M ANUEL DE MATOS FERNANDES
ECÂNICA
OS
SOLOS
/
Manoel de Matos Fernandes (Professor Catedrático da FEUP)
M E C Â N I C A D O S S O L O S
I Volume
(reimpressão de Junho de 2000)
Agradecimentos
O
autor agradece a colaboração interessada e a inexcedível
competência postas pela Senhora D.Clotilde Bento e pelo Senhor Manuel
Carvalho no processamento do texto e pelo Senhor Joaquim Andrade na
execução dos desenhos e da capa.
M E C Â N I C A D O S S O L O S
I Volum e
ín d ic e
CAPITULO 1 - GRANDEZAS BASICAS. CARACTERÍSTICAS
DE IDENTIFICAÇÃO. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS
CAPÍTULO 2 - ESTADO DE TENSÃO NOS MACIÇOS TERROSOS
CAPÍTULO 3 - A ÁGUA NOS SOLOS. PERCOLAÇÃO
CAPÍTULO 4 - COMPRESSIBILIDADE E CONSOLIDAÇÃO DE ESTRATOS DE ARGILA
CAPÍTULO 5 - RESISTÊNCIA AO CORTE. RELAÇÕES TENS OES-DEFORMAÇOES CAPÍTULO 6 - COMPACTAÇÃO pág. 1.1 a 1.36 pág. 2.1 a 2.29 pág. 3.1 a 3.40 . pág. 4.1 a 4.43 pág. 5.1 a 5.79 pág. 6.1 a 6.19
CAPÍTULO 1
GRANDEZAS BÁSICAS. CARACTERÍSTICAS DE
IDENTIFICACÃO. CLASSIFICACÃO DOS SOLOS
Os depósitos arenosos soltos aumentam a sua compacidade
por meio de vibrações provocadas pelos sism os
Assentamento diferencial entre o encontro de uma ponte ferroviária e o aterro (sismo de Niigata, 1964).
Assentamento diferencial entre o encontro de uma ponte rodoviária e o aterro (sismo de Los Angeles, 1994).
Os "landslides" são escorregamentos de terras associados à estrutura
colapsível de certas argilas cuja formação ocorreu no fundo do mar.
1 - INTRODUÇÃO
O Vocabulário de Estradas e Aeródromos (LNEC) define solo comoi o "conjunto natural de partículas minerais que podem ser separadas por agitação na água; os vazios entre as partículas contêm água e ar, separada ou conjuntamente']. Outra definição de solo é dada por Mineiro (1978): "polo é toda a ocorrência natural de depósitos brandos ou moles, cobrindo um substrato rochoso e que é produzida por desintegração e decomposição física e química das rochas, podendo ou não conter matéria orgânica"./ A propósito da origem dos solos recomenda-se a leitura do Anexo 1 (Scott e Schoustra, 1968).
Da primeira definição apresentada retira-se desde já uma primeira conclusão: os solos são materiais polifásicos, isto é, são constituídos em geral por três fases, as partículas sólidas, a água e o ar. A água e o ar preenchem os chamados vazios ou poros do solo. Quando _os__ vãzlõs estão totalmente preenchidos por água não existe, obviamente, fase gasosa e o solo diz-
se saturado. ~ ~
—---2 - GRANDEZAS BASICAS
Sendo os solos materiais polifásicos, existe um determinado número de grandezas necessárias para descrever o seu estado físico, grandezas essas que não são usadas no estudo doutros materiais que são objecto da Mecânica dos Sólidos e da Mecânica dos Fluídos. Essas grandezas definem-se no Quadro 1.1
Obviamente, todas as grandezas definidas se encontram interrelacionadas. Por exemplo, quanto maior fôr o índice de vazios, maior será a porosidade e vice-versa. Quanto maiores forem aquelas duas grandezas, menores serão o peso volúmico, y, o peso volúmico seco, yd, e o peso volúmico submerso, y ’. Quanto maior for o teor em água, para uma dada porosidade, maior será o grau de saturação, etc.
— > Quando o solo se encontra saturado, o peso volúmico, y, designa-se também correntemente por peso volúmico saturado. '---- --- ■ ~
—
'■ /r)c/rs* r,
Quadro 1.1
GRANDEZA EXPRESSÃO OBSERVAÇÕES
índice de vazios ^ 1 ^ II Porosidade n = — xlOO V Exprime-se em %.
Grau de saturação to II X t-H § Exprime-se em %.
Teor em água X 8 f e l* 1 II * Exprime-se em %.
Peso volúmico do solo Exprime-se em kN/m3.
r V Também se chama peso
volúmico aparente ou total.
Peso volúmico seco Ws Exprime-se em kN/m3.
Peso volúmico das partículas
-í * II Exprime-se em kN/m3. É em
geral próximo de 26kN/m3.
Peso volúmico submerso T - Y - Y * Exprime-se em kN/m3.
Também se usa y lub em vez de y ’. yw = 9,81 kN/m3.
Densidade das partículas G = —
y„
d
Os três volumes [vg, 1 f J e os três pesos (wg , % , w s) do Quadro I.I definem completamente o estado físico do solo. Na realidade, porém, não é necessário proceder à determinação daquelas seis grandezas. O peso da fase gasosa é desprezável; Vw e Ww estão relacionados pelo peso volúmico da água que, para efeitos práticos, pode ser tomado constante e igual a 9,81kN/m3. Por outro lado, o volume total da amostra, V, é obviamente arbitrário. Assim, restam três grandezas para a caracterização física do solo, que se reduzem a duas apenas quando o solo se encontra saturado.
— Na prática, quando se pretende caracterizar um dado solo, determinam-se experimentalmente três grandezas: o teor em água, o peso volúmico e o peso volúmico das
No Anexo 2 inclui-se a dedução de algumas expressões que relacionam as grandezas definidas.
3. COMPOSIÇÃO GRANULOMÉTRICA
Além das grandezas básicas já definidas é usual, para uma primeira caracterização de um dado solo, a determinação por meio dos chamados ensaios de identificação, das características de identificação. São elas:
ponderai (isto é, em percentagem do peso total) das partículas do solo de acordo com as suas dimensõesf Para as partículas de maiores dimensões o método que se usa para a determinação da composição granulométrica é n da peneiração: o solo é obrigado a passar por uma série de peneiros de malha (quadrada) normalizada e cada vez mais apertada. O material retido num determinado peneiro representa a fracção do solo com dimensão superior à da malha desse peneiro, mas inferior à do peneiro_precedente. Esse material é pesado para averiguar que percentagem representa do peso total da amostra.
Para partículas de dimensões muito reduzidas o processo de peneiração deixa de ser exequível. O peneiro de malha mais apertada na série da ASTM (American Society o f Testing Materials) habitualmente empregue é o peneiro 200, cuja malha tem 0,074mm de lado. Para
partículas.
- a composição granulométrica
- os limites de consistência ou de Atterberg (a serem abordados em 6).
—^ A composição granulométrica pode ser definida como a distribuição em percentagem
partículas que passam no peneiro 200 a distribuição granulométrica é em regra realizada por sedimentação.
— O processo de sedimentação consiste em misturar o solo com água destilada e observar em seguida o processo de sedimentação das partículas: Segundo a lei de Stokes, a velocidade de sedimentação de uma partícula esférica dè~diamètro D e peso volúmico yT num líquido de viscosidade n e peso volúmico y ir é dada pela expressão:
<2o u.o -f p à ■G*-3 ~-<3 fJJA O**
f-em que g é a aceleração da gravidade.
— ensaio é feito medindo a densidade do líquido em certos intervalos de tempo. A diferença de densidades medirá a quantidade de partículas que sedimentou ao fim de um certo tempo t, ou seja, a quantidade de partículas que no tempo t percorreu uma certa distância h (distância necessária para ficar fora da influência do bolbo do densímetro). Essas partículas sedimentaram com velocidade v = h/í. Conhecendo v, calcula-se, por meio da expressão (1.1), o respectivo diâmetro D, logo a distribuição granulométrica.
