Gilberto - Mecânica dos solos aplicada aula 02

INSTITUTO FEDERAL DO PIAUÍ
CAMPUS TERESINA - ZONA SUL
MECÂNICA DOS SOLOS APLICADA
(aula 02)
Prof. Gilberto Gomes da Silva
Fevereiro/2015
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1. Introdução
1.1 Definição, objetivos e aplicação da Mecânica dos Solos
• Definição
A mecânica dos solos estuda as características físicas dos
solos e as suas propriedades mecânicas (equilíbrio e
deformação) quando submetido a acréscimos ou alívio de
tensões.
A mecânica dos solos é o estudo do comportamento de
engenharia do solo quando este é usado ou como material de
construção ou como material de fundação.
• Objetivos
Substituir por métodos científicos os métodos empíricos
aplicados no passado.
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1. Introdução
1.1 Definição, objetivos e aplicação da Mecânica dos Solos
Exemplos de aplicação
• Fundações
As cargas de qualquer estrutura têm
de ser, em última instância, descarregadas
no solo através de sua fundação. Assim a
fundação é uma parte essencial de
qualquer estrutura. Seu tipo e detalhes de
sua construção podem ser decididos
somente com o conhecimento e aplicação
de princípios da mecânica dos solos.
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1. Introdução
1.1 Definição, objetivos e aplicação da Mecânica dos Solos
Exemplos de aplicação
• Projetos de pavimentos
O projeto de pavimentos pode consistir de pavimentos
flexíveis ou rígidos. Pavimentos flexíveis dependem mais do solo
subjacente para transmissão das cargas geradas pelo tráfego.
Problemas peculiares no projeto de pavimentos flexíveis são o
efeito de carregamentos repetitivos e problemas devidos às
expansões e contrações do solo por variações em seu teor de
umidade.
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1. Introdução
1.1 Definição, objetivos e aplicação da Mecânica dos Solos
Exemplos de aplicação
• Escavações
A execução de escavações no solo requer
frequentemente o cálculo da estabilidade dos taludes
resultantes. Escavações profundas podem necessitar de
escoramentos provisórios, cujos projetos devem ser feitos
com base na mecânica dos solos.
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1. Introdução
1.1 Definição, objetivos e aplicação da Mecânica dos Solos
Exemplos de aplicação
• Aterros e barragem de terra
Para a construção de aterros e de
barragens de terra, onde o solo é
empregado como material de construção e
fundação,
necessita−se
de
um
conhecimento
completo
do
comportamento de engenharia dos solos,
especialmente na presença de água. O
conhecimento da estabilidade de taludes,
dos efeitos do fluxo de água através do
solo, do processo de adensamento e dos
recalques a ele associados, assim como do
processo de compactação empregado é
essencial para o projeto e construção
eficientes de aterros e barragens de terra.
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1. Introdução
1.2 Problema da Mecânica dos Solos
A própria natureza do solo.
1.3 Solo sob o ponto de vista da engenharia
Solo é a denominação que se dá a todo material de
construção ou mineração da crosta terrestre escavável
por meio de pá, picareta, escavadeira, etc, sem
necessidade de explosivos.
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1. Introdução
1.3 Solo sob o ponto de vista da
engenharia
1.3.1 Emprego do solo na engenharia civil
• Solo como material de construção:
aterros, barragens de terra, base e
sub-base de pavimentos, etc.
• Solo como suporte de fundação:
sapatas, blocos, estacas, tubulões,
subleito, etc.
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1. Introdução
1.4 Origem e evolução da mecânica dos solos
• Os primeiros trabalhos sobre o comportamento dos solos
datam do século XVII. Coulomb (1773), Rankine (1856) e
Darcy (1856) publicaram importantes trabalho sobre o
comportamento dos solos.
• O acúmulo de insucessos em obras de engenharia observados
no início do século XX como:
– O escorregamento de solo durante a construção do canal do
Panamá (1913);
– Rompimento de grandes Barragens de Terra e Recalque em
grandes edifícios (1913);
– Escorregamento de Muro de Cais na Suécia (1914) levou em 1922
a publicação pelos suecos de uma nova teoria para o cálculo e
estabilidade de taludes;
– Deslocamento do Muro de cais e escorregamento de solo na
construção do canal de Kiev na Alemanha (1915).
