MECÃNICA DOS SOLOS
f:iDICE
I. A :vi"ECÃNICA DOS SOLOS E A ENGENHARIA ...••••••••••
l. Introdução ...•...•.•.••••••••..
2. Histórico .•...•••..•.••••.••....
3. A Mecãnica dos Solos e as Obras Civis ...••••..••••
-"II. O SOLO PARA O ENGENHEIRO ...•....••..•...•.
l. Conceituação ...•••..•••..
z.
Tinos de Solos Quanto i Origem ...•...• ~ ••••..3. Tamanho e Forma das Partículas ...•..•••
4. Descrição dos Tinos de Solos ...•.•.•••...
5. Identificação Visual e Táctil dos Solos ..•....•....•
PROPRIEDADES fNDICES ••....•...•..••..••...•.
1. Introdução ...•...•....•.••.•.•••.
~ fndices Físicos ...••.••.••...
3. Granulometria ...•...•..•.••..•..••
~ Plasticidade e Estados de Consistência •.•.•..•••..•.
IV. ESTRUTURA DOS SOLOS ...••...•....•.•..••••.••••••••.
l. Introdução ...••••.••....••.•.•••.
2. Estrutura dos Solos Grossos ....•..••...•...••..•••..
3. Estrutura dos Solos Finos ...•...•....•••.•.
4. Amol.~:;amento e Sensibilidade das Argilas •••••.•.••..•
5. Tixotropia ...••••••..••.••.••...
V. CLASSIFICACÃO DOS SOLOS ...•..•....••.••..•..•...•.
l. Introdução ...••.•...•.•....•...••••...•
2. Classificação por Ti~o de Solo ...•.•...••••••.•.
3. Classificação Genética Geral ...•.•.••...•••..•..
4. Classificação Granulométrica ...•..•••..•....••.•••••
S. Classificação Unificada •...•..•••.••.•.•..•..••.•.
6. Classificação HBR ...•...•...•.••••.•...
O PRINCfPIO DAS TENSOES EFETFAS •••••••••••.•.••.•...
l. Definições ...••....•...••.•••..•.•••••••...
2. Implicações ...•.•...•••.•.•.••..•.•.•••..••••••••..•
3. ~assa Específica Submersa ..•...••...•••.••••••••...•
VIII. TENSOES ATUANTES ~ ~ACICO DE TERRA •••••••••••••••••••
/ l. Introdução . . . : . . . . 2. Esforços Geostãticos •••.•..•••••.•••••••••.•••••••.•
3. Propagação de Tensões no Solo .••••••••••••••••••••••
3.1. A Solução de Boussinesq •.••••••.•...•••••••••
3.2 . . Extensão da Solução de Boussinesq •.•.•••••••••.
3.3. O Gráfico de Newmark •...•...•.••••.••••••••••••
3.4. A Solução de Westergaard •••.••...••••••••••••••
3.5. Comparação entre as Soluções de Boussinesq e
11'~·~ ..•
1 1 2 4 5 5 5 6 8 10 11 11 12 17 22 27 27 27 28 31 31 32 32 33 33 33 34 35 42 42 +3 43 44 44 45 47 47 49 56 58
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Westergaard e Algumas Simnlificações ...•••••... 60 3.6. Limitações da Teoria da Elasticidade •••.•..•..• 61 PERMEABILIDADE DOS SOLOS .•.•.••••.••••.•.•••..•.•.••••. 62 1. Introdução •....••.•...••.•..•..•..••••••.•••.•.••••. 62 2. Leis de Darcy e de Bernouilli •.••..•.•...•.•.••••.•• 63 3. Determinação do Coeficiente de Permeabilidade .••.... -6~
3.1. M~todos Diretos •...•...•.•.••.•.•...•.••... 65 3.2. Métodos Indiretos ..•.•....•••.•.••.•.•....•••.. 6~
4. Fatores que Interferem na Permeabilidade .•...•.••. 6~
5. Forças de Percolação ...•..•...•.••...•.••••••. 69 6. Areia Movediça ..•..•...••••...•.••.•... 70
Filtros de Proteção . . • . . . . • . • . . . • . . . • .
S. Capilaridade . . . . ~ ...•.•..•...••••••.••...•. • 4 IX. COlvfPRESSIBILTDADE E ADENSAMENTO . . . • • . . . • . • . • . . .
1. In tradução .•. , ...•.••...•..•.•..••.•...•..•.•
2. Analogia e "-lecânica do Processo de Adensamento •..•..
;:,. Teoria do Adensamento de Terzaghi.. : . .•.•••.••••.•..
4. Solução da Equação Fundamental· do Adensamento ..•....
5. Porcentagem de Adensamento . . . ·- .•...•..•...•.
6. Ensaio de Adensamento . . • . . . • . . • • • . . . . • .
7 Tensão de Pré-Adensamento . . . • . . . • • • . . . 8. Determinação do Coeficiente de Adensamento .•.•••.•..
9. Construção da Curva de Comnressão do Solo no CamPo ..
10. Aplicaçao da Teoria do Adensamento .••....•...•.. ~ ...
11. Correções do Recalque de Adensamento . . . • . . . • . . . 12. Noções sobre a Compressão Secundária ...•••.•.•...
13. Recalques Por Colanso . . . • . . . • . . . • . . • . . • . . . .
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~ ' 91 95 96 g- X. EXPLORAÇÃO DO SUBSOLO • . . • . . . • • . • . . . • . . • . . . • . . 99 1. Introdução . . . • . . • • . • • • . . . • . . . • . . . • . . . • . . . 99 2. Informacões Exigidas num Programa de Prospecção . . . 100 3. Tipos de Prospecção Geotécnica ..•...••.•••.••••... lOO 4. Prospecção Geofísica •...•.•••.••.•••.•.•.••••• l0l
4.1. Processo da Resistividade El~trica .••..•••••.• ~lOl
4.2. Processos de Sísmica da Refração .•.•••..•.•••.. l01 5. Métodos Semidiretos .•.•.•.•...•..•...•••.•••.•.... 103 5.1. Vane Test .•••.••.•.•...•..•.•.•.•••••.•••.... l04 5.2. Ensaio de Penetração Estática do Cone .•...••.•. l06 5.3. Ensaio Pressiométrico ••.•••.•.•••••.•.•••••..•• 107 6. Processos Diretos ••••.••.•••...••.••••• : •••••••••... l1l
6.1. Poços ..•.•••.•.•••••.•••.•••.••••.•••••.•....•• 111 6. 2. Trincheiras ••••••.••.•..••••••••••••..••.•••••. 111 6.3. Sondagens a Trado •••••.••..••...•...•••.••..• l11 6.4. Sondagens a Percussão ou de Simples Reconheci-
~ menta ..•••••••••.••••..•.•.••..•.•.••.•..••.... 112 6.5. Sondagem Rotativa •.•.•.•••..•...•..••••••...••. l1;
6.6. Sondaiem Mista ...••••• ~ ••••.•••••••••.•••.••••• l18 7. Amostra<>em ...••..•••.••..••••••.••.••.•.•.•..••.•.•• 118
7 .1. Introdução ..•••••..••...••.••.••••.•.•••.••• ·" .118 7.2. Amostras Indeformadas ••.•..••...•••••.•.••••... ll9 XI. COMPACTACÃO .•..•.•••••••••.••••.•••••••.••••••.•••••••• 123 1. Definição e Importância •••.••••••.•.••••••••.••••••• l23 2. Curva de Comnactação ••••••••••••..••..•••.•.•••••••. 123 3. Ensaio de Com~actáção .••..•..••••...•••.•••••••••••• l24 4. Equipamentos de Comnactação •.••.•..••••••••.••..•••. l26 5. Controle de Compactação ••••••.••..•.•.•••••••••.•..• 129 BIBLIOGRAFIA •••.•••••••••••••••••••.•....•.•..•••• · •••• ·•·•·• .132
"
CAPITULO
·r
A ~ECÃNICA DOS SOLOS E A ENGENHARIA l - Introdução
A Engenharia Civil procurou sempre acompanhar a evolução ci- entífica. A dificuldade de um conhecimento profundo e abrangente, em todo o seu campo de atuação. exigiu sua divisão em áreas esp~
cíficas. consoante. principalmente. aos materiais objetos de es- tudo. Estas áreas não tiveram um desenvolvimento paralelo, e al- gumas evoluíram mais cedo que outras.
