Mecânica dos Solos I

Mecânica dos Solos I

(Parte 1 de 8)

Universidade Federal da Bahia − Escola Politécnica Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais (Setor de Geotecnia)

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

MECÂNICA DOS SOLOS I Conceitos introdutórios

1.INTRODUÇÃO AO CURSO.4 1.1 Importância do estudo dos solos4 1.2 A mecânica dos solos, a geotecnia e disciplinas relacionadas.4 1.3 Aplicações de campo da mecânica dos solos.5 1.4 Desenvolvimento do curso.5

2.ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS.6 2.1Conceituação de solo e de rocha.6 2.2 Intemperismo. 6 2.3Ciclo rocha − solo.8 2.4Classificação do solo quanto a origem e formação. 10

3.TEXTURA E ESTRUTURA DOS SOLOS.17 3.1Tamanho e forma das partículas.17 3.2Identificação táctil visual dos solos.18 3.3 Análise granulométrica. 20 3.4Designação segundo NBR 6502.23 3.5Estrutura dos solos.24 3.6Composição química e mineralógica25

5.LIMITES DE CONSISTÊNCIA.29 5.1Noções básicas29 5.2Estados de consistência.29 5.3Determinação dos limites de consistência.30 5.4Índices de consistência32 5.5Alguns conceitos importantes.3

6.CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS.36 6.1Classificação segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS).37 6.2Classificação segundo a AASHTO.42

7. ÍNDICES FÍSICOS. 46 7.1 Generalidades. 46 7.2Relações entre volumes.46 7.3Relação entre pesos e volumes − pesos específicos ou entre massas e volumes − massa específica.47 7.4Diagrama de fases.48 7.5Utilização do diagrama de fases para a determinação das relações entre os diversos índices físicos.49 7.6 Densidade relativa 49 7.7Ensaios necessários para determinação dos índices físicos.50

8.DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES NO SOLO52 8.1 Introdução. 52 8.2Tensões em uma massa de solo.52 8.3Cálculo das tensões geostáticas.54 8.4Exemplo de aplicação.56 8.5Acréscimos de tensões devido à cargas aplicadas.57

9. COMPACTAÇÃO. 73 9.1 Introdução 73 9.2O emprego da compactação73 9.3Diferenças entre compactação e adensamento.73 9.4Ensaio de compactação 74 9.5Curva de compactação.74 9.6Energia de compactação.76 9.7Influência da compactação na estrutura dos solos.7 9.8Influência do tipo de solo na curva de compactação77 9.9Escolha do valor de umidade para compactação em campo78 9.10 Equipamentos de campo79 9.1 Controle da compactação.81 9.12 Índice de suporte Califórnia (CBR).83

10.INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO.86 10.1 Introdução.86 10.2 Métodos de prospecção geotécnica.87

NOTA DOS AUTORESEste trabalho foi desenvolvido apoiando−se na estruturação e ordenação de tópicos já existentes no Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais (DCTM), relativos à disciplina Mecânica dos Solos. Desta forma, a ordenação dos capítulos do trabalho e a sua lógica de apresentação devem muito ao material desenvolvido pelos professores deste Departamento, antes do ingresso do professor Sandro

Lemos Machado à UFBA, o que se deu em 1997.Valeressaltartambémqueocapítulodeorigemeformaçãodossolos,cujo conteúdo é apresentado no volume 1 deste trabalho, tem a sua fundamentação no material elaborado, com uma enorme base de conhecimento regional, pelos professores do DCTM e pelo aluno Maurício de Jesus Valadão, apresentado em um volume de notas de aulas , de grande valor didático e certamente referência bibliográfica obrigatória para os alunos que cursam a disciplina Mecânica dos Solos.

