct R

RS

'=

(5.4)

OndeSt é a sensibilidadedo soloe RC e R'C sãoasresistênciasà compressãosimplesda amostra indeformada e amolgada, respectivamente.

Segundo Skempton: St < 1 → NÃO SENSÍVEIS

1 < St < 2 → BAIXA SENSIBILIDADE 2 < St < 4 → MÉDIA SENSIBILIDADE 4 < St < 8 → SENSÍVEIS

St > 8 → EXTRA - SENSÍVEIS

Quantomaiorfor o St, tem-seumamenorcoesão,umamaiorcompressibilidadee umamenor permeabilidade do solo.

TIXOTROPIA: É o fenômenodarecuperaçãodaresistênciacoesivado solo,perdidapelo efeito do amolgamento,quandoesteé colocadoem repouso.Quandose interfere naestrutura original de uma argila, ocorre um desequilíbrio das forças inter-partículas.Deixando-seestesolo em repouso,aospoucosvai-se recompondopartedaquelasligaçõesanteriormente presentes entre as suas partículas.

ATIVIDADE: Conforme relatado anteriormente,a superfície das partículas dosargilo-mineraispossuiumacargaelétricanegativa,cuja intensidadedependeprincipalmentedascaracterísticasdoargilo-mineralconsiderado.As atividadesfísicasequímicasdecorrentesdestacargasuperficialconstituema chamada"atividadedasuperfíciedo argilo-mineral".Dostrêsgruposde argilo-mineraisapresentadosaqui, a montmorilonitaé a maisativa, enquantoque a caulinita é a menosativa. SegundoSkempton(1953) a atividadedos argilo-mineraispode ser avaliada pela eq. 5.5, apresentada adiante.

mm

IPA

002.0% <=

(5.5)

Onde o termo %<0.002mmrepresentaa percentagemde partículascom diâmetroinferior a 2µ presentesno solo.Ainda segundoSkempton,ossolospodemserclassificadosdeacordo com a sua atividade do seguinte modo:

�

Solos inativos: A < 0,75�

Solos medianamente ativos: 0,75 < A < 1,25�

Solos ativos: A> 1,25.

A fig. 5.4 apresentaa variação do índice de plasticidadede amostrasde soloconfeccionadasemlaboratórioemfunçãodapercentagemdeargila (% < 0,002mm)presentenos mesmos.Da eq. 5.5 percebe-seque a atividade do argilo-mineral correspondeaocoeficienteangulardasáreashachuradasapresentadasna figura. Na fig. 5.4 estãotambémapresentados valores típicos de atividade para os três principais grupos de argilo-minerais.

35

0

100

200

300

400

500

600

700

800

4 < A < 8M ontmorilonita

0,5 < A < 1,5

Ilita

0,3 < A < 0,5

CaulinitaFração argila (%)

Índi

ce d

e pl

ast

icid

ade

(%

)

Figura 5.4 - Variação do IP em função da fração argila para soloscom diferentesargilo-minerais.

36

6. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS.

Por seremconstituídosde um materialde origemnatural,os depósitosde solo nuncasão estritamente homogêneos.Grandes variações nas suas propriedadese em seucomportamentosãocomumenteobservadas.Pode-sedizercontudo,quedepósitosdesoloqueexibempropriedadesbásicassimilarespodemseragrupadoscomoclasses,medianteo usodecritériosou índicesapropriados.Um sistemadeclassificaçãodossolosdeveagruparossolosde acordocom suaspropriedadesintrínsecasbásicas.Do pontode vista da engenharia,umsistemade classificaçãopodeserbaseadono potencialde um determinadosolo parausoembasesde pavimentos,fundações,ou como material de construção,por exemplo.Devido anaturezaextremamentevariáveldo solo,contudo,é inevitávelqueem qualquerclassificaçãoocorramcasosondeé difícil seenquadraro solo em umadeterminadae únicacategoria,emoutraspalavras,semprevãoexistir casosemqueum determinadosolopoderáserclassificadocomopertencentea dois ou maisgrupos.Do mesmomodo,o mesmosolo podemesmosercolocado em grupos que pareçam radicalmentediferentes, em diferentes sistemasdeclassificação.

Em vistadisto,um sistemadeclassificaçãodevesertomadocomoum guiapreliminarpara a previsãodo comportamentode engenhariado solo, a qual não pode ser realizadautilizando-se somente sistemasde classificação.Testes para avaliação de importantescaracterísticasdo solo devemsempreser realizados,levando-sesempreem consideraçãoouso do solo na obra, já que diferentespropriedadesgovernamo comportamentodo solo adependerde suafinalidade.Assim, deve-seusarum sistemade classificaçãodo solo,dentreoutrascoisas,paraseobterosdadosnecessáriosaodirecionamentodeumainvestigaçãomaisminuciosa, quer seja na engenharia, geoquímica, geologia ou outros ramos da ciência.

Implicitamente,noscapítulosanteriores,utilizaram-sealgunssistemasdeclassificaçãodossolos.Estessistemasdeclassificação,por serembastantesimplificados,nãosãocapazesde fornecer,namaioriadoscasos,umarespostasatisfatóriado pontodevista da engenharia,devendo ser usados como informações adicionais aos sistemasde classificaçãomaiselaborados.Sãoeles:a) - Classificaçãogenéticados solos(classificaçãodo solo segundoasuaorigem)- Classificaossolosemresiduaise sedimentares,podendoapresentarsubdivisões(ex. solo residualjovem, solo sedimentareólico, etc.); b) - Classificaçãopela NBR 6502 -Conformeapresentadoanteriormente,estaclassificaçãodesignaos solosde acordocom assuas frações granulométricaspreponderantes,utilizando a curva granulométrica;c) -Classificaçãopela estrutura - Essa classificaçãoconsta de dois tipos fundamentaisdeestruturas(agregadae isolada),quepor suavez, sãosubdivididasem váriosoutrossubtipos(floculada,dispersa,orientada,aleatória),conformefoi visto no capítuloreferentea estruturados solos. A estrutura do solo está interligada com propriedadescomo coesão,pesoespecífico, sensibilidade, expansividade, resistência, anisotropia, permeabilidade,compressibilidade e outras mais.

Nestecapítulo serãoapresentadosos dois sistemasde classificaçãodos solos maisdifundidos no meio geotécnico,a saber,o SistemaUnificado de Classificaçãodo Solos,SUCS(ou “Unified Soil ClassificationSystem”,USCS)e o sistemadeclassificaçãodossolosproposto pela AASHTO (“American Association of State Highway and TransportationOfficials”). Deve-se salientar, contudo, que estes dois sistemasde classificaçãoforamdesenvolvidospara classificar solos de países de clima temperado,não apresentandoresultadossatisfatóriosquandoutilizadosna classificaçãode solostropicais(principalmenteaquelesde naturezalaterítica),cuja gêneseé bastantediferenciadadaqueladossolosparaosquaisestasclassificaçõesforam elaboradas.Por contadisto,e devidoa grandeocorrênciadesolos lateríticos nas regiões Sul e Sudestedo país, recentementefoi elaboradauma

37

classificaçãoespecialmentedestinadaa classificaçãode solos tropicais.Esta classificação,brasileira,denominadade ClassificaçãoMCT, começoua se desenvolverna décadade 70,sendo apresentada oficialmente em 1980 (Nogami & Vilibor, 1980).

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Este sistema de classificaçãofoi originalmente desenvolvidopelo professor A.Casagrande(Casagrande,1948) parauso na construçãode aterrosem aeroportosduranteaSegundaGuerraMundial,sendomodificadaposteriormenteparausoembarragens,fundaçõese outrasconstruções.A idéiabásicado SistemaUnificadodeClassificaçãodossolosé queossolosgrossospodemser classificadosde acordocom a suacurva granulométrica,ao passoqueo comportamentodeengenhariadossolosfinos estáintimamenterelacionadocom a suaplasticidade.Em outraspalavras,os solosnosquaisa fraçãofina nãoexisteem quantidadesuficientepara afetar o seu comportamentosão classificadosde acordocom a sua curvagranulométrica,enquantoqueossolosnosquaiso comportamentodeengenhariaé controladopelassuasfraçõesfinas(silte e argila),sãoclassificadosdeacordocomassuascaracterísticasde plasticidade.

As quatromaioresdivisõesdo SistemaUnificado de Classificaçãodos Solossãoasseguintes:(1) - Solosgrossos(pedregulhoe areia),(2) - Solosfinos (silte e argila),(3) - Solosorgânicose (4) - Turfa. A classificaçãoé realizadana fraçãode solo que passana peneira75mm,devendo-seanotara quantidadede materialeventualmenteretida nestapeneira.Sãodenominadossolos grossosaquelesque possuemmais do que 50% de material retido napeneira200e solosfinos aquelesquepossuemmaisdo 50%dematerialpassandonapeneira200. Os solosorgânicose as turfassãogeralmenteidentificadosvisualmente.Cadagrupoéclassificadopor um símbolo,derivadodosnomeseminglêscorrespondentes:Pedregulho(G),do inglês"gravel"; Argila (C), do inglês"Clay"; Areia (S), do inglês"Sand";Solosorgânicos(O), de"Organicsoils" e Turfa (Pt), do inglês"peat".A únicaexceçãoparaestaregraadvémdo grupo do silte, cuja letra representante, M, advém do Sueco "mjäla".

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Os solosgrossossãoclassificadoscomopedregulhoou areia.Sãoclassificadoscomopedregulhosaquelessolospossuindomaisdo que50%desuafraçãogrossaretidanapeneira4 (4,75mm)e como areiasaquelessolospossuindomais do que 50% de suafraçãogrossapassandonapeneira4. Cadagrupopor suavezé dividido emquatrosubgruposa dependerdesua curva granulométrica ou da natureza da fração fina eventualmente existente. São eles:

1) Material praticamente limpo de finos, bem graduado W, (SW e GW)2) Material praticamente limpo de finos, mal graduado P, (SP e GP)3) Material com quantidades apreciáveis de finos não plásticos, M, (GM e SM)4) Material com quantidades apreciáveis de finos plásticos C, (GC ou SC)

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Formadospor um solo bemgraduadocom poucosfinos. Em um solo bemgraduado,osgrãosmenorespodemficar nosespaçosvaziosdeixadospelosgrãosmaiores,demodoqueos solos bem graduadostendema apresentaraltos valoresde pesoespecífico(ou menorquantidadede vazios)e boascaracterísticasde resistênciae deformabilidade.A presençadefinos nestesgruposnãodeveproduzirefeitosapreciáveisnaspropriedadesda fraçãogrossa,neminterferir nasuacapacidadededrenagem,sendofixadacomonomáximo5%do solo,emrelaçãoaoseupesoseco.O examedacurvagranulométricadossolosgrossossefaz por meiodoscoeficientesde uniformidade(Cu) e curvatura(Cc), já apresentadosanteriormente.Paraqueo solo sejaconsideradobemgraduadoé necessárioqueseucoeficientede uniformidade

38

sejamaior que 4, no casode pedregulhos,ou maior que 6, no casode areias,e que o seucoeficiente de curvatura esteja entre 1 e 3.

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Formadospor solos mal graduados(curvasgranulométricasuniformesou abertas).ComoossubgruposSW e GW, possuemno máximo5% departículasfinas,massuascurvasgranulométricas não completam os requisitos de graduação indicados para seremconsideradoscomo bem graduados.Dentro destesgrupos estãocompreendidosas areiasuniformes das dunas e os solos possuindoduas frações granulométricaspredominantes,provenientes da deposição pela água de rios em períodos alternados de cheia/seca.

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Sãoclassificadoscomo pertencentesaossubgruposGM e SM os solosgrossosnosquais existe uma quantidadede finos suficiente para afetar as suas propriedadesdeengenharia:resistênciaaocisalhamento,deformabilidadee permeabilidade.Convenciona-seaquantidadede finos necessáriapara que isto ocorra em 12%, emborasabendo-seque ainfluênciadosfinos no comportamentode um solo dependenãosomenteda suaquantidademastambémda atividadedo argilo-mineralpreponderante.Paraos solosgrossospossuindomaisdo que12%definos, deve-serealizarensaioscomvistasa determinaçãodeseuslimitesde consistência wL e wP, utilizando-se para isto a fração de solo que passa na peneira #40. Paraqueo solosejaclassificadocomoGM ou SM, a suafraçãofina devesesituarabaixodalinhaA da carta de plasticidade de Casagrande (vide fig. 6.2).

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São classificadoscomo GC e SC os solos grossosque atendemaos critériosespecificadosno item A.3, mascuja fraçãofina possuirepresentaçãonacartadeplasticidadeacimada linha A. Em outraspalavras,são classificadoscomo GC e SC os solos grossospossuindo mais que 12% de finos com comportamento predominante de argila.

OBS: Ossolosgrossospossuindopercentagensdefinos entre5 e 12%devempossuirnomenclaturasduplas,comoGW-GM, SP-SC,etc.,atribuídasde acordocom o especificadoanteriormente.De uma forma geral, sempreque um material não se encontraclaramentedentrodeum grupo,devemosutilizar símbolosduplos,correspondentesa casosde fronteira.Ex: GW-SW (materialbemgraduadocom menosde 5% de finos e formadocom fraçãodegrossoscomiguaisproporçõesdepedregulhoe areia)ou GM-GC (solosgrossoscommaisdoque 12% de finos cuja representaçãona cartade plasticidadede Casagrandesesitua muitopróxima da linha A).

A fig. 6.1 apresentaum fluxogramaexibindoos passosbásicosa seremseguidosnaclassificação de solos grossos pelo Sistema Unificado.

39

SOLOS GROSSOS

Pedregulho (G). Mais que 50% dafração grossa retido na # 4 (4.75mm)

Areia (S). Menos que 50% da fraçãogrossa retido na # 4 (4.75mm)

Menos que 5%passam na #200

Mais que12% passamna # 200

Entre 5 e 12%passam na #200

Se Cu > 4 e

1<Cc<3

GW GP

Senão

Nomes

duplos:

GW-GM

Finos

ML ou MH

GM GC

Finos

CL ou CH

Menos que 5%passam na #200

Mais que 12%passam na #200

Entre 5 e 12%passam na #200

Se Cu > 6e 1<Cc<3

SW SP

Senão

Nomes

duplos:

SW-SM

Finos

ML ou MH

SM SC

Finos

CL ou CH

Figura 6.1 - Classificação dos solos grossos pelo SUCS.

40

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Os solosfinos sãoclassificadoscomoargila e silte. A classificaçãodossolosfinos érealizadatomando-secomobaseapenasoslimites deplasticidadee liquidezdo solo,plotadosna forma da carta de plasticidadede Casagrande.Em outraspalavras,o conhecimentodacurvagranulométricade solospossuindomaisdo que50% de materialpassandona peneira200 poucoou muito pouco acrescentaacercadas expectativassobresuaspropriedadesdeengenharia.

A Carta de plasticidadedos solos foi desenvolvidapor A. Casagrandede modo aagrupar os solos finos em diversos subgrupos,a dependerde suas característicasdeplasticidade.Conformeé apresentadona fig. 6.2, a cartadeplasticidadepossuitrêsdivisoresprincipais: A linha A (de eq. IP = 0,73(wL - 20)), a linha B (wL = 50%) e a linha U (de eq. IP =0,9(wL - 8). Destemodo,ossolosfinos,quesãodivididosemquatrosubgrupos(CL, CH, MLe MH), sãoclassificadosdeacordocoma suaposiçãoem relaçãoàslinhasA e B, conformeapresentado a seguir:

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OssolosclassificadoscomoCL (argilasinorgânicasdebaixaplasticidade)sãoaquelesos quaistêm a suarepresentaçãona cartade plasticidadeacimada linha A e à esquerdadalinha B (conformepode-seobservarna fig. 6.2, deve-seter tambémum IP > 7%). O grupoCH (argilas inorgânicasde alta plasticidade),possuema sua representaçãona carta deplasticidadeacimadalinha A e à direitadalinha B (wL > 50%).Sãoexemplosdestegrupoasargilasformadaspor decomposiçãoquímicade cinzasvulcânicas,tais comoa argila do valedo México, com wL de até 500%.

��� #������������� $%���&$'!

OssolosclassificadoscomoML (siltesinorgânicosdebaixaplasticidade)sãoaquelesos quaistêm a suarepresentaçãona cartade plasticidadeabaixoda linha A e à esquerdadalinha B (conformepode-seobservarna fig. 6.2, deve-seter tambémum IP < 4%). O grupoMH (siltes inorgânicosde alta plasticidade),possuema sua representaçãona carta deplasticidade abaixo da linha A e à direita da linha B (wL > 50%).

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Sãoclassificadosutilizando-seosmesmoscritériosdefinidosparaossubgruposML eMH. A presençade matériaorgânicaé geralmenteidentificadavisualmentee pelo seuodorcaracterístico.Em casode dúvidaa escolhaentreos símbolosOL/ML ou OH/MH podeserfeita utilizando-seo seguintecritério: Se wLs/wLn < 0,75 entãoo solo é orgânicosenãoéinorgânico.Os símboloswLs e wLn correspondema limites de liquidez determinadosemamostrasque foram secasem estufae ao ar livre, respectivamente.Nestecaso,a diferençaentreos valoresde wL sedeveao fato de que a amostrasecaem estufaa 105oC teráa suamatéria orgânica queimada, tendo em consequência o seu valor de wL reduzido.

41

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

CL

ML

ML

OL

MHOH

CH

CL- ML

Linha AIP = 0,73·(WL - 20)

Linha UIP = 0,90·(WL - 8)

Limite de Liquidez (%)

Índi

ce d

e P

last

icid

ade

(%)

Figura 6.2 - Carta de plasticidade de Casagrande.

OBS: Solos cuja representação na carta de plasticidade se situe dentro da zona CL-ML devem ter nomenclatura dupla.Soloscujarepresentaçãonacartadeplasticidadesesituepróximoà linha LL = 50 % devemter nomenclaturadupla:(MH-ML ou CH-

CL).Solos cuja representação na carta de plasticidade se situe próximo à linha A devem ter nomenclatura dupla: (MH-CH ou CL-ML).As argilas inorgânicas de média plasticidade possuem wL entre 30 e 50%.

42

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Sãosolosaltamenteorgânicos,geralmentefibrilares e extremamentecompressíveis.As turfas são solos que incorporam florestas soterradasem estágio avançado dedecomposição. Estes solos formam um grupo independente de símbolo (Pt).

Na maioriadossolosturfososos limites deconsistênciapodemserdeterminadosapóscompletoamolgamentodo solo. O limite de liquidez destessolosvaria entre300 e 500%permanecendoa suaposiçãonacartadeplasticidadenotavelmenteacimadalinha A. O Índicede plasticidade destes solos normalmente se situa entre 100 e 200.

A linha U apresentadana carta de plasticidaderepresentao limite superior dascoordenadas(wL;IP) encontradoparaa grandemaioria dos solos (mesmosolos possuindoargilo-mineriaisdealtaatividade).Destemodo,semprequeemum processodeclassificaçãoo pontorepresentantedo solo sesituaracimada linha U, os dadosde laboratóriodevemserchecados e os ensaios refeitos.

A cartadeplasticidadedeCasagrandepodeaindanosdarumaidéiaacercado tipo deargilo-mineralpredominantena fraçãofina do solo. Solospossuindoargilo-mineraisdo tipo1:1 (como a caulinita) tem seuspontosde representaçãona cartade plasticidadepróximo àlinha A (parte superiorà linha A), enquantoque solos possuindoargilo-mineraisde altaatividade(como a montmorilonita)tendema ter seuspontosde representaçãona carta deplasticidade próximos à linha U (parte imediatamente inferior à linha U).

Apesardossímbolosutilizadosno SUCSseremde grandevalia, elesnãodescrevemcompletamenteum depósitode solo. Em todos os solos deve-seacrescentarinformaçõescomoodor, cor e homogeneidadedo materialà classificação.Parao casode solosgrossos,informaçõescomoa forma dosgrãos,tipo de mineralpredominante,grausde intemperismoou compacidade,presençaou não de finos são pertinentes.Para o casodos solos finos,informaçõescomoa umidadenaturale consistência(naturale amolgada)devemsersempreque possível ser fornecidas.

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A sistemade classificaçãoda AASHTO foi desenvolvidoem 1920 pelo "BureauofPublic Roads",que realizou um extensoprogramade pesquisasobre o uso de solos naconstruçãode vias secundárias("farm to marketroads").O sistemaoriginal foi baseadonascaracterísticasdeestabilidadedossolosquandousadoscomoa própriasuperfíciedapistaouem conjuntocom umafina capaasfáltica.Diversasaplicaçõesforam realizadasdesdea suaconcepçãoe a suaaplicabilidadefoi estendidaconsideravelmente.Segundoa AASHTO (videAASHTO, 1978), estaclassificaçãopode ser utilizada para os casosde aterros,subleitos,basese subbasesde pavimentosflexíveis, mas deve-seter sempreem menteo propósitooriginal da classificação quando da sua utilização.

