Natureza e Estado dos Solos

Mecânica dos Solos

Natureza e Estado dos Solos

Prof. Fernando A. M. Marinho

2016

• O solo consiste de grãos (minerais e fragmentos de rochas) com ar e água nos vazios entre os grãos

• A quantidade de ar e água contida no solo varia de acordo com as condições locais. O solo pode estar completamente seco, totalmente saturado de água ou entre estes dois extremos

• Sob o ponto de vista da engenharia o solo não é um material sólido como o aço ou concreto, ele é um meio particulado.

• É de grande importância compreender o significado dos tamanhos das partículas, sua forma e composição.

• Outro aspecto importante é a sua estrutura.

Características básicas dos solos

Descrição dos Solos

• A descrição dos engenheiros geotécnicos engloba o estado do solo e sua susceptibilidade para mudanças futuras.

• Estas mudanças podem ser devidas a: carregamento, drenagem, estruturas, e modificação da superfície do terreno

• Os engenheiros geotécnicos estão interessados nas seguintes propriedades dos solos:

• Resistência

• Rigidez

• Permeabilidade

• Isto depende em primeiro lugar :

• Dos grãos do solo (mineralogia, tamanho e forma),

• do Estado de tensão,

• do teor de umidade e grau de saturação,

• do peso específico

Comportamento dos Solos Natureza dos

Solos Estado dos Solos

Resistência Rigidez

Permeabilidade Mineralogia

Distribuição granulométrica

Estado de tensão,

Teor de umidade e grau de saturação

Densidade

Natureza dos Solos

Os minerais são sólido inorgânicos que ocorrem

naturalmente na natureza e possuem uma composição química definida e os átomos no mineral são arranjados de uma forma sistemática.

O que são minerais

O solo pode ser definido como sendo uma composição de materiais orgânicos e inorgânicos (predominantemente inorgânicos do ponto de vista geotécnico). Os materiais inorgânicos são os minerais

O que são solos

Quartzo é o mineral não argiloso mais encontrado nos solos.

Os minerais argílicos são silicatos.

A unidade estrutural deles consiste de

tetraedros de sílica e octaedros de alumina

https://www.kullabs.com/class-engineering/

Estas unidade básicas se combinam para formar as estruturas das caolinitas, ilitas e montmorilonitas.

(a) Caulinita, (b) ilita e (c) montmorilonita, (Craig, 1990)

• Cargas elétricas não balanceadas

• Cátions e água satisfazem este desbalanceamento elétrico criando ligações e unindo as camadas estruturas.

• Os minerais argílicos são formados por uma combinação de camadas

estruturais básicas com diferentes ligações entre elas.

Adsorção na superfície da partícula de argila (modified after Cernica, 1995)

A estrutura da argila e sua carga negative cria um material com

grande atividade em relação a água e este fenômeno é responsável

por muitas propriedades da argila.

Todos os solos se originam, direta ou indiretamente de rochas:

•Rochas ígneas : Esfriamento do magma – (granitos, basaltos..etc.)

•Rochas sedimentares: Camadas de sedimentos adensados e cimentados (arenitos, calcáreos, folhelhos, etc.)

•Rochas metamórficas – Alteração de rochas existentes devido ao calor de intrusões ígneas (mármores, quartzitos) ou devido a

pressão do movimento da crosta terrestre (gnaisse, ardósia)

Origens dos Solos - ROCHAS

Origens dos Solos (Formação e Mineralogia)

• Os solos são os resultados de eventos geológicos.

• A natureza e estrutura do solo depende muito do processo geológico que o formou.

• Estes processos são:

• Destruição da rocha mãe (intemperismo, decomposição, erosão)

• Transporte para o local de deposição (gravidade, fluxo de água, vento)

• Condições ambientais no local da deposição (inundação em planície, bancos em rios, em lagos, no mar)

• Condições de carregamento e drenagem após a deposição (sem

sobrecarga, grande sobrecarga, mudanças de água, lixiviação,

contaminação).

Origens dos Solos - INTEMPERISMO

A Intemperização das rochas podem ser dos seguintes tipos:

• Física ou mecânica ( ação da água, temperatura, vento)

•O produto é uma material grosso (silte, areias e pedregulhos)

• Químico (ambiente quente e úmido. Degradação por alteração/ou decomposição).

•O produto é geralmente solos finos.

•O tipo de mineral depende da rocha mãe e da drenagem local.

•O quartzo não é afetado pelo intemperismo químico.

