Edificacoes mecanica dos solos, Notas de estudo de Administração Empresarial

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Escola Estadual de

Educação Profissional - EEEP

Ensino Médio Integrado à Educação Profissional

Curso Técnico em Edificações

MECÂNICA DOS SOLOS

1 INTRODUÇÃO

A mecânica dos solos é a aplicação das leis da mecânica e da Hidráulica aos problemas de Engenharia relacionados com sedimentos e outros depósitos não consolidados de partículas sólidas produzidas pela desintegração mecânica ou química das rochas, prescindindo ou não elementos constituídos por substâncias orgânicas. Os problemas que se apresentam no projeto e execução das fundações e obras de terra distinguem- se em dois tipos fundamentais: os que se referem à deformação do solo e os que consideram a ruptura de uma massa de solo. O primeiro abrange o estudo dos recalques das obras, o segundo envolve as questões relativas à capacidade de carga do solo, estabilidade do maciço terroso e empuxos de terra. Todas essas questões são resolvidas a partir do conhecimento das propriedades físicas e identificação do solo onde se vai construir.

1.1 EMPREGO DO SOLO NA CONSTRUÇÃO CIVIL

 Solo como material de construção: Aterros, Barragens de Terra, Base e Sub-base de Pavimentos, etc.  Solo como suporte de fundação: Valas, Sapatas, Blocos, Estacas, Tubulões, Subleito, etc.

2 ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS

Os solos são materiais que resultam da deterioração da rocha através de um processo denominado intemperismo, ou seja, a ação do tempo. Os solos são resultantes da decomposição das rochas, mas não quer dizer que seja constituído somente de elementos minerais. Nele encontramos água, ar e organismos vegetais e animais que fornecem a matéria orgânica.

2.1 Rocha

Agregado de um ou mais minerais, que é impossível de escavar manualmente, e que necessita de explosivo para o seu desmonte.

2.2 INTEMPERISMO

É o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos que ocasionam a desintegração e decomposição das rochas e dos minerais, formando solos.

2.2.1 Intemperismo Físico (ou Mecânico)

É o processo de decomposição da rocha sem alteração química dos seus componentes. Os principais são:

 Variação de Temperatura;  Congelamento de Água;  Alívio de Pressões.

 Geleiras (Solos Glaciais);  Gravidade (Solos Coluvionares).

2.4.2.1 Solos Eólicos

Transporte pelo vento. Devido ao atrito os grãos dos solos transportados possuem forma arredondada. A ação do vento se restringe ao caso das areias e dos siltes. Um exemplo de solo eólico são os solos de dunas.

2.4.2.2 Solos Aluvionares

O agente de transporte é a água. A sua textura depende da velocidade de transporte da água. CARACTERISTICAS:  Grãos de diversos tamanhos;  Mais grossos que os eólicos;  Sem coesão.

2.4.2.3 Solos Glaciais

Formados pela ação das geleiras.

2.4.2.4 Solos Coluvionares

Formados pela ação da gravidade. Grande variedade de tamanhos. Dentre os solos podemos destacar o TALUS, que é solo formado pelo deslizamento de solo do topo das encostas.

2.4.3 Solos Orgânicos

São solos de origem essencialmente orgânica, seja de natureza vegetal (plantas e raízes), seja de animal (conchas). Possuem uma quantidade mínima de 10% de húmus (material resultante da decomposição dos restos de animais e vegetais). Possuem cor escura e cheiro forte. Podemos citar como exemplo as TURFAS, que são solos que incorporam florestas soterradas em estado avançado de decomposição. Não se aplicam as teorias da Mecânica dos Solos.

3 TEXTURA E ESTRUTURA DOS SOLOS

3.1 TAMANHO E FORMA DAS PARTÍCULAS

A textura de um solo é o tamanho relativo e a distribuição das partículas sólidas que o formam. O estudo da textura dos solos é realizado por intermédio o ensaio de granulometria. Pela sua textura os solos podem ser classificados em solos grossos e solos finos.

3.1.1 Solos Grossos Solos com Φ ≥ 0,007 mm e suas partículas tem forma arredondada poliédrica e angulosa. Os solos grossos são os PEDREGULHOS e as AREIAS. 3.1.2 Solos Finos Solos Φ ≥ 0,007 mm. Os solos finos são os SILTES e as ARGILAS.

A fração granulométrica classificada como ARGILA possui diâmetro inferior a 0,005 mm e se caracteriza pela sua plasticidade marcante e elevada resistência

3.2 TERMINOLOGIA DOS SOLOS

A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) normalizou a terminologia dos solos para manter uma só denominação no país, evitando assim, os nomes de caráter regional. Então temos:  Bloco de rocha: Pedaço de rocha com diâmetro médio superior a 1 metro.  Matação: Pedaço de rocha com diâmetro médio superior a 25 cm e inferior a 1 metro.  Pedra: Pedaço de rocha com diâmetro médio entre 7,6 cm e 25 cm.  Pedregulhos: Cristais grandes ou fragmentos de rocha que resistem à decomposição, cuja maioria tem diâmetro compreendido entre 76 mm e 4,8 mm.  Areias: Grãos minerais (grãos de quartzo), cuja maioria tem diâmetro compreendido entre 4, mm e 0,05 mm. Subdividem-se em: AREIAS GROSSAS: Grãos com diâmetros compreendidos entre 4,8 mm e 0,84 mm. AREIAS MÉDIAS: Grãos com diâmetros compreendidos entre 0,84 mm e 0,25 mm. AREIAS FINAS: Grãos com diâmetros compreendidos entre 0,25 mm e 0,05 mm.  Siltes: Sílica coloidal ou cristais grandes de argila ou impurezas, cuja maioria dos seus grãos tem diâmetro entre 0,05 mm e 0,005 mm, possuindo apenas a coesão necessária para formar, quando secos, torrões facilmente desagregáveis por pressão dos dedos.  Argilas: Cristais de argila mineral com diâmetro abaixo de 0,005 mm. As argilas apresentam características bem marcantes de plasticidade, pois, quando suficientemente úmidas, moldam- se facilmente em diferentes formas e quando secas, apresentam coesão bastante para constituir torrões dificilmente desagregáveis por pressão dos dedos.  Solos mistos: São aqueles compostos de mais de um tipo de solo. Estes solos são designados primeiramente pelo nome do solo cuja características e propriedades sejam predominantes, seguidos dos adjetivos correspondentes aos nomes dos outros tipos de solos que completam o solo misto. Exemplo: areia siltosa indica um solo que é predominantemente arenoso, mas contem certa quantidade de silte; argila arenosa é um solo que apresenta as propriedades da argila, mas contem uma quantidade apreciável de areia.

TERMINOLOGIA LIMITES (ABNT)

Bloco de rocha Acima de 1 m Matação De 25 cm a 1 m Pedra

Rocha De 7,6 cm a 25 cm Pedregulho De 4,8 mm a 76 mm Areia Grossa De 0,84 mm a 4,8 mm Areia Média De 0,25 mm a 0,84 mm Areia Fina De 0,05 mm a 0,25 mm Silte De 0,005 mm a 0,05 mm Argila

Solo

Inferior a 0,005 mm Tabela 1 – Classificação dos Solos segundo a ABNT

5.2 COMPONENTES DO SOLO

Uma partícula sólida completa (apresenta-se com todos os seus componentes) pode ser representada conforme abaixo:

VOLUMES PESOS

---

VAR PAR

---

VV VA PA

VT _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ P (^) T

VS PS

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Significado da simbologia:

PS = Peso da parte seca ou da parte sólida ou do solo seco PA = Peso da parte líquida ou peso da água PAR = Peso do ar, que é considerado nulo, ou seja, igual a zero PT = Peso do solo úmido ou natural ou peso total VS =Volume da parte seca ou da parte sólida ou do solo seco VA = Volume da parte liquida ou volume da água VAR = Volume do ar VV = Volume de vazios. É todo volume não sólido, isto é, água e ar VT = Volume total

5.3 RELAÇÕES FUNDAMENTAIS

Mas P (^) AR = 0 logo:

_ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _ _ _

---

---

---

AR

SOLO

SECO

ÁGUA

PT = PS + PA + PAR

PT = PS + PA

VT = V S + V A + VAR VV = V A + VAR VT = V S + V V

5.4 PESO ESPECÍFICO DO SOLO

Quando estamos calculando peso específico dos solos, devemos considerar dois tipos. Um chamado de aparente e outro chamado de real. O primeiro leva em conta na sua obtenção as partes sólidas e não sólidas. Enquanto que o real leva em conta apenas a parte sólida propriamente dita. O aparente ainda pode ser úmido ou seco. Um peso específico é sempre a relação entre um peso e um volume e o representamos pela letra grega gama (γ). As unidades mais freqüentes são g/cm^3 , Kg/dm^3 e Kg/m^3.

5.5 PESO ESPECÍFICO APARENTE DO SOLO ÚMIDO (γh )

É a razão existente entre o peso do solo úmido ou peso total (PT) e o volume total (VT).

5.6 PESO ESPECÍFICO APARENTE DO SOLO SECO (γS )

É a razão existente entre o peso do solo seco (PS) e o volume total (VT ).

5.7 PESO ESPECÍFICO REAL OU DOS GRÃOS (γS )

É a razão existente entre o peso do solo seco (PS) e o volume do solo seco (VS ).

5.8 TEOR DE UMIDADE (h)

É a razão, dada em porcentagem, entre o peso ou quantidade de água existente numa amostra de solo úmido (PA) e o peso desta amostra depois de seca (PS ).

Podemos determinar o teor de umidade de um solo qualquer através de três modos distintos: método de álcool , método de estufa e método de Speedy. O que vai nos dizer se um solo está mais úmido e comparação com outro tipo de solo na é a quantidade de água contida em cada um deles e sim aquele que possuir o maior teor de umidade. É importante ressaltar que o peso específico da água é igual à 1 g/cm^3 ou 1 kg /m^3.

γh = PT Vt

γS = PS Vt

γG = PS VS

h = PA (^) x 100 PS

Dizemos que um solo está saturado se a água ocupa todos os vazios existentes, ou seja, VA = V (^) V. Com isso, S = 100%

5.12 GRAU DE AERAÇÃO (A)

É a razão, dada em porcentagem, entre o volume do ar (VAR ) e o volume de vazios (VV).

Pode-se facilmente demonstrar que:

ou

5.13 PESO ESPECÍFICO DA ÁGUA (γa)

O peso específico da água é a relação entre o peso da água (PA) e o volume da água (VA).

Mas sabemos que γa = 1 g/cm^3

O que nos indica que numericamente PA = VA, ou seja, 50 g de água ocupa um volume de 50 cm^3 , 100 g de água ocupa um volume de 100 cm^3 , etc.

5.14 DENSIDADE RELATIVA (δ)

É a razão entre o peso especifico real(γG) e o peso especifico da água (γa).

Como γA = 1g/cm^3 , temos δ e γG são expressos pelo mesmo número, sendo que δ é adimensional e γG tem dimensão. Por exemplo, a densidade relativa do quartzo é 2,67 e o seu peso especifico real é 2, g/cm^3. O valor de δ depende do constituinte mineralógico da partícula. Para a maioria dos solos seu valor varia de 2,65 a 2,85.

A = VAR x 100 VA

A = 100 - S em porcentagem

A = 1 - S

γa = PA VA

δ = γG γA

5.15 RELAÇÃO ENTRE OS PESOS ESPECIFICOS APARENTE ÚMIDO E SECO

Por definição temos que:

γS = PS VT Dividindo por PT ambos os termos da fração e notando que PT = PS + PA , tem-se:

PS γS = PS + PA VT PT Chegaremos a seguinte expressão:

5.16 OUTRAS EXPRESSÕES:

6 DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DOS SOLOS

Conforme já foi dito, podemos determinar de um solo qualquer através de três modos: método da estufa, método speedy e método do álcool.

6.1 MÉTODO DA ESTUFA Neste método faz-se a secagem do solo em estufa convencional com temperaturas variando de 105 a 110ºC durante um período de 12 a 24 horas.

a) Procedimentos:  Pesamos a cápsula de alumínio vazia (Pcáp.)  Pesamos a amostra de solo úmido + cápsula (PBU – peso bruto úmido)  Colocamos a amostra para secar na estufa  Pesamos a amostra de solo seco + cápsula (PBS – peso bruto seco)

b) Cálculos:

Cápsula Solo Úmido Solo Seco Vazia + Cápsula + Cápsula

Estufa

Pcap. PBU PBS

 Peso da água (PA): P (^) A = PBU – PBS

γs = γh 1 + h

ε = γG – γS VS

S = h. δ ε

1 - 1 γS(corte) - γS(solto) γS(solto) γS(corte) x 100 γS(solto) -γS(corte) x 100 E = 1 E = 1 γS(corte) γS(corte)

E = γS(solto) - γS(corte) xγS(corte) x 100 γS(solto)

Define-se o fator de conversão (FC) como sendo:

ou

Substituindo na equação (2) obtemos:

O fator de conversão é um número adimensional menor que 1, que multiplicado pelo volume solto resulta no volume de corte, ou que multiplicado pelo peso especifico aparente seco de corte resulta no peso especifico aparente seco solto.

E = γScorte - γSsolto x 100 γSsolto

FC = Vcorte Vsolto

γS (solto) FC = γS (corte)

E = 1 – FC x 100 FC

8 PLASTICIDADE E CONSISTÊNCIA DOS SOLOS

A plasticidade é normalmente definida como uma propriedade dos solos, que considera na maior ou menor capacidade de serem eles moldados, sob certas condições de umidade, sem variação de volume. Trata-se de uma das mais importantes propriedades das argilas. Para a caracterização de um solo, não é suficiente conhecermos apenas a forma e o diâmetro de seus grãos. Devemos considerar os estados de consistência ou estados físicos dos solos. Os estados físicos ou de consistência são:

8.1 LIMITES DE CONSISTÊNCIA

Os limites de físicos ou de consistência são determinados nos pontos de transição de um estado físico para outro. Dessa forma temos:

h % decrescendo

LL LP LC

Estado Estado Estado Estado Líquido Plástico Semi-sólido Sólido

LL Limite de Liquidez É o teor de umidade que separa o solo no estado líquido para o estado plástico. LP Limite de Plasticidade É o teor de umidade que separa o solo no estado plástico para o estado semi-sólido. LC Limite de Contração É o teor de umidade que separa o solo no estado semi-sólido para o estado sólido.

ESTADO LÍQUIDO

 Umidade muito elevada  Apresenta-se como fluído denso  Escorre com facilidade  Não pode ser moldado

ESTADO PLASTICO

 Umidade elevada  Perde a propriedade de fluir (escorrer)  Pode ser moldado conservado a forma dada sem se romper

ESTADO SEMI-SÓLIDO

 Pouca umidade  Não pode ser moldado ou manuseado, pois se rompe facilmente.  Solo se contrai muito (perde volume) ao secar rapidamente

ESTADO SÓLIDO

 Umidade próxima de zero  Solo não mais se contrai ao secar

8.6 ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA

A consistência de um solo no seu estado natural, com teor de umidade h, é expressa numericamente pela relação:

Este é o chamado índice de consistência (IC).

9 PROPRIEDADES DAS PARTÍCULAS SÓLIDAS

9.1 NATUREZA DAS PARTÍCULAS

O solo é constituído de grãos minerais, podendo ainda, conter matéria orgânica. No solo, as frações grossas são silicosas, enquanto que as finas são argilosas. Os solos que contém matéria orgânica podem ser identificados visualmente. A coloração dos solos varia do cinza escuro ao claro e do marrom escuro ao claro. Um solo que contém matéria orgânica tem seu peso reduzido observado que seus valores geralmente estão próximos de 2,65.

9.2 PESO ESPECÍFICO DAS PARTÍCULAS

O peso especifico das partículas é, por definição

Donde: Ps – peso das partículas sólidas Vs – volume das partículas sólidas γg = Ps Vs

9.3 DENSIDADE RELATIVA DAS PARTÍCULAS DO SOLO

É definida como a relação entre o peso específico das partículas e o peso específico da água a 4° C. Tem-se então:

δ = γg γc O peso específico da água a 4° C é δ = -1 g/cm^3.

9.4 DENSIDADE REAL DO SOLO NO LABORATÓRIO

A densidade real do solo é obtida no laboratório pelo método do PICNÔMETRO. O fundamento teórico é ilustrado na fig. 2.1.

IC = LL – h IP

h’ Va

Pa

ÁGUA h P (^1)

SOLO Ps

A Fig. 2.1a ilustrar uma proveta com água até a altura h e de peso Pa. A Fig. 2.1b ilustra a mesma proveta com água, porém com solo de peso Ps; o peso do conjunto é (Pa Ps). O volume de água deslocada pelo solo é V’a e a altura da coluna é (h h’). A Fig. 2.1c ilustra a mesma proveta, na qual adiciona-se; solo com o mesmo peso, Ps, e completa- se com água até a altura h. O peso total do conjunto é P1. Pela Fig.2,1b, tem-se:

γg = Ps (A) Porque V (^) a = V V’ (^) a

Também V’a = Pa (B) γat

Em que γat é o peso específico da água à temperatura TºC. Da (B), tem-se:

γg = Ps (C) γg = Ps γ.a.T (D) P’ (^) a P’ (^) a γaT

Conforme na fig. 2.1.b e 2.1.c

P’a = Pa + P 5 – P 1 (E)

Inserindo-se a expressão (E) na (D), tem-se:

γg = P 5 γaT (F) Pa + P 5 – P 1

Por definição:

δ = γg E δaT = γaT γg = δ γa E γaT = γa δaT

γa γa