Apostila de Mecânica dos Solos

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Apostila de Mecânica dos Solos

  1. 1. Campus de BauruDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVILÁREA DE GEOTECNIAMECÂNICA DOS SOLOSVolume IPaulo César LodiσVσxxxzPAzr2r1r0α2α1b b
  2. 2. Mecânica dos Solos – Volume I 2SUMÁRIO Pág1.1. INTRODUÇÃO 031.2. ORIGEM DOS SOLOS 05Tamanho das Partículas 07Constituição Mineralógica 08Sistema Solo-água 11Estrutura dos Solos 121.3. TIPOS DE SOLOS EM FUNÇÃO DA ORIGEM 151.4. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS 201.4.1. Classificação Táctil Visual dos Solos 211.4.2. Classificação Genética Geral 231.4.3. Classificação Granulométrica 23Índices de Consistência 27Conceitos Importantes 31Atividade das Argilas 321.4.4. Classificação Unificada (SUCS) 361.4.5. Classificação segundo a AASHTO 391.5. ÍNDICES FÍSICOS 421.5.1. Relações entre Volumes 421.5.2. Relações entre Massas e Volumes 43REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CITADAS E CONSULTADAS 46
  3. 3. Mecânica dos Solos – Volume I 31.1. INTRODUÇÃOPor ser o solo um material natural, cujo processo de formação não depende deforma direta da intervenção humana, o seu estudo e o entendimento de seucomportamento depende de uma série de conceitos desenvolvidos em ramos afins deconhecimento. A mecânica dos solos é o estudo do comportamento de engenharia dosolo quando este é usado ou como material de construção ou como material defundação. Ela é uma disciplina relativamente jovem da engenharia civil, somentesistematizada e aceita como ciência em 1925, após trabalho publicado por Terzaghi(Terzaghi, 1925), que é conhecido, com todos os méritos, como o pai da mecânica dossolos.Sendo um material de origem natural, o processo de formação do solo, o qual éestudado pela geologia, irá influenciar em muito no seu comportamento. O solo é ummaterial trifásico, composto basicamente de ar, água e partículas sólidas. A parte fluidado solo (ar e água) pode se apresentar em repouso ou pode se movimentar pelos seusvazios mediante a existência de determinadas forças. O movimento da fase fluida dosolo é estudado com base em conceitos desenvolvidos pela mecânica dos fluidos.Podem-se citar ainda algumas disciplinas, como a física dos solos, ministrada em cursosde agronomia, como de grande importância no estudo de uma mecânica dos solos maisavançada, denominada de mecânica dos solos não saturados. Além disto, o estudo e odesenvolvimento da mecânica dos solos são fortemente amparados em basesexperimentais, a partir de ensaios de campo e laboratório.A aplicação dos princípios da mecânica dos solos para o projeto e construção defundações é denominada de "Engenharia de Fundações". A Engenharia Geotécnica (ouGeotecnia) pode ser considerada como a junção da mecânica dos solos, da engenhariade fundações, da mecânica das rochas, da geologia de engenharia e mais recentementeda geotecnia ambiental, que trata de problemas como transporte de contaminantes pelosolo, avaliação de locais impactados, proposição de medidas de remediação para áreasimpactadas, projetos de sistemas de proteção em aterros sanitários, etc.As aplicações de campo da mecânica dos solos são as seguintes:• Fundações: As cargas de qualquer estrutura têm de ser, em últimainstância, descarregadas no solo através de sua fundação. Assim afundação é uma parte essencial de qualquer estrutura. Seu tipo e detalhesde sua construção podem ser decididos somente com o conhecimento eaplicação de princípios da mecânica dos solos.• Obras subterrâneas e estruturas de contenção: Obras subterrâneas comoestruturas de drenagem, dutos, túneis e as obras de contenção como osmuros de arrimo, cortinas atirantadas somente podem ser projetadas econstruídas usando os princípios da mecânica dos solos e o conceito de"interação solo-estrutura".• Projeto de pavimentos: o projeto de pavimentos pode consistir depavimentos flexíveis ou rígidos. Pavimentos flexíveis dependem mais dosolo subjacente para transmissão das cargas geradas pelo tráfego.Problemas peculiares no projeto de pavimentos flexíveis são o efeito decarregamentos repetitivos e problemas devidos às expansões e contraçõesdo solo por variações em seu teor de umidade.
  4. 4. Mecânica dos Solos – Volume I 4• Escavações, aterros e barragens: A execução de escavações no solorequer freqüentemente o cálculo da estabilidade dos taludes resultantes.Escavações profundas podem necessitar de escoramentos provisórios,cujos projetos devem ser feitos com base na mecânica dos solos. Para aconstrução de aterros e de barragens de terra, onde o solo é empregadocomo material de construção e fundação, necessita-se de umconhecimento completo do comportamento de engenharia dos solos,especialmente na presença de água. O conhecimento da estabilidade detaludes, dos efeitos do fluxo de água através do solo, do processo deadensamento e dos recalques a ele associados, assim como do processode compactação empregado é essencial para o projeto e construçãoeficientes de aterros e barragens de terra.
  5. 5. Mecânica dos Solos – Volume I 51.2. ORIGEM DOS SOLOSO termo solo é aplicado na Engenharia Geotécnica para designar o materialgranular que cobre a maior parte da superfície terrestre. Seu significado difere daqueleempregado na área agronômica que considera apenas os horizontes superficiais depequena espessura que podem conter matéria orgânica. No contexto geotécnico, o solopode ser definido como o material resultante da desagregação das rochas apresentandoum índice de vazios maior que a rocha que o originou. É, portanto, constituído por umconjunto de partículas sólidas, água e gases. Normalmente, é a fase sólida que irácaracterizar o solo e esta pode variar em sua forma e tamanho. As demais fases (líquidae gasosa) correspondem à porosidade do solo.A origem dos solos está relacionada à decomposição que ocorre nas rochaspresentes na crosta terrestre. Essa decomposição é resultante da ação dos agentesfísicos, químicos e biológicos (intemperismo). Esses agentes podem ocorrersimultaneamente na natureza e acabam por se complementarem no processo deformação das rochas. Isso fica demonstrado quando analisamos o efeito da temperaturae da água nas rochas. Variações climáticas podem levar ao trincamento das rochas e, porconseguinte, a água irá penetrar essas trincas atacando quimicamente os minerais. Podeocorrer também, que o congelamento da água nas trincas leve ao fissuramento da rochadevido às tensões geradas. MACHADO (2002) ressalta que os processos deintemperismo físico reduzem o tamanho das partículas, aumentando sua área desuperfície e facilitando o trabalho do intemperismo químico. Já os processos químicos ebiológicos podem causar a completa alteração física da rocha e alterar suas propriedadesquímicas.O Intemperismo físico não altera a composição química da rocha. Os principaistipos são: as variações de temperatura, o repuxo coloidal, ciclos gelo/degelo e alívio depressões em maciços rochosos.• Variações de Temperatura: da física sabemos que todo material varia devolume em função de variações na sua temperatura. Estas variações detemperatura ocorrem entre o dia e a noite e durante o ano, e suaintensidade será função do clima local. Acontece que uma rocha égeralmente formada de diferentes tipos de minerais, cada qual possuindouma constante de dilatação térmica diferente, o que faz a rocha deformarde maneira desigual em seu interior, provocando o aparecimento detensões internas que tendem a fraturá-la. Mesmo rochas com umauniformidade de componentes não têm uma arrumação que permita umaexpansão uniforme, pois grãos compridos deformam mais na direção desua maior dimensão, tendendo a gerar tensões internas e auxiliar no seuprocesso de desagregação.• Repuxo coloidal: o repuxo coloidal é caracterizado pela retração da argiladevido à sua diminuição de umidade, o que em contato com a rocha podegerar tensões capazes de fraturá-la.• Ciclos gelo/degelo: as fraturas existentes nas rochas podem se encontrarparcialmente ou totalmente preenchidas com água. Esta água, em funçãodas condições locais, pode vir a congelar, expandindo-se e exercendoesforços no sentido de abrir ainda mais as fraturas preexistentes na rocha,
  6. 6. Mecânica dos Solos – Volume I 6auxiliando no processo de intemperismo (a água aumenta em cerca de8% o seu volume devido à nova arrumação das suas moléculas durante acristalização). Vale ressaltar também que a água transporta substânciasativas quimicamente, incluindo sais que ao reagirem com ácidosprovocam cristalização com aumento de volume.• Alívio de pressões: alívio de pressões irá ocorrer em um maciço rochososempre que da retirada de material sobre ou ao lado do maciço,provocando a sua expansão, o que por sua vez, irá contribuir nofraturamento, estricções e formação de juntas na rocha. Estes processos,isolados ou combinados (caso mais comum) "fraturam" as rochascontinuamente, o que permite a entrada de agentes químicos e biológicos,cujos efeitos aumentam o fraturamento e tende a reduzir a rocha a blocoscada vez menores.Por outro lado, o intemperismo químico irá provocar alterações na estruturaquímica das rochas. A hidrólise, hidratação (responsável pela expansão da rocha) ecarbonatação (principalmente em rochas calcárias) são os exemplos clássicos deintemperismo químico.• Hidrólise: dentre os processos de decomposição química dointemperismo, a hidrólise é a que se reveste de maior importância,porque é o mecanismo que leva a destruição dos silicatos, que são oscompostos químicos mais importantes da litosfera. Em resumo, osminerais na presença dos íons H+liberados pela água são atacados,reagindo com os mesmos. O H+penetra nas estruturas cristalinas dosminerais desalojando os seus íons originais (Ca++, K+, Na+, etc.)causando um desequilíbrio na estrutura cristalina do mineral e levando-oa destruição.• Hidratação: é a entrada de moléculas de água na estrutura dos minerais.Alguns minerais quando hidratados (feldspatos, por exemplo) sofremexpansão, levando ao fraturamento da rocha.• Carbonatação: o ácido carbônico é o responsável por este tipo deintemperismo. O intemperismo por carbonatação é mais acentuado emrochas calcárias por causa da diferença de solubilidade entre o CaCO3 e obicarbonato de cálcio formado durante a reação.O intemperismo biológico é resultante da ação de esforços mecânicos induzidospor raízes de vegetais, escavação de roedores e, até mesmo, a própria ação humana.PINTO (2000) enfatiza que o conjunto desses processos ocorre maisfreqüentemente em climas quentes e que, conseqüentemente, os solos serão misturas departículas pequenas que se diferenciam pelo tamanho e pela composição química.Analisando a formação dos solos face aos tipos de intemperismo, verifica-se queos solos resultantes de intemperismo físico irão apresentar composição químicasemelhante à da rocha que lhes originou. Por outro lado, o intemperismo químico iráformar solos mais profundos e mais finos do que os solos formados onde hápredominância do intemperismo físico.
  7. 7. Mecânica dos Solos – Volume I 7Tamanho das PartículasO tamanho das partículas de um solo é uma característica que irá diferenciá-losquanto à sua composição granulométrica. Percebe-se que alguns solos apresentampartículas perceptíveis a olho nu como os pedregulhos e areias grossas. Outrosapresentam partículas finas que só podem ser identificadas por ensaios específicos.A diversidade de tamanhos é enorme e podem ser encontrados tamanhos quevariam de 1 a 2 mm (partículas de areia) até 10 Angstrons (0,000001 mm – partículas deargila). Se essa partícula de argila for ampliada e ficar do tamanho de uma folha depapel, o grão de areia ficaria com diâmetros da ordem de 100 a 200 metros (umquarteirão). A Figura seguinte ilustra de forma comparativa os tamanhos de algumaspartículas presentes nos solos, a saber: areias, siltes e argilas.Figura 1.1. Esquema comparativo do tamanho das partículas num soloNum solo qualquer, encontram-se partículas de diversos tamanhos. As partículasmais grossas (areias e pedregulhos) podem estar envoltas pelas partículas mais finas.Isso torna difícil a identificação do solo por simples manuseio. A identificação dos solosé um processo que procura identificar as principais frações presentes no solo como umtodo. Denominações específicas são empregadas para as diversas faixas de tamanho dosgrãos. No entanto, os limites irão variar conforme o sistema de classificação adotado.Numa primeira análise, efetua-se a classificação do solo através de análise táctil-visual.Esse tipo de análise fornece apenas informação qualitativa, ou seja, que tipo de fraçãopredomina no solo. Para uma análise mais precisa, utilizam-se os ensaios degranulometria e de limites de consistência. Dessa forma, é possível quantificar-se asfrações presentes em cada solo assim como suas características de plasticidade. ATabela (1.1) ilustra os limites das frações de solo pelo tamanho dos grãos definidos pelanorma da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).
