Noções de Solos

1.
NOÇÕES DE SOLOS
1.1Terminologia de solos e rochas
1.1.1
Engenharia Civil
a. Terra: é empregado em construção civil para designar material natural não
consolidado, possível de ser escavado por meio de ferramentas tais como a enxada, pá,
picareta ou equipamentos comuns de escavação, tais como o motor escraiper, moto
escavadeira;
b. Rocha: utilizado geralmente para designar maciços de materiais naturais
consolidados, cuja escavação exige o emprego de explosivos e ferramentas ou
equipamentos especiais de escavação como, por exemplo, os escarificadores pesados,
ou as perfuratrizes.
c. Solos: designa porções de terra estudadas pelos processos desenvolvidos pela
mecânica dos solos e especialidades afins.
Para a mecânica dos solos, os termos terra e solo são utilizados como sinônimos,
conforme a definição apresentada de terra.
1.1.2
Geologia
Rocha: agregados naturais de minerais (podendo conter matéria vítrea e orgânica
naturais) que constituindo a parte essencial da crosta terrestre, possam ser claramente
individualizados. Podem ser não consolidados como as areias, as argilas, as cinzas
vulcânicas, ou consolidados, quando são denominados de bedrock.
1.1.3 Pedologia (ciência do solo)
Solos: parte superficial da crosta terrestre eu possui vida (nasce, cresce e morre),
adaptada especialmente a vida animal e vegetal.
1.1.4 Geologia de engenharia ou geotécnica
Utiliza a terminologia básica adotada em engenharia civil, acrescentando as
particularidades genéticas dos materiais em consideração.
Solos: matérias ou camadas constituintes do manto do intemperismo (regolito) e dos
sedimentos não consolidados;
Rochas: constituída pelo bedrock.
1.2. Origem e Formação
O solo deve sua origem a decomposição das rochas pela ação das intempéries. Quando
o produto do processo em decomposição permanece no próprio local é chamado solo
residual. No caso desse produto ser transportado pela água da chuva, rio, pelos ventos,
gravidade ou vários agentes transportadores, é denominado de solo transportado.
Existem também solos transportados nos quais são misturados elementos de
decomposição orgânica; as terras diatomáceas constituídas por carapaças de algas ou
infusórios solos resultantes da evolução pedogenética, os quais geralmente se encontram
em camadas superficiais.
No mecanismo da formação dos solos, o processo pode ocorrer fisicamente ou
quimicamente.
1.2.1 Processo ou alteração Física
A decomposição da rocha se dá por processos físicos, geralmente a expansão diferencial
por alívio de tensões, o crescimento de cristais estranhos a rocha e contração e expansão
por variação de temperatura (Bjornberg et alii, 1975).
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a) expansão diferencial por alívio de tensões: como as rochas foram formadas sob
pressões elevadas quando comparadas com as que ocorrem na superfície terrestre, a
ocorrência de um processo geológico qualquer, poderá provocar um alívio nas pressões
atuantes sobre a rocha, ocasionando o seu fraturamento em blocos dos mais diversos
tamanhos, com o aparecimento de juntas ou diaclases que permitirão o ataque de outros
agentes do intemperismo;
b) crescimento de cristais estranhos à rocha: nas fendas das rochas, a existência de sais
que se expandem quando cristalizados, aumentando as dimensões destas fendas devido
às tensões geradas por esse crescimento;
c) contração e expansão térmica alternada: leva ao fraturamento mecânico, sendo
importante nas regiões áridas onde esta variação é pronunciada.
1.2.2. Processo ou alteração Química
É o processo de formação dos solos mais comum no nosso país de clima tropical (clima
úmido, quente), que se caracteriza por reações químicas entre os minerais constituintes
de uma rocha e soluções aquosas de diferentes teores.
