Mecânica dos Solos – Primeira Parte

TERRA

A Terra é constituída de 3 camadas a partir de sua superfície:

- Crosta (ou litosfera): espessura média de 50 km, formada por rochas predominantemente

basálticas e graníticas;

- Manto: espessura média de 2900 km, formado por silicatos ferro-magnesianos de alta massa

específica;

- Núcleo: raio de 3400 km, formado por ferro e níquel, é a camada mais interna da Terra.

Rochas sãs são as rochas mais profundas da crosta terrestre e encontram-se intactas, já as

rochas próximas à superfície são fraturadas devido à ação dos intemperismos físico e químico.

Papel do engenheiro: as obras estão em constante interação com diversos tipos de rochas,

cujas características devem ser conhecidas, otimizando a relação custo-segurança das obras.

MINERAIS

São substâncias sólidas naturais, inorgânicas e homogêneas que possuem composição e

estrutura atômica definidas. São formados naturalmente por cristalização (ou recristalização),

e em reações químicas entre sólidos e líquidos presentes nas diferentes camadas do planeta

Terra.

Propriedades mais comuns dos minerais:

- HÁBITO: forma geométrica externa que reflete sua estrutura cristalina. Ex.: acicular

(semelhante à agulha), colunar, tabular/lamelar (lâminas sobrepostas), laminado (laminas finas

achatadas), foliáceo (separável em folhas), fibroso, granular, maciço (compacto e irregular),

terroso, botrioidal (semelhante a cachos de uva);

- BRILHO: quantidade de luz refletida pela superfície do mineral;

- TRAÇO: cor do pó que se forma ao riscar uma superfície de porcelana branca;

- CLIVAGEM: superfície de quebra que exibe planos regulares. Quando existe, é classificada de

acordo com sua qualidade (de perfeita a imperfeita);

- FRATURA: superfície irregular que é dependente da estrutura do mineral, pode ser irregular

ou conchoidal;

- DUREZA: resistência ao risco, analisada pela escala de Mohs, correspondente à tabela abaixo:

MINERAL DUREZA

Talco 1 Gipsita 2 Calcita 3

Fluorita 4 Apatita 5

Ortoclásio 6 Quartzo 7 Topázio 8

Coríndon 9 Diamante 10

Pela tabela acima, um mineral certa dureza, risca todos os que apresentem dureza menor que

ele, mas não os que de dureza maior. Por exemplo, o Quartzo risca o Ortoclásio, mas não o

Topázio.

- TENACIDADE: resistência a flexão, esmagamento e corte;

- MAGNETISMO: propriedade de um dado mineral (contendo ferro) de ser atraído pelo campo

magnético;

- PESO ESPECÍFICO: relação entre um peso de certo volume de mineral a um peso

correspondente a um mesmo volume de água.

Diferentes minerais irão gerar diferentes solos, por exemplo, solos originados das micas são

muito expansivos ao contato com água, prejudiciais à pavimentação.

ROCHAS

Materiais consolidados formados por agregados de um (rocha uniminerálica) ou mais minerais

(rocha pluriminerálica) . Podem ser classificadas em três grandes grupos:

- Ígneas ou magmáticas: são resultantes do resfriamento do magma presente no interior da

terra e expelido para a superfície por meio de erupções vulcânicas. Podem ser intrusivas (ou

plutônicas), quando o resfriamento ocorrer em profundidade – e, portanto, mais lentamente,

possibilitando um maior tamanho dos minerais; ou extrusivas (ou vulcânicas), quando o

resfriamento é mais rápido e acontece na superfície.

Apresentam alguns tipos de estrutura característicos: maciços (não há orientação

preferencial), fluidal (minerais encontram-se isorientados), vesicular (apresenta cavidades que

podem estar ou não preenchidas por minerais – na estrutura amigdaloidal), colunar (as rochas

são dispostas em prismas) e em laje (quando o arranjo é tabular).

Exemplos de rochas ígneas: granito e diabásio (na forma intrusiva) e basalto e riolito (na forma

extrusiva). São as rochas mais utilizadas em construção civil, pela sua alta resistência mecânica.

Os solos de Campinas são solos residuais de basalto e diabásio.

- Sedimentares: são resultantes da compactação e cimentação de sedimentos provenientes da

ação do intemperismo e pedogênese sobre uma rocha já existente. O transporte das partículas

pode ocorrer pela ação da água, vento, gravidade e geleiras. Podem ser formadas ainda pelo

acúmulo de matéria orgânica.

Tais rochas apresentam estruturas primárias quando geradas pela simples deposição de

sedimentos e secundárias quando a origem é química. A estrutura primária mais típica é o

acamamento (estratificação)

Exemplos de rochas sedimentares: arenitos, siltitos, argilitos, folhelhos e conglomerados

(dependem exclusivamente do tamanho dos grãos que as originaram). Estas rochas

apresentam baixa resistência, sendo mais usadas em acabamentos.