O sistemada AASHTO classificao solo em oito diferentesgrupos:de A1 a A8 einclui diversossubgrupos.Ossolosdentrodecadagrupoou subgruposãoaindaavaliadosdeacordo com o seu índice de grupo, o qual é calculadopor intermédio de uma fórmulaempírica.

43

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Os solos pertencentesao grupo A1 são bem graduados,ao passoque os solospertencenteao grupo A3 são areiasmal graduadas,sem presençade finos. Os materiaispertencentesao grupo A2 apesarde granulares(35% ou menospassandona peneira200),possuem uma quantia significativa de finos.

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Os solos pertencentes aos grupos A4 ao A7 são solos finos, materiais silto-argilosos. Adiferenciaçãoentreos diversosgruposé realizadacom basenos limites de Atterberg.Solosaltamenteorgânicos(incluindo-seaí a turfa) devemser colocadosno grupo A8. Como nocaso do SUCS, a classificação dos solos A8 é feita visualmente.

O índicede grupoé utilizado paraauxiliar na classificaçãodo solo.Ele é baseadonaperformancede diversossolos,especialmentequandoutilizadoscomosubleitos.O índicedegrupo é determinado utilizando-se a eq. 6.1, apresentada adiante:

( ) ( )[ ] ( )( )101501040005020035 −−+−+−= IPFwFIG L ,,, (6.1)

Onde F é a percentagem de solo passando na peneira 200

Quandotrabalhandocom os gruposA-2-6 e A-2-7 o índicede grupodeveserdeterminado utilizando-se somente o índice de plasticidade.

No casoda obtençãode índicesde gruponegativos,deve-seadotarum índicede grupo nulo.

Usaro sistemade classificaçãodaAASHTO nãoé difícil. Uma vezobtidosos dadosnecessários,deve-seseguir os passosindicadosna fig. 6.3, da esquerdapara a direita, eencontraro grupocorretopor um processode eliminação.O primeiro grupoà esquerdaqueatendaas exigênciasespecificadasé a classificaçãocorretada AASHTO. A classificaçãocompletainclui o valor do índice de grupo (arredondadopara o inteiro mais próximo),apresentadoem parênteses,à direita do símbolo da AASHTO. Ex: A-2-6(3), A-6(12),A-7-5(17), etc.

Devido a sua ligaçãohistórica com a classificaçãode solospara uso rodoviário, aclassificaçãoda AASHTO é bastanteutilizadana seleçãode solosparausocomobase,sub-bases e sub-leitos de pavimentos.

44

SOLOS GROSSOS35% ou menos passando na # 200

Menos que 25%passando na # 200

menos que50% passamna # 40

Menos que 15%passa na # 200.

Menos que 30%passa na # 40.

Menos que 50%passa na # 10

IP < 6%

A-1-a

Silte

IP ≤ 10%

Argila

IP ≥ 11%

LL ≤ 40%

A-2-4 A-2-5

Menos que 35%passando na # 200

mais que 50%passam na #40

Menos que 25%passa na # 200.

Menos que 50%passa na # 40.

IP < 6%

A-1-b

Menos que 10%passa na # 200.

Não plástico

A-3

LL ≥ 41% LL ≤ 40%

A-2-6 A-2-7

LL ≥ 41%

Figura 6.3 - Classificação pela AASHTO. Solos grossos.

45

SOLOS SILTO-ARGILOSOS35% ou mais passando na # 200

Silte

IP ≤ 10%

Argila

IP ≥ 11%

LL ≤ 40%

A-4 A-5

LL ≥ 41% LL ≤ 40%

A-6 A-7-5

LL ≥ 41%

IP<= (LL-30)

LP >= 30%

IP>= (LL-30)

LP <= 30%

A-7-6

Figura 6.3 - Classificação pela AASHTO. Solos finos.

46

7. ÍNDICES FÍSICOS.

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O comportamentodeum solodependedaquantidaderelativadecadaumadesuastrêsfases(sólidos,águae ar). Diversasrelaçõessãoempregadasparaexpressaras proporçõesentreelas.Na fig. 7.1 mostradaa seguirestãorepresentadas,de modo esquemático,as trêsfasesque normalmenteocorrem nos solos, ainda que, em alguns casos,todos os vaziospossam estar ocupados pela água e a água possa conter substâncias dissolvidas.

Pesos Volumes

Massas Volumes

Zer o Ma Ar Va

Vv

Zer o Pa Ar Va

Vv Pt Pw Água Vw Vt

Ps Sól i do Vs

Mt Mw Água Vw Vt

Ms Sól i do Vs

��� � �� ������� �"!�#�$%�#�&�#'����'�(�'�)#�&�*���#'+-,�� � . �/����&)0���&�#�& . ���&�� � ��� � ��1#�&)�2�3&��54 �

Onde:Va, Vw, Vs, Vv e Vt representamos volumesde ar, água,sólidos,de vaziosetotal do solo,respectivamente.Ps,Pw, Pae Pt Sãoospesosdesólidos,água,ar e total e Ms,Mw, Ma e Mt são as respectivas massas de sólidos, água, ar e total.

��� 6'� !2#'4 �'�(7�#�&8#'�9�91#8:��54 ��+;#�&

��� 6'� � �2< �5 �(& � ���5��#>=?�A@

A porosidade é definida como a relação entre o volume de vazios e o volume total. Ointervalo de variação da porosidade está compreendido entre 0 e 1.

Vt

Vvn =

(7.1)

��� 6'� 6'� BC �'����#/DE�����5 �'����F=GDH?@

Os vazios do solo podemestarapenasparcialmenteocupadospor água.A relaçãoentreo volumedeáguae o volumedosvaziosé definidacomoo graudesaturação,expressoem percentagem e com variação de 0 a 100% (solo saturado).

47

VvVw

Sr = (7.2)

��� ��� �������� �������������� ���������

O índicedevaziosé definidocomoa relaçãoentreo volumedevaziose o volumedaspartículassólidas,expressoem termosabsolutos,podendosermaior do quea unidade.Suavariação é de 0 a ∞.

e V v

V s

(7.3)

��� ���"!���# �%$�&'�'�(���)�*+�(,��'�����-�(����# .'/0�'�213,��'�����546�'7��8��9 :� �����2�'.;���)�*+�=<>���������-�(����# .'/0�'�21;<>���������46�'7��8��9 :� �������

��� ���@? �A,��'���B�'�'7A�8��9 :� ����� γ�C�D/E�������D�'�'7A�8��9 : ���F� ρ�C�6��GH��# �

O pesoespecíficode um solo é a relaçãoentreo seupesototal e o seuvolumetotal,incluindo-seaí o pesoda águaexistenteem seusvaziose o volume de vaziosdo solo. Amassaespecíficado solo possuidefinição semelhenteao pesoespecífico,considerando-seagora a sua massa.

gVt

Mt

Vt

Pt ⋅=== ργργ onde , (7.4)

��� ��� �8�A,��'���D46�'7A�8��9 : ���"�6�8�B,���*I)9 ��.�# ���B��J�# �A���

O pesoespecíficodaspartículassólidasé obtido dividindo-seo pesodaspartículassólidas(nãoconsiderando-seo pesoda água)pelo volume ocupadopelaspartículassólidas(sem a consideraçãodo volume ocupadopelos vazios do solo). É o maior valor de pesoespecíficoqueum solo podeter, já queas outrasduasfasesquecompõeo solo sãomenosdensas que as partículas sólidas.

Vs

Pss =γ

(7.5)

��� ��� ���6,��'���D46�'7��8��9 :� ���"�A�BGH��# �BGK�8���

Corresponde a um caso particular do peso específico do solo, obtido para Sr = 0.

Vt

Psd =γ

(7.6)

��� ��� L'�A,��'���D46�'7A�8��9 : ���"�6��GH��# �BGH��)+.8*+���6�

É o peso específico do solo quando todos os seus vazios estão ocupados pela água. Énumericamente dado pelo peso das partículas sólidas dividido pelo volume total do solo.

1 Sr quando, , ==Vt

Ptsatγ

(7.7)

48

��� ��� �������� ����������� ��� �� ��� ��� �� ��!�"#$&%'��

Neste caso, considera-sea existênciado empuxo de água no solo. Logo, o pesoespecíficodo solo submersoseráequivalenteao o pesoespecíficodo solo menoso pesoespecífico da água.

wsatsub γγγ −= (7.8)

OBSERVAÇÃO:As distinçõesentreospesosespecíficosdesolosaturadoe submersoserãomelhorcompreendidasquandodo estudodo capítulotensõesgeostáticas,ondeseapresentao princípiodastensõesefetivas,propostopor Terzaghipararepresentarocomportamento dos solos em termos de resistência ao cisalhamento e deformação.

��� (��)*� +�,�%�+&#-+��. �/+�����

As relaçõesentre pesos ou entre volumes, por serem admensionais,não serãomodificadascasono ladodireito dafig. 7.1,osvolumesdeágua,ar e sólidossejamdivididospor um determinadofator, conservadoconstantepara todasas fases.Este fator pode serescolhido,por exemplo, para que o volume de sólidos se torne unitário. Deste modo,utilizando-seas relaçõesentre volumese entre pesose volumes,definidasanteriormente,temos:

Pesos Volumes

1

e1 + eSr⋅e

0

γw⋅Sr⋅e

γs

Figura 7.2 - Relaçõesentre volumes e entre pesose volumes adotando-seumvolume de sólidos unitário.

Uma outraforma de organizarasrelaçõesentrevolumese entrepesose volumesemum diagrama de fases seria adotando um volume total igual a 1. Neste caso teríamos:

1

Pesos Volumes

1 - n

nSr⋅n

0

γw⋅Sr⋅n

γs⋅(1-n)

Figura 7.3 - Relaçõesentre volumes e entre pesose volumes adotando-seumvolume total de solo unitário.

49

Das figs. 7.2 e 7.3 e utilizando-seas definiçõesdadaspara o índice de vazios e aporosidade tem-se:

n

ne

e

en

−=

+=

1ou

1 (7.9)

��� �������� � � ��������������� ������������� �"!#��$%�%$"&'� �#�(�)���%�*����+� ,-�������"���.$(�*�� ����/-�%$0��,1�1�*����$"��� 21���*$.��$�3 ,���� 41�%$!�3 $�� 4���$

Com o usodasfigs. 7.2 e 7.3, diversasrelaçõespodemserfacilmentedefinidasentreos índices físicos. As eqs. 7.10 a 7.12 expressam algumas destas relações:

1 w

D += γγ

(7.10)

eSrw wS .. ⋅= γγ (7.11)

e

eSr wS

+⋅+

=1

.

γγγ

(7.12)

A umidadeé definidacomoa relaçãoentreo pesoda águae o pesodossólidosemuma porção do solo, sendo expressa em percentagem. Pela análise da fig. 7.2 temos que:

s

w eSr

Ps

Pww

γγ ⋅⋅

== (7.13)

Em agronomia e em alguns ramos da mecânicado solo utiliza-se a umidadevolumétrica(θ), definidacomoa relaçãoentreo volumede águae o volumetotal de solo edada pela eq. 7.14

nSre

eSr

Vt

Vw ⋅=+⋅==

1θ

(7.14)

OBS:Apesardealgunsíndicesfísicosseremapresentadosempercentagem,o cálculodasrelaçõesentreelesdeveserfeito utilizando-osnaformadecimal.Todososoutrosíndicesdevem estar em unidades compatíveis.

��� 5 ��67��, $�� ����� �(�#�� �.�� 2 ��68�

Conformeserádiscutidono transcorrerdestecurso,por possuíremarranjosestruturaisbastantesimplificados, os solos grossos(areias e pedregulhoscom nenhumaou poucapresençade finos) podem ter o seu comportamentoavaliado conforme a sua curvacaracterística e a sua densidade relativa Dr, definida conforme a eq. 7.15.

Há uma variedadegrandede ensaiosparaa determinaçãode emin e γdmáx; todoselesenvolvemalgumaformadevibração.Paraemax e γdmin, geralmenteseadotaacolocaçãodosolosecadopreviamente,emum recipiente,tomando-setodocuidadoparaevitarqualquertipo devibração.Os procedimentosparaa execuçãode tais ensaiossãopadronizadosem nossoPaíspelasnormasNBR 12004 e 12051, variandomuito em diferentespartesdo Globo, nãohavendoaindaum consensointernacionalsobreosmesmos.A densidaderelativaé um índice

50

adotadoapenasna caracterizaçãodos SOLOSNÃO COESIVOS.A tabela7.1 apresentaaclassificação da compacidade dos solos grossos em função de sua densidade relativa.

( )

natural. estado seu no seco solo do aparente específico peso

. e a teanalogamen definidos são e

natural. estado seu no solo do vazios de índice o é e

compacto. ou denso mais estado no solo do vazios de índice o é e

(fofo). solto mais estado no solo do vazios de índice o é

onde;

(7.12) x100%

max mind

min

max

minmax

max

maxmin

minmax

minmax

→

→→

→→

−−

=−

−=

d

d

dd

dd

d

d

R

ee

e

xee

eeD

γ

γγ

γγγγ

γγ

100

(7.15)

Tabela 7.1 - Classificação da compacidadedos solos grossos utilizando-se oconceito de densidade relativa.

DR (%) Designação

0 a 30 Fofa30 a 70 Medianamente compacta

60 a 100 compacta

Notas importantes:

a) A densidaderelativa é o fator preponderante,tanto na deformabilidadequanto naresistência ao cisalhamento de solos grossos, influindo até na sua permeabilidade.

b) A densidaderelativa pode ser utilizada na estimativapreliminar de regiõessujeitasàliquefação e no controle de compactação de solos não coesivos.

��� ����������� ������������������� �������� �!��"#�$��%&� ��$')($ +*� ���,-��*�� �)��� .$/ �0� �� ��

Para estimativade todos os índices físicos de um determinadosolo normalmenteefetuam-se as seguintes determinações:

1Umidade

2 Peso específico do solo (γ)2 Peso específico das partículas sólidas (γs)

��� ��� 3 ���!��"#�$��%4� ��0'�(0 5*�768%&� *��*��

A umidadedo solo é geralmentedeterminadaem estufa,em laboratório.Paratanto,umaamostrade solo com determinadoteor de umidadeé pesadae posteriormentelevadaaumaestufa,com temperaturaentre105 e 110o, ondepermanecepor um determinadoperíodo(geralmenteum dia), atéquea suaconstânciade pesosejaassegurada.As variaçõesno pesodaamostrade solo sedevema evaporaçãoda águaexistenteno seuinterior. Após o períodode secagemem estufa,o pesoda amostraé novamentedeterminado.Destemodo,o pesodaáguaexistenteno solo é igual a diferençaentreos pesosda amostraantese apósestaserlevadaà estufa,sendoa umidadedo solo a razãoentreestadiferençae o pesoda amostradeterminadoapóssecagem.A seguirsãolistadosalgunsmétodosutilizadosna determinaçãoda umidade do solo em campo e em laboratório.

51

Estufa a 105 - 110°C (laboratório)Speedy (campo)Fogareiro à Álcool (campo)Estufa a 60°C. (laboratório, no caso da suspeita de existência de matéria orgânica)Sonda de nêutrons (campo)TDR (campo)

��� ��� ��������� ����� ��������������������! ���"�$#�% &'� #������)(*��+ �

Sãolistadosa seguirosprincipaismétodosutilizadosemlaboratórioe emcampoparadeterminação do peso específico do solo.

��� ��� ���-, �. /�10�� 2��$�����3��'� �

Cravação de cilindro biselado em amostras indeformadasCilindro de compactaçãoImersão em mercúrio (amostra indeformada, pequena)Balança hidrostática, solo parafinado (NBR 10838)

��� ��� ��� �$�. /�54.� �6�/�

Cravação do cilindro de HilfMétodo do cone de areiaMétodo do balão de borrachaSonda de nêutrons.

��� ��� 7����8�9� �'�:� ���������������"����! ���"�$#�% &'� #����"����;/�<�9�% #>=�+ �$�

Esta determinação é efetuada exclusivamente em laboratório, utilizando-se opicnômetro e os detalhes de sua execução são apresentados na NBR 6508.

��� ?���@�� + �$�����A.% �.� #����

ÍNDICES FÍSICOSn (%) e γd γ γsat

SOLOS kN / m3

Areia c / pedregulho 18 - 42 0.22 - 0.72 14 - 21 18 - 23 19 - 24Areia Média a Grossa 25 - 45 0.33 - 0.82 13 - 18 16 - 21 18 - 21Areia Fina e Uniforme 33 - 48 0.49 - 0.82 14 - 18 15 - 21 18 - 21

Silte 30 - 50 0.48 - 1.22 13 - 19 15 - 21 18 - 22Argila 30 - 55 0.48 - 1.22 13 - 20 15 - 22 14 - 23

Sobre o peso específico das partículas, algumas observaçõesnecessitamsermencionadas:

SegundodadosdeLambeeWhitman(1969),γs geralmenteseencontrano intervalode22 a 29 kN/m3 é em função dos minerais constituintes do solo.

Solos orgânicostendema apresentarvalores de γs menoresque o convencional,enquanto que solos ricos em minerais ferrosos tendem a apresentar γs > 30 kN/m3.

52

8. DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES NO SOLO.

����� ��������� ��������

Comoem todo materialutilizado na engenharia,o solo, ao sofrersolicitações,irá sedeformar, modificando o seu volume e forma iniciais. A magnitude das deformaçõesapresentadaspelo solo irá depender não só de suas propriedades intrínsecas dedeformabilidade(elásticase plásticas),mastambémdo valor do carregamentoa ele imposto.O conhecimentodastensõesatuantesem um maciçode terra, sejamelasadvindasdo pesopróprioou emdecorrênciadecarregamentosemsuperfície(ou atémesmodo alívio decargasprovocadopor escavações)é de vital importânciano entendimentodo comportamentodepraticamente todas as obras da engenharia geotécnica.

Neste capítulo tratar-se-áda determinaçãoou previsãodas pressões,aplicadasoudesenvolvidasempontosdo terreno,comoresultadodeum carregamentoimposto,bemcomoas tensões existentes no maciço devido ao seu peso próprio, isto é, as tensões geostáticas.

Nossolosocorremtensõesdevidasaoseupesopróprioe àscargasexternasaplicadas.Assim,o estadodetensõesemcadapontodo maciçodependedo pesoprópriodo terreno,daintensidadeda força aplicada e da geometria da área carregadae a obtençãode suadistribuiçãoespacialé normalmentefeita a partir das hipótesesformuladaspela teoria daelasticidade,conforme será visto mais adiante.No caso de tensõesinduzidaspelo pesopróprio das camadasde solo (tensõesgeostáticas)e superfície do terreno horizontal, adistribuição das tensõestotal, neutra e efetiva a uma dada profundidadeé imediata,considerando-se apenas o peso do solo sobrejacente.

��� �������������������� !�� #"$ #"�����"% ��&����' �

O conceito de tensãoem um ponto (desenvolvidopela mecânicado contínuo) éapresentadona disciplina Mecânicados Sólidos, podendoser representadopela eq. 8.1,apresentada adiante.

AF

A ∆∆

→

→

→∆

= lim0

σ

(8.1)

Onde ∆F é o módulo da força que atua no elemento de área de módulo ∆A.

Mostra-sequeo estadode tensãoem qualquerplanopassandopor um pontoem ummeio contínuoé totalmente especificadopelastensõesatuantesem trêsplanosmutuamenteortogonais,passandono mesmoponto.O estadode tensõesem um ponto é completamenterepresentadopelo tensorde tensõesnaqueleponto.O tensorde tensõesé compostode novecomponentes,formandoumamatriz simétrica.O produtodo tensorde tensõespeloversordanormal do plano passandopelo ponto considerado(vetor (n1;n2;n3) apresentadona fig. 8.1)forneceascomponentesdatensãoatuandosobreo plano(componentesPx,Py ePzdovetorPapresentado na fig. 8.1).

Apesarde o solo constituirum sistemaparticulado,compostode três fasesdistintas,(água,ar e partículassólidas)e o conceitode tensãoem um ponto advir da mecânicadocontínuo,estetem sido utilizado com sucessona práticageotécnica.Além disso,boa partedos problemasem mecânicados solospodemser encaradoscomo problemasde tensãooudeformaçãoplanos,demodoqueparaestescasoso tensorde tensõesapresentadona fig. 8.1se torna mais simplificado, podendoo estadode tensõesem um ponto ser representadoutilizando-se da construção gráfica do círculo de Mohr.

53

Deve-sesalientar contudo, que devido ao fato de o solo constituir um sistemaparticulado,em cadapontodo maciçopodemexistir estadosde tensõesdiferentesparacadauma de suas fases componentes.