  8. 8. Mecânica dos Solos – Volume I 8Tabela 1.1. Limites das frações de solo pelo tamanho dos grãos segundo a ABNT(PINTO, 2000)Fração LimitesMatacão de 25 cm a 1 mPedra de 7,6 cm a 25 cmPedregulho de 4,8 mm a 7,6 cmAreia grossa de 2,0 mm a 4,8 mmAreia média de 0,42 mm a 2,00 mmAreia fina de 0,05 mm a 0,42 mmSilte de 0,005 mm a 0,05 mmArgila inferior a 0,005 mmNa prática, costuma-se separar os solos finos dos solos grossos através dapeneira 200 (#200) que é a peneira correntemente usada em laboratório e possuiabertura (≈) de 0,075 mm. O conjunto de silte e argila é denominado como a fração definos do solo, enquanto que o conjunto areia e pedregulho é denominado fração grossaou grosseira do solo. A Figura seguinte ilustra o tamanho de algumas partículas.Figura 1.2. Diferentes tamanhos de partículas em solosConstituição MineralógicaAs propriedades químicas e mineralógicas das partículas dos solos formados irãodepender fundamentalmente da composição da rocha matriz e do clima da região. Estaspropriedades influenciam de forma marcante o comportamento mecânico do solo.
  9. 9. Mecânica dos Solos – Volume I 9Os minerais são partículas sólidas inorgânicas que constituem as rochas e ossolos. Possuem forma geométrica, composição química e estrutura própria e definida.Eles podem ser divididos em dois grandes grupos, a saber:• Primários: aqueles encontrados nos solos e que sobrevivem àtransformação da rocha (advêm, portanto do intemperismo físico).• Secundários: os que foram formados durante a transformação da rochaem solo (ação do intemperismo químico).As partículas dos solos grossos, dentre as quais apresentam-se os pedregulhos,são constituídas algumas vezes de agregações de minerais distintos, sendo mais comum,entretanto, que as partículas sejam constituídas de um único mineral. Estes solos sãoformados, na sua maior parte, por silicatos (90%) e apresentam também na suacomposição óxidos, carbonatos e sulfatos.Silicatos - feldspato, quartzo, mica, serpentinaGrupos Minerais: Óxidos - hematita, magnetita, limonitaCarbonatos - calcita, dolomitaSulfatos - gesso, anidritaO quartzo, presente na maioria das rochas, é bastante estável, e em geral resistebem ao processo de transformação rocha-solo e forma grãos de siltes e areias. Suacomposição química é simples (SiO2), as partículas são eqüidimensionais, como cubosou esferas e apresenta baixa atividade superficial (devido ao tamanho de seus grãos).Outros minerais como feldspato, gibsita, calcita e mica também podem ser encontradosneste tamanho.Os feldspatos são os minerais mais atacados pela natureza originando os argilo-minerais que constituem a fração mais fina dos solos (geralmente com dimensão inferiora 2 µm). Os argilo-minerais apresentam uma estrutura complexa. Seu estudo pode serfacilitado "construindo-se" o argilo-mineral a partir de unidades estruturais básicas. Esteenfoque é puramente didático e não representa necessariamente o método pelo qual oargilo-mineral é realmente formado na natureza. Assim, as estruturas apresentadas nestecapítulo são apenas idealizações. Um cristal típico de um argilo-mineral é uma estruturacomplexa similar ao arranjo estrutural aqui idealizado, mas contendo usualmentesubstituições de íons e outras modificações estruturais que acabam por formar novostipos de argilo-minerais.Na composição química das argilas existem dois tipos de estrutura: umaestrutura de tetraedros justapostos num plano, com átomos de silício ligados a quatroátomos de oxigênio (SiO2) e outra de octaedros, em que átomos de alumínio sãocircundados por oxigênio ou hidroxilas [Al (OH)3]. Essas estruturas se ligam por meiode átomos de oxigênio que pertencem simultaneamente a ambas. Alguns minerais-argilasão formados por uma camada tetraédrica e uma octaédrica (estrutura de camada 1:1),determinando uma espessura da ordem de 7 Å (1 Angstron = 10-10m), como a caulinita,cuja estrutura está representada na Figura (1.3). As camadas encontram-se firmementeempacotadas, com ligações de hidrogênio que impedem sua separação e que entre elasse introduzam moléculas de água. A partícula resultante fica com espessura da ordem de1.000 Å, sendo sua dimensão longitudinal de cerca de 10.000 Å.
  10. 10. Mecânica dos Solos – Volume I 10Figura 1.3. Estrutura de uma camada de caulinita (a) atômica (b) simbólica (PINTO,2000)Noutros minerais, o arranjo octaédrico é encontrado entre duas estrututras doarranjo tetraédrico (estrutura de camada 2:1). Nesses casos, a espessura será da ordemde 10 Å. Exemplos típicos são as esmectitas e as ilitas cujas estruturas simbólicas estãorepresentadas na Figura (1.4).Figura 1.4. Estrutura simbólica de minerais com camadas 2:1; (a) esmectita com duascamadas de moléculas de água (b) ilita (PINTO, 2000)Nesses minerais, as ligações entre camadas são feitas por íons O2-e O2+dosarranjos tetraédricos, que são mais fracos do que as ligações entre camadas de caulinitaonde íons O2+da estrutura tetraédrica se ligam a OH-da estrutura octaédrica. Ascamadas ficam livres e as camadas, no caso das esmectitas, ficam com a espessura daprópria camada estrutural, que é de 10 Å. Sua dimensão longitudinal também éreduzida, ficando com cerca de 1000 Å, pois as placas se quebram por flexão. Aspartículas de esmectitas apresentam um volume de 10-4vezes menor do que as decaulinita e uma área 10-2vezes menor. Isto significa que para igual volume ou massa, asuperfície das partículas de esmectitas é 100 vezes maior do que das partículas decaulinita. A superfície específica (superfície total de um conjunto de partículas divididapelo seu peso) das caulinitas é da ordem de 10 m2/g, enquanto que a das esmectitas é de
  11. 11. Mecânica dos Solos – Volume I 11cerca de 1000 m2/g. As forças de superfície são muito importantes no comportamentode partículas coloidais, sendo a diferença de superfície específica uma indicação dadiferença de comportamento entre solos com distintos minerais-argila.O comportamento das argilas seria menos complexo se não ocorressemimperfeições na sua composição mineralógica. É comum, entretanto, a ocorrência de umátomo de alumínio (Al3+) substituindo um átomo de silício (Si4+) na estruturaoctaédrica, e que nesta, átomos de alumínio estejam substituídos por outros átomos demenor valência, como o magnésio (Mg++). Estas alterações são definidas comoalterações isomórficas, pois não alteram o arranjo dos átomos, mas partículas resultamcom uma carga negativa. Para neutralizar essas cargas negativas, existem cátions livresnos solos como o cálcio (Ca++) ou o sódio (Na+) aderidos às partículas. Estes cátionsatraem camadas contíguas, mas com força relativamente pequena, o que não impede aentrada de água entre as camadas. A liberdade de movimento das placas explica aelevada capacidade de absorção de água de certas argilas, sua expansão quando emcontato com a água e sua contração considerável ao secar. As bordas das partículasargilosas apresentam cargas positivas, resultantes das descontinuidades da estruturamolecular, mas íons negativos neutralizam essas cargas. Os cátions e íons sãofacilmente trocáveis por percolação de soluções químicas. O tipo de cátion presentenuma argila condiciona o seu comportamento. Uma argila esmectita com sódioadsorvido, por exemplo, é muito mais sensível à água do que tendo cálcio adsorvido.Daí a diversidade de comportamentos apresentados pelas argilas e a dificuldade decorrelacioná-los por meio de índices empíricos (PINTO, 2000).Sistema Solo-águaA água se apresenta no solo sob diferentes formas. Nom entanto, torna-seextremamente difícil isolar-se os estados em que a água se apresenta em seu interior. Ostermos mais comumente utilizados para descrever os estados da água no solo são osseguintes:• Água livre: Preenche os vazios dos solos. Pode estar em equilíbriohidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou de outros gradientes deenergia.• Água capilar: É a água que se encontra presa às partículas do solo pormeio de forças capilares. Esta se eleva pelos interstícios capilaresformados pelas partículas sólidas, devido à ação das tensões superficiaisnos contatos ar-água-sólidos, oriundas a partir da superfície livre da água.• Água adsorvida (adesiva): É uma película de água que adere às partículasdos solos finos devido à ação de forças elétricas desbalanceadas nasuperfície dos argilo-minerais. Está submetida a grandes pressões,comportando-se como sólido na vizinhança da partícula de solo.• Água de constituição: É a água presente na própria composição químicadas partículas sólidas. Não é retirada utilizando-se os processos desecagem tradicionais. Ex: Montmorilonita (OH)4Si2Al4O20nH2O• Água higroscópica: Água que o solo possui quando em equilíbrio com aumidade atmosférica e a temperatura ambiente.Quando a água entra em contato com as partículas argilosas, as moléculas seorientam em relação a estas e aos íons que circundam as partículas, ficando circundados
  12. 12. Mecânica dos Solos – Volume I 12por moléculas de água. No caso das esmectitas, a água penetra entre as partículas,formando estruturas como a da Figura (1.4a) em que duas camadas de moléculas deágua se apresentam entre as camadas estruturais, elevando a distância basal a 14 Å.Uma maior umidade provoca o aumento desta distância basal, até a completa liberdadedas camadas. As ilitas, que apresentam estruturas semelhantes às das esmectitas, nãoabsorvem água entre as camadas, pela presença de íons de potássio provocando umaligação mais firme entre elas, como ilustrado na Figura (1.4b). Portanto, seucomportamento perante a água será intermediário entre o da caulinita e o da esmectita.Com a elevação do teor de água, forma-se no entorno das partículas a conhecidacamada dupla. É a camada em torno das partículas na qual as moléculas de água estãoatraídas a íons do solo e ambos à superfície das partículas. As características da camadadupla dependem da valência dos íons presentes na água, da concentração eletrolítica, datemperatura e da constante dielétrica do meio. Devido às forças eletroquímicas, asprimeiras camadas de moléculas de água em torno das partículas do solo estãofirmemente aderidas. A água, nestas condições, apresenta comportamento bem distintoda água livre, sendo este estado referido como de água sólida, pois não existe entre asmoléculas a mobilidade das moléculas dos fluidos. Os contatos entre as partículaspodem ser feitos pelas moléculas de água a elas aderidas. As deformações e aresistência dos solos quando solicitados por forças externas dependem, portanto, destescontatos (PINTO, 2000; MACHADO, 2002).Estrutura dos SolosDenomina-se estrutura dos solos a maneira pela qual as partículas minerais dediferentes tamanhos se arrumam para formá-lo. A estrutura de um solo possui um papelfundamental em seu comportamento, seja em termos de resistência ao cisalhamento,compressibilidade ou permeabilidade. Como os solos finos possuem o seucomportamento governado por forças elétricas, enquanto os solos grossos têm nagravidade o seu principal fator de influência, a estrutura dos solos finos ocorre em umadiversificação e complexidade muito maior do que a estrutura dos solos grossos. Defato, sendo a gravidade o fator principal agindo na formação da estrutura dos solosgrossos, a estrutura destes solos difere, de solo para solo, somente no que se refere aoseu grau de compacidade.Pelo fato de possuírem arranjos estruturais bastante simplificados, os solosgrossos (areias e pedregulhos com nenhuma ou pouca presença de finos) podem ter oseu comportamento avaliado conforme a sua curva característica e a sua compacidade.É necessário avaliar o índice de vazios de uma areia em confronto com os índices devazios máximo e mínimo em que ela pode se encontrar. Há uma variedade grande deensaios para a determinação de emin e γdmáx. Todos eles envolvem alguma forma devibração. Vibrando-se uma areia dentro de um molde, esta ficará em seu estado maiscompacto possível. Dessa forma, determina-se seu índice de vazios mínimo (emín). Paraemax e γdmín, geralmente coloca-se o solo secado previamente, em um recipiente,tomando-se todo cuidado para evitar qualquer tipo de vibração. Pode-se entãodeterminar seu peso específico e então determinar o índice de vazios máximo (emáx) quecorresponde a seu estado mais fofo possível.Os procedimentos para a execução de tais ensaios são padronizados pelasnormas NBR 12004 e 12051, variando muito em diferentes partes do Globo, nãohavendo ainda um consenso internacional sobre os mesmos.