Historicamente. os ramos básicos que primeiro se desenvolve- ram e que foram. por isso mesmo. os mais estudados e divulgados são a Teoria das Estruturas e a Hidráulica. O primeiro· trabalha com materiais selecionados. cujos comportamentos são bem conhec~
dos. entre os ouais o concreto, o aco e a madeira. Este campo u- tili~a. para s~lução dos seus probl~mas, modelos simples, passí- veis de tratament6 matemático. A área da Hidráulica estuda os fluidos. em Particular a água. principalmente em ambient~s natu- rais.Os fenômenos hidráulicos podem fugir a um tratamento matemá tico, mas a utilização de ensaios em modelos reduzidos permite-:- quase sempre. uma adequada análise de seus comportamentos.
Um dos campos básicos da Engenharia Civil que por ~ltimo se desenvolveu foi a Mecânica dos Solos. Ela estuda o comportamento do solo sob o aspecto da Engenharia Civil. O solo cobre o subs- trato rochoso e provém da desintégração e decomposição das rochas, mediante a ação dos intemperísmos físico e químico. Assim, de ma neira geral. por causa da sua heterogeneidade e das suas proprii dades bastante complexas, não existe modelo matemático ou um en~
saio em modelo reduzido que caracterize. de forma satisfatória.o seu comportamento.
Para o engenheiro civil, ' necessidade do conhecimento das propriedades do solo vai alé~ do seu aproveitamento como mate- rial de construção. pois o solo exerce um papel especial nas o- bras de Erigenhar1a porquanto cabe a ele absorver as cargas apli- cadas na sua superfície, e mesmo interagir com obras implantadas
no seu interior. ·
De um modo geral, as características mecânicas do solo, em seu estado natural, devem ser aceitas e só em casos particulares,com o auxílio de técnicas_especiais, podem ser melhoradas.
:\tualmente. a ~1ecanica dos Solos si tua-se de'\n:ro de um campo mais envolvente que congrega ainda a Engenharia de Solos (Maci- ços e Obras de Terra e Fundacôes) e a Mecânica das Rochas. Esta âre~ denominada Geotecnia tem como objetivo est~dar as proprieda des físicas dos materiais geológicos, solos; rochas e suas apli~
caçôes em obras de Engenharia Civil, quer como material de cons- trução. quer como elemento de fundação.
2
A Mecânica dos Solos pode ser definida como uma aplicação das leis e princípios da Mecânica e da Hidráulica aos problemas de Engenharia, que lidam com o solo e a Engenharia de Solos, como~
utilização dos conceitos da Mecânica dos Solos aos problemas prá ticos de Engenharia. Assim, a Engenharia de Solos abrange um cam po mais amplo, pois é uma ciência aplicada e não apenas puramen7 te baseada em conceitos de Física e Matemática. Ela engloba dis- ciplinas, tais como: mecânica e dinâmica dos solos, geologia de engenharia, mineralogia das argilas e mecânica dos fluidos,entre outras.
_ Pode~se dizer ~a~bém gue a ~ecânica dos Solos ocupa, em rela çao aos solos, poslçao analoga aquela que a resistência dos mate riais ocupa em relação aos outros materiais de construção.
Na prática usual, entretanto, os termos Mecânica dos Solos e Engenharia dos Solos g_eralmente se confundem.
2 - Histórico
A Mecânica dos Solos surgiu como Clencia em 1925,quando Karl Terzaghi publicou a sua extraordinária obra "Erdbaumechanik Auf Bodenphysikalisher Grundlage'', título este que pode ser traduzi- do como "Mecânica das Construções de Terra Baseada na Física dos Solos". Nela, põe-se em evidência o papel desempenhado pela águ~
que preenche os poros. no comportamento dos solos. Historicamen- te, porém, os precursores de Terzaghi remontam ao período neolí- tico (idade da pedra polida: 5.000 a 2.000 anos a.C.) quando,en- tão. se formavam povoações lacustres apoiadas em estacas, as pa- lafitas. Estas povoações possuíam passarelas que permitiam a cir culação das pessoas entre as habitações e faziam contato ·com ã terra firme. As passarelas tinham também a função de defesa da po voação em face dos inimigos e animais vindos da terra, pois eram
facilmente destruídas. ·
Deve-se ressaltar, também, o engenho e a arte encontrados,no tadamente na área de fundações, em obras monumentais executadas por povos das antigas civilizações. Nos palácios da Babilõnia, nas pirâmides do Egito, nos arquedutos romanos ou na muralha da China, o solo desempenhou um papel de realce.
Durante muitos séculos,entretanto, o aproveitamento do solo, como elemento de fundação e materiais de construçâ~seguiu den- tro do empirismo racional, e da observação de métodos empregados com êxito, em obras similares.
Embora já houvesse tentativas da criação de métodos e proces sos de dimensionamento, principalmente em muros de arrimo (pode7 se citar as contribuições de Vauban. Bullet, Couplet e Belidor), porém, somente em 1776 apareceu a primeira obra de valor. Neste trabalho apresentado pelo engenheiro francês Coulomb são referen ciados os parâmetros de resistência dos solos (coesão e ângulo de atrito) ,e foram também enunciados os princípios básicos da re sistência ao cisalhamento dos solos. O trabalho de Coulomb abran ge ainda análise da estabilidade de taludes, escavações, barra7 gens de terra e aterros e um estudo da estabilidade de muros de arrimo. A teoria clássica de Coulomb é empregada ainda hoje em problemas de Engenharia.
Podem-se enumerar ainda importantes contribuições de vários pesquisadores, em ordem cronológica:
Cauchy (1822) apresentou um estudo sobre o estado de tensão e deformacão, em torno de um ponto no interior de um maciço. Es- se trabalho deu outro aspecto ao desenvolvimento das análises de estabilidade, que até então utilizavam apenas os princípios da estática.
Poncelet (1840} aplicou a teori'l clássica de Cou1omh a muros de arrimo com oaramentos inclinados.
Alexandre C~lin (1846) publicou um livro que continha ohser- vaç6es de campo sobre o deslocamento de camadas de a!gilas e ,a descrição de um aparelho capaz de medir a sua resistenc1a ao Cl- salhamento.