4 1. INTRODUÇÃO AO CURSO

Quase todas as obras de engenharia têm, de alguma forma, de transmitir as cargas sobre elas impostas ao solo. Mesmo as embarcações, ainda durante o seu período de construção, transmitem ao solo as cargas devidas ao seu peso próprio. Além disto, em algumas obras, o solo é utilizado como o próprio material de construção, assim como o concreto e o aço são utilizados na construção de pontes e edifícios. São exemplos de obras que utilizam o solo como material de construção os aterros rodoviários, as bases para pavimentos de aeroportos e as barragens de terra, estas últimas podendo ser citadas como pertencentes a uma categoria de obra de engenharia a qual é capaz de concentrar, em um só local, uma enorme quantidade de recursos, exigindo para a sua boa construção uma gigantesca equipe de trabalho, calcada principalmente na interdisciplinaridade de seus componentes. O estudo do comportamento do solo frente às solicitações a ele impostas por estas obras é portanto de fundamental importância. Pode−se dizer que, de todas as obras de engenharia, aquelas relacionadas ao ramo do conhecimento humano definido como geotecnia (do qual a mecânica do solos faz parte), são responsáveis pela maior parte dos prejuízos causados à humanidade, sejam eles de natureza econômica ou mesmo a perda de vidas humanas. No Brasil, por exemplo, devido ao seu clima tropical e ao crescimento desordenado das metrópoles, um sem número de eventos como os deslizamentos de encostas ocorrem, provocando enormes prejuízos e ceifando a vida de centenas de pessoas a cada ano. Vê−se daqui a grande importância do engenheiro geotécnico no acompanhamento destas obras de engenharia, evitando por vezes a ocorrência de desastres catastróficos.

Por ser o solo um material natural, cujo processo de formação não depende de forma direta da intervenção humana, o seu estudo e o entendimento de seu comportamento depende de uma série de conceitos desenvolvidos em ramos afins de conhecimento. A mecânica dos solos é o estudo do comportamento de engenharia do solo quando este é usado ou como material de construção ou como material de fundação. Ela é uma disciplina relativamente jovem da engenharia civil, somente sistematizada e aceita como ciência em 1925 por Terzaghi (Terzaghi, 1925), que é conhecido com todos os méritos, como o pai da mecânica dos solos.

Um entendimento dos princípios da mecânica dos sólidos é essencial para o estudo da mecânica dos solos. O conhecimento e aplicação de princípios de outras matérias básicas como física e química são também úteis no entendimento desta disciplina. Por ser um material de origem natural, o processo de formação do solo, o qual é estudado pela geologia, irá influenciar em muito no seu comportamento. O solo, como veremos adiante, é um material trifásico, composto basicamente de ar, água e partículas sólidas. A parte fluida do solo (ar e água) pode se apresentar em repouso ou pode se movimentar pelos seus vazios mediante a existência de determinadas forças. O movimento da fase fluida do solo é estudado com base em conceitos desenvolvidos pela mecânica dos fluidos. Pode−se citar ainda algumas disciplinas, como a física dos solos, ministrada em cursos de agronomia, como de grande importância no estudo de uma mecânica dos solos mais avançada, denominada de mecânica dos solos não saturados. Além disto, o estudo e o desenvolvimento da mecânica dos solos são fortemente amparados em bases experimentais, a partir de ensaios de campo e laboratório.

A aplicação dos princípios da mecânica dos solos para o projeto e construção de fundações é denominada de "engenharia de fundações". A engenharia geotécnica (ou geotecnia) pode ser considerada como a junção da mecânica dos solos, da engenharia de fundações, da mecânica das rochas, da geologia de engenharia e mais recentemente da geotecnia ambiental, que trata de problemas como transporte de contaminantes pelo solo, avaliação de locais impactados, projetos de sistemas de proteção em aterros sanitários, etc.

Fundações: As cargas de qualquer estrutura têm de ser, em última instância, descarregadas no solo através de sua fundação. Assim a fundação é uma parte essencial de qualquer estrutura. Seu tipo e detalhes de sua construção podem ser decididos somente com o conhecimento e aplicação de princípios da mecânica dos solos.

Obras subterrâneas e estruturas de contenção: Obras subterrâneas como estruturas de drenagem, dutos, túneis e as obras de contenção como os muros de arrimo, cortinas atirantadas somente podem ser projetadas e construídas usando os princípios da mecânica dos solos e o conceito de "interação solo−estrutura".