A oxidação e o ataque pela água acidulada, por ácidos orgânicos, soam os principais
agentes da decomposição química. A amplitude da alteração além de depender dos
minerais constituintes da rocha que podem ser mais ou menos resistentes (estáveis), da
sua estrutura e textura, depende sobre tudo do clima da região (tempo de duração das
chuvas e temperatura), da topografia e cobertura vegetal.
A decomposição das rochas geralmente processa-se por fases:
- ataque químico aos minerais com alteração na cor, conservando, no entanto a textura
original.
- os minerais estão decompostos, mas a textura original ainda é perceptível.
- Fase final: a textura inicial desaparece.
O quartzo dentro os minerais, é um dos mais estáveis, ou seja, é
resistente ao ataque químico, sendo geralmente carregado pela água. Os compostos
estáveis, na maior parte argilo-minerais, dão origem às argilas.
De acordo com a natureza predominante do processo, os agentes do
inteperismo químico estão classificados como: oxidação, carbonatação, hidrólise,
hidratação, troca de bases e quelação.
a) oxidação: ocorre na superfície exposta das rochas, e é indicada por uma camada de
materiais de cor geralmente vermelha ou amarela, devido à reação do oxigênio do ar com
o ferro, dando origem a compostos mais estáveis;
b) carbonatação: reação de um mineral da rocha com o ácido carbônico em água. O corre
principalmente em rochas calcárias, dando origem a cavernas (ex: caverna diabo);
c) hidrólise: decomposição de um mineral pela água, que além de atuar como portadora
dos reagentes dissolvidos, atua também como um dos reagentes;
d) hidratação: adição de moléculas de água na estrutura do mineral, causando expansão
e fraturamento, sendo por alguns autores considerados mais um processo físico que
químico;
e) troca de bases: é uma permuta de cátions entre uma solução aquosa rica em um tipo
de cátion e um mineral rico em outro tipo;
f) quelação: processo no qual cátions metálicos são incorporados ás moléculas de
compostos orgânicos complexos.
1.3 Formação de solos tropicais
1.3.1 Considerações Sobre Solos Tropicais
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O solos das regiões tropicais apresentam uma série de peculiaridades decorrentes das
condições climáticas, sendo portanto necessário se conceituar os solos de peculiaridades
tropicais, ou seja, os tipos genéticos de solos encontrados em regiões tropicais. Os
seguintes solos são encontrados em regiões tropicais: lateríticos, saprolíticos e
transportados. A Figura 1.1 ilustra um perfil esquemático da ocorrência destes tipos de
solos.
1
4
2
5
3
6
1 - SOLO LATERÍTICO
2 - SOLO SAPROLÍTICO
3 - SOLO TRANSPORTADO
4 - SOLO TRANSPORTADO
NEOCENOZÓICO
5 - ROCHA SÃ
6 - LAGOS, RIOS, MAR
FIGURA 1.1: Perfil Esquemático de Ocorrência de Solos em Ambiente Tropical.
Dentro da classificação dos solos, aqueles que apresentam propriedades peculiares e de
comportamento em decorrência da atuação de processo geológico e/ou pedológico típicos
das regiões tropicais úmidas são denominados de solos tropicais. Dentre os solos
tropicais destacam-se duas grandes classes: os solos lateríticos e os solos
saprolíticos.
• Solos lateriticos
Correspondentes aos solos lateriticos na terminologia adotada pelo comitê de solos
tropicais da ISSMFE (1985), ou seja: solos superficiais cujo horizonte correspondem aos
horizontes pedológicos A e B, sendo que nas regiões tropicais é difícil distinguir onde
termina um e começa outro. É um solo zonal, pois está de acordo com as condições
climáticas.
Sua formação se dá pela atuação dos processos de alteração pedológicos que envolvem
os mecanismos de desagregação e decomposição provocados pelos processos
geológicos (processos mecânicos e químicos), com a atuação mais intensa dos
processos químicos. A esses processos vão se formar os processos, mas
especificamente pedológicos denominados de laterização ou latossolização, com a
intensa migração de partículas sob a ação das infiltrações e evaporação, dando origem a
um horizonte superficial poroso, permanecendo quase que exclusivamente os minerais
mais estáveis (quartzo, magnetita, ilmelita e caolinita).