A Mecânica dos Solos recebeu também contrihuiç6es de outras áreas. Em 1856. Darcy estabeleceu a lei que define ''o movimento da-água em meios porosos". Esta lei
e
de suma importância no es- tudo da percolação da água através dos solos. Neste mesmo ~o.sui ge a contribuição de Rankine. Nela são aplicadas as equaçoes de equilíbrio interno de maciços terrosos.Atterberg (1908) estabeleceu os limites de consistência dos solos argiloso;, com utilização na Agronomia. Os limites de A~
terberg, tais como são conhecidos na Mecânica dos Solos.foram 1~
traduzidos. tempos depois, por Karl Terzaghi.
Otto Mohr (1914) aplicou aos solos a sua teoria de ruptura dos materiais. Esta teoria lança a idéia das curvas envolventes, que associadas às proposic6es de Coulomb, segundo a~ quais a envoltó ria é uma reta. estabéleceu o critério de resistência de Mohr-Coü=
1omb. sem dúvida. o mais utilizado. ainda hoje. na Mecânica dos Solos.
No início do sé cu lo XX. graças ao avanço técnico alcançado p~
la Engenharia Civil. principalmente na área da teoria das estru- turas. houve a necessidade de se estudar a Mecânica dos Solos de maneira mais sistemática. As catástrofes ocorridas em obras pro- jetadas com requinte em cálculo estrutural tiveram. guase sempre.
como causa o mal dimensionamento das fundacões.Na Suecia e na Ho landa, países que possuíam estradas e cidades situadas sobre for mações geológicas compressíveis. a necessidade e o interesse pe~
la investigação geotécnica do subsolo aumentou de tal forma que, em 1913, na Suécia, por exemplo. foi criada a famosa Comissão Geo técnica das Estradas de Ferro da Suécia. Naquela ocasião, foi fe1 ta primeira alusão ao termo "geotécnico". · -
Entre 1918 e 1926. Fellenius, célebre engenheiro sueco,inven tou o método de estudo de estabilidade de taludes, em que se con sidera a superfície de escorregamento em forma cilíndrica.Houve~
nessa época. na Suécia, um admirável desenvolvimento na Mecânica dos Solos.
Neste clima de esforcas isolados e das primeiras associações e comissões de estudo do>comportamento do solo. é que aparece Terzaghi.
Deve-se ressaltar. durante a fase inicial de desenvolvimento da Mecânica dos Solos. o tr~balho incansável de Terzaghi. Este trabalho não fo~ só intenso mas também original. Terzaghi preo- cupou-se em enfatizar a importância do estudo das tens6es e de- formaç6es nos solo~" Estabeleceu a ~iferença entre pressões to- tais efetivas e neutras. Criou a teoria do adensamento, aplicada a solos saturados. Concebeu. e esquematizou ensaios e a respecti- va aparelhagem e. sobretudo. fez sugestões para a interpretação dos resultados conseguidos e sua aplicação aos diferentes proble mas práticos enfrentados pela Mecãnica dos Solos. -
A Mecânica dos Solos apenas se impôs de forma definitiva a partir de 19~6. época da realização da I Conferência de Mecânica dos Solos na Universidade de Harvard. A partir desta época os fun damentos e diversos aspectos teóricos da disciplina começaram i ser enunciados. porém deve-se re~•altar que, a despeito do inte~
so trabalho já desenvolvido por inúmeros pesquisadores,muito re~
ta a ser explicado adequadamente. Dessa forma. por ser uma ciên- cia relativamente nova. a Mecânica dos Solos encontra-se em con- tínuo e intenso desenvolvimento.
3 - A Mecânica dos Solos e as Obras Civis
A Mecânica dos Solos foi estabelecida com o propósito de es- tudar o comportamento dos solos, segundo formulaçães teóricas de embasamento científico. Procurou-se, a partir de bases físicas.
modelos reolÓgicos e observações de campo, elaborar teorias ex- plicativas desse comportamento. Algumas dessas teorias possuem um cunho determinístico. e outras, probabilístico. Embora as teo- rias determinísticas se prestem melhor i elaboração de doutrina~
que, sendo de ficil apreensão, fornecem fundamentos racionais i explicação de fen6menos observados. a heterogeneidade dos solos com propriedades variáveis, de ponto para ponto. tem conduzido a um uso acentuado de teorias orobabilísticas.
No estudo do comportamenio dos solos, duas linhas de conduta têm sido utilizadas. A primeira preocupa-se com as propriedades físico-químicas, forç-as intergranulares 2 efeito, dos fluidos in- tersticiais, para, a partir de tais fenomênes, explicar o com- portamento dos solos. A segunda apóia-se na hipotese que conside ra o solo como um meio contínuo, cuja relação tensão- deformação fornece subsídios para previsão do comportamento do solo.
Nos problemas geotécnicos de ordem prática. o engenheiro ci- vil deve ter consciência das limitações das teorias utilizadas,e nunca esperar o valor exato nas grandezas obtidas, senão uma or- dem de grandeza.
Neste ponto, um recurso utilizado ria mec~~ica dos solos, co- mo em todas as ciências é consultar as soluções dadas a proble- mas análogos, como primeira referência i solução de um problema proposto. Este recurso dá ao engenheiro a liberdade de escolha de soluções que deverão ser adaptadas ao problema em estudo, pois nun ca hi repetição de condições anteriores. Os ensaios de campo
e
laboratórios serão portanto, necessários para fornecer as reais propriedades dos solos e os dados exigidos nos cálculos de dimen sionamento e verificação da solução adotada. -
O QUADRO a seguir fornece uma relação dos principais proble- mas pertinentes ao campo da Mecânica dos Solos.
QUADRO I - ALGU}~S APLICAÇOES DA MECÂNICA DOS SOLOS
MECÂNICA DOS SOLOS
O solo como fundações O solo como material de construção Estabilidade
dos solos Suporte dos
solos
Fundações rasas Fundações profundas Fundações em solos moles Fundações em solos expansivos Barragens de terra e enroca- mento
Estradas e Aeroportos Taludes e Escavações Estruturas de arrimo Silos
CAP!TULO TI
O SOLO PARA O E~GENHEIRO 1 - Conceituação
A parte mais externa do globo terrestre. denominada crosta.
é constituída essencialmente de rochas que são agregados n0turais de um ou diversos minerais. podendo. eventualmente. ocorrer vi- dro ou matéria orgânica.
A acão contín~a dos agentes atmosféricos e biol6gicos (intem perismo) tende a desinteg~ar e a decompor essas rochas, dando o~
rigem ·ao solo.
O significado da palavra solo não é o mesmo para todas as c~
ências que estudam a natureza. Para fins de Engenharia Civil ,ad- mite-se que os solos são misturas naturais de um ou diversos mine::
r_il_i? __ (:;is __ \ce zes~c_OJ] __ m_a_t_e_r_i_a_o.x.g.anJ..c_a.Lq.u.e_p_o_êL~JJL2~ r separa d Q2_]J_Q r p_r_g_ç_e_2_s os__lll_E;ç_â_!li_<::Q~ s imp~l e s , ta i ,;____çg!ll_Q__~_g_a_çji_o_ em água ou man u- s_eio. Numa conce i tuaç_a_o_j]_Qj_s_s_i.lllp_l..i_s_t_a __ o sol o ser:Íatodo-rnate- rialque pudesse ser escavado sem o eJ1112L!~_g_p_4e .. ~~C:l'l_.Í:_c:as~sp~çiais, como~- por exemplo. explosivos.