  13. 13. Mecânica dos Solos – Volume I 13Os índices de vazios máximo e mínimo dependem das características da areia.Os valores são tão maiores quanto mais angulares são os grãos e quanto mais malgraduadas as areias.O estado de uma areia (ou sua compacidade) pode ser expresso pelo índice devazios em que ela se encontra, em relação a estes valores extremos, pelo índice decompacidade relativa (CR):máx natmáx míne eCRe e−=−(1.1)Quanto maior a CR, mais compacta é a areia. A compacidade relativa é umíndice adotado apenas na caracterização dos SOLOS NÃO COESIVOS. A Tabela (1.2)apresenta a classificação da compacidade dos solos grossos em função de suacompacidade relativa (CR) de acordo com Terzaghi.Tabela 1.2. Classificação das areias segundo a compacidade (PINTO, 2000)Classificação CRAreia fofa abaixo de 0,33Areia de compacidade média entre 0,33 e 0,66Areia compacta acima de 0,66No caso dos solos finos, devido à presença das forças de superfície, arranjosestruturais bem mais elaborados são possíveis. A Figura (1.5) ilustra algumas estruturastípicas de solos grossos e finos.Quando duas partículas de argila estão muito próximas, entre elas ocorremforças de atração e de repulsão. As forças de repulsão devem-se às cargas líquidasnegativas que elas possuem e que ocorrem desde que as camadas duplas estejam emcontato. As forças de atração decorrem de forças de Van der Waals e de ligaçõessecundárias que atraem materiais adjacentes. Da combinação das forças de atração e derepulsão entre as partículas resulta a estrutura dos solos, que se refere à disposição daspartículas na massa de solo e as forças entre elas. O Professor Lambe (1969) identificoudois tipos básicos de estrutura do solo, denominando-os de estrutura floculada, quandoos contatos se fazem entre faces e arestas das partículas sólidas, ainda que através daágua adsorvida, e de estrutura dispersa quando as partículas se posicionamparalelamente, face a face.As argilas sedimentares apresentam estruturas que dependem da salinidade daágua em que se formaram. Em águas salgadas, a estrutura é bastante aberta, embora hajaum relativo paralelismo entre as partículas, em virtude das ligações de valênciasecundária. Estruturas floculadas em água não salgada resultam da atração das cargaspositivas das bordas com as cargas negativas das faces das partículas.
  14. 14. Mecânica dos Solos – Volume I 14Figura 1.5. Alguns arranjos estruturais presentes em solos grossos e finos e fotografiasobtidas a partir da técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura (MACHADO, 2002)O conhecimento da estrutura permite o entendimento de diversos fenômenosnotados no comportamento dos solos, como por exemplo, a sensitividade (ousensibilidade) das argilas.No caso de solos residuais e compactados, a posição relativa das partículas émais elaborada. Intimamente, existem aglomerações de partículas argilosas que sedispõem de forma a determinar vazios de maiores dimensões. Existem microporos nosvazios entre as partículas argilosas que constituem as aglomerações e macroporos entreas aglomerações. Esta diferenciação é importante para o entendimento de algunscomportamentos dos solos como, por exemplo, a elevada permeabilidade de certos solosresiduais no estado natural, ainda que apresentando considerável parcela de partículasargilosas (PINTO, 2000).
  15. 15. Mecânica dos Solos – Volume I 151.3. TIPOS DE SOLOS EM FUNÇÃO DA ORIGEMOs solos irão apresentar características diferenciadas conforme seu processo deformação. Os principais tipos de solos quanto à sua origem são os solos residuais, solostransportados, solos orgânicos e solos de evolução pedogênica.Os solos residuais são aqueles onde os materiais resultantes permanecem nolocal de decomposição da rocha. O agente de transporte ocorre numa velocidade menordo que a taxa de decomposição da rocha. Essa taxa de decomposição irá depender defatores como a temperatura, precipitação e vegetação. Nas regiões tropicais ascondições são mais favoráveis a taxas elevadas de degradação. Isso explica oaparecimento de solos residuais nessas regiões (MACHADO, 2002).Os horizontes formados pela ação do intemperismo variam mais intensamenteda superfície para as camadas inferiores. Segundo VARGAS (1978), esses horizontessão denominados de: horizonte I (de evolução pedogênica), horizonte II (residualintermediário), horizonte III (residual profundo), horizonte IV (alteração de rocha) e,rocha sã fissurada. A Figura (1.6) ilustra os respectivos horizontes.Figura 1.6. Perfil do solo proveniente da alteração da rocha (PINTO, 2000)O horizonte denominado residual maduro é o horizonte superficial onde o soloperdeu sua estrutura original tornando-se relativamente homogêneo. O solo saprolito écaracterizado pelo horizonte onde o solo ainda guarda características da rocha que lhedeu origem, inclusive veios intrusivos, fissuras, xistosidade e camadas. No entanto, suaresistência já se encontra bastante reduzida podendo-se, pela pressão dos dedos,desfragmentar-se completamente. Os horizontes de rocha alterada são aqueles onde aalteração progrediu, ao longo de zonas de menor resistência, deixando relativamenteintactos grandes blocos da rocha original envolvidos por solo de alteração de rocha.No Recôncavo Baiano observa-se a ocorrência de solos residuais formados apartir de rochas sedimentares. O folhelho (rocha sedimentar) produz uma argilaconhecida popularmente como massapé que tem como mineral constituinte amontimorilonita. Esse mineral possui grande potencial de expansão na presença deágua. Grandes variações de volume podem ocorrer no solo quando o mesmo variar sua
  16. 16. Mecânica dos Solos – Volume I 16umidade. Isso pode acarretar sérios problemas nas construções (aterros ou edificações)assentes sobre estes solos (MACHADO, 2002).Os solos transportados são aqueles originados por algum agente de transporteque os conduz até o seu local atual. Sua classificação é feita de acordo com o agente detransporte, a saber: solos coluvionares (gravidade), aluvionares (água), eólicos (vento) eglaciais (geleiras).Os solos coluvionares são aqueles formados pela ação da gravidade. VARGAS(1978) cita o exemplo das escarpas da Serra do Mar onde os mantos de solo residualcom blocos de rocha podem escorregar, sob a ação de seu peso próprio, durante chuvasviolentas, indo acumular-se ao pé do talude em depósito de material detrítico,geralmente fofo, formando os “talus”. Esses talus estão sujeitos a movimentos derastejo. No entanto, pode ocorrer que a erosão no topo de morros de solo residualprofundamente alterado, com conseqüente deposição coluvial nos vales, resulte numatopografia suavemente ondulada. É o caso do Planalto Brasileiro onde ocorrem camadasrecentes de solo coluvial fino sobre solo residual de material semelhante. Entre essessolos, é comum o surgimento de uma camada de pedregulho que delimita seu contato,facilitando a distinção das camadas. Esse tipo de depósito sofreu uma evoluçãopedológica posterior a sua deposição. O Professor Milton Vargas sugere que seenquadre esses solos na classe dos solos de “evolução pedogênica” que são conhecidoscomo solos porosos. No sul da Bahia existem solos formados pela deposição decolúvios em áreas mais baixas, os quais se apresentam geralmente com altos teores deumidade e são propícios à lavoura cacaueira. Encontram-se solos coluvionares (tálus)também na Cidade Baixa, em Salvador, ao pé da encosta paralela à falha geológica queatravessa a Baia de Todos os Santos (MACHADO, 2002).Os solos aluvionares são aqueles onde o agente transportador é essencialmente aágua. Sua constituição depende da velocidade das águas no momento de deposição.Podem-se enumerar alguns tipos de solos aluvionares: solos marinhos (água dosoceanos e mares), solos fluviais (água dos rios) e solos pluviais (água de chuvas). Oprocesso ocorre quando grandes volumes de água em seu caminho para o martransportam os detritos das erosões e os sedimentam em camadas, em ordemdecrescente de seus diâmetros. As camadas de pedregulho sedimentam-se inicialmenteseguidas das areias, siltes e argilas. Dessa forma, nota-se que os grãos maiores serãodepositados onde as velocidades da água são maiores. As partículas menores serãotransportadas até locais onde a velocidade diminua, permitindo o processo desedimentação.O transporte pelo vento origina os solos eólicos. A força do vento selecionamuito mais do que a água os pesos dos grãos que podem ser transportados. Isso implicana uniformidade dos grãos dos depósitos eólicos. Como os grãos maiores e maispesados não podem ser transportados, e as argilas têm seus grãos unidos pela coesão,formando torrões dificilmente levados pelo vento, a ação do transporte do vento serestringe ao caso das areias finas ou siltes. Um exemplo típico são as areias constituintesdos arenitos brasileiros por ser uma rocha sedimentar com partículas previamentetransportadas pelo vento. Outros exemplos são as dunas nas praias litorâneas e osdepósitos de “loess” muito comuns em outros países. O “loess”, comum na Europaoriental, geralmente contém grandes quantidades de cal, responsável por sua grande
  17. 17. Mecânica dos Solos – Volume I 17resistência inicial. Quando umedecido, contudo, o cimento calcário existente no solopode ser dissolvido e o solo entra em colapso.Os solos glaciais comumente ocorrem na Europa e Estados Unidos, sendo depequena importância para o contexto nacional. São formados pelas geleiras pela ação dagravidade. Sua formação ocorre pelo movimento de gelo das regiões superiores para asinferiores. Nesse movimento gravitacional, ocorre o transporte de partículas de solo erocha. Quando ocorre o degelo, esses detritos acabam se depositando no terreno.Variados tamanhos de partículas são transportados. Assim, os solos formados sãobastante heterogêneos com granulometrias que variam de grandes blocos de rocha atémateriais com granulometria fina.Os solos orgânicos são aqueles formados pela mistura de restos de organismos(vegetais ou animais) com sedimentos pré-existentes. Geralmente apresentam uma corescura (presença de húmus) e forte odor característico. O húmus pode ser facilmentecarreado pela água. Dessa forma, sua ocorrência se dá apenas em solos finos (argilas esiltes) e em menor escala nas areias finas. Estes solos são encontrados nas baixadaslitorâneas e nas várzeas dos rios e córregos em camadas de 3 a 10 metros de espessura.Esses solos são altamente compressíveis apresentando alto índice de vazios com baixacapacidade de suporte (VARGAS, 1978; PINTO 2000). As turfas são solos fibrososresultantes da concentração de folhas, caules e troncos de florestas. É um tipo de soloextremamente deformável com elevada permeabilidade que permite que os recalquesdevido às ações externas ocorram rapidamente. Têm ocorrência registrada na Bahia,Sergipe, Rio Grande do Sul e outros estados brasileiros.A evolução pedogênica envolve processos físico-químicos e biológicosresponsáveis pela formação dos solos na agricultura. Essa formação ocorre pelalixiviação dos horizontes superiores com concentração de partículas coloidais noshorizontes profundos. A camada superficial tem pouco interesse para a engenharia e édenominada de “solo superficial” por possuir pequena espessura. Por outro lado, ossolos porosos cuja formação ocorre devido a uma evolução pedogênica em climatropical de alternâncias secas no inverno e extremamente úmidas no verão, possuemgrande interesse técnico. Esses solos são denominados lateríticos e possuem espessurasque podem superar 10 m de profundidade com extensas zonas do Brasil Centro-Sul. Suafração argila é constituída basicamente de minerais cauliníticos com elevadaconcentração de ferro e alumínio na forma de óxidos e hidróxidos. Daí, sua coloraçãoavermelhada. São solos de granulometria arenosa, mas geralmente com parcelas deargila. Apresentam-se na natureza na condição não-saturada com elevado índice devazios e baixa capacidade de suporte.As Figuras (1.7) e (1.8) abaixo ilustram alguns tipos de solos. A Figura (1.9)apresenta um exemplo de microscopia eletrônica de um solo residual compactado degnaisse aumentado em até 20.000 vezes.