Por seremfluidos, nãosuportandotensõescisalhantes,astensõesexistentesnasfaseságuae ar do solo sãosempreortogonaisao planopassandopelo pontoconsiderado.Pode-sedizerainda,quenamaioriadoscasos,a pressãonosvaziosdesolopreenchidospor ar é igualà pressão atmosférica (adotada geralmente como zero).

PPP

nnn

x

y

x

x xy xz

y yz

z

=

⋅

σ τ τσ τ

σ

1

2

3

n P

Figura 8.1 - Representação do estado de tensões em um ponto.

O princípio das tensõesefetivas - Postuladopor Terzaghi,para o casodos solossaturados,o princípiodastensõesefetivasé umafunçãodatensãototal (somadastensõesnasfaseságuae partículassólidas)e datensãoneutra(denominadatambémdepressãoneutra,é apressãoexistentena faseáguado solo),quegovernao comportamentodo soloemtermosdedeformação e resistência ao cisalhamento.

Mostra-seexperimentalmenteque,parao casodossolossaturados,o que governaocomportamentodo solo em termosde resistênciae deformabilidadeé a diferençaentre atensão total e a pressãoneutra, denominadaentão tensão efetiva As tensõesnormaisdesenvolvidasemqualquerplanonummaciçoterroso,serãosuportadas,partepelaspartículassólidas e parte pela água. As tensõescisalhantessomentepoderãoser suportadaspelaspartículas sólidas.

No casodos solossaturados,uma parcelada tensãonormal agenos contatosinter-partículase a outraparcelaatuanaáguaexistentenosvaziosAssim,a tensãototal numplanoseráa somadatensãoefetiva,resultantedasforçastransmitidaspelaspartículas,e dapressãoneutra,dandoorigema umadasrelaçõesmais importantesda MecânicadosSolos,propostapor Terzaghi:

� ' � ��� u (8.2)

Ondeσ′ é a tensãoefetivado solo,σ é a tensãototal e u é a pressãoneutrano pontoconsiderado.

Devido a suanaturezade fluido, a pressãona faseáguado solo nãocontribui paraasuaresistência,sendoassimchamadade pressãoneutra.Paravisualizarum poucomelhoroefeito da águano solo imagine uma esponjacolocadadentro de um recipientecom águasuficienteparaencobri-la(a esponjaseencontratotalmentesubmersa).Seo nível deáguaforelevadono recipiente,a pressãototal sobrea esponjaaumenta,masa esponjanãosedeforma.Isto ocorreporqueos acréscimosde tensãototal sãocontrabalançadospor iguaisacréscimosna tensão neutra, de modo que a tensão efetiva permanece inalterada (vide eq. 8.2).

54

��� �������� ���� ������������������������� ��������! ����

Conformerelatadoanteriormente,astensõesno interior deum maciçodesolopodemser causadaspor cargasaplicadasao solo e pelo seu pesopróprio. A distribuiçãodestesestadosde tensãopontoa pontono interior do maciçoobedecea um conjuntode equaçõesdiferenciaisdenominadasdeequaçõesdeequilíbrio,decompatibilidadee asleis constitutivasdo material, cuja resoluçãoé geralmentebastantecomplicada.Mesmo a distribuição detensões no solo devido ao seu peso próprio pode resultar em um problema mais elaborado.

Existecontudo,umasituaçãofreqüentementeencontradanageotecnia,emqueo pesodo solo propicia um padrãode distribuiçãode tensõesbastantesimplificado. Isto acontecequandoa superfíciedo solo é horizontal e quandoas propriedadesdo solo variam muitopouco na direção horizontal.

Cálculo da tensãogeostáticavertical - Paraa situaçãodescritaanteriormente,nãoexistemtensõescisalhantesatuandonosplanosvertical e horizontal(em outraspalavras,osplanosvertical e horizontalsãoplanosprincipaisde tensão).Portanto,a tensãovertical emqualquerprofundidadeé calculadasimplesmenteconsiderandoo pesode soloacimadaquelaprofundidade.Assim,seo pesoespecíficodo solo é constantecom a profundidade,a tensãovertical total pode ser calculadasimplesmenteutilizando-sea eq. 8.3 apresentadaadiante,onde z representa a distância do ponto considerado até a superfície do terreno (Fig. 8.2).

zv ⋅= γσ (8.3)

Onde:

σv é a tensão geostática vertical total no ponto considerado.

γ é o peso específico do solo.z eqüivale a profundidade.

A pressão neutra é calculada de modo semelhante, utilizando-se a eq. 8.4.

wzwu ⋅= γ

(8.4)

Onde:

u é a pressão neutra atuando na água no ponto considerado.

γw é o peso específico do da água (adotado normalmente como γw = 10 kN/m3).zw eqüivale a profundidade do ponto considerado até a superfície do lençol freático.

Quandoo terrenoé constituídode camadasestratificadas,o queé comumem grandepartedos casos,ocorreuma variaçãodos pesosespecíficosao longo da profundidadee atensãonormalresultado somatóriodo efeitodasdiversascamadas.A tensãoverticalefetivaéentão calculada utilizando-se a eq. 8.5.

55

� ' v ��i � 1

n �i � hi �

�w � zw (8.5)

Onde hi e γi representam o peso específico e a espessura de cada camada considerada.

A fig. 8.2abaixo,mostraum diagramadetensõescoma profundidadeemum perfil desolo estratificado.

NA

σv

σh

zµ

(σv- u)

(σh -u)

Solo 1. Acima do N.A.

Solo 1. Abaixo do N.A.

Solo 2.

γ1

γ2

γ3

N.A.

σv, σ

v' e u

u = γ w hwz

σvσ

v' u

�v ' �

�i � 1

n �i � hi �

�w � zw

Figura 8.2 - Distribuições de tensões geostáticas verticais.

Uso do pesoespecíficosubmerso- Casoo nível de água,apresentadona fig. 8.2,estivesselocalizado na superfíciedo terreno, o cálculo das tensõesefetivas poderia sersimplificado pelo uso do conceitode pesoespecíficosubmerso,discutido no capítulo de

índicesfísicos.Nestecaso,a tensãototal vertical serádadapor σv = γsat⋅z, enquantoque a

pressão neutra no mesmo ponto será u = γw⋅z. A tensãoefetiva,correspondenteà diferençaentreestesdoisvalores,será:σv' = σv - u

= γsat⋅z. - γw⋅z, o que faz com que tenhamos:σv'= (γsat - γw)⋅z = γsub⋅z, ondeγsub é o pesoespecífico submerso do solo.

56

��� ��������� ��� ���������� � ���������

Determinaras tensõesgeostáticasverticaisefetiva e total e a pressãoneutraparaoperfil apresentado na fig. 8.3 e traçar os diagramas correspondentes.

Cálculo das tensões geostáticas:

� Tensões Totais:(σ)

σv(1) = 17,0 x 1,0 = 17,0 kN/m2

σv(2) = 17,0 + 18,5 x 2,0 = 54,0 kN/m2

σv(3) = 54,0 + 20,8 x 1,5 = 85,2 kN/m2

� Pressões Neutras:(u)

u(1) = 0

u(2) = 0 + γw x 2,0 = 10,0 x 2,0 = 20,0 kN/m2

u(3) = 20,0 + 10,0 x 1,5 = 35,0 kN / m2

� Tensões Efetivas: (σ' = σ - u)

σ'v(1) = 17,0 - 0 = 17,0 kN/m2

σ'v(2) = 54,0 - 20,0 = 34,0 kN/m2

σ'v(3) = 85,2 - 35,0 = 50,2 kN/m2

Figura 8.3 - Exemplo de Cálculo das tensões geostáticas verticais.

Cálculo das tensõesgeostáticashorizontais - As tensõesgeostáticashorizontaisexistentesem um maciçode solo sãomuito importantesno cálculo dos esforçosdesolosobreestruturasdecontenção,comoosmurosdearrimo,cortinasatirantadasetc.Estesesforçosdependememmuito dosmovimentosrelativosdo solo,ocasionadosemfunçãoda instalaçãoda estruturade contenção.Parao casodo solo em repouso,astensõesgeostáticashorizontaissãocalculadasempregando-seo coeficientedeempuxoem repouso do solo, conforme apresentado pela eq. 8.6.

57

- 5

- 4

- 3

- 2

- 1

0

Cot

a em

rel

ação

à s

uper

fície

(m

)

0 20 40 60 80 100

Tensões total, neutra e efetiva (kPa)

Tensão total

Pressão neutra

Tensão efetiva

Figura 8.4 - Representação gráfica dos resultados calculados

''vh Ko σσ ⋅= (8.6)

SegundoJaky(1956),o coeficientedeempuxoemrepousodo solopodeserestimadacomo usodaeq.8.7,apresentadaa seguir,ondeφ' é o ângulodeatrito internoefetivodo solo,apresentadoem detalhesno capítulode resistênciaao cisalhamento(volumeII).

( )'sen1 φ−=Ko (8.7)

��� ��������� ��� ���� ����������� ���� �������� ���� !�� ��"# � $ &%(' � �� ��� � ��

As cargasaplicadasna superfíciede um terrenoinduzemtensões,com conseqüentesdeformações,no interior deumamassadesolo.Emboraasrelaçõesentretensõesinduzidaseasdeformaçõesresultantessejamessencialmentenãolineares,soluçõesbaseadasna teoriadaelasticidadesãocomumenteadotadasem aplicaçõespráticas,respeitando-seasequaçõesdeequilíbrio e compatibilidade relatadas anteriormente.

O soloé admitidocomoum meio homogêneo(propriedadesiguaisem cadapontodomaciço), isotrópico (em cadaponto, as propriedadessão iguais em qualquerdireção),deextensãoinfinita, sendoas deformaçõesproporcionaisàs tensõesaplicadase calculadasutilizando-seos parâmetroselásticosdo solo: E (módulode elasticidade)e ν (coeficientedePoisson).Estashipótesesenvolvemconsiderávelsimplificaçãodo comportamentoreal dosolo, sendo as soluções obtidas apenas aproximadas, devido às seguintes razões:

�A admissãode uma relaçãolinear entretensõese deformaçõesé razoavelmenteconsistenteapenasno regimedepequenasdeformações,quandoa magnitudefinaldas tensões induzidas é bastante inferior a magnitude das tensões de ruptura;

�A hipótesede meio isotrópicoe homogêneosignifica assumirvaloresconstantesparaos parâmetroselásticosdo solo quandosesabe,por exemplo,queo módulode elasticidadetende a variar tanto em profundidadecomo lateralmente.Aaplicaçãodo modelo elásticofica então,implicitamente,vinculadaà adoçãodeconstanteselásticas do solo compatíveis com as condições de tensões edeformações existentes " in situ" ;

58

�A consideraçãodo solocomoum semi- espaçoinfinito e homogêneo,requerqueo terrenosejahomogêneoemamplasárease atéumagrandeprofundidade,funçãodas dimensões da área do carregamento.

Apesardestaslimitações,a simplicidadedassoluçõesobtidasjustifica o amploempregodesta teoria. Em análisesmais avançadas,o método dos elementosfinitos,incorporandomodelosde comportamentotensão- deformaçãomais realistaspara ossolos, tem sido freqüentementeutilizado para a avaliaçãode tensõese deformaçõesinduzidas em uma massa de solo.

��� ����� ��� � ���� ���� �����������������! "�"�#� ���$�!��% � ���

As tensõesinduzidas em uma massade solo, decorrentesde carregamentossuperficiais,dependemfundamentalmentedaposiçãodo pontoconsideradono interior doterrenoem relaçãoà áreade carregamento.A lei de variaçãodastensões,lateralmenteecom a profundidade, constitui a denominada distribuição de tensões nos solos.

A magnitudedas tensõesaplicadastendea diminuir tanto com a profundidadecomo lateralmente,à medidaque aumentaa distânciahorizontal do ponto à zona decarregamento (fig. 8.5).

Pode-sedizer que emboraas perturbaçõesno estadode tensãoinicial de ummaciço de solo, provocadas por um determinado carregamento,se propaguemindefinidamente,a intensidadedestasperturbações(ou os valores dos acréscimosdetensão induzidos na massade solo) diminuem bastanteem profundidadee com oafastamentolateral,de modoquea influência,do pontode vista prático,destascargas,élimitadaa umadeterminadaregião.Unindo-seospontosdamassadesolosolicitadosportensõesiguais,obtém-sesuperfíciesde distribuiçãode tensõesdenominadasisóbaras.Aoconjuntodessasisóbarasdenomina-sedebulbodetensões.Em termospráticos,o conceitode bulbo de tensões é aplicado para a massa de solo delimitada pela isóbaracorrespondentea 10% de cargaaplicadaà superfíciedo terreno(0,1q),de modoquenaárea de solo externa a esta isóbara supõe-seser negligenciável a influência docarregamentoimposto.A fig. 8.5(a)apresentaa distribuiçãode tensõesverticaisem umplanopassandopelocentrodeumaáreacarregadacircularderaio B e 8.5(b)osbulbosdetensõesverticaisobtidospara20, 10, 5, e 2 kPa,considerandoumacargapontualde100kN (eq. 8.10).

A distribuição de tensõesnos solos pode ser estimadade forma expedita,admitindo-seque as tensõesse propagemuniformementeatravésda massade solosegundoum dado ângulo de espraiamento(por exemplo, 30° ou 45°) ou uma dadadeclividade (por exemplo, método 2:1). Essa aproximação empírica baseia-senasuposiçãodequea áreasobrea quala cargaatuaaumentadeumaformasistemáticacoma profundidade,de modoque (σv=Q/A) decrescemcom a profundidade,como mostraafig. 8.6.

Parao casodafig. 8.6,deumasapataretangular,astensõesinduzidasnasuperfíciedoterreno são dadas por:

&v z ' 0 ' Q

bo ( l o (8.8)

Na profundidade(z), a áreada sapataaumentade z/2 (parao método2:1) ou z.tanφo

(espraiamento), para cada lado. Assim, a tensão nesta profundidade será estimada pela eq. 8.9:&

v z ' Qb z ( l z

(8.9)

59

B

q

Dist. Real

2

1

Distribuiçãoaproximada

A

B B

A

(a)

(b)Figura 8.5 - (a) Exemplode distribuição de acréscimosde tensãovertical devidoa

um carregamentona superfíciedo terrenoe (b) isóbarasdeacréscimode tensõesverticaispara 20, 10, 5 e 2 kPa, considerando uma carga pontual de 100 kN (Boussinesq).

a) Espraiamento segundo um angulo φo b) Método 2:1

boa a

φo

Qσo = Q

bo x lo

bo

Q σ1 = Qbz x lz

Z

bo + z

bolo

lo + z

z

2

1

oa

za

tan =⇒=φ o

tanφz·

Figura 8.6 - Distribuição de tensãovertical com a profundidade, segundoumângulo de espraiamento (a) ou método 2:1 (b).

b z ' bo � 2 � z � tan � o

l z ' l o � 2 � z � tan � o

60

O ângulo de espraiamento (φo) é função do tipo de solo, com valores típicos de:� solos muito moles: φo < 40°� areias puras: φo ≅ 40° a 45°� argilas rijas e duras: φo ≅ 70°� rochas: : φo > 70°

É importantesalientarque a distribuiçãosimplificada de tensõespressupõeque atensãoverticalemcadaplanohorizontalsejauniforme,sendoquenarealidadea distribuiçãorealtemumaformadesino,havendomaiorconcentraçãodetensãonaregiãopróximaaoeixoda carga,como mostraa fig. 8.7, ondeum determinadocarregamentofoi dividido em umasériede intervalos,paracadaintervalosendoaplicadoo métodosimplificadodadistribuiçãode tensões(vide tambémna fig. 8.5 os resultadosobtidosa partir da aplicaçãoda teoriadaelasticidade).

z

Figura 8.7 - Distribuição de tensõesem um solo obtida a partir do uso da soluçãosimplificada discretizando-se a superfície carregada em diversos elementos.

��� ��� ������� ���������������� ������������� ���!"� ��������� �����"� #�� �������$�

As tensõesdentrodeumamassadesolopodemtambémserestimadasempregandoassoluçõesobtidas a partir da teoria da elasticidade.Apesar das hipótesesadotadasnestasformulações,seuempregoaoscasospráticosé bastantefreqüente,dadaa suasimplicidade,quandocomparadasa outrostipos de análisesmaiselaboradas,comoo empregode técnicasde discretizaçãodo contínuo. Por outro lado, pode-sedizer tambémque estassoluçõesapresentamresultadosbem mais próximos do real do que aquelesobtidos com o uso dasoluçãosimplificada,apresentadano item anterior.Existem formulaçõespara uma grandevariedade de tipos de carregamento.Serão apresentadosaqui, apenasos casos maisfreqüentes,sem nos preocuparmoscom o desenvolvimentomatemático das equaçõesresultantes.

��� ��� ��� % ���&�� ���'�(���*)�� +����� ������,��

Boussinesq(1885) desenvolveuas equaçõesparacálculo dos acréscimosde tensõesefetivasverticais,radiaise tangenciais,causadaspelaaplicaçãodeumacargapontualagindoperpendicularmentenasuperfíciedeum terreno(fig. 8.8).Paraobtençãodasolução,assumiuas seguinteshipóteses:maciçohomogêneo,isotrópico,semi - infinito e de comportamentolinearmenteelástico(validadeda lei Hooke),a variaçãode volumedo solo sobaplicaçãodacargaé negligenciada,dentreoutras.A eq. 8.10 apresentaa soluçãode Boussinesq,paraocálculodoacréscimodatensãoverticalefetivaemqualquerpontodo maciço,obtidapor meiode integração das equações diferenciais da teoria da elasticidade.

A estimativadosacréscimosde tensõesverticaisé muito mais freqüente,em termospráticos,quedetensõestangenciais,radiaise decisalhamento,demodoqueestaé geralmenterealizadapor intermédiodeum fator deinfluência(Nb), apresentadonaeq.8.10,utilizando-sedefórmulase ábacosespecíficosparacadatipo decarregamento.OsvaloresdeNb dependemapenasda geometriado problema,sendodado em função de r/z, no ábacoda fig. 8.9.Observar que σz é independente do material, os parâmetros elásticos não entram na equação.

61

Q"Carga Pontual"

σ πz b

Q

zr

z

Q

zN= ⋅ ⋅

+

= ⋅22

5

2

2

3

2

1

Figura 8.8 - Carga concentradaaplicada na superfície do terreno - Solução de

Boussinesq.

A soluçãode Boussinesq,apresentadaacima,não conduza resultadossatisfatóriosquandotratamoscom algunssolossedimentares,ondeo processode deposiçãoem camadasconduz a obtençãode um material de naturezaanisotrópica.A análiseda influência daanisotropiado solo nos valore obtidos por Boussinesqfoi realizadapor por Westergaard,simulandouma condiçãoextremade anisotropiapara uma massade solo impedidade sedeformarlateralmente.As tensõessãoinferioresàsdasoluçãopropostapor Boussinesqqueé,por suavez, o procedimentomais intensamenteutilizado nasaplicaçõespráticas.A fig. 8.9também apresenta o fator de influência (Nw) obtido por Westergaard.

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 3,000,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

Westergaard

Boussinesq � z� Q

z 2N

NB

�3

2� �

1 � r

z

2 5

2

N W�

1

�

1 � 2 � r

z

2 3

2

z/r

N

Figura 8.9 - Fatores de influência para tensõesverticais devido a uma cargaconcentrada (NB: Solução de Boussinesq e NW: Solução de Westergaard).

(8.10)

Onde:Q = carga pontualZ = profundidade que vai da superfície do terreno (pto deaplicação da carga) até a cota onde deseja-se calcular σz

r = distância horizontal do ponto de aplicação da carga atéonde atua σz

62

��� ��� ��� ������� ������������������� ����������! ��"������# ���"��$��

As distribuiçõesde tensõesem uma massade solo, induzidaspor outros tipos decarregamentosmaisfreqüentesnaprática,puderamserestabelecidasa partir dageneralizaçãoda solução de Boussinesq, as quais serão apresentadas a seguir:

%�&�' �(*)+����# ��,(-# ./��0 �/�1���2� �3��)+����2��45�!� # ��6��879����� ����������!:8��� �+� &

As tensõesinduzidasno ponto(A), por umacargauniformementedistribuídaaolongode umalinha (Y) na superfíciedo semi-espaçoforam obtidaspor Melan (fig. 8.10) e estãoapresentadas nas eqs. 8.11 a 8.13.

222

32

)zx(z

.q

z +π=σ

(8.11)

222

32

)zx(z

.q

z +π=σ

(8.12)

222

22

)zx(z.x

.q

xy +π=τ

(8.13)

O

dy

x

σz

A

φ

O'

Z

Y

X

q/m

Z

σx

Figura 8.10 - Carga distribuída ao longo de uma linha (Melan).