Projeto de pavimentos: o projeto de pavimentos pode consistir de pavimentos flexíveis ou rígidos. Pavimentos flexíveis dependem mais do solo subjacente para transmissão das cargas geradas pelo tráfego. Problemas peculiares no projeto de pavimentos flexíveis são o efeito de carregamentos repetitivos e problemas devidos às expansões e contrações do solo por variações em seu teor de umidade.

Escavações, aterros e barragens: A execução de escavações no solo requer 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 a construção de aterros e de barragens de terra, onde o solo é empregado como material de construção e fundação, necessita−se de um conhecimento completo do comportamento de engenharia dos solos, especialmente na presença de água. O conhecimento da estabilidade de taludes, dos efeitos do fluxo de água através do solo, do processo de adensamento e dos recalques a ele associados, assim como do processo de compactação empregado é essencial para o projeto e construção eficientes de aterros e barragens de terra.

Este curso de mecânica dos solos pode ter sua parte teórica dividida em duas partes: uma parte envolvendo os tópicos origem e formação dos solos, textura e estrutura dos solos, análise granulométrica, estudo das fases ar−água−partículas sólidas, limites de consistência, índices físicos e classificação dos solos, onde uma primeira aproximação é feita com o tema solos e uma segunda parte, envolvendo os tópicos pressões geostáticas, compactação, permeabilidade dos solos, compressibilidade dos solos, resistência ao cisalhamento e empuxos de terra, onde um tratamento mais fundamentado na ótica da engenharia civil é dado aos solos.

6 2. ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS.

Quando mencionamos a palavra solo já nos vem a mente uma idéia intuitiva do que se trata. No linguajar popular a palavra solo está intimamente relacionada com a palavra terra, a qual poderia ser definida como material solto, natural da crosta terrestre onde habitamos, utilizado como material de construção e de fundação das obras do homem. Uma definição precisa e teoricamente sustentada do significado da palavra solo é contudo bastante difícil, de modo que o termo solo adquire diferentes conotações a depender do ramo do conhecimento humano que o emprega. Para a agronomia, o termo solo significa o material relativamente fofo da crosta terrestre, consistindo de rochas decompostas e matéria orgânica, o qual é capaz de sustentar a vida. Desta forma, os horizontes de solo para agricultura possuem em geral pequena espessura. Para a geologia, o termo solo significa o material inorgânico não consolidado proveniente da decomposição das rochas, o qual não foi transportado do seu local de formação. Na engenharia, é conveniente definir como rocha aquilo que é impossível escavar manualmente, que necessite de explosivo para seu desmonte. Chamamos de solo, a rocha já decomposta ao ponto granular e passível de ser escavada apenas com o auxílio de pás e picaretas ou escavadeiras.

A crosta terrestre é composta de vários tipos de elementos que se interligam e formam minerais. Esses minerais poderão estar agregados como rochas ou solo. Todo solo tem origem na desintegração e decomposição das rochas pela ação de agentes intempéricos ou antrópicos. As partículas resultantes deste processo de intemperismo irão depender fundamentalmente da composição da rocha matriz e do clima da região. Por ser o produto da decomposição das rochas, o solo invariavelmente apresenta um maior índice de vazios do que a rocha mãe, vazios estes ocupados por ar, água ou outro fluido de natureza diversa. Devido ao seu pequeno índice de vazios e as fortes ligações existentes entre os minerais, as rochas são coesas, enquanto que os solos são granulares. Os grãos de solo podem ainda estar impregnados de matéria orgânica. Desta forma, podemos dizer que para a engenharia, solo é um material granular composto de rocha decomposta, água, ar (ou outro fluido) e eventualmente matéria orgânica, que pode ser escavado sem o auxílio de explosivos.

