Estudos Dos Solos

Módulo 2 MECÂNICA DOS SOLOS Professor Dr. Marcelo Ribeiro Barison Cópia parcial da Apostila de MECÂNICA DOS SOLOS 1: CONCEITOS INTRODUTÓRIOS Da UFBA, Depto Eng. Civil Autores: Sandro Lemos Machado e Miriam de Fátima C. Machado

Introdução à Energia, Regulação e Mercado

2 SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO AO CURSO

1.1 Importância do estudo dos solos 1.2 A mecânica dos solos, a geotecnia e disciplinas relacionadas 1.3 Aplicações de campo da mecânica dos solos 1.4 Desenvolvimento do curso 2. ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS 2.1 Conceituação de solo e de rocha 2.2 Intemperismo 2.3 Ciclo rocha - solo 2.4 Classificação do solo quanto a origem e formação 3. TEXTURA E ESTRUTURA DOS SOLOS 3.1 Tamanho e forma das partículas 3.2 Identificação táctil visual dos solos 3.3 Análise granulométrica. 3.4 Designação segundo NBR 6502 3.5 Estrutura dos solos 3.6 Composição química e mineralógica 4. FASES SÓLIDA - ÁGUA - AR 4.1 Fase sólida 4.2 Fase gasosa 4.3 Fase líqüida 5. LIMITES DE CONSISTÊNCIA 5.1 Noções básicas 5.2 Estados de consistência 5.3 Determinação dos limites de consistência 5.4 Índices de consistência 5.5 Alguns conceitos importantes 6. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS 6.1 Classificação segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS) 6.2 Classificação segundo a AASHTO 7. ÍNDICES FÍSICOS 7.1 Introdução 7.2 Relações entre volumes 7.3 Relação entre pesos e volumes - pesos específicos ou entre massas e volumes massa específica 7.4 Diagrama de fases 7.5 Utilização do diagrama de fases para a determinação das relações entre os diversos índices físicos 7.6 Densidade relativa 7.7 Ensaios necessários para determinação dos índices físicos 7.8 Valores típicos 8. COMPACTAÇÃO 8.1 Introdução 8.2 O emprego da compactação 8.3 Diferenças entre compactação e adensamento 8.4 Ensaio de compactação 8.5 Curva de compactação 8.6 Energia de compactação 8.7 Influência da compactação na estrutura dos solos 8.8 Influência do tipo de solo na curva de compactação Curso de especialização em PCHs

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8.9 Escolha do valor de umidade para compactação em campo 8.10 Equipamentos de campo 8.11 Controle da compactação 9. INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO 9.1 Introdução 9.2 Métodos de prospecção geotécnica 10. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA PRÁTICAS LABORATORIAIS DE MECÂNICA DOS SOLOS

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1. INTRODUÇÃO AO CURSO

1.1.

Importância do estudo dos solos

Quase todas as obras de engenharia têm, de alguma forma, de transmitir as cargas sobre elas impostas ao solo. Mesmo as embarcações, ainda durante o seu período de construção, transmitem ao solo as cargas devidas ao seu peso próprio. Além disto, em algumas obras, o solo é utilizado como o próprio material de construção, assim como o concreto e o aço são utilizados na construção de pontes e edifícios. São exemplos de obras que utilizam o solo como material de construção os aterros rodoviários, as bases para pavimentos de aeroportos e as barragens de terra, estas últimas podendo ser citadas como pertencentes a uma categoria de obra de engenharia a qual é capaz de concentrar, em um só local, uma enorme quantidade de recursos, exigindo para a sua boa construção

uma

gigantesca

equipe

de

trabalho,

calcada

principalmente

na

interdisciplinariedade de seus componentes. O estudo do comportamento do solo frente às solicitações a ele impostas por estas obras é portanto de fundamental importância. Pode-se dizer que, de todas as obras de engenharia, aquelas relacionadas ao ramo do conhecimento humano definido como geotecnia (do qual a mecânica do solos faz parte), são responsáveis pela maior parte dos prejuízos causados à humanidade, sejam eles de natureza econômica ou mesmo a perda de vidas humanas. No Brasil, por exemplo, devido ao seu clima tropical e ao crescimento desordenado das metrópoles, um sem número de eventos como os deslizamentos de encostas ocorrem, provocando enormes prejuízos e ceifando a vida de centenas de pessoas a cada ano. Vê-se daqui a grande importância do engenheiro geotécnico no acompanhamento destas obras de engenharia, evitando por vezes a ocorrência de desastres catastróficos.

1.2.

A mecânica dos solos, a geotecnia e disciplinas relacionadas

Por ser o solo um material natural, cujo processo de formação não depende de forma direta da intervenção humana, o seu estudo e o entendimento de seu comportamento depende de uma série de conceitos desenvolvidos em ramos afins de conhecimento. A mecânica dos solos é o estudo do comportamento de engenharia do solo quando este é usado ou como material de construção ou como material de fundação. Ela é uma disciplina relativamente jovem da engenharia civil, somente sistematizada e aceita como ciência em 1925, após trabalho publicado por Terzaghi (Terzaghi, 1925), que é conhecido, Curso de especialização em PCHs

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com todos os méritos, como o pai da mecânica dos solos. Um entendimento dos princípios da mecânica dos sólidos é essencial para o estudo da mecânica dos solos. O conhecimento e aplicação de princípios de outras matérias básicas como física e química são também úteis no entendimento desta disciplina. Por ser um material de origem natural, o processo de formação do solo, o qual é estudado pela geologia, irá influenciar em muito no seu comportamento. O solo, como veremos adiante, é um material trifásico, composto basicamente de ar, água e partículas sólidas. A parte fluida do solo (ar e água) pode se apresentar em repouso ou pode se movimentar pelos seus vazios mediante a existência de determinadas forças. O movimento da fase fluida do solo é estudado com base em conceitos desenvolvidos pela mecânica dos fluidos. Pode-se citar ainda algumas disciplinas, como a física dos solos, ministrada em cursos de agronomia, como de grande importância no estudo de uma mecânica dos solos mais avançada, denominada de mecânica dos solos não saturados. Além disto, o estudo e o desenvolvimento da mecânica dos solos são fortemente amparados em bases experimentais, a partir de ensaios de campo e laboratório. A aplicação dos princípios da mecânica dos solos para o projeto e construção de fundações é denominada de "engenharia de fundações". A engenharia geotécnica (ou geotecnia) pode ser considerada como a junção da mecânica dos solos, da engenharia de geotecnia ambiental, que trata de problemas como transporte de contaminantes pelo solo, avaliação de locais impactados, proposição de medidas de remediação para áreas impactadas, projetos de sistemas de proteção em aterros sanitários, etc.

1.3.

Aplicações de campo da mecânica dos solos

Fundações: As cargas de qualquer estrutura têm de ser, em última instância, descarregadas no solo através de sua fundação. Assim a fundação é uma parte essencial de qualquer estrutura. Seu tipo e detalhes de sua construção podem ser decididos somente com o conhecimento e aplicação de princípios da mecânica dos solos. Obras subterrâneas e estruturas de contenção: Obras subterrâneas como estruturas de drenagem, dutos, túneis e as obras de contenção como os muros de arrimo, cortinas atirantadas somente podem ser projetadas e construídas usando os princípios da mecânica dos solos e o conceito de "interação solo-estrutura". Projeto de pavimentos: o projeto de pavimentos pode consistir de pavimentos flexíveis ou rígidos. Pavimentos flexíveis dependem mais do solo subjacente para transmissão das Curso de especialização em PCHs

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cargas geradas pelo tráfego. Problemas peculiares no projeto de pavimentos flexíveis são o efeito de carregamentos repetitivos e problemas devidos às expansões e contrações do solo por variações em seu teor de umidade. Escavações, aterros e barragens: A execução de escavações no solo requer freqüentemente o cálculo da estabilidade dos taludes resultantes. Escavações profundas podem necessitar de escoramentos provisórios, cujos projetos devem ser feitos com base na mecânica dos solos. Para a construção de aterros e de barragens de terra, onde o solo é empregado como material de construção e fundação, necessita-se de um conhecimento completo do comportamento de engenharia dos solos, especialmente na presença de água. O conhecimento da estabilidade de taludes, dos efeitos do fluxo de água através do solo, do processo de adensamento e dos recalques a ele associados, assim como do processo de compactação empregado é essencial para o projeto e construção eficientes de aterros e barragens de terra. Transporte de massa: Os conceitos obtidos do estudo do fluxo de água em solos podem ser estendidos para a análise do transporte de poluentes miscíveis ou não miscíveis em subsuperfície. A mecânica dos solos é uma das importantes ferramentas na realização de atividades de diagnóstico, prognóstico e proposição de medidas corretivas para problemas ambientais, no que mais recentemente se convencionou chamar de geotecnia ambiental.

1.4.

Desenvolvimento do curso

Este curso de mecânica dos solos pode ter sua parte teórica dividida em duas partes: uma parte envolvendo os tópicos origem e formação dos solos, textura e estrutura dos solos, análise granulométrica, estudo das fases ar-água-partículas sólidas, limites de consistência, índices físicos e classificação dos solos, onde uma primeira aproximação é feita com o tema solos e uma segunda parte, envolvendo os tópicos tensões geostáticas e induzidas, compactação, permeabilidade dos solos, compressibilidade dos solos, resistência ao cisalhamento, estabilidade de taludes e empuxos de terra e estruturas de contenção, onde um tratamento mais fundamentado na ótica da engenharia civil é dado aos solos.


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2. ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS

2.1.

Conceituação de solo e de rocha

Quando mencionamos a palavra solo já nos vem a mente uma idéia intuitiva do que se trata. No linguajar popular a palavra solo está intimamente relacionada com a palavra terra, a qual poderia ser definida como material solto, natural da crosta terrestre onde habitamos, utilizado como material de construção e de fundação das obras do homem. Uma definição precisa e teoricamente sustentada do significado da palavra solo é contudo bastante difícil, de modo que o termo solo adquire diferentes conotações a depender do ramo do conhecimento humano que o emprega. Para a agronomia, o termo solo significa o material relativamente fofo da crosta terrestre, consistindo de rochas decompostas e matéria orgânica, o qual é capaz de sustentar a vida. Desta forma, os horizontes de solo para agricultura possuem em geral pequena espessura. Para a geologia, o termo solo significa o material inorgânico não consolidado proveniente da decomposição das rochas, o qual não foi transportado do seu local de formação. Na engenharia, é conveniente definir como rocha aquilo que é impossível escavar manualmente, que necessite de explosivo para seu desmonte. Chamamos de solo, em engenharia, a rocha já decomposta ao ponto granular e passível de ser escavada apenas com o auxílio de pás e picaretas ou escavadeiras. A crosta terrestre é composta de vários tipos de elementos que se interligam e formam minerais. Esses minerais poderão estar agregados como rochas ou solo. Todo solo tem origem na desintegração e decomposição das rochas pela ação de agentes intempéricos ou antrópicos. As partículas resultantes deste processo de intemperismo irão depender fundamentalmente da composição da rocha matriz e do clima da região. Por ser o produto da decomposição das rochas, o solo invariavelmente apresenta um maior índice de vazios do que a rocha mãe, vazios estes ocupados por ar, água ou outro fluido de natureza diversa. Devido ao seu pequeno índice de vazios e as fortes ligações existentes entre os minerais, as rochas são coesas, enquanto que os solos são granulares. Os grãos de solo podem ainda estar impregnados de matéria orgânica. Desta forma, podemos dizer que para a engenharia, solo é um material granular composto de rocha decomposta, água, ar (ou outro fluido) e eventualmente matéria orgânica, que pode ser escavado sem o auxílio de explosivos. Curso de especialização em PCHs

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2.2.