----Esse material forma a fina camada superficial que recobre qua- se toda a crosta terrestre e no seu estado natural apresenta-se composto de partículas sÓlidas (com diferentes formas e tamanhos), líquidas e gasosas. Os solos normalmente são caracterizados pela sua fase sÓlida, enquanto as fases lÍquida e a gasosa são consi- deradas conjuntamente como porosidade. Entretanto, na análise de comportamento real de um solo, há necessidade de se levar em con ta as porcentagens das fases componentes,bem como a distribuiçãõ dessas fases através da massa de solo.
2. Tipos de Solos Quanto à Origem
Ao ocorrer a ação dos mecanismos de intemperização, o mate - rial resultante poderá permanecer ou não sobre a rocha que lhe deu origem.
i-lo primeiro caso, temos os chamados solos residuais. Estes são bastante comuns no Brasil, sobretudo no Centro-Sul.Como exemplo, cite-se a decomposição dos basaltos que origina as chamadas "ter ras roxas" ou a decomposição de rochas cristalinas que originam
espe~sas camadas de solo residual, como acontece freqüentemente na -Serra do Mar.
A separação entre a rocha matriz e o solo residual não é ní- tida, mas sim, gradual. Podem-se distinguir, pelo menos,duas fai xas distintas entre o solo e a rocha: a primeira, sobre rocha, de- nominada rocha alterada ou rocha decomposta e a segunda, logo a- baixo do solo, chamada de solo de alteração. A Figura 1 ilustra um perfil de intemperização típico de rochas Ígneas intrusivas.
Se, eventualmente, o produto de alteração for removido de so bre a rocha matriz por um agente qualquer, teremos os chamados solos transportados. Segundo os agentes de transporte, os solos transportados podem ser aluviais (água), eólicos (vento), colu - viais (gravidade) e glaciais (geleiras).
A capacidade de transporte dos agentes determina o tamanho das partículas e a homogeneidade dos solos transportados: ·sirva de exemplo um curso de água que tenderá a selecionar o tama- nho das partículas depositadas. Assim, próximo da cabeceira, em
·que a velocidade das águas é maior, devem depositar-se os grãos mais grossos, e as partículas mais finas poderão ser transporta-
..---
- - ;&OLO RESIDUAL
FIGURA I • Perfil de solo residual
das a longas distâncias, até que a velocidade da água diminua consideravelmente. e permita que haja deposição.
Dessa forma. os depósitos de solos transportados apresentam geralmente maior homogeneidade no tamanho das partículas consti- tuintes. o que já não ocorre nos solos residuais, nos quais apa- rece uma grande variedade de tamanho -das partículas.
Os chamados solos orgânicos são formados pela mistura de res tos de organismos (animais ou vegetais) com sedimentos preexis~
tentes. A ocorrência de solos orgânicos se dâ em locais bem ca- racterísticos. tais como as áreas adjacentes aos rios, as baixa- da> litorâneas e as depressões continentais.
3 - Tamanho e Forma das Partículas
Em função dos agentes de intemperismo e de transporte, os de põsitos de solos podem estar constituídos de partículas dos mais diversos tamanhos. Em termos qualitativos, deve-se frisar que o intemperismo físico (desintegração) é capaz de originar partícu- las de tamanhos até cerca de 0,001 mm e somente o intemperismo químico (decomposição) é capaz de originar partículas de diâmetro menor que 0,001 mm.
Solos cuja maior porcentagem esteja constituída de partículas visíveis a olho nu lcf> > 0,074 mm) são chamados de solos de grãõs grossos ou solos granulados. As características e o comportamen- to desses solos ficam determinados, em Última análise, pelo ta- manho das partículas, uma vez que as forças gravitacionais preva
lecem sobre as outras. -
Os solos de granulação grossa apresentam-se compostos de par tículas normalmente eqllidimensionais, podendo ser esféricas (so~
los transportados) ou angulares (solos residuais).
A forma característica. dos solos de graaulação fina (cp < 0,074 mm) ê a lamelar, em que duas dimensões são incomparavelmente maio- res que a terceira. Aparece,,~~ vezes, a forma acicular, em que
7 uma das dimensões prevalece sobre as outras duas. A Figura 2 mo~
tra duas partículas de solo fino.
O mineral ~onstituinte da partícula determina a sua forma.en quanto o comportamento desses solos é determinado pelas forças de SUP-erfície (moleculares, elétricas e eletromagnéticas). uma vez que a relação. entre a superfície da partícula e o seu volume é muito alta. Nos solos finos. a afinidade pela igua é uma caracte rística marcante, e iri influenciar sobremaneira o seu comporta~
mento.
Para descrever o tamanho das partículas, é usual citar a sua dimensão ou fazer uso de nomes conferidos arbitrariamente a cer- ta faixa de variação de tamanhos. Nesse sentido. existem escalas que apresentam os nomes dos solos iuntamente com a dimensão que eles representam. A Figura 3 apresenta duas escalas elaboradas por duas instituições diferentes: a ABNT e o MIT.
Os solos de grãos grossos são subdivididos em pedregulhos e areias, e os de granulação fina em siltes e argilas. A seguir, ~ presenta-se uma breve descrição dos principais tipos de solos e- xistentes, procurando-se ressaltar algumas características que permitam uma ficil identificação desses solos.
FIGURA 2 Duas partículas de solo fino ' o) coolinito b)ilito' {fonte ref.JO)
AF1tii81L.A8 $1L.TE& ARIEIA& JIIJIEOIII.
______ ....,., ______ -+j-_::.F_-+ _ __..::,.:...__+--!.•--+---•,.
~ (mml0.005 0.05 0.42
....
ABNT
A111!181L..A8 StL.T1ES AlllKIA5 P1EOR!IGULMOS
---~~---t~F--r--="--~1~·~---~• ~(mml
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o.aot
FIGURA 3 Escolas granulométricos
4 - Descrição dos Tipos de Solos
PEDREGULHOS - Os pedregulhos são acumulações incoerentes de fragmentos de rocha, com dimensões maiores que 2 mm (escala MIT).
Normalmente, são encontrados em grandes extensões, nas margens dos rios e em depressões preenchidas por materiais transportados pelos rios.
AREIAS -Têm origem semelhante à dos pedregulhos,entretanto, as suas dimensões variam entre 2 mm e 0,05 mm. As areias são ás- peras ao tacto, e, estando isentas de finos, não se contraem ao secar, não apresentam plasticidade e comprimem-se, quase instan- taneamente, ao serem carregadas.
SILTES - Os siltes.são solos de granulação fina que apresen- tam pouca ou nenhuma plasticidade. Um torrão .de silte seco ao ar pode ser desfeito com bastante facilidade.
ARGILAS - São solos de granuiaçao muito fina que apresentam características marcantes de plasticidade e elevada resistência, quando secas. Constituem a fração mais ativa dos solos.
As argilas, quando secas e desagregadas, dão uma sensação de farinha. ao tacto,e, quando úmidas, são lisas.
