Capítulo 1 DOS SÓLIDOS AOS SOLOS 1. Rochas e formação de

Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Capítulo 1
DOS SÓLIDOS AOS SOLOS
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
1. Rochas e formação de solos. Composição
de solos.
Rocha – material sólido que constitui o planeta;
matéria mineral sólida e contínua.
Tipos de Rochas:
Magmáticas (ou ígneas ou vulcânicas), resultantes da
solidificação do magma.
Sedimentares, resultantes da deposição de sedimentos, sujeitos
a processos de cimentação.
Metamórficas, resultantes de rochas magmáticas e
sedimentares que sofreram processos de natureza geológica que
originaram alterações profundas das suas características.
1
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Solo – matéria mineral sólida e descontínua
que resulta de fenómenos de alteração física e
química das rochas (meteorização e erosão)
Ciclo litológico
=SOLOS
Ciclo litológico simplificado,
proposto por James Hutton há
mais de 200 anos. Adaptado de
Press, F. & Siever, R. (1997)
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Simplificadamente, os solos resultam da
alteração das rochas.
A alteração consiste na desintegração e
decomposição da rocha superficial ou próxima
da superfície.
Trata-se de uma resposta a mudanças de
pressão, temperatura, teor em água, etc
Mecânica – processo físico – fractura da rocha,
Tipos de
alteração:
com alívio de tensões, formando-se blocos
sucessivamente mais pequenos
Química - deve-se essencialmente à acção da
água e de agentes biológicos que reagem com os
componentes da rocha levando à sua desagregação
2
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Designação
Descrição (de acordo com a ISRM)
São
Sem sinais visíveis de alteração: eventual ligeira descoloração
das maiores superfícies de descontinuidade.
Levemente
alterado
A descoloração evidencia alteração do material rocha e da das
superfícies de descontinuidades. Superficialmente, todo o
material pode estar descolorado por alteração e mostrar-se mais
fraco do que o material são.
Moderadamente Menos de metade do material rocha está decomposto e/ou
alterado
desintegrado em solo. Porções de rocha sã ou descolorida
encontram-se dispersas.
Muito alterado
Mais de metade do material rocha encontra-se decomposto e/ou
desintegrado em solo. Porções de rocha sã ou descolorida
encontram-se dispersas.
Completamente
alterado
Todo o material rocha se encontra decomposto e/ou desintegrado
em solo. A estrutura da massa original mantém-se quase intacta.
Solo residual
Todo o material rocha está transformado em solo. A estrutura da
massa original e a fábrica do material estão destruídas. Há
grande alteração volumétrica mas a maior parte do solo não foi
removida.
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Os solos podem ter várias designações de
acordo com a sua origem (residuais,
transportados, orgânicos).
Se são solos transportados, podem ser
designados de acordo com o modo de
transporte (glaciais, aluvionares, lacustres,
marinhos, eluvionares e coluvionares).
Sendo o material solo constituído por
partículas, pode ser classificado pelo
tamanho de partículas que o constitui (por
ordem decrescente: pedra, calhau, seixo
ou cascalho, areia, silte e argila).
3
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Cascalhos e areias
Num solo real verifica-se
uma mistura muito
grande de simensões
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Fracções granulométricas
Especificação E-219 – Prospecção Geotécnica de terrenos: vocabulário
Argila
Silte
fino
0,002
0,006
médio
0,02
Areia
grosso
0,06
fina
0,2
média
0,6
Seixo ou Cascalho
grossa
2,0
fino
6,0
médio
20
Calhau
Pedra
grosso
60
150 [mm]
São obtidas através da curva granulométrica,
que se mede em ensaios de peneiração e de
sedimentação (aula prática).
4
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
CURVA GRANULOMÉTRICA
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Curva Granulométrica
Peneiração
Sedimentação
Traçado
completo da
curva
Partículas de menores dimensões (argilas e siltes):
processo de sedimentação - o solo é misturado com água
destilada, desenvolvendo-se o processo de sedimentação das
partículas de acordo com a lei de Stokes. O ensaio é efectuado
medindo a densidade do líquido em vários intervalos de tempo.
Partículas de maiores dimensões (areias e cascalhos):
método da peneiração - o solo é obrigado a passar por uma
série de peneiros de malha normalizada e sucessivamente
mais apertada. O material retido, é pesado para averiguar que
percentagem representa do peso total.
5
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Ensaio de peneiração
Diâmetro da malha decrescente
Massa Total: Mt
Massa retida: M1
D
% retida no peneiro=M1/Mt
Massa passada: Mt-M1 %passada = 100%-%retida
Massa retida: M2
...
% retida no peneiro=M2/Mt
% retida acumulada (até esse peneiro)=(M1+M2)/Mt
Massa passada: Mt-M1-M2
Massa retida: Mn
% retida=Mn/Mt
Massa passada: Mt-ΣMi
∑ Mi = Mt
Série de peneiros normalizada ASTM
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Ensaio de sedimentação
Medidor de
viscosidade
Medição da densidade do líquido (água+
solo) em determinados períodos de
tempo
Lei de Stokes
D=
18ηv
18η
=
γ s −γ w
γs −γw
L
t
D- diâmetro
L
ν- velocidade de sedimentação
η- viscosidade
L- distância percorrida no tempo t
t- tempo
Água destilada
+ solo em
suspensão
t
γs - peso volúmico das partículas
sólidas
γw - peso volúmico da água
6
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Interpretação da curva granulométrica
Diâmetro efectivo - o solo tem 10% em peso de partículas
com dimensões inferiores a D10 (parâmetro correlacionável
com o coeficiente de permeabilidade dos solos)
D10
Cu =
D60
D10
Coeficiente de Uniformidade - dá indicação sobre da variedade
de dimensões que as partículas de um dado solo possuem:
CU > 4 a 6, corresponde a um solo “bem graduado”,
CU = 1, corresponde a um solo “uniforme”,
CU < 1, corresponde a um solo “pobre” ou “mal graduado”
Cc =
D230
D10 D60
Coeficiente de Curvatura - dá indicação sobre a forma da
curva granulométrica entre D60 e D10. Se entre estes
diâmetros a curva tiver uma evolução suave, CC estará
compreendido entre 1 e 3 e o solo será bem graduado
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Quanto à distribuição do tamanho de grãos:
Granulometria
extensa
Existem partículas de várias
dimensões
Granulometria
uniforme
Todas as partículas têm
dimensões semelhantes
Solo bem
graduado
Todas as dimensões estão
presentes
solo mal
graduado
Há algumas dimensões
ausentes
7
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
2. Classificação de solos
Identificação e
classificação
do solo
Curva granulométrica
Limites de consistência
Os limites de consistência são uma
alternativa aos ensaios de sedimentação.
Permitem obter, de uma forma qualitativa, se
o material fino presente tem maior ou menor
percentagem de argila.
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
LIMITES DE CONSISTÊNCIA OU DE ATTERBERG
São valores de teor em água que marcam fronteiras de
comportamento (aplicáveis apenas a materiais plásticos)
w - Teor
em água
w(%) =
IP - Índice de
plasticidade
Ww
× 100%
Ws
IP= wL – wP
SÓLIDO
PLÁSTICO
SEMI SÓLIDO
LÍQUIDO
Comp. moldável
w=0
wR
wP
Limite de
retracção
Limite de
plasticidade
wL
Limite de
liquidez
w (%)
8
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Os limites estão associados a comportamentos diferentes
SÓLIDO
PLÁSTICO
SEMI SÓLIDO
LÍQUIDO
Comp. moldável
w=0
wR
wP
σ
wL
σ
w (%)
σ
Medição da
rigidez e
resistência:
ε
ε
ε
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Esta análise é útil
nos solos
argilosos, pelo
facto do respectivo
comportamento
depender do teor
em água (forças
de superfície:
atractivas/
repulsivas)
Minerais argilosos (alumino-silicatos hidratados)
9
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
O tipo de argila e a sua quantidade influenciam o
comportamento do solo pois a plasticidade do solo é
causada pela água adsorvida que envolve as
partículas de argila.
A actividade (A) da fracção argilosa permite ter a
noção do tipo de minerais argilosos presentes.
Argila
Actividade
IP
A=
% argila
Superfície específica (m2/g)
A (%)
Montmorilonite
≤840
>5
Ilite
65 - 100
= 0,9
Caulinite
10 - 20
=0,4
Areia limpa
0,0002
---
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Outras grandezas
-
Índice de consistência: IC = (wL - w)/ IP , [%], pode ser superior à
unidade;
Índice de liquidez: IL = 1 - IC , [%], pode ser negativo.
IC
Consistência
Problemas
0
Líquido
0,25
Muito
Mole
Traficabilidade
Mole
0,5
Pouco
Consistente
1,0
1,5
Consistente
2,0
Muito
Consistente
Extracção e Compactação
10
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
ÍNDICES E LIMITES DE SOLOS ARGILOSOS – VALORES TIPO
Argila
IC = [(wL-w)/(wL-wp)] = (wL-w)/Ip
Muito mole
0,00 – 0,25
Mole
0,25 – 0,50
Média
0,50 – 0,75
Dura, Muito Dura e Rija
> 0,75
Argila
wL (%)
wp (%)
Ip (%)
Montmorilonite
290 - 710
54 - 74
215 - 656
Ilite
95 - 120
45 - 53
49 - 67
Caulinite
38 - 59
27 - 37
11 - 23
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
3. Classificação de solos (Classificação Unificada)
Nome = Símbolo + descrição
G (gravel - cascalho)
W (well – bem graduado)
S (sand – areia)
P (poorly – mal graduado)
M (milt – silte)
L (low – pouco plástico)
C (clay – argila)
H (high – muito plástico)
Solos Grossos
% retida no #200 >50% - Quadro 1
Solos Finos
% retida no #200≤50% - Quadro 2
11
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Curva granulométrica (fracção grossa)
Solo bem graduado:
Solo mal graduado:
Verificação em simultâneo:
Se não for bem graduado
Cascalho: Cu≥4 e 1≤Cc≤3
Areia: Cu≥6 e 1≤Cc≤3
Limites de consistência (fracção fina)
Baixa plasticidade:
Alta plasticidade:
IP<50%
IP≥50%
+ informação da Carta de plasticidade
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Carta de Plasticidade (fracção fina)
Linha U
IP=0,90(wL-8)
IP - Índice de plasticidade (%)
60
Linha A
IP=0,73(wL-20)
50
CH ou OH
40
30
CL ou OL
20
MH ou OH
10
CL-ML
ML ou OL
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
wL - Limite de liquidez (%)
12
Quadro 1 - Solos Grossos
Elementos de Engenharia
Civil,
Geotecnia
C >4 e 1≤C ≤ 3
GW
cascalho bem graduado (1)
%finos< 5
Cascalho
% cascalho> %
areia
5≤ %finos≤ 12
u
GP
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 e
finos ML ou MH
GW – GM
cascalho bem graduado com silte (2)
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 e
finos CL ou CH ou CL-ML
GW – GC
finos CL ou CH: cascalho bem graduado com argila (2)
finos CL-ML: cascalho bem graduado com argila siltosa (2)
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3]
e
finos ML ou MH
GP – GM
cascalho mal graduado com silte (2)
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3]
e
finos CL ou CH ou CL-ML
GP –GC
finos CL ou CH: cascalho mal graduado com argila (2)
finos CL-ML: cascalho mal graduado com argila siltosa (2)
finos ML ou MH
GM
cascalho siltoso (1) (*)
finos CL ou CH
GC
cascalho argiloso (1) (*)
finos CL-ML
GC – GM
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3
SW
areia bem graduada (3)
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3]
SP
areia mal graduada (3)
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 e
finos ML ou MH
SW – SM
areia bem graduada com silte (4)
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 e
finos CL ou CH ou CL-ML
SW – SC
finos CL ou CH: areia bem graduada com argila (4)
finos CL-ML: areia bem graduada com argila siltosa (4)
Cu≤4 e/ou (Cc<1 ou Cc>3)
e
finos ML ou MH
SP – SM
areia mal graduada com silte (4)
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3]
e
finos CL ou CH ou CL-ML
SP –SC
finos CL ou CH: areia mal graduada com argila (4)
finos CL-ML: areia mal graduada com argila siltosa (4)
%finos> 12
Solos Grossos
% retida no #200
>50%
%finos< 5
Areia
% areia≥ %
cascalho
5≤ %finos≤ 12
c
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3]
%finos> 12
cascalho mal graduado (1)
cascalho argilo-siltoso (1) (*)
finos CL ou CH
SC
areia argilosa (3) (*)
finos ML ou MH
SM
areia siltosa (3) (*)
finos CL-ML
SC – SM
areia argilo-siltosa (3) (*)
(*) Se os finos são orgânicos, juntar ‘e finos orgânicos’ Restantes notas: ver no fim do Quadro 2
Quadro 2 – Solos
Finos e Solos
Orgânicos
Elementos
de
Engenharia
Siltes e
Argilas
wL<50%
Inorgânicos
CL
se %retida no #200 ≤15: argila magra
se 15< %retida no #200 <30: argila magra (5)(6)
se %retida no #200 ≥30: argila magra (7)(8)(9)(10)
4≤IP≤ 7 e situa-se
na linha A ou
acima
CL – ML
se %retida no #200 ≤15: argila siltosa
se 15< %retida no #200 <30: argila siltosa (5)(6)
se %retida no #200 ≥30:argila siltosa (7)(8)(9)(10)
IP<4 ou situa-se
abaixo da linha A
ML
se %retida no #200 ≤15:silte
se 15< %retida no #200 <30:silte (5)(6)
se %retida no #200 ≥30:silte (7)(8)(9)(10)
IP>7 e situa-se na
linha A ou acima
CH
se %retida no #200 ≤15:argila gorda
se 15< %retida no #200 <30: argila gorda (5)(6)
se %retida no #200 ≥30: argila gorda (7)(8)(9)(10)
4≤IP≤ 7 e situa-se
na linha A ou
acima
CH –
MH
se %retida no #200 ≤15: argila gorda siltosa
se 15< %retida no #200 <30: argila gorda siltosa (5)(6)
se %retida no #200 ≥30: argila gorda siltosa (7)(8)(9)(10)
IP<4 ou situa-se
abaixo da linha A
MH
se %retida no #200 ≤15:silte elástico
se 15< %retida no #200 <30: silte elástico (5)(6)
se %retida no #200 ≥30: silte elástico (7)(8)(9)(10)
wL(seco em estufa)
 ≥0,75
wL(sem secagem)
Solos Finos
% retida no
#200≤50%
Siltes e
Argilas
wL≥50%
Orgânicos
wL(seco em estufa)
 <0,75
wL(sem secagem)
Siltes e
Argilas
OL
se %retida no #200 ≤15: silte orgânico
se 15< %retida no #200 <30: silte orgânico (5)(6)
se %retida no #200 ≥30: silte orgânico (7)(8)(9)(10)
OH
se %retida no #200 ≤15: argila orgânica
se 15< %retida no #200 <30: argila orgânica (5)(6)
se %retida no #200 ≥30:
% areia≥ % cascalho - %areia≥15 -argila orgânica (7)(8)(9)(10)
Pt
turfa
wL<50%
Siltes e
Argilas
wL≥50%
Solos altamente
orgânicos
Principalmente matéria orgânica: cor
escura e odor orgânico
(1) se o solo contém %areia ≥15% juntar ‘com areia’ ao nome
(2) se o solo contém %areia ≥15% juntar ‘e areia’ ao nome
(3) se o solo contém %cascalho ≥15% juntar ‘com cascalho’ ao nome
(4) se o solo contém %cascalho ≥15% juntar ‘e cascalho’ ao nome
(5) se %areia ≥%cascalho juntar ‘com areia’ ao nome
Civil, Geotecnia
IP>7 e situa-se na
linha A ou acima
(6) se %cascalho > %areia juntar ‘com cascalho’ ao nome
(7) se %areia ≥%cascalho e %areia ≥15% juntar ‘arenosa/o’ ao nome
(8) se %areia ≥%cascalho e %areia <15% juntar ‘e areia’ ao nome
(9) se %cascalho >%areia e %cascalho ≥15% juntar ‘cascalhenta/o’ ao nome
(10) se %cascalho >%areia e %cascalho <15% juntar ‘e cascalho’ ao nome
13
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Exemplo de aplicação
% material que passa no peneiroxx
Classifique os solos cujas curvas granulométricas e
limites de consistência são as seguintes:
100
#200
#80 #40
#10
#4 #3/8"#1/4#3/4"#1" Série ASTM
wL
90
80
70
60
50
Solo A
wP
A
32% 12%
B
NP
NP
Resposta:
40
Solo A:
30
CL-argila
20
magra arenosa
10
0
0.01
Solo B:
Solo B
0.1
1
10
GP-cascalho
100
mal graduado
D (mm)
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Principais propriedades dos solos
Permeabilidade
quando compactado
Resistência ao corte
quando compactado e
saturado
Compressibilidade
quando compactado e
saturado
Trabalhabilidade
como material de
construção
GW
Permeável
Excelente
Desprezável
Excelente
GP
Muito permeável
Boa
Desprezável
Boa
GM
Semi-permeável a
permeável
Boa
Desprezável
Boa
GC
Impermeável
Boa a razoável
Muito baixa
Boa
SW
Permeável
Excelente
Desprezável
Excelente
SP
Permeável
Boa
Muito baixa
Razoável
SM
Semi-permeável a
impermeável
Boa
Baixa
Razoável
SC
Impermeável
Boa a razoável
Baixa
Razoável
ML
Semi-permeável a
impermeável
Razoável
Média
Razoável
CL
Impermeável
Razoável
Média
Boa a razoável
OL
Semi-permeável a
impermeável
Má
média
Razoável
MH
Semi-permeável a
impermeável
Razoável a má
Alta
Má
Símbolo
CH
Impermeável
Má
Alta
Má
OH
Impermeável
Má
alta
Má
Pt
---
---
---
---
14
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Exemplo de aplicação
Com base nas principais propriedades geotécnicas
dos solos classificados anteriormente (Solo A: CL;
Solo B: GP), diga qual deles escolheria para
construir uma barragem de terra homogénea.
Resposta:
Só se podia usar o solo A pois é o único impermeável e esta
característica é fundamental para as barragens de terra homogéneas.
Responda novamente à pergunta mas
considerando que se pretendia construir um aterro
para uma autoestrada.
Resposta:
Pode-se usar os dois solos mas o solo B é preferível pois apresenta
menor compressibilidade e maior resistência ao corte do que o solo A,
para além de ser esperada melhor trabalhabilidade.
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
4. Volumetria e Gravimetria
O solo é um meio trifásico:
Ar (fase gasosa)
Poro preenchido
por ar e água
Poro
totalmente
preenchido
por água
Partículas
(fase sólida)
Água (fase líquida)
Solo parcialmente saturado
15
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
V= Vs + Vv =Vs + Vw + Vg
Vg
Vw
Vs
(Wg = 0)
Grandeza
Índice de vazios
Porosidade
Grau de Saturação
Teor em Água
Peso volúmico do solo
Peso volúmico seco
Peso volúmico submerso
Peso volúmico partículas
Densidade das partículas
ar
água
W= Ws + Ww
ar
partículas sólidas
Wg
Ww
partículas
Ws
sólidas
W
V
Vv
Volumetria e gravimetria
Expressão
e = Vv / Vs
n = (Vv / V) x 100
Sr = (Vw / Vv) x 100
w = (Ww / Ws) x 100
γ = (Ww + Ws) / V
γd = Ws / V
γsub = γsat - γw
γs = Ws / Vs
Gs = (γs / γw)
água
Unidades
Exprime-se em %
Exprime-se em %
Exprime-se em %
Exprime-se em kN/m3
Exprime-se em kN/m3
Exprime-se em kN/m3
Exprime-se em kN/m3 (≈26)
Em geral Gs≈2,65
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Algumas expressões úteis
V = V s (1 + e)
Índice de vazios
Porosidade
Grau de Saturação
Teor em Água
Peso volúmico do solo
Peso volúmico seco
Peso volúmico submerso
Peso volúmico partículas
Densidade das partículas
e = Vv / Vs
n = (Vv / V) x 100
Sr = (Vw / Vv) x 100
w = (Ww / Ws) x 100
γ = (Ww + Ws) / V
γd = Ws / V
γsub = γsat - γw
γs = Ws / Vs
Gs = (γs / γw)
v = 1+ e
n=
e
1+ e
e=
n
1− n
γ t = γ d (1 + w)
Gs
w
e
G
γd = s γw
1+ e
Sr =
V= Vs + Vv =Vs + Vw + Vg
W= Ws + Ww
16
Geotecnia e Fundações, Arquitectura
Exemplo de aplicação
Calcule a massa de água e de sólidos que existe
em 250cm3 de um solo com teor em água w=12%
e peso volúmico húmido de 17,2kN/m3.
Resposta:
Mw=0,000516kN=51,6g
Ms=0,0043kN=430g
(aceleração da gravidade g~10m/s2)
17