Duas observações são necessárias a propósito deste método de sedimentação.
— Em primeiro lugar é essencial que o solo esteja convenientemente desfloculado isto é. que as partículas estejam_separadasjimas-das-outras-nãafonnando --flocos!'. Caso tal aconteça, e como a velocidade de sedimentação é proporcional ao quadrado do diâmetro, os flocos sedimentarão muito mais depressa falseando a distribuiçacT granulométrica. A desíloculação é conseguida adicionando à mistura água-solo determinados produtos químicos designados por desfloculantes (metafosfato de sódio, por exemplo).
^ Em segundo lugar, a lei de Stokes aplica-se a partículas esféricas. Ora deve ser sublinhado que_ muitas das partículas mais pequenas..^,precisamente_aquelas cujas dimensões são determinadas usando o processo de sedimentação - têm em geral uma forma muito diferente da esférica (forma de placas ou de bastonetes). Assim, o que acaba por ser determinado pelo processo de sedimentação não é verdadeiramente o "diâmetro" da partícula mas o "diâmetro equivalente", ou seja, o diâmetro de uma esfera do mesmo material que a partícula e que sedimenta com a mesma velocidade desta.
A análise granulométrica da fracção fina do solo pelo método de sedimentação, além de ser susceptível de erros mais ou menos apreciáveis, é muito pouco cómoda e extremamente morosa. É pois de saudar a divulgação recente de aparelhos (os chamados granulómetros) que
por meio de técnicas bastante sofisticadas, usando raios laser, fornecem a composição granulométrica da fracção fina de forma muitíssimo mais rápida.
Os resultados da análise granulométrica são representados em gráficos como o da Figura 1.1. Nesses gráficos as dimensões das partículas (em milímetros) estão. representadas em escala logarítmica. Na parte de baixo da figura pode ver-se uma primeira classificação dos solos de acordo com as suas dimensões. Basicamente, os solos, por ordem crescente de dimensões, classificam-se em argilas, siltes, areias e cascalhos (ou seixos). Os siltes, areias e cascalhos podem ainda dividir-se em finos, médios e grossos, ainda de acordo com as respectivas dimensões.
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DAS PARTÍCULAS EM (m m )ARGI LA
FINO 1 MËOIO IGROSSO F IN A í WEDIAlGROSSA FINO | MÉDIO
SILTE AREIA CASCALHO
Fig. 1.1 - Gráfico usado para representação da curva granulométrica dos solos.
Como se pode constatar, o processo de peneiração apenas serve para a distribuição granulométrica das |áreiaaji-e_^^çaüiosj'r’: já que a malba do peneiro 200 (0,074 mm) praticamente coincidè"com aHimensãcTque separa as areias dos siltes (0,06 mm). Estes e as argilas terão pois a sua distribuição granulométrica determinada por sedimentação.
Em geral os solos naturais são constituídos por partículas cujas dimensões podem variar-mais ou menos-Iargamente,-correspondendo algumas-à_classifIcação_'largila''3 outras-a_
"silte", etc. Por exemplo, os dois solos cujas curvas granulométricas se representam na Figura 1.1 são essencialmente constituídos por areia (cerca de 70%) e por silte (cerca de 30%). Poderão, assim, ser designados por "areias siltosas", correspondendo o substantivo "areia" à fracção mais importante, e utilizando-se o adjectivo "siltosa" para dar ideia da fracção secundária.
O diagrama da Figura 1.2 poderá orientar a escolha dos termos mais apropriados para a designação dos solos naturais após a determinação da respectiva curva granulométrica.
Fig. 1.2 - Diagrama indicativo dos nomes a atribuir aos solos de acordo com a respectiva curva granulométrica.
Existem algumas grandezas que podem ser retiradas do exame da curva granulométrica
e que fornecem informações muito úteis sobre o solo. ~i)i e.
j <õ 6 p xOj
A primeira delas é o chamado "diâmetro efectivo", Dl0. Um solo com.; determinado diâmetro efectivo tem 10% em peso de partículas com dimensões inferiores aj p J . Ver-se-á no capítulo relativo à água nos solos (Capítulo 3) que esse parâmetro é correlacionável com o coeficiente de permeabilidade dos solos.
TJma outra grandeza que se retira da curva granulométrica é o chamado coeficiente dc uniformidade, Q - :
£ - &
!
u'f óQ C d ^
3
em que D60 tem um significado análogo a Dl0 já acima definido. O coeficiente de uniformidade dá uma ideia da variedade de dimensões que as partículas de um dado solo possuem. Quanto maior for Q r, maior será essa variedade; dir-se-á que o solo é "bem graduado". Pelo contrário, um Cu baixo corresponderá a solos de granulometria "pobre" ou "mal graduados". Em geral, considera-se que um solo é bem graduado quando Cu for maior do que 4 a 6. Quando Cu é próximo da unidade o solo diz-se "uniforme".
Finalmente, uma terceira grandeza que vem a propósito definir é o coeficiente de curvatura, Cc :
Cr —'
(Ao)2
Z>io x D60 (1.3)
em que D30 tem um significado óbvio, depois de atrás terem sido definidos Dl0 e DÉ0. Como se compreenderá, Cc está relacionado com a forma da curva granulométrica entre D60 e Dlü. Se entre estes diâmetros a curva tiver uma evolução suave, Cc estará compreendido entre valores da ordem de 1 a 3 e o solo será bem graduado.
4 - A IMPORTÂNCIA DA ANÁLISE GRANULOMÉTRICA NOS SOLOS GRANULARES OU ARENOSOS
Deve referir-se que os processos de determinação da curva granulométrica para a fracção mais fina do solo são susceptíveis de erros mais ou menos apreciáveis. Isso não tem, todavia, repercussões importantes porque é em especial para o estudo da fracção mais grossa que a análise granulométrica é mais útil. Com efeito, é nos solos granulares (designam-se desta forma os solos essencialmente constituídos por grãos què se distinguem macroscopicamente, oü seja, siltes e, em especial, areias e cascalhos ou seixos) que o comportamento é altamente dependente da forma e das dimensões das respectivas partículas.
Um dado conjunto de partículas grossas pode assumir um número praticamente infinito de "arrumações”, isto é, de formas como cada partícula está disposta em relação às restantes. A essas diferentes arrumações correspondem índices de vazios dentro de determinado intervalo.
Os valores máximo e mínimo do índice de vazios, emax e emim determináveis experimentalmente por meio de ensaios normalizados, são uma característica intrínseca, isto é, imutável, do conjunto de partículas em causa, dependendo apenas da respectiva curva granulométrica.
Nos chamados solos bem graduados, ou seja, nos solos cujas partículas são muito variadas em termos de dimensão, em geral a gama de índices de vazios possíveis (emax - ewjn) é mais ampla e, sobretudo, emjn atinge valores muito baixos. Com efeito, nesses solos as partículas de menores dimensões podem arrumar-se nos espaços entre as maiores podendo assim ser atingidos arranjos muito compactos.
Já nos solos de granulometria pobre ou mal graduada, em regra, a gama de índices de vazios possíveis é mais limitada e, em especial, os índices de vazios mínimos são significativamente mais altos do que nos solos anteriormente referidos. Como é óbvio, sendo as partículas muito semelhantes em termos de dimensões, uma arrumação muito compacta é sempre complicada pelo facto de ser praticamente impossível deixarem de existir vazios relativamente grandes entre elas.
A título de exemplo, o Quadro l.II inclui os valores máximos e mínimos do índice de vazios e da porosidade e os correspondentes valores mínimos e máximos do peso volúmico seco de alguns solos granulares. Note-se que dos diversos pesos volúmicos definidos no Quadro 1.1, é o peso volúmico seco o que reflecte a maior ou menor compacidade do solo, já que é independente da águal eventualmente presente naquele.
Na primeira linha do Quadro LÊ incluem-se, como referência, os valores limites do índice de vazios e da porosidade de um conjunto de esferas de igual diâmetro. A comparação tem sentido já que as partículas grossas são em muitos casos aproximadamente equidimensionaisf).