Quanto à constituição química das argilas, pode-se dizer que elas se compõem de silicatos de alumínio hidratados,podendo ocor rer eventualmente silicatos de magnésio, ferro ou outros metai~
também hidratados.
A estrutura desses minerais é bastante complexa, com seus á- tomos dispostos em forma laminar, a partir de duas unidades cris talográficas básicas: uma silícica e uma alumínica. -
A primeira consiste numa unidade tetraédrica,com um átomo de silício ao centro, rodeado por quatro de oxigênio, conforme se mostra na Figura 4. Aparece também nessa figura o símbolo utili- zado para representar essa unidade.
As lâminas alumínicas formam uma unidade octaédrica, com um átomo de A~ ao centro, envolvido por seis átomos de oxigênio ou por hidroxilas, como se esquematiza na Figura S.
De acordo com as associações que essas unidades venham a ter, podem formar-se vários tipos de minerais argílico·s, dos quais as caulinitas, as montmorilonitas e as ilitas constituem três gru- pos básicos.
As caulinitas estão formadas pela combinação alternada de uma lâmica silícica e de uma alumínica, que se superpõem indefinida- mente e com um vínculo tal entre suas retículas, que não é pos- sível a entrada de moléculas de água entre elas. A Figura 6 es- quematiza esse arranjo.
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FIGURA 4 Unidade tetraédriea
/ / / /
o
FIGURA 5 Unidade octo!Ídrica
FIGURA 6 . Arranja esquemático da caolinitas
As montmori loni ta·s, grupo ao qual pertencem as bentonitas, são formadas pela superposição de uma unidade alumínica, situada en- tre duas unidades silícicas, como se mostra esquematicamente na Figura 7.
Diferentemente das caulinitas, a un1ao entre os retículos é frágil, o que permite a penetração de água com relativa facilida de. Assim, tais argilas, com presença de água, experimentam ex=- pansões, fonte de inúmeros problemas para a engenharia de solos.
As ilitas apresentam um arranjo estrutural semelhante ao das montmorilonitas, entretanto, a presença de íons não permutáveis faz com que a união entre os retículos seja mais estável, e não seja afetada fortemente pela água. Tais argilas são bem menos e~
pansivas que ~s montmorilonitas. A Figura S mostra o arranjo es- trutural esquemático das ilitas.
FIGURA 7 Arranjo esquemático das montmorilonitas
o
FIGURA 8 Arranjo esquemático dos llitos
A identificação dos minerais do tipo, argila, presentes num solo, é feita por meio de processos bastante aprimorados,tais co mo a análise termodiferencial e a microscopia eletrônica.
Um processo de identificação bastante simples e expedito con siste na utilização de corantes orgânicos, os quais mudam de co~
loração, quando em contato com a argila. Os éorantes mais utili- zados são a benzidina, a safranina Y e o verde malaquita. Para maiores minúcias a respeito das técnicas de identificação de mi- nerais da espécie argila, consultar a referência 25.
Além desses quatro tipos fundamentais de solos existem outros com nomes característicos, tais como: os loess, os saibros e as turfas, contudo, em verdade, nada mais são do que ocorrências par- ticulares ou combinações dos tipos já citados.
As turfas ou solos turfosos merecem realce, por serem depósi tos de solos orgânicos bastante compressíveis e que trazem pro~
blemas para a Engenharia de Solos. Consistem no primeiro estádio de formação do carvão e iniciam-se pelo acúmulo de detritos vege tais em depressões, como, por exemplo, num lago. A sua coloração varia, desde amarela até castanho-escura, e normalmente apresen- tam-se com alto teor de umidade.
5 - Identificação Visual e Táctil dos Solos
Existem alguns testes rápidos que permitem, a partir das ca racterlStlcas apresentadas pelos solos, a sua iden~~~çao. Co mo em a natureza os solos normalmente são uma mistura de partí~
culas dos mais variados tamanhos, busca-se determinar qual o ta manho que ocorre em maior quantidade,e depois as ·demais ocorrên cias. E usual também, na identificação de um solo, citar a sua cor. Assim, por exemplo, alguns nomes que poderiam ocorrer se- riam: argila arenosa vermelha; silte argiloso pouco arenoso mar rom; areia grossa, com pedregulhos, cinza etc.
Os testes mais comuns são:
a - Sensação ao tacto: esfrega-se uma porção de solo na mão, ouscando sentir a sua aspereza. As areias são bastante ásperas ao tacto, e as argilas dão uma sensação de fari- nha, quando seca ou de sabão, quando Úmidas.
b - ~~?sticidade: tenta-se moldar pequenos cilindros de solo Úmido e, em seguida, busca-se deformã-los.As argilas são bastante moldáveis, enquanto as areias e,normalmente tam
bém os siltes não são moldáveis. -
c - Resistência do solo seco. Por causa das forças interpar- tlculas que se desenvolvem nos solos finos, um torrãCJ de solo argiloso apresenta elevada resistência, quando se tenta desagregá-los com os dedos. Os siltes apresenta:" al guma resistência, enquanto as areias, quando· puras, ;:em formam torrões.
11 d -Mobilidade da água intersticial: consiste em se colocar
napalma-damao
uma porção de solo Úmido. Fazendo-se ba- ter ~ssa mão fechada, com osolo dentro, contra outra, ve rifica-se o aparecimento da água na superficie do solo:Nos solos arenosos, graças à sua alta permeabilidade, a água aparece rapidamente na superficie. Ao abrir a mão,a superfície brilhante desaparece nesses solos arenosos, e
• eles freqUentemente trincam. Nos solos argilosos, a su- perficie brilhante permanece por bastante tempo e não o- correm fissuras, quando se abre a mão.
e - Dispersão em água: coloca-se uma amostra de solo seco e desagregado nun1a-proveta (100 ml) e, em seguida, água, Agita-se a mistura e verifica-se o tempo para deposição das particulas. As areias depositam-se rapidamente, en- quanto as argilas tendem a turvar a•suspensão e demoram bastante tempo para sedimentar.
O Quadro II procura sintetizar esses procedimentos comuns nor malmente utilizados para- identificar os solos:
QUADRO II: IDENTIFICAÇAO DOS SOLOS Tipos de Solos
Areias e solos areno- sos
Areias finas, siltes, areias sil tosas ou pou- co argilosas.
Argilas e solos argi- losos (com pouca areia ou silte)
Turfas e solos turfo- sos (solos orgânicos).
1 - Introdução
Procedimentos e Caracteristicas tacto (áspero) , observação visual incoerente.
tacto-pequena resistência do tor- rão seco (esfarela facilmente) ,tor rão seco desagrega rapidamente, quan do submerso: dispersão em água (se dimenta rápido e a água permanece turva, por pouco tempo).
tacto (úmidos: saponáceos;secas:fa rinhosas): torrão seco bastante re sistente, e não desagrega quando submerso; plasticidade; mobilida de da água intersticial.
cor: geralmente cinza. castanho-es cura; preta;
particulas fibrosas, cheiro carac- terístico _de matéria orgânica em d_f:_
composição;
inflamáveis, quando secos,e de po~
ca a média plasticidade.
CAP!TULO II I PROPRIEDADES !NDICES
Os solos em a natureza apresentam-se compostos por elementos das três fases fisicas, em maior ou menor proporção.