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Intemperismo

Intemperismo é o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos pelos quais a rocha se decompõe para formar o solo. Por questões didáticas, o processo de intemperismo é freqüentemente dividido em três categorias: intemperismo físico químico e biológico. Deve se ressaltar contudo, que na natureza todos estes processos tendem a acontecer ao mesmo tempo, de modo que um tipo de intemperismo auxilia o outro no processo de transformação rocha-solo. Os processos de intemperismo físico reduzem o tamanho das partículas, aumentando sua área de superfície e facilitando o trabalho do intemperismo químico. Já os processos químicos e biológicos podem causar a completa alteração física da rocha e alterar suas propriedades químicas.

2.2.1. Intemperismo físico É o processo de decomposição da rocha sem a alteração química dos seus componentes. Os principais agentes do intemperismo físico são citados a seguir: Variações de Temperatura - Da física sabemos que todo material varia de volume em função de variações na sua temperatura. Estas variações de temperatura ocorrem entre o dia e a noite e durante o ano, e sua intensidade será função do clima local. Acontece que uma rocha é geralmente formada de diferentes tipos de minerais, cada qual possuindo uma constante de dilatação térmica diferente, o que faz a rocha deformar de maneira desigual em seu interior, provocando o aparecimento de tensões internas que tendem a fraturá-la. Mesmo rochas com uma uniformidade de componentes não têm uma arrumação que permita uma expansão uniforme, pois grãos compridos deformam mais na direção de sua maior dimensão, tendendo a gerar tensões internas e auxiliar no seu processo de desagregação. Repuxo coloidal - O repuxo coloidal é caracterizado pela retração da argila devido à sua diminuição de umidade, o que em contato com a rocha pode gerar tensões capazes de fraturá-la. Ciclos gelo/degelo- As fraturas existentes nas rochas podem se encontrar parcialmente ou totalmente preenchidas com água. Esta água, em função das condições locais, pode vir a congelar, expandindo-se e exercendo esforços no sentido de abrir ainda mais as fraturas preexistentes na rocha, auxiliando no processo de intemperismo (a água aumenta em cerca de 8% o seu volume devido à nova arrumação das suas moléculas durante a Curso de especialização em PCHs

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cristalização). Vale ressaltar também que a água transporta substâncias ativas quimicamente, incluindo sais que ao reagirem com ácidos provocam cristalização com aumento de volume. Alívio de pressões - Alívio de pressões irá ocorrer em um maciço rochoso sempre que da retirada de material sobre ou ao lado do maciço, provocando a sua expansão, o que por sua vez, irá contribuir no fraturamento, estricções e formação de juntas na rocha. Estes processos, isolados ou combinados (caso mais comum) "fraturam" as rochas continuamente, o que permite a entrada de agentes químicos e biológicos, cujos efeitos aumentam a fraturação e tende a reduzir a rocha a blocos cada vez menores.

2.2.2. Intemperismo químico É o processo de decomposição da rocha com a alteração química dos seus componentes. Há várias formas através das quais as rochas decompõem-se quimicamente. Pode-se dizer, contudo, que praticamente todo processo de intemperismo químico depende da presença da água. Entre os processos de intemperismo químico destacam-se os seguintes: Hidrólise - Dentre os processos de decomposição química do intemperismo, a hidrólise é a que se reveste de maior importância, porque é o mecanismo que leva a destruição dos silicatos, que são os compostos químicos mais importantes da litosfera. Em resumo, os minerais na presença dos íons H+ liberados pela água são atacados, reagindo com os mesmos. O H+ penetra nas estruturas cristalinas dos minerais desalojando os seus íons originais (Ca++, K+, Na+, etc.) causando um desequilíbrio na estrutura cristalina do mineral e levando-o a destruição. Hidratação - Como a própria palavra indica, é a entrada de moléculas de água na estrutura dos minerais. Alguns minerais quando hidratados (feldspatos, por exemplo) sofrem expansão, levando ao fraturamento da rocha. Carbonatação - O ácido carbônico é o responsável por este tipo de intemperismo. O intemperismo por carbonatação é mais acentuado em rochas calcárias por causa da diferença de solubilidade entre o CaCO3 e o bicarbonato de cálcio formado durante a reação. Os diferentes minerais constituintes das rochas originarão solos com características diversas, de acordo com a resistência que estes tenham ao intemperismo local. Há, inclusive, minerais que têm uma estabilidade química e física tal que normalmente não Curso de especialização em PCHs

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são decompostos. O quartzo, por exemplo, por possuir uma enorme estabilidade física e química é parte predominante dos solos grossos, como as areias e os pedregulhos. 2.2.3. Intemperismo biológico Neste caso, a decomposição da rocha se dá graças a esforços mecânicos produzidos por vegetais através das raízes, por animais através de escavações dos roedores, da atividade de minhocas ou pela ação do próprio homem, ou por uma combinação destes fatores, ou ainda pela liberação de substâncias agressivas quimicamente, intensificando assim o intemperismo químico, seja pela decomposição de seus corpos ou através de secreções, como é o caso dos ouriços do mar. Logo, os fatores biológicos de maior importância incluem a influência da vegetação no processo de fraturamento da rocha e o ciclo de meio ambiente entre solo e planta e entre animais e solo. Pode-se dizer que a maior parte do intemperismo biológico poderia ser classificado como uma categoria do intemperismo químico em que as reações químicas que ocorrem nas rochas são propiciadas por seres vivos.

2.2.4. Influência do intemperismo no tipo de solo O intemperismo químico possui um poder de desagregação da rocha muito maior do que o intemperismo físico. Deste modo, solos gerados em regiões onde há a predominância do intemperismo químico tendem a ser mais profundos e mais finos do que aqueles solos formados em locais onde há a predominância do intemperismo físico. Além disto, obviamente, os solos originados a partir de uma predominância do intemperismo físico apresentarão uma composição química semelhante à da rocha mãe, ao contrário daqueles solos formados em locais onde há predominância do intemperismo químico.

2.2.5. Influência do clima no tipo de intemperismo Conforme relatado anteriormente, a água é um fator fundamental no desenvolvimento do intemperismo químico da rocha. Deste modo, regiões com altos índices de pluviosidade e altos valores de umidade relativa do ar tendem a apresentar uma predominância de intemperismo do tipo químico, o contrário ocorrendo em regiões de clima seco.


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2.3.

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Ciclo rocha – solo

Como vimos, todo solo provem de uma rocha pré-existente, mas dada a riqueza da sua formação não é de se esperar do solo uma estagnação a partir de um certo ponto. Como em tudo na natureza, o solo continua suas transformações, podendo inclusive voltar a ser rocha. De forma simplificada, definiremos a seguir um esquema de transformações que vaido magma ao solo sedimentar e volta ao magma (fig. 2.1). No interior do Globo Terrestre, graças às elevadas pressões e temperaturas, os elementos químicos que compõe as rochas se encontram em estado líqüido, formando o magma (fig. 2.1 -6). A camada sólida da Terra pode romper-se em pontos localizados e deixar escapar o magma. Desta forma, haverá um resfriamento brusco do magma (fig. 2.1 linha 6-1), que se transformará em rochas ígneas, nas quais não haverá tempo suficiente para o desenvolvimento de estruturas cristalinas mais estáveis. O processo indicado pela linha 61 é denominado de extrusão vulcânica ou derrame e é responsável pela formação da rocha ígnea denominada de basalto. A depender do tempo de resfriamento, o basalto pode mesmo vir a apresentar uma estrutura vítrea. Quando o magma não chega à superfície terrestre, mas ascende a pontos mais próximos à superfície, com menor temperatura e pressão, ocorre um resfriamento mais lento (fig. 2.1 linha 6-7), o que permite a formação de estruturas cristalinas mais estáveis, e, portanto, de rochas mais resistentes, denominadas de intrusivas ou plutônicas (diabásio, gabro e granito). Denominam-se normalmente de batólitos os grandes blocos de rocha intrusiva formados em subsuperfície. Por ocasião da ocorrência de processos erosivos, esses blocos podem vir a aflorar, resultando em belas paisagens.


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Figura 2.1: Ciclo geológico de geração de rochas e solos.


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Podemos avaliar comparativamente as rochas vulcânicas e plutônicas pelo tamanho dos cristais, o que pode ser feito facilmente a olho nu ou com o auxílio de lupas. Cristais maiores indicam uma formação mais lenta, característica das rochas plutônicas, e viceversa. Uma vez exposta, (fig. 2.1-1), a rocha sofre a ação das intempéries e forma os solos residuais (fig. 2.1-2), os quais podem ser transportados e depositados sobre outro solo de qualquer espécie ou sobre uma rocha (fig. 2.1 linha 2-3), vindo a se tornar um solo sedimentar. A contínua deposição de solos faz aumentar a pressão e a temperatura nas camadas mais profundas, que terminam por ligarem seus grãos e formar as rochas sedimentares (fig. 2.1 linha 3-4), este processo chama-se litificação ou diagênese. As rochas sedimentares podem, da mesma maneira que as rochas ígneas, aflorarem à superfície e reiniciar o processo de formação de solo ( fig. 2.1 linha 4-1), ou de forma inversa, as deposições podem continuar e conseqüentemente prosseguir o aumento de pressão e temperatura, o que irá levar a rocha sedimentar a mudar suas características texturais e mineralógicas, a achatar os seus cristais de forma orientada transversalmente à pressão e a aumentar a ligação entre os cristais (fig. 2.1 linha 4-5). O material que surge daí tem características tão diversas da rocha original, que muda a sua designação e passa a se chamar rocha metamórfica. Naturalmente, a rocha metamórfica está sujeita a ser exposta (fig. 2.1 linha 5-1), decomposta e formar solo. Se persistir o aumento de pressão e temperatura graças à deposição de novas camadas de solo, a rocha fundirá e voltará à forma de magma (fig. 2.1 linha 5-6). Obviamente, todos esses processos. com exceção do vulcanismo e de alguns transportes mais rápidos, ocorrem numa escala de tempo geológica, isto é, de milhares ou milhões de anos. As rochas metamórficas podem se originar também da transformação de rochas ígneas por níveis de pressão e temperatura elevados. O Gnaisse, por exemplo, é muito encontrado no Rio de Janeiro (RJ). Este tipo de rocha que constitui o Corcovado e o Pão de Açúcar. A origem dessa rocha se dá da transformação granito. A fig. 2.2 ilustra o formato achatado dos grãos de Gnaisse do Arpoador, no Rio de Janeiro.