Para se fazer ideia do índice de vazios máximo de um solo granular uniforme (com todas as partículas do mesmo diâmetro) atente-se na Figura 1.3, onde se esquematiza o arranjo das esferas no estado menos compacto possível. Como se vê, aquele índice de vazios máximo é próximo da unidade, embora um pouco inferior. São, com efeito, desta ordem de grandeza os índices de vazios máximos dos solos granulares. Em alguns casos excepcionais aqueles índices podem ultrapassar a unidade, como se pode constatar pelo exame do Quadro l.II, já que,
Uma partícula pode ser considerada equidimensional se tomando três dimensões com direcções ortogonais entre si elas forem aproximadamente iguais.
como se compreenderá, as irregularidades das partículas naturais poderão conduzir a arranjos estruturais ainda "menos perfeitos" que o esquematizado na Figura 1.3.
Fig. 1.3 - Conjunto de esferas de igual diâmetro com arrumação correspondente à compacidade mínima.
Quadro l.II
i_ a > tf f â á v A '
*- ‘ y ' ' •'
índice de vazios Porosidade Peso volúmico seco (kN/m^)
Êm ix gmm "m áx ntm n ^dmin ^dmáx
Esferas de igual diâmetro 0,91 0,35 48 ' 26 — —
Areia uniforme 1,00 0,40 50 29 13,0 18,5
Silte uniforme e inorgânico 1,10 0,40 52 29 12,6 18,5
Areia siltosa 0,90 0,30 47 23 13,7 20,0
Areia (mistura, de fina e grossa) 0,95 0,20 49 17 13,4 21,7
Areia com mica 1,20 0,40 55 29 1 U 18,9
Areia, silte e seixo misturados 0,85 0,14 46 12 14.0 22,9
^ < « 7 r / ? ; Wj& MíI
^7/Tc A£A_ <3s? M
— Prosseguindo, é necessário chamar a atenção para o facto de que o índice de vazios que um dado depósito exibe "Ln situ", designado em geral por índice de vazios "natural" ou de "ocorrência", não depende apenas da respectiva curva granulométrica. Ele depende também da história geológica do maciço e da correspondente "história de tensões" estáticas e dinâmicas (senHo estas, nomeadamente, de origem sísmica) que experimentou.
De forma simplificada, pode dizer-se que os maciços sedimentares de solos granulares começam por exibir, quando geologicamente muito recentes, um índice de vazios natural próximo de emáx, traduzindo-se em regra o decorrer da sua história geológica num progressivo decréscimo do índice de vazios. Os solos antigos tendem pois a ser mais compactos do que os
“solos recentes. ~~
Tem pois interesse, perante determinado solo, comparar o respectivo índice de vazios de ocorrência (e) com os valores máximo ( e ^ ) e mínimo (emJ que aquela grandeza pode assumir. Define-se então o parâmetro designado por índice de compacidade(*) como:
ID = _5sfel£_xl00(%)
(1.4)
£ - — 6 rmix mui•
grandeza que varia entre 0 e 100% consoante o solo apareça na compacidade mínima ou máxima, respectivamente. No Quadro l.IH refere-se uma classificação dos solos arenosos quanto à compacidade. Quadro 1.111 Areia ID i% ) Muito solta 0 - 1 5 Solta 1 5 -3 5 Medianamente compacta 3 5 - 6 5 Compacta ou densa 6 5 - 8 5 Muito compacta ou muito densa 85 - 100
O índice de compacidade é um parâmetro de grande utilidade já que fornece indicações acerca da maior ou menor susceptibilidade do solo em experimentar deformações volumétricas quando carregado, isto é, sobre a sua compressibilidade. Como é óbvio, quanto maior fôr o índice de compacidade, menos compressível será o solo. Adiante se discutirão outros aspectos do comportamento mecânico dos solos a respeito dos quais o índice em causa fomece igualmente úteis indicações.
Uma referência final é necessária para as situações em que um dado solo granular vai ser usado como material de aterro, isto é, vai ser removido do seu local de jazida, transportado para outro local onde, em geral, é espalhado por camadas e compactado com equipamento apropriado (ver Capítulo 6). Em tais casos não é relevante se o solo está solto ou compacto no estado natural mas sim a compacidade que pode atingir quando compactado. Ou seja, o que é importante é a graduação do solo: quanto melhor graduado ele fôr, mais baixo será o índice de vazios que a compactação lhe pode conferir, logo melhor será o seu comportamento sob as cargas actuantes no aterro. '
Este parâmetro era tradicionalmente designado por compacidade relativa.
5 - MINERAIS DE ARGILA
Conforme se refere no Anexo 1, a superfície específica de uma dada partícula cresce acentuadamente quando diminuem as suas dimensões. As partículas mais grossas (em especial as areias e os cascaLhos), para além de serem em regra constituídas por um material quimicamente estável (o quartzo), têm superfícies específicas muito pequenas, inferiores a lm2/g. Por isso as chamadas forças de superfície, que se manifestam entre as moléculas dispostas na superfície das partículas e a água dos poros do solo, são desprezáveis, sendo largamente ultrapassadas pelas forças gravíticas. O comportamento de um solo granular é assim fundamentalmente determinado, como já foi sublinhado, pela forma e pelas dimensões dos respectivos grãos e pelo modo mais ou menos compacto como eles estão arrumados.
Com as partículas de dimensão argila algo de muito diferente se passa! Devido às suas reduzidíssimas dimensões, e também porque apresentam em geral a forma de lâminas ou placas, essas partículas apresentam enormes superfícies específicas, o que faz com que uma grande percentagem das moléculas que as formam esteja situada na respectiva superfície. Por outro lado, a sua composição mineralógica (sílicatos hidratados de alumina) favorece o desenvolvimento de reacções químicas com a água presente no solo e com os sais que aquela tem dissolvidos. Desta forma, geram-se importantes forças de superfície que acabam por comandar o comportamento do agregado de partículas, ultrapassando largamente o efeito das forças do peso próprio^.
De uma forma muito simplificada, pode dizer-se que, devido ao arranjo da sua estrutura molecular, as partículas de argila apresentam cargas eléctricas negativas nas faces (e também algumas cargas positivas nos bordos). Devido a essas cargas (ver Fig. 1.4) as partículas de argila atraem iões positivos (catiões) de sais dissolvidos na água (Na+, K+, Car, Al'4', etc) bem como moléculas de água (moléculas que são dipolos, ou seja, têm de um lado cargas positivas, dos dois átomos de hidrogénio, e do outro negativas, do átomo de oxigénio). As moléculas de água mais próximas da superfície da partícula estão submetidas a tensões elevadíssimas, encontrando-se praticamente no estado sólido. Cada partícula pode atrair várias camadas de moléculas de água e catiões até ficar electricamente neutralizada. Designa-se essa água por agua adsorvida.
Partículas cujo comportamento seja comandado peias forças de superfície e não pelo peso próprio designam- se.-por-Coloides.Em -geralasparíícuIascom superfícies especificas superiores a-2-5m2/g têm cornportament<x coloidal.
Além das forças atractivas citadas manifestam-se também forças repulsivas, nomeadamente entre cargas eléctricas do mesmo sinal situadas na periferia das partículas vizinhas. No interior da massa terrosa as partículas adoptarão posições relativas de modo a que em cada ponto haja equilíbrio entre forças atractivas e repulsivas. Se o teor em água do solo fôr elevado, aquele equilíbrio estabelece-se para distâncias consideráveis entre partículas, cada uma delas cercada por uma espessa "nuvem" de moléculas de água e respectivos catiões de sais nesta dissolvidos; ter-se-á então um solo com baixa consistência e elevados índice de vazios e porosidade. Se, pelo contrário, o teor em água do solo fôr reduzido, a "nuvem" de água adsorvida atinge menor desenvolvimento, muitas das assimetrias eléctricas (cargas negativas, essencialmente) da superfície de cada partícula não podem ser neutralizadas apenas com os catiões e os dipolos de água que lhe estão mais próximos, atraindo também os que estão na vizinhança das partículas vizinhas. O balanço entre forças atractivas e repulsivas estabelece-se então para menores distâncias entre partículas. Ter-se-á então um solo com maior compacidade, menores índice de vazios e porosidade, grandes forças interpartículas, elevada consistência.