- Metamórficas: são as rochas formadas pela transformação de uma rocha preexistente sob

condições de aumento de pressão e/ou temperatura. O metamorfismo pode desde gerar

novos minerais, como também apenas aumentar seus tamanhos e formas externas. Os tipos

de metamorfismo são de contato, regional e dinâmico.

Apresentam estrutura maciça (aspecto compacto e homogêneo), foliações (estrutura planar

com achatamento minerálico – xistosidades, crenulações – dobramentos) e lineações

(estrutura linear com direções de cisalhamento).

Exemplos de rochas metamórficas: ardósia, gnaisse, mármore. Na região de Bauru, os solos

são residuais gnáissicos.

FORMAÇÃO DOS SOLOS

Os solos são formados pela desintegração e decomposição das rochas devido ao

intemperismo. Os fragmentos, então, podem ser transportados por agentes da natureza e

serem depositados em locais distantes. As alterações devidas ao tempo geram solos distintos.

É o ciclo das rochas responsável pela formação de rochas e solos, e segue:

INTEMPERISMO FÍSICO

Desintegra a rocha formando sedimentos sem alterar a composição mineralógica.

Principais agentes: expansão diferencial por alívio de tensões, crescimento de cristais e

dilatação térmica das rochas.

A expansão diferencial ocorre pela diferença de pressão entre o interior da crosta e a

superfície terrestre.

A solidificação da água em fendas rochosas provoca um aumento volumétrico que tende a

fraturar e desgastar as rochas envolvidas.

INTEMPERISMO QUÍMICO

Caracterizado pela presença de reações químicas entre os minerais e soluções presentes em

seu meio. As rochas já fragmentadas são mais vulneráveis a este tipo de intemperismo.

As etapas do intemperismo químico são:

- Alteração da cor dos minerais;

- Decomposição dos minerais;

- Alteração da textura inicial.

Os minerais de maneira geral transformam-se em argilo-minerais (compostos estáveis) ou em

compostos solúveis que poderão ser carregados pela água. O quartzo é bem resistente ao

intemperismo.

Principais agentes do intemperismo químico:

OXIDAÇÃO Reação do ferro com o oxigênio do ar, passando do estado ferroso para o férrico. A oxidação deixa uma camada de material de coloração vermelho-amarelada.

CARBONATAÇÃO Reação com o ácido carbônico formado pela dissolução do gás carbônico em água. Ocorre em rochas calcárias. Diminui a resistência mecânica dada a produção de veios.

HIDRÓLISE Decomposição de um mineral pela água, atuando como reagente. Os feldspatos decompõem-se em sílica e carbonatos, além de material argiloso.

HIDRATAÇÃO Adição de moléculas de água na estrutura do mineral, provocando fraturamento e expansão. (A água da hidratação não faz parte da estrutura do mineral, podendo ser retirada em temperaturas superiores a 100ºC). A argila montmorilonítica expande-se na presença de água, provocando problemas de deslizamento de taludes.

TROCA DE BASES É a troca de Cátions (Ca2+, Mg2+, Na+ ou K+) por soluções de outros cátions. Aqui existe um processo chamado quelação, onde os cátions metálicos são incorporados nas moléculas.

FATORES QUE AFETAM O INTEMPERISMO

COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA: cada rocha forma solos de propriedades diferentes, devido à

diferença na sua composição mineralógica;

CLIMA: representado pela chuva e pela temperatura, é fator preponderante no grau de

intemperismo. Os climas mais quentes e com alta pluviosidade apresentam altas taxas de

intemperismo químico o ano todo. Nos climas temperados, o intemperismo físico é mais

comum no inverno e o químico, no verão.

TOPOGRAFIA: o relevo interfere na velocidade da água e da erosão, modificando a estrutura

dos solos em taludes mais íngremes.

VEGETAÇÃO: uma vegetação mais extensa provoca um aumento nas reações orgânicas, e, com

isso, permite um maior intemperismo químico.

TIPOS DE SOLOS

Solo é, portanto, todo material incoerente ou pouco resistente encontrado recobrindo as

rochas não alteradas no substrato. Geologicamente, é o regolito, termo que corresponde a

toda porção superficial decomposta e constituída de material não consolidado que cobre a

rocha sã.

Os tipos de solos são dependentes do processo de formação dos mesmos. Observe os

esquemas abaixo:

SOLOS RESIDUAIS: A rocha de origem não é movimentada. As camadas características deste

tipo de solo, da mais profunda à superfície: rocha alterada ou decomposta, saprólitos e solos

eluviais (mais intemperizados).

ROCHA MINERAL TIPO MATERIAL

Basalto Plagioclásio Argiloso Argila Quartzito Quartzo Arenoso Quartzo Fifufos Mica Argiloso Argila Granito Quartzo, feldspato,

mica Areno-argiloso (micáceo)

Quartzo, areia, mica

Calcário Calcita Argiloso Argila

SOLOS TRANSPORTADOS: formados por um agente de transporte qualquer. Sua classificação

segue de acordo com o agente: aluvionar quando o agente é a água, coluvionar quando a

gravidade (se a velocidade é maior o solo é denominado talus), eólico (vento) e glacial

(geleiras).