O processo de laterizalção é muito lento, atuando nas camadas superficiais bem
drenadas, situadas acima do nível da água.Grande parte desse solo pé constituído por
coluvio, sendo solos antigos ou maduros.
• Solos Saproliticos
Segundo os mesmos autores (1988), constituem os solos saproliticos e os solos
transportados.
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a)O termo “solo saprolitico” foi proposto no tropicais 85. Sua peculiaridade morfológica é a
presença da estrutura reliquiar da rocha matriz embora possa desenvolver outras
estruturas com o intemperismo;é um solo resultante da meteorização da rocha, contendo
geralmente, minerais não totalmente modificados pela ação das intempéries e processos
pedológicos, como por exemplos os minerais feldspatos e a mica. Muitas vezes apresenta
anisotropia devido à estratificação ou xistosidade herdada da rocha matriz.
A presença de mica e da caolinita na fração silte são responsáveis pela diminuição do
índice de plasticidade e aumento do limite de liquidez.
Quanto à cor, a presença de manchas, listras, mosqueamentos e outras
heterogeneidades, é uma das peculiaridades mais destacadas. A presença de certas
cores predominantes como: verde, roxo, róseo, violeta, azul e branco, pouco freqüentes
nos solos superficiais, é outra peculiaridade que permite identificar muitas de sua
variedades.
Na Figura 1.2 está ilustrado o perfil típico de um solo tropical, com as principais
características e na Figura 1.3 (a) e (b), a micro estrutura observada com o auxílio de um
microscópio de varredura.
Solos lateríticos (later = tijolo):
camadas superficiais,
coloração geralmente
vermelha ou amarela devido à
presença de óxidos de ferro e
alumínio hidratados e minerais estáveis, homogêneo e
pouco erodível. Espessura da
camada da ordem de alguns
metros.
Solos saprolíticos (sapro =
decomposição): camada de
solo proveniente da decomposição da rocha matriz,
herdando suas feições, com
presença de minerais não
estáveis. Heterogêneos e
suceptíveis à erosão. Espessura da camada da ordem de
dezenas de metros.
Figura 1.2 Corte em solo saprolítico de basalto (parte inferior).
Figura 1.3 (a) – Latossolo vermelhoamarelo, argiloso (
l µm)
Figura 1.3 (b) – Solo saprolítico de
micaxisto, com macrocristais de caolinita (
3,3 µm)
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1.4 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO
Os ensaios de caracterização de solos é realizado com amostra deformadas e são os
seguintes:
• Ensaio de granulometria;
• Ensaio de limites de Atterberg (limite de liquidez e limite de plasticidade);
• Densidade real
Na figura 1.4 está apresentado o esquema com os ensaios de caracterização.
1.4.1 GRANULOMETRIA E ÍNDICES DE ATTERBERG
Textura: É o tamanho relativo dos grãos que formam a fase sólida dos solos.
1.4.1.1 Granulometria: É a medida da textura. O ensaio de análise granulométrica do
solo esta normalizado pela NBR 7181.
Materiais Granulares (Solos grossos: ex: areias e pedregulhos): Simples peneiramento
de uma amostras seca em estufa, utilizando-se uma série padronizada de peneiras,
sendo que o material retido possui diâmetro equivalente, maior ou igual ao diâmetro da
peneira.
Materiais ou solos finos (ex.: silte e argila): utiliza-se da sedimentação dos sólidos em
meio líquido.
Solos com fração grossa e fração fina: Para estes solos a distribuição granulométrica é
obtida utilizando-se simples peneiramento para a fração grossa e sedimentação para a
fração fina.
Diâmetro equivalente: como as partículas de um solo não são esféricas, para a
fração grossa do solo, o diâmetro equivalente será igual ao diâmetro da menor esfera
que circunscreve a partícula. Para a fração fina, este diâmetro é calculado utilizandose a fração de Stokes.
