305178-Apostila mecanica solos CEFET

Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas
CEFET-RS
Curso Técnico de Edificações
Mecânica dos Solos
Módulo Geral 1
Compilação: Cristiane Salerno Schmitz
ÍNDICE
1.
ORIGEM E NATUREZA DOS SOLOS ___________________________________ 1
1.1
A Mecânica dos Solos na Engenharia Civil ___________________________ 1
1.2
As partículas constituintes dos solos _________________________________ 2
1.2.1
A origem dos solos ____________________________________________ 2
1.2.2
Classificação dos solos pela sua origem____________________________ 3
1.2.3
Solos orgânicos_______________________________________________ 4
1.2.4
Tamanho das partículas ________________________________________ 5
1.2.5
Constituição mineralógica ______________________________________ 6
1.2.6
Solos lateríticos ______________________________________________ 8
1.3
2.
3.
Estrutura _______________________________________________________ 9
O ESTADO DO SOLO _______________________________________________ 11
2.1
Índices físicos entre as três fases ___________________________________ 11
2.2
Cálculo dos índices de estado______________________________________ 14
IDENTIFICAÇÃO DOS SOLOS POR MEIO DE ENSAIOS ________________ 17
3.1
Analise granulométrica __________________________________________ 17
3.2
Índices de consistência (Limites de Atterberg) _______________________ 20
3.3
Atividade das Argilas ____________________________________________ 22
3.4
Emprego dos índices de consistência _______________________________ 23
4.
ESTADO DAS AREIAS – COMPACIDADE______________________________ 24
5.
ESTADO DAS ARGILAS – CONSISTÊNCIA ____________________________ 26
5.1
Sensitividade das argilas _________________________________________ 26
5.2
Índice de consistência ____________________________________________ 28
6.
IDENTIFICAÇÃO TÁTIL-VISUAL DOS SOLOS _________________________ 30
7.
COMPRESSIBILIDADE _____________________________________________ 32
8
9.
7.1
Introdução _____________________________________________________ 32
7.2
Analogia da Mecânica de Terzaghi_________________________________ 32
7.3
Compressibilidade dos Terrenos Pouco Permeáveis (Argila) ___________ 33
7.4
Compressibilidade dos Terrenos Permeáveis (Areia e Pedregulho) ______ 33
RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO__________________________________ 34
8.1
Atrito _________________________________________________________ 34
8.2
Coesão ________________________________________________________ 36
CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS _______________________________________ 38
9.1
A importância da classificação dos solos ____________________________ 38
9.2
Classificação Unificada __________________________________________ 39
9.3
Sistema Rodoviário de Classificação _______________________________ 44
2
9.4
Classificações regionais __________________________________________ 45
3
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 – Perfil de solo residual de decomposição de gnaisse (Vargas, 1981) ______ 3
Figura 1.2 – Estrutura de uma camada de caulinita; (a) atômica, (b) simbólica_______ 7
Figura 1.3 – Estrutura simbólica de minerais com camada 2:1; (a) esmectita com duas
camadas de moléculas de água, (b) ilita _______________________________________ 8
Figura 1.4 – Exemplo de estruturas de solos sedimentares; (a) floculada em água
salgada, (b) floculada em água não salgada, (c) dispersa (Mitchel, 1976) ___________ 10
Figura 1.5 – Exemplo de estrutura de solo residual, mostrando micro e macroporos__ 10
Figura 2.1 – As fases do solo; (a) no estado natural, (b) separadas em volumes, (c) em
função do volume dos sólidos ______________________________________________ 11
Figura 2.2 – Esquema de determinação do volume do peso específico dos grãos _____ 13
Figura 3.1 – Exemplo de curva de distribuição granulométrica do solo ____________ 17
Figura 3.2 – Esquema representativo da sedimentação _________________________ 18
Figura 3.3 – Curvas granulométricas de alguns solos brasileiros _________________ 19
Figura 3.4 – Limites de Atterberg dos solos ___________________________________ 21
Figura 3.5 – Esquema do aparelho de Casagrande para determinação do LL _______ 21
Figura 4.1 – Exemplos de formato de grãos de areia ___________________________ 24
Figura 4.2 – Comparação de compacidades de duas areias com e=0,65 ____________ 25
Figura 5.1 – Resistência de argila sensitiva, indeformada e amolgada _____________ 27
Figura 5.2 – Comparação de consistências de duas argilas ______________________ 28
Figura 7.1 – Analogia mecânica para o processo de adensamento, segundo Terzaghi _ 32
Figura 7.2 – Camada de argila limitada em uma (a) e duas faces (b) por camada
drenante _______________________________________________________________ 33
Figura 8.1 – Esquemas referentes ao atrito entre dois corpos ____________________ 35
Figura 8.2 – Transmissão de forças entre partículas de areias e de argilas __________ 36
Figura 8.3 – Representação da envoltória de ruptura de Coulomb ________________ 37
Figura 9.1 – Granulometrias de areia bem graduada e mal graduada______________ 40
Figura 9.2 – Curvas granulométricas com diferentes coeficientes de curvatura ______ 41
Figura 9.3 – Carta de Plasticidade __________________________________________ 42
Figura 9.4 – Classificação dos solos finos no Sistema Rodoviário _________________ 44
4
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1.1 – Limites das frações de solo pelo tamanho dos grãos __________________ 6
Tabela 4.1 – Valores típicos de índices de vazios de areias _______________________ 25
Tabela 4.2 – Classificação das areias segundo a compacidade ____________________ 25
Tabela 5.1 – Consistência em função da resistência à compressão ________________ 26
Tabela 5.2 – Classificação das argilas quanto á sensitividade ____________________ 27
Tabela 5.3 – Estimativa da consistência pelo índice de consistência _______________ 29
Tabela 9.1 – Terminologia do Sistema Unificado ______________________________ 39
Tabela 9.2 – Esquema para classificação pelo Sistema Unificado _________________ 43
Tabela 9.3 – Esquema para classificação pelo Sistema Rodoviário ________________ 45
5
1.
1.1
ORIGEM E NATUREZA DOS SOLOS
A Mecânica dos Solos na Engenharia Civil
Todas as obras de Engenharia Civil se assentam sobre o terreno e
inevitavelmente requerem que o comportamento do solo seja devidamente
considerado. A Mecânica dos Solos, que estuda o comportamento dos solos quando
tensões são aplicadas, como nas fundações, ou aliviadas, no caso de escavações, ou
perante o escoamento de água nos vazios, constitui-se numa Ciência de Engenharia, na
qual o engenheiro civil se baseia para desenvolver seus projetos. Este ramo da
engenharia, chamado de engenharia Geotécnica ou engenharia de Solos, costuma
empolgar os seus praticantes pela diversidade de suas atividades, pelas peculiaridades
que o material apresenta em cada local e pela engenhosidade freqüentemente requerida
para a solução de problemas reais.
Trabalhos marcantes sobre o comportamento dos solos já foram desenvolvidos
em séculos passados, como os clássicos de Coulomb, 1773, Rankine, 1856 e Darcy,
1856. Entretanto, um acúmulo de insucessos em obras de engenharia civil no início
deste século, dos quais se destacam as rupturas do Canal do Panamá e rompimentos de
grandes taludes em estradas e canais em construção na Europa e nos Estados Unidos,
mostrou a necessidade de revisão os procedimentos de cálculo. Como apontou
Terzaghi em 1936, ficou evidente que não se podiam aplicar aos solos leis teóricas de
uso corrente em projetos que envolviam materiais mais bem definidos, como o
concreto e o aço. Não era suficiente determinar em laboratório parâmetros de
resistência e deformidade em amostras de solos e aplicá-los a modelos teóricos
adequados àqueles materiais.
O conhecimento do comportamento deste material, disposto pela natureza em
depósitos heterogêneos e apresentando comportamento demasiadamente complicado
para tratamentos teóricos rigorosos, deveu-se em grande parte aos trabalhos de Karl
Terzaghi, engenheiro civil de larga experiência, sólido preparo científico e acurado
espírito de investigação – internacionalmente conhecido como o fundador da Mecânica
dos Solos. Seus trabalhos, identificando o papel das pressões da água no estudo nas
tenções nos solos e a apresentação da solução matemática para a evolução dos
recalques das argilas com o tempo após o carregamento, são conhecidos como o
marco inicial desta nova ciência de engenharia.
Apesar de seu nome, hoje empregado internacionalmente, a Mecânica dos Solos
não se restringe ao conhecimento das propriedades dos solos que a Mecânica pode
esclarecer. A Química e a Física Coloidal, importantes para justificar aspectos do
comportamento dos solos, são parte integrante da Mecânica dos Solos, enquanto que o
conhecimento da Geologia é fundamental para o tratamento correto dos problemas de
fundações.
1
A Engenharia Geotécnica é uma arte que se aprimora pela experiência, pela
observação e análise do comportamento das obras, para o que é imprescindível atentar
para as peculiaridades dos solos com base no entendimento dos mecanismos de
comportamento, que constituem a essência da Mecânica dos Solos.
Os solos são constituídos por um conjunto de partículas com água (ou outro
líquido) e ar nos espaços intermediários. As partículas, de maneira geral encontram-se
livres para deslocar entre si. Em alguns casos, uma pequena cimentação pode ocorrer
entre elas, mas num grau extremamente mais baixo do que nos cristais de uma rocha
ou de um metal, ou nos agregados de um concreto. O comportamento dos solos
depende do movimento das partículas sólidas entre si e isto faz com que ele se afaste
do mecanismo dos sólidos idealizados na Mecânica dos Sólidos Deformáveis, na qual
se fundamenta a Mecânica das Estruturas geralmente consideradas na engenharia civil.
Mais que qualquer dos materiais tradicionalmente considerados nas estruturas, o
comportamento dos solos diverge daquele de um sólido deformável. A Mecânica dos
Solos poderia ser adequadamente incluída na Mecânica dos Sistemas Particulados
(Lambe e Witman, 1969).
As soluções da Mecânica dos Sólidos Deformáveis são freqüentemente
empregadas para a representação do comportamento de maciços de solo, graças a sua
simplicidade e por obterem comprovação aproximada de seus resultados com o
comportamento real dos solos, quando verificada experimentalmente em obras de
engenharia. Em diversas situações, entretanto, o comportamento do solo só pode ser
entendido pela consideração das forças transmitidas diretamente nos contatos entre as
partículas, embora estas forças não sejam utilizadas em cálculos e modelos. Não é raro,
por exemplo, que as partículas do solo se quebrem quando este é solicitado, alterandoo, com conseqüente influência no seu desempenho.
1.2
As partículas constituintes dos solos
1.2.1 A origem dos solos
Todos os solos se originam da decomposição das rochas que constituíam
inicialmente a crosta terrestre. A decomposição é decorrente de agentes físicos e
químicos. Variações de temperatura provocam trincas, nas quais penetra a água,
atacando quimicamente os minerais. O congelamento da água nas trincas, entre outros
fatores, exerce elevadas tensões, do que decorre maior fragmentação dos blocos. A
presença da fauna e flora promove o ataque químico, através de hidratação, hidrólise,
oxidação, lixiviação, troca de cátions, carbonatação, etc. O conjunto destes processos,
que são muito mais atuantes em climas quentes do que em climas frios, leva à
formação dos solos que, em conseqüência, são misturas de partículas pequenas que se
diferenciam pelo tamanho e pela composição química. A maior ou menor
concentração de cada tipo de partícula num solo depende da composição química da
rocha que lhe deu origem.
2
1.2.2 Classificação dos solos pela sua origem
A classificação dos solos pela sua origem é um complemento importante para o
conhecimento das ocorrências e para a transmissão de conhecimentos acumulados.
Algumas vezes, a indicação da origem do solo é tão ou mais útil do que a classificação
sob o ponto de vista da constituição física.
Os solos podem ser classificados em dois grandes grupos: solos residuais e solos
transportados.
Solos residuais são aqueles resultantes da decomposição das rochas que se
encontram no próprio local em que formaram. Para que eles ocorram, é necessário que
a velocidade de decomposição da rocha seja maior do que a velocidade de
decomposição por agentes externos. A velocidade de decomposição depende de vários
fatores, entre os quais a temperatura, o regime de chuva e a vegetação. As condições
existentes nas regiões tropicais são favoráveis a degradações mais rápidas da rocha,
razão pela qual as maiores ocorrências de solos residuais ocorrem nestas regiões, entre
elas o Brasil.
Figura 1.1 – Perfil de solo residual de decomposição de gnaisse (Vargas, 1981)
Os solos residuais se apresentam em horizontes com grau de intemperização
decrescente. Vargas (1981) identifica as seguintes camadas, cujas transições são
gradativas, conforme mostra a Figura 1.1.
Solo residual maduro: superficial ou sotoposto a um horizonte “poroso” ou
“húmico”, e que perdeu toda a estrutura original da rocha-mãe e tornou-se
relativamente homogêneo.
3
Saprolitro ou solo saprolítico: solo que mantém a estrutura original da rocha-mater,
mas perdeu a consistência da rocha. Visualmente pode confundir-se com uma rocha
alterada, mas apresenta pequena resistência ao manuseio. É também chamado de solo
residual jovem ou solo de alteração de rocha.
Rocha alterada: horizonte em que a alteração progrediu ao longo de fraturas ou
zonas de menor resistência, deixando intactos grandes blocos da rocha original.
Em se tratando de solos residuais, é de grande interesse a indicação da rochamãe, pois ela condiciona, entre outras coisas, a própria composição física. Solos
residuais de basalto são predominantemente argilosos, os de gnaisse são siltosos e os
granitos apresentam teores aproximadamente iguais de areia média, silte e argila, etc.
Solos transportados são aqueles que foram levados ao seu local atual por alguns
agentes de transporte. As características dos solos são função do agente transportador.
Solos formados por ação da gravidade dão origem a solos coluvionares. Entre eles
estão os escorregamentos das escarpas da Serra do Mar, formando os tálus nos pés do
talude, massas de materiais muito diversos e sujeitos a movimentações de rastejo. Têm
sido também classificados como coluviões, solos superficiais do planalto brasileiro
depositados sobre solos residuais.
Solos resultantes do carregamento pela água são os aluviões, ou solos aluvionares.
Sua composição depende da velocidade das águas no momento de deposição. Existem
aluviões essencialmente arenosos, bem como aluviões muito argilosos, comuns nas
várzeas quaternárias dos córregos e rios. Registra-se também a ocorrência de camadas
sobrepostas de granulometrias distintas, devidas a diversas épocas e regimes de
deposição.
O transporte pelo vento dá origem aos depósitos eólicos. O transporte eólico
provoca o arredondamento das partículas, em virtude do seu atrito constante. As areias
constituintes dos arenitos brasileiros são arredondadas, por ser esta uma rocha
sedimentar com partículas previamente transportadas pelo vento.
O transporte por geleiras dá origem aos drifts, muito freqüentes na Europa e nos
Estados Unidos, mas com pequena ocorrência no Brasil.
1.2.3 Solos orgânicos
São chamados solos orgânicos àqueles que contém uma quantidade apreciável
de matéria decorrente de decomposição de origem vegetal ou animal, em vários
estágios de decomposição. Geralmente argilas ou areias finas, os solos orgânicos são de
fácil identificação, pela cor escura e pelo odor característico. A norma norte-americana
classifica como solo orgânico àquele que apresenta LL de uma amostra seca em estufa
menor do que 75% do LL de amostra natural sem secagem em estufa. O teor de
4
matéria orgânica pode ser determinado pela secagem em mufla a 540°C.
Solos orgânicos geralmente são problemáticos por serem muito compressíveis.
Eles são encontrados no Brasil principalmente nos depósitos litorâneos, em espessura
de dezenas de metros, e nas várzeas dos rios e córregos, em camadas de 3 a 10 m de
espessura. O teor de matéria orgânica em peso tem variado de 4 a 20%. Por sua
característica orgânica, apresentam elevados índices de vazios, e por serem de
sedimentação recente, normalmente adensados, possuem baixa capacidade de suporte e
considerável compressibilidade.
Em algumas formações, ocorre uma importante concentração de folhas e caules
em processo incipiente de decomposição, formando as turfas. São materiais
extremamente deformáveis, mas muito permeáveis, permitindo que os recalques,
devidos a carregamentos externos, ocorram rapidamente.
1.2.4 Tamanho das partículas
A primeira característica que diferencia os solos é o tamanho das partículas que
os compõem. Numa primeira aproximação, pode-se identificar que alguns solos
possuem grãos perceptíveis a olho nu, como os grãos de pedregulho ou a areia do mar,
e que outros têm os grãos tão finos que, quando molhado, se transformam numa pasta
(barro), não podendo se visualizar as partículas individualmente.
A diversidade do tamanho dos grãos é enorme. Não se percebe isto num
primeiro contato com o material, simplesmente porque parecem todos muito pequenos
perante os materiais com os quais se está acostumado a lidar. Mas alguns são
consideravelmente menores do que outros. Existem grãos de areia com dimensões de 1
a 2mm, e existem partículas de argila com espessuras da origem de 10 Å (0,000001
mm). Isto significa que, se uma partícula de argila fosse ampliada de forma a ficar com
o tamanho de uma folha de papel, o grão de areia citado ficaria com diâmetros da
ordem de 100 a 200 metros, um quarteirão.
Num solo, geralmente convivem partículas de tamanhos diversos. Não é fácil
identificar o tamanho das partículas pelo simples manuseio do solo, porque grãos de
areia, por exemplo, podem estar envoltos por uma grande quantidade de partículas
argilosas, finíssimas, ficando com o mesmo aspecto de uma aglomeração formada
exclusivamente por uma grande quantidade destas partículas. Quando secas, as duas
formações são muito semelhantes.Quando úmidas, entretanto, a aglomeração de
partículas argilosas se transforma em uma pasta fina, enquanto a partícula arenosa
revestida é facilmente reconhecida pelo tato.
Denominações específicas são empregadas para as diversas faixas de tamanhos
de grãos; seus limites, entretanto, variam conforme os sistemas de classificação. Os
valores adotados pela ABNT –Associação Brasileira de Normas Técnicas – são os
indicados na Tabela 1.1.
5
Tabela 1.1 – Limites das frações de solo pelo tamanho dos grãos
Fração
Matacão
Pedra
Pedregulho
Areia grossa
Areia média
Areia fina
Silte
Argila
Limites definidos pela Norma da ABNT
de 25 cm a 1 m
de 7,6 cm a 25 cm
de 4,8 cm a 7,6 cm
de 2,0 cm a 4,8 cm
de 0,042mm a 2,0 cm
de 0,05 mm a 0,042 mm
de 0,005 mm a 0,05 mm
inferior a 0,005 mm
Diferentemente desta terminologia adotada pela ABNT, a separação entre as
frações silte e areia é freqüente tomada como 0,075 mm, correspondente à abertura da
peneira nº 200, O conjunto de silte e argila é denominado como a fração de finos do
solo, enquanto o conjunto areia e pedregulho é denominado fração grossa ou grosseira
do solo. Por outro lado, a fração argila é considerada, com freqüência, como a fração
abaixo do diâmetro de 0,002 mm, que corresponde ao tamanho mais próximo das
partículas de constituição mineralógica dos minerais-argila.
1.2.5 Constituição mineralógica
As partículas resultantes da desagregação de rochas dependem da composição
da rocha matriz.
Algumas partículas maiores, dentre os pedregulhos, são constituídas
freqüentemente de agregações de minerais distintos. É mais comum, entretanto, que as
partículas sejam constituídas de um único mineral. O quartzo, presente na maioria das
rochas, é bastante resistente à desagregação e forma grãos de silte e areia. Sua
composição química é simples, SiO2, as partículas são equidimensionais, como cubos
ou esferas, e ele apresenta baixa atividade superficial. Outros minerais, como feldspato,
gipsita, calcita e mica, também podem ser encontrados neste tamanho.
Os feldspatos são os minerais mais atacados pela natureza, dando origem aos
argilo-minerais, que constituem a fração mais fina dos solos, geralmente com dimensão
inferior a 2 mm. Não só o reduzido tamanho mas, principalmente, a constituição
mineralógica faz com que estas partículas tenham um comportamento extremamente
diferenciado em relação ao dos grãos de silte e areia.
Os argilo-minerais apresentam uma estrutura complexa. Uma abordagem
detalhada deste tema foge ao intuito desta apostila, uma síntese do assunto, que
permite compreender o comportamento dos solos argilosos perante a água, é
apresentada a seguir, tomando-se como exemplo três dos minerais mais comuns na
6
natureza (a caulinita, a ilita e a esmectita), que apresentam comportamentos bem distintos,
principalmente na presença de água.
Na composição química das argilas, existem dois tipos de estruturas: uma
estrutura de tetraedros justapostos num plano, com átomos de oxigênio que pertencem
simultaneamente a ambas. Alguns minerais-argila são formados por uma camada
tetraédrica e uma octaédrica (estrutura de camada 1:1), determinando uma espessura da
ordem de 7 Å (1 Angstron = 10-10 m), como a caulinita, cuja estrutura está
representada na Figura 1.2. As camadas assim constituídas encontram-se firmemente
empacotadas, com ligações de hidrogênio que impedem sua separação e que entre elas
se introduzam moléculas de água. A partícula resultante fica com espessura da ordem
de 1.000 Å, sendo sua dimensão longitudinal de cerca de 10.000 Å.
Figura 1.2 – Estrutura de uma camada de caulinita; (a) atômica, (b) simbólica
Noutros minerais o arranjo octaédrico é encontrado entre duas estruturas do
arranjo tetraédrico (estrutura de camadas 2:1), definindo uma espessura de cerca de 10
Å. Com esta constituição estão as esmectitas e as ilitas, cujas estruturas simbólicas estão
apresentadas na Figura 1.3. Nestes minerais, as ligações entre as camadas se fazem por
íons O²- e O²+ dos arranjos tetraédricos, que são mais fracos que a ligações entre
camadas de caulinita, em que íons O²+ da estrutura tetraédrica se ligam a OH- da
estrutura octaédrica. As camadas ficam livres, e as partículas, no caso das esmectitas,
ficam com a espessura da própria camada estrutural, que é de 10 Å. Sua dimensão
longitudinal também é reduzida, ficando com cerca de 1.000 Å, pois as placas se
quebram por flexão.
As partículas de esmectita apresentam um volume 10-4 vezes menor do que as
de caulinita e uma área 10-2 vezes menor. Isto significa que para igual volume ou massa,
a superfície das partículas de esmectita é 100 vezes maior do que das partículas de
caulinita. A superfície específica (superfície total de um conjunto de partículas dividida pelo
seu peso) das caulinitas é da ordem de 10 m²/g, enquanto que a das esmectitas é de
cerca de 1.000m²/g. As forças de superfície são muito importantes no comportamento
de partículas coloidais, sendo a diferença de superfície específica uma indicação da
diferença de comportamento entre os solos com distintos minerais-argila.
.
7
Figura 1.3 – Estrutura simbólica de minerais com camada 2:1; (a) esmectita
com duas camadas de moléculas de água, (b) ilita
O comportamento das argilas seria menos complexo se não ocorressem
imperfeições na sua composição mineralógica. É comum, entretanto, a ocorrência de
um átomo de alumínio, Al³+, substituindo um de silício, Si4+, na estrutura tetraédrica, e
que na estrutura octaédrica, átomos de alumínio estejam substituídos por outros
átomos de menor valência, como o magnésio, Mg++. Estas alterações são definidas
como substituições isomórficas, pois não alteram o arranjo dos átomos, mas as partículas
resultam com uma carga negativa.
Para neutralizar as cargas negativas, existem cátions livres nos solos, por
exemplo, cálcio, Ca++, ou sódio, Na+, aderidos às partículas. Estes cátions atraem
camadas contíguas, mas com força relativamente pequena, o que não impede a entrada
de água entre as camadas. A liberdade de movimento das placas explica a elevada
capacidade de absorção de água de certas argilas, sua expansão quando em contato
com a água e sua contração considerável ao secar.
As bordas das partículas argilosas apresentam cargas positivas, resultantes das
descontinuidades da estrutura molecular, mas íons negativos neutralizam estas cargas.
Os cátions e íons são facilmente trocáveis por percolação de soluções químicas. O tipo
de cátion presente numa argila condiciona o seu comportamento. Uma argila esmectita
com sódio absorvido, por exemplo, é muito mais sensível à água do que tendo cálcio
absorvido. Daí a diversidade de comportamentos apresentados pelas argilas e a
dificuldade de correlacioná-los por meio de índices empíricos.
1.2.6 Solos lateríticos
A pedologia é o estudo das transformações da superfície dos depósitos
geológicos, dando origem a horizontes distintos, ocorrendo tanto em solos residuais
8
como nos transportados. Os fatores que determinam as propriedades dos solos
considerados na pedologia são: (1) a rocha matriz, (2) o clima e a vegetação, (3)
organismos vivos, (4) topografia, e (5) o tempo de exposição a estes fatores. Na
engenharia civil, as classificações pedológicas são utilizadas principalmente pelos
engenheiros rodoviários, que lidam com solos superficiais e que encontram úteis
correlações entre o comportamento de pavimentos e taludes com estas classificações.
A identificação dos solos lateríticos é de particular interesse para o Brasil, já que
são típicos da evolução de solos em climas quentes, com regime de chuvas moderadas
a intensas. A denominação de lateríticos se incorporou na terminologia dos
engenheiros, embora não seja mais usada nas classificações pedológicas. Os solos
lateríticos têm sua fração argila constituída predominantemente de minerais cauliníticos
e apresentam elevada concentração de ferro e alumínio na forma de óxidos e
hidróxidos, donde vem sua peculiar coloração avermelhada. Estes sais se encontram,
geralmente, recobrindo agregações de partículas argilosas.
Os solos lateríticos apresentam-se na natureza, geralmente não-saturados e com
índice de vazios elevado, daí sua pequena capacidade de suporte. Quando
compactados, entretanto, sua capacidade de suporte é elevada, sendo por isto muito
empregado em pavimentação e em aterros. Depois de compactado, um solo laterítico
apresenta contração se o teor de umidade diminuir, mas não apresenta expansão na
presença de água. Uma metodologia de classificação, que permite a identificação dos
solos de comportamento laterítico, foi desenvolvida pelo Prof. Job S. Nogami e vem
sendo empregada por alguns órgãos rodoviários do País.
1.3
Estrutura
A água é um mineral de comportamento bem mais complexo do que sua
simples composição química (H2O) sugere. Os dois átomos de hidrogênio, em órbita
em torno do átomo de oxigênio não se encontram em posições diametralmente
opostas, o que resultaria num equilíbrio de cargas. Do movimento constante dos
átomos resulta um comportamento para a água que poderia ser interpretado como se
os dois átomos de hidrogênio estivessem em posições que definiriam um ângulo de
105° com o centro no oxigênio. Em conseqüência, a água atua como um bipólo,
orientando-se em relação às cargas externas.
Quando duas partículas de argila, na água, estão muito próximas, ocorrem
forças de atração e de repulsão entre elas. Da combinação das forças de atração e de
repulsão entre as partículas resulta a estrutura dos solos, que se refere à disposição das
partículas na massa de solo e às forças entre elas. Lambe (1953) identificou dois tipos
básicos de estruturas: estrutura floculada, quando os contatos se fazem entre faces e
arestas, ainda que através da água adsorvida; e estrutura dispersa, quando as partículas se
posicionam paralelamente, face a face.
9
As argilas sedimentares apresentam estruturas que dependem da salinidade da
água em que se formaram. Em águas salgadas, a estrutura é bastante aberta, embora
haja um relativo paralelismo entre as partículas. Estruturas floculadas em água não
salgada resultam da atração das cargas positivas das bordas com as cargas negativas das
faces das partículas. A Figura 1.4 ilustra esquematicamente estes tipos de estrutura. O
conhecimento das estruturas permite o entendimento de diversos fenômenos notados
no comportamento dos solos, como, por exemplo, a sensitividade das argilas.
Figura 1.4 – Exemplo de estruturas de solos sedimentares; (a) floculada em
água salgada, (b) floculada em água não salgada, (c) dispersa (Mitchel, 1976)
O modelo de estrutura mostrado acima é simplificado. No caso de solos
residuais e de solos compactos, a posição relativa das partículas é mais elaborada.
Intimamente, existem aglomerações de partículas argilosas que se dispõem de forma a
determinar vazios de maiores dimensões, como se mostra na Figura 1.5. Existem
microporos nos vazios entre as partículas argilosas que constituem as aglomerações e
macroporos entre as aglomerações. Esta diferenciação é importante para o
entendimento de alguns comportamentos dos solos como, por exemplo, a elevada
permeabilidade de certos solos residuais no estado natural, ainda que apresentando
considerável parcela de partículas argilosas, como se estudará.
Figura 1.5 – Exemplo de estrutura de solo residual, mostrando micro e
macroporos
Por outro lado, observa-se que em solos evoluídos pedologicamente,
principalmente em climas quentes e úmidos (comportamento laterítico), aglomerações
de partículas minerais se apresentam envoltas por deposições de sais de ferro e de
alumínio (agentes cimentantes), sendo este aspecto determinante para seu
comportamento.
10
2.
2.1
O ESTADO DO SOLO
Índices físicos entre as três fases
Num solo, só parte do volume total é ocupado pelas partículas sólidas, que se
acomodam formando uma estrutura. O volume restante costuma ser chamado de
vazios, embora esteja ocupado por água ou ar. Deve-se reconhecer, portanto,que o
solo é constituído de três fases: partículas sólidas,água e ar.
O comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma das
três fases (sólido, água e ar). Diversas relações são empregadas para expressar as
proporções entre elas. Na figura 2.1 (a), estão representadas, simplificadamente, as três
fases que normalmente ocorrem nos solos, ainda que, em alguns casos, todos os vazios
possam estar ocupados pela água. Na Figura 2.1 (b), as três fases estão separadas
proporcionalmente aos volumes que ocupam, facilitando a definição e a determinação
das relações entre elas. Os volumes de cada fase são apresentados à esquerda e os
pesos à direita.
Figura 2.1 – As fases do solo; (a) no estado natural, (b) separadas em volumes,
(c) em função do volume dos sólidos
Em princípio, as quantidades de água e ar podem variar. A evaporação pode fazer
diminuir a quantidade de água, substituindo-a por ar, e a compressão do solo pode
provocar a saída de água e ar, reduzindo o volume de vazios. O solo, no que se refere
às partículas que o constituem, permanece o mesmo, mas seu estado se altera. As
diversas propriedades do solo dependem do estado em que se encontra. Quando
diminui o volume de vazios, por exemplo, a resistência aumenta.
11
Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam os
pesos e os volumes das três fases. Estes índices são os seguintes (vide esquema da
Figura 2.1):
Umidade – Relação entre o peso da água e o peso dos sólidos. É expresso pela
letra h. Para sua determinação, pesa-se o solo no seu estado natural, seca-se em estufa a
105°C até constância e peso e pesa-se novamente. Tendo-se o peso das duas fases, a
umidade é calculada. É a operação mais freqüente em um laboratório de solos. Os
teores de umidade dependem do tipo de solo e situam-se geralmente entre 10 e 40%,
podendo ocorrer valores muito baixos (solos secos) ou muito altos (150% ou mais).
P
h = a × 100
Ps
Índice de vazios – Relação entre o volume de vazios e o volume das partículas
sólidas. É expresso pela letra e. Não pode ser determinado diretamente, mas é
calculado a partir dos outros índices. Costuma se situar entre 0,5 e 1,5, mas argilas
orgânicas podem ocorrer com índices de vazios superiores a 3 (volume de vazios, no
caso com água, superior a 3 vezes o volume de partículas sólidas).
V
e= v
Vs
Porosidade – Relação entre o volume de vazios e o total. Indica a mesma coisa
que o índice de vazios. É expresso pela letra n. Valores geralmente entre 30 e 70%.
V
n = v × 100
Vt
Grau de saturação – Relação entre o volume de água e o volume de vazios.
Expresso pela letra S. Não é determinado diretamente, mas calculado. Varia de zero
(solo seco) a 100% (solo saturado).
V
S = a × 100
Vv
Peso específico dos sólidos (ou dos grãos) – É uma característica dos sólidos.
Relação entre o peso das partículas sólidas e o seu volume. É expresso pelo símbolo γg.
P
γg = s
Vs
12
Figura 2.2 – Esquema de determinação do volume do peso específico dos
grãos
É determinado em laboratório. Coloca-se um peso seco conhecido do solo (Ps)
num picnômetro e completa-se com água, determinando o peso total (Pp+Ps+Pa’). O
peso do picnômetro completado só com água (Pp+Pa), mais o peso do solo, menos o
peso do picnômetro com solo e água, é o peso da água que foi substituído pelo solo.
Deste peso, calcula-se o volume de água que foi substituído pelo solo e que é o volume
do solo.
Vs = ( P p + Pa ) + ( Ps ) − ( P p + Ps + Pa ')
Com o peso e o volume, tem-se o peso específico.
γg =
Ps
( P p + Pa ) + ( Ps ) − ( P p + Ps + Pa ')
O peso específico dos grãos dos solos varia pouco de solo para solo e, por si,
não permite identificar o solo em questão, mas é necessário para cálculos de outros
índices. Os valores situam-se em torno de 27 kN/m³, sendo este valor adotado quando
não se dispõe do valor específico para o solo em estudo. Grãos de quartzo (areia)
costumam apresentar pesos específicos de 26,5 kN/m³ e argilas, em virtude da
deposição de sais de ferro, valores até 30 kN/m³.
Peso específico da água – Embora varie um pouco com a temperatura, adotase sempre como igual a 10kN/m³, a não ser em certos procedimentos de laboratório. É
expresso pelo símbolo γa.
Peso específico natural – Relação entre o peso total do solo e seu volume
total. É expresso pelo símbolo γnat.
P
γ nat = t
Vt
13
A expressão “peso específico natural” é, algumas vezes, substituída só por
“peso específico” do solo. Tratando-se de compactação do solo, o peso específico
natural é denominado peso específico úmido.
Para sua determinação, molda-se um cilindro do solo cujas dimensões
conhecidas permitem calcular o volume. O peso total dividido pelo volume é o peso
específico natural. O peso específico também pode ser determinado a partir de corpos
irregulares, obtendo-se o volume por meio do peso imerso n’água. Para tal, o corpo
deve ser previamente envolto por parafina.
O peso específico natural não varia muito entre os diferentes solos. Situa-se em
torno de 19 e 20 kN/m³ e, por isso, quando não conhecido, é estimado como igual a
20 kN/m³. Pode ser um pouco maior (21 kN/m³) ou menor (17 kN/m³). Caso
especiais, como as argilas orgânicas moles, podem apresentar pesos específicos de 14
kN/m³.
Peso específico aparente seco - Relação entre o peso dos sólidos e o volume
total. Corresponde ao peso específico que o solo teria se viesse a ficar seco, se isto
pudesse ocorrer sem que houvesse variação de volume. Expresso pelo símbolo γs. Não
é determinado diretamente em laboratório, mas calculado a partir do peso específico
natural e da umidade. Situa-se entre 13 e 19 kN/m³ (4 a 5 kN/m³ no caso de argilas
orgânicas moles).
P
γs = s
Vt
Peso específico aparente saturado – Peso específico do solo se viesse a ficar
saturado e se isto ocorresse sem variação de volume. É de pouca aplicação prática,
servindo para a programação de ensaios ou a análise de depósitos de areia que possam
vir a se saturar. Expresso pelo γsat, é da ordem de 20 kN/m³.
Peso específico submerso – É o peso específico efetivo do solo quando
submerso. Serve para cálculos de tensões efetivas. É igual ao peso específico natural
menos o peso específico da água, portanto com valores da ordem de 10 kN/m³. É
expresso pelo símbolo γsub.
γ sub = γ nat − γ a
2.2
Cálculo dos índices de estado
Dos índices vistos anteriormente, só três são determinados diretamente em
laboratório: a umidade (h), o peso específico dos grãos (γg) e o peso específico natural
14
(γnat). Um é adotado, o peso específico da água. Os outros são calculados a partir dos
determinados. Algumas correlações resultam diretamente da definição dos índices:
n=
e
1+ e
γ nat =
γ g (1 + h )
γs =
1+ e
γg
1+ e
γ sat =
γ g + e ⋅γ a
1+ e
Outras resultam de fáceis deduções. A seqüência natural dos cálculos, a partir de
valores determinados em laboratório, ou estimado, é a seguinte:
γ
γ s = nat
1+ h
γg
γ
 s
e=

 − 1

S=
γ g ⋅h
e ⋅γ a
Massas específicas
Relações entre pesos e volumes são denominados pesos específicos, como
acima definidos, e expressos geralmente em kN/m³.
Relações entre quantidade de matéria (massa) e volume são denominadas massa
específicas, e expressas geralmente em ton/m³, kg/ dm³ ou g/cm³.
A relação entre valores numéricos que expressão as duas grandezas é constante
Se um solo tem uma massa específica de 1,8 t/m³, seu peso específico é o produto
deste valor pela aceleração da gravidade, que varia conforme a posição no globo
terrestre e que vale em torno de 9,81 m/s² (em problemas de engenharia prática, adotase, simplificadamente, 10m/s²). O peso específico é, portanto, de 18 kN/m³.
No laboratório, determina-se massas e as normas existentes indicam como se
obter massas específicas. Entretanto, na prática da engenharia, é mais conveniente
trabalhar com pesos específicos, razão pela qual se optou por apresentar os índices
físicos nestes termos.
Deve ser notado, por outro lado, que no Sistema Técnico de unidades, que vem
sendo paulatinamente substituído pelo Sistema Internacional, as unidades de peso tem
denominação semelhante às das unidades de massa no Sistema Internacional. Por
exemplo, um decímetro cúbico de água tem uma massa de um quilograma (1kg) e um
peso de dez Newtons (10N) no Sistema Internacional e um peso de um quilograma
força no Sistema Técnico (1kgf).
Assim, ainda é comum que se diga no meio técnico, por exemplo, que a
“tensão” admissível aplicada numa sapata é de 5 t/m² (não é correto,mas se omite o
complemento força). Na realidade, a pressão aplicada é de 50kN/m², resultante da
ação da massa de 5 toneladas por metro quadrado.
15
A expressão densidade se refere á massa específica e densidade relativa é a
relação entre a densidade do material e a densidade da água a 4°C. Como esta é igual a
1 kg/dm³, resulta que a densidade relativa tem o mesmo valor que a massa específica
(expressa em g/cm³, kg/dm³ ou ton/m³), mas é adimensional. Como a relação entre o
peso específico de um material e o peso específico da água a 4°C é igual à relação das
massas específicas, é comum se estender o conceito de densidade relativa à relação dos
pesos e se adotar como peso específico a densidade relativa do material multiplicada
pelo peso específico da água.
16
3.
IDENTIFICAÇÃO DOS SOLOS POR MEIO DE
ENSAIOS
Para identificação dos solos a partir das partículas que os constituem, são
empregados correntemente dois tipos de ensaios, a análise granulométrica e os índices
de consistência.
3.1
Analise granulométrica
Num solo, geralmente convivem partículas de tamanhos diversos. Nem sempre
é fácil identificar as partículas porque grãos de areia, por exemplo, podem estar
envoltos por uma grande quantidade de partículas argilosas, finíssimas, apresentando o
mesmo aspecto de uma aglomeração formada exclusivamente por estas partículas
argilosas. Quando secas, as duas formações são dificilmente diferenciáveis. Quando
úmidas, entretanto, a aglomeração de partículas argilosas se transforma em uma pasta
fina, enquanto que a partícula arenosa revestida é facilmente reconhecida pelo tato.
Portanto, numa tentativa de identificação tátil-visual dos grãos de um solo, é
fundamental que ele se encontre bastante úmido.
Figura 3.1 – Exemplo de curva de distribuição granulométrica do solo
Para o reconhecimento do tamanho dos grãos de um solo, realiza-se a análise
granulométrica, que consiste, em geral, de duas fases: peneiramento e sedimentação. O
peso do material que passa em cada peneira, referido ao peso seco da amostra, é
considerado como a “porcentagem que passa”, e representado graficamente em função
da abertura da peneira, esta em escala logarítmica, como se mostra na Figura 3.1. A
17
abertura nominal da peneira é considerada como o “diâmetro” das partículas. Trata-se,
evidentemente, de um “diâmetro equivalente”, pois as partículas não são esféricas.
A análise por peneiramento tem como limitação a abertura da malha das
peneiras, que não pode ser tão pequena quanto o diâmetro de interesse. A menor
peneira costumeiramente empregada é a de nº 200, cuja abertura é de 0,075 mm.
Existem peneiras mais finas para estudos especiais, mais são pouco resistentes e por
isso não são usadas rotineiramente. Mesmo estas, por sinal, têm aberturas muito
maiores do que as dimensões das partículas mais finas do solo.
Quando há interesse no conhecimento da distribuição granulométrica da porção
mais fina dos solos, emprega-se a técnica da sedimentação, que se baseia na Lei de
Stokes: a velocidade de queda de partículas esféricas num fluído atinge um valor limite
que depende do peso específico do material da esfera, do peso específico do fluído, da
viscosidade do fluído, e do diâmetro da esfera.
Colocando-se uma certa quantidade de solo (uns 60g) em suspensão em água
(cerca de um litro), as partículas cairão com velocidades proporcionais ao quadrado de
seus diâmetros. Considere-se a Figura 3.2, na qual, à esquerda do frasco, estão
indicados grãos com quatro diâmetros diferentes igualmente representados ao longo da
altura, o que corresponde ao início do ensaio. À direita do frasco, está representada a
situação depois de decorrido um certo tempo. No instante em que a suspensão é
colocada em repouso, a sua densidade é igual ao longo de toda a profundidade.
Quando as partículas maiores caem, a densidade na parte superior do frasco diminui.
Numa profundidade qualquer, em um certo momento, a relação entre a densidade
existente e a densidade inicial indica a porcentagem de grãos com diâmetro inferior ao
determinado pela Lei de Stokes.
Figura 3.2 – Esquema representativo da sedimentação
As densidades de suspensão são determinadas com um densímetro, que
também indica a profundidade correspondente. Diversas leituras do densímetro, em
diversos intervalos de tempo, determinarão igual número de pontos na curva
granulométrica, como se mostra na Figura 3.1, complementando a parte da curva
18
obtida por peneiramento. Novamente, neste caso, o que se determina é um diâmetro
equivalente, pois as partículas não são as esferas às quais se refere a Lei de Stokes.
Diâmetro equivalente da partícula é o diâmetro da esfera que sedimenta com
velocidade igual à da partícula.
Deve-se frisar, que uma das operações mais importantes é a separação de todas
as partículas, de forma que elas possam sedimentar isoladamente. Na situação natural, é
freqüente que as partículas estejam agregadas ou floculadas. Se estas aglomerações não
forem destruídas, determinar-se-ão os diâmetros dos flocos e não os das partículas
isoladas. Para esta desagregação, adiciona-se um produto químico, com ação
defloculante, deixa-se a amostra imersa em água por 24 horas e provoca-se uma
agitação mecânica padronizada. Mesmo quando se realiza só o ensaio de peneiramento,
esta preparação da amostra é necessária (destorroamento), pois, se não for feita, ficarão
retidas nas peneiras agregações de partículas muito mais finas.
Para diversas faixas de tamanho de grãos, existem denominações específicas,
como definidas na Tabela 1.1 (item 1.2.4). Conhecida a distribuição granulométrica do
solo, como na Figura 3.1, pode-se determinar a porcentagem correspondente a cada
uma das frações acima especificadas. A figura 3.3 apresenta exemplos de curvas
granulométricas de alguns solos brasileiros.
Figura 3.3 – Curvas granulométricas de alguns solos brasileiros
Deve-se notar que as mesmas designações usadas para expressar as frações
granulométricas de um solo são empregadas para denominar os próprios solos. Diz-se,
19
por exemplo, que um solo é uma argila quando o seu comportamento é o de um solo
argiloso, ainda que contenha partículas com diâmetros correspondentes às frações silte
e areia. Da mesma forma, uma areia é um solo cujo comportamento é ditado pelos
grãos arenosos que ele possui, embora partículas de outras frações possam estar
presentes.
No caso de argilas, um terceiro sentido pode estar sendo empregado: os
“minerais-argila”, uma família de minerais cujo arranjo de átomos foi descrito no item
1.2.5. Estes minerais se apresentam geralmente em formato de placas e em tamanhos
reduzidos, predominantemente, mas não exclusivamente correspondentes à fração
argila. São estes minerais que conferem a plasticidade característica aos solos argilosos.
3.2
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 neste comportamento. Quanto menores as partículas, maior a superfície
específica (superfície das partículas dividida por seu peso ou por seu volume). Um
cubo com 1 cm de aresta tem 6 cm² de área e volume de 1 cm³. Um conjunto de cubos
com 0,05 mm (siltes) apresentam 125 cm² por cm³ de volume. Já certos tipos de argilas
chegam a apresentar 300 m² de área por cm³ (1 cm³ é suficiente para cobrir uma sala de
aula!).
O comportamento de partículas com superfícies específicas tão distintas perante
a água é muito diferenciado. Por outro lado, as partículas de minerais-argila diferem
acentuadamente pela estrutura mineralógica, bem como pelos cátions adsorvidos,
como visto nos itens 1.2.5 e 1.3. Desta forma, para a mesma porcentagem de fração
argila, o solo pode ter comportamento muito diferente, dependendo das características
dos minerais presentes.
Todos estes fatores interferem no comportamento do solo, mas o estudo dos
minerais-argila é muito complexo. À procura de uma forma mais prática de identificar a
influência das partículas argilosas, a engenharia a substituiu por uma análise indireta,
baseada no comportamento do solo na presença de água. Generalizou-se, para isto, o
emprego de ensaios e índices propostos pelo engenheiro químico Attemberg,
pesquisador do comportamento dos solos sob o aspecto agronômico, adaptados e
padronizados pelo professor de Mecânica dos Solos, Arthur Casagrande.
Os limites se baseiam na constatação de que um solo argiloso ocorre com
aspectos bem distintos conforme o seu teor de umidade. Quando muito úmido, ele se
comporta como um líquido; quando perde parte de sua água, fica plástico; e quando
mais seco, torna-se quebradiço. Este fato é bem ilustrado pelo comportamento do
mineral transportado e depositado por rio ou córrego que transborda invadindo as ruas
da cidade. Logo que o rio retorna ao seu leito, o barro resultante se comporta como
um líquido: quando um automóvel passa, o barro é espirrado lateralmente. No dia
20
seguinte, tendo evaporado parte da água, os veículos deixam moldado o desenho de
seus pneus no material plástico em que se transformou o barro. Secando um pouco
mais, os pneus dos veículos já não penetram no solo depositado, mas sua passagem
provoca o desprendimento de pó.
Os teores de umidade correspondentes às mudanças de estado, como se mostra
na Figura 3.4, são definidos como: Limite de Liquidez (LL) e limite de Plasticidade
(LP) dos solos. A diferença entre estes dois limites, que indica a faixa de valores em
que o solo se apresenta plástico, é definida como o índice de Plasticidade (IP) do solo.
Em condições normais, só são apresentados os valores do LL e do IP como índices de
consistência dos solos. O LP só é empregado para a determinação do IP.
Figura 3.4 – Limites de Atterberg dos solos
O Limite de Liquidez é definido como o teor de umidade do solo com o qual
uma ranhura nele feita requer 25 golpes para se fechar numa concha, como ilustrado na
Figura 3.5.
Figura 3.5 – Esquema do aparelho de Casagrande para determinação do LL
Diversas tentativas são realizadas, com o solo em diferentes umidades,
anotando-se o número de golpes para fechar a ranhura, obtendo-se o limite pela
21
interpolação dos resultados. O procedimento de ensaio é padronizado no Brasil pela
ABNT (Método NBR 6459).
O Limite de Plasticidade é definido como o menor teor de umidade com o qual
se consegue moldar um cilindro com 3 mm de diâmetro, rolando-se o solo com a
palma da mão. O procedimento é padronizado no Brasil pelo Método NBR 7180.
Deve ser notado que a passagem de um estado para outro ocorre de forma
gradual, com a variação da umidade. A definição dos limites acima descrita é arbitrária.
Isto não diminui seu valor, pois os resultados são índices comparativos. A
padronização dos ensaios é que é importante, sendo, de fato, praticamente universal.
Na Tabela 3.1, são apresentados resultados típicos de alguns solos brasileiros.
Tabela 3.1 – Índices de Atterberg de alguns solos brasileiros
Solos
Residuais de arenito (arenosos finos)
Residual de gnaisse
Residual de basalto
Residual de granito
Argilas orgânicas de várzeas quaternárias
Argilas orgânicas de baixadas litorâneas
Argila porosa vermelha de São Paulo
Argilas variegadas de São Paulo
Areias argilosas variegadas de São Paulo
Argilas duras, cinzas, de São Paulo
3.3
LL%
29 - 44
45 – 55
45 – 70
45 – 55
70
120
65 a 85
40 a 80
20 a 40
64
IP%
11 - 20
20 –25
20 –30
14 – 18
30
80
25 a 40
15 a 45
5 a 15
42
Atividade das Argilas
Os Índices de Attemberg indicam a influência dos finos argilosos no
comportamento do solo. Certos solos com teores elevados de argila podem apresentar
índices mais baixos do que aqueles com pequenos teores de argila. Isso pode ocorrer
porque a composição mineralógica dos argilo-minerais é bastante variável. Pequenos
teores de argila e altos índices de consistência indicam que a argila á muito ativa.
Mas os índices determinados são também função da areia presente. Solos de
mesma procedência, com o mesmo mineral-argila, mas com diferentes teores de areia,
apresentarão índices diferentes, tanto maiores quanto maior teor de argila, numa razão
aproximadamente constante. Quando se quer ter uma idéia sobre a atividade da fração
argila, os índices devem ser comparados com a fração argila presente. É isto que
mostra o índice de atividade de uma argila, definido na relação:
Índice de Atividade =
índice de plasticidade (IP)
fração argila (menor que 0, 002 mm)
22
A argila presente num solo é considerada normal quando seu índice de atividade
se situa entre 0,75 e 1,25. Quando o índice é menor que 0,75, considera-se a argila
como inativa e, quando o índice é maior que 1,25, ela é considerada ativa.
3.4
Emprego dos índices de consistência
Os índices de consistência têm se mostrado muito úteis para a identificação dos
solos e suas classificações. Desta forma, com o seu conhecimento, pode-se prever
muito do comportamento do solo, sob o ponto de vista da engenharia, com base em
experiência anterior. Uma primeira correlação foi apresentada por Terzaghi, resultante
de observação de que os solos são tanto masis compressíveis (sujeitos a recalques)
quanto maior for o seu LL. Tendo-se a compressibilidade expressa pelo índice de
compressão (Cc), estabeleceu-se a seguinte correlação:
Cc = 0, 009(LL -10)
De maneira análoga, diversas correlações empíricas vêm sendo apresentadas,
muitas vezes com uso restrito para solos de uma mesma determinada região ou de uma
certa formação geológica.
Deve ser notado que os Índices de Attemberg são uma indicação do tipo de
partículas existentes no solo. Desta forma, eles representam bem os solos em que as
partículas ocorrem isoladamente, como é o caso dos solos transportados.
Solos saprolíticos apresentam significativa influência da estrutura da rocha mater.
Solos lateríticos, por sua vez, apresentam aglomeração de partículas envoltas por
deposições de sais de ferro ou alumínio. Os ensaios de limites são feitos com a amostra
previamente seca ao ar e destorroada e amassada energicamente com uma espátula
durante a incorporação de água. Tais procedimentos alteram a estrutura original do
solo. Desta maneira, é de se esperar que as correlações estabelecidas com base em
comportamento de solos transportados não se apliquem adequadamente a solos
saprolíticos e lateríticos, que ocorrem em regiões tropicais. Correlações específicas a
estes solos devem ser estabelecidas.
23
4.
ESTADO DAS AREIAS – COMPACIDADE
O estado em que se encontra uma areia pode ser expresso pelo seu índice de
vazios. Este dado isolado, entretanto, fornece pouca informação sobre o
comportamento da areia, pois, com o mesmo índice de vazios, uma areia pode estar
compactada e outra fofa. É necessário analisar o índice de vazios natural de uma areia
em confronto com os índices de vazios máximo e mínimo em que ela pode se
encontrar.
Se uma areia pura, no estado seco, for colocada cuidadosamente em um
recipiente, vertida através de um funil com pequena altura de queda, por exemplo,
ficará no seu estado mais fofo possível. Pode-se, então, determinar seu peso específico
e dele calcular o índice de vazios máximo.
Vibrando-se uma areia dentro de um molde, ela ficará no seu estado mais
compacto possível. A ele corresponde o índice de vazios mínimo.
As areias se distinguem também pelo formato dos grãos. Embora as dimensões
dos grãos não sejam muito diferentes segundo três eixos perpendiculares, como ocorre
com as argilas, a rugosidade superficial é bem distinta. Formatos distintos são
ilustrados na Figura 4.1, que mostra projeções de grãos naturais de areias de diferentes
procedências. Os grãos da areia de Ottawa são bem esféricos (dimensões segundo os
três eixos semelhantes) e arredondados (cantos bem suaves), enquanto os grãos de
areia do rio Tietê são menos esféricos e muito angulares.
E - esfericidade
A – arredondamento
Figura 4.1 – Exemplos de formato de grãos de areia
O formato dos grãos de areia tem muita importância no seu comportamento
mecânico, pois determina como eles se encaixam e se entrosam, e, em contrapartida,
como eles deslizam entre si, quando solicitados por forças externas. Por outro lado,
como as forças se transmitem pelo contato entre as partículas as de formato mais
angulares são mais suscetíveis a se quebrarem.
Os índices de vazios máximo e mínimo dependem das características da
areia. Valores típicos estão indicados na Tabela 4.1. Os valores são tanto maiores
quanto mais angulares são os grãos e quanto mais mal graduadas as areias.
24
Tabela 4.1 – Valores típicos de índices de vazios de areias
Descrição da areia
Areia uniforme de grãos angulares
Areia bem graduada de grãos angulares
Areia uniforme de grãos arredondados
Areia bem graduada de grãos arredondados
emin
0,70
0,45
0,45
0,35
emax
1,10
0,75
0,75
0,65
Consideremos uma areia A com “e mínimo” igual a 0,6 e “e máximo” igual a 0,9 e uma
areia B com “e mínimo” igual a 0,4 e “e máximo” igual a 0,7 (ver figura 4.2). Se as duas
estiverem com e= 0,65, a areia A estará compacta e a areia B estará fofa.
Figura 4.2 – Comparação de compacidades de duas areias com e=0,65
O estado de uma areia, ou sua compacidade, pode ser expresso pelo índice de
vazios em que ele se encontra, em relação a estes valores externos, pelo índice de
compacidade relativa:
−e
e
CR = max nat
emax − e
min
Quanto maior a CR, mais compacta é a areia. Terzaghi sugeriu a terminologia
apresentada na Tabela 4.2. Em geral, areias compactas apresentam maior resistência e
menor deformidade. Estas características, entre as diversas areias, dependem também
de outros fatores, como a distribuição granulométrica e o formato dos grãos.
Entretanto, a compacidade é um fator importante.
Tabela 4.2 – Classificação das areias segundo a compacidade
Classificação
Areia fofa
Areia de compacidade média
Areia compacta
CR
abaixo de 0,33
entre 0,33 e 0,66
acima de 0,66
25
5.
ESTADO DAS ARGILAS – CONSISTÊNCIA
Quando se manuseia uma argila, percebe-se uma certa consistência, ao contrário
das areias que se desmancham facilmente. Por esta razão, o estado em que se encontra
uma argila costuma ser indicado pela resistência que ela apresenta.
A consistência das argilas pode ser quantificada por meio de um ensaio de compressão
simples, que consiste na ruptura por compressão de um corpo de prova de argila,
geralmente cilíndrico. A carga que leva o corpo de prova a ruptura, dividida pela área
deste corpo é denominada resistência à compressão simples da argila (a expressão
simples expressa que o corpo de prova não é confinado, procedimento muito
empregado em Mecânica dos Solos). Em função da resistência à compressão simples, a
consistência das argilas é expressa pelos termos apresentados na Tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Consistência em função da resistência à compressão
Consistência
Muito mole
Mole
Média
Rija
Muito rija
Dura
5.1
Resistência, em kPa
< 25
25 a 50
50 a 100
100 a 200
200 a 400
> 400
Sensitividade das argilas
A resistência das argilas depende do arranjo entre os grãos e do índice de vazios
em que se encontra. Foi observado que quando se submetem certas argilas ao
manuseio, a sua resistência diminui, ainda que o índice de vazios seja mantido
constante. Sua consistência após o manuseio (amolgada) pode ser menor do que no
estado natural (indeformado). Este fenômeno, que ocorre de maneira diferente
conforme a formação argilosa, foi chamado de sensitividade da argila.
A sensitividade pode ser bem visualizada por meio de dois ensaios de
compressão simples. O primeiro com a amostra no seu estado natural. O segundo com
um corpo de prova feito com o mesmo solo após completo remoldamento, mas com o
mesmo índice de vazios. Exemplo de resultados destes dois ensaios está mostrado na
Figura 5.1. A relação entre a resistência no estado natural e a resistência no estado
amolgado foi definida como sensitividade da argila:
S=
resistência no estado indeformado
resistência no estado amolgado
26
Figura 5.1 – Resistência de argila sensitiva, indeformada e amolgada
As argilas são classificadas conforme a Tabela 5.2.
Tabela 5.2 – Classificação das argilas quanto á sensitividade
Sensitividade
1
1a2
2a4
4a8
>8
Classificação
Insensitiva
Baixa sensibilidade
Média sensibilidade
Sensitiva
Ultra-sensitiva (quick clay)
A sensitividade pode ser atribuída ao arranjo estrutural das partículas,
estabelecido durante o processo de sedimentação, arranjo este que pode evoluir ao
longo do tempo pela interrelação química das partículas ou pela remoção de sais
existentes na água em que o solo se firmou pela percolação de águas límpidas. As
forças eletroquímicas entre as partículas podem provocar um verdadeiro “castelo de
cartas”. Rompida esta estrutura, a resistência será muito menor, ainda que o índice de
vazios seja o mesmo. Por esta razão, a sensitividade é também referida como índice de
estrutura.
A sensitividade das argilas é uma característica de grande importância, pois
indica que, se a argila vier a sofrer uma ruptura, sua resistência após esta ocorrência é
bem menor. Exemplo disto se tem nos solos argilosos orgânicos das baixadas
litorâneas brasileiras, como na região de mangue da Baixada Santista. A argila orgânica
presente é de tão baixa resistência que só pode suportar aterros com altura máxima de
cerca de 1,5 m. Tentando-se colocar aterros com maiores alturas, ocorrerá ruptura. A
argila, ao longo da superfície de ruptura, ficará amolgada. Como esta argila tem uma
sensitividade da ordem de 3 a 4, sua resistência cai a um terço ou um quarto da inicial.
O terreno, depois de rompido, não suporta mais do que 0,5 m de aterro.
Uma argila amolgada, quando deixada em repouso, volta a ganhar
resistência, devido à interrelação química das partículas, sem que atinja, entretanto, a
resistência original.
27
5.2
Índice de consistência
Quando uma argila se encontra remoldada, o seu estado pode ser expresso por
seu índice de vazios. Entretanto, como é muito comum que as argilas se encontrem
saturadas, e neste caso o índice de vazios depende diretamente da umidade, o estado
em que a argila se encontra costuma ser expresso pelo teor de umidade. Até porque a
umidade da argila é determinada diretamente e o seu índice de vazios é calculado a
partir desta, variando linearmente com ela.
Da mesma maneira como o índice de vazios, por si só, não indica a
compacidade das areias, o teor de umidade, por si só, não indica o estado das argilas. É
necessário analisa-lo em relação aos teores de umidade correspondentes a
comportamentos semelhantes. Estes teores são os limites de consistência.
Considere-se uma argila A que tenha LL= 80% e LP= 30%, e uma argila B que
tenha LL= 50% e LP= 25%. Quando a argila A estiver com h= 80% e a argila B
estiver com h= 50%, as duas estarão com aspectos semelhantes, com a consistência
que corresponde ao limite de liquidez (ver Figura 5.2).
Figura 5.2 – Comparação de consistências de duas argilas
Da mesma forma, quando argilas diferentes se apresentam com umidade
correspondente aos seus limites de plasticidade (h=30% para a argila A e h=20% para
a argila B), elas apresentam comportamentos semelhantes, ainda que suas umidades
sejam diferentes.
Quando se manuseia uma argila e se avalia sua umidade, o que se percebe não é
propriamente o teor de umidade, mas a umidade relativa. No caso do exemplo da
Figura 5.2, quando “sentimos” que a argila A está tão úmida quanto a argila B, é
possível que a argila A esteja com 60% de umidade e a argila B com 40%.
Para indicar a posição relativa da umidade aos limites de mudança de estado,
Terzaghi propôs o índice de consistência, com a seguinte expressão:
IC =
LL - h
LL - LP
28
Quando o teor de umidade é igual ao LL, IC=0. À medida que o teor de umidade
diminui, o IC aumenta, ficando maior do que 1 quando a umidade fica menor do que o
LP.
O índice de consistência é especialmente representativo do comportamento de
solos sedimentares. Quando estes solos se formam, o teor de umidade é muito elevado
e a resistência é muito reduzida. À medida que novas camadas se depositam sobre as
primeiras, o peso deste material provoca a expulsão da água dos vazios do solo, com a
conseqüente redução do índice de vazios e o ganho de resistência. Da mesma forma,
quando uma amostra de argila é seca lentamente, nota-se que ela ganha resistência
progressivamente.
Tem sido proposto que a consistência das argilas seja estimada por meio do
índice de consistência, conforme a Tabela 5.3. Esta tabela apresenta valores
aproximados e é aplicável a solos remoldados e saturados. Seu valor é primordialmente
didático, no sentido de realçar a dependência da resistência ao teor de umidade e,
conseqüentemente, ao adensamento que a argila sofre pela sobrecarga que ela suporta.
Tabela 5.3 – Estimativa da consistência pelo índice de consistência
Consistência
Mole
Média
Rija
Dura
Índice de consistência
< 0,5
0,5 a 0,75
0,75 a 1,0
> 1,0
O índice de consistência não tem significado quando aplicado a solos não saturados, pois
eles podem estar com elevado índice de vazios e baixa resistência e sua umidade ser baixa,
o que indicaria um índice de consistência alto.
29
6.
IDENTIFICAÇÃO TÁTIL-VISUAL DOS SOLOS
Foi visto como os solos são classificados em função das partículas que os
constituem. Em geral, importa conhecer o estado em que o solo se encontra. À
classificação inicial, se acrescenta a informação correspondente à compacidade (das
areias) ou à consistência (das argilas).
Com muita freqüência, seja porque o projeto não justifica economicamente a
realização de ensaio de laboratório, seja porque se está em fase preliminar de estudo,
em que ensaios de laboratório não são disponíveis, é necessário descrever um solo sem
dispor de resultados de ensaios. O tipo de solo e o seu estado têm de ser estimado. Isto
é feito por meio de uma identificação tátil-visual, manuseando-se o solo e sentindo sua
reação ao manuseio.
Cada profissional deve desenvolver sua própria habilidade para identificar os
solos. Só a experiência pessoal e o confronto com resultados de laboratório permitirá o
desenvolvimento desta habilidade. Algumas indicações, como as que se seguem,
podem ajudar.
O primeiro aspecto a considerar é a provável quantidade de grossos (areia e
pedregulho) existente no solo. Grãos de pedregulho são bem distintos, mas grãos de
areia, ainda que visíveis individualmente a olho nu, pois têm diâmetros superiores a
cerca de um decímetro de milímetro, podem se encontrar envoltos por partículas mais
finas. Neste caso, podem ser confundidos com agregações de partículas argilo-siltosas.
Para que se possa sentir nos dedos a existência de grãos de areia, é necessário
que o solo seja umedecido, de forma que os torrões de argila se desmanchem. Os grãos
de areia, mesmo os menores, podem ser sentidos pelo tato no manuseio.
Se a amostra de solo estiver seca, a proporção de finos e grossos pode ser
estimada esfregando-se uma pequena porção do solo sobre uma folha de papel. As
partículas finas (siltes e argilas) se impregnam no papel, ficando isolada as partículas
arenosas.
Definido se o solo é uma areia ou um solo fino, resta estimar se os finos
apresentam características de siltes ou de argilas. Alguns procedimentos para esta
estimativa são descritos a seguir.
a) Resistência ao seco – Umedecendo-se uma argila, moldando-se uma
pequena pelota ficará muito dura e, quando quebrada, dividir-se-á em pedaços bem
distintos. Ao contrario, pelotas semelhantes de siltes são menos resistentes e se
pulverizam quando quebradas.
b) “Shaking Test” – Formando-se uma pasta única (saturada) de silte na palma
da mão, quando se bate esta mão contra a outra, nota-se o surgimento de água na
superfície. Apertando-se o torrão com os dedos polegar e indicador da outra mão, a
água reflue para o interior da pasta (é semelhante à aparente secagem da areia da praia,
30
no entorno do pé, quando nela se pisa no trecho saturado bem junto ao mar). No caso
de argilas, o impacto das mãos não provoca o aparecimento de água.
c) Ductilidade – Tentando moldar um solo com umidade em torno do limite
de plasticidade nas próprias mãos, nota-se que as argilas apresentam-se mais resistentes
quando nesta umidade do que os siltes.
d) Velocidade de secagem – A umidade que se sente de um solo é uma
indicação relativa ao LL e LP do solo. Secar um solo na mão do LL até o LP, por
exemplo, é tanto mais rápido quanto menor o intervalo entre os dois limites, ou seja, o
IP do solo.
À informação relativa ao tipo de solo deve-se acrescentar a estimativa de seu
estado. A consistência de argilas é mais fácil de ser avaliada pela resistência que uma
porção do solo apresenta ao manuseio. A compacidade das areias é de mais difícil
avaliação, pois as amostras mudam de compacidade com o manuseio. É necessário que
se desenvolva uma maneira indireta de estimar a resistência da areia no seu estado
natural. Estes parâmetros geralmente são determinados pela resistência que o solo
apresenta ao ser amostrado pelo procedimento padronizado as sondagens.
31
7.
COMPRESSIBILIDADE
7.1
Introdução
Uma das principais causas de recalques é a compressibilidade do solo, ou seja, a
redução do seu volume sob a ação das cargas aplicadas; em particular, um caso de
grande importância prática é aquele que se refere à compressibilidade de uma camada
de solo, saturada e confinada lateralmente. Tal situação condiciona os chamados
recalques por adensamento.
7.2
Analogia da Mecânica de Terzaghi
Compreende-se facilmente esse mecanismo de transferência de pressões,
utilizando-se a analogia da mecânica de Terzaghi – Figura 7.1, onde as molas
representam as partículas sólidas do solo, e os furos capilares nos êmbolos, os seus
vazios. É claro que a pressão nas molas (ou seja, nas partículas sólidas) aumenta à
medida que a água escapa pelos furos (através dos vazios do solo).
Figura 7.1 – Analogia mecânica para o processo de adensamento, segundo Terzaghi
Com a expulsão da água intersticial da camada compressível considerada, o
volume dos seus vazios vai diminuindo e, conseqüentemente, o seu volume total.
Como a camada está confinada lateralmente, a redução do volume se dará pela redução
de altura. Esta redução de altura é o que se denomina recalque por adensamento.
32
O objeto de estudo é aquele em que uma camada de argila se encontra limitada,
em uma ou duas faces (Figura 7.2 (a) e (b), respectivamente), por uma camada
drenante. Nesse caso, que é o comum, e por isso de interesse prático, podemos
considerar o processo como essencialmente unidirecional.
(a)
(b)
Figura 7.2 – Camada de argila limitada em uma (a) e duas faces (b) por camada
drenante
7.3
Compressibilidade dos Terrenos Pouco Permeáveis (Argila)
No caso de camada de argila, e de acordo com o mecanismo anteriormente
descrito, a sua variação de altura, que se denominada compressão primária ou
adensamento propriamente dito, representa apenas uma fase particular de compressão.
Além desta, considera-se ainda a compressão inicial ou imediata – a qual se atribui a
uma deformação da estruturada argila ante a aplicação brusca da carga e à compressão
instantânea da fase gasosa quando esta existir – e a compressão ou adensamento
secundário, o qual se explica como uma compressão das partículas sólidas do solo.
Desses três tipos de compressão, apenas o primeiro tem importância especial,
dados os seus efeitos sobre as construções. Tanto os efeitos à compressão inicial como
os ocasionados pelo adensamento secundário, são em geral negligenciados na prática;
os primeiros, em virtude de seu pequeno valor; os outros, por serem muito atenuados
pela extrema lentidão com que as deformações ocorrem , muito embora o
adensamento secundário seja, às vezes, responsável por uma apreciável fração do
recalque total.
7.4
Compressibilidade dos Terrenos Permeáveis (Areia e Pedregulho)
Em se tratando de terrenos muito permeáveis, com as areias e os pedregulhos, o
processo de adensamento não se apresenta como acabamos de expor, pois a pressão
efetiva é praticamente igual a pressão aplicada e, conseqüentemente, as deformações se
produzem de maneira muito rápida. Tais deformações explicam-se simplesmente como
devidas a um reajuste de posição das partículas do solo; daí serem, em muito maior
grau que nas argilas, irreversíveis as deformações nos terrenos permeáveis.
33
8 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO
A ruptura dos solos é quase sempre um fenômeno de cisalhamento. Isto
acontece, por exemplo, quando uma sapata de fundação é carregada até a ruptura ou
quando ocorre o escorregamento de um talude. Só em condições especiais ocorrem
rupturas por tensões de tração. A resistência ao cisalhamento de um solo pode ser
definida como a máxima tensão de cisalhamento que o solo pode suportar sem sofrer
ruptura, ou tensão de cisalhamento do solo no plano em que a ruptura estiver
ocorrendo.
A seguir ver-se-á algumas idéias sobre o mecanismo de deslizamento entre
corpos sólidos, e, por extensão, entre as partículas do solo. Em particular, analisemos
os fenômenos de atrito e coesão.
8.1
Atrito
A resistência por atrito entre as partículas pode ser simplificadamente
demonstrada por analogia com o problema de deslizamento de um corpo sobre uma
superfície plana horizontal, esquematizado na Figura 8.1 (a). Sendo N a força vertical
transmitida pelo corpo, a força horizontal T necessária para fazer o corpo deslizar deve
ser superior a f.N, sendo f o coeficiente de atrito entre os dois materiais. Existe,
portanto, proporcionalidade entre a força tangencial e a força normal. Esta relação
pode ser também escrita da seguinte forma:
T = N ⋅ tan ϕ
sendo ϕ, chamado ângulo de atrito, o ângulo formado pela resultante das duas
forças com a força normal.
O ângulo de atrito pode ser entendido, também, como o ângulo máximo que a
força transmitida pelo corpo à superfície pode fazer com a normal ao plano de contato
sem que ocorra deslizamento. Atingido este ângulo, a componente tangencial é maior
do que a resistência ao deslizamento, que depende da componente normal, como
esquematizado na Figura 8.1 (b).
O deslizamento também pode ser provocado pela inclinação do plano de
contato, que altera as componentes normal e tangencial ao plano do peso próprio,
atingindo, na situação limite, a relação expressa pela equação, como se mostra na
Figura 8.1 (c).
Experiências feitas com corpos sólidos mostram que o coeficiente de atrito é
independente da área de contato e da força (ou componente) normal aplicada. Assim, a
34
resistência ao deslizamento é diretamente proporcional à tensão normal e pode ser
representada por uma linha reta, como na figura 8.1 (d).
Figura 8.1 – Esquemas referentes ao atrito entre dois corpos
O fenômeno do atrito nos solos se diferencia do fenômeno do atrito entre dois
corpos porque o deslocamento se faz envolvendo um grande número de grãos,
podendo eles deslizarem entre si ou rolarem uns sobre os outros, acomodando-se em
vazios que encontrem no percurso.
Existe também uma diferença entre as forças transmitidas nos contatos entre os
grãos de areia e os grãos de argila. Nos contatos entre os grãos de areia, geralmente as
forças transmitidas são suficientemente grandes para expulsar a água da superfície, de
tal forma que os contatos ocorrem geralmente entre os dois minerais.
No caso das argilas, o número de partículas é muitíssimo maior, sendo a força
transmitida num único contato, extremamente reduzida. De outra parte, as partículas
de argila são envolvidas por moléculas de água quimicamente adsorvidas a elas. As
forças de contato não são suficientes para remover estas moléculas de água, e são elas
as responsáveis pela transmissão das forças. Esta característica é responsável pelo
adensamento secundário. A Figura 8.2 mostra, comparativamente, a diferença dos
contatos entre os grãos de areia e os de argila.
35
Figura 8.2 – Transmissão de forças entre partículas de areias e de argilas
8.2
Coesão
A resistência ao cisalhamento dos solos é essencialmente devida ao atrito entre
as partículas. Entretanto, a atração química entre estas partículas pode provocar uma
resistência independente da tensão normal atuante no plano e que constitui uma
coesão real, como se uma cola tivesse sido aplicada entre os dois corpos mostrados na
Figura 8.2.
A parcela de coesão em solos sedimentares, em geral, é muito pequena perante a
resistência devida ao atrito entre os grãos. Entretanto, existem solos naturalmente
cimentados por agentes diversos, entre os quais os solos evoluídos pedologicamente,
que apresentam parcelas de coesão real de significativo valor.
A coesão real deve ser bem diferenciada da coesão aparente. Esta, a coesão
aparente, é uma parcela da resistência ao cisalhamento de solos úmidos, não saturados,
devida à tensão entre partículas resultante da pressão capilar da água. A coesão
aparente é, na realidade, um fenômeno de atrito, onde a tensão normal que a determina
é conseqüente da pressão capilar. Saturando-se o solo, esta parcela da resistência
desaparece, donde provém o nome de aparente. Embora mais visível nas areias, onde é
clássico o exemplo das esculturas de areias feitas nas praias, é nos solos argilosos que a
coesão aparente assume os maiores valores.
O fenômeno físico de coesão também não deve ser confundido com a coesão
correspondente a uma equação de resistência ao cisalhamento. Embora leve o mesmo
nome, indica simplesmente o coeficiente linear de uma equação de resistência válida
para uma faixa de tensões mais elevada e não para tensão normal nula ou próxima de
zero.
36
A coesão correspondente a uma equação de resistência ao cisalhamento pode
ser vista no gráfico da Figura 8.3. A curva pode ser representada pela equação
τ = c + f ⋅σ
onde c e f são constantes do material e σ a tensão normal existente no plano de
cisalhamento. Os parâmetros c e f são denominados, respectivamente, coesão e
coeficiente de atrito interno, podendo este ser expresso como a tangente de um ângulo,
denominado ângulo de atrito interno.
Figura 8.3 – Representação da envoltória de ruptura de Coulomb
37
9.
CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS
9.1
A importância da classificação dos solos
A diversidade e a enorme diferença de comportamento apresentada pelos
diversos solos perante as solicitações de interesse da engenharia levou ao seu natural
agrupamento em conjuntos distintos, aos quais podem ser atribuídas algumas
propriedades. Desta tendência racional de organização da experiência acumulada,
surgiram os sistemas de classificação dos solos. Os objetivos da classificação dos
solos, sob o ponto de vista de engenharia, é o de poder estimar o provável
comportamento do solo ou, pelo menos, o de orientar o programa de investigação
necessário para permitir a adequada análise de um problema.
É muito discutida a validade dos sistemas de classificação. De um lado, qualquer
sistema cria grupos definidos por limites numéricos descontínuos, enquanto solos
naturais apresentam características progressivamente variáveis. Pode ocorrer que solos
com índices próximos aos limites se classifiquem em grupos distintos, embora possam
ter comportamentos mais semelhantes do que de um mesmo grupo de classificação. A
esta objeção, pode-se acrescentar que a classificação de um solo, baseada em
parâmetros físicos por ele apresentados, jamais poderá ser uma informação mais
completa do que os próprios parâmetros que o levam a ser classificados. Entretanto, a
classificação é necessária para a transmissão de conhecimento. Mesmo aqueles que
criticam os sistemas de classificação não têm outra maneira sucinta de relatar sua
experiência, senão afirmado que, tendo aplicado um tipo de solução, obteve certo
resultado, num determinado tipo de solo. Quando um tipo de solo é citado, é
necessário que a designação seja entendida por todos, ou seja, é necessário que exista
um sistema de classificação. Conforme apontado por Terzaghi, “um sistema de
classificação sem índices numéricos para identificar os grupos é totalmente inútil”. Se,
por exemplo, a expressão areia bem graduada compacta for empregada para descrever
um solo, é importante que o significado de cada termo desta expressão possa ser
entendida da mesma maneira por todos e, se possível, ter limites bem definidos.
Outra crítica aos sistemas de classificação advém do perigo de que técnicos
menos experientes supervalorizem a informação,vindo a adotar parâmetros
inadequados para os solos. Este perigo realmente existe e é preciso sempre enfatizar
que os sistemas de classificação constituem-se num primeiro passo para a previsão do
comportamento dos solos. São tantas as peculiaridades dos diversos solos que um
sistema de classificação que permitisse um nível de conhecimento adequado para
qualquer projeto teria de levar em conta uma grande quantidade de índices, deixando
totalmente de ser aplicação prática. Entretanto, eles ajudam a organizar as idéias e a
orientar os estudos e o planejamento das investigações para obtenção dos parâmetros
mais importantes para cada projeto.
38
Existem diversas formas de classificar os solos, como pela sua origem, pela sua
evolução, pela presença ou não de matéria orgânica, pela estrutura, pelo preenchimento
dos vazios. Os sistemas baseados no tipo e no comportamento das partículas que
constituem os solos são os mais conhecidos na engenharia de solos.
Os sistemas de classificação que se baseiam nas características dos grãos que
constituem os solos têm como objetivo a definição de grupos que apresentam
comportamentos semelhantes sob os aspectos de interesse da engenharia civil. Nestes
sistemas, os índices empregados são geralmente a composição granulométrica e os
índices de Attemberg. Estudaremos os dois sistemas mais empregados universalmente,
para depois discutir suas vantagens e suas limitações.
9.2
Classificação Unificada
Este sistema de classificação foi elaborado originalmente pelo Prof. Casagrande
para obras de aeroportos, tendo seu emprego sido generalizado. Atualmente, é
utilizado principalmente pelos geotécnicos que trabalham em barragens de terra.
Neste sistema, todos os solos são identificados pelo conjunto de duas
letras,como apresentados na Tabela 9.1. As cinco letras superiores indicam o tipo
principal do solo e as quatro seguintes correspondem a dados complementares dos
solos. Assim, SW corresponde a areia bem graduada e CH a argila de alta
compressibilidade.
Tabela 9.1 – Terminologia do Sistema Unificado
G
S
M
C
O
pedregulho
Areia
Silte
argila
solo orgânico
W
P
H
L
bem graduado
mal graduado
alta compressibilidade
baixa compressibilidade
Pt
Turfas
Para a classificação, por este sistema, o primeiro aspecto a considerar é a
porcentagem de finos presente no solo, considerando-se finos o material que passa na
peneira nº 200 (0,075 mm). Se esta porcentagem for inferior a 50, o solo será
39
considerado como solo de granulação grosseira, G ou S. Se for superior a 50, o solo
será considerado de granulação fina, M, C ou O.
Solos granulares
Sendo de granulação grosseira, o solo será classificado como pedregulho ou
areia, dependendo de qual destas duas frações granulométricas predominar. Por
exemplo, se o solo tem 30% de pedregulho, 40% de areia e 30% de finos, ele será
classificado como areia – S.
Identificado que um solo é areia ou pedregulho, importa conhecer sua
característica secundária. Se o material tiver poucos finos, menos de que 5% passando
na peneira nº 200, deve-se verificar como é a sua composição granulométrica. Os solos
granulares podem ser “bem graduados” ou “mal graduados”. Nos solos mal graduados
há predominância de partículas com um certo diâmetro, enquanto que nos solos bem
graduados existem grãos ao longo de uma faixa de diâmetros bem mais extensa, como
ilustrado na Figura 9.1.
Figura 9.1 – Granulometrias de areia bem graduada e mal graduada
A expressão “bem graduado” expressa o fato de que a existência de grãos com
diversos diâmetros confere ao solo, em geral, melhor comportamento sob o ponto de
vista de engenharia. As partículas menores ocupam os vazios correspondentes às
maiores, criando um entrosamento, do qual resulta menor compressibilidade e maior
resistência. Esta característica dos solos granulares é expressa pelo “coeficiente de não
uniformidade”, definido pela relação:
CNU =
D60
D10
40
onde “D60” é o diâmetro abaixo do qual se situam 60% em peso das partículas
e, analogamente, “D10” é o diâmetro que, na curva granulométrica, corresponde
`porcentagem que passa igual a 10%. O “D10” é também referido como “diâmetro
efetivo do solo” denominação que se origina da boa correlação entre ele e a
permeabilidade dos solos, verificada experimentalmente.
Quanto maior o coeficiente de não uniformidade, mais bem graduada é a areia. Areias
com CNU menor do que 2 são chamadas de areias uniformes.
Outro coeficiente, não tão empregado quanto o CNU, é o coeficiente de
curvatura, definido como:
CC =
( D30 ) 2
D10 ⋅ D60
Se o coeficiente de não uniformidade indica a amplitude dos tamanhos de grãos,
o coeficiente de curvatura detecta melhor o formato da curva granulométrica e permite
identificar eventuais descontinuidades ou concentração muito elevada de grãos mais
grossos no conjunto. Considera-se que o material é bem graduado quando o CC está
entre 1 e 3. Na Figura 9.2 estão representadas curvas de três areias com CNU = 6 e
com diferentes CC. Quando CC é menor que 1, a curva tende a ser descontínua; há
falta de grãos com um certo diâmetro. Quando CC é maior que 3, a curva tende a ser
muito uniforme na sua parte central. Ao contrário das duas outras, quando o CC está
entre 1 e 3, a curva granulométrica se desenvolve suavemente. É rara a ocorrência de
areias com CC fora do intervalo entre 1 e 3, razão pela qual este coeficiente é muitas
vezes ignorado, mas é justamente para destacar os comportamentos peculiares acima
apontados que ele é útil.
Figura 9.2 – Curvas granulométricas com diferentes coeficientes de curvatura
O Sistema Unificado considera que um pedregulho é bem graduado quando seu
coeficiente de não uniformidade é superior a 4, e que uma areia é bem graduada
quando seu CNU é superior a 6. Além disto, é necessário que o coeficiente de
curvatura, CC, esteja entre 1 e 3.
Quando o solo de granulação grosseira tem mais do que 12% de finos, a
uniformidade da granulometria já não aparece como característica secundária, pois
importa mais saber das propriedades destes finos. Então, os pedregulhos ou areias
41
serão identificados secundariamente como argilosos (CG ou SG) ou siltosos (GM ou
SM). O que determinará esta classificação será o posicionamento do ponto
representativo dos índices de consistência na Carta de Plasticidade, conforme se verá
adiante.
Quando o solo de graduação grosseira tem de 5 a 12% de finos, o Sistema
recomenda que se apresentem as duas características secundárias, uniformidade de
granulometria e propriedades dos finos. Assim, ter-se-ão classificações intermediárias,
como, por exemplo, SP-SC, areia mal graduada, argilosa.
Solos de granulação fina (siltes e argilas)
Quando a fração fina do solo é predominante, ele será classificado como silte
(M), argila (C) ou solo orgânico (O), não em função da porcentagem das frações
granulométricas silte ou argila, pois como foi visto anteriormente, o que determina o
comportamento argiloso do solo não é só o teor de argila, mas também a sua atividade.
São os índices de consistência que melhor indicam o comportamento argiloso.
Analisando os índices e o comportamento dos solos, Casagrande notou que
colocando o IP do solo em função do LL num gráfico, como apresentado na Figura
9.3, os solos de comportamento argiloso se faziam representar por um ponto acima de
uma reta inclinada, denominada Linha A, solos orgânicos, ainda que argilosos, e solos
siltosos são representados por pontos localizados abaixo da Linha A; que no seu trecho
inicial, é substituía por uma faixa horizontal correspondente a IP de 4 a 7.
Figura 9.3 – Carta de Plasticidade
42
Para a classificação destes solos, basta a localização do ponto correspondente ao
par de valores IP e LL na Carta de Plasticidade. Os solos orgânicos se distinguem dos
siltes pelo seu aspecto visual, pois se apresentam com uma coloração escura típica
(marrom escura, cinza escuro ou preto).
Como característica complementar dos solos finos, é indicada sua
compressibilidade. Como já visto, constatou-se que os solos costumam ser tanto mais
compressíveis quanto maior seu Limite de Liquidez. Assim, o Sistema adjetiva
secundariamente como de alta compressibilidade (H) ou de baixa compressibilidade (L)
os solos M, C ou O, em função do LL ser superior ou inferior a 50, respectivamente,
como se mostra na Carta. Quando se trata de obter a característica secundária de areia
e pedregulhos, este aspecto é desconsiderado.
Quando os índices indicam uma posição muito próxima às linhas A ou B (ou
sobre a faixa de IP 4 e 7), é considerado um caso intermediário e as duas classificações
são apresentadas. Exemplos: SC-SM, CL-CH, etc.
Embora a simbologia adotada só considere duas letras, correspondentes às
características principal e secundária do solo, a descrição deverá ser a mais completa
possível. Por exemplo, um solo SW pode ser descrito como areia (predominantemente)
grossa e média, bem graduada, com grãos angulares, cinza.
O Sistema considera ainda a classificação de turfa (Pt), que são os solos muito
orgânicos onde a presença de fibras vegetais em decomposição parcial é
preponderante.
Tabela 9.2 – Esquema para classificação pelo Sistema Unificado
43
9.3
Sistema Rodoviário de Classificação
Este Sistema, muito empregado na engenharia rodoviária em todo o mundo, foi
originalmente proposto nos Estados Unidos. E também baseado na granulometria e
nos limites de Atterberg.
Neste Sistema, também se inicia a classificação pela constatação da porcentagem
de material que passa na peneira nº 200, só que são considerados solos de graduação
grosseira os que têm menos de 35% passando nesta peneira, e não 50% como na
Classificação Unificada. Estes são os solos dos grupos A-1, A-2 e A-3. os solos com
mais de 35% passando na peneira nº200 formam os grupos A-4, A-5, A-6 e A-7.
Os solos grossos são subdivididos em:
A-1a – Solos grossos, com menos de 50% passando na peneira nº 10 (2,0 mm),
menos de 30% passando na peneira nº 40 (0,42 mm) e menos de 15%passando na
peneira nº 200. O IP dos finos deve ser menor do que 6. Correspondem,
aproximadamente, aos pedregulhos bem graduados, GW, do Sistema Unificado.
A-1b – Solos grossos, com menos de 50% passando pela peneira nº 40 e menos
de 25% na peneira nº200, também com IP menor que 6. Corresponde à areia bem
graduada, SW.
A –3 – Areias finas, com mais de 50% passando na peneira nº 40 e menos de
10% passando na peneira nº 200. São, portanto, areias finas mal graduadas, com IP
nulo. Correspondem às SP.
A-2 – São areias em que os finos presentes constituem a característica
secundária. São subdivididos em A-2-4, A-2-5, A-2-6 e A-2-7, em função dos índices
de consistência, conforme o gráfico da Figura 9.4.
Figura 9.4 – Classificação dos solos finos no Sistema Rodoviário
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Os solos finos, a exemplo do Sistema Unificado, são subdivididos só em função dos
índices, de acordo com a Figura 9.4. O que distingue um solo A-4 de um solo A-2-4 é
só a porcentagem de finos.
Tabela 9.3 – Esquema para classificação pelo Sistema Rodoviário
Acompanhando-se a sistemática de classificação pelos dois sistemas expostos,
verifica-se que eles são bastante semelhantes, já que consideram a predominância dos
grãos graúdos ou miúdos, dão ênfase à curva granulométrica só no caso de solos
graúdos com poucos finos e classificam os solos graúdos com razoável quantidade de
finos, e os próprios solos finos com base exclusivamente nos índices de Attemberg. O
exercício de acompanhar as sistemáticas de classificação é útil na medida em que
familiariza o estudante com os aspectos mais importantes na identificação dos solos.
9.4
Classificações regionais
No Brasil, o Sistema Rodoviário é bastante empregado pelos engenheiros rodoviários,
e o Sistema Unificado é sempre preferido pelos engenheiros barrageiros. Já os
engenheiros de fundações não empregam diretamente nenhum destes sistemas. De
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modo geral, eles seguem uma maneira informal de classificação dos solos, bem
regional, que pode ter tido origem nestes sistemas.
A pouca utilização dos sistemas de classificação decorre do fato deles nem
sempre confirmarem a experiência local. Por exemplo, a “argila porosa vermelha”, que
é um solo característico da Cidade de São Paulo, ocorrendo no espigão da Avenida
Paulista, seria classificada pelo Sistema Unificado como “silte de alta
compressibilidade”, pois seus índices de consistência indicam um ponto abaixo da
Linha A. Entretanto, este solo apresenta comportamento típico de argila, tanto que
espontaneamente recebeu a denominação que o caracteriza.
As discrepâncias entre as classificações clássicas e o comportamento observado
de alguns solos nacionais se devem, certamente, ao fato destes serem freqüentemente
solos residuais ou solos lateríticos, para os quais os índices de consistência não podem
ser interpretados da mesma maneira como o são para os solos transportados, de
ocorrência nos países de clima temperado, onde os sistemas vistos foram elaborados.
Uma proposta de sistema de classificação dos solos tropicais vem sendo
desenvolvida pelo Prof. Nogami, da Escola Politécnica da USP. Neste Sistema, os
solos são classificados primariamente em areias, siltes e argilas, e secundariamente em
lateríticos e saprolíticos. Nesta classificação, não são empregados os índices de
consistência, mas parâmetros obtidos em ensaios de compactação com energias
diferentes. O sistema é voltado para a prática rodoviária e se baseia em solos do Estado
de São Paulo.
Outra maneira de controlar a dificuldade tem sido o das classificações regionais,
ainda que informais. Na Cidade de São Paulo, por exemplo, são reconhecidos diversos
tipos de solos cujas características vão sendo progressivamente pesquisas e
incorporadas ao conhecimento técnico. Além da “argila porosa vermelha” já referida,
são reconhecidos a “argila vermelha rija”, que lhe ocorre abaixo; os “solos
variegados”, que ocorrem numa grande parte da cidade e que se caracterizam pela
grande diversidade de cores com as quais se apresentam; as “argilas cinzas duras”, que
ocorrem abaixo da cota do nível d’água do rio Tietê; as “areias basais”, depósitos de
areias bastante puras que ocorrem no centro da cidade em grandes profundidades; e as
“argilas orgânicas quaternárias”, nas várzeas dos rios Tietê e Pinheiros, inclusive na
Cidade Universitária.
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NOTA
Esta apostila é uma compilação do livro do Professor Carlos de Souza Pinto, da Escola
Politécnica da USP, adaptada ao escopo da disciplina de Mecânica de Solos do Módulo
Geral 1 do Curso de Edificações do CEFET-RS. Foram introduzidas ainda algumas
citações pertinentes do livro de autoria de Homero Pinto Caputo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
PINTO, Carlos de Souza. Curso Básico de Mecânica dos Solos, em 16 Aulas. 1 ed. São
Paulo: Oficina de Textos, 2000. 247 p.
CAPUTO, Homero Pinto. Mecânica dos Solos e suas Aplicações. 6 ed. Rio de Janeiro:
Livros Técnicos e Científicos Editora, 1988. 234 p.
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