SOLOS ORGÂNICOS: são encontrados em áreas próximas a rios e baixadas, formados pela

mistura de restos de organismos.

SOLOS LATERÍTICOS: solos tropicais que sofreram intensos mecanismos pedogenéticos. São

porosos, permeáveis, parcialmente saturados em camadas superficiais espessas.

AMOSTRAGEM DOS SOLOS

Amostra deformada: representativa quanto à composição granulométrica. Permite realizar os

ensaios de identificação tátil e visual, de massa especifica dos sólidos e do solo, granulometria,

consistência, compactação e a moldagem de corpos de prova. As amostras podem ser

Rocha sã

Erosão, transporte e

sedimentação Intemperismo

Solos residuais Solos transportados

Solo

Residual Transportado Laterítico Orgânico

- Eluvial

- Saprólito

- Rocha alterada

- Rocha decomposta

- Coluvionar

- Aluvionar

- Eólico

- Glacial

retiradas com trados ou amostradores, além de utilizar água para obtenção de amostras

profundas.

Amostra indeformada: é uma amostra bem mais representativa do solo, quanto a sua

composição, estrutura e teor de umidade. Deve ser feita de maneira manual ou com

amostrador de parede fina. Alguns cuidados devem ser observados:

- Retirar 20 cm da superfície (evitando impurezas);

- Peneirar o solo;

- Retirar duas vezes mais material que o necessário;

O poço deve ser interrompido 10 cm da cota do topo do bloco a ser retirado. O molde metálico

de diâmetro de 30 cm serve para revestir o bloco. A parafina deverá ser utilizada para selar o

bloco e manter a umidade original.

As amostras serão retiradas à partir do cubo de 30 cm de aresta, produzindo-se corpos de

prova cilíndricos.

TAMANHOS DAS PARTÍCULAS

O intemperismo físico gera sempre partículas com diâmetro maior que as geradas pelo

intemperismo químico. Dessa forma, em solos granulares (ou grossos) predomina a ação da

gravidade e a forma é quão mais arredondada, quanto maior for a distância de transporte.

Em solos finos, as formas são lamelares ou circulares, determinadas pelo mineral constituinte

e a atuação das forças de superfície e pela água.

As escalas granulométricas buscam classificar as partículas de acordo com seus diâmetros

respectivos, e as mais comumente utilizadas no Brasil são as da ABNT e do MIT.

Os solos granulares são divididos em pedregulhos e areias (subdivididas em grossas, médias e

finas). Os solos finos são subdivididos em siltes e argilas.

Pedregulhos são acumulações incoerentes de fragmentos de rocha. Comuns em margens de

rios. Areia corresponde ao material áspero ao tato, isento de finos, que não se contrai ao

secar. Silte é todo material fino de baixa plasticidade, muito parecido com a argila, mas esta

possui alta resistência e plasticidade.

ESTRUTURA DOS SOLOS

Estrutura é a forma sob a qual as partículas dos solos se apresentam. Nela interagem dois tipos

de forças: gravitacional e de ligação físico-química. As primeiras dependem das dimensões das

partículas, já as demais, dependem da natureza da superfície e do meio.

SOLOS GROSSOS

A estrutura varia entre fofa e compacta. Os grãos são esféricos e uniformes, de estrutura

intergranulares e o processo de sedimentação faz com que a força que prevaleça seja a

gravidade. A compacidade relativa (Dr) determina o comportamento dos solos e é definida

como:

Dr (%) ESTADO

<15 Muito fofo 15 – 35 Fofo 35 – 65 Medianamente compacto 65 – 85 Compacto

>85 Muito compacto

Onde e é a propriedade denominada índice de vazios, seu valor máximo corresponde ao

estado fofo, já seu valor mínimo corresponde ao estado compactado. Natural quer dizer como

é encontrado em campo.

Observe que quanto mais uniforme e mais angulosa uma partícula de um solo, maior o emáx.

SOLOS FINOS

As argilas apresentam partículas de forma lamelar e, portanto, as forcas de superfície são

preponderantes, embora tais forças sejam afetadas pela natureza das partículas e do meio.

LIGAÇÕES ENTRE AS PARTÍCULAS

Ligação intramolecular: átomos pertencentes a uma mesma molécula se unem. Ligação muito forte e praticamente inalterável.

Iônica: troca de elétrons entre átomos;

Covalente: compartilhamento de elétrons;

Heteropolar: misto das anteriores.

Ligação intermolecular: numa ligação mais fraca que a primeira, passível de ser alterada ao longo do tempo. É a que possibilita a atração entre pequenas partículas e a água.

Ligação de hidrogênio: quando um átomo de hidrogênio oscila entre átomos de diferentes moléculas. Principal ligação água-solidos (argilominerais).

Van der Waals: originada do desenvolvimento de um momento elétrico molecular, em três efeitos principais: orientação, indução e vibração eletrônica.