Convém esclarecer que, para além da distância média entre partículas, a disposição relativa destas, que na literatura especializada se designa por "estrutura do solo", depende de factores muito diversos e ainda não completamente esclarecidos. A estrutura que se representa na Figura 1.4 designa-se por estrutura floculada e parece ser típica de argilas que sedimentaram em ambientes salinos. Esta estrutura pode, por exemplo, evoluir para uma outra caracterizada por um mais pronunciado paralelismo entre as partículas - estrutura orientada - caso o solo seja carregado por tensões verticais muito elevadas associadas ao peso de novos sedimentos.
Fig. 1.4 - Solos argilosos: a) grupo de partículas em estrutura floculada; b) pormenor de uma partícula.
Sob o ponto de vista que interessa ao Engenheiro Civil, existem três tipos fundamentais de argilas: as caulinites, as ilites e as montmorilonites. No Quadro l.IV indicam-se para estes três tipos de argilas as ordens de grandeza da superfície específica, do diâmetro e da razão espessura/diâmetro das respectivas partículas (recorde-se que, em geral, aquelas partículas
assumem a forma de placas). - .
Quadro LIV
f
|
J Montmorilonite 800 0,1 - 1,0 1/100
) (*) lpun = 0,001mm
Como se pode verificar, é nas montmorilonites que a superfície específica atinge valores mais elevados. Além disso, o seu arranjo molecular, ao determinar um grande número de cargas eléctricas nas faces das partículas, aumenta também a sua capacidade de adsorção de sais e moléculas de água. Daí ser em solos desse tipo que, no estado natural, podem aparecer teores em água e índices de vazios mais elevados.
Do exposto pode concluir-se que o parâmetro que comanda o comportamento dos solos finos, em geral designados por solos argilosos, é o teor em água. Enquanto que num solo arenoso a arrumação das partículas, logo o índice de vazios, é independente do teor em água do solo, num solo argiloso é o teor em água que determina a disposição das partículas, logo o índice de vazios e a consistência. Enquanto que num solo granular existe uma relação unívoca entre o grau de saturação e o teor em água, um solo argiloso pode encontrar-se saturado para uma larga gama de valores do teor em água.
Pode pois compreender-se que para solos com características argilosas a sua identificação exija parâmetros que reflictam a dependência do comportamento do solo em relação ao teor em água. Esses parâmetros são os chamados limites de Atterberg ou de consistência, e serão em seguida apresentados:
Mineral de argila Sup. específica (m2/g) Diâmetro (jjjh) Espessura/diâmetro
-CauHníte 1 0 -2 0 0,3 -3 ,0 1/3 - 1/10
Ilite ' 8 0 -1 0 0 0,1 -2 ,0 1/10
Montmorilonite 800 0,1 - 1,0 1/100
6 - LIMITES DE ATTERBERG OU DE CONSISTÊNCIA 6.1 - Definição
Tome-se uma pasta de solo fino misturada homogeneamente com água. Para valores muito elevados do teor em águà a mistura água-solo comporta-se como um líquido, isto é, toma a forma do recipiente em que fôr introduzida (Fig. 1.5). Reduzindo de forma homogénea e progressiva o teor em água, a partir de certo ponto a pasta passa a ter um comportamento moldável, isto é, c o n s e rv a a forma que lhe for conferida por qualquer processo.
Figura 1.5 - Definição dos limites de consistência ou de Atterfcerg.
Prosseguindo na redução de w, a partir de certo valor desta grandeza o comportamento do solo passará a ser friável, ou seja, separa-se em fragmentos quando se tenta moldá-lo. Se a redução da água presente no solo continuar, ela a partir de certo ponto deixa de acarretar uma redução do volume da amostra (ou da porosidade) passando a secagem a fazer-se a volume constante.
Os três valores do teor em água que balizam ou limitam as quatro zonas de diferentes comportamentos são, respecdvamente, o limite de liquidez, wL, o limite de plasticidade, wP e o limite de contracção, wc (a este limite também se chama, por vezes, limite de retracção). A diferença entre os limites de liquidez e de plasticidade (os dois limites que mais se utilizam e que mais informações úteis fornecem àcerca do comportamento do solo) designa-se por índice de plasticidade, IP:
I p = w L - w p (1.5)
Obviamente que a transição entre os quatro tipos de comportamento é, em geral, relativamente "suave", prestando-se pois, se nada mais fosse adiantado, a que os valores dos limites de consistência fossem largamente afectados pelo processo da respectiva determinação e pela opinião da própria pessoa que a ela procedesse. Isto não acontece porque à definição que atrás se apresentou para cada ura dos limites se associou uma determinada norma de ensaio (Norma Portuguesa, NP - 143, 1969).
o qual se exprime (tal como o teor em água) em percentagem.
6.2 - índices de consistência e de liquidez
A comparação do teor em água natural, w, de um dado solo argiloso com os limites de Atterberg fornece uma indicação aproximada da consistência do solo. Para o efeito é corrente usar o chamado índice de consistência, Ic, de equação:
Wr - w w, —w
I C = — --- = 0-6)
" wl~wp h
O índice de consistência pode, como é óbvio, ser superior à unidade (quando no seu estado natural o solo ocorre com um teor em água inferior ao limite de plasticidade, caso em que o solo argiloso será já muito consistente). No Quadro l.V inclui-se uma classificação dos solos argilosos quando à consistência.
Quadro l.V .
Argila *c
Muito mole Mole Média Dura, Muito dura e Rija
0,0 - 0,25 0 ,2 5-0,50 0,50.-0,75
>0,75
w - w p L ~
WL - W P (1.7)
É fãcil verificar que os dois índices anteriormente definidos estão relacionados por meio da equação
(1.8)
pelo que IL pode ser negativo.
6.3 - Actividade das argilas
No Quadro 1 A l incluem-se valores da ordem de grandeza dos limites de consistência e índices de plasticidade de fracções puras dos três tipos de argila já atrás referidos.
!
Quadro l.VI Argila wL (%) M>p (%) Ip (%) Montmorilonite . 290 -710 5 4 -7 5 215 - 656 Ilite 95 - 120 45 - 53 4 9 - 6 7 Caulinite 3 8 -5 9 2 7 - 3 7 1 1 -2 3Deve notar-se que, em regra, os solos naturais são constituídos por fracções granulométricas diversificadas, sendo muito raros os casos de solos constituídos apenas por partículas de dimensão "argila". Skempton demonstrou que existe uma aproximada proporcionalidade entre o índice de plasticidade de um dado solo e a percentagem em peso da respectiva fracção argilosa, de um dado mineral de argila, presente nesse solo. A Figura 1.6 resume os resultados do autor.
Na Figura 1.6a), para diversos solos naturais, procedeu-se à separação das partículas de dimensão argila e áas restantes para seguidamente se proceder à sua mistura mas conduzindo a fracções argilosas variando num largo intervalo. A proporcionalidade de IP em relação à fracção argilosa é evidente.
A Figura 1.6b) ilustra resultados de misturas de minerais de argila bem conhecidos com areia de quartzo. Compreender-se-á que o declive das rectas que relacionam a fracção argilosa com o índice de plasticidade seja maior na montmorilonite sódica do que na ilite e maior nesta do que na caulinite, tendo em vista as propriedades de cada um daqueles minerais já comentadas que são relevantes para a sua capacidade de adsorver água.