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Figura 2.2 – Achatamento e alinhamento dos grãos minerais provocados pelo processo de metamorfismo (http://www.meioambiente.pro.br/arpoador/rochas.html) Um dos exemplos mais impressionantes e belos do processo de formação de rochas ígneas é encontrado na ilha de Staffa, na Irlanda. Neste local, a ocorrência de um derrame de basalto foi impedido pela existência de uma espessa camada de calcário compacto. Desta forma, formou-se uma camada de basalto subjacente à camada de calcário, a qual teve tempo para se resfriar lentamente. Os processos de cristalização e resfriamento produziram a formação de belíssimas colunas hexagonais de basalto, algumas com mais de 10 metros de altura. Com os processos erosivos que ocorreram posteriormente, a camada de calcário diminuiu de espessura, revelando o caráter hexagonal das seções das colunas em alguns pontos. A fig. 2.2(a) ilustra as colunas de basalto expostas e a fig. 2.2(b) uma caverna formada pela intemperização do calcário superficial, cujo teto é sustentado pelas colunas de basalto nas laterais.


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Figura 2.3 – Colunas hexagonais de basalto expostas na ilha de Staffa, na Irlanda.

2.4.

Classificação do solo quanto a origem e formação

Há diferentes maneiras de se classificar os solos, como pela origem, pela sua evolução, pela presença ou não de matéria orgânica, pela estrutura, pelo preenchimento dos vazios, etc. Neste item apresentar-se-á uma classificação genética para os solos, ou seja, iremos classificá-los conforme o seu processo geológico de formação. Na classificação genética, os solos são divididos em dois grandes grupos, sedimentares e residuais, a depender da existência ou não de um agente de transporte na sua formação, respectivamente. Os principais agentes de transporte atuando na formação dos solos sedimentares são a água, o vento e a gravidade. Estes agentes de transporte influenciam fortemente nas propriedades dos solos sedimentares, a depender do seu grau de seletividade.

2.4.1. Solos residuais São solos que permanecem no local de decomposição da rocha. Para que eles ocorram é necessário que a velocidade de decomposição da rocha seja maior do que a velocidade de remoção do solo por agentes externos. A velocidade de decomposição depende de vários fatores, entre os quais a temperatura, o regime de chuvas e a vegetação. As condições existentes nas regiões tropicais são favoráveis a degradações mais rápidas da rocha, razão pela qual há uma predominância de solos residuais nestas regiões (centro sul do Brasil, por exemplo). Como a ação das intempéries se dá, em geral, de Curso de especialização em PCHs

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cima para baixo, as camadas superiores são, via de regra, mais trabalhadas que as inferiores. Este fato nos permite visualizar todo o processo evolutivo do solo, de modo que passamos de uma condição de rocha sã, para profundidades maiores, até uma condição de solo residual maduro, em superfície. A fig. 2.4 ilustra um perfil típico de solo residual. Conforme se pode observar da fig. 2.4, a rocha sã passa paulatinamente à rocha fraturada, depois ao saprolito, ao solo residual jovem e ao solo residual maduro. Em se tratando de solos residuais, é de grande interesse a identificação da rocha sã, pois ela condiciona, entre outras coisas, a própria composição química do solo. A rocha alterada caracteriza-se por uma matriz de rocha possuindo intrusões de solo, locais onde o intemperismo atuou de forma mais eficiente. O solo saprolítico ainda guarda características da rocha mãe e tem basicamente os mesmos minerais, porém a sua resistência já se encontra bastante reduzida. Este pode ser caracterizado como uma matriz de solo envolvendo grandes pedaços de rocha altamente alterada. Visualmente pode confundir-se com uma rocha alterada, mas apresenta relativamente a rocha pequena resistência ao cisalhamento. Nos horizontes saprolíticos é comum a ocorrência de grandes blocos de rocha denominados de matacões, responsáveis por muitos problemas quando do projeto de fundações.

Figura 2.4 - Perfil típico de solo residual.


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O solo residual jovem apresenta boa quantidade de material que pode ser classificado como pedregulho (# > 4,8 mm). Geralmente são bastante irregulares quanto a resistência mecânica, coloração, permeabilidade e compressibilidade, já que o processo de transformação não se dá em igual intensidade em todos os pontos, comumente existindo blocos da rocha no seu interior. Pode-se dizer também que nos horizontes de solo jovem e saprolítico as sondagens a percussão a serem realizadas devem ser revestidas de muito cuidado, haja vista que a presença de material pedregulhoso pode vir a danificar os amostradores utilizados, vindo a mascarar os resultados obtidos. Os solos maduros, mais próximos à superfície, são mais homogêneos e não apresentam semelhanças com a rocha original. De uma forma geral, há um aumento da resistência ao cisalhamento, da textura (granulometria) e da heterogeneidade do solo com a profundidade, razão esta pela qual a realização de ensaios de laboratório em amostras de solo residual jovem ou do horizonte saprolítico é bastante trabalhosa. No Recôncavo Baiano é comum a ocorrência de solos residuais oriundos de rochas sedimentares. Um perfil típico de solo do recôncavo Baiano é apresentado na fig. 2.5, sendo constituído de camadas sucessivas de argila e areia, coerente com o material que foi depositado no local. Merece uma atenção especial o solo formado pela decomposição da rocha sedimentar denominada de folhelho, muito comum no Recôncavo Baiano. Esta rocha, quando decomposta, produz uma argila conhecida popularmente como "massapê", que tem como mineral constituinte a montimorilonita, apresentando grande potencial de expansão na presença de água. As constantes mudanças de umidade a que o solo está submetido provocam variações de volume que geram sérios problemas nas construções (aterros ou edificações) assentes sobre estes solos. A fig. 2.6 apresenta fotos que ilustram alguns dos aspectos de um Folhelho/Massapê comumente encontrado em Pojuca, Região Metropolitana de Salvador. Na fig. 2.6(a) pode-se notar o aspecto extremamente fraturado do folhelho alterado enquanto na fig. 2.6(b) nota-se a existência de uma grande quantidade de trincas de tração originadas pela secagem do solo ao ser exposto à atmosfera.


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2.4.2. Solos sedimentares Os solos sedimentares ou transportados são aqueles que foram levados ao seu local atual por algum agente de transporte e lá depositados. As características dos solos sedimentares são função do agente de transporte. Cada agente de transporte seleciona os grãos que transporta com maior ou menor facilidade, além disto, durante o transporte, as partículas de solo se desgastam e/ou quebram. Resulta daí um tipo diferente de solo para cada tipo de transporte. Esta influência é tão marcante que a denominação dos solos sedimentares é feita em função do agente de transporte predominante. Pode-se listar os agentes de transporte, por ordem decrescente de seletividade, da seguinte forma: Ventos (Solos Eólicos) Águas (Solos Aluvionares) ♣ Água dos Oceanos e Mares (Solos Marinhos) ♣ Água dos Rios (Solos Fluviais) ♣ Água de Chuvas (Solos Pluviais) Curso de especialização em PCHs

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Geleiras (Solos Glaciais) Gravidade (Solos Coluvionares) Os agentes naturais citados acima não devem ser encarados apenas como agentes de transporte, pois eles têm uma participação ativa no intemperismo e portanto na formação do próprio solo, o que ocorre naturalmente antes do seu transporte.

2.4.2.1 Solos eólicos O transporte pelo vento dá origem aos depósitos eólicos de solo. Em virtude do atrito constante entre as partículas, os grãos de solo transportados pelo vento geralmente possuem forma arredondada. A capacidade do vento de transportar e erodir é muito maior do que possa parecer à primeira vista. Vários são os exemplos de construções e até cidades soterradas parcial ou totalmente pelo vento, como foram os casos de Itaúnas - ES e Tutóia - MA; os grãos mais finos do deserto do Saara atingem em grande escala a Inglaterra, percorrendo uma distância de mais de 3000km!. Como a capacidade de transporte do vento depende de sua velocidade, o solo é geralmente depositado em zonas de calmaria. O transporte eólico é o mais seletivo tipo de transporte das partículas do solo. Se por um lado grãos maiores e mais pesados não podem ser transportados, os solos finos, como as argilas, têm seus grãos unidos pela coesão, formando torrões dificilmente levados pelo vento. Esse efeito também ocorre em areias e siltes saturados (falsa coesão) o que faz da linha de lençol freático (definida por um valor de pressão da água intersticial igual a atmosférica) um limite para a atuação dos ventos. Pode-se dizer portanto que a ação do transporte do vento se restringe ao caso das areias finas ou silte. Por conta destas características, os solos eólicos possuem grãos de aproximadamente mesmo diâmetro, apresentando uma curva granulométrica denominada de uniforme. São exemplos de solos eólicos:

- As dunas As dunas são exemplos comuns de solos eólicos nordeste do Brasil). A formação de uma duna se dá inicialmente pela existência de um obstáculo ao caminho natural do vento, o que diminui a sua velocidade e resulta na deposição de partículas de solo (fig. 2.7) A deposição continuada de solo neste local acaba por gerar mais deposição de solo, já que o obstáculo ao caminho do vento se torna cada vez maior. Durante o período de existência da duna, partículas de areia são levadas até o seu topo, rolando então para o Curso de especialização em PCHs

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outro lado. Este movimento faz com que as dunas se desloquem a uma velocidade de poucos metros por ano, o que para os padrões geológico é muito rápido.

- Os solos Loéssicos Formado por deposições sobre vegetais que ao se decomporem deixam seu molde no maciço, o Loess é um solo bastante problemático para a engenharia, pois a despeito de uma capacidade de formar paredões de altura fora do comum e inicialmente suportar grandes esforços mecânicos, podem se romper completa e abruptamente devido ao umedecimento. O Loess, comum na Europa oriental, geralmente contem grandes quantidades de cal, responsável por sua grande resistência inicial. Quando umedecido, contudo, o cimento calcáreo existente no solo pode ser dissolvido e solo entra em colapso.