CONSTITUIÇÃO MINERALÓGICA

O solo e suas partículas resultam da composição da rocha matriz devido aos processos físicos e

químicos de intemperismo. Por exemplo, o quartzo forma grãos de diâmetro superior a 0.005

mm e é resistente a desagregação.

Outros minerais, como os feldspatos, sofrem mais ataques, originando argilominerais que

constituem as partículas mais finas dos solos, com diâmetro inferior a 2 µm.

Sua estrutura é muito complexa e apresentam comportamentos bem distintos quando em

presença de água. Os argilominerais mais comuns são a caulinita, a ilita e a esmectita.

As estruturas mais comuns são uma de tetraedros justapostos num plano (silício e oxigênio) e

outra de octaedros com átomos de alumínio (circundados por hidroxilas ou oxigênio). Ambas

as estruturas ligam-se por meio de compartilhamento de átomos de oxigênio.

Caulinita: apresenta os minerais formados por uma camada tetraédrica e outra octaédrica,

unidas por ligações de hidrogênio (íons oxigênio da estrutura tetraédrica com íons hidroxila da

estrutura octaédrica – formando moléculas de água entre elas).

Ilita e esmectita (montmorilonitas): apresentam uma estrutura octaédrica entre duas

estruturas tetraédricas. As ligações se processam por meio dos íons oxigênio dos arranjos

tetraédricos, numa forma mais fraca que as da caulinita. As placas quebram-se por flexão. As

esmectitas apresentam 100 vezes mais partículas que as caulinitas (em mesma massa ou

volume).

A ilita não apresenta, de maneira geral, íons permeáveis, o que a torna ligeiramente mais

estável que as demais deste grupo. A bentonita, utilizada em construção civil, pertence a esse

grupo e é originada pela decomposição de cinzas vulcânicas.

As argilas podem sofrer substituições isomórficas, onde os átomos são trocados, tornando o

seu comportamento ainda mais complexo. Por exemplo, a troca dos átomos de sílica por

outros de magnésio gera partículas de carga negativa. Os íons presentes no solo são

importantes para estudo do comportamento das argilas.

SENSITIVIDADE (ou SENSIBILIDADE)

É o nome dado à maior ou menor perda de resistência de um solo argiloso, com sua

desestruturação (amolgamento). Por meio de um ensaio de resistência a compressão simples

traçam-se curvas de tensão x deformação e obtém-se dois valores para S: um indeformado,

outro amolgado.

Quando ST <= 1, diz-se que um solo é insensível.

Quando ST> 1, diz-se que um solo é sensível.

MODELOS ESTRUTURAIS

Sugeridas por Terzaghi, os solos finos apresentam dois tipos de estruturas:

-Alveolar: a força da gravidade e as forças de superfície quase se equivalem.

-Floculenta: o diâmetro das partículas é menor que 0.02mm e não se sedimentam

isoladamente, mas formam flocos em suspensão, que podem sedimentar-se.

Na natureza, as diferentes partículas do solo configuram uma estrutura composta, a qual gera

potenciais de atração e repulsão. O potencial por repulsão gera sedimentação separada

determinando o estado disperso. O estado floculado ocorre quando o potencial por atração

predomina.

SISTEMA ÁGUA-SOLO

A água presente entre duas partículas de argila pode ser classificada em:

Adsorvida: envolve a partícula, sendo atraída por ligações, necessitando de temperaturas

muito elevadas para ser removida. A força de atração é reduzida com o aumento de distancia

entre as partículas.

Livre: é a água presente nos vazios do solo e não é afetada pelas forças de atração.

Há ainda dois conceitos importantes para as argilas, o de consistência e o de atividade. O

primeiro pode ser representado pela tabela abaixo:

CONSISTÊNCIA RESISTÊNCIA (kPa)

Muito mole <25 Mole 25 a 50

Média 50 a 100 Rija 100 a 200

Muito rija 200 a 400 Dura >400

Já o segundo, é representado pela fórmula a seguir:

As caulinitas são tidas como inativas, com A < 0,75, as ilitas são argilas normais, com A

variando entre 0,75 e 1,25. As montmorilonitas são as ativas, com A maior que 1,25.

PROPRIEDADES ÍNDICES

O solo é composto por três fases físicas distintas:

- Fase sólida: composta pelas partículas minerais; forma uma estrutura porosa; (os poros são

denominados vazios, e os elementos são denominados sólidos)

- Fase líquida: composta pela água;

- Fase gasosa: composta pelo ar, que se apresenta nos espaços vazios do solo.

As relações de massa, volume e massa/volume entre as fases do solo são denominados Índices

Físicos. São importantes para determinar as condições físicas que um determinado solo se

encontra. A massa especifica do ar é muito pequena comparada às massas de sólidos e de

água, sendo desprezada no calculo da massa do solo.

Um solo encontra-se saturado quando seus vazios estão completamente preenchidos pela

água. Na pratica, é um solo difícil de ocorrer, uma vez que sempre existem canais contendo

bolhas de ar ou mesmo não interligados, que não podem ser preenchidos pela água.