  18. 18. Mecânica dos Solos – Volume I 18Figura 1.7. Exemplos de tipos de solosFigura 1.8. Solo residual e orgânico
  19. 19. Mecânica dos Solos – Volume I 19Figura 1.9. Microscopia eletrônica de um solo residual de gnaisse (compactado)
  20. 20. Mecânica dos Solos – Volume I 201.4. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOSDo ponto de vista da Engenharia, a classificação de um solo assume um papelextremamente importante no entendimento de seu comportamento frente às solicitaçõesque este poderá experimentar nas obras. Nesse particular, muitas classificações surgirame procuram enquadrar o solo dentro do contexto próprio de interesse. Situações ocorremem que um determinado tipo de solo poderá ser enquadrado em vários grupos, ou seja,um mesmo solo poderá pertencer a mais de um grupo dentro de um mesmo sistema declassificação. Isso ocorre devido à sua natureza variável.Deve-se ter em mente que as diversas classificações existentes devem sertomadas com certa reserva. Isso ocorre porque o sistema utilizado para classificar umsolo para fins rodoviários pode ser totalmente ineficiente para o mesmo solo em relaçãoà sua utilização como material de construção ou para fundações.PINTO (2000) ressalta que mesmo aqueles que criticam os sistemas declassificação não têm outra maneira de relatar suas experiências senão através dosresultados obtidos num determinado problema para um tipo específico de solo. Esse tipoespecífico, quando mencionado, deve ser inteligível a todos dentro do sistema declassificação que foi utilizado.Um sistema de classificação ideal ainda não existe e, apesar das certaslimitações, os sistemas de classificação vigentes ajudam a entender primeiramente ocomportamento dos solos e a orientar um planejamento para a obtenção dos principaisparâmetros dentro de um projeto.BUENO & VILAR (1998) ressaltam que um sistema de classificação, dentro doque se espera destes, deve possuir alguns requisitos básicos, tais como: ser simples efacilmente memorizável para permitir rápida determinação do grupo ao qual o solopertence; ser flexível para se tornar particular ou geral conforme a situação exigir e, sercapaz de se subdividir posteriormente.Os principais tipos de classificação dos solos são: classificação por tipo de solos,classificação genética geral, classificação textural (granulométrica), classificaçãounificada (SUCS ou USCS - Unified Soil Classification System) e o sistema declassificação dos solos proposto pela AASHTO (American Association of StateHighway and Transportation Officials). Deve-se salientar, contudo, que estes doisúltimos sistemas de classificação foram desenvolvidos para classificar solos de paísesde clima temperado, não apresentando resultados satisfatórios quando utilizados naclassificação de solos tropicais (saprolíticos e lateríticos), cuja gênese é bastantediferenciada daquela dos solos para os quais estas classificações foram elaboradas. Porconta disto, e devido a grande ocorrência de solos lateríticos nas regiões Sul e Sudestedo país, recentemente foi elaborada uma classificação especialmente destinada àclassificação de solos tropicais. Esta classificação, brasileira, denominada deClassificação MCT, começou a se desenvolver na década de 70, sendo apresentadaoficialmente em 1980 pelos professores Nogami e Vilibor.
  21. 21. Mecânica dos Solos – Volume I 211.4.1. Classificação Táctil Visual dos SolosOs solos podem ser estimados previamente através de análises simples e diretasatravés de seu manuseio em campo ou em laboratório. Esse tipo de análise édenominado de táctil-visual e é apenas uma análise primária do tipo de solo. Ensaiosrápidos são realizados procurando-se determinar determinadas característicaspredominantes do solo e, a partir disso, as demais características (Figura 1.10).Figura 1.10. Análise táctil visual
  22. 22. Mecânica dos Solos – Volume I 22Esse tipo de análise deve vir sempre acompanhado de ensaios específicos delaboratório para a quantificação exata das propriedades do solo.Normalmente, os ensaios realizados são os seguintes:a) Teste visual e táctil: após misturar-se uma pequena quantidade de solo comágua, nota-se que as areias são ásperas ao tacto, apresentam partículas visuais aolho nu e permitem muitas vezes o reconhecimento de minerais; o silte é menosáspero que a areia, mas perceptível ao tacto; as argilas quando misturadas comágua e trabalhadas entre os dedos, apresentam uma semelhança com pasta desabão escorregadia e, quando secas, os grãos finos das argilas proporcionamuma sensação de farinha ao tacto.b) Teste de sujar as mãos: após se fazer uma pasta (solo + água) na palma da mão,coloca-se esta sob água corrente observando a lavagem do solo. O solo arenosolava-se facilmente escorrendo rapidamente da mão. O solo siltoso só se limpadepois de um certo fluxo de água necessitando também de certa fricção para alimpeza total. Finalmente, as argilas apresentam uma certa dificuldade de sesoltarem das mãos apresentando características de um barro. Nesse tipo de testeé possível se detectar a presença de areia (quartzo) pela sensação dos dedos coma pasta formada e pelo brilho que exibem. No entanto, o material fino (silte +argila) pode aglomerar-se formando concreções que passam a falsa idéia dematerial granular.c) Teste de desagregação do solo submerso: colocando-se um torrão de soloparcialmente imerso em recipiente com água, verifica-se a desagregação daamostra. Essa desagregação é rápida quando os solos são siltosos e lenta quandoos solos são argilosos.d) Teste de resistência dos solos secos: Um torrão de solo seco pode apresentarcerta resistência quando se tenta desfazê-lo com a pressão dos dedos. As argilasapresentam grande resistência enquanto que os siltes e areias apresentam baixaresistência.e) Teste de dispersão em água: colocando-se uma pequena quantidade de solonuma proveta com água e agitando-se a mistura, procura-se verificar o tempopara a deposição das partículas conforme o tipo de solo. Os solos arenososdepositam rapidamente (30 a 60 segundos); os solos siltosos levam entre 15 a 60minutos e, os solos argilosos, podem levar horas em suspensão.Os solos orgânicos são classificados de acordo com sua coloração quegeralmente é cinza ou escura. Possuem odor característico de material em decomposiçãoe são inflamáveis quando secos.Após esses testes, procura-se classificar o solo conforme as informações obtidasacrescentando-se também a cor do solo e sua procedência.Importante ressaltar que esse tipo de classificação fornece resultados maisqualitativos do que quantitativos. Análises mais elaboradas devem ser feitas para aquantificação das frações predominantes de areia, silte e argila em cada solo.
  23. 23. Mecânica dos Solos – Volume I 231.4.2. Classificação Genética GeralA classificação genética geral classifica os solos de acordo com a sua formaçãooriginária. Basicamente depende de alguns fatores: natureza da rocha de origem, o climada regional, agente intempérico de transporte, topografia regional e os processosorgânicos. O conhecimento da origem dos solos é fator de suma importância para amelhor compreensão das características e parâmetros obtidos para o solo.Esse tipo de classificação abrange os solos descritos anteriormente no item (1.3)(Tipos de Solos com Relação à sua Origem): solos residuais, solos transportados, solosorgânicos e solos de evolução pedogênica.1.4.3. Classificação GranulométricaAs partículas dos solos possuem diferentes tamanhos e a medida dessestamanhos é feita através da análise granulométrica do solo. Essa, por sua vez, érepresentada através de uma curva de distribuição granulométrica em escala semilogcom o eixo das ordenadas contendo as porcentagens que passam ou que ficam retidas,em peneiras pré-determinadas, e o eixo das abscissas com o diâmetro equivalente daspartículas.O ensaio de granulometria geralmente é feito de acordo com o tipo de solo. Parasolos grossos, utiliza-se somente o peneiramento que é realizado por meio de peneiraspré-distribuídas conforme especificação de norma. A abertura das peneiras deve ser damaior para a menor. Normalmente, a peneira de menor abertura é a peneira de número200 da ASTM (abertura de 0,075 mm). As quantidades retidas em cada peneira sãoentão determinadas. Para solos finos, o processo de peneiramento torna-se impraticável.Recorre-se então, ao processo de sedimentação que consiste na medida indireta davelocidade de queda das partículas no meio (água). Para tanto, utiliza-se a Lei de Stokesque admite que a velocidade de queda de uma partícula esférica de peso específico γs,num fluido de viscosidade µ e peso específico γw é proporcional ao quadrado dodiâmetro dessas partículas. No ensaio de sedimentação, a velocidade é obtidaindiretamente determinando-se a densidade da suspensão em tempos pré-determinados.Essa leitura de densidade, feita com um densímetro, fornece também a profundidade dequeda da partícula (z) que é a distância entre a superfície da suspensão até o centro dobulbo do densímetro. Dessa forma, a velocidade de queda da partícula, enunciadaanteriormente, pode ser calculada pela razão entre a profundidade de queda (z) e otempo para que isso ocorra. Isso permite a determinação do diâmetro equivalente (Di)das partículas para a fração fina do solo. A expressão (1.2) apresenta uma forma práticapara o cálculo do diâmetro das partículas.( )21.005530,0 ⋅−=tzDWSiρρµ(1.2)Di = diâmetro equivalente (mm); z = profundidade de queda da partícula (cm);ρS – ρW = diferença entre a massa específica dos sólidos e da água (g/cm3);µ = viscosidade dinâmica da água (em Pa.s; desprezando-se a potência 10-4) e,t = tempo de leitura (min).