Peneiramento: Utiliza-se o conjunto de peneiras normalizado pela NBR 5734, que é
formado por 52 peneiras de malhas quadradas e com aberturas variando de 0,037 mm
a 108 mm (figura 1.5), mantendo uma progressão geométrica de razão de
aproximadamente 4√2. A amostra seca é colocada na peneira de maior abertura da
série escolhida e o peneiramento pode ser manual ou utilizando-se um vibrador de
peneiras por cerca de 15 minutos - 60hz. Em seguida é determinada a massa retida
em cada peneira, calculando-se a percentagem correspondente.
Peneiramento grosso: 50,00 mm (2”); 38,00 mm (1 1/2"); 25,4 mm (1”); 19,10 mm (¾”);
12,70 mm (1/2”); 9,51 mm (3/8”); 4,76 (no. 4); 2,00 mm (no. 10).
Peneiramento fino: 1,20 mm (no. 16); 0,6 mm (no. 30); 0,42 mm (no. 40); 0,30 mm (no.
50); 0,15 (no. 100); 0,075 mm (no. 200).
Na tabela 1.1 está apresentada a divisão dos solos segundo a ABNT.
Tabela 1.1 – Divisão dos solos segundo a ABNT
Pedregulho Areia grossa Areia média
Areia fina
> 4,8 mm
> 2,0 mm
> 0,4 mm
> 0,05 mm
silte
> 0,005 mm
argila
≤ 0,005 mm
A curva granulométrica é representada em papel mono-log, onde no eixo das abscissas
estão representados os diâmetros equivalentes e no eixo das ordenadas, as
percentagens retidas e acumuladas (ou passadas e acumuladas), conforme gráfico da
figura 1.6.
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AMOSTRA
SECAGEM AO AR
ALMOFARI Z COM
MĀO DE BORRACHA
REPARTIÇĀO OU
QUARTEAMENTO
1500 g SOLOS FINOS
2000 g SOLOS GROSSOS
PENEIRA DE 2,00 mm
< 2,00 mm
> 2,00 mm
Figura 1.4 – Ensaios de caracterização.
GRANULOMETRIA
DENSIDADE REAL (10g)
LIMITE DE CONTRAÇĀO (50g)
LIMITE DE PLASTI CIDADE (50g)
< 0,42 mm
LIMITE DE LIQUIDEZ (70g)
DESPREZADA
> 0,42 mm
UMIDADE HIGROSCÓPICA (50g)
PENEI RA DE
0,42 mm
GRANULOMETRI A + SEDIMENTAÇĀO
(100g)
CERCA DE 250 g
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Figura 1.5 - Série de peneira utilizada no ensaio de granulometria.
1
%
Passada
2
1 – solos mal graduado
(uniforme)
2 – Solo bem graduado
(não uniforme)
30%
10%
φ10
φ30
φ (mm)
Figura 1.6 – Curva granulométrica.
•
•
Diâmetro efetivo (φe ou φ10): é o diâmetro correspondente a 10 % que passa
Coeficiente ou Grau de Não uniformidade (desuniformidade) (Cu ou Du) é igual a
Cu =
φ60
φ10
φ60 é o diâmetro correspondente a 60% que passa.
Este parâmetro fornece a inclinação média da curva. Se Du ou Cu ~1 significa que a
curva granulométrica é quase vertical.
• Coeficiente de curvatura (Cc) é igual a
Cc =
φ302
φ10 x φ60
φ30 é o diâmetro correspondente a 30% que passa.
Fornece uma idéia da forma e simetria da curva granulométrica.
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Sedimentação: Para a fração fina do solo (siltes e argila) com diâmetro equivalente
menor que 0.075 mm, o cálculo do diâmetro equivalente é feito através do resultado
obtido no ensaio de sedimentação de uma massa de sólidos em um meio líquido. O
diâmetro equivalente é obtido utilizando-se a lei de Stokes que afirma que as
partículas caem sob a ação da gravidade, em um meio resistente, com velocidade
uniforme proporcional a massa e dependente da forma das partículas. Admite-se que
as partículas possuem formas esféricas (quando na maioria das vezes são laminares,
suas massas específicas variam conforme o tipo de mineral e pode ocorrer influência
das paredes do recipiente) e a velocidade de queda para uma distancia vertical z em
um tempo t será:
v=
z
t
=
δ - γa D2
1800 µ
onde:
δ = massa especifica dos grãos do solo;
γa = massa especifica da água;
µ = viscosidade do líquido (água);
D = diâmetro da esfera cuja massa é equivalente á da partícula da queda.
Portanto:
D = √(1800 µ
z )
t
δ - γa
A uma profundidade z, depois do t, todas as partículas acima terão diâmetro menor que
D, dado pela fórmula. Como γa e µ dependem da temperatura, deve-se procura mantê-la
constante, utilizando-se para esse fim o tanque de sedimentação (figura 1.7 (a)).
A velocidade de queda de uma partícula de diâmetro equivalente D é obtida
indiretamente, pois uma dada partícula no instante zero está situada no topo da
suspensão e após decorrido um tempo t ela terá percorrido uma distância z, com
velocidade uniforme v = z/t. Partículas com diâmetro menor que D terão percorrido
distância menor que z e as de diâmetros maior, distancias maiores, com velocidades
diferentes, independente de suas posições iniciais. Portanto acima da partícula em
questão, todas as partículas terão diâmetros menores do que D.
A quantidade de grãos em suspensão acima da profundidade z poderá ser determinada
pela medida da densidade da suspensão, utilizando-se um hidrômetro calibrado. Lendose a medida do hidrômetro num certo tempo t e tem-se a densidade da suspensão.
Como a massa especifica do fluido e a viscosidade é variável com a temperatura, deve-se
procurar mantê-la constante durante o ensaio ou efetuar as devidas correções.
Ao material passado na peneira de 2,00 mm (no. 10) é adicionado o agente defloculante
ou antifloculante Hexametafosfato de sódio diluído em água, de tal maneira que o solo
mais a água com o defloculante perfaçam 1000 ml. Este material é colocado no dispersor
(figura 1.7 (b)) e depois de descansar, é colocado na proveta que é agitada, procedendose as leituras do (vide figura 1.7 (c)) no densímetro (em detalhe na figura 1.7 (d)) em
função do tempo, registrando-se a temperatura da água.
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Figura 1.7 Ensaio de sedimentação (a) tanque de imersão para provetas; (b) dispersor; c)
provetas, da esquerda para a direita, com água e termômetro, com solo e para descanso
do densímetro; (d) densímetro.
1.4.1.2
Limites de Atterberg
O solo pode se apresentar nos seguintes estados físicos (vide figura 1.8) :
•
•
•
•
Estado Líquido: quando não possui forma definida. A resistência ao cisalhamento
(corte) é nula;
Estado Plástico: o material possui comportamento plástico (deformável);
Estado Semi-Sólido: tem a aparência de um sólido, mas com a secagem ocorre
variação do volume;
Sólido: quando qualquer secagem do solo não implica em uma variação de volume.
LC
ESTADO
SÓLIDO
LP
ESTADO
SEMI
SÓLIDO
LL
ESTADO
PLÁSTICO
ESTADO
LÍQUIDO
∆V
LC
LP
LL
h (%)
Figura 1.8 – Variação do volume do solo em função do teor de umidade.
Este limites foram definidos pelo engenheiro sueco Atterberg, com a finalidade de serem
utilizados em materiais cerâmicos. Em 1908, A. Casagrande, tendo conhecimento desse
trabalho, padronizou o ensaio.
•
Determinação do limite de liquidez (LL ou Ll): o método de ensaio está
apresentado na NBR 6459. Antes de realizar o ensaio é necessário calibrar o aparelho
de Casagrande, verificando-se a altura de queda da concha e as condições da base
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de ebonite. A amostra seca é passada na peneira de abertura nominal de 0,42 mm.