&;' �(,( ��)+�4<����*�=�"��# > ��(?45�;���".@( �A�"4B�=C@� ��D��E(*�"*�+��)+�"� �(F��AD���4<CG(,# 4<����*�A# ��>-# �"# *�H79���3C@��*�D��3(,(-# �/� &

Em setratandodeumaplacaretangularemqueumadasdimensõesé muito maiorquea outra, como por exemplo, no caso das sapatas corridas, os esforços introduzidos na massa desolo podemser calculadospor meio da fórmula desenvolvidapor Terzaghi& Carothers.Afig. 8.11apresentao esquemadecarregamentoe o pontoondeseestácalculandoo acréscimode tensões.Observarquea placatem largura2b e estácarregadauniformementecom q. Astensõesnum pontoA, situadoa umaprofundidade(z) e distante(x) do centroda placasãodadas pelas eqs. 8.14 a 8.16, com ângulo α dado em radianos.

)cos.sen.(q

z βα+απ

=σ 2 (8.14)

63

Figura 8.11 - Placa retangular de comprimento infinito (sapata corrida).

)cos.sen(q

x βα−απ

=σ 2 (8.15)

βαπ

=τ 2cos.sen.q

xy (8.16)

������������� ���������������� ������������������� � ����� !"��# �"�$����!����%'& ��()�*��������� ��& ���

Newmark(1935),integroua equaçãodeMelan(8.11)e obtevea equaçãoparacálculoda tensãovertical (σz) induzidano cantode uma árearetangularuniformementecarregada.Parao casodeumaárearetangularde lados(x) e (y), uniformementecarregada(fig. 8.12),astensõesverticaisem um pontosituadonumaprofundidade(z), na mesmavertical de um dosvértices, é dada pela eq. 8.17.

Az

σz

y

x

q /área

Figura 8.12 - Placa retangular uniformemente carregada.

+−+++

+++++

+++++

=1.nmnm

)1n2m.n(m tagarc

1nm

2nm.

1.nmnm

)1n(mm.n2

4 2222

21

22

22

22

2222

21

22

z πσ q

(8.17)

onde:q = carga por unidade de área, ou seja, σo

m = x /zn = y /zx, y = largura e comprimento da área uniformemente carregada.

64

Os parâmetrosm e n sãointercambiáveis.Pode-seobservarquea eq. 8.17,dependeapenasdageometriadaáreacarregada(m en), assim,felizmente,a eq.8.17podeserreescritaem função de um fator de influência:

�

z� q � I � (8.18)

onde: Iσ = fator de influência, o qual depende de m e n.

Os valores de Iσ, para vários valores de m e n, podem ser mais facilmentedeterminadoscom o usodo gráfico apresentadona fig. 8.13ou usandoa Tabela8.1. Assim,paracalcularσz, em um ponto,sobum vérticede umaáreauniformementecarregada,bastadeterminar x e y e os valores de m e n, e obter Iσ, usando o gráfico ou a tabela.

É importantesalientarque todasas deduçõesestãoreferenciadasa um sistemadecoordenadas,no qualo vértice,ou seja,o cantodaáreacarregada,coincidecoma origemdoseixos.Paracalcularo acréscimodetensõesempontosquenãocoincidemcomo cantodaáreacarregada,deve-seusaro princípio da superposiçãodos efeitos,acrescentandoe subtraindoáreas, de tal forma que o efeito final corresponda à área efetivamente carregada.

O cálculo do acréscimo de tensõesverticais num ponto (P), situado a umaprofundidade(z) sobo centroda árearetangularABCD (fig. 8.14a),por exemplo,deveserfeito medianteaplicaçãoda eq. 8.18, onde Iσ correspondeà influência de quatro áreasretangulares iguais AMPN, ou seja, Iσ = 4I(AMPN).

0 2,5 5 7,5 100,0000

0,0250

0,0500

0,0750

0,1000

0,1250

0,1500

0,1750

0,2000

0,2250

0,2500

m ou n = 0,1

m ou n = 0,3

m ou n = 0,5

m ou n = 0,8

m ou n = 1,2

m ou n = 2m ou n = 5

m ou n

Fat

or d

e In

fluên

cia,

Figura 8.13 - Fatores de influência para a placa retangular uniformementecarregada.

Suponhamosagora,quedesejamosencontrarastensõesverticaisno ponto(A), a umaprofundidadez, produzidapelaáreacarregadaII (fig. 8.14b). Paraessacondiçãoteremosque

65

fazeralgumasconstruçõesauxiliaresa fim de satisfazerascondiçõesiniciais (acrescentaresubtraisáreas).Paraessecasso,o fator de influência(Iσ ) será:Iσa = I(I+II+III+IV) - I(I+III) -I(III+IV) +I(IIII) .

MA

N

B

CD

P

IIII

IV

A

II

(a) (b)Figura 8.14 - Esquemapara cálculo das tensõesem qualquer ponto - Placa

retangular uniformemente carregada.

Tabela 8.1 - Fatores de influência para uma placa retangular

m=x/zoun=y/z

m = y/z ou n =x/z0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5 3,0 5,0 10,0

0,1 0,005 0,009 0,013 0,017 0,020 0,022 0,024 0,026 0,027 0,028 0,029 0,030 0,031 0,031 0,032 0,032 0,032

0,2 0,009 0,018 0,026 0,033 0,039 0,043 0,047 0,050 0,053 0,055 0,057 0,059 0,061 0,062 0,062 0,062 0,062

0,3 0,013 0,026 0,037 0,047 0,056 0,063 0,069 0,073 0,077 0,079 0,083 0,086 0,089 0,090 0,090 0,090 0,090

0,4 0,017 0,033 0,047 0,060 0,071 0,080 0,087 0,093 0,098 0,101 0,106 0,110 0,113 0,115 0,115 0,115 0,115

0,5 0,020 0,039 0,056 0,071 0,084 0,095 0,103 0,110 0,116 0,120 0,126 0,131 0,135 0,137 0,137 0,137 0,137

0,6 0,022 0,043 0,063 0,080 0,095 0,107 0,117 0,125 0,131 0,136 0,143 0,149 0,153 0,155 0,156 0,156 0,156

0,7 0,024 0,047 0,069 0,087 0,103 0,117 0,128 0,137 0,144 0,149 0,157 0,164 0,169 0,170 0,171 0,172 0,172

0,8 0,026 0,050 0,073 0,093 0,110 0,125 0,137 0,146 0,154 0,160 0,168 0,176 0,181 0,183 0,184 0,185 0,185

0,9 0,027 0,053 0,077 0,098 0,116 0,131 0,144 0,154 0,162 0,168 0,178 0,186 0,192 0,194 0,195 0,196 0,196

1,0 0,028 0,055 0,079 0,101 0,120 0,136 0,149 0,160 0,168 0,175 0,185 0,193 0,200 0,202 0,203 0,204 0,205

1,2 0,029 0,057 0,083 0,106 0126 0,143 0,157 0,168 0,178 0,185 0,196 0,205 0,212 0,215 0,216 0,217 0,218

1,5 0,030 0,059 0,086 0,110 0,131 0,149 0,164 0,176 0,186 0,193 0,205 0,215 0,223 0,226 0,228 0,229 0,230

2,0 0,031 0,061 0,089 0,113 0,135 0,153 0,169 0,181 0,192 0,200 0,212 0,223 0,232 0,236 0,238 0,239 0,240

2,5 0,031 0,062 0,090 0,115 0,137 0,155 0,170 0,183 0,194 0,202 0,215 0,226 0,236 0,240 0,242 0,244 0,244

3,0 0,032 0,062 0,090 0,115 0,137 0,156 0,171 0,184 0,195 0,203 0,216 0,228 0,238 0,242 0,244 0,246 0,247

5,0 0,032 0,062 0,090 0,115 0,137 0,156 0,172 0,185 0,196 0,204 0,217 0,229 0,239 0,244 0,246 0,249 0,249

10,0 0,032 0,062 0,090 0,115 0,137 0,156 0,172 0,185 0,196 0,205 0,218 0,230 0,240 0,244 0,247 0,249 0,250

����������� �������������� ��� ������������� ��!� ���!"$# ��%&�'%�� ��%&��# �(�

O cálculo das tensõesinduzidaspor uma placa circular de raio r, uniformementecarregada,foi resolvidopor Love, a partir da integraçãoda equaçãoBoussinesq,paratodaáreacircular.Parapontossituadosa umaprofundidadez, abaixodo centrodaplacaderaio r,as tensões induzidas podem ser estimadas pela eq. 8.19:

+

−=σ23

21

11

/

oZ )z/r(q .

(8.19)

Essaexpressão,na prática, pode ser simplificada pela introduçãode um fator deinfluência (Iσ), podendo ser reescrita na forma:

Ι=σ .qozσ (8.20)

O fator deinfluênciaé obtidoemfunçãodarelaçãoz/r e x/r, dadapelográficoda fig.8.15,onde:z = profundidade;r = raio daplacacarregada;x = distânciahorizontalquevai do

66

centroda placaao ponto ondese desejacalcularo acréscimode tensões;qo = pressãodecontato. Observar que neste gráfico os fatores de influência são expressos em porcentagem.

Paraobtençãodos valoresde Iσ, parapontosquaisquerdo terreno,tambémpode-seutilizar a tabela8.2. Vale acrescentarque quandotem-sex/r = 0, tem-seo acréscimodetensões induzida na vertical que passa pelo centro da placa circular carregada.

Figura 8.15 - Fatores de influência, expressoem %, para a placa circularuniformemente carregada.

Tabela 8.2 - Fatores de influência para uma placa circular de raio r, carregada

x/rz/r 0 0,25 0,50 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

0,25 0,986 0,983 0,964 0,460 0,015 0,002 0,000 0,000 0,000 0,000

0,50 0,911 0,895 0,840 0,418 0,060 0,010 0,003 0,000 0,000 0,000

0,75 0,784 0,762 0,691 0,374 0,105 0,025 0,010 0,002 0,000 0,000

1,00 0,646 0,625 0,560 0,335 0,125 0,043 0,016 0,007 0,003 0,000

1,25 0,524 0,508 0,455 0,295 0,135 0,057 0,023 0,010 0,005 0,001

1,50 0,424 0,413 0,374 0,256 0,137 0,064 0,029 0,013 0,007 0,002

1,75 0,346 0,336 0,309 0,223 0,135 0,071 0,037 0,018 0,009 0,004

2,00 0,284 0,277 0,258 0,194 0,127 0,073 0,041 0,022 0,012 0,006

2,5 0,200 0,196 0,186 0,150 0,109 0,073 0,044 0,028 0,017 0,011

3,0 0,146 0,143 0,137 0,117 0,091 0,066 0,045 0,031 0,022 0,015

4,0 0,087 0,086 0,083 0,076 0,061 0,052 0,041 0,031 0,024 0,018

5,0 0,057 0,057 0,056 0,052 0,045 0,039 0,033 0,027 0,022 0,018

7,0 0,030 0,030 0,029 0,028 0,026 0,024 0,021 0,019 0,016 0,015

10,00 0,015 0,015 0,014 0,014 0,013 0,013 0,013 0,012 0,012 0,011

67

������������� � ������������� � ��� ��� ������������� !�� ��������"� ��#�� �$� ���

A fig. 8.16mostraumadistribuiçãolinear de cargavertical aplicadasobreumaplacaretangulardecomprimentoinfinito e largura2b, com a cargavariandode0 a um valor q, aolongo da largura.A tensãovertical induzidanum dadoponto de coordenadas(x, z) é dadapela eq. 8.21:

δ−α

π=σ 2

2sen

x.

qoz .

b

(8.21)

Figura 8.16 - Carregamento triangular de comprimento infinito.

A soluçãodo problemadadistribuiçãodetensõesemumamassadesolo,devidoa umcarregamentotriangular de comprimentoinfinito, constitui um procedimentobásico paraavaliaçãodastensõesinduzidasem umamassade solo por cargasprovenientesda execuçãode um aterro.Com efeito,aplicando-seo principio dasuperposição,ascargasdo aterro(fig.8.17a)podemser expressaspela diferençados carregamentosindicadosnas figs. 8.17b e8.17c.

(a) (b) (c)

Figura 8.17 - Carregamentoem forma de um trapézioretangular de comprimentoinfinito.

68

����������� ���������������������������������� �"!$# ���%"�����&��' ( ���)��+*$� ���,��# ��������+# ���# � # ���

As tensõesinduzidasem uma profundidadez, devido a um acréscimode cargacausadopor uma área carregadaem forma de trapézio retangularpode ser facilmentecalculadausandoa eq.8.22,ondeo fator de influência(Iσ), é dadopeloábacoapresentadonafig. 8.18. Este tipo de carregamentoencontragrandeaplicaçãona avaliaçãode tensõesproduzidaspor aterrose barragens.Osfatoresde influênciasãoemfunçãodasdimensõesa eb, como apresentadonestafigura e o ponto consideradona extremidadedireita da áreadelargura b.

Ι=σ .qoz σ (8.22)

Figura 8.18 - Fatores de influência para carregamentoem forma de um trapézioretangular de comprimento infinito (aterro extenso).

69

Pode-seobservarna fig. 8.18, que para b/z = 0, recai-seno casode carregamentotriangular.Analogamente,atravésda aplicaçãodo principio da superposição,computa-seasomaou a diferençadosefeitosdaspartesdo aterro,conformeindicadoparao pontoP dafig.8.19.

σzσz (esq.) σz (dir)

+=P

Figura 8.19 - Esquemapara cálculo das tensõesinduzidas no ponto, para umaterro.

����������� ��������������� � ���������������������������� ������"!$# � ��%'&�����)(*�+,�-����.'�

Newmark(1942),baseadona equaçãode Love, que forneceo acréscimode tensõesocasionadaspor uma placa circular uniformementecarregada,desenvolveuum métodográfico que permite obter as tensõesinduzidasdevido uma área de forma irregular sobcondiçãodecarregamentouniforme,atuandonasuperfíciedo terreno.A construçãodo ábacode Newmark é baseada na fórmula de Love, adotando-se os seguintes procedimentos:

1) Tomando-se a fórmula de Love sob a forma :

113

2

−

σ−=

−

qzR z

(8.23)

atribuem-sevaloresà relaçãoσz/q e calcula-seo raio R da placa necessáriaparaproduziro acréscimodecargaσz/q arbitradoa umaprofundidadez (cujo valor é fixado pelaescalaa partir da qual o gráfico foi construído)sob o centroda placacarregadacom umacarga unitária;

b) Exemplificando:σz/q = 0,8 ⇒ R/z = 1,387 ⇒ (R) σz = 0,8 = 1,387x AB, sendoAB o seguimentode

referência(escala)adotado(fig. 8.20).Assim, a uma profundidadez = AB, o acréscimodecarga seria σz/q = 0,8 se a área carregada fosse circular de raio R = 1,387 x AB.

c) Paraoutrosvaloresdeσz/q, obtém-seum conjuntodecírculosconcêntricos,taisqueos anéiscircularesgeradosrepresentamparcelasdos acréscimosde tensõesverticais.Porexemplo,o acréscimode tensãovertical devido ao espaçoanelarcompreendidoentre oscírculos de (R) σz = 0,8 e (R) σz = 0,7 seria dado por σz = 0,8 - 0,7 = 0,1;

d) Cada espaçoanelar é então dividido em um certo número de partes iguais(geralmente20 setores),cadaparterepresentandoumaparcelade contribuiçãoao valor finaldo acréscimode tensãono solo devidoa todaa áreacarregada.No exemplo,σz/q devidoacada setor seria dada por:

0,005 ou =Ι==σ 005020

10,

,z

(8.24)

sendo este valor a chamada unidade de influência do ábaco de Newmark.

70

Figura 8.20 - Ábaco de Newmark.

Para a utilização do ábaco de Newmark, procede-se da seguinte forma:

�

A áreacarregadaé desenhadaem papel transparentee numa escalatal que osegmento AB do gráfico (Fig. 8.20) seja igual à profundidade z de interesse;

�

Coloca-seo desenhoem plantasobreo gráfico, de tal modo que a projeçãodopontoestudado(sejainternoouexternoàáreacarregada)coincidecomo centrodoábaco;

�

Conta-seo númerode setores(unidadesde influência)englobadospelo contornoda área, estimando-seas frações correspondentesaos setores parcialmenteenvolvidos

�

A tensão vertical induzida no ponto considerado será dada por:

Ι=σ . . Nqz (8.25)

onde:I = unidade de influência N = número de fatores de influência

71

��� ��� �������� � ����� ������������������

Uma força ou pressão,aplicadana superfícieou no interior do solo (semi-espaçoelástico),distribui-senos vários pontosdessesolo. Na prática,para aplicar essaforça oupressão,é necessárioum elementoqualquerquetransmitaa cargaaoterreno(placa,sapataouestaca).No entanto,a rigidezdecadaum desseselementosintervémredistribuindoa carganasuperfície de contato desseelementocom o solo. Em fundações,temos elementosdetransferênciade cargasditos placasrígidase flexíveis,cadaum com um tipo de distribuiçãode cargas e recalques específico (fig. 8.21).

Figura 8.21 - Distribuição de pressões de contato placa - solo.

Parao casode umaplacaflexível a pressãode contatoé uniformee igual a pressãoaplicada.Paraum solo coesivoobserva-seum recalqueno centroda placamaior que nosbordos.No entanto,parasolo não coesivoobserva-seum recalquedos bordosmaior que orecalquedo centro(o confinamentoprovocaaumentodo módulode elasticidadedo solo nãocoesivo, conferindo-lhe maior rigidez).

Parao casodeplacarígida,tem-serecalquesuniformesemtodasualargura.Em soloscoesivos,a pressãode contatonão é uniforme, concentrando-semais nos bordosque nocentro(formatode"sela")paracompatibilizara condiçãoderecalqueuniforme.Em solosnãocoesivos,a pressãodecontatoé maiorno centroparavencero aumentodarigidezprovocadapelo confinamento.

Como visto acima,a rigidez dasplacasinflui na distribuiçãode pressõesem todo osolo. SegundoVargas(1977), só poderemosaplicar a equaçãode Boussinesqe as outrasderivadasa partir dessa,setivermostratandodeplacaflexível (pressãodecontatouniforme),para que a rigidez da estruturanão possainfluir na distribuiçãodas pressõesde contato.Felizmente,paraa engenharia,issoocorrena grandemaioriadoscasos.Pode-sedizer aindaquea influênciada formadadistribuiçãodaspressõesdecontatoé maiorparaprofundidadesrelativas menores(menoresvalores de z/r), perdendointensidadeà medida em que aprofundidade aumenta.

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A aplicaçãode cargassobreuma massade solo resultaem uma variaçãodo seuvolume,a qualpoderáocorrerdevidoà compressibilidadedafasefluida (ar) ou por drenagemda águaintersticial. Ao deslocamentovertical resultantedestacompressãodo solo dá-seonome de recalque. A drenagem da água intersticial está intimamente associadaàpermeabilidadedo solo; assim,se uma camadade argila saturadafor carregadalocal erapidamente,a baixa permeabilidadedo solo retarda o processoda expulsãoda águaintersticiale,nestascondiçõesnão-drenadas,a deformaçãodo solodevidoàscargasaplicadasocorrea volume constante,correspondendoa uma distorçãoelásticado meio. Os recalquesassociados a esta distorção são designados recalques imediatos ou elásticos.

O recalque imediato (ρi) sob uma área transmitindo uma carga uniforme (q) àsuperfíciede um semi - espaçoinfinito, homogêneo,isotrópicoe elásticolinear, serádadopor:

si .E

.B.q Ιν−=ρ21

(8.26)

onde (E, ν) são os parâmetroselásticosdo solo; B: a menor dimensãoda áreacarregadae Is: o fator de influência, funçãoda geometriae rigidez da áreacarregadae daposição do ponto considerado em relação à mesma (valores dados na tabela 8.3).

Tabela 8.3 - Fatores de influência (Is)

Forma da áreacarregada

FlexívelCentro Vértice Meio lado do maior Meio do lado menor Valor médio

Rígidaρi = cte

Circular 1,00 0,64 (borda) 0,85 0,79Quadrada 1,12 0,56 0,76 0,76 0,95 0,82

Retangular L/B:1,52,03,05,010,0100,0

1,361,531,782,102,544,01

0,680,770,881,051,272,00

0,890,981,111,271,492,20

0,971,121,351,682,123,60

1,151,301,521,832,253,69

1,061,201,411,702,103,40

De acordocom a eq. 8.26, o recalqueimediatoé diretamenteproporcionalà cargaaplicadae à largurada áreacarregada.No casode depósitoshomogêneosde argila saturadade grandeextensão,a hipótesede E assumirum valor constanteé consistentee o usoda eq.8.26é melhorjustificado.No casode areias,entretanto,o valor de E dependeda pressãodeconfinamentovariando,portanto com a profundidadee ao longo das dimensõesda áreacarregada.Devidoa estavariaçãodeE, a relação8.26nãoseaplicaa solosarenosos.Pode-sedizer tambémque mesmopara os casosem que E é aproximadamenteconstantecom aprofundidadee o materialé relativamentehomogêneo,a estimativacorretadesteparâmetroconstitui uma árdua tarefa, devido ao comportamento altamente não linear do solo.