  24. 24. Mecânica dos Solos – Volume I 24Após um tempo t, admitindo-se a uniformidade da suspensão, as partículas comdiâmetros maiores que D, estarão abaixo de z. A percentagem de partículas comdiâmetros equivalentes menores que o valor calculado pela expressão anterior, após umtempo t qualquer, é obtida pela seguinte expressão:[ ])()(00,1100)( HrHrMDP WSSSi −⋅−⋅=<ρρ(1.3)P(<Di) = Percentagem de partículas com diâmetros menores que Di;r (H) = leitura na suspensão a uma temperatura T e,rW (H) = leitura na solução (água destilada + defloculante) à mesma temperatura TComo os solos são constituídos por diferentes tamanhos de partículas, é comumadotar-se o processo de peneiramento em conjunto com o processo de sedimentação.Esse processo é chamado de análise granulométrica conjunta.No processo de sedimentação, há a necessidade de se usar uma substânciadefloculante (hexametafosfato de sódio, silicato de sódio, etc) para que as partículaspossam sedimentar isoladamente. Isso porque as partículas podem se agregar umas àsoutras formando grãos maiores ou flocos falseando os valores reais dos diâmetros quedevem ser apenas das partículas individuais. Normalmente, o defloculante atua por 24horas na solução e, em seguida, é realizado um processo de agitação mecânica. Essescuidados devem ser tomados também na fase do peneiramento para que as partículasmais finas não se aglutinem formando um diâmetro do agregado.Depois de obtida a curva granulométrica do solo, há a necessidade de classificá-lo de acordo com a sua textura (tamanho relativo dos grãos). Para tanto, existemdiversas escalas granulométricas que adotam intervalos específicos dos diâmetros dosgrãos das diferentes frações de solo. As escalas mais comuns são as escalas da ABNT edo MIT. A Figura (1.11) ilustra uma curva granulométrica com a respectiva escala daABNT e as porcentagens obtidas para cada fração de solo.PedregulhoComposição:Areia grossaAreia médiaAreia finaSilteArgila0 %2 %9 %49 %18 %22 %0102030408070605090100Porcentagemquepassa270 200 140 100 60 40 20 10 4Peneiras (ASTM)0102030405060100708090PorcentagemretidaSedimentação Peneiramento0,001ArgilaClass.ABNT56 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5Silte Areia finaAreiamédiaAreiagrossa PedregulhoDiâmetro dos grãos (mm)0,01 0,1 1 10Figura 1.11. Curva de distribuição granulométrica do solo (PINTO, 2000)
  25. 25. Mecânica dos Solos – Volume I 25No caso de solos granulares (Figura 1.12), estes poderão ser denominados de“bem graduados” ou “mal graduados”. O solo bem graduado é caracterizado por umadistribuição contínua de diâmetros equivalentes em uma ampla faixa de tamanho departículas (curva granulométrica a). As partículas menores ocupam os vazios deixadospelas maiores criando um bom entrosamento resultando em melhores condições decompactação e de resistência. No caso do solo ser mal graduado, sua curvagranulométrica será uniforme (curva granulométrica c). Existem casos onde pode haverausência de uma faixa de tamanhos de grãos (curva granulométrica b).Figura 1.12. Curvas granulométricas de solos com diferentes graduações (MACHADO,2002)Essa característica do solo granular pode ser expressa em função de umcoeficiente de não uniformidade (CNU) dado pela seguinte relação:1060DDCNU = (1.4)Outro coeficiente também utilizado é o coeficiente de curvatura (CC) da curvagranulométrica.6010230DDDCC⋅= (1.5)onde D10 (Diâmetro efetivo) = abertura da peneira para a qual temos 10% daspartículas passando (10% das partículas são mais finas que o diâmetro efetivo).D30 e D60 – O mesmo que o diâmetro efetivo, para as percentagens de 30 e 60%,respectivamente.O coeficiente de não uniformidade (CNU) indica a amplitude dos grãosenquanto que o coeficiente de curvatura (CC) fornece a idéia do formato da curvapermitindo detectar descontinuidades no conjunto.
  26. 26. Mecânica dos Solos – Volume I 26Quanto maior é o valor de CNU mais bem graduado é o solo. Solos queapresentam CNU = 1 possuem uma curva granulométrica em pé (solo mal graduado –curva granulométrica c – Figura 1.12). Solos bem graduados apresentarão CC entre 1 e3. Se o valor de CC for menor que 1, a curva será descontínua com ausência de grãos(curva granulométrica b – Figura 1.12). Dificilmente ocorrem areias com valores de CCfora do intervalo de 1 a 3. Daí, a pouca importância que se dá a esse coeficiente.A classificação da curva granulométrica pode ser feita acordo com os seguintesintervalos para CNU e CC:CNU < 5 → muito uniforme5 < CNU < 15 → uniformidade médiaCNU > 15 → não uniforme1 < CC < 3 → solo bem graduadoCC < 1 ou CC > 3 → solo mal graduadoFinalmente, é importante ressaltar que somente o diâmetro efetivo (D10) e oCNU não são suficientes para representar por si só a curva granulométrica, uma vez quesolos distintos podem apresentar os mesmos valores de D10 e CNU. Portanto, somente acurva granulométrica pode identificar um solo quanto à sua classificação textural. AFigura (1.13) ilustra exemplos de curvas granulométricas de alguns solos brasileiros.Figura 1.13. Curvas granulométricas de alguns solos brasileiros (PINTO, 2000)A Figura (1.14) ilustra os diferentes tamanhos de partículas assim como odetalhe dos ensaios de peneiramento e de sedimentação.
  27. 27. Mecânica dos Solos – Volume I 27Figura 1.14. Diferentes tamanhos de partículas e detalhe dos ensaios depeneiramento e sedimentaçãoÍndices de ConsistênciaDo ponto de vista de engenharia, apesar da análise granulométrica classificartexturalmente o solo, esta por si só não consegue retratar o comportamento do mesmo.A fração de finos presente exerce papel fundamental. O comportamento dos solos finosirá depender de diversos fatores como sua composição mineralógica, sua umidade, suaestrutura e até seu grau de saturação. Quanto menor a partícula de um solo, maior serásua superfície específica e, portanto, maior será sua plasticidade. As partículas deargilo-minerais presentes num solo diferem grandemente em sua estrutura mineralógica.Isso faz com que solos com a mesma quantidade da fração argila, apresentemcomportamentos completamente diversos a depender do argilo-mineral presente. Comoressalta PINTO (2000), o estudo dos minerais-argilas é muito complexo e, por isso, oEngenheiro Químico Atterberg propôs alguns ensaios para quantificar, de formaindireta, o comportamento do solo na presença de água. Esses ensaios forampadronizados por Arthur Casagrande.Em função da quantidade de água presente num solo, podemos ter os seguintesestados de consistência: líquido, plástico, semi-sólido e sólido:Sólido Semi-sólido Plástico LíquidoO estado líquido é caracterizado pela ausência de resistência ao cisalhamento e osolo assume a aparência de um líquido. Quando o solo começa a perder umidade, passaa apresentar o comportamento plástico, ou seja, deforma-se sem variação volumétrica(sem fissurar-se ao ser trabalhado). Ao perder mais água, o material torna-se quebradiçow (%)LLLPLC
  28. 28. Mecânica dos Solos – Volume I 28(semi-sólido). No estado sólido, não ocorrem mais variações volumétricas pela secagemdo solo.Os teores de umidade correspondentes às mudanças de estado são denominadosde Limite de Liquidez (LL), Limite de Plasticidade (LP), e Limite de Contração (LC). OLL é o teor de umidade que delimita a fronteira entre o estado líquido e plástico. O LPdelimita o estado plástico do semi-sólido e, o LC, o estado semi-sólido do sólido. Osvalores de LL e LP são de uso mais corriqueiro na engenharia geotécnica.O ensaio do Limite de Liquidez é padronizado pela ABNT (NBR 6459).Empregando-se umidades crescentes, geralmente, coloca-se uma certa quantidade desolo na concha do aparelho de Casagrande. Com um cinzel padronizado faz-se umaranhura na pasta de solo. Então, conta-se o número de golpes necessários para que estaranhura se feche numa extensão em torno de 1 cm (Figura 1.15). Com os valores deumidade (no eixo das ordenadas) versus o número de golpes obtidos (eixo dasabscissas), traça-se uma reta em um gráfico semilog. O valor do LL será aquelecorrespondente a 25 golpes (Figura 1.16).Figura 1.15. Ensaio de limite de liquidez
  29. 29. Mecânica dos Solos – Volume I 29Figura 1.16. Determinação gráfica do limite de liquidezO ensaio do Limite de Plasticidade é realizado de acordo com a NBR 7180. Esseensaio é relativamente simples uma vez que determina o teor de umidade (LP) para oqual um cilindro de 3 mm começa a fissurar após ser rolado com a palma da mão sobreuma placa esmerilhada (Figura 1.17). Normalmente, são realizadas três medidas deumidade para a determinação do LP com o mesmo solo fissurado. Outras dimensões docilindro comparativo também podem ser utilizadas nesse ensaio.Figura 1.17. Ensaio de limite de plasticidade
  30. 30. Mecânica dos Solos – Volume I 30Através dos valores dos limites de consistência é comum proceder-se ao cálculode outros dois índices, a saber: o índice de plasticidade (IP) e o índice de consistência(IC). Esses índices são chamados de índices de consistência e são de utilização muitocomum na prática. No entanto, o IC por não acompanhar com fidelidade as variações deconsistência de um solo, tem caído em desuso. O valor do IP pode ser obtido peladiferença entre o LL e o LP:IP = LL – LP (1.6)O índice de plasticidade procura medir a plasticidade do solo e, fisicamente,representa a quantidade de água necessária a acrescentar ao solo para que este passe doestado plástico para o líquido. A seguir, são apresentados alguns intervalos do IP para aclassificação do solo quanto a plasticidade.IP = 0 → Não Plástico1 < IP < 7 → Pouco Plástico7 < IP < 15 → Plasticidade MédiaIP > 15 → Muito PlásticoDentro desse contexto, quanto maior for o valor de IP, tanto mais plástico será osolo. Contudo, VARGAS (1978) adverte que somente o IP não é suficiente para julgar aplasticidade dos solos e que há a necessidade de se conhecer os valores de LL e IP. Paratanto, o gráfico idealizado por Casagrande serve de referência para a classificação daplasticidade do solo. Este gráfico, apresentado na Figura (1.18), utiliza os valores de IPe de LL e está dividido em quatro regiões delimitadas pelas linhas A e B e pela linha U,que constitui o limite superior para o qual não ocorrem valores de IP e LL. Se o pontoobtido com os valores de LL e IP cair na região acima da linha A, o solo será muitoplástico e, abaixo, pouco plástico. Valores de LL acima de 50% (à direita da linha B)definem um solo muito compressível enquanto que valores de LL abaixo de 50% (àesquerda da linha B) definem um solo pouco compressível.Figura 1.18. Gráfico de Plasticidade de Casagrande (VARGAS, 1978)A Tabela (1.3) apresenta alguns valores de LL e IP para alguns solos brasileiros.
  31. 31. Mecânica dos Solos – Volume I 31Tabela 1.3. Valores de LL e IP para alguns solos típicos brasileiros (PINTO, 2000)Solos LL (%) IP (%)Residuais de arenito (arenosos finos) 29-44 11-20Residual de gnaisse 45-55 20-25Residual de basalto 45-70 20-30Residual de granito 45-55 14-18Argilas orgânicas de várzeas quaternárias 70 30Argilas orgânicas de baixadas litorâneas 120 80Argila porosa vermelha de São Paulo 65 a 85 25 a 40Argilas variegadas de São Paulo 40 a 80 15 a 45Areias argilosas variegadas de São Paulo 20 a 40 5 a 15Argilas duras, cinzas, de São Paulo 64 42Conceitos Importantes• Amolgamento: é a destruição da estrutura original do solo, provocandogeralmente a perda de sua resistência (no caso de solos apresentandosensibilidade).• Sensibilidade: é a perda de resistência do solo devido à destruição de suaestrutura original. A sensibilidade de um solo é avaliada por intermédiodo índice de sensibilidade (St), o qual é definido pela razão entre aresistência à compressão simples de uma amostra indeformada e aresistência à compressão simples de uma amostra amolgada, remoldadano mesmo teor de umidade da amostra indeformada. A sensibilidade deum solo é calculada por intermédio seguinte equação:ctcRSR= (1.7)St é a sensibilidade do solo e RC e RC são as resistências à compressãosimples da amostra indeformada e amolgada, respectivamente.Segundo Skempton:St < 1 → Não sensíveis1 < St < 2 → Baixa sensibilidade2 < St < 4 → Média sensibilidade4 < St < 8 → SensíveisSt > 8 → Extra sensíveisQuanto maior for o St: menor a coesão, maior a compressibilidade emenor a permeabilidade do solo.• Consistência: quando se manuseia uma argila, percebe-se uma certaconsistência, ao contrário das areias que se desmancham facilmente. Poresta razão, o estado em que se encontra uma argila costuma ser indicado
  32. 32. Mecânica dos Solos – Volume I 32pela resistência que ela apresenta. A quantificação da consistência é feitapor meio de ensaio de resistência à compressão simples. A Tabela (1.4)apresenta a consistência das argilas em função de sua resistência.Tabela 1.4. Consistência em função da resistência à compressão simplesConsistência Resistência (kPa)Muito mole < 25Mole 25 a 50Média 50 a 100Rija 100 a 200Muito rija 200 a 400Dura > 400• Tixotropia: É o fenômeno da recuperação da resistência coesiva do solo,perdida pelo efeito do amolgamento, quando este é colocado em repouso.Quando se interfere na estrutura original de uma argila, ocorre umdesequilíbrio das forças interpartículas. Deixando-se o solo em repouso,aos poucos este vai recompondo parte daquelas ligações anteriormentepresentes entre as suas partículas.Atividade das ArgilasComo a constituição mineralógica dos argilo-minerais é bastante variada, podeacontecer que em determinado tipo de solo os valores dos índices de consistência sejamelevados enquanto o teor de argila presente é baixo. Quando isso ocorre, diz-se que aargila é muito ativa. Existem no interior do Brasil, solos com porcentagem pequena deargila (em torno de 15%) que mostram plasticidade elevada e coesão notávelprincipalmente quando secos. Essa pequena fração da argila presente no solo conseguetransmitir a este um comportamento argiloso. A esse fenômeno, Skempton chamou deatividade da fração argilosa. Segundo Skempton, a medida da atividade da fraçãoargilosa no solo pode ser feita pela seguinte expressão:mmIPA002,0% <= (1.8)IP é o índice de Plasticidade e o termo %<0.002mm representa a percentagem departícula com diâmetro inferior a 2µ presente no solo.De acordo com a proposta de Skempton, a argila presente no solo poderá serclassificada conforme a sua atividade:Argila inativa: A < 0,75Argila normal: 0,75 < A < 1,25Argila ativa: A> 1,25A Figura (1.19) apresenta a variação do índice de plasticidade de amostras desolo confeccionadas em laboratório em função da percentagem de argila (% <
  33. 33. Mecânica dos Solos – Volume I 330,002mm) presente nos mesmos. Da equação (1.8) percebe-se que a atividade do argilo-mineral corresponde ao coeficiente angular das áreas hachuradas apresentadas naFigura. Na mesma Figura apresentam-se valores típicos de atividade para os trêsprincipais grupos de argilo-minerais.Figura 1.19. Variação do IP em função da fração argila para solos com diferentes argilo-mineraisAs Figuras a seguir ilustram resumidamente o comportamento das areias e dasargilas. Nessas Figuras são apresentadas a compacidade (areias) e a consistência(argilas) em função do SPT – Standard Penetration Test (valor característico do ensaiode penetração estática). Esse ensaio é muito utilizado na área de fundações para avaliaro perfil do solo em profundidade e para estabelecer um valor de resistência a penetraçãoque, indiretamente, fornece a resistência do solo.