Relações de volumes

Porosidade: relação entre o volume de vazios e o volume total do solo. (0 a 100%)

Índice de vazios: relação entre o volume de vazios e o volume dos sólidos. (0 a 20)

Grau de saturação: relação entre o volume de água e o volume de vazios do solo. (0 a 100%)

Relações entre massas

Teor de umidade: relação entre a massa de água e a massa de sólidos do solo. (0 a 100%)

Relações entre massas e volumes

Massa especifica natural: relação entre massa e volume de um mesmo elemento de solo.

Massa especifica dos sólidos: relação entre a massa dos sólidos e o volume dos mesmos.

Massa especifica da água: relação entre a massa de água e seu volume (vale 1g/cm3).

Relações entre índices físicos e índice de vazios (e)

Obtidas quando se toma um valor unitário para o volume de sólidos, observe:

Novas relações:

Umidade:

Porosidade:

Massa especifica natural:

Massa especifica saturada (Sr = 1):

Massa especifica seca (Sr = 0):

Massa especifica submersa: Relação entre a massa especifica natural e a

seca:

Relações entre índices físicos e porosidade (n)

Obtidas quando se toma um valor unitário para o volume total, observe:

Novas relações:

Umidade:

Índice de vazios:

Massa especifica natural:

GRANULOMETRIA

É a medida do tamanho das partículas constituintes do solo, e é representada pela curva de

distribuição granulométrica, desenhadas no gráfico semilogarítmico (nas abscissas há o

logaritmo do tamanho das partículas, nas ordenadas a esquerda, a porcentagem retida

acumulada, à direita, a porcentagem que passa).

De um lado, a porcentagem retida acumulada representa a quantidade relativa maior que

determinado diâmetro, por outro, a porcentagem passante representa a porcentagem de solo

menor que determinado diâmetro.

A curva é representada por dois parâmetros: o diâmetro efetivo (D10 ou De) e o coeficiente de

não uniformidade (Cu ou CNU). O primeiro é o diâmetro tal que 10% do solo em massa tem

diâmetros menores que ele, isso se deve ao fato da porcentagem de partículas finas definirem

melhor o comportamento do solo.

O CNU é a medida da inclinação da curva granulométrica.

O coeficiente de curvatura (CC), determina o formato da curva granulométrica, verificando a

presença de descontinuidades e/ou concentração de material grosso.

Um solo mal graduado apresenta CNU tendendo a 1, pois é composto de partículas de mesmo

tamanho. Os solos com valores de CC menores que 1 apresentam curvas descontínuas e com

CC maiores que 3 apresentam curvas uniformes na parte central.

PLASTICIDADE E ESTADOS DE CONSISTÊNCIA

Plasticidade é a propriedade que um solo possui de apresentar deformações rápidas sem que

ocorra variação em seu volume ou ruptura. Associa-se a plasticidade aos solos finos, e é

dependente do argilo-mineral e da quantidade de água.

A água atua como lubrificante para que as partículas finas deslizem umas por sobre as outras

permitindo que os solos sejam moldados (barro na cerâmica, por exemplo).

Estados de Consistência:

Estado líquido: o solo apresenta propriedades de suspensão e suas características são as de

um fluido viscoso sem resistência ao cisalhamento.

Estado plástico: o solo apresenta a propriedade de plasticidade.

Estado semi-sólido: o solo apresenta-se como um sólido, mas quando seco, apresenta variação

volumétrica.

Estado sólido: não há variação volumétrica na secagem.

Limites de consistência:

Limite de liquidez (LL): é o teor de umidade que representa o limite entre o estado liquido e o

plástico.

Limite de plasticidade (LP): teor de umidade que representa o limite entre o estado plástico e o

estado semi-sólido.

Limite de contração (LC): teor de umidade que representa o limite entre o estado semi-sólido e

o estado sólido.

Índices de consistência:

Índice de plasticidade: representa a quantidade de água necessária que se deve acrescentar ao

solo para que o mesmo passe do estado plástico para o líquido. IP = LL – LP.

Índice de consistência: região onde o solo apresenta maior trabalhabilidade, ou seja, entre o

limite de liquidez e o de plasticidade.

CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS

Os sistemas de classificação objetivam agrupar solos com características de genética e

comportamento similares. Estes sistemas devem ser de fácil memorização para o usuário

(engenheiro geotécnico).

Classificação por tipo de solo: classifica o solo por meio da análise visual-táctil. Os testes para

identificação são:

1) Sensação ao tato: esfrega-se uma porção de solo na mão tentando sentir a textura das

partículas. Areias são ásperas, argilas são como farinha quando secas e como sabão

quando úmidas.

2) Plasticidade: moldam-se cilindros com porções de solo. Argilas são facilmente

moldáveis, ao contrário dos siltes e areias.

3) Resistência: as argilas formam torrões que não se desagregam com facilidade, siltes

não apresentam tamanha resistência e as areias puras não os formam.