2.4.2.2. Solos aluvionares São solos resultantes do transporte pela água e sua textura depende da velocidade da água no momento da deposição, sendo freqüente a ocorrência de camadas de granulometrias distintas, devidas às diversas épocas de deposição. O transporte pela água é bastante semelhante ao transporte realizado pelo vento, porém algumas características importantes os distinguem: a) Viscosidade - por ser mais viscosa a água tem uma capacidade de transporte maior, transportando grãos de tamanhos diversos. b) Velocidade e Direção - ao contrário do vento que em um minuto pode soprar com forças e direções bastante diferenciadas, a água têm seu roteiro mais estável; Curso de especialização em PCHs

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suas variações de velocidade tem em geral um ciclo anual e as mudanças de direção estão condicionadas ao próprio processo de desmonte e desgaste do relevo. c) Dimensão das Partículas - os solos aluvionares fluviais são, via de regra, mais grossos que os eólicos, pois as partículas mais finas mantêm-se sempre em suspensão e só se sedimentam quando existe um processo químico que as flocule (isto é o que acontece no mar ou em alguns lagos). d) Eliminação da Coesão - vimos que o vento não pode transportar os solos argilosos devido a coesão entre os seus grãos. A presença de água em abundância diminui este efeito; com isso somam-se as argilas ao universo de partículas transportadas pela água.

- Solos pluviais A água das chuvas pode ser retida em vegetais ou construções, podendo se evaporar a partir daí. Ela pode se infiltrar no solo ou escoar sobre este e, neste caso, a vegetação rasteira funciona como elemento de fixação da parte superficial do solo ou como um tapete impermeabilizador (para as gramíneas), sendo um importante elemento de proteção contra a erosão. A água que se infiltra pode carrear grãos finos através dos poros existentes nos solos grossos, mas este transporte é raro e pouco volumoso, portanto de pouca relevância em relação à erosão superficial. De muito maior importância é o solo que as águas das chuvas levam ao escoar de pontos mais elevados no relevo aos vales. Os vales contém rios ou riachos que serão alimentados não só da água que escoa das escarpas, como também de matéria sólida.

- Solos fluviais Os rios durante sua existência têm várias fases. Em áreas de formação geológicas mais recentes, menos desgastadas, existem irregularidades topográficas muito grandes e por isso os rios têm uma inclinação maior e conseqüentemente uma maior velocidade. Existem vários fatores determinantes da capacidade de erosão e transporte dos rios, sendo a velocidade a mais importante. Assim, os rios mais jovens transportam mais matéria sólida do que os rios mais velhos. Sabe-se que os rios não possuem a mesma idade em toda a sua extensão; quanto mais distantes da nascente, menor a inclinação e a velocidade. As partículas de determinado tamanho passam a ter peso suficiente para se decantar e permanecer naquele ponto, outras menores só serão depositadas com velocidade também menor. O transporte fluvial pode ser descrito sumariamente da seguinte forma: Curso de especialização em PCHs

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a) Os rios desgastam o relevo em sua parte mais elevada e levam os solos para sua parte mais baixa, existindo com o tempo uma tendência a planificação do leito. Rios mais velhos têm portanto menor velocidade e transportam menos. b) Cada tamanho de grão será depositado em um determinado ponto do rio, correspondente a uma determinada velocidade, o que leva os solos fluviais a terem uma certa uniformidade granulométrica. Solos muito finos, como as argilas, permanecerão em suspensão até decantar em mares ou lagos com água em repouso. De um modo geral, pode-se dizer que os solos aluvionares apresentam um grau de uniformidade de tamanho de grãos intermediário entre os solos eólicos (mais uniformes) e coluvionares (menos uniformes).

- Solos marinhos As ondas atingem as praias com um pequeno ângulo em relação ao continente. Isso faz com que a areia, além do movimento de vai e vem das ondas, desloquem-se também ao longo da praia. Obras que impeçam esse fluxo tendem a ser pontos de deposição de areia, o que pode acarretar sérios problemas.

2.4.2.3. Solos glaciais De pequena importância para nós, os solos formados pelas geleiras, ao se deslocarem pela ação da gravidade, são comuns nas regiões temperadas. São formados de maneira análoga aos solos fluviais. A corrente de gelo que escorre de pontos elevados onde o gelo é formado para as zonas mais baixas, leva consigo partículas de solo e rocha, as quais, por sua vez, aumentam o desgaste do terreno. Os detritos são depositados nas áreas de degelo. Uma ampla gama de tamanho de partículas é transportada, levando assim a formação de solos bastante heterogêneos que possuem desde grandes blocos de rocha até materiais de granulometria fina.

2.4.2.4. Solos coluvionares São solos formados pela ação da gravidade. Os solos coluvionares são dentre os solos transportados os mais heterogêneos granulometricamente, pois a gravidade transporta indiscriminadamente desde grandes blocos de rocha até as partículas mais finas de argila. Curso de especialização em PCHs

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Entre os solos coluvionares estão os escorregamentos das escarpas da Serra do Mar formando os tálus nos pés do talude, massas de materiais muito diversas e sujeitas a movimentações de rastejo. Têm sido também classificados como coluviões os solos superficiais do Planalto Brasileiro depositados sobre solos residuais. - Tálus - Os tálus são solos coluvionares formados pelo deslizamento de solo do topo das encostas. No sul da Bahia existem solos formados pela deposição de colúvios em áreas mais baixas, os quais se apresentam geralmente com altos teores de umidade e são propícios à lavoura cacaueira. Encontram-se solos coluvionares (tálus) também na Cidade Baixa, em Salvador, ao pé da encosta paralela à falha geológica que atravessa a Baia de Todos os Santos. De extrema beleza são os tálus encontrados na Chapada Diamantina, Bahia. A fig. 2.8 lustra formações típicas da região. A parte mais inclinada dos morros corresponde à formação original, enquanto que a parte menos inclinada é composta basicamente de solo coluvionar (tálus).

Figura 2.8 - Exemplo de solos coluvionares (tálus) encontrados na chapada diamantina.

2.4.3. Solos orgânicos Formados pela impregnação do solo por sedimentos orgânicos preexistentes, em geral misturados a restos de vegetais e animais. Podem ser identificados pela cor escura e por possuir forte cheiro característico. Têm granulometria fina, pois os solos grossos tem uma permeabilidade que permite a "lavagem" dos grãos, eximindo-os da matéria impregnada. - Turfas - solos que incorporam florestas soterradas em estado avançado de decomposição. Têm estrutura fibrilar composta de restos de fibras vegetais e não se Curso de especialização em PCHs

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aplicam aí as teorias da Mecânica dos Solos, sendo necessários estudos especiais. Têm ocorrência registrada na Bahia, Sergipe, Rio Grande do Sul e outros estados do Brasil. 2.4.4. Solos de evolução pedogênica Alguns solos sofrem, em seu local de formação (ou de deposição) uma série de transformações físico-químicas que os levam a ser classificados como solos de evolução pedogênica. Os solos lateríticos são um tipo de solo de evolução pedogênica. O processo de laterização é típico de regiões onde há uma nítida separação entre períodos chuvosos e secos e é caracterizado pela lavagem da sílica coloidal dos horizontes superiores do solo, com posterior deposição desta em horizontes mais profundos, resultando em solos superficiais com altas concentrações de óxidos de ferro e alumínio. A importância do processo de laterização no comportamento dos solos tropicais é discutida no item classificação dos solos.

3. TEXTURA E ESTRUTURA DOS SOLOS

3.1.

Tamanho e Forma das Partículas

Entende-se por textura o tamanho relativo e a distribuição das partículas sólidas que formam os solos. O estudo da textura dos solos é realizado por intermédio do ensaio de granulometria, do qual falaremos adiante. Pela sua textura os solos podem ser classificados em dois grandes grupos: solos grossos (areia, pedregulho, matacão) e solos finos (silte e argila). Esta divisão é fundamental no entendimento do comportamento dos solos, pois a depender do tamanho predominante das suas partículas, as forças de campo influenciando em seu comportamento serão gravitacionais (solos grossos) ou elétricas (solos finos). De uma forma geral, pode-se dizer que quanto maior for a relação área/volume ou área/massa das partículas sólidas, maior será a predominância das forças elétricas ou de superfície. Estas relações são inversamente proporcionais ao tamanho das partículas, de modo que os solos finos apresentam uma predominância das forças de superfície na influência do seu comportamento. Conforme relatado anteriormente, o tipo de intemperismo influencia na textura e estrutura do solo. Pode-se dizer que partículas com dimensões até cerca de 0,001mm são obtidas através do intemperismo físico, já as partículas menores que 0,001mm provém do intemperismo químico. Curso de especialização em PCHs

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- Solos Grossos Nos solos grossos, por ser predominante a atuação de forças gravitacionais, resultando em arranjos estruturais bastante simplificados, o comportamento mecânico e hidráulico está principalmente condicionado a sua compacidade, que é uma medida de quão próximas estão as partículas sólidas umas das outras, resultando em arranjos com maiores ou menores quantidades de vazios. Os solos grossos possuem uma maior percentagem de partículas visíveis a olho nu (φ ≥ 0,074 mm) e suas partículas têm formas arredondadas, poliédricas e angulosas.

. Pedregulhos: São classificados como pedregulho as partículas de solo com dimensões maiores que 2,0mm (DNER, MIT) ou 2,0mm (ABNT). Os pedregulhos são encontrados em geral nas margens dos rios, em depressões preenchidas por materiais transportados pelos rios ou até mesmo em uma massa de solo residual (horizontes correspondentes ao solo residual jovem e ao saprolito).

. Areias: As areias se distinguem pelo formato dos grãos que pode ser angular, sub angular e arredondado, sendo este último uma característica das areias transportadas por rios ou pelo vento. A forma dos grãos das areias está relacionada com a quantidade de transporte sofrido pelos mesmos até o local de deposição. O transporte das partículas dos solos tende a arredondar as suas arestas, de modo que quanto maior a distância de transporte, mais esféricas serão as partículas resultantes. Classificamos como areia as partículas com dimensões entre 2,0mm e 0,074mm (DNER), 2,0mm e 0,05mm (MIT) ou ainda 2,0mm e 0,06mm (ABNT). 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 estas forças se transmitem dentro do solo pelos pequenos contatos existentes entre as partículas, as de formato mais angulares, por possuírem em geral uma menor área de contato, são mais suscetíveis a se quebrarem.


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- Solos Finos Quando as partículas que constituem o solo possuem dimensões menores que 0,074mm (DNER), ou 0,06mm (ABNT), o solo é considerado fino e, neste caso, será classificado como argila ou como silte. Nos solos formados por partículas muito pequenas, as forças que intervêm no processo de estruturação do solo são de caráter muito mais complexo e serão estudadas no item composição mineralógica dos solos. Os solos finos possuem partículas com formas lamelares, fibrilares e tubulares e é o mineral que determina a forma da partícula. As partículas de argila normalmente apresentam uma ou duas direções em que o tamanho da partícula é bem superior àquele apresentado em uma terceira direção. O comportamento dos solos finos é definido pelas forças de superfície (moleculares, elétricas) e pela presença de água, a qual influi de maneira marcante nos fenômenos de superfície dos argilo-minerais.