  34. 34. Mecânica dos Solos – Volume I 34Figura 1.20. Comportamento e compacidade das areias
  35. 35. Mecânica dos Solos – Volume I 35Figura 1.21. Comportamento e consistência das argilasA Figura seguinte ilustra de forma esquemática os itens até aqui mencionados.
  36. 36. Mecânica dos Solos – Volume I 36Figura 1.22. Fluxograma de caracterização do solo1.4.4. Classificação Unificada (SUCS – Sistema Unificado de Classificação de Solos)Sistema de classificação proposto por Arthur Casagrande, em 1942, destinado àutilização na construção de aeroportos que, mais tarde, foi adotado pelo U.S. Corps ofEngineers. Diante disso é que esse tipo de classificação também é chamado deClassificação da U.S. Corps of Engineers. Posteriormente, essa classificação passou aser utilizada também para uso em barragens e outras obras geotécnicas.Esse tipo de classificação adota a curva granulométrica e os limites deconsistência do solo. A premissa básica é a de que os solos nos quais a fração fina nãoexiste em quantidade suficiente para afetar o seu comportamento, a classificação é feitade acordo com a sua curva granulométrica, enquanto que nos solos nos quais ocomportamento de engenharia é controlado pelas suas frações finas (silte e argila), aclassificação é feita de acordo com suas características de plasticidade.Os solos são classificados com duas letras com origem na língua inglesa: umprefixo relacionado ao tipo e um sufixo que corresponde à granulometria e àplasticidade.Os solos grossos serão aqueles que tiverem mais de 50% retidos na peneira 200(comumente representada por #200) e recebem os prefixos G (Gravel) ou S (Sand). Ossubgrupos recebem as letras W, P, M e C.Dessa forma, os solos poderão ser GW, GP, GM, GC, SW, SP, SM e SC.Os solos finos serão aqueles que tiverem mais de 50% passando na #200. Osprincipais tipos serão designados pelas letras M (Mo), C (Clay) e O (Organic). A letraM que designa o grupo silte provém do Sueco “mjäla”. Cada grupo pode serclassificado em dois subgrupos:H (High): solos com alta compressibilidade apresentando LL ≥ 50%L (Low): solos com baixa compressibilidade apresentando LL < 50%
  37. 37. Mecânica dos Solos – Volume I 37Os solos formados por esse grupo poderão ser MH, ML, CH, CL, OH e OL.As turfas, que são solos muito orgânicos, são geralmente identificadasvisualmente e recebem a denominação Pt, do inglês “peat”.Resumidamente, têm-se as seguintes denominações para o conjunto de letras:Solos Grossos:G = Pedregulho; S = AreiaW = material praticamente limpo de finos, bem graduado;P = material praticamente limpo de finos, mal graduado;M = material com quantidades apreciáveis de finos, não plásticos;C = Material com quantidades apreciáveis de finos, plásticos.Solos Finos:M = Silte; C = Argila; O = OrgânicoH = Alta Compressibilidade; L = Baixa CompressibilidadePara a classificação dos solos grossos, basta seguir o fluxograma apresentado naFigura (1.23). Para uma visualização mais rápida da classificação dos solos finos, pode-se lançar mão da carta de plasticidade de Casagrande (Figura 1.24).Figura 1.23. Classificação de solos de acordo com o SUCS (extraído de MACHADO,2002)
  38. 38. Mecânica dos Solos – Volume I 38Carta de Plasticidade – Esquema geralFigura 1.24. Carta de plasticidade de Casagrande - usualA carta de plasticidade dos solos foi desenvolvida de modo a agrupar os solosfinos em diversos subgrupos, a depender de suas características de plasticidade. Aocolocar o IP em função do LL do solo num gráfico, Casagrande percebeu que os solosse faziam representar por dois grupos distintos separados por uma reta inclinadadenominada de linha A, cuja equação é IP = 0,73.(LL – 20). Acima da linha Aencontram-se os solos inorgânicos e, abaixo, os solos orgânicos. A linha B, cujaequação é LL = 50%, paralela ao eixo da ordenadas, divide os solos de altacompressibilidade (à direita) dos solos de baixa compressibilidade (à esquerda). Existe
  39. 39. Mecânica dos Solos – Volume I 39ainda a linha U (de equação IP = 0,9.(LL – 8)). Deste modo, para a classificação dossolos finos, basta a utilização dos pares LL e IP na carta de plasticidade. Quando oponto cair dentro de uma região fronteiriça das linhas A ou B, ou sobre o trecho com IPde 4 a 7, considera-se um caso intermediário e se admite para o solo nomenclatura dupla(por ex., CL-ML, CH-CL, SC-SM, etc).1.4.5. Classificação segundo a AASHTOO sistema de classificação proposto pela AASHTO (American Association ofState Highway and Transportation Officials) foi desenvolvido nos Estados Unidos e ébaseado na granulometria e nos limites de Atterberg. Esse sistema foi proposto com afinalidade de classificar os solos para fins rodoviários e, por isso, é chamado também desistema rodoviário de classificação.A classificação enquadra os solos em grupos com denominações A1 a A3 (solosgrossos) e A4 a A7 (solos finos). Os solos altamente orgânicos são classificadosvisualmente e enquadrados no grupo A8. Existem ainda subgrupos para esses grupos e oíndice de grupo (IG) que é um número inteiro que varia de 0 a 20. O IG deve serapresentado entre parênteses ao lado da classificação e, quanto maior seu valor, piorserá o solo comparado a outro dentro do mesmo grupo. Por exemplo, o solo A4 (8) serápior que o solo A4 (5). O valor do IG pode ser calculado pela seguinte expressão:IG = (A - 35).[0,20 + 0,005.(LL - 40)] + 0,01.(B - 15).(IP -10) (1.9)onde A e B são as percentagens de solo passando na #200;Se A < 35, adota-se A = 35 Se B < 15, adota-se B = 15Se A > 75, adota-se A = 75 Se B > 55, adota-se B = 55Se LL < 40, adota-se LL = 40 Se IP < 10, adota-se IP = 10Se LL > 60, adota-se LL = 60 Se IP > 30, adota-se IP = 30Observações:a). Quando trabalhando com os grupos A-2-6 e A-2-7, o IG deve ser determinadoutilizando-se somente o IP;b). Se IG < 0 deve-se adotar um IG nulo;c). Aproximar o valor de IG para o inteiro mais próximo;A classificação é feita inicialmente pela verificação da quantidade de solo quepassa na #200. Contudo, aqui se considera o material grosso como aquele que possuimenos de 35% passando nesta peneira. Os solos finos serão aqueles com mais de 35%passando na #200. Os esquemas mostrados a seguir ajudam a classificar o solo após adeterminação das informações obtidas nestes. Seguindo-se os passos indicados, daesquerda para a direita, chega-se à classificação desejada.
  40. 40. Mecânica dos Solos – Volume I 40Figura 1.25. Fluxogramas para a classificação segundo a AASHTO (MACHADO,2002)As principais características desses grupos são:• Grupo A1: pedregulhos e areia grossa (bem graduados), com pouca ounenhuma plasticidade. Correspondem ao grupo GW do SUCS.• Grupo A2: pedregulhos e areia grossa (bem graduados), com materialcimentante de natureza friável ou plástica. Os finos constituem a naturezasecundária. Esse grupo subdivide-se nos grupos A-2-4, A-2-5, A-2-6 eA-2-7 em função dos índices de consistência.• Grupo A3: areias finas mal graduadas não plásticas (IP nulo).Correspondem ao grupo SP do SUCS.• Grupo A4: solos siltosos com pequena quantidade de material grosso ede argila;
  41. 41. Mecânica dos Solos – Volume I 41• Grupo A5: solos siltosos com pequena quantidade de material grosso ede argila, rico em mica e diatomita;• Grupo A6: argilas siltosas medianamente plásticas com pouco ounenhum material grosso;• Grupo A7: argilas plásticas com presença de matéria orgânica;
  42. 42. Mecânica dos Solos – Volume I 421.5. ÍNDICES FÍSICOSOs índices físicos são relações estabelecidas entre as fases presentes no solo demodo a caracterizá-lo quanto às suas condições físicas. O solo apresenta três fases, asaber: sólida, líquida e gasosa. As fases líquida e gasosa (ar) constituem o volume devazios (Vv) presente no solo.As diversas relações obtidas entre as fases do solo são empregadas paraexpressar as proporções entre as mesmas. O elemento de solo mostrado a seguir ilustraas fases presentes no solo em termos de massas e volumes.Figura 1.26. Fases do solo em função de suas massas e volumesVar, Vw, VS, VV e VT representam os volumes de ar, água, sólidos, de vazios etotal do solo, respectivamente. MS, Mw, Mar e MT são as massas de sólidos, água, ar etotal.1.5.1. Relações entre VolumesAs relações de volume comumente empregadas são: a porosidade (n), o índicede vazios (e) e o grau de saturação (Sr). A porosidade (n) é definida pela razão dovolume de vazios do solo (Vv) por seu volume total (VT). O índice de vazios (e) é arelação entre o volume de vazios do solo (VV) por seu volume de sólidos (VS). O graude saturação (Sr) expressa a proporção de água presente nos vazios do solo, ou seja, arazão de Vw por VV.TVVVn =SVVVe =VWrVVS =Esses três índices físicos não são obtidos experimentalmente, mas sim através deoutros índices físicos. A porosidade expressa a mesma idéia do índice de vazios.Quando seco, o valor de Sr é nulo e, quando saturado, esse valor é de 100%.Mar (zero)MWMSSólidosÁguaArMTMassasVarVWVSVVVTVolumes
  43. 43. Mecânica dos Solos – Volume I 431.5.2. Relações entre Massas e VolumesOs demais índices físicos são expressos por suas relações de massa e volume. Aúnica exceção é para a umidade (w) que expressa a massa de água (MW) presente nosolo em função de sua massa de sólidos (MS).As relações mais usuais entre massa e volume são: a massa específica natural dosolo (ρ), a massa específica dos sólidos (ρS) e a massa específica da água (ρW). Essesíndices físicos estão apresentados logo abaixo.SWMMw =TTVM=ρSSSVM=ρWWWVM=ρNa prática geotécnica, é comum a utilização de peso específico (γ) ao invés demassa específica (ρ). Estes apresentam a mesma idéia da massa específica com adiferença de que a razão será de peso por volume.TTVP=γSSSVP=γWWWVP=γA Figura seguinte ilustra resumidamente as relações entre Pesos e Volumes.Figura 1.27. Relações entre pesos e volumesOs índices físicos n, e, Sr e w são adimensionais e, excetuando-se o índice devazios, os demais são expressos em termos de porcentagem. A massa específica éexpressa em g/cm3enquanto que os pesos específicos são expressos em kN/m3deacordo com o Sistema Internacional (SI).Os índices físicos que comumente são determinados em laboratório são a massaespecífica natural (ρ), a umidade (w) e a massa específica dos sólidos (ρS). Os demaisíndices físicos são calculados através de correlações. Para maiores detalhes sobre adeterminação dos índices físicos em laboratório, veja-se, por exemplo, o trabalho deNOGUEIRA (1995).