4) Água intersticial: coloca-se uma porção de solo úmido na palma da mão e bate-se

contra a outra. Ao abrir verifica-se aparecimento de água na superfície. Em solos

arenosos a água aparece rapidamente e provoca trincamento do solo.

5) Dispersão em água: em uma proveta coloca-se solo e preenche-se com água. Ao agitar

as areias depositam-se rapidamente e as argilas turvam a solução.

Classificação granulométrica: possibilita a classificação do solo de acordo com o tamanho

das partículas constituintes e divide o solo em três classes: areias, siltes e argilas. A

classificação é obtida pelo ensaio granulométrico.

Classificação Unificada (SUCS):

Separa os solos em 3 grupos:

- Grossos: quando mais de 50% ficam retidos na peneira #200;

- Finos: quando mais de 50% passam na peneira #200;

- Turfas: solos de alta compressibilidade e constituintes de matéria orgânica.

Daí , os solos seguem as nomenclaturas abaixo:

Prefixos

G – gravel – pedregulho;

S – sand – areia;

C – clay – argilas;

M – mó – siltes inorgânicos e arenosos muito finos;

O – organic – solos siltosos e argilosos orgânicos.

Sufixos

W – well – solos bem graduados;

P – poorly – solos mal graduados;

F – fine – excesso de finos;

L – low – solos de baixa compressibilidade;

H – high – solos de alta compressibilidade;

Pt = peat – turfas.

A classificação dos solos finos é mais visível utilizando-se a carta de Casagrande. Os solos

turfosos simbolizados por Pt são muito diferentes dos demais, apresentam cor escura,

odor inorgânico e são altamente saturados.

SISTEMA RODOVIÁRIO DE CLASSIFICAÇÃO:

Divide os solos em grossos e finos, e estes em grupos (A1,A2, ..., A7 – onde A1 é

pedregulho bem graduado e A7 é uma argila plástica orgânica). Será mais bem estudado

na disciplina de Estradas I.

SOLOS TROPICAIS

Os sistemas anteriores não são satisfatórios na classificação dos solos tropicais, pois estes

apresentam comportamento diferenciado. Os solos tropicais passaram a ser classificados

em dois grandes grupos, lateríticos e não lateríticos, os primeiros são típicos da evolução

de solos de clima quente, com regime de chuvas de moderado a intenso. Apresentam

pouca resistência quando não compactados pelo elevado índice de vazios. A sua coloração

é avermelhada devido à presença de hidróxidos de ferro.

COMPACTAÇÃO DOS SOLOS

A compactação consiste em aplicar energia mecânica ao solo em intervalos curtos,

reduzindo seus vazios (o ar é expulso de seus poros). Tal processo garante um aumento da

resistência mecânica, por conta da diminuição da compressibilidade da permeabilidade.

A curva de compactação (ou curva de Proctor) é obtida pela relação entre a massa

especifica seca, teor de umidade e energia de compactação.

Tal gráfico apresenta nas ordenadas a massa específica seca e nas abscissas, o teor de

umidade, em uma dada energia.

Nota-se que a massa específica aumenta até atingir um valor máximo, e depois decresce,

mesmo que a umidade continue a aumentar. O ponto de pico é denominado ponto de

massa específica máxima, ou ponto de umidade ótima.

A água atua, a princípio, como um lubrificante, possibilitando uma melhor movimentação

das partículas e posterior acomodação. Ao se atingir a umidade ótima, a energia é

absorvida pela água livre que não se comprime (água é incompressível) e a eficiência da

compactação é comprometida.

Quanto maior a energia de compactacao, menor a umidade ótima e maior a massa

específica máxima.

ENERGIA DE COMPACTAÇÃO

Definida pela seguinte expressão:

E – energia aplicada ao solo por unidade de volume;

p – peso do soquete;

L – altura de queda do soquete;

n – número de camadas;

N – número de golpes aplicados por camada;

V – volume do cilindro.

EQUIPAMENTOS DE COMPACTAÇÃO

Soquetes: podem ser manuais ou mecânicos, conhecidos por “sapos”. Possuem peso

mínimo de 15kg e são utilizados em locais de dificil acesso e obras pequenas. A camada

não deve passar dos 15 cm.

Rolo pé-de-carneiro: tambor metálico com protuberâncias tronco-cônicas e altura de 18 a

25cm. A camada deve possuir 15 cm e o rolo deve passar de 4 a 8 vezes, dependendo do

tipo de solo. Usado em barragens.

Rolo liso: cilindro de aço liso, preenchido ou não por areia ou pedregulho. Utilizados na

área de estradas. As camadas não devem superar os 15 cm (se tiverem mais rodas, podem-

se compactar camadas com o dobro da espessura).

Rolo pneumático: cilindro metálico e conjunto de pneus cuja pressão interna pode ser

alterada para alterar a energia aplicada. São eficientes e podem compactar camadas de

até 25 cm.

Placas/rolos vibratórios: utilizados para compactar solos granulares.