73

9. COMPACTAÇÃO.

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Entende-sepor compactaçãoo processomanual ou mecânicoque visa reduzir ovolumedevaziosdo solo,melhorandoassuascaracterísticasde resistência,deformabilidadee permeabilidade.

Muitas vezes, na prática da engenharia geotécnica, o solo de um determinado local nãoapresentaascondiçõesrequeridaspelaobra.Ele podepoucoresistente,muito compressívelou apresentarcaracterísticasquedeixama desejardeum pontodevistaeconômico.Pareceriarazoávelem tais circunstâncias,simplesmenterelocar obra. Deve-senotar contudo, queconsideraçõesoutrasquenãogeotécnicasfreqüentementeimpõema localizaçãodaestruturaeo engenheiroé forçadoa realizaro projetocom o solo queele tem em mãos.Pararesolveresteproblema,umapossibilidadeé adaptara fundaçãoda obraàscondiçõesgeotécnicasdolocal. Umaoutrapossibilidadeé tentarmelhoraraspropriedadesdeengenhariado solo local.Dependendo das circunstâncias, a segunda opção pode ser o melhor caminho a ser seguido.

Nestecapítuloseráapresentadoum métodode estabilizaçãoe melhoriado solo porvias mecânicas,denominadode compactação.Deve-seressaltarqueexistemdiversosoutrosmétodosdeestabilizaçãodossolos,sendoalgunsdestesrealizadospelamisturaou injeçãodesubstânciasquímicas (misturas solo-cimento, "jet-ground", misturas solo-cal), ou pelaincorporaçãono solodeelementosestruturais,osquaistêmpor funçãoconferiraomesmoascaracterísticasnecessáriasparaa execuçãodaobra.Ex: soloreforçado,soloenvelopado,terraarmada, etc.

Os fundamentosda compactaçãode solos são relativamente novos e foramdesenvolvidospor Ralph Proctor,que, na décadade 20, postulouser a compactaçãoumafunçãodequatrovariáveis:a) Pesoespecíficoseco,b) Umidade,c) Energiadecompactaçãoe4) Tipo de solo (solosgrossos,solosfinos, etc.).A compactaçãodossolostem umagrandeimportânciaparaasobrasgeotécnicas,já queatravésdo processodecompactaçãoconsegue-se promover no solo um aumentode sua resistênciaestávele uma diminuição da suacompressibilidade e permeabilidade.��� �������������� �!�"��#%$�� ����#!$���#!��!�

Em diversasobras,dentreelasosaterrosrodoviáriose asbarragensdeterra,o soloé oprópriomaterialresistenteou deconstrução.Em vistadisto,algunsmétodosdeestabilizaçãoou demelhoriadascaracterísticasderesistência,deformabilidadee permeabilidadedossolosforam desenvolvidos, e a compactação é um desses métodos.

O objetivo principaldacompactaçãoé obterum solo,de tal maneiraestruturado,quepossuae mantenhaum comportamentomecânicoadequadoao longo de toda a vida útil daobra.��� & ��')( *+�!�������# ,-���.�.+�0/��1�2��#�$�� #������3�-45�6���, #!�2������

Peloprocessodecompactação,a compressãodo solosedápor expulsãodo ar contidoem seusvazios,de forma diferentedo processode adensamento,ondeocorrea expulsãodeágua dos interstícios do solo (capítulo de compressibilidade, volume II).

Além do mais, as cargasaplicadasquandocompactamoso solo são geralmentedenaturezadinâmicae o efeitoconseguidoé imediato,enquantoqueo processodeadensamentoé diferido no tempo(podelevarmuitosanosparaocorrapor completo,a dependerdo tipo desolo) e as cargas são normalmente estáticas.

74

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Em 1933,o Eng. Norte americanoRalphProctorpostulouos procedimentosbásicosparaa execuçãodo ensaiodecompactação.A energiadecompactaçãoutilizadanarealizaçãodestesensaiosé hoje conhecidacomo energiade compactação"Proctor Normal". A seguirsão listadas, de modo resumido, as principais fases de execuçãode um ensaio decompactação.

!Ao sereceberumaamostrade solo (no caso,deformada)paraa realizaçãode umensaiode compactação,o primeiro passoé colocá-laem bandejasde modoqueamesma adquira a umidade higroscópica (secagemao ar). O solo então édestorroadoe passadonapeneira#4, apóso queadiciona-seáguanaamostraparaa obtençãodo primeiropontodacurvadecompactaçãodo solo.Paraquehajaumaperfeitahomogeneizaçãode umidadeem toda a massade solo, é recomendávelque a mesma fique em repouso por um período de aproximadamente 24 hs.

!Após preparada a amostra de solo, a mesma é colocada em um recipiente cilíndricocom volumeigual a 1000mle compactadacom um soquetede 2500g,caindodeumaalturadeaproximadamente30cm,emtrêscamadascom25 golpesdo soquetepor camada, como demonstra fig. 3.1 apresentada adiante.

!Esteprocessoé repetidoparaamostrasdesolocomdiferentesvaloresdeumidade,utilizando-se em média 5 pontos para a obtenção da curva de compactação.

!De cadacorpo de prova assimobtido, determinam-seo pesoespecíficodo soloseco e o teor de umidade de compactação.

" Apósefetuadososcálculosdospesosespecíficossecose dasumidades,lançam-seessesvalores(γd;w) emum pardeeixoscartesianos,tendonasordenadasospesosespecíficosdo solo secoe nasabcissasos teoresde umidade,comosedemonstrana fig. 3.2.

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A partir dospontosexperimentaisobtidosconformedescritoanteriormente,traça-seacurvadecompactaçãodo solo,apresentadanafig. 3.2.Nota-sequenacurvadecompactaçãoo peso específicoseco aumentacom o teor de umidadeaté atingir um valor máximo,decrescendocom a umidadea partir de então.O teor de umidadeparao qual se obtémomaior valor de γd (γdmax) é denominadode teor de umidadeótimo (ou simplesmenteumidadeótima).

O ramodacurvadecompactaçãoanterioraovalor deumidadeótimaé denominadode"ramoseco"e o trechoposteriorde"ramoúmido" dacurvadecompactação.No ramoseco,aumidadeé baixa,a águacontidanosvaziosdo solo estásob o efeito capilar e exerceumafunção aglutinadoraentre as partículas.À medidaque se adicionaáguaao solo ocorre adestruiçãodos benefíciosda capilaridade,tornando-semais fácil o rearranjoestruturaldaspartículas.No ramo úmido, a umidadeé elevadae a águase encontralivre na estruturadosolo, absorvendo grande parte da energia de compactação.

Na fig. 3.2 é apresentadatambéma curvadesaturaçãodo solo.Comono processodecompactaçãonãoconseguimosnuncaexpulsartodoo ar existentenosvaziosdo solo,todasascurvascompactação(mesmoqueparadiferentesenergias)sesituamà esquerdada curvadesaturação.Pode-semostrarque a curvade saturaçãodo solo podeser representadapela eq.9.1, apresentada adiante.

75

Srw

Sr

s

w

wd

γγ

γγ+

⋅=

(9.1) Proctor Normal - 3 camadas

25 golpes

Figura 3.1 - Ensaio de Compactação (Proctor Normal). Modificado de Vargas (1977).

Sr = 100%

γd

w

Ramo s

eco Ram

o úmido

Wot

γdmax

Figura 3.2 - Curva de Compactação típica

Cilindro decompactação

12,7 cm

10,0 cm

30 cm Peso2,5 kg

5 cm

76

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Emboramantendo-seo procedimentode ensaiodescritono item 9.3, um ensaiodecompactaçãopoderá ser realizado utilizando-se diferentes energias. A energia decompactaçãoempregadaemum ensaiodelaboratóriopodeserfacilmentecalculadamedianteo uso da eq. 9.2, apresentada a seguir.

)(m compactado solo de Volume V

Camadas de Número n

Camadapor Golpes de Número N

(m) Soquete do Queda de Altura h

(N) Soquete do Peso P

(9.2) :onde ...

3→→→

→→

=V

nNhPE

Influência da energia de compactaçãona curva de compactaçãodo solo - Àmedidaem que seaumentaa energiade compactação,há umareduçãodo teor de umidadeótimo e umaelevaçãodo valor do pesoespecíficosecomáximo.A fig. 9.3 apresentacurvasde compactação obtidas para diferentes energias.

Sr = 100%

γd

w

Var iação dos pontos (γ

dmax;w

ot) com o aumento

da energia de compactação

E1

E2

E3

E4

E4 > E3 > E2 > E1

Figura 9.3 - Efeito da Energia de Compactaçãonas Curvas de Compactaçãoobtidas para um mesmo solo

Tendoemvistao surgimentodenovosequipamentosdecampo,degrandeporte,compossibilidadede elevar a energiade compactaçãoe capazesde implementaruma maiorvelocidadena construçãode aterros,houvea necessidadede secriar em laboratórioensaioscom maioresenergiasque a do Proctor Normal. Surgiram então as energiasdo ProctorModificado e Intermediário, superioresà energia do Proctor Normal. As energiasdecompactaçãousuaissão de 6 kgf⋅cm/cm3 para o Proctor normal, 12,6 kgf⋅cm/cm3 para oProctorIntermediárioe 25kgf⋅cm/cm3 parao ProctorModificado.Na tabela9.1 apresenta-seumacomparaçãoentreospadrõesadotadosparaa realizaçãodosensaiosdecompactaçãopordiferentes órgãos.

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Tabela 1 - Comparação entre alguns padrões adotados para o ensaio decompactação.

CARACTERÍSTICAS ABNT(PN*)

AASHO(PM**)

DNERM.48***

AASHTO

Peso do Soquete (kgf) 2.5 4.54 4.54 4.54Altura de Queda (cm) 30.5 45.72 45.72 45.72Número de Camadas 3 5 5 5Número de Golpes

Por Camada25 25 26 55

Vol. Do Cilindro (cm3) 1000 944 2160 2160Energia de Compactação

(kgf⋅cm/cm3)5.72 27.48 12.49 26.43

* - Proctor Normal; ** - Proctor Modificado; ***- Esta energia correspondeaproximadamente à energia do Proctor Intermediário.

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A fig. 9.4 apresentaa influênciadacompactaçãona estruturadossolos.Conformesepodeobservardestafigura, as estruturasformadasno lado secoda curva de compactaçãotendema ser do tipo floculada, enquantoque no lado úmido da curva de compactaçãoformam-se solos com estruturas predominantemente dispersas.

Est. dispersa

Est. floculadaSr = 100%

γd

w

Ramo s

eco

E1

E2

Ramo úm

ido

E2 > E1

Figura 9.4 - Influência da compactação na estrutura dos solos.

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A influência do tipo de solo na curva de compactaçãoé ilustrada na fig. 9.5,apresentadaadiante.Conformesepodeobservardestafigura,ossolosgrossostendemaexibirumacurvadecompactaçãocomum maiorvalor deγdmax e um menorvalor dewot do quesoloscontendo grande quantidade de finos. Pode-se observar também que as curvas decompactaçãoobtidasparasolos finos sãobem mais "abertas"do que aquelasobtidasparasolos grossos.

78

γd

w

1) Areia2) Areia argilosa3) Argila

(1)

(2)

(3)

Figura 9.5 - Influência do tipo de solo na curva de compactação.

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Conformerelatadoanteriormente,a compactaçãodo solo deveproporcionara este,para a energiade compactaçãoadotada,a maior resistênciaestávelpossível.A fig. 9.6apresentaa variaçãoda resistênciade um solo,obtidapor meio de um ensaiode penetraçãorealizadocomumaagulhaProctor,emfunçãodesuaumidadedecompactação.Conformesepode observar desta figura, quanto maior a umidade menor a resistência do solo.

Pode-sefazerentãoa seguinteindagação:Porqueos solosnão sãocompactadosemcampoem valoresde umidadeinferiores ao valor ótimo? A respostaa esta perguntaseencontrana palavraestável. Não bastaqueo solo adquiraboaspropriedadesde resistênciaedeformação, elas devem permanecer durante todo o tempo de vida útil da obra.

Figura 9.6 - Variação da resistênciados soloscom o teor de umidadede compactação.Modificado de Caputo (1981).

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Conformesepodenotarda fig. 9.6, casoo solo fossecompactadono teordeumidadew1, eleiria apresentarumaresistênciabastantesuperioràquelaobtidaquandodacompactaçãono teor de umidadeótimo. Conformetambémapresentadona fig. 9.6, contudo,estesolopoderiavir a sesaturaremcampo(emvirtudedeum períododeforteschuvas,por exemplo),vindo a alcançaro valor de umidadew2, parao qual o valor de resistênciaapresentadopelosoloé praticamentenulo.No casodeo solosercompactadonaumidadeótima,o valor desuaresistênciacairia somentedeR parar, estandoo mesmoaindaa apresentarcaracterísticasderesistência razoáveis.

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Osprincípiosqueestabelecema compactaçãodossolosno camposãoessencialmenteos mesmosdiscutidosanteriormenteparaos ensaiosem laboratório.Assim, os valoresdepeso específicoseco máximo obtidos são fundamentalmentefunção do tipo do solo, daquantidadede águautilizada e da energiaespecíficaaplicadapelo equipamentoque seráutilizado, a qual dependedo tipo e peso do equipamento,da espessurada camadadecompactação e do número de passadas sucessivas aplicadas.

A compactaçãodecamposedápor meiodeesforçosdepressão,impacto,vibraçãooupor umacombinaçãodestes.Osprocessosdecompactaçãodecampogeralmentecombinamavibraçãocom a pressão,já quea vibraçãoutilizadaisoladamentesemostrapoucoeficiente,sendoa pressãonecessáriapara diminuir, com maior eficácia, o volume de vazios inter-partículas do solo.

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São compactadoresde impacto utilizados em locais de difícil acessopara os roloscompressores,comoem valas,trincheiras,etc.Possuempesomínimo de 15kgf, podendosermanuaisou mecânicos(sapos).A camadacompactadadeveter 10 a 15cm parao casodossolos finos e em torno de 15cm para o caso dos solos grossos.

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É um tambor metálico com protuberâncias(patas)solidarizadas,em forma tronco-cônicae comalturadeaproximadamentede20cm.Podemserautopropulsivosou arrastadospor trator.É indicadonacompactaçãodeoutrostiposde soloquenãoa areiae promoveumgrande entrosamento entre as camadas compactadas.

A camadacompactadapossuigeralmente15cm, com númerode passadasvariandoentre 4 e 6 para solos finos e de 6 a 8 para os solos grossos.A fig. 9.7 ilustra roloscompactadores do tipo pé-de-carneiro.

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Trata-se de um cilindro oco de aço, podendo ser preenchido por areia úmida ou água, afim de que seja aumentadaa pressãoaplicada.São usadosem basesde estradas,emcapeamentose sãoindicadosparasolosarenosos,pedregulhose pedrabritada,lançadosemespessuras inferiores a 15cm.

Estetipo de rolo compactabemcamadasfinas de 5 a 15cmcom 4 a 5 passadas.Osrolos lisos possuempesosde 1 a 20t e freqüentementesão utilizados para o acabamentosuperficialdascamadascompactadas.Paraa compactaçãode solos finos utilizam-seroloscom três rodascom pesosem torno de 10t, paramateriaisde baixa plasticidadee 7t, paramateriais de alta plasticidade. A fig. 9.8 ilustra rolos compactadores do tipo liso.

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Os rolos lisos possuem certas desvantagens como:�Pequena área de contato.�Em solosdepequenacapacidadedesuporteafundamdemasiadamentedificultandoa tração.

Figura 9.7 - Exemplos de equipamentos do tipo rolo pé-de-carneiro.

Figura 9.8 – Exemplos de equipamentos do tipo rolo liso.

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Os rolos pneumáticossão eficientesna compactaçãode capasasfálticas,basesesubbasesde estradase indicados para solos de granulaçãofina a arenosa.Os rolospneumáticospodemserutilizadosem camadasde maisespessase possuemáreade contatovariável, função da pressão nos pneus e do peso do equipamento.

Podese usar rolos com cargaselevadasobtendo-sebons resultados.Nestescasos,muito cuidadodeveser tomadono sentidode se evitar a rupturado solo. A fig. 9.9 ilustraalguns tipos de rolo pneumático existentes.

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Figura 9.9 - Rolo Pneumático. ��� � ��� ������� ��� �� ������������� ��

Nos rolos vibratórios,a freqüênciada vibraçãoinflui de maneiraextraordinárianoprocessode compactaçãodo solo. São utilizados eficientementena compactaçãode solosgranulares(areias),ondeos rolos pneumáticosou Pé-de-Carneironãoatuamcom eficiência.A espessura máxima da camada é de 15cm.

Figura 9.10 - Rolo Vibratório. Apud Vargas (1977).��� ��� ����������� !#"��$�� %'&��)(�����*�+)

Paraquesepossaefetuarum bomcontroledacompactaçãodo soloemcampo,temosque atentar para os seguintes aspectos:

�tipo de solo�espessura da camada�entrosamento entre as camadas�número de passadas�tipo de equipamento�umidade do solo�grau de compactação alcançado

Assim, alguns cuidado devem ser tomados:

82

1) A espessurada camadalançadanãodeveexcedera 30cm,sendoquea espessurada camada compactada deverá ser menor que 20cm.

2) Deve-serealizara manutençãoda umidadedo solo o mais próximo possíveldaumidade ótima.

3) Deve-segarantira homogeneizaçãodo soloa serlançado,tantono queserefereàumidade quanto ao material.

Na prática, o procedimento usual de controle da compactação é o seguinte:�

Coletam-seamostrasde solo da áreade empréstimoe efetua-seem laboratóriooensaiodecompactação.Obtêm-sea curvadecompactaçãoe daíosvaloresdepesoespecífico seco máximo e o teor de umidade ótimo do solo.�No campo,à proporçãoem que o aterrofor sendoexecutado,deve-severificar,paracadacamadacompactada,qual o teor de umidadeempregadoe compará-locom a umidadeótima determinadaem laboratório. Este valor deve atenderaseguinte especificação: wcampo - 2% < wot < wcampo + 2%.�Determina-setambémo pesoespecíficosecodo solo no campo,comparando-ocom o obtido no laboratório. Define-seentãoo grau de compactaçãodo solo,dado pela razão entreos pesosespecíficos secosde campo e de laboratório(GC = γd campo / γdmax. )x100. Deve-se obter sempre valores de grau decompactação superiores a 95%.�Casoestasespecificaçõesnãosejamatendidas,o soloterádeserrevolvido,e umanova compactação deverá ser efetuada.

Para a determinaçãoda umidadeno campo utiliza-se normalmenteo umidímetrodenominado"Speedy".Este aparelhoconsisteem um recipientemetálico,hermeticamentefechado,ondesãocolocadasduasesferasdeaço,a amostradosolodaqualsequerdeterminara umidadee umaampolade carbureto(carbonatodecálcio (CaC2)). Paraa determinaçãodaumidade,agita-seo frasco,a ampolaé quebradapelasesferasde aço e o CaC2 combina-secom a águacontidano solo, formandoo gásacetileno,que exercerápressãono interior dorecipiente,acionandoo manômetrolocalizadona tampado aparelho.Como valor depressãomedido,osvaloresdeumidadesãoobtidosatravésdeumatabelaespecífica,quecorrelacionaa umidade em função da pressão manométrica e do peso da amostra de solo.

Existemoutrosmétodostambémutilizadosparadeterminara umidadeno campo,taiscomo a queimado solo com a utilizaçãode álcool ou de uma frigideira. Quandopossível,deve-se procurar utilizar a estufa.

Paraa determinaçãodo pesoespecíficosecodo solo compactado,o métodomaisempregadoé o do frasco de areia. Faz-seum cavidadena camadado solo compactado,extraindo-seo soloe pesando-oemseguida.Parasemediro volumedacavidade,coloca-seofrascodeareiacoma partedo funil parabaixosobrea mesmae abre-sea torneirado frasco,deixando-sequea areiacontidano frascoenchaa cavidadepor completo.O volumedeareiaquesaiudo frascoé igual aovolumedesoloescavado,demodoqueo pesoespecíficodo solopode ser determinado.

Uma outra forma de se verificar a resistênciado solo compactadoé atravésdacravaçãoda Agulha de Proctor,queconsistede umahastecalibradaa qual estáligadaa umêmboloapoiadosobreumamola.Esteaparelhopermitemediro esforçonecessárioparafazerpenetrara agulhana camadacompactada.Os valoresde resistênciaobtidosnesseensaiosãoutilizados no controle da compactação em campo.