Ao declive referido, isto é, à razão do índice de plasticidade do solo pela percentagem (em peso) da fracção de argila desse solo chama-se a actividade da argila:
%
<2pm
(1.9) !p(%) lp (%) 80 60 a) 40 20 ShelJaven V (1 -33)/
• x <Arg. ^Londres 0.95). o5 / O " / v r / Arc . Weald 0 fm / / ^ A / / / í* / !-lorten 'iZ A j i [ü.42; 20 40 50 80 100Fracção de argila (< 2 fim) (%}
400 300 b) 200 100 M o itm o rilo n (At = 7 .: :té N a , /
/
r
.../
/ / / / / J / / / 7 / -U \te ( £ — C --- ! t = 0 . 9 ) , _ — - ã u lin ite ( A t^ O - jS j 20 40 60 60 Fracção de argila (< 2 pm) (%) 100Figura 1.6 - Relação entra a percentagem de argila e o índice de plasticidade (Skempton, 1953): a) quatro solos naturais; b) misturas de areia de quartzo com fracções puras de caulinite, ilite e montmorilonite.
O Quadro l.VII inclui uma classificação das argilas quanto à actividade. Do exame conjunto da Figura 1.6 e do Quadro l.VII pode concluir-se que as montmorilonites são muito activas, as ilites são normais e as caulinites são pouco activas.
Quadro l.Vn Argila Muito activa Normal Pouco activa > 1,25 0,75 - 1,25 <0,75
A comparação do valor de A t para um dado solo com os valores conhecidos da actividade dos principais minerais de argila (ver Figura 1.6) ajudará a conhecer, por via indirecta, a composição mineralógica da argila em causa. Ora, este aspecto assume importânciá muito particular! Primeiro porque aquela composição determina, como já se viu, a (em termos qualitativos) actividade do solo, que tem óbvios reflexos nas propriedades deste que são relevantes na Engenharia Civil. Segundo, porque a determinação por via directa da composição mineralógica exigiria processos e meios morosos, relativamente sofisticados e de custo elevado (raios x, microscópico electrónico, etc).
7 - ALGUNS SOLOS .ARGILOSOS E SEUS PRINCIPAIS ÍNDICES FÍSICOS
Em fracções argilosas puras o índice de vazios pode atingir valores elevadíssimos. Repare-se, por exemplo, no caso de uma montmorilonite sódica com um teor em água de 650% (próximo do respectivo limite de liquidez); adoptando para a densidade das partículas, G, o valor aproximado de 2,65, o índice de vazios correspondente seria cerca de 17! Como já se disse, contudo, muito raramente os maciços terrosos naturais serão argilas puras. Ainda assim, valores muito altos do índice de vazios de solos argilosos, nomeadamente muito mais elevados do que os valores máximos daquele parâmetro para os solos granulares, ocorrem de facto na Natureza.
Sublinhe-se que a ordem de grandeza do teor em água e do índice de vazios dos solos que contêm argila não depende apenas do tipo desta e da maior ou menor percentagem que ela representa do peso total do solo. Aqueles parâmetros dependem também acentuadamente da história geológica do maciço terroso, logo do estado de tensão a que o solo está e esteve submetido. Com efeito, as forças exteriores que se aplicam à massa de solo argiloso, nomeadamente o peso de sedimentos eventualmente sobre ele depositados, vão adicionar-se às forças atractivas inteipardculas forçando uma rearrumação do esqueleto sólido do solo,
i.i hn KM H iK iH W fm tj M
rearrumação que implica expulsão da água dos poros, logo redução do teor em água e do índice de vazios.
É isso que mostra a Figura 1.7 que para vinte depósitos argilosos representa a relação entre o índice de vazios e o teor em água (eixos das ordenadas) com a profundidade e a tensão efectiva vertical de repouso^. Em todos os casos trata-se de depósitos normalmente consolidados, isto é, que nunca estiveram sob tensão efectiva maior do que a existente actualmente. Os valores do limite de liquidez para cada caso estão indicados na legenda da figura junto ao símbolo do local respectivo.
As curvas da figura ilustram claramente a progressiva redução do índice de vazios e do teor em água desde argilas muito recentes situadas imediatamente abaixo do fundo dos oceanos, passando por argilas quaternárias a algumas dezenas de metros de profundidade, até argilas do fim do terciário (Pleistocénico) a mais de mil metros de profundidade.
- 70 =
100000
"UMO 3Jjüó ta Figura 1.7 - Curvas " sedimenta çao-compres são" para depósitos argilosos normalmente consolidados
(Skempton, 1970).
O a tensão efectiva vertical de repouso num ponto a dada profundidade representa o peso dos terrenos sobrejacentes subtraído da impulsão correspondente às camadas submersas (ver Capítulo 2).
As curvas representadas são designadas por "curvas de sedimentação-compressão" do solo natural. A figura permite concluir que:
a) os solos argilosos podem apresentar teores em água e índices de vazios variando entre limites extremamente largos;
b) em regra, os solos argilosos muito recentes, logo existindo a muito pequenas profundidades, apresentam teores em água elevados, próximos do respectivo limite de liquidez, tendendo aqueles a reduzir-se com o carregamento de novas camadas, logo com a profundidade e a idade do depósito;
c) para uma dada profundidade, o índice de vazios e o teor em água dependem da natureza e da quantidade dos minerais de argila presentes (traduzidos pelo limite de liquidez indicado na figura); quanto maior for o limite de liquidez mais elevados serão aqueles dois índices físicos;
d) para cada depósito a curva sedimentação-compressão é essencialmente linear (representando as tensões em escala logarítmica).
Por sua vez o Quadro l.V m inclui algumas características físicas e os limite de liquidez e de plasticidade de algumas amostras de depósitos argilosos.
As três primeiras linhas referem-se a depósitos finos formados junto ao litoral português após a última glaciação. Estes depósitos possuem em regra um alto teor em matéria orgânica e a sua fracção granulométrica predominante corresponde a partículas de dimensão silte. Podem ser considerados representativos dos aluviões de solos moles do nosso litoral onde o índice de vazios raramente ultrapassa 2,0.
Seguem-se três dos solos argilosos mais estudados do planeta: as argilas da Cidade do México, de Oslo e de Boston. A primeira tem origem lacustre e deve os seus altíssimos índice de vazios e teor em água ao facto de a sua fracção argilosa ser do tipo das montmorilonites, logo muito activa. As argilas de Oslo são representativas de solos que tiveram origem em depósitos no fundo do oceano e que foram posteriormente elevados, ocupando actualmente extensas áreas da península da Escandinávia. A formação em ambiente salino proporciona-lhes uma estiutura altamente floculada. No entanto, o longo tempo de exposição acima do oceano proporcionou a sua lexiviação pela água pluvial, processo que consiste no desaparecimento de sais da sua constituição química com enfraquecimento das suas ligações moleculares e interpartículas. Isso confere-lhes uma elevada "sensibilidade", que consiste em, para um dado teor em água, apresentarem consistência muito menor no estado remoldado do que no estado "intacto" (na literatura de língua inglesa as argilas sensíveis designam-se por "quick clays"). Esta propriedade acarreta por vezes escorregamentos de terras verdadeiramente catastróficos e
dificilmente controláveis (os chamados "landslides"), porque este tipo de solos quando perturbados exibem uma abrupta quebra de resistência passando a um estado fluído. Como indica o Quadro l.VHI, neste tipo de solos é típico que o teor em água natural esteja consideravelmente acima do limite de liquidez (significa isso que o respectivo índice de liquidez é maior do que 1), o que se compreende facilmente já que os limites de Atterberg são determinados com amostras remoldadas do solo. A argila azul de Boston tem idade e origem similares à de Oslo, embora não apresente muito alta sensibilidade. O facto de as suas características serem particularmente bem conhecidas não é de estranhar: ela dá fundação a uma das escolas onde a Mecânica dos Solos se desenvolveu: o Massachusetts Institute of Technology.
- í
i
->
As duas últimas linhas do quadro referem-se a solos muito mais antigos que já se encontraram a profundidades e estados de tensão substancialmente maiores do que no presente (solos que adiante se designarão por fortemente sobreconsolidados). Daí os seus teor em água e índice de vazios relativamente baixos, com especial destaque para a argila miocénica de Lisboa que constituí já uma rocha branda.