CONTROLE DE COMPACTAÇÃO

O solo compactado deve ser mantido em uma umidade próxima à ótima, a fim de se

atingir alta eficiencia na compactação. Deve-se, portato, obter no campo uma

compactação próxima ao ponto de máximo ou seja, o par massa específica seca e umidade

deve estar situado dentro de um intervalo de variação.

Grau de compactação é a relação entre a massa específica seca do aterro compactado e a

massa específica máxima obtida em laboratório. Desvio de umidade é a diferença entre o

teor de umidade do aterro e o teor de umidade ótimo do ensaio.

Assim:

A camada seguinte só deve ser lançada quando os valores de GC e Δw estiverem de acordo

com o especificado em projeto.

A massa específica seca é determinada utilizando-se um cilindro biselado de volume

conhecido, cravado no aterro e determinado seu peso. O teor de umidade é determinado

in situ utilizando-se frigideira ou solo e álcool. O processo Speedy também pode ser

utilizado, e consiste em colocar certa quantidade de solo em uma garrafa com carbureto,

fazendo com que a áagua absorvida reaja com o mesmo, resultando em pressão registrada

em manômetro, correlacionada com o teor de umidade.

ENSAIOS DE LABORATÓRIO

Por fim, devemos conhecer os ensaios de laboratório mais comuns para obtenção dos

índices físicos estudados, que são:

Determinação da massa específica natural

É determinada tomando-se um bloco de solo cúbico (aprox. 8cm de aresta) torneado a fim

de que se obtenha um cilindro de H = 15 cm. Obtém-se o volume do cilindro

matematicamente e sua massa é obtida por pesagem.

Ainda há um outro ensaio para determinação de tal índice conhecido como ensaio da

balança hidrostática. Moldam-se esferas de solo com 2cm de diâmetro de amostras

indeformadas e determina-se sua massa no ar. Em seguida, mergulha-se essa esfera em

parafina e determina-se sua massa (solo + parafina) ao ar e imerso em água. O volume

deslocado pela água na imersão é o volume da esfera de solo mais parafina.

Assim, as equações obtidas são:

E = Vw (deslocado) = V(solo + parafina)

V(solo + parafina) = [ M(solo+parafina – ar) – M(solo+parafina – imerso) ] / γw

V(parafina) = M(parafina) * γ(parafina)

V(solo) = V(solo + parafina) – V(parafina)

γ = M (solo) / V (solo)

Teor de umidade

Toma-se uma cápsula de alumínio com tampa de peso determinado (M0) e coloca-se uma

porção de solo. O conjunto solo úmido mais cápsula é pesado com precisão de 0,01 g (M2)

e levado para a estufa com a cápsula destampada. O tempo de permanência varia entre 6

horas (solos arenosos) e 24 horas (solos argilosos).

A cápsula é então retirada da estufa e obtém-se a massa do solo seco mais cápsula (M1).

Então: w = [ ( M2 – M1 ) / ( M1 – M0 ) ] * 100%

O ensaio é repetido três vezes para a mesma amostra. O teor de umidade é a média dos

valores obtidos.

Pode ser determinado utilizando-se umidímetro, por meio de uma lâmpada infravermelha.

O processo leva cerca de 5 a 10 minutos e é aplicável apenas em amostras pequenas.

Massa específica dos sólidos

A massa específica dos sólidos é determinada colocando-se em torno de 80g (solos

argilosos) ou 150g (solos arenosos) em um picnômetro (balão volumétrico). O picnômetro

é em seguida preenchido com água destilada até a marca de referência.

O conjunto é pesado ( M2 = Mw’ + Mp + Ms ) e, por meio da correção obtida pela curva de

calibração do picnômetro, obtém-se o peso do picnômetro e da água para a temperatura

do ensaio (M1 = Mw + Mp).

A massa de água corresponde ao volume deslocado pelos sólidos e a massa específica dos

sólidos pode ser determinada utilizando-se a expressão:

Deve-se repetir o ensaio pelo menos três vezes, a massa específica encontrada será a

média dos valores obtidos.

Este valor é função dos minerais e da porcentagem de ocorrência de cada um deles no solo

estudado. Portanto, podem ser utilizados valores médios deste valor. Para solos arenosos,

, para solos argilosos . Os solos com óxidos de

ferro podem apresentar valores maiores que 3.

Granulometria

ENSAIO DE PENEIRAMENTO: o peneiramento é utilizado para determinar a granulometria

de solos grossos. Neste ensaio, uma porção de solo passa por uma bateria de peneiras com

aberturas sucessivamente menores e é determinada a quantidade de solo retida em cada

uma delas.

ENSAIO DE SEDIMENTAÇÃO: em solos finos, deve-se medir indiretamente a velocidade de

queda das partículas em água. O tamanho das partículas é então determinado pela Lei de

Stokes (relaciona a velocidade de queda v de uma particula esférica de peso específico

num fluído de viscosidade µ).

As dimensões das particulas finas são representadas por um diâmetro equivalente (formas

bem diferentes de esferas). Partículas coloidais (D < 0,0002 mm) não sedimentam.