O arcabouço do solo, constituído do agrupamento das particu- las sólidas, apresenta-se entremeado de vazios, os quais podem es tar preenchidos com água e/ou ar. O ar é extremamente comprcssí~
vcl, e a água pode fluir através do solo, portanto, quando da a- valiação quantitativa do comportamento do solo, há necessidade de se levar em conta as ocorrências dessas fases físicas.
Para efeito dessa apostila, consideram-se como propriedades Índices, determinadas características, tanto da fase sólida. co mo das três fases, em conjunto, passíveis de mensuraçio, sejam~
diante relações entre as fases ou por meio da avaliação do com~
portamento do solo, ante algum ensaio convencional.
A determinação das propriedades Índices aplica-se na classi- ficação e identificação do solo, uma vez que elas podem ser cor- relacionadas, ainda que grosseiramente, com características mais complexas do solo, como, por exemplo, a compressibilidade.
Neste capítulo, descrevem-se as seguintes propriedades Índi ces: Indices Físicos: Granulometria e Estados de Consistência. - 2 - Indices Físicos
Os Indices Físicos sio relações entre as diversas fases, em termos de massas e volumes. os quais procuram caracterizar as con dições físicas em que um solo se encontra.
A Figura 9a, apresenta um elemento de solo, constituído das três fases, tal como poderia ocorrer em a nature:a. Para melhor vi suali:açio e para facilitar as deduções refercnt~s is relaçõei entre os diversos índices, o elemento de solo é mostrado esquema ticamente, com divisão das três fases. na Figura 9b. -
No lado esquerdo da Figura 9b, as fases estio separadas em vo lumes, e no lado direito. em massas.
2.1 - Definições
As três relações de volumes mais utilizadas sao: a porosida- de, o índice de vazios e o grau de saturação.
·A porosidade (n) é definida pela relação entre o volume deva zios e o volume total da amostra.
n
v v v
O Índice de vazios (e) é definido pela relação entre o volu- me de vazios e o volume de sólidos, isto é:
ar sólidos
I
TI'
. Varr-
arrlf
' Vs-I M(o l (b)
FIGURA 9 Elemento de solo
e
r
so
grau de s:Jtur:Jçiio (S _) representa a relação entre o volume de âgua e o volume de va:i~s. ou seja:v
\\r
vA relação entre as massas mais utilizadas ~ o teor de umida- de (w). que é a rc 1 açiio entre a mrrssa de iígua e a massa de sól i- dos presentes na Gmostra:
'I w
~ s
Esses índices físico's, como se vê, são adimensionais e, com exceção do Índice de vazios (e). todos os demais são expressos em termos de porcentagem.
As relações entre massas e volumes mais usuais são a massa es pecifica naiural. a massa específica dos sólidos e a massa espe- cífica da água.
A massa específica natural (y) é a relação entre a massa do elemento e o volume desse ~lemento:
y
=
Por suave:, a massa específica dos sólidos (y) é determina
s -
da, dividindo-se a massa de sÓlidos pelo volume ocupado por esses sólidos, ou seja:
:qs
v
se, por extensão, a massa especifica da agua (yw) define-se co- mo:
y = w
M w
v
wque, na maior parte dos casos práticos, é tomada como yw = 1,0 g/cm3.
O Quadro III apresenta os limites extremos de variação desses ín dices físicos.
QUADRO III: LIMITES DE VARIAÇÃO DOS INDICES FISICOS 1,0 < y < 2. 5 g/cm3
2. 5 < Ys < 3,0 g/cm3
o
< e < 20o
< n < 100%o
~ Sr.; 100%o
< w < 1500%14
2.2 - Relações entre os diversos índices
Atribuindo ao volume de fase sólida o valor unitário (Vs = lJ
e possível relacionar os diversos Índices físicos com o índice de vazios. Se Vs
=
1, então, ~=
Vv e Vw=
Sr.~' e dessa forma te- mos na Figura 10, o elemento esquemático de solo, em que as mas- sas agora são expressas em termos de produto entre os volumes e as massas específicas das diversas fases.FIGURA 10
mossas
Mossas e volumes dos diversos fases quando Vs,.
A partir dos dados da Figura 10, é possível obter as novas ex pressões para os diversos Índices físicos, conforme as seguintes relações:
n =
y ;;}'
-/
M w
v
vv
M
v
e 1 + e ys + 5 r
l + e
Em função da quantidade de água presente no solo, podemos de finir a massa específica saturada (y t), que ocorre quando to~
sa
dos os vazios do solo estão preenchidos com água, ou seja,Sr-100~:
<-r
sat=
Ys + e Yw 1 + e
Da mesma forma, quando o solo se encontra complet~mente seco (Sr = 0%), sem nenhuma água em seus vazios, temos a massa especí- fica seca
1 + e
15
E
importante notar que essas dn0s novas relações estão refe ridas ao volume natural da amostra (1 + e). isto-é. aclmite-se.quan do se faz matematicamente Sr = 0% ou Sr = 100%, que o solo não~fra variações de volume. Isto não é o que realmente ocorre em a nat•u reza, pois os solos, ao serem secados ou saturados normalmente ~ passam por variações de volume. A massa específica natural rela- ciona-se com a massa específica seca por intermédio da seguinte expressão:
Ys Ys w
y +
v
Ys + Sr . e . Yw
l + e l + e l + e
Y y d (l + w)
Tanto y, como yd. estão referidos ao volume da amQstra natural.
Dessa forma, é possível~colocar a expressão anterior, em termos de massas, o que é bastante Útil. sobretudo em ensaios de labora tório.
M
=
Md (l + w)índices com a porosidade, faz-se. para facili 1. Da mesma forma que na Figura 10, temos ã massas e volumes para a nova situação. Comõ Para relacionar os
dade de cilculo, V gora na Figura 11 as
V= l, tem-se n =\'v e V w S r • n.
T
I
Sr.n.Yw+ (1-nJYs
.·.· .. . ·.·.-:.:.·-..
__._ _ _ _ _ , . . . _ _ _ ... : · .• · . _ L , _ _ _ _ _ . _
massas
FIGURA 11
volumes
Mossas e volumes dos diversos fases quando V= I
Assim, podemos colocar os índices físicos de acordo com novas re lações:
v
ne v
v
s 1-
nM w sr n
.
Yww
MS (1
-
n) YsM
(1
-
n) Ys +s .
n y\•:v
ry
2.3 - Determinação dos Indices Físicos
Os Índices físicos são determinados em laboratório ou median te fórmulas de correlação, desenvolvidas no item anterior.
Em laboratório, são determinados a massa específica natural, o teor de umidade e a massa específica dos sólidos. A seguir, descreve- se resumidamente o procedimento, para determinação desses três in dices físicos.
a. Massa Específica Natural
Toma-se um bloco de solo de forma cúbica, tendo cerca de Sem de lado e procura-se tornei-lo de maneira que se transforme num cilindro. Para tanto, utiliza-se um berço para alizar a b-ase e o topo, e em seguida o corpo de prova é levado a um torno.onde lhe é dada a forma cilíndrica.
As determinações que se fazem são as medidas do diâmetro e da altura do cilindro, para cilculo do volume e a pesagem do corpo de prova.