Quadro l.V m
i í^tT i 'íuirA
- J
■vt Ha' nfiô 0'.y?rUTSC
Saio/Loca] Idade Profund.
(m) w (%) WL (%) WP (%) e T kN/m3)
Aluviões siíto-argilosos do estuário do Leça - Porto de Leixões (doca. 2)
Holocénico <
10.000 anos 22 62 72 50 16,5
Aluviões süto-argilosos da Ria de Aveiro - canal da Esgueira junto ao IP5
Holocénico <
10.000 anos 3,8-5,3 63 77 42 16,1
Aluviões argilosos do estuário do Tejo - locai da nova ponte em Lisboa
Holocénico <
10.000 anos 11-12 55 65 28 16,4
Argila da Cidade do México (Jardin ^BaJbuena)
Fira do Pleistocénico
(Quaternário) - 350. 310 80 1 U
Argila de Oslo (Manglemd) Pleistocénico
(Quaternário) 5-10 40 28 19 0.93 16,5
Argila azul de Boston (Campus do M.I.T.)
Pleistocénico
(Quaternario) 10-30 31-40 39-51 17-24 0,84-1,08 17,9-19,0
Argila de Londres (Paddington) Eocénico
(Terciário) (=30 milhões
de anos)
0-42 23-29 75-85 20-28 0,61-0,77 1S.9-19.9
Argilas cinzentas de Lisboa - Cais do Sodré Miocénico (Terciário) ( s ó milhões de anos) 10-11
0
32 170
22,7 ■Cr J-f /1.21
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8 - OS MACIÇOS DE SOLOS RESIDUAIS -^>
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0 í d s S o p ^ TM *ípsíír£
8.1 - Considerações gerais
Depois de se terem analisado as características físicas típicas dos maciços de solos argilosos e arenosos de origem sedimentar, isto é, formados após transporte das partículas e deposição das mesmas no local da jazida, por vezes ao longo de centenas ou milhares de quilómetros, é indispensável fazer uma referência aos maciços de solos residuais. Sempre que os processos de desintegração e de decomposição química das rochas são mais rápidos do que os processos de erosão e de transporte dos grãos resultantes daqueles, formam-se no próprio local da chamada "rocha mãe" maciços terrosos designados por solos residuais.
Os solos residuais são especialmente frequentes nas regiões de clima tropical ou sub tropical porque a abundância de água e a temperatura relativamente elevada proporcionam ambiente favorável às reacções químicas envolvidas no processo de alteração das rochas. Por outro lado, a vegetação abundante existente em climas com aquelas características defende os solos da erosão facilitando pois a acumulação do material meteorizado no local de formação.
No caso do nosso país, uma parte significativa da região Norte litoral onde as formações geológicas predominantemente são as rochas graníticas, os solos residuais daquelas resultantes - em geral conhecidos por "saibros" - são particularmente abundantes. À sua espessura pode ultrapassar a vintena de metros em certos locais, sendo todavia mais correntes espessuras até 10m.
A Figura 1.8 ilustra um perfil típico num maciço rochoso com zona superficial alterada e com recobrimento de solos residuais. No Quadro l.IX as seis zonas em que o maciço está dividido são descritas em pormenor pelo próprio autor da figura. Na coluna da direita incluem- se os símbolos W1 a W5 - classificação da Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas - que em geral são usados nos relatórios dos estudos de reconhecimento geotécnico dos locais para caracterizar de modo sucinto as diversas zonas atravessadas. Em rigor, só a zona superficial (graus V e VI da classificação de Little e W5 na classificação ISRM), poderá ser considerada um maciço terroso.
Figura l.S - Perfil tipico de um maciço rochoso com zona superficial alterada e com solos residuais (Little, 1969).
Em termos dos parâmetros físicos já atrás definidos, com o avanço da alteração iímica das rochas (logo, quanto mais perto da superfície, tendo como referência o perfil de teração esquematizado na Figura 1.8):
--- > a) aumentam a porosidade e o índice de vazios; (j>. / Z ) aumenta o teor em água;
c) reduzem-se o peso volúmico e o peso volúmico seco; ( { * f / d) diminui o tamanho médio das partículas.
Quadro 1JX - Classificação dos diversos graus de alteração (Little, 1969).
GRAU DESIGNAÇÃO CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS ISRM (*)
VI SOLOS A textura da rocha não é reconhecível, as zonas mais superficiais contêm
humus e raizes de plantas. Instável em taludes quando a cobertura é destruída.
V ROCHA
COMPLETAMENTE ALTERADA
A rocha está completamente decomposta pela alteração in si tu , mas a textura original é ainda visivel. Quando a rocha-mãe é o granito, os feldspatos originais estão completamente alterados em minerais de argila, não sendo recuperada como testemunho de sondagem em furos por rotação normal. Pode ser escavada à mão. Não pode ser utilizada como fundação de barragens de betão ou de grandes estruturas. É possível empregar-se como fundação de barragens de aterro e como aterro. E instável em cortes muito altos e abruptos. Requer protecção contra a erosão.
W5
IV ROCHA MUITO
ALTERADA . •
A rocha está tão enfraquecida pela alteração que mesmo grandes fragmentos são facilmente partidos ou esmigalhados à mão. Por vezes é recuperada como testemunho de sondagem em furos à rotação executados cuidadosamente. Apresenta coloração devida à limonite. Contém menos de 50% de rocha.
W 4
m ROCHA
MODERADAMENTE .ALTERADA
Alteração considerável em toda a rocha. Possui alguma resistência: grandes fragmentos (testemunhos com diâmetro NX) não são partidos à mão. Muitas vezes apresenta coloração devida à limonite. A percentagem de rocha está compreendida entre 50 e 90%. É escavada com grande dificuldade sem a utilização de explosivos.
W 3
n ROCHA POUCO
ALTERADA
Distintamente alterada na maior parte da rocha e com alguma coloração devida á limonite. Nos granitos há alguma decomposição dos feldspatos. A resistência aproxima-se da da rocha sã. Mais de 90% do material é rocha. Necessita de utilização de explosivos na escavação.
W 2
i ROCHA SÃ A rocha sã pode apresentar alguma coloração devida à limonite em díaclases
imediatamente abaixo da rocha alterada. W1
(*) Segundo a classificação da Intimaiiooal Society for Rock Mechanics.
Apesar de os solos residuais cobrirem partes muito significativas da superfície da tenra, os conhecimentos da Mecânica dos Solos a eles respeitantes encontram-se substancialmente mais limitados do que os referentes aos maciços de solos transportados. Com efeito, as bases da Mecânica dos Solos foram estabelecidas tendo como referência priviligiada estes últimos solos porque estes são mais abundantes nos países e regiões mais desenvolvidos e também porque, ainda que relativamente mal dominado, o comportamento dos solos residuais coloca problemas menos delicados do que, por exemplo, o das argilas moles. Além disso, há que reconhecer que os solos residuais apresentam algumas características particularmente complexas.
Por exemplo, constata-se que os solos residuais podem exibir características e comportamentos mecânicos significativamente diferentes de solos sedimentares com granulometria, índice de vazios e teor em água semelhantes. Parâmetros como os índices
de liquidez, de consistência e de compacidade, a percentagem de argila, etc., extremamente informativos acerca da deformabilidade e da resistência dos solos sedimentares, são-no muito menos, ou mesmo nada, para os solos residuais.
Tal é devido, fundamentalmente, às ligações interpartículas, quer às herdadas do maciço rochoso original, embora mais ou menos enfraquecidas, quer às que resultaram de reacções químicas envolvidas no próprio processo de meteorização. Este aspecto toma aliás discutível a representatividade da própria curva granulométrica do solo, tendo em vista que ela é obtida a partir de um processo susceptível de afectar e quebrar muitas das ligações referidas.