. Argilas: A fração granulométrica do solo classificada como argila (diâmetro inferior a 0,002mm) se caracteriza pela sua plasticidade marcante (capacidade de se deformar sem apresentar variações volumétricas) e elevada resistência quando seca. É a fração mais ativa dos solos.

. Siltes: Apesar de serem classificados como solos finos, o comportamento dos siltes é governado pelas mesmas forças dos solos grossos (forças gravitacionais), embora possuam alguma atividade. Estes possuem granulação fina, pouca ou nenhuma plasticidade e baixa resistência quando seco. A fig. 3.1 apresenta a escala granulométrica adotada pela ABNT (NBR 6502):


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3.2.

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Identificação Visual e Táctil dos Solos

Muitas vezes em campo temos a necessidade de uma identificação prévia do solo, sem que o uso do aparato de laboratório esteja disponível. Esta classificação primária é extremamente importante na definição (ou escolha) de ensaios de laboratório mais elaborados e pode ser obtida a partir de alguns testes feitos rapidamente em uma amostra de solo. No processo de identificação táctil visual de um solo utilizam-se freqüentemente os seguintes procedimentos (vide NBR 7250): Tato: Esfrega-se uma porção do solo na mão. As areias são ásperas; as argilas parecem com um pó quando secas e com sabão quando úmidas. Plasticidade: Moldar bolinhas ou cilindros de solo úmido. As argilas são moldáveis enquanto as areias e siltes não são moldáveis. Resistência do solo seco: As argilas são resistentes a pressão dos dedos enquanto os siltes e areias não são. Dispersão em água: Misturar uma porção de solo seco com água em uma proveta, agitando-a. As areias depositam-se rapidamente, enquanto que as argilas turvam a suspensão e demoram para sedimentar. Impregnação: Esfregar uma pequena quantidade de solo úmido na palma de uma das mãos. Colocar a mão embaixo de uma torneira aberta e observar a facilidade com que a palma da mão fica limpa. Solos finos se impregnam e não saem da mão com facilidade. Dilatância: O teste de dilatância permite obter uma informação sobre a velocidade de movimentação da água dentro do solo. Para a realização do teste deve-se preparar uma amostra de solo com cerca de 15mm de diâmetro e com teor de umidade que lhe garanta uma consistência mole. O solo deve ser colocado sobre a palma de uma das mãos e distribuído uniformemente sobre ela, de modo que não apareça uma lâmina d'água. O teste se inicia com um movimento horizontal da mão, batendo vigorosamente a sua lateral contra a lateral da outra mão, diversas vezes. Deve-se observar o aparecimento de uma lâmina d'água na superfície do solo e o tempo para a ocorrência. Em seguida, a palma da mão deve ser curvada, de forma a exercer uma leve compressão na amostra, observando-se o que poderá ocorrer à lâmina d' água, se existir, à superfície da amostra. O aparecimento da lâmina d água durante a fase de vibração, bem como o seu desaparecimento durante a compressão e o tempo necessário para que isto aconteça deve ser comparado aos dados da tabela 3.1, para a classificação do solo.


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Após realizados estes testes, classifica-se o solo de modo apropriado, de acordo com os resultados obtidos (areia siltosa, argila arenosa, etc.). Os solos orgânicos são identificados em separado, em função de sua cor e odor característicos. Além da identificação táctil visual do solo, todas as informações pertinentes à identificação do mesmo, disponíveis em campo, devem ser anotadas. Deve-se informar, sempre que possível, a eventual presença de material cimentante ou matéria orgânica, a cor do solo, o local da coleta do solo, sua origem geológica, sua classificação genética, etc. A distinção entre solos argilosos e siltosos, na prática da engenharia geotécnica, possui certas dificuldades, já que ambos os solos são finos. Porém, após a identificação tátilvisual ter sido realizada, algumas diferenças básicas entre eles, já citadas nos parágrafos anteriores, podem ser utilizadas para distingui-los. 1- O solo é classificado como argiloso quando se apresenta bastante plástico em presença de água, formando torrões resistentes ao secar. Já os solos siltosos quando secos, se esfarelam com facilidade. 2- Os solos argilosos se desmancham na água mais lentamente que os solos siltosos. Os solos siltosos, por sua vez, apresentam dilatância marcante, o que não ocorre com os solos argilosos. 3.3.

Análise Granulométrica

A análise da distribuição das dimensões dos grãos, denominada análise granulométrica, objetiva determinar os tamanhos dos diâmetros equivalentes das partículas sólidas em conjunto com a proporção de cada fração constituinte do solo em relação ao peso de solo seco. A representação gráfica das medidas realizadas é denominada de curva granulométrica. Pelo fato de o solo geralmente apresentar partículas com diâmetros equivalentes variando em uma ampla faixa, a curva granulométrica é normalmente apresentada em um gráfico semi-log, com o diâmetro equivalente das partículas em uma Curso de especialização em PCHs

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escala logarítmica e a percentagem de partículas com diâmetro inferior à abertura da peneira considerada (porcentagem que passa) em escala linear.

3.3.1. Ensaio de Granulometria O ensaio de granulometria conjunta para o levantamento da curva granulométrica do solo é realizado com base em dois procedimentos distintos: a) peneiramento - realizado para partículas com diâmetros equivalentes superiores a 0,074mm (peneira 200) e b) Sedimentação - procedimento válido para partículas com diâmetros equivalentes inferiores a 0,2mm. O ensaio de peneiramento não é realizado para partículas com diâmetros inferiores a 0,074mm pela dificuldade em se confeccionar peneiras com aberturas de malha desta ordem de grandeza. Embora existindo no mercado, a peneira 400 (com abertura de malha de 0,045mm) não é regularmente utilizada no ensaio de peneiramento, por ser facilmente danificada e de custo elevado. O ensaio de granulometria é realizado empregando-se os seguintes equipamentos: jogo de peneiras, balança, estufa, destorroador, quarteador, bandejas, proveta, termômetro, densímetro, cronômetro, dispersor, defloculante, etc. A preparação das amostras de solo se dá pelos processos de secagem ao ar, quarteamento, destorroamento (vide NBR 9941), utilizando-se quantidades de solo que variam em função de sua textura (aproximadamente 1500g para o caso de solos grossos e 200g, para o caso de solos finos). A seguir são listadas algumas características dos processos normalmente empregados no ensaio de granulometria conjunta (vide NBR 7181): Peneiramento: utilizado para a fração grossa do solo (grãos com até 0,074mm de diâmetro equivalente), realiza-se pela passagem do solo por peneiras padronizadas e pesagem das quantidades retidas em cada uma delas. Retira-se 50 a 100g da quantidade que passa na peneira de #200 e prepara-se o material para a sedimentação. Sedimentação: os solos muito finos, com granulometria inferior a 0,074mm, são tratados de forma diferenciada, através do ensaio de sedimentação desenvolvido por Arthur Casagrande. Este ensaio se baseia na Lei de Stokes, segundo a qual a velocidade de queda, V, de uma partícula esférica, em um meio viscoso infinito, é proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula. Curso de especialização em PCHs

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Sendo assim, as menores partículas se sedimentam mais lentamente que as partículas maiores. O ensaio de sedimentação é realizado medindo-se a densidade de uma suspensão de solo em água, no decorrer do tempo. A partir da medida da densidade da solução no tempo, calcula-se a percentagem de partículas que ainda não sedimentaram e a velocidade de queda destas partículas (a profundidade de medida da densidade é calculada em função da curva de calibração do densímetro). Com o uso da lei de Stokes, pode-se inferir o diâmetro máximo das partículas ainda em suspensão, de modo que com estes dados, a curva granulométrica é completada. A eq. 3.1 apresenta a lei de Stokes.

Deve-se notar que o diâmetro equivalente calculado empregando-se a eq. 3.1 corresponde a apenas uma aproximação, à medida em que durante a realização do ensaio de sedimentação, as seguintes ocorrências tendem a afastá-lo das condições ideais para as quais a lei de Stokes foi formulada. As partículas de solo não são esféricas (muito menos as partículas dos argilo-minerais que têm forma placóide). A coluna líquida possui tamanho definido. O movimento de uma partícula interfere no movimento de outra. As paredes do recipiente influenciam no movimento de queda das partículas. O peso específico das partículas do solo é um valor médio. O processo de leitura (inserção e retirada do densímetro) influencia no processo de queda das partículas.

3.3.2. Representação Gráfica do resultado do ensaio de granulometria A representação gráfica do resultado de um ensaio de granulometria é dada pela curva granulométrica do solo. A partir da curva granulométrica, podemos separar facilmente os solos grossos dos solos finos, apontando a percentagem equivalente de cada fração granulométrica que Curso de especialização em PCHs

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constitui o solo (pedregulho, areia, silte e argila). Além disto, a curva granulométrica pode fornecer informações sobre a origem geológica do solo que está sendo investigado. Por exemplo, na fig. 3.2, a curva granulométrica a corresponde a um solo com a presença de partículas em uma ampla faixa de variação. Assim, o solo representado por esta curva granulométrica poderia ser um solo de origem glacial, um solo coluvionar (tálus) (ambos de baixa seletividade) ou mesmo um solo residual jovem. Contrariamente, o solo descrito pela curva granulométrica c foi evidentemente depositado por um agente de transporte seletivo, tal como a água ou o vento (a curva c poderia representar um solo eólico, por exemplo), pois possui quase que todas as partículas do mesmo diâmetro. Na curva granulométrica b, uma faixa de diâmetros das partículas sólidas está ausente. Esta curva poderia ser gerada, por exemplo, por variações bruscas na capacidade de transporte de um rio em decorrência de chuvas. De acordo com a curva granulométrica obtida, o solo pode ser classificado como bem graduado, caso ele possua uma distribuição contínua de diâmetros equivalentes em uma ampla faixa de tamanho de partículas (caso da curva granulométrica a) ou mal graduado, caso ele possua uma curva granulométrica uniforme (curva granulométrica c) ou uma curva granulométrica que apresente ausência de uma faixa de tamanhos de grãos (curva granulométrica b). Alguns sistemas de classificação utilizam a curva granulométrica para auxiliar na previsão do comportamento de solos grossos. Para tanto, estes sistemas de classificação lançam mão de alguns índices característicos da curva granulométrica, para uma avaliação de sua uniformidade e curvatura. Os coeficientes de uniformidade e curvatura de uma determinada curva granulométrica são obtidos a partir de alguns diâmetros equivalente característicos do solo na curva granulométrica. São eles: D10 - Diâmetro efetivo - Diâmetro eqüivalente da partícula para o qual temos 10% das partículas passando (10% das partículas são mais finas que o diâmetro efetivo). D30 e D60 - O mesmo que o diâmetro efetivo, para as percentagens de 30 e 60%, respectivamente.


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As equações 3.2 e 3.3 apresentam os coeficientes de uniformidade e curvatura de uma dada curva granulométrica. Coeficiente de uniformidade:

De acordo como valor do Cu obtido, a curva granulométrica pode ser classificada conforme apresentado abaixo: Cu < 5 → muito uniforme 5 < Cu < 15 → uniformidade média Cu > 15 → não uniforme Coeficiente de curvatura:

Classificação da curva granulométrica quanto ao coeficiente de curvatura 1 < Cc < 3 → solo bem graduado Cc < 1 ou Cc > 3 → solo mal graduado


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3.4.

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Designação segundo a NBR-6502

A NBR- 6502 apresenta algumas regras práticas para designar os solos de acordo com a sua curva granulométrica. A tabela 3.2 ilustra o resultado de ensaios de granulometria realizados em três solos distintos. As regras apresentadas pela NBR-6502 serão então empregadas para classificá-los, em caráter ilustrativo.

Normas para a designação do solo segundo a NBR 6502, baseando-se na sua curva granulométrica Quando da ocorrência de mais de 10% de areia, silte ou argila adjetiva-se o solo com as frações obtidas, vindo em primeiro lugar as frações com maiores percentagens. Em caso de empate, adota-se a seguinte hierarquia: 1°) Argila; 2°) Areia e e 3°) Silte No caso de percentagens menores do que 10% adjetiva-se o solo do seguinte modo, independente da fração granulométrica considerada: 1 a 5% → com vestígios de 5 a 10% → com pouco Para o caso de pedregulho com frações superiores a 10% adjetiva-se o solo do seguinte modo: 10 a 29% → com pedregulho > 30% → com muito pedregulho Curso de especialização em PCHs

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Resultado da nomenclatura dos solos conforme os dados apresentados na tabela 3.2. Solo 1: Argila Silto-Arenosa com pouco Pedregulho Solo 2: Areia Silto-Argilosa com Pedregulho Solo 3: Pedregulho Arenoso com vestígios de Silte e Pedra

3.5.

Estrutura dos Solos

Denomina-se estrutura dos solos a maneira pela qual as partículas minerais de diferentes tamanhos se arrumam para formá-lo. A estrutura de um solo possui um papel fundamental em seu comportamento, seja em termos de resistência ao cisalhamento, compressibilidade

ou

permeabilidade.

Como

os

solos

finos

possuem

o

seu

comportamento governado por forças elétricas, enquanto os solos grossos têm na gravidade o seu principal fator de influência, a estrutura dos solos finos ocorre em uma diversificação e complexidade muito maior do que a estrutura dos solos grossos. De fato, sendo a gravidade o fator principal agindo na formação da estrutura dos solos grossos, a estrutura destes solos difere, de solo para solo, somente no que se refere ao seu grau de compacidade. No caso dos solos finos, devido a presença das forças de superfície, arranjos estruturais bem mais elaborados são possíveis. A fig. 3.3 ilustra algumas estruturas típicas de solos grossos e finos.


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Quando duas partículas de argila estão muito próximas, entre elas ocorrem forças de atração e de repulsão. As forças de repulsão são devidas às cargas líqüidas negativas que elas possuem e que ocorrem desde que as camadas duplas estejam em contato. As forças de atração decorrem de forças de Van der Waals e de ligações secundárias que atraem materiais adjacentes. 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 as forças entre elas. Lambe (1969) identificou dois tipos básicos de estrutura do solo, denominando-os de estrutura floculada, quando os contatos se fazem entre faces e arestas das partículas sólidas, ainda que através da água adsorvida, e de estrutura dispersa quando as partículas se posicionam paralelamente, face a face. 3.6.

Composição Química e Mineralógica

Os solos são formados a partir da desagregação de rochas por ações físicas e químicas do intemperismo. As propriedades química e mineralógica das partículas dos solos assim formados irão depender fundamentalmente da composição da rocha matriz e do clima da região. Estas propriedades, por sua vez, irão influenciar de forma marcante o comportamento mecânico do solo. Os minerais são partículas sólidas inorgânicas que constituem as rochas e os solos, e que possuem forma geométrica, composição química e estrutura própria e definidas. Eles podem ser divididos em dois grandes grupos, a saber: - Primários ⇒ Aqueles encontrados nos solos e que sobrevivem a transformação da rocha (advêm portanto do intemperismo físico). - Secundários ⇒ Os que foram formados durante a transformação da rocha em solo (ação do intemperismo químico).

3.6.1. Solos Grossos - Areias e Pedregulhos As partículas dos solos grossos, dentre as quais apresentam-se os pedregulhos, são constituídas algumas vezes de agregações de minerais distintos, sendo mais comum, entretanto, que as partículas sejam constituídas de um único mineral. Estes solos são formados, na sua maior parte, por silicatos (90%) e apresentam também na sua composição óxidos, carbonatos e sulfatos. Curso de especialização em PCHs

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Silicatos - feldspato, quartzo, mica, serpentina Óxidos - hematita, magnetita, limonita

Grupos Minerais

Carbonatos - calcita, dolomita Sulfatos - gesso, anidrita O quartzo, presente na maioria das rochas, é bastante estável, e em geral resiste bem ao processo de transformação rocha-solo. Sua composição química é simples, SiO2, as partículas são eqüidimensionais, como cubos ou esferas e ele apresenta baixa atividade superficial (devido ao tamanho de seus grãos). Por conta disto, o quartzo é o componente principal na maioria dos solos grossos (areias e pedregulhos).

3.6.2 Solos Finos – Argilas Os solos finos possuem uma estrutura mais complexa e alguns fatores, como forças de superfície, concentração de íons, ambiente de sedimentação, etc., podem intervir no seu comportamento. As argilas possuem uma complexa constituição química e mineralógica, sendo formadas por sílica no estado coloidal (SiO2) e sesquióxidos metálicos (R2O3), onde R = Al; Fe, etc. Os feldspatos são os minerais mais atacados pela natureza, dando origem aos argilominerais, que constituem a fração mais fina dos solos, geralmente com diâmetro inferior a 2 µm. 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. O estudo da estrutura dos argilo-minerais pode ser facilitado "construindo-se" o argilomineral a partir de unidades estruturais básicas. Este enfoque é puramente didático e não representa necessariamente o método pelo qual o argilo-mineral é realmente formado na natureza. Assim, as estruturas apresentadas neste capítulo são apenas idealizações. Um cristal típico de um argilo-mineral é uma estrutura complexa similar ao arranjo estrutural aqui idealizado, mas contendo usualmente substituições de íons e outras modificações estruturais que acabam por formar novos tipos de argilo-minerais. As duas unidades estruturais básicas dos argilo-minerais são os tetraedros de silício e os octaédros de alumínio (fig. 3.4). Os tetraedros de silício são formados por quatro átomos de oxigênio eqüidistantes de um átomo de silício enquanto que os octaédros de alumínio são formados por um átomo de alumínio no centro, envolvido por seis átomos de oxigênio ou Curso de especialização em PCHs

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grupos de hidroxilas, OH-. A depender do modo como estas unidades estruturais estão unidas entre si, podemos dividir os argilo-minerais em três grandes grupos. a) GRUPO DA CAULINITA: A caulinita é formada por uma lâmina silícica e outra de alumínio, que se superpõem indefinidamente. A união entre todas as camadas é suficientemente firme (pontes de hidrogênio) para não permitir a penetração de moléculas de água entre elas. Assim, as argilas cauliníticas são as mais estáveis em presença d'água, apresentando baixa atividade e baixo potencial de expansão. b) MONTMORILONITA: É formada por uma unidade de alumínio entre duas silícicas, superpondo-se indefinidamente. Neste caso a união entre as camadas de silício é fraca (forças de Van der Walls), permitindo a penetração de moléculas de água na estrutura com relativa facilidade. Os solos com grandes quantidades de montmorilonita tendem a ser instáveis em presença de água. Apresentam em geral grande resistência quando secos, perdendo quase que totalmente a sua capacidade de suporte por saturação. Sob variações de umidade apresentam grandes variações volumétricas, retraindo-se em processos de secagem e expandindo-se sob processos de umedecimento. c) ILITA: Possui um arranjo estrutural semelhante ao da montmorilonita, porém os íons não permutáveis fazem com que a união entre as camadas seja mais estável e não muito afetada pela água. É também menos expansiva que a montmorilonita.


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Como a união entre as camadas adjacentes dos argilo-minerais do tipo 1:1 (grupo da caulinita) é bem mais forte do que aquela encontrada para os outros grupos, é de se esperar que estes argilo-minerais resultem por alcançar tamanhos maiores do que aqueles alcançados pelos argilo-minerais do grupo 2:1, o que ocorre na realidade: Enquanto um mineral típico de caulinita possui dimensões em torno de 500 (espessura) x 1000 x 1000 (nm), um mineral de montmorilonita possui dimensões em torno de 3x 500 x 500 (nm). A presença de um determinado tipo de argilo-mineral no solo pode ser identificada utilizando-se diferentes métodos, dentre eles a análise térmica diferencial, o raio x , a microscopia eletrônica de varredura, etc. Superfície específica - Denomina-se de superfície específica de um solo a soma da área de todas as partículas contidas em uma unidade de volume ou peso. A superfície específica dos argilo-minerais é geralmente expressa em unidades como m2/m3 ou m2/g. Quanto maior o tamanho do mineral menor a superfície específica do mesmo. Deste modo, pode-se esperar que os argilo-minerais do grupo 2:1 possuam maior superfície específica do que os argilo-minerais do grupo 1:1. A montmorilonita, por exemplo, possui uma superfície específica de aproximadamente 800 m2/g, enquanto que a ilita e a caulinita possuem superfícies específicas de aproximadamente 80 e 10 m2/g, respectivamente. A superfície específica é uma importante propriedade dos argilominerais, na medida em que quanto maior a superfície específica, maior vai ser o predomínio das forças elétricas (em detrimento das forças gravitacionais), na influência sobre as propriedades do solo (estrutura, plasticidade, coesão, etc.)

4. FASES SÓLIDO - ÁGUA - AR O solo é constituído de uma fase fluida (água e/ ou ar) e se uma fase sólida. A fase fluida ocupa os vazios deixados pelas partículas sólidas.

4.1.

Fase Sólida

Caracterizada pelo seu tamanho, forma, distribuição e composição mineralógica dos grãos, conforme já apresentado anteriormente. Curso de especialização em PCHs

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4.2.

39

Fase Gasosa

Fase composta geralmente pelo ar do solo em contato com a atmosfera, podendo-se também apresentar na forma oclusa (bolhas de ar no interior da fase água). A fase gasosa é importante em problemas de deformação de solos e é bem mais compressível que as fases sólida e líquida.