Na natureza, os solos apresentam-se como uma mistura de partículas de diversos

tamanhos e ambos os ensaios devem ser realizados conjuntamente para obter-se uma

curva granulométrica completa de um solo.

Neste ensaio conjunto, primeiramente obtém-se a curva referente à porção de particulas

grossas, depois, completa-se com a curva do ensaio de sedimentação.

1) A amostra de solo deve conter cerca de 40 a 70g e deve ser passada na peneira de

malha # 100. A dispersão das partículas finas é realizada com a introdução de um

defloculante (algo como um detergente, pode ser silicato de sódio, hexametafosfato

de sódio etc.) – tal medida evita a aglutinação das particulas em água.

2) A dispersão ocorre com o peneiramento e lavagem da mistura solo-defloculante

recolhendo o material passante na proveta graduada em 1000mL.

3) O material retido é seco em estufa e submetido ao ensaio de peneiramento com

vibração. É a parte correspondente ao ensaio de peneiramento.

4) Já o material da proveta éagitado e homogeneizado e em seguida, faz-se leituras

períodicas das densidades da suspensão usando densímetros. Tais leituras são

correlacionadas com a queda da partícula (z).

Coloca-se o defloculante na concentração de 45,7g/L (no solo equivale a 125mL) e deixa

em repouso por 24 h. As particulas devem ser dispersas utilizando-se um dispersor, por um

período de 15 minutos. As leituras são feitas a cada ½, 1,2,4,8,15, 30 minutos e depois, a

cada 1,2,4,8 e 24 horas.

Os 4 minutos iniciais são feitos sem retirar o densímetro do local, depois, deve-se retirar e

recolocar a cada leitura. (Isso é feito para evitar imprecisões no início, onde as partículas

depositam-se mais rapidamente)

Lei de Stokes:

Portanto, o diâmetro D vale:

Para t em segundos:

Para t em minutos:

Acima de z não haverá partículas maiores que D. Logo, N é a porcentagem de partículas de

diâmetro menor que D:

Onde V é o volume da suspensão e a leitura do densímetro.

Limite de liquidez

O ensaio para determinação do limite de liquidez consiste em passar 100g de solo em peneira

# 40, adicionar água até formar uma pasta. Esta pasta é colocada na concha do aparelho de

Casagrande fazendo-se uma ranhura com cinzel.

Gira-se a manivela (2 voltas por segundo), provocando a queda da concha. Conta-se o número

de golpes para que a ranhura se feche numa extensão de 12mm, determina-se a umidade do

solo.

Repete-se o ensaio adicionando certa quantidade de água na pasta.

Os valores de teor de umidade e número de golpes são lanlados nas ordenadas e abscissas de

um gráfico semi-logaritmo. O teor de umidade referente a 25 golpes é o Limite de Liquidez do

solo.

Limite de plasticidade

O ensaio também inicia-se tomando uma porção de solo passada pela peneira # 40 e

adicionando-se certa quantidade de água. Com a palma da mão, rola-se a pasta sobre uma

placa de vídro até formar cilindros de cerca de 3mm de diâmetro e apresentar fissuras.

Determina-se o teor de umidade médio destes cilindros.

Se não ocorrerem fissuras, atingindo cilindros de diâmetros menores que 3 mm, o solo deve

ser remoldado para eliminar o excesso de água. Caso contrário, se o solo estiver muito seco,

deve-se adicionar água até que se consiga confeccionar os cilindros.

Limite de contração

Em laboratório, toma-se uma amostra de solo com teor de umidade relativo a 10 golpes no

aparelho de Casagrande e coloca-se num recipiente de volume conhecido V.

Seca-se o solo, primeiramente à sombra, depois em estufa, determinando-se a massa seca,

com mercúrio, determina-se o volume do solo seco pelo peso de mercúrio deslocado. (O

volume do solo equivale a MHg/13.6)

O limite de contração é então obtido pela expressão:

Compactação

O procedimento consiste em compactar uma porção de solo destorroada e homogeneizada

com teor de umidade inferior ao ótimo em 5%, em três camadas dentro de um cilindro com

volume de 1000 cm3. A compactação é feita com um soquete de 2,5 kg caindo cerca de 30cm.

Em cada camada aplicam-se 26 golpes com o soquete, e repete-se o processo até a terceira

camada. As espessuras das camadas devem ser aproximadamente iguais e o topo deve rasar as

bordas do cilindro.

Após o processo, pesa-se o corpo de prova (cilindro + solo) e é determinada a massa específica

natural e o teor de umidade do solo compactado.

Da mesma amostra de solo, aumenta-se o teor de umidade em cerca de 2%, adicionando-se

água e recompactando o solo. Repete-se o procedimento com teores de umidades crescentes,

até se obter cinco compactações para a mesma amostra.

A massa específica seca é determinada pela expressão . Os teores de umidade são

obtidos pelas cápsulas. De posse dos cinco pares e w, traça-se a curva de compactação do

solo.

As curvas de saturação também podem ser obtidas, utilizando-se a expressão seguinte: