SLIDES 02: Capítulo 1 - Origem e formação dos solos

Capítulo 1
Origem e formação
dos solos
Geotecnia I – SLIDES 02
Prof. MSc. Douglas M. A. Bittencourt
[email protected]
A origem do solo



Em geral, os solos são formados pela decomposição
das rochas a partir de agentes de intemperismo
São constituídos por um conjunto de partículas
sólidas e vazios, preenchidos ou não
O comportamento do solo depende:

Do movimento de suas partículas entre si
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2
Minerais
“Matéria formada por processos inorgânicos da natureza e
que possui composição química definida” (CHIOSSI, 2013).
“Substância sólida natural e homogênea com estrutura
atômica característica” (FRASCÁ; SARTORI, 1998).
“Formam a fase sólida do solo e são o produto da erosão das
rochas” (DAS, 2007).
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Rochas
“Corpo sólido natural, resultante de um processo geológico
determinado, formado por agregados de um ou mais
minerais, arranjados segundo as condições de temperatura
e pressão existentes durante sua formação” (FRASCÁ;
SARTORI, 1998).
Ígneas
Sedimentares
Metamórficas
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4
Rochas
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Solos
São materiais com origem recente ou remota e são
provenientes da alteração das rochas por ação do
intemperismo (agentes físicos ou químicos).
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Intemperismo


É o conjunto de modificações de ordem física
(desagregação) e química (decomposição)
que as rochas sofrem ao aflorar na superfície
da Terra.
Interação entre o material geológico e a
atmosfera, a hidrosfera e a biosfera.
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Intemperismo
Principais agentes físicos:
 Água (gelo/degelo – exerce elevadas tensões)
Fragmentação por ação do gelo. A água líquida ocupa as fissuras da rocha (a),
sendo posteriormente congelada, expandindo e exercendo pressão nas paredes (b).
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Intemperismo
Principais agentes físicos:
 Água (gelo/degelo – exerce elevadas tensões)
Bloco de gnaisse fraturado pela ação do gelo nas fissuras
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Intemperismo
Principais agentes físicos:
 Temperatura (provocam trincas, nas quais penetra a água, atacando
quimicamente os materiais)
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Intemperismo
Principais agentes físicos:
 Vento
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Intemperismo
Principais agentes físicos:
 Vegetação
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Intemperismo
Principais agentes químicos:
 Oxidação (mudança que sofre
um mineral em decorrência da
penetração de oxigênio na
rocha)
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Intemperismo
Principais agentes químicos:
 Hidratação (moléculas de água entram na estrutura mineral,
modificando-a e formando um novo mineral).
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Intemperismo
Principais agentes químicos:
 Hidrólise
 O mais importante agente do intemperismo químico;
 Íons da água combinam-se com os íons dos minerais formando
novas substâncias;
 Destruição de silicatos:
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Intemperismo
Principais agentes químicos:
 Carbonatação
 O CO2 contido na água forma ácido carbônico, contribuindo para a
decomposição da rocha;
 Mais acentuado em rochas calcárias.
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Perfil de formação do solo
É mais homogêneo e não apresenta
nenhuma relação com a rocha mãe
Grande quantidade de pedregulho;
São bastante heterogêneos (coloração,
resistência,
compressibilidade
e
permeabilidade)
Guarda características da rocha sã e
tem basicamente os mesmos minerais,
porém sua resistência é bem reduzida
Preserva parte da estrutura e de seus
minerais, porém com dureza inferior à
da rocha matriz (muito fraturada)
Rocha inalterada
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Classificação quanto à origem

Solos residuais:




São solos provenientes da decomposição das rochas e não
foram submetidos a ações de transporte
Se conservam no local da rocha mãe
Centro-Sul do Brasil
Solos transportados ou sedimentares:


São solos, que após o processo de alteração, foram
transportados para outros locais.
Coluviões, tálus, aluvionares, eólicos, glaciais
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Classificação quanto à origem
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Classificação quanto à origem

Solos transportados ou sedimentares:

Solos coluviais (ou depósito de tálus)





O transporte se dá pela ação da gravidade e são muito
heterogêneos
Ocorrência localizada, em pé de encostas ou provenientes de
escorregamentos
Apresentam boa resistência, porém elevada permeabilidade
Colúvio: material predominantemente fino (Serra do Mar e
planalto brasileiro)
Tálus: material predominantemente grosseiro (sul da Bahia e
Salvador)
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Classificação quanto à origem