•As argilas são formadas principalmente dos feldspatos.

http://www2.pvc.maricopa.edu/~douglass/v_trips/wxing/introduction_files/rocktypes.html

Baseado em

http://www.seafriends.org.nz/enviro/soil/geosoil.htm

Vento Chuva Granizo Gelo

Calor Frio

Rocha mãe

Intemperização Mecânica

Desagregação da rocha mãe

Minerais, nutrientes (ions em solução)

Óxidos de ferro e alumina)

Silica

Silte

Areia (quartzo) Argila 3 camadas (esmectita)

Argila 2 camadas

(Caolinita) Intemperização

espontânea

Intemperização Química

(água)

Intemperização

Solos Residuais

Solos Transportados

Modificado de

http://geologycafe.com/erosion/weathering.html Trincas verticais

Intemperização esferoidal:

efeito do intemperismo mecânico e químico

Solo e colúvio

Aluvião

Talus

Trincas horizontais podem se formar a partir de expansões devidas ao alívio de tensões

Ciclos de congelamento e descongelamento e atividades orgânicas expandem as trincas Intemperização

esferoidal

A infiltração de água nas fraturas causam

intemperização química a partir da superfície.

Leito rochoso não intemperizado relativamente homogêneo

Aspectos do Intemperismo

Intemperização química associada a rocha fraturada

Intemperização esférica de granito

Santa Cruz Mountains

Joshua Tree National Park

Barril Prato Moeda

Areia Silte Argila

Tamanho das Partículas, Forma e Distribuição

http://www.ctahr.hawaii.edu/mauisoil/a_comp01.aspx

Tamanho das Partículas

• Areias – As partículas são visíveis a olho nu

• Siltes – Quando secam ficam viram pó e são facilmente removidos das mãos e dos sapatos.

• Argilas – Quando úmidas são pegajosas e difíceis de serem removidas das mãos e dos sapatos.

Argila Silte Areia

0.002mm 0.06mm 2mm 60mm 200mm

0.006 0.002 6 20 6 20

Cascalho Pedra

de mão Matacão

Tamanho das Partículas

Areias

Areias e Siltes

• Aredondados – água ou ar – sedimento transportado

• Angular – Faces planas e quinas vivas – solos residuais

• Areias e partículas de grandes diâmetros são arredondadas, mas possuem diferentes características na forma e na rugosidade da superfície

• Isto depende da forma de transporte

• Possuem uma baixa superfície específica

http://www.sand-atlas.com/en/shape-of-sand-grains/

Brasil – Bahia – Salvador, Jardim de Alá USA – California – Palm Springs Mexico – Baja California Sur – Cabo – Cabo San Lucas

Africa do Sul – Western Cape – Cape Peninsula, Hout Bay Kenia – Coast – Beach at Pate island Australia – Victoria – Great Ocean Road, 12 Apostels

Areias no Mundo

Argilas

• As argilas possuem uma forma de placas onde sua espessura é muitas vezes menor que seu comprimento e largura.

• Muitas vezes isto chega a 1/100 de seu comprimento.

• Possuem um elevado valor de superfície específica.

• Suas superfícies possuem uma pequena carga elétrica negativa que atrai a carga positiva da moléculas de água.

• A carga depende do tipo de mineral e pode ser afetado pela característica da água.

• Esta característica causa forças entre as partículas que são proporcionais a superfície específica.

• Muita água pode ser absorvida pela argila.

𝑐𝑚 ² 𝑔

𝑐𝑚² 𝑔

Hopmans (2002)

Superfície específica.

Gibbsite

Kaolinite Kaolinite Smectite

Smectite, montmorillonite Vermiculite

Allophane Chlorite + illite

Argilas

http://www.minersoc.org/gallery.php?id=2&cform_is_valid=1&cf_pager_page=1

Caulin Bentonita

Solo Laterítico Solo Residual

São três os principais tipos de minerais argila:

• As Caolinitas : Formada pela decomposição de feldspato ortoclase (i.e. granito)

• Ilitas : São os mais comuns. São formados pela decomposição de algumas micas e feldspatos

• Montmorilonita : São do grupo das Esmectitas. São formados pela alteração de rochas ígneas básicas contendo silicatos ricos em Ca e Mg. São potencialmente expansivos.

Tipos de minerais Argila

http://www.soil-net.com/dev/page.cfm?pageid=casestudies_diatoms&loginas=anon_casestudies

Material de um estuário

Arenito do Castelo de Nottingham

Grãos de quartzo ligados por uma pequena porção de argila 4 mm

Castelo de Nottingham

Solo Residual - compactado

20000 8000

2000 4000

Solo Residual de Gnaisse - compactado

500 1000

2000 4000

Solo Residual de Gnaisse - compactado

Solo Residual Solo Residual

Turfa – Solo orgânico

Little (1969)

New South Wales.