4.3.

Fase Líquida

Fase fluida composta em sua maior parte pela água, podendo conter solutos e outros fluidos imiscíveis. Pode-se dizer que a água se apresenta de diferentes formas no solo, sendo contudo extremamente difícil se isolar os estados em que a água se apresenta em seu interior. A seguir são expressados os termos mais comumente utilizados para descrever os estados da água no solo.

4.3.1. Água Livre Preenche os vazios dos solos. Pode estar em equilíbrio hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou de outros gradientes de energia.

4.3.2. Água Capilar É a água que se encontra presa às partículas do solo por meio de forças capilares. Esta se eleva pelos interstícios capilares formados pelas partículas sólidas, devido a ação das tensões superficiais nos contatos ar-água-sólidos, oriundas a partir da superfície livre da água.

4.3.3. Água Adsorvida (adesiva) É uma película de água que adere às partículas dos solos finos devido a ação de forças elétricas desbalanceadas na superfície dos argilo-minerais. Está submetida a grande pressões, comportando-se como sólido na vizinhança da partícula de solo.


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4.3.4. Água de Constituição É a água presente na própria composição química das partículas sólidas. Não é retirada utilizando-se os processos de secagem tradicionais. Ex: Montmorilonita (OH)4 Si2 Al4 O20 nH2 O.

4.3.5. Água higroscópica Água que o solo possui quando em equilíbrio com a umidade atmosférica e a temperatura ambiente. 5. CONSISTÊNCIA DOS SOLOS

5.1.

Noções básicas

Quando tratamos com solos grossos (areias e pedregulhos com pequena quantidade ou sem a presença de finos), o efeito da umidade nestes solos é freqüentemente negligenciado, na medida em que a quantidade de água presente nos mesmos tem um efeito secundário em seu comportamento. Pode se dizer, conforme aliás será visto no capítulo de classificação dos solos, que podemos classificar os solos grossos utilizandose somente a sua curva granulométrica, o seu grau de compacidade e a forma de suas partículas. Por outro lado, o comportamento dos solos finos ou coesivos irá depender de sua composição mineralógica, da sua umidade, de sua estrutura e do seu grau de saturação. Em particular, a umidade dos solos finos tem sido considerada como uma importante indicação do seu comportamento desde o início da mecânica dos solos. Um solo argiloso pode se apresentar em um estado líquido, plástico, semi-sólido ou sólido, a depender de sua umidade. A este estado físico do solo dá-se o nome de consistência. Os limites inferiores e superiores de valor de umidade para cada estado do solo são denominados de limites de consistência. No estado plástico, o solo apresenta uma propriedade denominada de plasticidade, caracterizada pela capacidade do solo se deformar sem apresentar ruptura ou trincas e sem variação de volume. A manifestação desta propriedade em um solo dependerá fundamentalmente dos seguintes fatores: Curso de especialização em PCHs

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Umidade: Existe uma faixa de umidade dentro da qual o solo se comporta de maneira plástica. Valores de umidade inferiores aos valores contidos nesta faixa farão o solo se comportar como semi-sólido ou sólido, enquanto que para maiores valores de umidade o solo se comportará preferencialmente como líquido. Tipo de argilo-mineral: O tipo de argilo-mineral (sua forma, constituição mineralógica, tamanho, superfície específica, etc.) influi na capacidade do solo de se comportar de maneira plástica. Quanto menor o argilo-mineral (ou quanto maior sua superfície específica), maior a plasticidade do solo. É importante salientar que o conhecimento da plasticidade na caracterização dos solos finos é de fundamental importância.

5.2.

Estados de Consistência

A depender da quantidade de água presente no solo, teremos os seguintes estados de consistência:

Cada estado de consistência do solo se caracteriza por algumas propriedades particulares, as quais são apresentadas a seguir. Os limites entre um estado de consistência e outro são determinados empiricamente, sendo denominados de limite de contração, wS, limite de plasticidade, wP e limite de liquidez, wL. Estado Sólido - Dizemos que um solo está em um estado de consistência sólido quando o seu volume "não varia" por variações em sua umidade. Estado Semi - Sólido - O solo apresenta fraturas e se rompe ao ser trabalhado. O limite de contração, wS, separa os estados de consistência sólido e semi-sólido. Estado Plástico - Dizemos que um solo está em um estado plástico quando podemos moldá-lo sem que o mesmo apresente fissuras ou variações volumétricas. O limite de plasticidade, wP, separa os estados de consistência semi-sólido e plástico. Estado Fluido - Denso (Líquido) - Quando o solo possui propriedades e aparência de uma suspensão, não apresentando resistência ao cisalhamento. O limite de liquidez, wL, separa os estados plástico e fluido. Curso de especialização em PCHs

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Como seria de se esperar, a resistência ao cisalhamento bem como a compressibilidade dos solos variam nos diversos estados de consistência.

5.3.

Determinação dos Limites de Consistência

A delimitação entre os diversos estados de consistência é feita de forma empírica. Esta delimitação foi inicialmente realizada por Atterberg, culminando com a padronização dos ensaios para a determinação dos limites de consistência por Arthur Casagrande. Conforme apresentado anteriormente, são os seguintes os limites que separam os diversos estados de consistência do solo: . Limite de Liquidez (wL) . Limite de Plasticidade (wP) . Limite de Contração (wS)

5.3.1. Limite de Liquidez É o valor de umidade para o qual o solo passa do estado plástico para o estado fluido.

Determinação do limite de liquidez (wL). A determinação do limite de liquidez do solo é realizada seguindo-se o seguinte procedimento: 1) coloca-se na concha do aparelho de Casagrande uma pasta de solo passando #40 e com umidade próxima de seu limite de plasticidade. 2) faz-se um sulco na pasta com um cinzel padronizado. 3) Aplicam-se golpes à massa de solo posta na concha do aparelho de Casagrande, girando-se uma manivela, a uma velocidade padrão de 2 golpes por segundo. Esta manivela é solidária a um eixo, o qual por possuir um excêntrico, faz com que a concha do aparelho de casagrande caia de uma altura padrão de aproximadamente 1cm. 4) Conta-se o número de golpes necessário para que a ranhura de solo se feche em uma extensão em torno de 1cm. 5) Repete-se este processo ao menos 5 vezes, geralmente empregando-se valores de umidade crescentes. 6) lançam-se os pontos experimentais obtidos, em termos de umidade versus log N° de golpes. 7) ajusta-se uma reta passando por esses pontos. O limite de liquidez corresponde à umidade para a qual foram necessários 25 golpes para fechar a ranhura de solo. A fig. 5.1 ilustra o aparelho utilizado na determinação do limite de liquidez. A fig. 5.2 apresenta a determinação do limite de liquidez do solo (vide NBR 6459). Curso de especialização em PCHs

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5.3.2. Limite de Plasticidade É o valor de umidade para o qual o solo passa do estado semi-sólido para o estado plástico.

Determinação do limite de plasticidade (wP) A determinação do limite de plasticidade do solo é realizada seguindo-se o seguinte procedimento: 1) prepara-se uma pasta com o solo que passa na #40, fazendo-a rolar com a palma da mão sobre uma placa de vidro esmerilhado, formando um pequeno cilindro. 2) quando o cilindro de solo atingir o diâmetro de 3mm e apresentar fissuras, Curso de especialização em PCHs

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mede-se a umidade do solo. 3) esta operação é repetida pelo menos 5 vezes, N w (%) definido assim como limite de plasticidade o valor médio dos teores de umidade determinados. A fig. 5.3 ilustra a realização do ensaio para determinação do limite de plasticidade (vide NBR 7180).

5.3.3. Limite de Contração É o valor de umidade para o qual o solo passa do estado sólido para o estado semisólido.

Determinação do limite de contração (wS) A determinação do limite de contração do solo é realizada seguindo-se o seguinte procedimento: 1) molda-se uma amostra de solo passando na #40, na forma de pastilha, em uma cápsula metálica com teor de umidade entre 10 e 25 golpes no aparelho de Casa Grande. 2) seca-se a amostra à sombra e depois em estufa, pesando-a em seguida. 3) utiliza-se um recipiente adequado (cápsula de vidro) para medir o volume do solo seco, através do deslocamento de mercúrio provocado pelo solo quando de sua imersão no Curso de especialização em PCHs

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recipiente. O limite de contração é determinado pela eq. 5.1, apresentada a seguir (vide NBR 7183).

5.4.

Índices de consistência

Uma vez conhecidos os limites de consistência de um solo, vários índices podem ser definidos. A seguir, apresentaremos os mais utilizados.

5.4.1. Índice de Plasticidade O índice de plasticidade (IP) corresponde a faixa de valores de umidade do solo na qual ele se comporta de maneira plástica. É a diferença numérica entre o valor do limite de liquidez e o limite de plasticidade. IP = wL − wP

(5.2)

O IP é uma maneira de avaliarmos a plasticidade do solo. Seria a quantidade de água necessária a acrescentar a um solo (com uma consistência dada pelo valor de wP) para que este passasse do estado plástico ao líquido. Classificação do solo quanto ao seu índice de plasticidade: IP = 0 → NÃO PLÁSTICO 1 < IP < 7 → POUCO PLÁSTICO 7 < IP < 15 → PLASTICIDADE MÉDIA IP > 15 → MUITO PLÁSTICO


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5.4.2. Índice de Consistência É uma forma de medirmos a consistência do solo no estado em que se encontra em campo.

É um meio de se situar a umidade do solo entre os limites de liquidez e plasticidade, com o objetivo de utilização prática. Obtenção do estado de consistência do solo em campo utilizando-se o IC: IC < 0 → FLUÍDO - DENSO 0 < IC < 1 → ESTADO PLÁSTICO IC > 1 → ESTADO SEMI - SÓLIDO OU SÓLIDO ATIVIDADE: Conforme relatado anteriormente, a superfície das partículas dos argilominerais

possui

uma

carga

elétrica

negativa,

cuja

intensidade

depende

principalmente das características do argilo-mineral considerado. As atividades físicas e químicas decorrentes desta carga superficial constituem a chamada "atividade da superfície do argilo-mineral". Dos três grupos de argilo-minerais apresentados aqui, a montmorilonita é a mais ativa, enquanto que a caulinita é a menos ativa. Segundo Skempton (1953) a atividade dos argilo-minerais pode ser avaliada pela eq. 5.5, apresentada adiante.