Intemperismo é o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos pelos quais a rocha se decompõe para formar o solo. Por questões didáticas, o processo de intemperismo é freqüentemente dividido em três categorias: intemperismo físico químico e biológico. Deve se ressaltar contudo, que na natureza todos estes processos tendem a acontecer ao mesmo tempo, de modo que um tipo de intemperismo auxilia o outro no processo de transformação rocha−solo.

Os processos de intemperismo físico reduzem o tamanho das partículas, aumentando sua área de superfície e facilitando o trabalho do intemperismo químico. Já os processos químicos e biológicos podem causar a completa alteração física da rocha e alterar suas propriedades químicas.

É o processo de decomposição da rocha sem a alteração química dos seus componentes. Os principais agentes do intemperismo físico são citados a seguir:

Variações de Temperatura − Da física sabemos que todo material varia de volume em função de variações na sua temperatura. Estas variações de temperatura ocorrem entre o dia e a noite e durante o ano, e sua intensidade será função do clima local. Acontece que uma rocha é geralmente formada de diferentes tipos de minerais, cada qual possuindo uma constante de dilatação térmica diferente, o que faz a rocha deformar de maneira desigual em seu interior, provocando o aparecimento de tensões internas que tendem a fraturá−la. Mesmo rochas com uma uniformidade de componentes não têm uma arrumação que permita uma expansão uniforme, pois grãos compridos deformam mais na direção de sua maior dimensão, tendendo a gerar tensões internas e auxiliar no seu processo de desagregação.

Repuxo coloidal − O repuxo coloidal é caracterizado pela retração da argila devido à sua diminuição de umidade, o que em contato com a rocha gera tensões capazes de fraturá− la.

Ciclos gelo/degelo− As fraturas existentes nas rochas podem se encontrar parcialmente ou totalmente preenchidas com água. Esta água, em função das condições locais, pode vir a congelar, expandindo−se e exercendo esforços no sentido de abrir ainda mais as fraturas preexistentes na rocha, auxiliando no processo de intemperismo (a água aumenta em cerca de 8% o seu volume devido à arrumação das partículas durante a cristalização). Vale ressaltar também que a água transporta substâncias ativas quimicamente, incluindo sais que ao reagirem com ácidos provocam cristalização com aumento de volume.

Alívio de pressões − Alívio de pressões irá ocorrer em um maciço rochoso sempre que da retirada de material sobre ou ao lado do maciço, provocando a sua expansão, o que por sua vez, irá contribuir no fraturamento, estricções e formação de juntas na rocha. Estes processos, isolados ou combinados (caso mais comum) "fraturam" as rochas continuamente, o que permite a entrada de agentes químicos e biológicos, cujos efeitos aumentam a fraturação e tende a reduzir a rocha a blocos cada vez menores.

É o processo de decomposição da rocha com a alteração química dos seus componentes. Há várias formas através das quais as rochas decompõem−se quimicamente. Pode−se dizer, contudo, que praticamente todo processo de intemperismo químico depende da presença da água. Entre os processos de intemperismo químico destacam−se os seguintes:

Hidrólise − Dentre os processos de decomposição química do intemperismo, a hidrólise é a que se reveste de maior importância, porque é o mecanismo que leva a destruição dos silicatos, que são os compostos químicos mais importantes da litosfera. Em resumo, os minerais na presença dos íons H+ liberados pela água são atacados, reagindo com os mesmos. O H+ penetra nas estruturas cristalinas dos minerais desalojando os seus íons originais (Ca++, K+, Na+, etc.) causando um desequilíbrio na estrutura cristalina do mineral e levando−o a destruição.

Hidratação − Como a própria palavra indica, é a entrada de moléculas de água na estrutura dos minerais. Alguns minerais quando hidratados (feldspatos, por exemplo) sofrem expansão, levando ao fraturamento da rocha.

Carbonatação − O ácido carbônico é o responsável por este tipo de intemperismo. O intemperismo por carbonatação é mais acentuado em rochas calcárias por causa da diferença de solubilidade entre o CaCo3 e o bicarbonato de cálcio formado durante a reação.