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Com o progressoda compactaçãoem campo,o número de passadasdo rolo vaiperdendoa suaeficiêncianacompactaçãodo solo.Destemodo,a compactaçãodossolosemcampoé definidaparaum determinadonúmerodepassadas,normalmenteinferior a 10. Estenúmerodependerádo tipo desoloa sercompactado,do tipo deequipamentodisponível,e dascondiçõesparticularesde cadacaso.No casode grandesobras,empregam-segeralmenteaterros experimentais para se determinar o número ótimo de passadas do rolo.

Em geral, 8 a 12 passadasdo rolo em uma camadade solo a ser compactadaésuficiente.Casocom15 passadasnãoseatinjao valor do pesoespecíficosecodeterminado,érecomendável que se modifique as condições antes fixadas para a compactação.

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O Índice de SuporteCalifórnia é utilizado como basepara o dimensionamentodepavimentosflexíveis.Paraa realizaçãodo ensaiodeISC,sãoconfeccionadoscorposdeprovano valor da umidadeótima (wot), utilizando-setrês diferentesenergiasde compactação(amaior energiaempregadasendoaproximadamenteigual à energiado Proctormodificado).Oensaio ISC visa determinar:

�Propriedades expansivas do material.�Índice de Suporte Califórnia.

Paraa determinaçãodo ÍndicedeSuporteCalifórnia teremosquepassarpor trêsfasesanteriores:a execuçãode um ensaiode compactação,na energiado ProctorModificado, apreparaçãodoscorposdeprova,o ensaiodeexpansãoe finalmenteo ensaiodedeterminaçãodo Índice de Suporte Califórnia ou CBR ("California Bearing Ratio"), propriamente dito.

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Este ensaio é realizadode maneira similar àquelaapresentadapara o ensaio decompactaçãona energia do Proctor Normal. Neste caso, as dimensõesdo cilindro decompactaçãogeralmenteutilizadas são dadaspela fig. 9.11 e a energiade compactaçãoempregada corresponde à do Proctor Modificado (vide tabela 9.1, coluna AASHTO).

Antesdecomeçara execuçãodo ensaio,coloca-seum discoespaçadorno cilindro decompactação,conforme demostradona fig. 9.11, cuja função é permitir a execuçãodosensaios de expansão e CBR.

5cm

17,5 cm

15 cm

5 cm (disco espaçador)

Figura 9.11 - Corpo de Prova para o Ensaio de Compactação

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84

O solo a serutilizado na compactaçãodo corpode provadevepassarpelamalhade19mm (3/4") e ser moldado na umidade ótima determinada anteriormente.

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Apósconcluídaa preparaçãodo corpodeprova,retira-seo discoespaçador,inverte-seo cilindro e coloca-sea baseperfuradanaextremidadeoposta.No espaçovaziodeixadopelodisco espaçadorencaixa-seum dispositivo com extensômetroa fim de se determinarasmedidas de expansão sofridas pelo solo.

Sãocolocadostambémsobreo corpo de prova um contrapesonão inferior a 4,5kgfquesimularáo pesodo pavimentoa serconstruídosobreestesolo. O conjuntodestaformapreparadoé colocadonumtanqued'águapor um períododequatrodias.Duranteesteperíodo,são feitas leituras no extensômetro de 24 em 24 horas.

Algumasespecificaçõesadotadasparaos solosa seremutilizadosna construçãodepavimentos flexíveis são:

- Subleitos: Expansão < 3%- Subbases: Expansão < 2%

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O Índice de Suporte Califórnia representaa capacidadede suporte do solo secomparadacoma resistênciaà penetraçãodeumahastedecincocentímetrosdediâmetroemuma camada de pedra britada, considerada como padrão (CBR = 100%).

O ensaioé realizadocolocando-seo moldecilíndrico (corpode provae contrapeso)em uma prensa,onde se fará penetrarum pistão de aço a uma velocidadecontroladaeconstante,medindo-seas penetraçõesatravésde um extensômetroligado ao pistão,comodemonstraa fig. 9.12.Trêscorposdeprovasãopreparadosnaumidadeótimacom12,26 e55golpes,determinando-seo valor de γd obtido paracadacorpode prova.Após a imersãoemáguadurantequatrodias,mede-se,paracadacorpodeprova,a resistênciaà penetraçãodeumpistãocom φ = 5 cm, a umavelocidadede 1,25mm/min,paraalgunsvaloresde penetraçãopré-determinados (0,64mm; 1,27; 1,91; 2.54; 3,81; 5,08mm; etc.).

Os valores de resistênciaao puncionamentoassim obtidos, para os valores depenetração de 0,1" e 0,2", são expressos em percentagemdas pressões padrão(correspondentesa um ensaio realizadocom pedra britada), sendoque o CBR é entãocalculadoatravésdasrelaçõesabaixo,adotando-seo maiorvalor encontradoparacadacorpode prova.Naseqs.9.3 e 9.4, os valoresdaspressõesestãoexpressosem kgf/cm2, sendo70kgf/cm2 o valor da pressãopadrãoparauma penetraçãode 0,1" e 105 kgf/cm2 o valor dapressão padrão para uma penetração de 0,2".

CBR 4Pressãocalculada

70x100

(9.3)

CBR 4Pressãocalculada

70x100

(9.4)

Comosvaloresobtidosdostrêscorposdeprovatraça-seo gráficoapresentadonafig.9.13. O valor do Índice de SuporteCalifórnia é determinadocomo sendoigual ao valorcorrespondentea 95%do γdmax determinadoparaa energiado ProctorModificado.O valor de

85

Índice de SuporteCalifórnia assimobtido é utilizado paraavaliaraspotencialidadesdo solopara uso na construçãode pavimentosflexíveis. A eq. 9.5, por exemplo,apresentaumacorrelaçãoempíricautilizadaparaseestimar,a partir do I.S.C.,o módulode elasticidadedosolo.

E = 65(ISC)0,65 (kgf/cm2) (9.5)

Figura 9.12 - Equipamento utilizado na determinação do ISC ou CBR. ApudVargas (1977).

12

55

26

γd

I .S.C

95 % de γdmax

I.S.C

Figura 9.13 - Determinação do I.S.C.

86

10. INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO.

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Qualquerprojeto de engenharia,por mais modestoque seja,requero conhecimentoadequadodas característicase propriedadesdos solos onde a obra irá ser implantada.Asinvestigaçõesde campo e laboratório requeridaspara obter os dados necessáriospararespondera essasquestõessão chamadasde exploraçãodo subsoloou investigaçãodosubsolo.

Os principais objetivos de uma exploração do subsolo são:�determinaçãodaprofundidadee espessuradecadacamadado soloe suaextensãona direção horizontal;�determinaçãoda naturezado solo: compacidadedossolosgrossose consistênciados solos finos;�profundidadeda rocha e suascaracterísticas(litologia, mergulhoe direçãodascamadas, espaçamento das juntas, planos de acamamento, estado dedecomposição);�localização do nível d'água (NA);�obtençãode amostras(deformadase/ou indeformadas)de solo e rocha paradeterminação das propriedades de engenharia;�determinação das propriedades "in situ" do solo por meio de ensaios de campo.

O programadeinvestigaçãodo subsolodevelevaremcontao tipo e a importânciadaobraa serexecutada.Issoquerdizer que,determinadasestruturascomo túneis,barragensegrandesedificaçõesexigem um conhecimentomais minucioso do subsolodo que aquelenecessárioà construçãode uma pequenaresidênciatérrea, por exemplo. É importanteressaltar,que mesmo para estruturasde pequenoporte é extremamenteimportante oconhecimentoadequandodo subsolosobrequal estáse trabalhando,pois a negligêncianaobtençãodessasinformaçõespodemconduzira problemasnaobracomprejuízosde tempoerecursos para recuperação. Usualmente, a estimativa de custo de um programa de investigaçãodo subsoloestáentre0,5a 1% do custodaconstruçãodaestrutura,sendoa percentagemmaisbaixa referenteaos grandesprojetos e projetos sem condiçõescríticas de fundaçãoe apercentagem mais alta ligada a projetos menores e com condições desfavoráveis.

Um programa de investigações deve ser executado em etapas, quais sejam:

a) Reconhecimento: nesta etapa procura-se obter todo o tipo de informaçãonecessáriaao desenvolvimentodo projeto, através de documentosexistentes(mapas geológicos, fotos aéreas, literatura especializada) e visita ao local.

b) Prospecção:obtém-se,nestaetapa,ascaracterísticase propriedadesdo subsolo,deacordocom asnecessidadesdo projetoou do estágioem quea obraseencontra.Assim, a prospecçãopode ser divida em fase preliminar, complementarelocalizada.A fase de prospecçãopreliminar deve forneceros dadossuficientespara a localizaçãodas estruturasprincipais e estimativasde custos.Nesta faseserãoexecutadosos ensaiosin situ e retiradade amostraspara investigaçãopormeio de ensaiosde laboratório,etc.Na fasecomplementar,comoo próprionomejá indica, são feitas investigaçõesadicionais com o objetivo de solucionarproblemasespecíficos.Finalmente,a fase de prospecçãolocalizada,deveráserrealizadaquandoasinformaçõesobtidasnasfasesanterioressãoinsuficientesparaum bom desenvolvimentodo projeto.Usualmente,os métodosde prospecçãodosubsolopara fins geotécnicosusadosna etapade prospecçãose classificamemmétodosdiretos (poços, trincheiras,sondagensa trado, sondagensde simples

87

reconhecimento,rotativase mistas),métodossemidiretos(vanetest,CPTe ensaiopressiométrico)e métodosindiretosou geofísicos.Além desses,temosa coletadeamostras indeformadaspor meio de blocos indeformadosou por meio deamostradores de parede fina. A seguir esses métodos serão apresentados.

c) Acompanhamento: Esta etapa tem a finalidade de avaliar o comportamentoprevisto e o desempenhadopelo solo, sendo geralmente feita através deinstrumentosinstaladosantese durantea construçãoda obra paraa medidadaposiçãodo nível d'água,da pressãoneutra,tensãototal, recalque,deslocamento,vazão e outros.

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Sãoperfuraçõesexecutadasno subsolodestinadasa observardiretamenteasdiversascamadasdo solo,emfurosdegrandediâmetro,ou obteramostrasaolongodoperfil, emfurosde pequenosdiâmetros.Os métodosdiretos podemser classificadosem manuais(poços,trincheiras e sondagem a trado) e mecânicos (sondagem a percussão, rotativa e mista).

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Os poçossão perfuradosmanualmentecom o auxílio de pás e picaretas,sendoaprofundidademáximalimitadapelapresençado nível d'águaou desmoronamentodasparedeslaterais. O diâmetro mínimo do poço deve ser da ordem se 60cm, para permitir amovimentaçãodo operáriodentrodo mesmo.Os poçospermitem,atravésdo perfil expostoem suasparedes,um examevisual das camadasdo subsoloe de suascaracterísticasdeconsistênciae compacidade,bem como, a coleta de amostrasindeformadasna forma deblocos (ver item 10.2.1.7).

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Sãovalasescavadasmecanicamentepor meio de escavadeiras.Permitemum examevisual e contínuodo subsolo,segundoumadireçãoe permitem,também,coletade amostrasdeformadas e indeformadas.

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A sondagema trado é uma perfuraçãoexecutadamanualmenteno subsolocom oauxílio de trados, (fig. 10.1). A perfuraçãoé feita com os operadoresgirando a barrahorizontal acopladaà hastevertical do trado, em cuja extremidadeopostaencontra-seoelementocortante(brocaou cavadeira).A cada5 ou 6 rotações,o tradodeveser retiradoafim de removero materialacumuladoem seucorpo,o qual deveráser colocadoem sacosplásticos devidamenteetiquetados.Esse material pode ser usado no laboratório paraidentificação visual e táctil das camadas e determinação da umidade do solo.

A sondagema trado é, usualmente,utilizada em investigaçõespreliminares dosubsolo,até uma profundidadeda ordem de 10m e acima do NA. Tem como principalvantagema de ser um procedimentosimples,rápido e econômico.Porémas informaçõesobtidassãoapenasdo tipo de solo,espessurade camadae posiçãodo lençol freático,sendotambémpossívela coletadeamostradeformadase acimado NA. Esseprocessodeperfuraçãonão deve ser usadopara solos contendocamadasde pedregulhos,matacões,areiasmuitocompactas e solos abaixo do nível d'água.

88

Figura 10.1 - Tipos de trados.

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É o método de sondagem mais empregado no Brasil, principalmente em prospecção dosubsolo para fins de fundações.Permite tanto a retirada de amostrasdeformadasedeterminaçãodo NA, quantoa medidado índicederesistênciaa penetraçãodinâmica(SPT),o qual é usado para obter, atravésde correlações,o comportamentode resistênciaaocisalhamentodo solo,dentrediversosoutrosparâmetrosdo solo.Além disso,é um ensaiodebaixo custo,simplesde executar,permitindo,ainda,a obtençãode informaçõesdo estadodeconsistênciae compacidadedossolos.O procedimentodo ensaioé normalizadopelaABNTatravésda normaNBR 6484/80.O equipamentoparaexecuçãoda sondagemà percussãoéconstituídodeum tripé equipadocomroldanase sarilhoquepossibilitao manuseiodehastesmetálicasocas,em cujas extremidadesfixa-se um trépanobiselado(faca cortante)ou umamostradorpadrão(fig. 10.2). Fazempartedo equipamento,tubosmetálicoscom diâmetronominal superiorao da hastede perfuração,coxim de madeira,martelode ferro com 65kgpara cravação das hastes e dos tubos de revestimento, sendo este último destinado a revestir asparedesdo furo a fim de evitar instabilidade.O equipamentopossui,ainda,um conjuntomotor-bombaparacirculaçãode águano avançoda perfuração,bem como amostradordeparede grossa, trados cavadeira e espiral e trépanos.

Figura 10.2 - Equipamento de sondagem à percussão - SPT.

89

O amostradorpadrãoou amostradorTerzaghi-Peck,o único que deveser usadonoensaio,possuitrêspartes,engate,corpoe sapata.É constituídode tubosmetálicosdeparedegrossacomcorpobipartidoe pontaemformadebisel (fig. 10.3).O engatetemdoisorifícioslateraisparasaídadaáguae ar e contém,interiormente,umaválvulaconstituídapor esferadeaçoinoxidável.A fig. 10.4mostraum cortedo amostradorpadrãoindicandosuasprincipaisdimensões.

Figura 10.3- Amostrador padrão de parede grossa - vista. Apud Nogueira (1995)

Figura 10.4- Amostrador padrão de parede grossa - corte.

Em linhas gerais, o procedimento de execução de sondagensde simplesreconhecimentoé um processorepetitivo,demodoqueemcadametrodesolo,sãorealizadastrês operações,aberturado furo (perfuração),ensaiode penetraçãoe amostragem,as quaisserãocomentadasa seguir. Em cada metro, faz-se, inicialmente, a aberturado furo decomprimentoigual 55cmdeixando-seos 45cmrestantesde solo paraa realizaçãodo ensaiode penetraçãodinâmica e amostragem.A fig. 10.5 mostra um esquemade execuçãodasondagem.

Abertura

Ensaio

Abertura

Ensaio

100

100

55

45

Figura 10.5- Esquema de realização do ensaio de SPT.

90

a) Perfuração:A perfuraçãoé iniciadacomo tradocavadeirade100mmdediâmetro,atéa profundidadede1 metro,instalando-seo primeirosegmentodo tuboderevestimento.Apartir do segundometroe atéatingir o nível d'águaa perfuraçãodeveráser feita com tradoespiral.Abaixo do NA, a aberturado furo passaa ser feita por processode lavagemporcirculaçãode água,usandoo trépanocomo ferramentade escavação.A lama,resultantedadesagregaçãodo soloe águainjetada,retornaráà superfíciepeloespaçoanelarformadopelotubo de revestimentoe hastesde perfuração,sendodepositadaem um reservatóriopróprio.Durantea lavagem,o mestresondadorficará observando,nasaída,asamostrasde lamaparaidentificar possívelmudançade camadade solo. O processode lavagempor circulaçãodeáguapermiteum rápidoavançodo furo, sendopor issopreferidopelasequipesdeperfuração.Deve-seressaltarcontudo,que esseprocedimentonão deve ser usadoacimado NA, poisdificulta a determinaçãodo nível d'águae altera as característicasgeotécnicasdos solos.Atingida a cota de ensaio,por qualquerdos procedimentos,o furo deveráestarbem limpopara a realização do ensaio de penetração.

b) Ensaiodepenetração:Atingida a cotadeensaio,conecta- seo amostradorpadrãoàshastesdeperfuração,posicionando-ono fundodo furo desondagem.Em seguida,a cabeçade bateré posicionadano topo da hastee o marteloé apoiadosuavementesobreessapeça,anotando-sea eventualpenetraçãodo amostrador.A partir de um ponto fixo qualquer,porexemploo tubo de revestimento,marca-sena hastede perfuraçãoum segmentode 45cmdividido emtrêstrechosde15cm.O ensaiodepenetraçãoconsistenacravaçãodo amostradorno solo atravésde quedassucessivasdo martelo de 65kg, erguido até a altura de 75cm edeixadocair em quedalivre, comomostradona fig. 10.6.Procede-sea cravaçãode45cmdoamostrador,anotando-se,separadamente,o númerodegolpesnecessáriosà cravaçãodecada15cm do amostrador.

75cm

15cm15cm

15cm

martelo

amostrador

revestimento

Cabeça debater

Figura 10.6 - Esquema de realização do ensaio de SPT.

O resultadodo ensaio de penetraçãoserá expressopelo índice de resistênciaàpenetraçãodinâmica(N), conhecidocomoSPT(“StandardPenetrationTest”). O SPTé dadopela soma do número de golpes necessários para cravar os 30cm finais do amostrador padrão.

c) Amostragem:A cadametrodeprofundidade,sãocoletadasamostraspelacravaçãodo amostradorpadrãocom o objetivo de identificar o solo "in situ" e/ou,posteriormente,nolaboratóriopara esclarecimentode dúvidasque por venturavenhaa ocorrer.As amostrasobtidassãodeformadase comprimidasem funçãodo impactode cravaçãoe sãoadequadasapenas para caracterização e identificação táctil visual do solo.

91

Com a amostracolhida no amostradore com o valor o SPT (somados númerodegolpesparacravaros30cmfinais do amostrador)fazem-sea identificaçãoe classificaçãodosolo, de acordo com a ABNT - NBR 7250/80, utilizando testes tácteis-visuaiscom afinalidadededefinir ascaracterísticasgranulométricas,deplasticidade,presençaacentuadademica,matériaorgânicae corespredominantes.De acordocom a normaacima,o nomedadoao solo nãodeverácontermaisdo queduasfraçõese sugereascores:branco,cinza,preto,marrom, amarelo,vermelho, roxo, azul e verde, podendo-seusar claro e escuro,para omáximo de duas cores e o termo variegado quando não houver duas cores predominantes.

Com o valor do SPT obtido em cadametro, os solos são classificados,quantoacompacidade (solos grossos) e consistência (solos finos), conforme mostram as Tabelas 10.1 e10.2. Nestastabelastambémestãoapresentadosos valoresestimadosde ângulo de atrito,densidaderelativa e resistênciade pontado cone (vide item 10.2.2.1),(qc), paraos solosarenosos e estimativa da resistência a compressão simples (Su), para os solos argilosos.

Tabela 10.1 - Classificação segundo o SPT, para solos arenososSolo SPT Designação Correlações

qc(Mpa) φ (°) Dr

Areias e siltes arenosos

≤ 45 - 1011 - 3031 - 50

>50

FofaPouco compacta

Medianamente compactaCompacta

Muito compacta

< 22 - 44 - 1212 - 20> 20

< 3030 - 3535 - 4040 - 45> 45

< 0,20,2 - 0,40,4 - 0,60,6 - 0,8

> 0,8

Tabela 10.2 - Classificação segundo o SPT, para solos argilososSolo SPT Designação Su (kgf/cm2)

Argilas e siltesargilosos

≤ 23 - 45 - 89 - 1516 - 30

>30

Muito moleMoleMédiaRija

Muito rijaDura

< 0,250,25 - 0,50,5 - 1,01,0 - 2,02,0 - 4> 4,0

As correlaçõesexistentesentreo SPTe a consistênciadasargilas,principalmenteasargilassensíveis,podemestarsujeitasa erros,em virtude da mudançade comportamentodaargila em funçãode cargasdinâmicase estáticas,provocandoo amolgamento(destruiçãodaestrutura)e consequentementemodificando sua resistênciaà penetração.Além disso, éimportante ressaltarque os valores de N podem ser alteradospor fatores ligados aoequipamentousado,técnicaoperacional,bem como errosacidentais.Os fatoresligadosaoequipamento são:

�

Forma,dimensõese estadodeconservaçãodo amostrador.O amostradordeveter,rigorosamente,asdimensõesindicadaspelanorma.Quantomaior a suaseçãooumais espessasua parede,maioresserãoos índicesde resistênciaà penetraçãoobtidos.Conformediscutidonacapítulodeorigeme formaçãodossolos,o usodoequipamentode SPT em solosresiduaisjovensou saprolíticospodeacarretarnaperdada afiaçãodobisel do amostrador,resultandoem umamaior dificuldadedecravaçãodo mesmoe na obtençãode valoresdeSPTsuperioresaosdevidosparaestas camadas.