Adiciona-se água à amostra de maneira a obter uma pasta.
Figura 1.9 (a) aparelhagem para ensaio de limite de liquidez; (b) placa de vidro com face
esmerilhada; (c) cinzéis; (d) detalhe da ranhura no início do ensaio.
Na figura 1.9 (a) observa-se da esquerda para a direita, a placa de vidro esmerilhada, a
vasilha de porcelana utilizada para espatulação e homogeneização da amostra, aparelho
de Casagrande manual e automático. Na figura 1.9 (b) e (c) têm-se o detalhe da placa de
vidro esmerilhada, sendo que os “apetrechos” são da esquerda para a direita, o gabarito
utilizado no ensaio de LP com diâmetro de 3 mm, o cinzel curvo e o chato, gabarito para
ajuste da altura de queda da concha e esfera para verificação das condições da base de
ebonite do aparelho de Casagrande.
Espatula-se a amostra na cápsula de porcelana (figura 1.9), homogeneizando-a e colocaa na concha do aparelho de Casagrande e procedendo a ranhura conforme mostrado na
figura 1.9 (d). Gira-se a manivela do aparelho a razão de 2 rotações/segundo, causando
devido a um excêntrico, uma queda da concha sobre a base de ebonite, anotando-se os
número de golpes para fechar a ranhura mais ou menos 10 mm. Retira-se uma amostra
da região onde ocorreu o fechamento da ranhura para determinação do teor de umidade.
O ensaio é repetido para outros teores de umidade, partindo-se geralmente do ponto mais
seco para o mais úmido, de maneira a se obter dois pontos com mais de 25 golpes e dois
pontos com menos de 25 golpes.
Com os valores obtidos do número de golpes e teor de umidade, plota-se os pontos e
traça-se a linha média, conforme apresentado na figura 1.10.
O valor do LL é o correspondente ao número de golpes igual a 25.
h (%)
LL
25
Número de golpes
(escala logarítmica
Figura 1.10 – Gráfico do teor de umidade versus número de golpes em papel monologo,
para determinação do LL.
Através do ensaio de LL é possível correlacionar a resistência ao cisalhamento do solo
para um dado teor de umidade com o número de golpes necessários para que ocorra o
deslizamento dos “taludes” da amostra da concha. Casagrande (1932) encontrou valores
muito baixos próximos a 2,5 kPa.
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•
Determinação do Limite de Plasticidade: o método de ensaio está apresentado na
NBR 7180. A amostra seca é passada na peneira de abertura nominal de 0,42 mm.
Coloca-se a amostra na cápsula de porcelana e adiciona-se água à amostra de
maneira a obter uma massa (consistência maior que o do ensaio de LL), espatulandoa e homogeneizando-a. Toma-se uma esfera de solo e rola-a sobre a placa de vidro
esmerilhada (vide figura1.11) até que se obtenha um cilindro com diâmetro de 3 mm e
este comece a apresentar fissuras. Determina-se o teor de umidade. Repete-se o
ensaio mais quatro vezes (cinco determinações) e o valor do LP será o valor médio
das determinações:
LP =
h1 + h2 + h3 + h4 + h5
5
Figura 1.11 Ensaio de limite de plasticidade.
•
Índice de Plasticidade (IP ou Ip): é o intervalo entre o teor de umidade
correspondente ao LL e ao LP ou seja:
LP
LL
IP = LL - LP
IP
A areia não apresenta plasticidade (Não plástico – NP) e a argila apresenta IP elevado.
•
Índice de Consistência:
LL - h
IC =
IP
LL - h
=
LL - LP
Tabela 1.2 – Consistência dos solos.
IC
<0
0 a 0,50
0,50 a 0,75
0,75 a 1,00
> 1,00
CONSISTÊNCIA
de vaza
Plástica mole
Plástica média
Plástica rija
dura
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