. Outro aspecto que dificulta a caracterização dos maciços de solos residuais para um dado fim, é a sua típica heterogeneidade. Com efeito, num dado local, quer a espessura dos solos residuais quer as suas características podem variar bruscamente de ponto para ponto. Esse aspecto é explicado porque a alteração dos maciços rochosos é essencialmente devida às águas pluviais e estas penetram mais abundante e profundamente nas zonas onde a fracturação do maciço é mais intensa. Ora, dado que os factores que determinam esta são francamente aleatórios e variáveis também de ponto para ponto, acabam por condicionar a heterogeneidade da própria meteorização.
Este aspecto é particularmente corrente nas formações graníticas e nos solos residuais que delas resultam, os quais, conforme foi referido, cobrem extensas áreas do Norte e Centro de Portugal pelo que a seu propósito se justifica acrescentar mais algumas considerações.
8.2 - Os solos residuais do granito de Portugal
A Figura 1.9 mostra um perfil de alteração de um maciço granítico típico de muitos locais da região Norte de Portugal. Por sua vez, a Figura 1.10 mostra uma fotografia obtida a partir de microscópio electrónico de partículas de caulinite de um solo residual do granito colhido no túnel ferroviário de acesso à ponte de S. João em Vila Nova de Gaia (Begonha,
1989).
Com efeito, as caulinites são as argilas mais correntes nos solos residuais do granito já que resultam da decomposição química dos feldspatos presentes naquela rocha. Em geral, todavia, a fracção argilosa é nos solos residuais em análise bastante modesta, sendo em geral tais solos classificados com areias siltosas. É isso mesmo o que pode ser constatado na Figura 1.11 onde estão incluídos os resultados de mais de 100 análises granulométricas desses solos.
( ( ( ( ( ' ( ( ( ( ( C ( C C C ( C C C Ç ( ( ( ( C C C ( C C ( ( C ( Ç ( ( C C C ( C C C ( C C . C ( C ( ( ( ( C . C ( (\(
Figura. 1.9 - Perfil de alteração de um maciço granítico.
Figura 1.10 - Microfotografia por microscópio electrónico da fracção argilosa de uma amostra de solo residual de granito - túnel ferroviário adjacente à ponte de S. João em Vila Nova de Gaia (retirada de "Alteração das Rochas Graníticas do Norte e Centro do Portugal. Uma Contribuição", Arlindo Begonha, UNL, 1989).
Devido à reduzida percentagem de argila e ao tipo desta, em geral os solos graníticos residuais são solos pouco plásticos ou mesmo, nos- casos em que a alteração química não se encontra muito avançada, "não plásticos". Designam-se por "não plásticos" os solos em relação aos quais não é possível a determinação dos limites de Atterberg.
0.071 0.1CS 0.180 0.25 Q l« 0.24 2.00 4.75 S.S2
Figura 1.11 - Curvas granulométricas de solos residuais do granito de Portugal - o fiiso ponteado corresponde a mais de 100 curvas (Viana da Fonseca et al, 1994).
O Quadro 1 .X inclui valores correntes de alguns parâmetros físicos dos solos residuais do granito.
Quadro l.X
'!s (*) wL (**) /,(* * ) w S e 7
(kN/m3) (%) (%) (%) (%) (kN/m3)
25,7 - 26,5 2 5 -4 0 2 - 1 3 1 5 -2 5 80-1 0 0 0,40 - 0,70 1 8 ,5 -2 1 4 (*) É tam bém . aproximadamente, o peso volúmico do granito são.
(**) Em ajguns casos os solos são "não plásticos".
9 - CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS
No que respeita à classificação dos solos interessa referir essencialmente três tipos fundamentais: i) a classificação quanto ao tipo de dimensões; ii) a classificação quanto à origem; iii) a classificação relacionada com as aplicações dos solos como materiais de construção.
A classificação quanto ao tipo e dimensões já foi implicitamente apresentada nos pontos anteriores. Basicamente os solos dividem-se em argilas, siltes, areias e cascalhos (ou seixos) conforme as dimensões das suas partículas estão compreendidas dentro dos limites que a Figura 1.1 mostra. Os siltes, areias e cascalhos podem ainda classificar-se, no que repeita às dimensões, em finos, médios e grossos. Chama-se novamente a atenção para a utilidade da Figura 1.2 para a designação de solos compostos por partículas cujos tamanhos correspondem a mais de um dos tipos acima enumerados.
Recorde-se que os solos granulares (basicamente as areias e os cascalhos) foram classificados (ver Quadro l.IH) quanto à sua compacidade em soltos, medianamente compactos e compactos ou densos. No que respeita aos solos argilosos eles foram classificados (ver Quadro l.V) quanto à consistência em muito moles, moles, médios, duros, muito duros e rijos. Ainda a propósito dos solos argilosos, estes costumam designar-se por Iodos quando apresentam elevado teor em matéria orgânica.
No que respeita à classificação quanto à origem, os solos podem, em primeiro lugar, dividir-se em residuais e transportados. Os primeiros, como já foi referido, são os que resultaram da desintegração e(ou) decomposição "in situ" da rocha mãe, ou seja, aqueles que ocupam sensivelmente o mesmo espaço que ocupava a rocha que lhes deu origem. Em contraposição, os solos transportados (solos sedimentares) são aqueles que se formaram a maior ou menor distância da rocha-mãe, após terem sido levados pela água, vento (transporte eólico) ou glaciares, ou simplesmente pela acção da gravidade. Os depósitos formados após transporte pela água designam-se habitualmente por aluviões. Coluviões são, por seu turno, depósitos formados nos vales resultantes do transporte de detritos pela água e pela gravidade ao longo das encostas. Ainda no que se refere à origem, é usual a designação de aterro para um maciço formado pela acção do Homem.
Dentre as classificações destinadas a aplicações destaca-se a chamada Classificação
Unificada que se reproduz no Quadro l.XI. Esta classificação, destinada a orientar a
utilização dos solos como materiais de aterro (aterros para estradas, aeródromos, barragens de terra, etc.) divide os solos em quinze grupos, divisão essa que é feita com base nas respectivas características de identificação (composição granulométrica e limites de consistência).
Na versão apresentada, relativa à revisão efectuada em 1985 pela ASTM, a classificação do solo, isto é, o seu grupo, corresponde a um símbolo (duas letras maiúsculas, em geral) e a um nome. Em anexo à norma referida encontra-se vasta informação destinada a exemplificar a sua aplicação, nomeadamente nos casos menos comuns, e ainda respeitante aos processos a adoptar na preparação das amostras e nos ensaios necessários à classificação.
A utilidade desta classificação reside no facto de a experiência de muitas obras ter possibilitado uma associação de cada um dos grupos de solos referidos a determinados comportamentos mais ou menos desejáveis para diversos fins. Na fase de estudo de determinada obra de aterro é assim possível, com base em ensaios tão simples como os de identificação, escolher, dentre os solos que se apresentem como passíveis de utilização na vizinhança da obra, aqueles que melhor correspondam às exigências daquela. A título de exemplo, o Quadro l.XH resume algumas importantes propriedades dos solos dos grupos em que se divide a Classificação Unificada depois de compactados.
Quadro 1.XI - Classificação de solos (ASTM D 24S7-85).
■A
Critérios para designação dos símbolos c nome Classificação do solo
dos grupes utilizando ensaios de laboratório (a)
.
F
/ Símbolo do grupo I Nome do grupo (b) Cascalho mais de y ■ JCascalhos limpos (c) Cu > 4 e l < C c < 3 ( e ) GW Cascalho bem
graduado (i)
?
50% da fracção
Menos de 5% de finos Cc / < 4 e/ou I > C C > 3 (e) r a 0 r Cascalho mal
graduado (í)
grossa retida no
Cascalhos com finos (c) MHFinos classificados como ML ou GM Cascalho siítoso
(f).(g ),(h )
SOLOS GROSSOS peneiro n° 4 M ais de 12% de finos Finos classificados como CL ou
CH
GC Cascalho argiloso
mais d« 5C° o retido Areias
50% ou mais
Areias limpas (d) C u > 6 e l < C c < 3 ( e ) ' SW .Areia bem
graduada (i)
no peneiro a® 200 da fracção Menos de 5% de finos Cu < $ e/ou l > C c > 3 ( e ) SP Areia mal
graduada (i)
f) I
grossa passa no Areias com finos (d) Finos classificados como ML ou . MH SM Areia siftosa (g),
(h ),(i)
peneiro n° 4
M ais de 12% de finos Finos classificado^ como CL ou
CH SC Areia argilosa (g)," ... . ) OOtCO Siltes Inorgânico IP > 7 e situa-se na linha A ou acima desta © CL Argila magra. (k), (1). (m)
SOLOS FINOS e Arguas IP < 4 ou situa-se abaixo da
linha A Q ML Silte (k), (1), (m) 50% ou mais w < 50% Orgânico W, (sccoem estufa) _=-1--- f< 0 ,7 5 WL (sem secagem) © L Argila orgânica (k ).(l),(m ).(n ) Silte orgânico (k), (1), (m), (o) passado no peneiro Siltes Inorgânico
IP situa-se na linha A ou acima desta
CH Argila gorda (k),
0), (m)
n° 200 e Argxlas IP situa-se abaixo da linha A MH Silte elástico (k),
G).(m )
> 50%
Orgânico WL - seco em estufa ^ Q 7 -
WL-sem secagem
OH Argila orgânica
(k ),(I).(m ).(P ) Silte orgânico (k), (1). (m), (q)
Solos altamente orgânicos, principalmente matéria orgânica, cor escura e odor orgânico Pt Turfa
y t f ê
Quadro l.X I - Classificação de solos (ASTM D 2487-85) (Continuação). (a) Baseado no material passado no peneiro 3" (75mm)
(b)
(c)
(d)
Se a amostra virgem tiver blocos e/ou calhaus junte "com blocos e/ou calhaus" ao nome do grupo Cascalho com 5% a 12% de finos precisa de dois símbolos
GW - GM Cascalho bem graduado com silte GW - GC Cascalho bem graduado com argila GP - GM Cascalho mal graduado com silte GP - GC Cascalho mal graduado com argila
Areia com 5% a 12% de finos precisa de dois símbolos SW - SM Areia bem graduada com silte
SW - SC Areia bem graduada com argila ^ £.»■
SP - SM Areia mal graduada com silte P . cnnly*,
SP - SC Areia mal graduada com argila ■ ^
(e) Cu — D6Q ! Ao Q: — (A o) / (Ao x A o)
6>o—
(f) Se o solo contém > 15% de areia, junte "com areia" ao nome do grupo (0) Se os finos se classificam como CL-ML, use dois símbolos: GC-GM, SC-SM (h) Se os finos são orgânicos, junte "com finos orgânicos" ao nome do grupo (1) Se o solo contém > 15% de cascalho, junte "com cascalho" ao nome do grupo 0) Se os limites de Atterberg se situam na zona sombreada da carta de plasticidade, o solo é um CL-ML,
argila siltosa
00 Se o solo contém 15 a 30% retido no peneiro n° 200, junte "com areia” ou "com cascalho" confonne o predominante
0) Se o solo contém > 30% retido no peneiro n° 200, predominantemente arenoso, junte "arenoso" ao nome do grupo
(m) Se o solo contém > 30% retido no peneiro n° 200, predominantemente cascalho, junte "cascalhento" ao nome do grupo
(n)
L
/ > 4 e situa-se na linha A ou acima desta
I < 4 ou situa-se abaixo da linha A Ip situa-se na linha A ou acima desta
(q) situa-se abaixo da linha A
kKjf-\f a
V
< $ X
CARTA DE PLASTICIDADE DE CASAGRANDE
/Q o ^ ^ c:- > t ' A 6 . ^
1>A-V
:
riv»
v i
- Equação da linha "A" ' v ' s^
Horizontal para —/ ? // / ’ / - x / l - j.p , —- --e d--epois Ip = 0,73 (w£ - 20] / V a/ \ & r a & i -" - Equação da lmha ,rU-" /
Vertical para = 16 / até In = 7,0 e depois/ y / / / '0° & \ / ( j I <?c) t \ f l s Ip = 0,9 (w£ - y / / / y t e - k o ^ / O . WH o J C .! j . I / é h jÇ ^ íO / 1 ! w s ■ÍAL o / \ ; i t j . -— 10 16 20 30 40 50 &0 70 80 90 100
-Nota—Qs-resultados-que-conduzam-a-pontos-acima^da-linha "U" são-piovaveimente ÍTrealistas-peIo_qxie_QS^ correspondentes ensaios deverão ser repetidos cuidadosamente.
Quadro l.X II
SÍMBOLO PROPRIEDADES IMPORTANTES
DO GRUPO PERMEABILIDADE QUANDO COMPACTADO RESISTÊNCIA AO CORTE QUANDO COMPACTADO E SATURADO COMPRESSIBILIDADE QUANDO COMPACTADO E SATURADO TRABALHABÜLXDADE COMO MATERLAL DE CONSTRUÇÃO
GW Permeável Excelente Desprezável Excelente
GP Muito permeável Boa Desprezável Boa
GM Semipermeável a impermeável Boa Desprezável Boa
GC Impermeável Boa a razoável Muito baixa Boa
SW Permeável Excelente Desprezável Excelente
SP Permeável Boa Muito baixa Razoável
SM Semipermeável a impermeável Boa Baixa Razoável
SC Impermeável Boa a razoável Baixa Boa
ML Semipermeável a impermeável Razoável Media Razoável
CL Impermeável Razoável Média Boa a razoável
OL Semipermeável a 'impermeável Fraca Média Razoável
MH Semipermeável a impermeável Razoável a fraca Alta Fraca
CH Impermeável Fraca Alta Fraca
OH Impermeável Fraca Alta Fraca
-ANEXO 1«
A ORIGEM DOS SOLOS
Os solos são, na sua maioria, resultantes da desintegração e decomposição das rochas constituintes da crusta terrestre. Tais rochas, por sua vez, podem resultar da cristalização de magma ejectado do interior da terra para a crusta terrestre ou, em alternativa, podem ter-se desenvolvido a partir da alteração doutras rochas em resultado de variações de pressão e temperatura.
As rochas originais podem desintegrar-se e decompor-se em solos, os quais, por seu turno, quando sujeitos a elevadas pressões e temperaturas, se transformam novamente em matéria rochosa constituindo as chamadas rochas sedimentares. Se as temperaturas forem suficientemente altas, as partículas individuais do solo podem perder a sua identidade numa massa em fusão, que, recristalizando, forma as rochas metamórficas.
Nestes processos de formação dos solos e das rochas na crusta terrestre, as rochas e os solos podem formar-se alternadamente muitas vezes, sendo periodicamente desintegrados e reagregados os materiais da crusta.
Muitos processos estão envolvidos na transformação das rochas em solos.
Quer as rochas sejam formadas a grandes profundidades submetidas a elevadíssimas pressões das formações geológicas sobrejacentes, quer sejam formadas à superfície da terra devido a extrusão de magma em fusão por sobre a crusta (vulcões), sempre que a massa rochosa arrefece, desenvolvem-se tensões no seu interior. Tais tensões são o resultado do arrefecimento e também das deformações que a massa experimenta devido a movimentos de natureza tectónica. Em consequência, todos os maciços rochosos apresentam maior ou menor fracturação, que reflete de algum modo a distribuição de tensões e a disposição cristalina no seu interior.
Numa eventual exposição à superfície da terra, o maciço rochoso fracturado será sujeito à acção física da água, do vento e da gravidade, começando a desligar-se blocos da massa rochosa original que se movem para novas posições de equilíbrio. O movimento será geralmente acompanhado por nova fracturação e fissuração de cada bloco, quando este entra
(*) Este texto constitui urna tradução livre do extracto do livro "Soil Mechanics and Engineering", Scott, R-F. & Schoustra, J.J., Me Graw-Hill Book Company, New York, 1968.