�

Estadodeconservaçãodashastese usodehastesdediferentespesos.Hastescommassamaior levam a índices maiores,por absorveruma maior quantidadedaenergia aplicada. As hastes devem ter massa variando entre 3,2 a 4,4kg/m.

�

Martelo não calibradoe naturezada superfíciede impacto(ferro sobreferro). Ocoxim de madeiradeve estar,sempre,em boascondições,não deveráocorrergolpes metal-metal.

92

�

Diâmetro do tubo de revestimento:quanto maior o diâmetro do tubo derevestimentomaiora alteraçãoqueo solo,abaixodapontado tubo,poderásofrer.Os tubos de revestimentodevemser de aço, com diâmetronominal interno de67mm ou 76mm.

Os fatores ligados a técnica de operação são os seguintes:

�

Variaçãodaenergiadecravação:o martelodevecair emquedalivre deumaalturaconstante(75cm).É muito comum,como transcorrerdo dia,haverumatendência,devidoaocansaço,daalturadequedair diminuindoe comissoaumentando-seosvalores dos índices;

�

Processode avançoda sondagem,acima e abaixo do nível d'águasubterrâneo.Conformejá comentado,a lavagempor circulaçãode águasomenteé permitidaabaixo do NA, devendo-se acima do NA usar o trado espiral.

�

Má limpeza do furo. Presençade material no interior da perfuração.Furo nãoalargado suficientemente para a livre passagem do amostrador.

Quantoaoserrosacidentais,refere-sea errosnacontagemdo númerodegolpes,sendoa maioriacometidosdevidoaobaixonível deescolaridadedo pessoaldo grupo.Sãoosmaisdifíceis de serem constatados.

Os resultadosde uma sondagemdeverãoser apresentadosem forma de relatóriocontendoo perfil individual de cadafuro, com as cotas,diâmetrodo tubo de revestimento,posiçõesondeforam recolhidasamostras,posiçãodo N.A., resistênciaa penetração(SPT)edescriçãodo solo,bemcomoum cortelongitudinal(seção),ondepodemserevidenciadasasseqüências prováveis das camadas do subsolo. O relatório fornecerá dados gerais sobre o locale o tipo de obra,descriçãosumáriado equipamentoe outrosdadosjulgadosimportantes.Afig. 10.7 apresentaum perfil individual de sondagemà percussãoe a fig. 10.8, um perfilassociadodo subsolo.Na figura 10.8,o termoP/45indicamumapenetraçãode45 cm devidaapenas ao peso próprio da composição, sem a necessidade de execução de qualquer golpe

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Critérios de paralisação da sondagem

a) quandoem 3m sucessivos,seobtiver índicesdepenetraçãomaioresdo que45/15(quarenta e cinco golpes para os quinze primeiros cm de penetração);

b) quando,em 4m sucessivos,forem obtidos índicesde penetraçãoentre 45/15 e45/30

c) quando,em 5m sucessivos,forem obtidos índicesde penetraçãoentre 45/30 e45/45.

d) Caso a penetraçãoseja nula em 5 impactosdo martelo, o ensaiodeverá serinterrompido, não havendo necessidade de obedecer o critério estabelecido acima. No entanto,seestasituaçãoocorrerantesde8,0mdeprofundidade,a sondagemdeveráserdeslocadaatéo mínimo de 4 vezesem posiçõesdiametralmenteopostas,distantes2,0m da sondageminicial.

e) Atingida a condiçãode impenetrávelà percussãoanteriormentedescrita,a mesmapoderáser confirmadapelo ensaiode avançopor lavagem,por 30minutos,anotando-seosavançosparacadaperíodode 10 minutos.A sondagemserádadacomo encerradaquandonessaoperaçãoforem obtidosavançosinferioresa 5cm em cadaperíodode 10minutos,ouquandoapósa realizaçãode 4 ensaiosconsecutivosnão for alcançadaa profundidadedeexecução do ensaio penetrométrico seguinte.

93

Nº DOC.: 242/01��������� �� ���� � � ������������������ ���������������������������

DATA: 13/09/01

REV.: 0

CLIENTE: DATA INÍCIO:

OBRA: DATA FINAL:

LOCAL: SONDAGEM: SP - 14

PEN ETRAÇÃO (GOLPES/30cm ) PERFIL GRÁFICO N ÍVEL COTA PROF. DA

N º GOLPES GRÁFICO E DE (m ) CAMADA CLASSIFICAÇÃO DO MATERIAL

1º e 2º 2º e 3º N º DE AMOSTRAS ÁGU A * (M)

0 0

2 32

7 83

10 11

18 225

6 7

13 157

13 168

15 15

12 13

15 15

14 1512

23 2713

26 28

29 3115

17 Limite de Sondagem - 14,45m

18 Sondagem paralizada a pedido do

Proprietário

NÍVEL D'ÁGUA (m) CARACTERÍSTICA DA COMPOSIÇÃO DE PERFU RAÇÃO

APÓS 24 HORAS:

PESO: 65 Kg - ALTU RA DE QU EDA: 75 cm

ENGº. RESPONSÁVEL: / /

REVESTIMEN TO φ in t. 76,2 m m

AMOSTRADOR: φ IN TERN O:34,9m m / φ EXTERN O: 50,8 m m

AREIAPEDREGULHOARGILA

14,45

1,30

Não encontrado

2,60

5,00

6,80

10,60

Idem, pouco a medianamente compacto.

Silte argiloso com areia fina, variegado (róseo), rijo.

Silte argiloso com areia fina e pedregulhos, marrom avermelhado, mole a médio.

Silte arenoso (areia fina e média), com pedregulhos, variegado (vermelho), medianamente compacto a compacto.

Silte argiloso com areia fina e pedregulhos, variegado (róseo e vermelho), rijo a duro. (Alteração de rocha).

Figura 10.7 - Perfil individual de sondagem .

94

Figura 10.8 - Perfil associado de sondagem .

Espaçamento entre cada sondagemO espaçamentoou o númerodesondagense suadistribuiçãoemplantadependerádo

tipo, tamanhodaobrae dafaseemqueseencontraa investigaçãodo subsolo.Praticamente,éimpossívelestipularo espaçamentoentreassondagensantesdeumainvestigaçãoinicial, poisesteseráem funçãoda uniformidadedo solo. Quandoa estruturatem sualocalizaçãobemdefinidadentrodo terreno,a ABNT (NBR 8036) sugereo númeromínimo de sondagensaseremrealizadas,em funçãoda áreaconstruída,conformemostraa Tabela10.3. Os furosdevemser internosà projeçãoda áreaconstruída.Quandoasestruturasnãoestiveremaindalocalizadas,o númerode sondagensdeveserfixado, de modoque,a máximadistânciaentreos furos seja de 100m e cobrindo, uniformemente,toda a área.A sondagemdeveráserexecutadaatéo impenetrávelaoamostradorou atéa cotamaisbaixadaisóbaraigual a 0,10p,estimada pelo engenheiro projetista da fundação, para o caso de fundações rasas.

Observação do nível d'águaDurante a execuçãoda sondagemsão feitas as determinaçõesdo nível d'água,

registando-sea suacotae/oua pressãoqueseencontraem campo(verificaçãoda existênciade artesianismo).Quandodetectarum grandeaumentoda umidadedo solo retiradocom otrado helicoidal, a perfuraçãodeveráser interrompidae passa-sea observara elevaçãodaáguano furo até a sua estabilização,efetuando-seleituras a cada 5 minutos, durante30minutos.As leiturassãoefetuadasutilizandoum pênduloou pio elétrico.Semprequehouver

95

paralisaçãodosserviços,antesdo reinicio é convenienteumaverificaçãodaposiçãodo níveld'água.

Tabela 10.3 - Número mínimo de sondagens, segundo a ABNT.

Área construída (m2) No. Mínimo de furos200 2

200 - 400 3400 - 600 3600 - 800 4800 - 1000 51000 - 1200 61200 - 1600 71600 - 2000 82000 - 2400 9

> 2400 a critério

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A sondagemrotativaé empregadana perfuraçãode rochas,matacõese solosde altaresistência.Temcomoobjetivoprincipala obtençãodetestemunhos(amostrasderocha)paraidentificaçãodas descontinuidadesdo maciço rochoso,mas permite ainda a realizaçãodeensaios "in situ", como por exemplo o ensaio de perda d'água ou infiltração.

O equipamentopara a realizaçãoda sondagemrotativa compõe-sede uma hastemetálica rotativa dotada, na extremidade, de uma ferramenta de corte, denominada coroa, bemcomo de barriletes, conjunto motor-bomba, tubos de revestimento e sonda rotativa.

As sondasrotativasimprimem o movimentode rotação,recuoe avançonashastes.Através dessemovimento, a coroa, que é uma peça constituída de aço especial comincrustaçõesde diamanteou vídia nasextremidades,vai desgastandoa rochae permitindoadescidado tubo de revestimentoe alojamentodo testemunhono interior do barrilete.Ashastessãoocas,parapermitir a injeçãode águano fundo da escavaçãoa fim de refrigeraracoroaecarregarosdetritosdaperfuraçãoatésuperfície.A utilizaçãodetubosderevestimentoé indispensávelquandoas paredesdo furo apresentarem-seinstáveis,com tendênciaaodesmoronamento,pondo em risco a coluna de perfuração.Os revestimentostambémsãonecessáriosquandose atravessauma formação fraturadaou muito permeável,causandoperdasconsideráveisde águade circulação.Os revestimentossãotubosde açocom paredesfinas mas de elevadaresistênciamecânica,com comprimentode 1 a 3m, rosqueadosnasextremidades.

A execuçãoda sondagemrotativa consistebasicamentena realizaçãode manobrasconsecutivasde movimentorotativo parao corte da rocha.O comprimentoda manobraédeterminadopelo comprimentodo barrilete,em geral 1,5 a 3,0m. Terminadaa manobra,obarrileteé retiradodo furo e os testemunhossãocuidadosamenteretiradose colocadosemcaixas especiais com separação e obedecendo a ordem de avanço da perfuração.

Osresultadosdasondagemsãoapresentadosnaformadeum perfil individual decadafuro, contendocotase descriçãodos testemunhos.A descriçãodos testemunhosinclui aclassificaçãolitológica (gênese,mineralogia,texturae cor),o estadodealteraçãodarochae ograu de fraturamento.

O estadode alteraçãoé um fator qualitativo e subjetivo para expressaro grau dealteraçãoda rocha, a saber:rocha extremamentealteradaou decomposta,muito alterada,medianamente alterada, pouco alterada.

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O graudefraturamentoé expressoatravésdo númerodefragmentospor metro,o qualé obtido dividindo-se o número de fragmentos recuperadosem cada manobra pelocomprimento da manobra. O critério adotado na classificação é o seguinte:

- ocasionalmente fraturada: 1 fratura/metro- pouco fraturada: 1 - 5 fraturas/metro- medianamente fraturada: 6 - 10 fraturas/metro- muito fraturada: 11 - 20 fraturas/metro- extremamente fraturada: > 20 fraturas/metro- em fragmentos: pedaços de diversos tamanhos

Atualmente tem-se utilizado um parâmetro chamado RQD (Rock QualityDesignation),paraexpressara qualidadedasrochas.O RQD é dadopelarelaçãoentrea somados comprimentosdos testemunhoscom mais de 10cm dividido pelo comprimentodamanobra. A Tabela 10.4 apresentada a classificação da rocha em função do RQD.

Tabela 10.4 - Classificação da qualidade do maciço em função do RQD

RDQ Qualidade do Maciço1 - 25% Muito fraco25 - 50% Fraco50 - 75% Regular75 - 90% Bom90 - 100% Excelente

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Sondagem mista é aquela em que são executados os processos de percussão associadosaoprocessorotativo.Osdoismétodossãoalternadosdeacordocomascamadasdo terreno.Érecomendadapara terrenoscom presençade blocos de rocha, matacões,sobrejascentesacamadasdesolo.A maioriadoscasosdesondagemmistainicia-se,pelométodoà percussão,atingindoo impenetrávelpor essemétodo,reveste-seo furo e passa-seao processorotativo.Quandoocorrenovamentea mudançadematerial(rochaparasolo), interrompe-sea manobrae o furo prosseguepor percussãocom medidado índice de resistênciaà penetração.Osresultados são apresentados conforme já comentado anteriormente para cada caso.

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A amostragemé o processode retiradade amostrasde um solo com o objetivo deavaliar as propriedadesde engenhariado mesmo.As amostrasobtidaspodemser de doistipos: amostras deformadas e indeformadas.

Amostras deformadas. As amostrasdeformadassão aquelasque conservamascomposiçõesgranulométricae mineral do solo "in situ" e se possívelsuaumidadenatural,entretanto,a suaestruturafoi perturbadapelo processodeextração.Sãoobtidaspor meio depás,picaretas,tradose amostradoresdeparedegrossa.As amostrasdeformadassãoutilizadasparaexecuçãodosensaiosde caracterizaçãodo solo (granulometria,limites de consistência,massaespecíficadossólidos),ensaiosdeidentificaçãotáctil - visual,ensaiodecompactaçãoemoldagemdecorposdeprova,sobdeterminadascondiçõesdegraudecompactaçãoe teordeumidade.

Amostras indeformadas. São aquelas que conservam tanto as composiçõesgranulométricae mineral do solo, quanto o teor de umidade e a estrutura.O termoindeformadaquerdizerquea amostrafoi submetidaaomínimodeperturbaçãopossível,poisqualquermétodoamostragemsempreproduzuma modificaçãono estadode tensãoo qualestásubmetidoessaamostra.As amostrasindeformadassãousadasnaexecuçãodeensaiosde

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laboratórioparaobtençãodosparâmetrosde resistênciaao cisalhamentoe compressibilidadedo solo.Podemserobtidaspor meiodeblocosindeformadosou por meiodeamostradoresdeparede fina.

A amostragempor meio de blocosé, geralmente,realizadana superfíciedo terreno,emtaludesou no interior deum poço,acimado nível deágua.A retiradadeum blocodesoloprismático indeformado segue esquemaapresentadona fig. 10.9. O molde metálico(30x30cm)é cravadono solo e efetua-sea escavaçãoem torno e na basedo mesmo,atésepararo blocodo maciço.Apósa retiradado bloco,aplica-seumafina camadadeparafina,recobrindo-ocom um tecidoporoso(tela,estopa),e em seguidaaplica-seumanovacamadadeparafina.Essasoperaçõestemo objetivodepreservara umidadee a estruturado bloco.Osblocosdevemserdevidamenteidentificadose colocadosem caixascontendoserragemparaserem enviadospara o laboratório, onde devem ser mantidos em câmaraúmida até autilização.

Figura 10.9 - Retirada de amostra indeformada .

Paraobtençãode amostrasindeformadasem maioresprofundidades,utilizam-seosamostradoresdeparedefina, construídosdeum tubode latãoou açodediâmetrointernonãoinferior a 50mm e com característicaspróprias para garantir a obtençãode amostrasindeformadas.Paraum amostradorserclassificadocomode paredefina ele deveatenderosseguintes requisitos:

Folga interna: quandoo amostradoré cravadono solo, a amostracortadasofre umalívio de tensõese há uma tendênciaa expansão,sendoque com isso se desenvolveráumatrito entrea paredeinternado amostradore a amostra.Paraqueesseatrito sejadiminuído,odiâmetro da ponta (dp) do amostradordeveráser menor que o interno (di) (fig. 10.10),definindoumafolga interna(Fi) entre1 a 3%, dadapelaeq.10.1.O diâmetrodapontasendomenor,ajudaa apoiara amostra,facilitandoa retiradado tubo.Umafolga maior,facilitaria aentradada amostrano amostrador,mas aumentariao risco de eventuaischoquesentre aamostra e o amostrador.

3% a 1 <−

=p

pii d

ddF

(10.1)

Relaçãode áreas:paraminimizar a perturbaçãoestruturaldo solo, a parededo tubonãodevesergrossa,nãodevendotambémsermuito fina, paraque,nãoocorraflambagemouamassamentodo tubo durantea cravação.Parasatisfazeressasexigênciasdevese ter umarelaçãodeáreas,dadopelaeq.10.2,comvalor inferior a 10%.Nestaequação,de correspondeao diâmetro externo do amostrador.

%0 1 <−=2

22

i

iea

d

ddR

(10.2)

Porcentagemde recuperação:o comprimentoda amostraobtido nemsempreé igualaocomprimentocravadodo amostrador.Em geral,asamostrassofremum encurtamento.Paraumaamostraserconsideradacomoindeformadaa percentagemderecuperação,dadapelaeq.

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10.3,deveestarentre95 e 100%.Na eq.10.3,H é o comprimentocravadodo amostradore Lcorresponde ao comprimento da amostra.

R �LH

� 100 (10.3)

di

dp

de

Figura 10.10 - Amostrador de parede fina .

Existem diversos tipos de amostradoresde parede fina (shelby, pistão, sueco,Deninson,etc),sendocadaum delesindicadoparaumadeterminadacondiçãoe tipo desolo.Os amostradores mais usuais são descritos a seguir:

a) Amostrador Shelby: é compostodeum tubodelatãoou açoinoxidáveldeespessurareduzida,comdiâmetrode50mmparapermitir a utilizaçãonosfurosdesondagemdesimplesreconhecimento.O tuboé ligado a um engateprovido deumajanelae umaválvuladealíviocomesferadeaço,quetema funçãodepermitir a saídadeáguadedentrodo tuboduranteacravaçãoe diminuir a pressãohidrostáticaaplicadaao topodaamostra,durantea retiradadoamostrador (fig. 10.11).

Figura 10.11 - Amostrador de parede fina tipo shelby.

O amostradortipo shelbyé usadoparaobtençãode amostrasindeformadasde soloscoesivoscom consistênciamole a média. Esse amostradoré o mais antigo e o mais

99

largamenteutilizado, tendo servido como basepara desenvolvimentodos outros tipos deamostradores.

b) AmostradordePistão: é indicadoparasoloscoesivosmuito moles,siltesargilosose areias.O amostradoré constituídode um pistãoou êmboloque corre dentrodo tubo deparedefina melhorandobastanteascondiçõesdeamostragem,atingindocomfacilidade100%de recuperaçãoda amostra(comprimentoda amostraigual ao comprimentocravadodoamostrador),mesmoemsolosde difícil amostragem.A fig. 10.12apresentao amostradordepistão.

Fig1ura 10.12 - Amostrador de parede fina tipo pistão.

c) AmostradorSueco:é tambémconstituídode um pistão,o qual permanecefixo,duranteo processode amostragem.No pistão é fixado tiras de papel alumínio que sãomontadasem carretéis,dentrode umapeçaespeciale quesedistribuemao longo de todo operímetro do amostrador (fig. 10.13).

Figura 10.13 - Amostrador de parede fina tipo sueco.

100

O papelalumínio reduzo atrito entrea amostrae as paredesdo tubo permitindoaobtençãode amostrascom vários comprimentos.Esseamostradorpermite uma sondagemcontínua do subsolo.

d) Amostrador Denison: é constituídode dois cilindros, sendoum interno e outroexterno rotativo, dotado de sapatacortante.O cilindro interno é destinadoa recebereacondicionara amostradesolo,cortadapor umacoroadevídia solidáriaaotuboexterno(fig.10.14).A amostraé suportadapor umamolaretentora.A perfuraçãoé feita por circulaçãodelama,quetambémpermiteumamaior estabilizaçãodasparedesdo furo. Esteamostradorédestinadoa obtençãode amostrasem solosresistentes,em quenãoseconsegueamostradeboa qualidade por cravação.

Figura 10.14 - Amostrador de parede fina tipo Deninson.

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Os métodossemidiretosde prospecçãosão aquelesque não permitem coleta deamostrase visualizaçãodo tipo desolo,sendoascaracterísticasdecomportamentomecânico,obtidas por meio de correlaçõescom grandezasmedidasna execuçãodo ensaio.Foramdesenvolvidoscom o intuito de contornaras dificuldadesde obtençãode amostrasde boaqualidadeem certostipos de solos,como areiaspurasou submersase argilassensíveisdeconsistênciamuito mole.Osmétodossemidiretossãoconhecidoscomoensaios"in situ", quetem por vantagemminimizar asperturbaçõescausadaspelavariaçãodo estadode tensõesedistorçõesdevidasao processode amostragem,bem como evitar os choquese vibraçõesdecorrentesdo transportee subsequentemanuseiodas amostras.Além disso, o efeito daconfiguraçãogeológicado terreno está presentenessesensaios"in situ" permitindo umamedida mais realista das propriedades físicas do solo.