Os diferentes minerais constituintes das rochas originarão solos com características diversas, de acordo com a resistência que estes tenham ao intemperismo local. Há, inclusive, minerais que têm uma estabilidade química e física tal que normalmente não são decompostos. O quartzo, por exemplo, por possuir uma enorme estabilidade física e química é parte predominante dos solos grossos, como as areias e os pedregulhos.

Neste caso a decomposição da rocha se dá graças a esforços mecânicos produzidos por vegetais através das raízes, por animais através de escavações dos roedores, da atividade de minhocas ou pela ação do próprio homem, ou de ambos, ou ainda pela liberação de substâncias agressivas quimicamente, intensificando assim o intemperismo químico, seja pela decomposição de seus corpos ou através de secreções como é o caso dos ouriços do mar.

Logo, os fatores biológicos de maior importância incluem a influência da vegetação no processo erosivo da rocha e o ciclo de meio ambiente entre solo e planta e entre animais e solo. Pode−se dizer que o intemperismo biológico é uma categoria do intemperismo químico em que as reações químicas que ocorrem nas rochas são propiciadas por seres vivos.

O intemperismo químico possui um poder de desagregação da rocha muito maior do que o intemperismo físico. Deste modo, solos gerados em regiões onde há a predominância do intemperismo químico tendem a ser mais profundos e mais finos do que aqueles solos formados em locais onde há a predominância do intemperismo físico. Além disto, obviamente, os solos originados a partir de uma predominância do intemperismo físico apresentarão uma composição química semelhante à da rocha mãe, ao contrário daqueles solos formados em locais onde há predominância do intemperismo químico.

Conforme relatado anteriormente, a água é um fator fundamental no desenvolvimento do intemperismo químico da rocha. Deste modo, regiões com altos índices de pluviosidade e altos valores de umidade relativa do ar tendem a apresentar uma predominância de intemperismo do tipo químico, o contrário ocorrendo em regiões de clima seco.

Como vimos, todo solo provém de uma rocha pré−existente, mas dada a riqueza da sua formação não é de se esperar do solo uma estagnação a partir de um certo ponto. Como em tudo na natureza, o solo continua suas transformações, podendo inclusive voltar a ser rocha. De forma simplificada, definiremos a seguir um esquema de transformações que vai do magma ao solo sedimentar e volta ao magma (fig. 2.1).

No interior do Globo Terrestre, graças às elevadas pressões e temperaturas, os elementos químicos se encontram em estado líquido formando o magma (fig. 2.1 −6).

A camada sólida da Terra, pode romper−se em pontos localizados e deixar escapar o magma. Desta forma, haverá um resfriamento brusco do magma (fig. 2.1 linha 6−1), que se transformará em rochas ígneas, nas quais não haverá tempo suficiente para o desenvolvimento de estruturas cristalinas mais estáveis. O processo indicado pela linha 6−1 é denominado de extrusão vulcânica ou derrame e é responsável pela formação da rocha ígnea denominada de basalto. A depender do tempo de resfriamento, o basalto pode mesmo vir a apresentar uma estrutura vítrea.

Quando o magma não chega à superfície terrestre, mas ascende a pontos mais próximos à superfície, com menor temperatura e pressão, ocorre um resfriamento mais lento (fig. 2.1 linha 6−7), o que permite a formação de estruturas cristalinas mais estáveis, e, portanto, de rochas mais resistentes, denominadas de intrusivas ou plutônicas (diabásio, gabro e granito).

Figura 2.1 − Ciclo rocha − solo

Podemos avaliar comparativamente as rochas vulcânicas e plutônicas pelo tamanho dos cristais, o que pode ser feito facilmente a olho nu ou com o auxílio de lupas. Cristais maiores indicam uma formação mais lenta, característica das rochas plutônicas, e vice−versa.

Uma vez exposta, (fig. 2.1−1), a rocha sofre a ação das intempéries e forma os solos residuais (fig. 2.1−2), os quais podem ser transportados e depositados sobre outro solo de qualquer espécie ou sobre uma rocha (fig. 2.1 linha 2−3), vindo a se tornar um solo sedimentar.

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