Deve-se salientar que a massa específica natural normalmente é determinada em corpos de prova j i talhados para os ensaios u- suais de Mecânica dos Solos, isto é, não se talha um corpo depr~
va para medir unicamente a sua massa específica natural.
b. Teor de Umidade
Toma-se uma porção de solo (cerca de 50 g), colocando-a numa cipsula de alumínio com tampa.
O conjunto: solo úmido mais cipsula, é pesado com precisão de 0.01 g e, em seguida, a cipsula destampada é levada a uma estufa até constância de peso. O tempo de permanência da cipsula varia em função do tipo de solo; como ordem de grandeza, os solos are- nosos necessitam de cerca de 6 h e os solos argilosos. às vezes.
até de 24 horas.
Pesa-se o conJunto solo seco mais capsula e, com a tara da cipsula, determinada de início, pode-se calcular o teor de umida de por meio da seguinte expressão:
w X 100%
Mz Massa do solo úmido mais cipsula Ml Massa do solo seco mais cápsula Mo Tara da cápsula
c. Massa Específica dos Sólidos
Este índice é determinado, usualmente, empregando um frasco de vidro chamado picnõmetro (balão volumétrico). Coloca~se uma por- ção de solo (cerca de 80g para solos àrgilosos e 150 para solos arenosos) no picnômetro e, em seguida, preenche-se o frasco com água destilada até a marca de referência.
Pesa-se o conjunto picnômetro, água e solo, determina-se a temperatura da suspensão e mediante. a curva de calibração do picnômetro, determinam-se o peso do picnômetro e a igua para a temperatura do ensaio.
A Figura 12 ilustra o cálculo da massa específica dos sólidos.
marco de referência
águo ( Mwl águo ( M:.,l
( Ms l
Mz=M.;_,+Mp+Ms
FIGURA 12 ' Esquema poro cálculo de
Y
517
A massa de igua cor~espondente ao volume deslocado pelos s6- lidos sera:
M w M' - M w s ou
Portanto, o volume dos s6lidos corresponde a
e,por fim, a massa específica dos s6lidos pode ser assim obtida:
Deve-se frisar que normalmente são feitas de três a quatro determinações, fazendo variar a temperatura e acertando o nível de água na marca de referência, com vistas à obtenção de um va- lor rn~dio consistente.
Embora a determinação da massa específica dos sólidos sejas]~
ples, muitas vezes adota-se um valor rn~dio para resolução de pro blernas, uma vez que a faixa de variação no caso de solos ~ bem pe quena. Para solos arenosos, pôde-se tornar ys
=
2,67 g/cm3 (cor~respondente ao quartzo)e para solos argilosos, ys = 2,75- 2,90 g!crn3.
d. Demais !ndices
Como já foi salientado, os demais índices são determinados me- diante fórmulas de correlação. O Quadro III engloba as várias f\i.E.
mulas de correlação.
3. Granulornetria
A medida do tamanho das partículas constituintes de um solo
~ feita por meio da granulometria e a representação dessa medida
s~ d~ usualmente-por intermédio da curva de distribuição granul~
metrJ.ca.
A Figura 13 apresenta curvas de distribuição granulorn~trica
,.,., alguns solos. Pode-se notar que as curvas são desenhadas em
QUADRO III - FORMULAS DE CORRELAÇAO PARA OS·l !j'JDICES FfSICOS
)\ '
\ ' '
1\l
?'~;:~(.
',y
l
\ Y5a1 yd y' Y5o
<s
< 100% S "'100%s
o:()%s
=100%r
r
rr
y5+Sr e Yw y5+e YIV Y5 Ys - YIV
yd(1+e) l + e 1 + e
- -
1 + e 1 + eyd y - (y +S y )n 5 5 r
w
y5-(y5-yw) 11 (l-11)y5 (l-11)(Y5-\v)- -
1-n
y (1 + w)
5 y (e - IV) 5 '\.eYw
yd (1 + w)
-
- - -1 + e (1 + e)e IV
---~·-·~---
s
er
,,
' 'j ( I • )'Í;
\"
w Y5 Ys
- - - 1 e YIV yd
1-11 Y5 11 - I V - - - -
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I·r
-~ o~--~~--~----~--~~----+---~~~~---4---+----~ ~ o o o z •o o >.. ...
"' z ~"' ,. "'
c"'
"' o "' o ~ õ o"'
o "' o ;; õgráfico semiloiaritmico. Nas abscissas tem-se o logaritmo do ta manha das part1culas e nas ordenadas, à esquerda, a porcentagem retida acumulada, ou seja, a porcentagem do solo em massa, que é maior que determinado diâmetro: à direita, tem-se a porcentagem que passa, isto é, a porcentagem do solo, em massa, que é menor que determinado diâmetro.
Para a determinação do tamanho dos grãos de um solo grosso, recorre-se ao ensaio de peneiramento, no qual se faz passar por uma bateria de peneiras, de aberturas sucessivamente menores,cer ta quantidade de solo, determinando-se as porções retidas em ca~
da peneira. Para um solo de graduação fina o peneiramento se tor na impraticável. Neste caso, faz-se uso do ensaio de sedimenta~
ção que consiste basicamente em medir indiretamente a velocidade de queda das partículas em água.
O cálculo do tamanho das partículas finas é feito utilizando- se a lei de Stokes, que diz ser a velocidade de queda de uma par ticula esférica de p~so específico ys' num fluido de viscosidade u e peso específico yw' proporcional ao quadrado do diâmetro des sas partículas. ou seja:
v
Como foi salientado, as partículas finas de solo têm formas bastante diferentes de uma esfera. Assim, quando se utiliza a lei de Stokes, as partículas finas têm suas dimensões representadas por um diâmetro equivalente.
Ressalta-se ainda que as partículas coloidais (diâmetro infe rior 8 0,0002 mm) não sedimentam, por causa da ação de forças re pulsivas entre elas, o que origina o movimento browniano.de tra~
tamento bastante complexo.
Como, freqUentemente, os solos são uma mistura de partículas dos mais diversos tamanhos, costuma-se conduzir conjuntamente os ensaios de peneiramento e sedimentação, ou seja, faz-se uma aná- lise granulométrica conjunta, para determinação dos diâmetros e das respectivas porcentagens de partículas que ocorrem num solo.
3.1 -Noções sobre o Ensaio de Análise Granulométrica
A experiência tem mostrado que a amostra a ·ser ensaiada deve conter dê 40 a 70 g de sólidos, passando na peneira
fF
100. Como as partículas finas de solo tendem a aglutinar-se, há necessida- de de dispersá-las com o auxílio de um defloculante (silicato de sódio, hexametafosfato de sódio etc.), para que o resultado de ensaio seja efetivamente representativo dos tamanhos de partícu- las que ocorrem no solo.A mistura solo e defloculante é peneirada, com o auxílio de lavagem, na peneira
Ff
100. O material que passa é recolhido nu- ma proveta graduada para 1000 ml e será destinada ao ensaio des~dimentacão.
O máterial retido, após secagem em estufa, é passado por uma bateria de peneiras. com o auxílio de vibração. Determina-se a massa retida em cada peneira e, em seguida, calculam-se as por- centagens retidas e as acumuladas. Com esses valores pode-se de- terrni~ar a parte da curva granulométrica relativa à fração gros- sa do solo, utilizando o logaritmo de abertura da peneira e apo~
centagem retida acumulada nessa peneira.