Solos transportados ou sedimentares:

Solos aluvionares


Origem pluvial ou fluvial
Fonte de materiais de construção, mas “péssimos” como
fundação
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Classificação quanto à origem

Solos transportados ou sedimentares:

Solos eólicos






O vento é o agente de transporte
Os grãos tendem a ser arredondados e uniformes
Dunas: norte brasileiro
Loess: depósitos eólicos formados a grandes distâncias
Areias finas e siltes
Solos glaciais (geleiras)


Regiões temperadas e altitudes elevadas
São os solos formados pelas geleiras ao se deslocarem pela
ação da gravidade
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Classificação quanto à origem

Solos orgânicos



Possuem alto teor de matéria orgânica em decomposição e
apresentam coloração escura
Turfa (solos com alto teor orgânico)
Solos de evolução pedogenética


São solos, que após o processo de formação, são alterados
por processos físico-químicos, como lixiviação, laterização,
cimentação, etc.
Ex.: solos lateríticos (solos vermelhos de zonas úmidas e
quentes, compostos por hidróxido de alumínio e ferro)
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Tamanho das partículas

A primeira característica que diferencia os solos é o
tamanho das partículas que os compõem
Fração
Matacão
Pedra
Pedregulho
Areia Grossa
Areia Média
Areia Fina
Silte
Argila
Limites pela ABNT
25cm - 1m
7,6cm - 25cm
4,8mm - 7,6cm
2,0mm - 4,8mm
0,42mm - 2,0mm
0,05mm - 0,42mm
0,005mm - 0,05mm
inferior a 0,005mm
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Tamanho das partículas
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Fases físicas dos solos

Os solos são constituídos por um conjunto de partículas
com água (ou outro líquido) e ar nos espaços
intermediários
Sólidos
Água
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Ar
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Fases físicas dos solos


As fases líquida e gasosa estão sob diferentes pressões.
As diferença entre as pressões é denominada tensão de
sucção (ou somente sucção) e é responsável por diversos
fenômenos referentes ao comportamento mecânico dos
solos (solos não-saturados).
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Constituição mineralógica
Os minerais encontrados no solo são basicamente os
mesmos que constituem a rocha matriz. Podem ser
divididos em:
a) Fração grossa:

- Silicatos (quartzo, feldspato, mica, clorita, etc)
- Óxidos (hematita, magnetita, limonita)
- Carbonatos (calcita, dolomita)
- Sufatos (gesso, anidrita)
b) Fração fina:
- Com composição mais complexa, destacam a sílica (SiO2) e os
sesquióxidos metálicos. Principais grupos argílicos:
 Caulinitas, ilitas e montmorilonitas
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Constituição mineralógica
b) Fração fina
Os argilominerais são formados pela combinação de diferentes estruturas
atômicas. Composição química:
O
Si
O
O
O
Tetraedros justapostos em planos à base de óxidos de silício (SiO2)
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Constituição mineralógica
b) Fração fina
Os argilominerais são formados pela combinação de diferentes estruturas
atômicas. Composição química:
O
O
O
Al
O
O
O
Octaedros formados por átomos de oxigênio e hidroxilas
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Constituição mineralógica
i) Caulinitas
Minerais
formados
pela
associação de uma camada
tetraédrica e uma camada
octaédrica (1:1).
A ligação entre as estruturas
é feita pelo hidrogênio, que é
uma ligação forte.
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Constituição mineralógica
i) Caulinitas
Essa ligação forte impede a separação das estruturas, bem como
a entrada de moléculas de água.
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Constituição mineralógica
ii) Ilitas
Minerais
formados
pela
associação de uma camada
octaédrica
entre
duas
tetraédricas (2:1).
A ligação dos minerais é feita
por íons de potássio (K), que
são ligações firmes.
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Constituição mineralógica
iii) Montmorilonitas
Também são argilominerais
2:1, em que a ligação entre os
minerais é feita por diversos
cátions (Ca++, Na+), que
promovem ligações fracas e
não impedem a entrada ou
saída de moléculas de água
nas ligações.
Os cátions são facilmente
trocáveis pela percolação de
soluções químicas.
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Constituição mineralógica


O tipo de cátion presente numa argila condiciona a
sua
estabilidade,
o
que
condiciona
seu
comportamento
Superfície específica:



Caulinitas: 10 m²/g
Ilitas: 80 m²/g
Montmorilonitas: 800 m²/g
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Forma das partículas
• Arredondadas: predominam nos pedregulhos, areias e siltes;
• Lamelares: formas de placas, que predominam nas argilas e micas;
• Fibrilares: característica de solos altamente orgânicos (turfas).
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Estrutura dos solos argilosos
Quando duas partículas de argilominerais estão
próximas surgem forças de atração e/ou de
repulsão.
A combinação destas forças, bem como do líquido
circundante, irá determinar a forma de contato entre
as diversas partículas de argila, resultando em
diferentes estruturas para os solos finos.
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Estrutura dos solos argilosos
Estrutura floculada:
“borda-face”.
Floculado em sal.
predominam
as
ligações
Floculado sem sal.
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Estrutura dos solos argilosos
Estrutura dispersa: predominam as ligações “faceface”.
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Identificação dos solos
por meio de ensaios
Análise Granulométrica
Índices de Consistência
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Análise Granulométrica

É o estudo da distribuição do tamanho dos vários
“grãos” que constituem o solo

De acordo com o tamanho dos “grãos”, cada faixa recebe uma
designação arbitrada
O limite entre as faixas varia de acordo com a escala
granulométrica utilizada

Fração
Matacão
Pedra
Pedregulho
Areia Grossa
Areia Média
Areia Fina
Silte
Argila
Limites pela ABNT
25cm - 1m
7,6cm - 25cm
4,8mm - 7,6cm
2,0mm - 4,8mm
0,42mm - 2,0mm
0,05mm - 0,42mm
0,005mm - 0,05mm
inferior a 0,005mm
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Análise Granulométrica

O ensaio de granulometria é feito em duas partes
a) Por peneiramento
• Utiliza-se uma série de peneiras com aberturas de malha
variadas;
• Identifica-se a distribuição da fração grossa (areia fina acima);
• A peneira mais fina utilizada é a # 200 (0,075mm);
• O que passa na # 200 é classificado como solo fino / fração fina
(silte e/ou argila)
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Análise Granulométrica
a) Por peneiramento
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Análise Granulométrica

O ensaio de granulometria é feito em duas partes
b) Por sedimentação
• A fração fina é misturada em água com a presença de um
produto defloculante
• Essa mistura é agitada bastante e depois é colocada em
repouso, permitindo a decantação das partículas finas
• Baseado na Lei de Stokes e com o auxílio de um densímetro,
são calculados os diâmetros equivalentes das partículas
• A densidade é medida periodicamente
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Análise Granulométrica
b) Por sedimentação
• Lei de Stokes: a velocidade de queda de partículas esféricas
num fluido atinge um valor limite que depende do peso
específico do material da esfera (γs), do peso específico do
fluido (γw), da viscosidade do fluido (μ), e do diâmetro da esfera
(D), conforme a expressão:
s w 2
v
D
18  
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Análise Granulométrica
b) Por sedimentação – esquema do ensaio
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Análise Granulométrica
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Análise Granulométrica

Fatores que condicionam a curva granulométrica:
a) Procedimento de secagem;
b) Destorroamento;
c) Tipo de defloculante usado no ensaio.
- Ex.: argila porosa de Brasília
Defloculante
% de argila
Hexametafosfato de sódio
60 – 80
Sem defloculante
5 - 30
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Análise Granulométrica
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Exemplo 1
A análise granulométrica de um solo forneceu os resultados
apresentados na Tabela 1, cujo peso da amostra seca foi de
59,1 g. Do ensaio de sedimentação resultou que 24,6 g de
partículas eram menores que 0,05 mm e que 10,2 g menores
que 0,005 mm. Determine as porcentagens de areia, de silte
e de argila e classifique o solo.
Tabela 1
Peneiras
Peso retido (g)
#20 (0,84 mm)
2,8
#40 (0,42 mm)
3,4
#60 (0,25 mm)
8,5
#140 (0,105 mm)
6,7
#200 (0,075mm)
10,2
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)





Só a distribuição granulométrica não caracteriza
bem o comportamento dos solos sob o ponto de vista
da Engenharia
A fração fina dos solos tem uma importância muito
grande nesse comportamento
O tipo de argilomineral presente ditará o
comportamento do solo fino
A análise do mineral argila é muito complexa
De forma indireta, estuda-se o comportamento do
solo na presença de água
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)