Dentre os ensaios"in situ" mais empregadosno Brasil destacam-seo ensaiodepenetraçãoestática(CPT), o ensaiode "vane test" ou palhetae o ensaiopressiométrico.Oensaiode CPT e "vanetest" têm por objetivo a determinaçãoda resistênciaao cisalhamentodo solo, enquantoo ensaiopressiométrovisa estabeleceruma espéciede curva tensão-deformação para o solo investigado. A seguir será detalhado cada um desses ensaios.

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O ensaiode penetraçãocontínuaou estáticado cone,tambémconhecidocomodeep-sounding,foi desenvolvidona Holandacom o propósitode simulara cravaçãode estacaseestá normalizado pela ABNT através da norma NBR 3406.

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O ensaiode CPT permitemedidasquasecontínuasda resistênciade pontae lateraldevidoàcravaçãodeum penetrômetrono solo,asquais,porcorrelações,permitemidentificaro tipo de solo, destacandoa uniformidadee continuidadedas camadas.Permite,também,determinaros parâmetrosde resistênciaao cisalhamentoe a capacidadede carga dosmateriaisinvestigados.É um ensaiode custorelativamentebaixo, rápido de ser executado,sendoportanto,indicadoparaa prospecçãodegrandesáreas.Apresentacomodesvantagensanãoobtençãodeamostrasparainspeçãovisual,a nãopenetraçãoemcamadasmuito densasecompresençadepedregulhose matacões,asquaispodemtornaros resultadosextremamentevariáveis e causar problemas operacionais como deflexão das hastes e estragos na ponteira.

O equipamentoparaexecuçãodo ensaiode CPT constade um conede aço,móvel,com um ângulono vérticede 60° e áreatransversalde10cm2. O coneé acionadopor hastesmetálicas,as quais transmitem o esforço estático de cravaçãoproduzido por macacoshidráulicos ou por engrenagensque acionam duas cremalheiras(hastes dentadas).Omovimentode subidae descidasãoobtidospor intermédiodasengrenagensmovimentadaspor sarillhosmanuais(fig. 10.15).A pressãode cravaçãoé obtidapor manômetrosou anéisdinamométricos,sendogeralmenteutilizadosdoismanômetros,um paraaltaspressõeseoutropara baixas pressões. O equipamento tem normalmente uma capacidade de 10 toneladas.

Figura 10.15- EquipamentoparaensaiodeCPT,commediçãohidráulica evistado

cone de penetração (Begeman).

O ensaioconsisteem cravar o cone solidário a uma hastee medir o esforço denecessárioà penetração.São feitas medidas de resistênciade ponta e total. Com openetrômetrona cota de ensaio,crava-se4cm da ponta por meio uma hasteinterna. Emseguida,a luva (camisa)e a pontasãocravados,numaextensãode aproximadamente4cm,medindo-sea força usadapara obtençãoda resistênciatotal, ponta mais atrito lateral,desenvolvidoao longo do comprimentodo cone(fig. 10.16a).Novamente,o penetrômetroécolocadonaposiçãoinicial, e asoperaçõessãosucessivamenterepetidas.A resistêncialateral

102

(ql) é obtida pela diferençaentre a resistênciatotal e a de ponta (qc). A velocidadedecravaçãodo conedeveráserconstantee daordemde2cm/seg.A cada4cmdeprofundidade,portanto,podem-seter valoresdasresistênciaslaterale depontaque,lançadosemum gráficoversus a profundidade toma o aspecto da fig. 10.17.

(a) (b)Figura 10.16 - (a) Ensaio de CPT, cone de Begeman. (b) Esquema de cone elétrico

Figura 10.17 - Resultado de um ensaio de penetração contínua - CPT.

Os resultadosdo ensaiode cone,isto é as relaçõesentreresistênciade ponta(qc) erazãodeatrito (atrito lateral/resistênciadeponta)permitemobtera classificaçãodostiposdesolos encontrados, através do gráfico da fig. 10.18, apresentado por Schermertmann.

103

Figura 10.18 - Carta de classificação segundo Sherthamamn.

Os dadospermitemobter,ainda,boasindicaçõesdaspropriedadesdo solo,ângulodeatrito interno de areias,e coesãoe consistênciadas argilas. Foi Meyerhof (1956) queminicialmentepropôsuma correlaçãodo tipo qc = nN, entrea resistênciade ponta(qc) e Nnúmerodegolpesparacravar30cmfinais do SPT.O autoracimasugeriuparaasareiasum n= 4. Com base nesta relação foi elaboradoo gráfico da fig. 10.19 que estabeleceascaracterísticasde resistênciaao cisalhamentoe de deformabilidadede areiase argilas emfunção dos resultadosdo SPT e da resistênciade ponta do CPT. Entre as experiênciasbrasileirasmenciona-sea desenvolvidapor engenheirosdo grupo “estacafranki”, que combaseem grandenúmerode ensaios,chegaramaosvaloresde qc/N, apresentadosna Tabela10.5.

Hoje os ensaiosde CPT sãorealizadostendoas medidasde resistêncialateral e deponta feitas de forma automatizada.Isto permite, além de uma maior facilidade noarmazenamentoe tratamentodos dados,uma execuçãomais contínuado ensaio.Tambémoutrasmedidasestãosendoacrescentadasao ensaio,como medidasde pressãoneutra,quepermitem estimar parâmetroshidráulicos e de adensamentodos solos estudados.Maisrecentementeainda, sondas CPT vêm sendo dotadas de equipamentospara medir aresistividadedo solo,sendoosdadosobtidosutilizadosno diagnósticodeáreascontaminadas(vide fig. 10.16b).

Tabela 10.5 - Correlações entre N e qc.

Tipo de Solo qc/ NArgila, argila siltosa, silte argilososArgila arenosa e siltos-arenosaSilte arenosoAreia argilosaAreia

3,52,03,56,010,0

104

Figura 10.19- Característicaderesistênciae deformabilidadeemfunção do SPTeqc. Modificado de De Lima (1983).

105

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O "vane test" foi desenvolvidona Suécia,com o objetivo de medir a resistênciaaocisalhamentonãodrenadadesoloscoesivosmolessaturados.Hoje o ensaioé normalizadonoBrasil pela ABNT (NBR 10905)

O equipamento para realização do ensaio é constituído de uma palheta de aço, formadapor quatro aletasfinas retangulares,hastes,tubos de revestimentos,mesa,dispositivo deaplicaçãodo momentotorçor e acessóriosparamedida do momentoe dasdeformações.Oequipamentoestáapresentadona fig. 10.20.O diâmetroe a alturada palhetadevemmanteruma relaçãoconstante1:2 e, sendoosdiâmetromaisusuaisde55, 65 e 88mm.A medidadomomentoé feito atravésde anéisdinamométricose váriostipos de instrumentoscom molas,capazes de registrar o momento máximo aplicado.

Figura 10.20 - Equipamento para ensaio de palheta - vane test.

O ensaioconsisteem cravara palhetae em medir o torquenecessárioparacisalharosolo,segundoumasuperfíciecilíndrica de ruptura,quesedesenvolveno entornoda palheta,quandoseaplicaao aparelhoum movimentode rotação.A instalaçãoda palhetana cotadeensaiopodeser feita ou por cravaçãoestáticaou utilizando furos abertosa trado e/ou porcirculação de água. No caso de cravaçãoestática,é necessárioque não haja camadasresistentessobrejacentesà argilaa serensaiadae quea palhetasejamunidadeumasapatadeproteçãodurantea cravação.Tantoo processodecravaçãodasapata,quantoo deperfuraçãodevemser paralisadosa 50cm acimada cota de ensaio,a fim de evitar o amolgamentodoterrenoa serensaiado.A partir daí, desceapenasa palhetade realizaçãodo ensaio.Com apalhetana posiçãodesejada,deve-segirar a manivelaa umavelocidadeconstantede6°/min,fazendo-seas leiturasda deformaçãono anel dinamométricode meio em meio minuto, atéatingir o momento máximo. Em seguida deve-se soltar a mesa e girar a manivela,rapidamente,com um mínimo de 10 rotaçõesa fim deamolgara argila e em seguidaé feitonovo ensaio para medir a resistência amolgada da argila e com isto, determinar a sensibilidadeda argila (resistênciada argila indeformada/resistênciada argila amolgada),conformejáapresentado no item 5.5, desta apostila.

Para o cálculo da resistêncianão drenadada argila deve-seadotar as seguinteshipóteses:&

Drenagem impedida: ensaio rápido;&Ausência de amolgamento do solo, em virtude do processo de cravação da palheta;

106&

Coincidênciade superfíciede ruptura com a geratrizdo cilindro, formado pelarotação da palheta;&Uniformidadedadistribuiçãode tensões,ao longode todaa superfíciederuptura,quando o torque atingir o seu valor máximo;&Solo isotrópico.

No instanteda ruptura o torque máximo (T) aplicado se iguala à resistênciaaocisalhamentodaargila,representadapelosmomentosresistentesdo topoe dabasedo cilindrode rupturae pelo momentoresistentedesenvolvido,ao longo de suasuperfícielateral,dadopela expressão:

BL MMT 2+= (10.4)

onde:T = torquemáximoaplicadoà palheta;ML = momentoresistentedesenvolvidoaolongodasuperfícielateralderuptura;MB = momentoresistentedesenvolvidono topoe nabase do cilindro de ruptura, dados por:

uL c.H.DM 2

2

1 π= (10.5)

uB cDM 3

12

π= (10.6)

onde:D = diâmetrodo cilindro de ruptura;H = altura do cilindro de ruptura;Cu =resistêncianãodrenadadaargila.Substituindoasequações10.5e 10.6em10.4e fazendo-seH = 2D, tem-se o valor da coesão não drenada da argila, expresso pela fórmula 10.7.

37

6

D

T.cu

π=

(10.7)

Diversosfatorespodemafetaros resultadosobtidoscom o “vane test”, dentreelesdestacam-sea velocidadede rotaçãodiferenteda estipulada,nãohomogeneidadeda camadade argila, ashipótesesde superfíciecilíndrica de rupturae distribuiçãode tensõesuniformeseafastandodascondiçõesreais.Na realidade,a superfíciederupturaobtidaemum ensaiodepalhetanãoé cilíndrica,poisacredita-sequeaszonaspróximasà palhetapodemestarsujeitasa tensõesmais altas,com concentraçãonasextremidadesdasaletas,provocando,portanto,uma ruptura progressiva.A presençade pedregulhos,conchasou areias,podem afetarfortementeos resultados,acarretandovaloresmaiselevadosda resistênciaou danificandoapalheta.Valoresmaisbaixosqueosreaissãopossíveisemargilasmolesamolgadasdevidoaoprocesso de cravação.

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Este ensaioé usadopara determinação"in situ" do módulo de elasticidadee daresistênciaao cisalhamentode solose rochas,sendooriginalmentedesenvolvidona Françapelo engenheiro Menard.

O ensaiopressiométricoconsisteemefetuarumaprovadecargahorizontalno terreno,graçasa umasondaqueseintroduzpor um furo desondagemdemesmodiâmetroe realizadopreviamente com grande cuidado para não modificar-se as características do solo.

O equipamentodestinadoa execuçãodo ensaio,chamadopressiômetro,é constituídopor três partes:sonda,unidadede controle de medidapressão- volume e tubulaçõesdeconexão(fig. 10.21). A sondapressiométricaé constituídapor uma célula central ou demedidae duascélulasextremas,chamadasde célulasguardas,cuja finalidadeé estabelecerum campode tensõesradiaisem torno dacélulademedida.O comprimentototal dasondaé

107

da ordemde 60 a 70cm e o da célula central de medidaé cercade 20cm. A unidadedecontroleé apartedo sistemaquefica à superfíciee contém,um depósitodeCO2, manômetrospara medir a pressão e dispositivo de controle.

Figura 10.21 - Equipamento para realização do ensaio pressiométrico.

O ensaioé iniciado com a perfuraçãopara instalaçãoas sonda na profundidadedesejada.Deve-setomarcuidadoparanãoamolgarasparedesdo furo, por isso,nãosepoderealizar um ensaio pressiométricoaproveitando um furo de amostragemobtido poramostradorde paredefina. Após a instalaçãoda sondana posiçãode ensaio,as célulasguardassãoinfladascom gáscarbônico,a umapressãoigual à da célulacentral.Na célulacentral é injetada águasob pressão,com o objetivo de produzir uma pressãoradial nasparedesdo furo. Em seguida, são feitas medidas de variação de volume em tempospadronizados,15,30 e 60 segundosapós a aplicaçãoda pressãodo estágio.O ensaioéfinalizado quando o volume de água injetada atingir 700 a 750cm3.

Com os paresde valores,pressãoaplicadae variaçãodo volumed'águainjetadoemum minuto, obtém-sea curvapressiométrica,mostradana fig. 10.22.Nestacurvapodem-sedefinir 5 fases, a saber:

Figura 10.22 - Curva pressiométrica.

108

&Faseinicial: correspondeao intervalo da curva em que há reposiçãodastensõesatuantes e colocação em equilíbrio do conjunto sonda- perfuração - terreno;&Faseelástica:muitasvezesestafasenãoé visualizadacom clarezae ocorreparabaixas pressões;&Fase pseudo - elástica: ocorre deformações lineares e é onde define-se o módulo dedeformação ou módulo pressiométrico (Ep);&Faseplástica:asdeformaçõesaumentamultrapassandoo limite deplasticidadedomaterial, sendo determinada a partir da pressão de fluência. (Pf);

� Fasedeequilíbrio limite: asdeformaçõeschegama sermuito grandes,tendendoaum valor assintótico, denominado de pressão limite (PL).

A partir da curva,apresentadana fig. 10.22,obtém-se:o módulopressiométrico(Epemkg/cm2), aspressõeslimites (PL), de fluência(Pf) e a pressãonaturaldo soloemrepouso(Po).

O módulopressiométricoé obtido na fasepseudo- elásticada curva,atravésda eq.10.8:

12

12662vv

pp).vv.(,Ep mo −

−+=

(10.8)

onde: vo = volumeda célulade medidano repouso;vm = volume médiodo ensaiodadopor (v1+ v2)/2; v1 e v2 = volumesdeáguainjetados,correspondentesaospontosiniciais efinais dafasepseudo-elásticadacurvapressiométrica;p1 e p2 = pressõescorrespondentesaospontos anteriormente referidos.

A Tabela10.6 indica a ordemde grandezaentrevaloresde Ep e PL dos principaistipos de solo.

Tabela 10.6 - Valores de Ep e PL, para diferentes tipos de solos.

Tipo de solo Ep (kgf/cm2) PL (kgf/ cm2)Vasas e turfas 2 - 15 0,2 - 1,5Argilas moles 5 - 30 0,5 - 3

Argilas plásticas 30 - 80 3 - 8Argilas duras 80 - 400 6 - 20Areias vasosas 5 - 20 1 - 5

Siltes 20 - 100 2 - 15Areia e pedregulhos 80 - 1000 12 - 50Areias sedimentares 75 - 400 10 - 50

Rochas calcárias 800 - 200.000 30 - mais de 100Aterros recentes 5 - 10 0,5 - 3Aterros antigos 40 - 150 4 - 10

Aterros pedregulhosos recentes bemcompactados

100 - 150 10 - 25

A relaçãoEp/PL, é uma característicado solo investigado,variandode 12 a 30 emsolos pré adensados e apresentando valores menores em terrenos de aluvião.

109

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Os métodosditos indiretos de prospecçãosão aquelesem que a determinaçãodaspropriedadesdas camadasdo subsoloé feita indiretamentepela medidade um parâmetrogeofísico,geralmenteresistividadeelétricaou velocidadede propagaçãodasondasno meio.Os índicesmedidosmantêmcorrelaçõescom a naturezageológicados diversoshorizontes,podendo-seaindaconhecerassuasrespectivasprofundidadese espessuras.Dentreos váriosprocessosgeofísicosde prospecçãopodemoscitar a resistividadeelétrica e o métodode"cross-hole",comosendoosdeusomaisfreqüentesnaengenhariacivil. Osmétodosindiretosapresentamcomo grandevantagem,em relaçãoaos anteriormentedescritos,a de seremrápidose econômicos,não necessitandoda coleta de amostras,podendoser utilizados naprospecçãopreliminardegrandesáreas.Atualmente,a técnicageofísicadenominadadeGPR(“Ground PenetrationRadar” ou radar de penetraçãodo solo) está ganhandoterreno emdiversas áreas da geotecnia.

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Este ensaio fundamenta-seno princípio de que diferentes materiais do subsolopossuem valores característicos diferentes de resistividade elétrica.

"A técnica de caminhamentoelétrico consisteem observara variação lateral deresistividade a profundidades aproximadamenteconstantes.Isso é obtido fixando oespaçamentodoseletrodose caminhando-secomosmesmosao longodeperfis,efetuandoasmedidasde resistividadeaparente.Com o dispositivoeletródicodipolo-dipolo,os eletrodosAB de injeçãode correntee MN de potencialsãodispostossegundoum mesmoperfil e oarranjoé definido pelosespaçamentosX=AB=MN. A profundidadede investigaçãocrescecom o espaçamento(R), e teoricamentecorrespondea R/2 (fig. 10.23), as medidassãoefetuadasem váriasprofundidadesde investigação,permitindoassima construçãode umaseção de resistividade aparente (ELIS & ZUQUETTE 1996)".

Figura 10.23 - Disposição no campo do arranjo dipolo-dipolo - técnica docaminhamento elétrico.

Ao passarumacorrenteelétrica(I) atravésdoseletrodosA e B, e medira diferençadepotencial (∆V) criada entre os eletrodos M e N, obtém-se a resistividade através da fórmula:

110

ρ a= KI

∆V

(10.9)

sendoK, um fator geométricoquedependedo espaçamentoentreosquatroeletrodoseé calculado por:

K = AM.AN

MNπ

(10.10)

A resistividade(ρ) podeser definida como sendoa maior ou menorfacilidadecomque uma corrente elétrica se propaga por um material. Os valores de resistividade são afetadospelapresençadeágua,pelanaturezadossaisdissolvidose pelaporosidadetotal do meio.Osresultados são tratados com o auxílio de um software.

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A técnicasísmicado cross-hole, ou transmissãodiretaentrefuros,temcomoprincipalobjetivoa medida,emprofundidade,dasvelocidadesdepropagaçãodasondasdecompressão(p) e cisalhante(s) deum furo desondagemequipadocomum martelo,a outroequipadocomum geofone (GIACHETI, 1991).

As velocidadesdas ondasde compressãoe cisalhantesão determinadasatravésdamedidado tempo requeridopara o impacto percorrera massade solo e ser captadopelogeofonecolocadoa uma distância,em geral não excedentea 8 metrosda fonte. Assim, apartir da obtençãodasvelocidadesde propagaçãodasondase do pesoespecíficodo solo épossível estimar os módulos cisalhante e de deformabilidade, segundo as formulações abaixo:

G = V S2 γ (10.11)

E = 2VS2 γ ν( )1+ (10.12)

( )( )ν = V V

V VC2

S2

C2

S2

−−2

2 (10.13)

onde:G = módulo cisalhante dinâmico (MPa)E = módulo de deformabilidade dinâmico (MPa)ν = coeficiente de PoissonVs = velocidade de propagação da onda cisalhante (m/s)Vp = velocidade de propagação da onda de compressão (m/s)γ = peso específico médio do solo (kN/m3)

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A técnica de GPR vem sendo utilizada nos últimos anos com maior ênfasenaidentificação de patologiasem estruturasde concreto armado, localizaçãode estruturasenterradas,diagnóstico de áreas contaminadas,monitorização, levantamentode perfisgeotécnicos,etc.O ensaioconsisteemissãodeum pulsodeondaeletromagnética,deformaeduraçãoconhecidos,e do acompanhamentodo retorno destespulsos à antenareceptora.Semprequeo meio mudaassuaspropriedadeseletromagnéticas,há reflexõese refraçõesdopulsode ondaemitido queindicamestamudança.Emborao ensaiosejapontual,a execuçãode uma série de ensaioscom um determinadoespaçamento,segundoum determinado

111

alinhamento,permitetraçarperfisou cortesdo objetoemestudo,quesejuntospoderãoa vir aformar imagenstridimensionaisda área estudada.A figura 10.24 ilustra um modelo deequipamentode GPR,evidenciando-sea CPU pararecebimentoe tratamentopreliminardosdadose a antenade 1Ghz,a antenade maior resoluçãoutilizadana técnica.A figura 10.25ilustra resultadostípicosda técnicaquandoutilizadacom a antenade 1 Ghz em umalaje deconcreto.

(a) (b)Figura 10.24 – Equipamento de GPR. (a) Antena de 1 Ghz e (b) CPU para

aquisição dos dados.

Figura 10.25– Resultadosobtidosa partir da técnicade GPR aplicadaa uma lajede concreto.

112

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