No ensaio de sedimentação, a velocidade de queda da partícu- la é obtida indiretamente, determinando-se densidade da suspen- são, em intervalos de tempos esDaçados. Agita-se a suspensão con
/
2l tida na proveta para homogeneizá-la. em seguida, são fe1tas lei- turas periódicas de densidades, ao longo do tempo. A,le1tura do densímetro (y.) é correlacionada com a queda da part1cula (z),ou
1 .
seja, a distância entre a superfície da suspensão e o centro de volume do bulbo (Figura 14).
FIGURA 14 Altura de quedo no ensaio de sedimentação
Dessa forma, a velocidade de uma partícula de diâmetro D,que percorreu uma distância z. num tempo!· pode ser determinada pe- la lei de Stokes:
v Y s - Yw 18 ].1
Resulta então, que:
D
z
t
z
t
Se admitirmos a uniformidade da suspensão, é Óbvio que, após o tempo t, todas as partículas com diâmetro maior que D, dado pe la fórmula anterior, deverão estar a uma profundidade ãbaixo de z ou, em outras palavras,, acima de z não haverá partículas de di ãmetro maior que D. Chamando de N a porcentagem de partículas de
diâmetro menor que Q, pode-se demonstrar que:
Ys v
N (yi
-
yw)Ys
-
Yw M em que:V - volume da suspensão (1000 ml, geralmente) M - massa total de sólidos
yi - leitura do densímetro y w - massa específica da água.
Se fizermos
v
= 1000 ml e Yw lg/cm3, teremos:Ys L
N c
.
100%Ys
-
Yw :t-1em que L c = 1000 (yi
-
1).Assim, com os valores de diimetro D e
N,
porcentagem que pas sa (porcentagem de partículas com diimetro-menor que D) é possí~vel traçar a curva correspondente à fração fina do saio e que com plementa a curva obtida do peneiramento.
3.2 - Considerações sobre a Curva de Distribuição Granulométrica A curva de distribuição granulométrica de um solo, freqUente mente, é representada por dois parâmetros. São eles o diâmetro- efetivo (De ou D10) e o coeficiente de não uniformidade (Cu).
Dado que as part1culas finas são as que mais interferem n0 comportamento do solo, definiu-se o diâmetro no sentido de dar me dida dessa característica do solo. Assim, o diâmetro efetivo é
õ
diâmetro tal que 10% do solo, em massa, têm diâmetros menores que eJ~. A Figura 13, folha (19) mostra quatro curvas granulomêtricas e para o solo representado pela curva 3, pode-se notar que o di- âmetro efetivo (D ) é de 0,12 mm. O coeficrente de não uniformi- dade (C ) dá uma eidéia da inclinação da curva granulométrica, e u . é defiÍlido como:
c
u D60DlO
sen~o que D
60 tem definição análoga ao diâmetro efetivo. Para a
~da Figura 13, 0,12
46 0,0026
Um solo em que Cu 1, está composto de partículas de mesmo tamanho (mal graduado). Por outro lado, valores de Cu maiores do que a unidade indicam uma variedade no tamanho das partículas.po dendo o coeficiente de não uniformidade atingir valores da ordem de 300 ou 400, no caso dos solos residuais, sem que isso si;nifi que que o solo seja bem graduado. Um solo bem graduado apresentã uma distribuição proporcional do tamanho de partículas, de forma que os espaços deixados pelas partículas maiore's sejam ocupados pelas menores. Tais solos, qua~do bem compactados, normalmente ~
presentam alta resistência, o que é de bastante interesse para~
plicação,na prática.
Deve salientar-se que o diâmetro efetivo e o coeficiente de não uniformidade não são suficientes para representar sozinhos a curva de distribuição granulométrica, uma ve-z q,ue curvas distin- tas podem ter os mesmos D e C , como facilmente é possível vi- sualizar pelas curvas 2 e.:±_dau Figura _13. Assim, resulta que so mente a curva de--distribuição granulométr1ca pod-e i-dentifícar um solo quanto à sua textura.
A curva de distribuição granulometrica encontra apl~caçã? prá- tica na classificação do solo quanto à textura, na est1mat1va do coeficiente de permeabilidade e no dimensionamento ~~ filtros de proteção.
4 - Plasticidade e Estados de Consistência 4.1 - Noções sobre a Plasticidade dos Solos
Desde epocas r·e:m:ot~-5-ã.'be-seque-algunssolos, aô serem :r a balhados, fazendo variar a sua umidade~ atingem um estad0 ~e con
23 sist~ncia caracteristico denominado estado de consist~ncia plás- tico. Em cerâmica, tais solos são chamados de argilas,palavra que foi incorporada ã Mecânica dos Splos com o mesmo significado.
Sabe-se tamb~m que a forma lamelar das particulas ~ a respo~
sivel pe-las caracteristicas de plasticidade e de compr:;ssibili:
dade dos solos finos. Por sua vez, a forma dessas part1culas e determinada, em Última análise, pelo mineral argila, presente,ou seja, ela depende da estrutura cristalina de cada argila-mineraL Como a estrutura cristalina é própria de cada mineral, s~ria li- cito supor, que, em função do argilo-mineral presente, cada solo apresentasse distintas caracteristicas de plasticidade.
Isso é o que realmente ocorr.e em a natureza, com os argila- minerais de estrutura cristalina mais complexa, tais como as mont morilonitas, apresentando maior plasticidad~- -
.A plasticidade pode ser definida em Mecanica dos Solos, como a propriedade que um solo tem de experimentar deformações rápi- das, sem que ocorra variação volumétrica apreciável e ruptura~
Para que essa propr1edaae possa manl±estar-se, compreende-se que a forma característica das particulas finas permita que elas deslizem, uma por sobre as outras, desde que haja quantidade su ficiente de água para atuar como lubrificante. Entretanto, se
ã
quantidade de água for maior que a necessária para que tal ocor- ra,é
evidente que se formará uma suspensão,com carâcterísticas de um fluido viscoso. Ocorreu,portanto, uma alteração do estado de consistência do solo, assunto que será tratado no próximo item.Em resumo, pode-se dizer que a plasticidade está associada aos solos finos, e depende do argila-mineral. e da quantidade de água no solo.
4.2 - Estados de Consistência
A plasticidade, portanto, é um estado de consistência circuns tancial, que depende da quantidade de água presente no solo.
Assim, em função da quantidade de água presente no solo, po- dem-se ter vários estados de consistência, os quais, em ordem d~
crescente de teor de umidade, são:
a - estado lÍquido: o solo apresenta as propriedades e a apa rência de uma suspensão e, portanto, nao apresenta nenhuma resis tência ao cisalhamento;
b - estado plástico: no qual ele apresenta a propriedade de plasticidade;
c - estado semi-sólido: o solo tem a aparência de um sÓlido, entretanto, ainda passa por variações de volume,ao ·ser secado;
d - estado sólido: ~ão ocorrem mais varia~ões de volume, pe- la secagem do solo.
A Figura 15 ilustra os diversos estados de consistência de um so lo.
tfquido w
••
plástico
••
umi-sólido
'lllla
sólido
FIGURA 15 Estados de consistência