http://crcleme.org.au/Educ/rgg/4-mt_oberon/index.html

Análise Tátil Visual

Análise Tátil Visual

http://soil.gsfc.nasa.gov/pvg/consist.htm

Solo solto Solo friável

Solo firme

Solo extremamente firme

Análise Tátil Visual

http://soil.gsfc.nasa.gov/pvg/consist.htm

Amostragem para

Caracterização

ESTADO DO SOLO NATUREZA DO SOLO

Solo

Produto da intemperização das rochas

Residuais Transportados

Minerais

Tamanho das partículas Forma das partículas

Transporte Intemperização

Física Química

Análise do tamanho dos grãos

Peneiramento

Sedimentação

Curva Granulométrica Coeficiente de

forma Solos não plásticos Solos plásticos

Limites de consistência

LL LP LC

Índices

Índice de plasticidade

Índice de atividade

Índice de consistência

CARACTERIZAÇÃO DO SOLO

Caracterização dos solos

Preparação de Amostras para Caracterização

Limites Massa específica do grãos

PENEIRA 0.42mm Retido

Desprezar Ensaiar o Passante (aprox. 200g)

PENEIRA 2mm Retido

Peneiramento grosso

Peneiras 50, 38, 25, 19, 9.5, 4.8 e 2mm

Passante

Desprezar

PENEIRA 2.0mm Retido

Desprezar Ensaiar o Passante (aprox. 500g)

Retido

Peneiras 1.2, 0.6, 0.42, 0.25, 0.15 e 0.075mm Peneiramento fino

Secar ao ar o solo Destoroar Homogeneizar

Retido Despresar

PENEIRA 76mm

Passante

Granulometria Quantidade de solo a ser usada

Observação visual

diâmetro (mm) peso da amostra (kg)

< 5 1

5 a 25 4

> 25 8

Passante Sedimentação

120g (solo arenoso) 70g (solo siltoso e argiloso)

Sedimentação

Após sedimentação

Lavar o material na # 0.075mm

Classificação em relação ao tamanho dos grãos

Areia – 2,0 a 0,05 mm

Silte – 0,05 a 0,002 mm

Argila - < 0,002 mm

Determinação da Distribuição Granulométrica

Peneiramento

Determinação da Distribuição Granulométrica

Sedimentação





 18

)

2

(

w s

g

v d 



Lei de Stokes

(min) ) ) (

( t

cm K L

mm

D 

) 1 (

30

 

G

K 

t

v

 L

L

0.001 0.01 0.1 1 10

Diâmetro dos Grãos (mm)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

P o rc e n ta g e m P a s s a d a

18-03 21-03 18-07 21-07

Areia Média Areia Fina

Silte

Argila ^A.grossa Pedregulho

20 40

200 100 10 4

270 nº P.

Argila de Santos

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Diâmetro dos Grãos (mm)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

P o rc e n tag em P a s s a d a

#200 #100 #50#40 #30 #16 #10 # 4

argila silte areia fina areia média ^{a. grossa} pedregulho

Areia Fina

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Diâmetro dos Grãos (mm)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

P orc en ta g e m P a s s ad a

#200 #100 #50#40 #30 #16 #10 # 4

Bentonita Activada

argila silte areia fina areia média ^{a. grossa} pedregulho

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Diâmetro dos Grãos (mm)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

P o rc e n ta g e m P a s s a d a

#200 #100 #50#40 #30 #16 #10 # 4

1 com hexa 1 sem hexa 2 com hexa 2 sem hexa 3 com hexa 3 sem hexa

argila silte areia fina areia média a. grossa pedregulho

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Diâmetro dos Grãos (mm)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

P o rc e n ta g e m P a s s a d a

#200 #100 #50#40 #30 #16 #10 # 4

PM - 4

Areia do dreno PM - 8

Aterro EST 47

argila silte areia fina areia média a. grossa pedregulho

Mitchell, 1976

Sistema Solo-Água

Limites de Consistência

(Limites de Atterberg)

Limites de Consistências

LL LP

LC

Teor de Umidade

IP

LL – limite de liquidez

LP – Limite de plasticidade

LC – Limite de contração

IP – Índice de Plasticidade

Limite de contração Limite de plasticidade Limite de liquidez V _s

V _a

Volume

Teor de Umidade

Sólido

Semi-sólido

Plástico

Líquido

w _s w _p w _L

I _p

Ensaio de Limite de Liquidez (Aparelho de Casagrande)

13mm

Limite de Liquidez

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Número de golpes

35 40 45 50 55 60 65

T eo r d e u m id a d e (% )

LL w _l

W _l = Limite de liquidez = LL

Limite de Liquidez

(cone)

Limite de Plasticidade

LP = média de três teores de umidades

Carta de Plasticidade

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Wl (%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

I p

(%) Linh a B

CH

MH ou OH

ML ou OL CL

CL-ML CL

ML C – Argila M – Silt

O – Solo orgânico

H – Alta plasticidade – w_l> 50%

L – Baixa plasticidade – w_l< 50%

Sedimentação

Aparelho de Casagrande (limite de

liquidez)

Limite de plasticidade Densidade dos

grãos

Peneiramento

#200

#10 .

#40 . . .

Análise granulométrica

Ensaios de Caracterização