  44. 44. Mecânica dos Solos – Volume I 44Os limites de variação desses índices físicos são:1,0 < ρ < 2,5 (g/cm3)2,5 < ρS < 3,0 (g/cm3)0 < e < 200 < n < 100%0 < Sr < 100%0 < w < 1500%Costuma-se correlacionar os índices físicos com o índice de vazios e com aporosidade. Quando a correlação é feita com o índice de vazios, adota-se o volume dossólidos como sendo igual a um (VS = 1). Dessa forma, de acordo com Figura (1.28),obtêm-se as expressões relacionadas a seguir:Figura 1.28. Fases do solo em função do índice de vaziosSWrSW eSMMwρρ..== (1.10);eeVVnTV+==1(1..11);eeS WrS++=1.. ρρρ (1.12)O valor de ρW é assumido como ρW = 1,0 g/cm3. Na expressão para o cálculo damassa específica obtida acima, podem-se obter outros dois índices físicos, a saber:massa específica saturada (Sr = 100%) e massa específica seca (Sr = 0). Essas duasexpressões são obtidas matematicamente quando se admite que o solo não sofravariações volumétricas, o que não ocorre nas situações corriqueiras de campo.eeS WrSSat++=1.. ρρρ (1.13) Massa específica saturada (Sr =100%)eSd+=1ρρ (1.14) Massa específica seca (Sr =0)da expressão anterior pode-se demonstrar que: )1( wd += ρρ (1.15)Quando a correlação é feita com a porosidade, adota-se o volume total comounitário (Figura 1.29).Mar (zero)Sr.e.ρWρSSólidosÁguaArρS + Sr.e.ρWMassasVarSr.e1e1+eVolumesQuando Vs =1tem-se:e =VV;Vw = Sr.e
  45. 45. Mecânica dos Solos – Volume I 45Figura 1.29. Fases do solo em função da porosidadeAs relações obtidas são as seguintes:nnVVeSV−==1(1.16);( ) SwrSWnnSMMwρρ−==1..(1.17);( ) WrSTTnSnVMρρρ ..1 +−== (1.18)A massa específica dos sólidos (ρS) possui valor que varia de 2,67 a 2,69 g/cm3para solos arenosos (correspondente ao quartzo) e de 2,75 a 2,90 g/cm3para solosargilosos. Argilas lateríticas apresentam valores de até 3,0 g/cm3. Argilas orgânicasmoles podem apresentar valores abaixo de 2,5 g/cm3. Quando não se dispõe do valor damassa específica dos sólidos, é comum adotar-se um valor para o solo em análise.A massa específica natural costuma apresentar valores da ordem de 1,6 a 2,0g/cm3. Quando não é conhecida, pode-se adotar o valor de 2,0 g/cm3(PINTO, 2000). Amassa específica seca apresenta uma faixa de valores que varia de 1,3 a 1,9 g/cm3.Argilas orgânicas moles podem apresentar valores em torno de 0,5 g/cm3. A massaespecífica saturada encontra-se geralmente em torno de 2,0 g/cm3.Ressalta-se que é comum aparecer no meio técnico a expressão densidade comosendo a massa específica do solo. No entanto, deve-se tomar cuidado com a expressãodensidade relativa que expressa a relação entre a massa específica de um material pelamassa específica da água a 4ºC (ρw ≈ 1,0 g/cm3). Dessa forma, a densidade relativa serásempre adimensional e terá valor igual à massa específica do material.Mar (zero)Sr.n.ρW(1- n).ρSSólidosÁguaAr(1-n).ρS + Sr.n.ρWMassasVarSr.n1-nn1VolumesQuando VT =1tem-se:n =VV;Vw = Sr.n
  46. 46. Mecânica dos Solos – Volume I 46Referências Bibliográficas Citadas e ConsultadasABGE (l983) - "Cadastro Geotécnico das Barragens da Bacia do Alto Paraná", Simp.Geot. Bacia do Alto Paraná, São Paulo.ALPAN, J. (l967) - "The Empirical Evaluation of the Coefficient Ko and Kor", SoilFoundation, Vol. VII, no. 1.BISHOP, A.W. (l955) - "The use of the slíp Circle in the Stability Analysis of EarthSlopes", Geotechnique, Vol. 5,pp.l-l7.BISHOP, A.W. and HENKEL, D.J. (l957) - "The Measurement of Soil Properties in theTriaxial Test", Edward Arnould, London.BISHOP, A.W. and BJERRUM, L. (l960) - "The Relevance of the Triaxial Test to theSolution of Stability Problems", Proc. Research Conf. on Shear Shength of CohesiveClays, ASCE, Boulder, Co.BJERRUM, L. and SIMONS, N.E. (l960) - "Comparison of shear Strenth Caracteristicsof Normally Consolidated Clays", Proc. Research Conf. on Shear Strength ofCohesive Clays, ASCE, Boulder, Colorado.BJERRUM, L. (l972) - "Embakement on Soft Ground", ASCE - Specialty Conf. onPerformance of Embakement on Soft Ground, Purdue, Vol. II, pp. 1-54.BOWLES, J.E. (l977) - "Foundation Analysis and Design", McGraw Hill Kogakusha,Tokio.BUENO, B. S. & VILAR, O. M. (1998) – Apostila de Mecânica dos Solos, vol. 2,Departamento de Geotecnia, Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP).CASAGRANDE, A. (l937) - "Seepage Through Dams", Journal of the New EnglandWater Works Association, Vol. II, no. 2 (também em Contributions to SoilMechanics, 1925-1940, Boston Society of Civil Engineers, 1940).CEDERGREEN, H.R. (l967) - "Seepage, Drainage and Flow Nets", John Wiley &Sons, New York.DUNCAN, J.M. and CHANG, C.Y. (l970) - "Nonlinear Analysis of Stress and Strain inSoils", Journal of the SMFD, ASCE, Vol. 96, no. SM 5, pp. 1629-1653.GAIOTO, N. (l972) - "Análise Comparativa entre alguns Métodos de Ensaio de Traçãode Solos Compactados", Tese de Doutoramento, EESC-USP.HARR, M.E. (l962) - "Ground water and Seepage", McGraw Hill, New York.HOLTZ, R.D. and KOVACS, W.D. (l981) - "An Introduction to GeotechnicalEngineering", Prentice Hall, New Jersey.HVORSLEV, M.J. (l960) - "Physical Componentes of the Shear Strength of SaturatedClays", Proc. Research Conf. on Shear Strength of Cohesive Clays, ASCE, Boulder,Co.KONDNER, R.L. and ZELASKO, J.S. (l963) - "A Hyperbolic StressStrain Formulationfor Sands" II Congresso Panamericano de Mec. dos Solos e Eng. de Fund., Brasil,Vol. I, pp. 289-324.LAMBE, T.W. (l967) - "Stress Path Method", Journal of the Soil Mech. and Found.Engn. Div., ASCE, Vol. 93, no. SM6, pp. 309-331.LAMBE, T.W. e WHITMAN, R.V. (l972) - "Mecánica de Suelos", Editorial Limusa -Wiley S/A., México.LEONARDS, G.A. (Ed.)(1962) - "Foundation Engineering", McGraw Hill, New York,1136 p.LNEC (l977) - "Impulsos de Terra" - Curso de Especialização em Mecânica dos Solos.
  47. 47. Mecânica dos Solos – Volume I 47LOWE, J., III; ZACHEO, P.F. and FELDMAN, H.S. (l964) - "Consolidation Testingwith Back Pressure", Journal of the Soil -Mech. and Found. Div., ASCE, Vol. 90, no.SM-5, pp. 69-86.MACHADO, S. L. (2002) – “Apostila de Mecânica dos Solos” – Universidade Federalda Bahia (UFBA) – Departamento de Geotecnia da Escola Politécnica de EngenhariaMASSAD, F. (2003) – Obras de Terra: Curso Básico de Geotecnia, São Paulo: Oficinade textos, 2003, 170 p.MINEIRO, A.J.C. (l978) - "Impulsos de Terra", Universidade Nova de Lisboa,Portugal.MITCHELL, J.K. (l976) - "Fundamentals of Soil Behavior", John Wiley & Sons, Inc.,New York, 422p.MORGENSTERN, N.R. and EISENSTEIN, Z. (l970) - "Methods of Estimating LateralLoads and Deformation", Proc. of the ASCE Specialty Conf. On Lateral Stresses inthe Ground and Design of Earth Retaining Structures, Cornell University, pp. 51-102.OLIVEIRA, H.G. (1965) – Controle da Compactação de Obras de Terra pelo Métodode Hilf. São Paulo: IPT, n. 778, 19 p.PARAGUSSU, A.B. (l972) - "Experimental Silicification of Sandstone", GeologicalSociety of America Bulletin, V. 83,p. 2853-2858PECK, R.B. (l969) - "Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground", 7th ICSMFE,State of the Art Vol., pp. 225-290.PINTO, C. S. (2000) – Curso Básico de Mecânica dos Solos em 16 Aulas, 247 págs,Oficina de textos, São Paulo.POULOS, H.G. and DAVIS, E.H. (l974) - "Elastic Solutions for Soil and RockMechanics", John Wiley & Sons, New York.SCHMERTMANN, J.H. (l970) - "Static Cone to Compute Static Settlement over Sand",Journal Soil Mech. and Found. Div., ASCE 96, no. SM3.SKEMPTON, A.W. (l954) - The Pore Pressure Coefficients A and B", Geotechnique,Vol. IV, pp. 143-147.SOUTO SILVEIRA, E.B. (l965) - "Statistical Research on Stress Strain Characteristicsof a Typical Compacted Soil Under Different Moulding Parameters", II Int. Conf. onSMFE, Montreal, Canadá, Vol. I, pp. 364-367.SPANGLER, M.G. and HANDY, R.L. (l982) - "Soil Engineering", Harper & RowPublishers, New York.STANCATI, G. (l979) - "Redes de Fluxo", Departamento de Geotecnia, EESC-USP.TAYLOR, D.W. (l948) - "Fundamentals of Soil Mechahics", John Wiley & Sons, NewYork.TERZAGHI, K. (l943) - "Theoretical Soil Mechanics", John Wiley & Sons, New York.TERZAGHI, K. (l950) - "Mechanics of Landslides", in Application of Geology toEngineering Practice, Berkeley Volume, Geological Society of America, p. 83 -também em Revista Politécnica no. 167 (l952), tradução de Ernesto Pichler.TERZAGHI, K. and-PECK, R.B. (l967) - "Soil Mechanics in Engineering Practice",John Wiley & Sons, New York, 729 p.U.S. NAVY (l971) - "Soil Mechanics, Foundations and Earth Structures", NAVFALSedign Manual DM-7, Washington, DC.WINTERKORN, H.F. and FANG, H.Y. (l975) - "Foundation Engineering Handbook",Van Nostrand Reinhold Company.