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1. Introdução
1.4 Origem e evolução da mecânica dos solos
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1. Introdução
1.4 Origem e evolução da mecânica dos solos
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1. Introdução
1.4 Origem e evolução da mecânica dos solos
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1. Introdução
1.4 Origem e evolução da mecânica dos solos
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1. Introdução
1.4 Origem e evolução da mecânica dos solos
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1. Introdução
1.4 Origem e evolução da mecânica dos solos
Em 1925 o professor Karl Terzaghi publicou seu primeiro
livro de Mecânica dos solos, baseado em estudos realizados
em vários países, depois do início dos grandes acidentes.
A mecânica dos solos nasceu em 1925 e foi batizada em
1936 durante a realização do primeiro Congresso
Internacional de Mecânica dos Solos.
Em meados de 1938 foi instalado o primeiro Laboratório
de Mecânica dos solos em São Paulo. Em novembro de 1938
foi instalado o Laboratório de solos e concreto da inspetoria
nacional de obras contra a seca em Coremas - Pb.
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2. Origem e formação dos solos
Os solos são formados pela deterioração das rochas
através do intemperismo.
2.1 Rocha
Agregado de um ou mais minerais, que é impossível de
escavar manualmente, que necessite de explosivo para o seu
desmonte.
2.2 Intemperismo
É o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos
que ocasionam a desintegração e decomposição das rochas e
dos minerais, formando os solos.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.1 Intemperismo físico
É o processo de decomposição da rocha sem
alteração química dos seus componentes.
Os principais agentes são:
- Variação de temperatura;
- Repuxo coloidal;
- Congelamento da água;
- Alívio de pressões.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.1 Intemperismo físico
• Variações de Temperatura
Da física sabemos que todo material varia de volume
em função de variações na sua temperatura.
Estas variações de temperatura ocorrem entre o dia e a
noite e durante o ano, e sua intensidade será função do
clima local.
Acontece que uma rocha é geralmente formada de
diferentes tipos de minerais, cada qual possuindo uma
constante de dilatação térmica diferente, o que faz a rocha
deformar de maneira desigual em seu interior, provocando
o aparecimento de tensões internas que tendem a
fraturá−la.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.1 Intemperismo físico
• Repuxo coloidal
O repuxo coloidal é caracterizado pela retração
da argila devido à sua diminuição de umidade, o que
em contato com a rocha gera tensões capazes de
fraturá−la.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.1 Intemperismo físico
• Ciclos gelo/degelo
As fraturas existentes nas rochas podem se
encontrar parcialmente ou totalmente preenchidas
com água. Esta água, em função das condições locais,
pode vir a congelar, expandindo−se e exercendo
esforços no sentido de abrir ainda mais as fraturas
preexistentes na rocha, auxiliando no processo de
intemperismo.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.1 Intemperismo físico
• Alívio de pressões
Alívio de pressões irá ocorrer em um maciço
rochoso sempre quando da retirada de material
sobre maciço, provocando a sua expansão, o que por
sua vez, irá contribuir no fraturamento e formação de
juntas na rocha.
Estes
processos
"fraturam"
as
rochas
continuamente, o que permite a entrada de agentes
químicos e biológicos, cujos efeitos aumentam a
fraturação e tende a reduzir a rocha a blocos cada vez
menores.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.2 Intemperismo químico
É o processo de decomposição da rocha onde os vários
processos químicos alteram, solubilizam e depositam os minerais das
rochas transformando-a em solo, ou seja, ocorre a alteração química
dos seus componentes.
Neste caso há modificação na constituição mineralógica da
rocha, originando solos com características próprias.
Os tipos mais comuns são: hidrólise, hidratação, oxidação e
carbonatação.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.2 Intemperismo químico
Hidrólise
É o mais importante, pois leva a destruição dos silicatos.
Hidratação
Penetração da água nos minerais, através de fissuras. A hidratação
ocasiona nos Granitos e Gnaisses a transformação de feldspato em argila.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.2 Intemperismo químico
Carbonatação
O carbonato de cálcio em contato com a água carregada de ácido
carbônico se transforma em bicarbonato de cálcio.
Oxidação
Mudança que sofre um mineral em decorrência da penetração de
oxigênio na rocha.
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2. Origem e formação dos solos
2.2 Intemperismo
2.2.3 Intemperismo biológico
É processo no qual a decomposição da rocha se dá graças a
esforços mecânicos produzidos por vegetais através de raízes,
escavação de roedores, etc.
2.2.4 Influência do intemperismo no tipo de solo
Os vários tipos de intemperismo e a intensidade com que
atuam no processo de formação dos solos, dão origem a
diferentes tipos de solo.
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
No interior do Globo Terrestre, graças às
elevadas pressões e temperaturas, os
elementos químicos se encontram em estado
líquido formando o magma (6).
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
A camada sólida da Terra, pode
romper−se em pontos localizados e deixar
escapar o magma. Desta forma, haverá um
resfriamento brusco do magma (linha 6−1),
que se transformará em rochas ígneas, nas
quais não haverá tempo suficiente para o
desenvolvimento de estruturas cristalinas mais
estáveis. O processo indicado pela linha 6−1 é
denominado de extrusão vulcânica e é
responsável pela formação da rocha ígnea
denominada de basalto.
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
Quando o magma não chega à
superfície terrestre, mas ascende a pontos
mais próximos à superfície, com menor
temperatura
e
pressão,
ocorre
um
resfriamento mais lento (linha 6−7), o que
permite a formação de estruturas cristalinas
mais estáveis, e, portanto, de rochas mais
resistentes, denominadas de intrusivas ou
plutônicas (diabásio e granito).
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
Uma vez exposta (1) a rocha sofre a
ação das intempéries e forma os solos
residuais (2), os quais podem ser
transportados e depositados sobre outro solo
de qualquer espécie ou sobre uma rocha (linha
2−3), vindo a se tornar um solo sedimentar.
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
A contínua deposição de solos faz
aumentar a pressão e a temperatura nas
camadas mais profundas, que terminam por
ligarem seus grãos e formar as rochas
sedimentares (linha 3−4), este processo
chama−se litificação ou diagênese.
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
Rochas sedimentares
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
Rochas sedimentares
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
Rochas sedimentares
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
As rochas sedimentares podem, da
mesma maneira que as rochas ígneas,
aflorarem à superfície e reiniciar o processo de
formação de solo (linha 4−1), ou de forma
inversa, as deposições podem continuar e
consequentemente prosseguir o aumento de
pressão e temperatura, o que irá levar a rocha
sedimentar a mudar suas características
texturais e mineralógicas, a achatar os seus
cristais de forma orientada transversalmente à
pressão e a aumentar a ligação entre os cristais
(linha 4−5). O material que surge daí tem
características tão diversas da rocha original,
que muda a sua designação e passa a se
chamar rocha metamórfica.
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
Rochas metamórficas
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
Naturalmente, a rocha metamórfica
está sujeita a ser exposta (linha 5−1),
decomposta e formar solo. Se persistir o
aumento de pressão e temperatura graças à
deposição de novas camadas de solo, a rocha
fundirá e voltará à forma de magma (linha
5−6).
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2. Origem e formação dos solos
2.3 Ciclo rocha-solo
Obviamente, todos esses processos,
com exceção do vulcanismo e de alguns
transportes mais rápidos, ocorrem numa
escala de tempo geológica, isto é, de milhares
ou milhões de anos.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
Os solos classificam-se quanto a origem em solos
residuais e sedimentares.
2.4.1 Solos residuais
Solos residuais são os solos que permanecem no local
de decomposição rocha que lhes deu origem. Para a sua
ocorrência é necessário que a velocidade de remoção do
solo seja menor que a velocidade de decomposição da
rocha.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.1 Solos residuais
A rocha que mantém as características originais, ou seja,
a rocha sã é a que ocorre em profundidade. Quanto mais
próximo da superfície do terreno, maior é o efeito do
intemperismo. Sobre a rocha sã encontra-se a rocha alterada,
em geral muito fraturada e permitindo grande fluxo de água
através das descontinuidades. A rocha alterada é sobreposta
pelo solo residual jovem, ou saprólito, que é um material
arenoso. O material mais intemperizado ocorre acima do
saprólito e é denominado solo residual maduro, que contém
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maior percentagem de argila.
2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.1 Solos residuais
Perfil típico de solo residual
Como a ação das intempéries se dá, em
geral, de cima para baixo, as camadas
superiores são, via de regra, mais trabalhadas
que as inferiores. Este fato nos permite
visualizar todo o processo evolutivo do solo, de
modo que passamos de uma condição de rocha
sã, para profundidades maiores, até uma
condição de solo residual maduro, em
superfície.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.1 Solos residuais
Perfil típico de solo residual
Conforme se pode observar no perfil ao
lado, a rocha sã passa paulatinamente à rocha
fraturada, depois ao saprólito, ao solo residual
jovem e ao solo residual maduro. Em se
tratando de solos residuais, é de grande
interesse a identificação da rocha sã, pois ela
condiciona, entre outras coisas, a própria
composição química do solo.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.1 Solos residuais
Perfil típico de solo residual
A rocha alterada caracteriza−se por uma
matriz de rocha possuindo intrusões de solo,
locais onde o intemperismo atuou de forma
mais eficiente.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.1 Solos residuais
Perfil típico de solo residual
O solo saprolítico ainda guarda
características da rocha mãe e tem
basicamente os mesmos minerais, porém a sua
resistência já se encontra bastante reduzida.
Este pode ser caracterizado como uma matriz
de solo envolvendo grandes pedaços de rocha
altamente
alterada.
Visualmente
pode
confundir−se com uma rocha alterada, mas
apresenta pequena resistência ao manuseio.
Nos horizontes saprolíticos é comum a
ocorrência de grandes blocos de rocha
denominados de matacões, responsáveis por
muitos problemas quando do projeto de
fundações.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.1 Solos residuais
Perfil típico de solo residual
O solo residual jovem apresenta boa
quantidade de material que pode ser
classificado como pedregulho (# > 4,8 mm).
Geralmente são bastante irregulares quanto a
resistência
mecânica,
coloração,
permeabilidade e compressibilidade, já que o
processo de transformação não se dá em igual
intensidade em todos os pontos, comumente
existindo blocos da rocha no seu interior.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.1 Solos residuais
Perfil típico de solo residual
Nos horizontes de solo jovem e
saprolítico, as sondagens a percussão a serem
realizadas devem ser revestidas de muito
cuidado, haja vista que a presença de material
pedregulhoso pode vir a danificar os
amostradores utilizados, vindo a mascarar os
resultados obtidos.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.1 Solos residuais
Perfil típico de solo residual
Os solos residuais maduros, mais próximos
à superfície, são mais homogêneos e não
apresentam semelhanças com a rocha original.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.2 Solos sedimentares
Os solos sedimentares ou transportados são
aqueles que foram levados de seu local de origem
por algum agente de transporte e lá depositados.
As características dos solos sedimentares são as
do agente de transporte.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.2 Solos sedimentares
Os agentes de transporte são:
- Vento (solos eólicos);
- Água (solos aluvionares);
- Água dos Oceanos e Mares (Solos Marinhos)
- Água dos Rios (Solos Fluviais)
- Água das Chuvas (Solos Pluviais)
- Geleiras (Solos Glaciais);
- Gravidade (Solos Coluvionares)
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.2 Solos sedimentares
2.4.2.1 Solos eólicos
Transportado pelo vento. Devido ao atrito os grãos
dos solos transportados possuem forma arredondada.
A ação do vento se restringe ao caso das areias e dos
siltes.
São exemplos de solos eólicos as DUNAS e os solos
LOÉSSICOS.
- Dunas: Barreira.
- Loéssicos: Vegetais.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.2 Solos sedimentares
2.4.2.2 Solos aluvionares
O agente de transporte é a água.
A sua textura depende da velocidade de transporte da água.
Podem ser classificados como de origem PLUVIAL, FLUVIAL
ou DELTAICO.
Características:
- grãos de diversos tamanhos;
- são mais grossos que os eólicos;
- sem coesão.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.2 Solos sedimentares
2.4.2.3 Solos glaciais
Formados pelas geleiras. São
formados de maneira análoga aos fluviais.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.2 Solos sedimentares
2.4.2.4 Solos coluvionares
Formados
pela
ação
da
gravidade. Grande variedade de
tamanhos. Dentre os solos podemos
destacar o TALUS, que é o solo
formado pelo deslizamento de solo
do topo das encostas.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.3 Solos orgânicos
São aqueles formados pela impregnação do solo
por sedimentos orgânicos preexistentes, em geral
misturados de restos de animais e vegetais. Cor
escura e cheiro forte.
As TURFAS são solos que incorporam florestas
soterradas em estado avançado de decomposição.
Não se aplicam as teorias da mecânica dos solos.
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2. Origem e formação dos solos
2.4 Classificação dos solos quanto a origem e formação
2.4.4 Solos lateríticos
São os solos de evolução pedogênica que sofrem no
seu local de formação (solos residuais) ou deposição uma
série de transformações físico-químicas.
Formados por uma alternância de saturação e
secagem do solo original, aumentando a concentração de
óxido de ferro e alumina na parte superior.
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