São empregados os ensaios de Atterberg,
padronizados por Arthur Casagrande
Os limites baseiam-se na constatação de que um
solo argiloso ocorre com aspectos bem distintos
conforme o seu teor de umidade
São os teores de umidade que delimitam as
fronteiras
entre
os
diversos
estados
de
consistência que um solo fino pode apresentar.
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)
LC
LP
Estado
sólido
Semi-sólido
LL
plástico
Índice de Plasticidade
Teor de umidade
Líquido ou viscoso
IP = LL – LP
Solo não-plástico (NP) = não se consegue medir LL ou LP
1 ≤ IP ≤7
= solo fracamente plástico
7 < IP ≤15
= solo medianamente plástico
IP > 15
= solo altamente plástico
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)

Plasticidade:



Propriedade de certos sólidos serem moldados sem
variação de volume
Nas argilas esta característica vem de forma lamelar das
partículas, que permite um deslocamento relativo sem
variação de volume
O movimento relativo das partículas só é possível desde que
a água intersticial possa funcionar como lubrificante
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)

Limite de Liquidez (LL ou wL)


Teor de umidade que separa o estado plástico do estado
viscoso e que lhe confere comportamento “líquido”
Emprego do aparelho de Casagrande
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)
Limite de Liquidez (LL ou wL)

O LL é definido como o teor de umidade para o qual o
sulco (de 1 cm de altura) é fechado com 25 golpes
Antes do ensaio
Teor de umidade (%)

LL
25
Depois do ensaio
Nº de golpes – escala log
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)

Limite de Plasticidade (LP ou wP)



Teor de umidade no qual o solo começa a se fraturar quando
se tenta moldar um “cilindro”
É determinado em laboratório pela moldagem de um
“cilindro” de solo com D = 3mm e L = 10 cm
LP é teor de umidade em que se consegue moldar esse
“cilindro” e que começam a aparecer fissuras
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)

Limite de Plasticidade (LP ou wP)
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)

Limite de Plasticidade (LP ou wP)
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)

Limite de Contração (LC ou wC)


No estado semi-sólido há uma redução do volume com a
diminuição do teor de umidade
LC: é o teor de umidade abaixo do qual deixa de haver
redução do volume do solo com a secagem
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Índices de consistência (Limites de Atterberg)

Limite de Contração (LC ou wC)
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62
Exemplo 2
Na determinação do limite de liquidez de um solo, de acordo
com o Método Brasileiro NBR 6459, foram feitas cinco
determinações para que a ranhura se fechasse, com teores
de umidade crescentes, tendo-se obtido os resultados
apresentados na Tabela 2. Qual o Limite de Liquidez deste
solo?
Tabela 2
Tentativa
Umidade (%)
Nº de golpes
1
51,3
36
2
52,8
29
3
54,5
22
4
55,5
19
5
56,7
16
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Exemplo 2 - Resolução
Construção do gráfico em escala logarítmica.
d  T  log N
N  10
d
T
d (cm) = distância a partir da origem da
década até o ponto desejado no gráfico
T (cm) = tamanho da década
N = valor entre 1 e 10
Valor procurado  N  Valor da origem da década
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Atividade das argilas



Há solos que, mesmo com baixo teor de finos (10 a
20%), apresentam comportamentos típicos da fração
argila
Isto ocorre porque a fração argila é ativa
A medida desse fenômeno é dado pelo Índice de
Atividade (IA):
IP
IA 
%  0,002 mm
IA ≤ 0,75
→ fração argilosa inativa
0,75 < IA < 1,25 → fração argilosa normal
IA ≥ 1,25
→ fração argilosa ativa
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Emprego dos Índices de
Consistência

Classificação de solos

Previsão de comportamento

Estimativa de parâmetros de projeto
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Exemplo 3
Com a mesma amostra do exemplo 2, foram feitas quatro
determinações do limite de plasticidade, de acordo com o
Método Brasileiro NBR 7180, tendo-se obtido as seguintes
umidades, apresentadas na Tabela 3, quando o cilindro de
3 mm se fragmentava ao ser moldado. Qual o Limite de
Plasticidade deste solo? Qual o Índice de Plasticidade?
Quanto IP, como poderia ser classificado este solo?
Tabela 3
Tentativa
Umidade (%)
1
22,3
2
24,2
3
21,9
4
22,5
SLIDES 02 – Capítulo 1 - Origem e formação dos solos
GEOTECNIA I – Prof. MSc. Douglas M. A. Bittencourt
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