  48. 48. Campus de BauruDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVILÁREA DE GEOTECNIAMECÂNICA DOS SOLOSVolume IIPaulo César LodiσVσxxxzPAzr2r1r0α2α1b b
  49. 49. Mecânica dos Solos – Volume II 2SUMÁRIO Pág2.1. TENSÕES NOS SOLOS 03Princípio das Tensões Efetivas 03Esforços Geostáticos 03Acréscimos de Tensões no Solo 052.2. COMPACTAÇÃO DOS SOLOS 17Diferença entre Compactação e Adensamento 17Ensaio de Compactação 18Curva de Compactação 19Energia de Compactação 20Influência da energia de compactação na curva de compactação dosolo 20Influência da Compactação na Estrutura dos Solos 21Influência do Tipo de Solo na Curva de Compactação 22Escolha do Valor de Umidade para Compactação em Campo 22Equipamentos de Campo 23Controle da Compactação 26REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CITADAS E CONSULTADAS 29
  50. 50. Mecânica dos Solos – Volume II 32.1. TENSÕES NOS SOLOSO conhecimento das tensões atuantes num maciço de solo é de fundamentalimportância para a engenharia geotécnica. Atuam basicamente no solo, as tensõesdecorrentes de seu peso próprio (tensões geostáticas), de escavações (alívios de tensões)e de carga externas (acréscimos de tensões).O conceito de tensão em um ponto advém da mecânica do contínuo e, apesar dosolo ser um sistema trifásico (água, ar e partículas sólidas) este conceito tem sidoutilizado com sucesso na prática geotécnica. Além disso, boa parte dos problemas emmecânica dos solos pode ser encarada como problemas de tensão ou deformação planos.Princípio das Tensões EfetivasPelo fato do solo possuir três fases, quando tensões normais se desenvolvem emqualquer plano, estando o solo saturado, parte dessa tensão será suportada peloesqueleto sólido do solo e parte será suportada pela água presente nos vazios. A pressãoque atua na água intersticial é denominada de pressão neutra e é denominada pela letrau. A pressão que atua nos contatos interpartículas é chamada de tensão efetiva (σ’)sendo a que responde por todas as características de resistência e de deformabilidade dosolo. Observando esses fatos, Terzaghi notou que a tensão normal total num planoqualquer deve ser a soma da parcela de pressão neutra e de tensão efetiva:σ = σ’ + u (2.1)Esses postulados enunciados por Terzaghi constituem o Princípio das tensõesefetivas e pode ser expresso em duas partes:a) σ’ = σ – u;b) qualquer acréscimo de resistência do solo só pode ser justificado em termosde tensões efetivas (σ’).Esforços GeostáticosNuma superfície horizontal, admite-se que as tensões atuantes em um planohorizontal, numa determinada cota, sejam normais ao plano. As tensões cisalhantesserão nulas nesse plano. Dessa forma, a tensão vertical em qualquer profundidade écalculada simplesmente considerando o peso de solo acima daquela profundidade.Admitindo-se que o peso específico não varia, a tensão vertical total será obtida peloproduto do peso específico natural pela cota do ponto desejado:σ = γ.z σ = tensão geostática totalγ = peso específico do soloz = cota do ponto até a superfície do terreno
  51. 51. Mecânica dos Solos – Volume II 4Se houver água presente na camada de solo, a pressão neutra é obtida daseguinte forma:u = γw.zw u = pressão neutra atuando na águaγw = peso específico do da água (γw = 10 kN/m3)zw = cota do ponto considerado até a superfície do lençolfreáticoOcorre que, em a natureza, as camadas de solo apresentam-se estratificadas, ouseja, diversas camadas sobrepostas. Dessa forma, os valores de peso específico alteram-se para cada camada. A conseqüência imediata é que o cálculo das tensões em umdeterminado ponto deverá ser feito pela somatória das tensões em cada camada. O valorda pressão neutra no ponto considerado só dependerá da altura da coluna d’água. Atensão efetiva será a diferença da tensão total e a neutra no ponto considerado. A Figuraseguinte ilustra um perfil estratificado com diferentes valores de peso específico e avariação das tensões ao longo da profundidade.Figura 2.1. Perfil de solo e diagrama de tensõesQuando o solo estiver saturado, a tensão efetiva poderá ser calculada diretamenteutilizando-se o peso específico submerso (γ’ ou γsub). Como a diferença de pressões totale neutra fornece a tensão efetiva, tem-se que:σ’ = σ – u = γsat.z - γw.z = (γsat - γw).zdessa forma: σ’ = (γsat - γw).z = γ’.z onde: γ’ = γsat - γwNum elemento de solo, dentro de um maciço, atua também uma tensãohorizontal. Essa tensão horizontal constitui uma parcela da tensão vertical. Adeterminação das tensões horizontais encontra aplicação na determinação de empuxosSolo 1 - γ1Solo 2 - γ2 (sat)Solo 3 - γ3 (sat)Nível d’água (NA)z1z2z3σ, σ’, uσuσ’z
  52. 52. Mecânica dos Solos – Volume II 5para o cálculo de estabilidade de estruturas de contenção (muros de arrimo, terraarmada, etc). Seu cálculo é feito pela seguinte expressão:σh = k . σv (k = coeficiente de empuxo)Quando não ocorrem deformações no solo, k é denominado de coeficiente deempuxo em repouso (k0). O valor de k0 pode ser obtido por meio da teoria daelasticidade ou através de correlações:µµ−=10k onde µ = coeficiente de Poisson (Teoria da elasticidade)10 φsenk −= (Fórmula de Jaki)onde φ é o ângulo de atrito interno efetivo do solo0 )).(1( φφ senRSAsenk −= (Fórmula de Jaki estendida para argilas sobre-adensadas)RSA é a razão de sobre-adensamento do soloComo φ é sempre próximo a 30º, a equação anterior pode ser reescrita:5,00 )(5,0 RSAk = (para RSA = 4, k0 se aproxima da unidade; para RSA > 4, k0 torna-semaior do que um)As formulações empíricas acima só têm validade para solos sedimentares. Solosresiduais e que sofreram evoluções pedológicas posteriores apresentam valores de k0 dedifícil avaliação (PINTO, 2000).Acréscimos de Tensões no SoloOs acréscimos de tensão dentro de um maciço de solo ocorrem quando estesrecebem cargas externas, ou seja, carregamentos em sua superfície. A teoria daelasticidade é empregada para a estimativa dessas tensões. Apesar de muitas limitaçõese críticas feitas ao emprego da teoria da elasticidade, esta é de fácil aplicação e temapresentado avaliações satisfatórias das tensões atuantes no solo.As soluções aqui apresentadas referem-se aos principais tipos de carregamentosencontrados na prática.a) Carga Concentrada na Superfície do Terreno (Solução de Boussinesq)As hipóteses assumidas por Boussinesq para a obtenção da solução das tensõesprovocadas por uma carga concentrada são as seguintes: superfície horizontal de umespaço semi-infinito, homogêneo, isotrópico, e elástico linear. A Figura (2.2) ilustra aaplicação da carga em superfície (no plano e em três direções).
  53. 53. Mecânica dos Solos – Volume II 6Figura 2.2. Carga concentrada aplicada na superfícieO cálculo do acréscimo vertical de carga (σv) é dado pela seguinte formulação:2522123−+=zrzPvπσ (2.2)onde: P = carga concentradaz = distância do ponto de aplicação de P até o ponto de interesser = distância (em superfície) do ponto de aplicação de P até o ponto de interesseNote-se que nessa equação, mantida a relação de r/z, a tensão é inversamenteproporcional ao quadrado da profundidade do ponto considerado. Na vertical abaixo doponto de aplicação da carga (r = 0), as pressões são:248,0zPv =σ (2.2) (modificada)Se traçarmos um gráfico da profundidade (eixo z) versus a tensão (eixo x), ográfico resultante será semelhante ao da Figura (2.3b).Figura 2.3. Limites de propagação de tensões (a), (b) e bulbo de tensões (c)À medida que ocorre o distanciamento horizontal do ponto de aplicação de P(aumento de r), ocorre uma diminuição da intensidade das tensões até um certo pontoonde P não exercerá mais influência (Figura 2.3a). A Figura (2.3b) ilustra a distribuiçãoxrPσvPrAAσvzyz(a) (b)1,0P0,8P0,6PPz(c)P(a)P(b)
  54. 54. Mecânica dos Solos – Volume II 7de tensão na vertical passando pelo eixo de simetria da área carregada. Unindo-se ospontos dentro do maciço com o mesmo valor de acréscimo de tensão, surgem as linhasdenominadas de isóbaras. O conjunto das isóbaras recebe o nome de bulbo de tensões(Figura 2.3c).b) A solução de WestergardEssa solução foi utilizada por Westergard para simular condição de anisotropiaque acontece em depósitos sedimentares que contêm camadas entremeadas de materialfino e areia. Para esses depósitos, que apresentam grande capacidade de resistêncialateral, a solução de Boussinesq não é aplicável. Baseado na solução de Boussinesq(Figura 2.2b), Westergard propôs então um modelo no qual as deformações laterais sãototalmente restringidas:2322222122212+−−−−⋅=zrzPvµµµµπσ (2.3)µ = coeficiente de Poissonc) Carregamento Uniformemente Distribuído sobre uma Placa RetangularA partir da proposta de Boussinesq, outras soluções foram obtidas para outrostipos de carregamentos. Newmark desenvolveu uma integração da equação deBoussineq para o cálculo de carregamentos uniformemente distribuídos numa árearetangular. As tensões foram obtidas em pontos abaixo da aresta da área retangular(Figura 2.4).Figura 2.4. Placa retangular uniformemente carregaday•xzzσVyxm = x/zn = y/zP
  55. 55. Mecânica dos Solos – Volume II 8Observou-se que a solução era a mesma para soluções em que as relações entreos lados da área retangular e a profundidade fossem as mesmas. Dessa forma, definiu osparâmetros m e n para uma placa retangular com lados a e b (Figura 2.4).A solução de Newmark pode ser escrita pela seguinte equação:−++++++++++++++= 222221222222222221221)1(2)1)(1()2()1(24 nmnmnmmnarctgnmnmnmnmnmmnPvπσ (2.4)A equação anterior depende apenas da geometria da área carregada. Dessaforma, os termos que estão entre as chaves podem ser tabelados e então:σσ IPv .= (2.5)Iσ é um fator de influência que depende apenas de m e n. Os valores de Iσ podem sermais facilmente determinados com o uso de um gráfico (Figura 2.5) ou através daTabela (2.1).Figura 2.5. Valores do fator de influência em função de m e n
  56. 56. Mecânica dos Solos – Volume II 9Tabela 2.1. Fatores de influência para uma placa carregada (MACHADO, 2002)Como todas as deduções estão referenciadas a um sistema de coordenadas, noqual o vértice coincide com a origem, quando o ponto de interesse não passar pelaorigem deve-se somar e subtrair áreas carregadas convenientemente. A Figura seguinteilustra esse tipo de situação. A tensão no Ponto R (σR) devido à placa carregada ABDEserá:Figura 2.6. Esquema para cálculo de Iσ no ponto R (BUENO & VILAR, 1998)d) Carregamento Uniforme sobre Placa Retangular de Comprimento Infinito(Sapata Corrida)Quando uma das dimensões de uma placa retangular for muito superior à outra(comprimento superior a duas vezes a largura), os valores de tensão resultantes nomaciço de solo podem ser obtidos por formulação desenvolvida por Carothers &Terzaghi. O esquema apresentado a seguir ilustra uma placa carregada uniformementecom carga P e o ponto A onde atuam as tensões.• RA B CFHGEDPσR = P. IσRIσR = IσACGR –IσBCHR – IσDFGR + IσEFHR

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