Onde o termo %<0.002mm representa a percentagem de partículas com diâmetro inferior a 2µ presentes no solo. Ainda segundo Skempton, os solos podem ser classificados de acordo com a sua atividade do seguinte modo: Solos inativos: A < 0,75 Solos medianamente ativos: 0,75 < A < 1,25 Solos ativos: A> 1,25. A fig. 5.4 apresenta a variação do índice de plasticidade de amostras de solo confeccionadas em laboratório em função da percentagem de argila (% < 0,002mm) Curso de especialização em PCHs

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presente nos mesmos. Da eq. 5.5 percebe-se que a atividade do argilo-mineral corresponde ao coeficiente angular das áreas hachuradas apresentadas na figura. Na fig. 5.4 estão também apresentados valores típicos de atividade para os três principais grupos de argilo-minerais.

6. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS Por serem constituídos de um material de origem natural, os depósitos de solo nunca são estritamente homogêneos. Grandes variações nas suas propriedades e em seu comportamento são comumente observadas. Pode-se dizer contudo, que depósitos de solo que exibem propriedades básicas similares podem ser agrupados como classes, mediante o uso de critérios ou índices apropriados. Um sistema de classificação dos solos deve agrupar os solos de acordo com suas propriedades intrínsecas básicas. Do ponto de vista da engenharia, um sistema de classificação pode ser baseado no potencial de um determinado solo para uso em bases de pavimentos, fundações, ou como material de construção, por exemplo. Devido a natureza extremamente variável do solo, contudo, é inevitável que em qualquer classificação ocorram casos onde é difícil se enquadrar o solo em uma determinada e única categoria, em outras palavras, sempre vão existir casos em que um determinado solo poderá ser classificado como pertencente a dois ou mais grupos. Do mesmo modo, o mesmo solo pode mesmo ser colocado em grupos que pareçam radicalmente diferentes, em diferentes sistemas de classificação.


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Em vista disto, um sistema de classificação deve ser tomado como um guia preliminar para a previsão do comportamento de engenharia do solo, a qual não pode ser realizada utilizando-se somente sistemas de classificação. Testes para avaliação de importantes características do solo devem sempre ser realizados, levando-se sempre em consideração o uso do solo na obra, já que diferentes propriedades governam o comportamento do solo a depender de sua finalidade. Assim, deve-se usar um sistema de classificação do solo, dentre outras coisas, para se obter os dados necessários ao direcionamento de uma investigação mais minuciosa, quer seja na engenharia, geoquímica, geologia ou outros ramos da ciência. Implicitamente, nos capítulos anteriores, utilizaram-se alguns sistemas de classificação dos solos. Estes sistemas de classificação, por serem bastante simplificados, não são capazes de fornecer, na maioria dos casos, uma resposta satisfatória do ponto de vista da engenharia, devendo ser usados como informações adicionais aos sistemas de classificação mais elaborados. São eles: a) - Classificação genética dos solos (classificação do solo segundo a sua origem) Classifica os solos em residuais e sedimentares, podendo apresentar subdivisões (ex. solo residual jovem, solo sedimentar eólico, etc.); b) - Classificação pela NBR 6502 - Conforme apresentado anteriormente, esta classificação designa os solos de acordo com as suas frações granulométricas preponderantes, utilizando a curva granulométrica; c) - Classificação pela estrutura – Essa classificação consta de dois tipos fundamentais de estruturas (agregada e isolada), que por sua vez, são subdivididas em vários outros subtipos (floculada, dispersa, orientada, aleatória), conforme foi visto no capítulo referente a estrutura dos solos. Neste capítulo serão apresentados os dois sistemas de classificação dos solos mais difundidos no meio geotécnico, a saber, o Sistema Unificado de Classificação do Solos, SUCS (ou “Unified Soil Classification System”, USCS) e o sistema de classificação dos solos proposto pela AASHTO (“American Association of State Highway and Transportation Officials”).


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6.1.

49

Classificação Segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos

Este sistema de classificação foi originalmente desenvolvido pelo professor A. Casagrande (Casagrande, 1948) para uso na construção de aterros em aeroportos durante a Segunda Guerra Mundial, sendo modificada posteriormente para uso em barragens, fundações e outras construções. A idéia básica do Sistema Unificado de Classificação dos solos é que os solos grossos podem ser classificados de acordo com a sua curva granulométrica, ao passo que o comportamento de engenharia dos solos finos está intimamente relacionado com a sua plasticidade. Em outras palavras, os solos nos quais a fração fina não existe em quantidade suficiente para afetar o seu comportamento são classificados de acordo com a sua curva granulométrica, enquanto que os solos nos quais o comportamento de engenharia é controlado pelas suas frações finas (silte e argila), são classificados de acordo com as suas características de plasticidade. As quatro maiores divisões do Sistema Unificado de Classificação dos Solos são as seguintes: (1) - Solos grossos (partículas com φ > 0,075mm: pedregulho e areia), (2) - Solos finos (partículas com φ < 0,075mm: silte e argila), (3) - Solos orgânicos e (4) - Turfa. Os solos orgânicos e as turfas são geralmente identificados visualmente. Cada grupo é classificado por um símbolo, derivado dos nomes em inglês correspondentes: Pedregulho (G), do inglês "gravel"; Argila (C), do inglês "Clay"; Areia (S), do inglês "Sand"; Solos orgânicos (O), de "Organic soils" e Turfa (Pt), do inglês "peat". A única exceção para esta regra advém do grupo do silte, cuja letra representante, M, advém do Sueco "mjäla".

A) Solos Grossos Os solos grossos são classificados como pedregulho ou areia. São classificados como pedregulhos aqueles solos possuindo mais do que 50% de sua fração grossa retida na peneira 4 (4,75mm) e como areias aqueles solos possuindo mais do que 50% de sua fração grossa passando na peneira 4. Cada grupo por sua vez é dividido em quatro subgrupos a depender de sua curva granulométrica ou da natureza da fração fina eventualmente existente. São eles: 1) Material praticamente limpo de finos, bem graduado W, (GW e SW) 2) Material praticamente limpo de finos, mal graduado P, (GP e SP) 3) Material com quantidades apreciáveis de finos de baixa plasticidade, M, (GM e SM) Curso de especialização em PCHs

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4) Material com quantidades apreciáveis de finos de alta plasticidade C, (GC ou SC)

A.1 - Grupos GW e SW Formados por um solo bem graduado com poucos finos. Em um solo bem graduado, os grãos menores podem ficar nos espaços vazios deixados pelos grãos maiores, de modo que os solos bem graduados tendem a apresentar altos valores de peso específico (ou menor quantidade de vazios) e boas características de resistência e deformabilidade. A presença de finos nestes grupos não deve produzir efeitos apreciáveis nas propriedades da fração grossa, nem interferir na sua capacidade de drenagem, sendo fixada como no máximo 5% do solo, em relação ao seu peso seco. O exame da curva granulométrica dos solos grossos se faz por meio dos coeficientes de uniformidade (Cu) e curvatura (Cc), já apresentados anteriormente. Para que o solo seja considerado bem graduado é necessário que seu coeficiente de uniformidade seja maior que 4, no caso de pedregulhos, ou maior que 6, no caso de areias, e que o seu coeficiente de curvatura esteja entre 1 e 3. A.2 - Grupos GP e SP Formados por solos mal graduados (curvas granulométricas uniformes ou abertas). Como os subgrupos SW e GW, possuem no máximo 5% de partículas finas, material que passa na peneira 200, mas suas curvas granulométricas não completam os requisitos de graduação indicados para serem considerados como bem graduados. Dentro destes grupos estão compreendidos as areias uniformes das dunas e os solos possuindo duas frações granulométricas predominantes, provenientes da deposição pela água de rios em períodos alternados de cheia/seca.

A.3 - Grupos GM e SM São classificados como pertencentes aos subgrupos GM e SM os solos grossos nos quais existe uma quantidade de finos suficiente para afetar as suas propriedades de engenharia:

resistência

ao

cisalhamento,

deformabilidade

e

permeabilidade.

Convenciona-se a quantidade de finos necessária para que isto ocorra em 12%, embora sabendo-se que a influência dos finos no comportamento de um solo depende não somente da sua quantidade mas também da atividade do argilo-mineral preponderante. Para os solos grossos possuindo mais do que 12% de finos, deve-se realizar ensaios com vistas a determinação de seus limites de consistência wL e wP, utilizando-se para isto a fração de solo que passa na peneira #40. Para que o solo seja classificado como GM ou Curso de especialização em PCHs

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SM, a sua fração fina deve se situar abaixo da linha A da carta de plasticidade de Casagrande (vide fig. 6.2).

A.4 - Grupos GC e SC São classificados como GC e SC os solos grossos que atendem aos critérios especificados no item A.3, mas cuja fração fina possui representação na carta de plasticidade acima da linha A. Em outras palavras, são classificados como GC e SC os solos grossos possuindo mais que 12% de finos com comportamento predominante de argila. OBS: Os solos grossos possuindo percentagens de finos entre 5 e 12% devem possuir nomenclaturas duplas, como GW-GM, SP-SC, etc., atribuídas de acordo com o especificado anteriormente. De uma forma geral, sempre que um material não se encontra claramente dentro

de um grupo, devemos utilizar símbolos duplos,

correspondentes a casos de fronteira. Ex: GW-SW (material bem graduado com menos de 5% de finos e formado com fração de grossos com iguais proporções de pedregulho e areia) ou GM-GC (solos grossos com mais do que 12% de finos cuja representação na carta de plasticidade de Casagrande se situa muito próxima da linha A). A fig. 6.1 apresenta um fluxograma exibindo os passos básicos a serem seguidos na classificação de solos grossos pelo Sistema Unificado.


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B) Solos Finos Os solos finos são classificados como argila e silte. A classificação dos solos finos é realizada tomando-se como base apenas os limites de plasticidade e liquidez do solo, plotados na forma da carta de plasticidade de Casagrande. Em outras palavras, o conhecimento da curva granulométrica de solos possuindo mais do que 50% de material passando na peneira 200 pouco ou muito pouco acrescenta acerca das expectativas sobre suas propriedades de engenharia. A Carta de plasticidade dos solos foi desenvolvida por A. Casagrande de modo a agrupar os solos finos em diversos subgrupos, a depender de suas características de plasticidade. Conforme é apresentado na fig. 6.2, a carta de plasticidade possui três divisores principais: A linha A (de eq. IP = 0,73(wL – 20)) separa argilas (acima da linha) de siltes (abaixo da linha), a linha B (wL = 50%) separa solos de baixa plasticidade (à esquerda da linha) dos de alta plasticidade (à direita da linha) e a linha U (de eq. IP = 0,9(wL – 8) que é o limite superior da classificação. Deste modo, os solos finos, que são divididos em quatro subgrupos (CL, CH, ML e MH), são classificados de acordo com a sua posição em relação às linhas A e B, conforme apresentado nos sub-itens seguintes.


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Introdução à Energia, Regulação e Mercado 53 OBS: 1) Solos cuja representação na carta de plasticidade se situe dentro da zona CL-ML devem ter nomenclatura dupla. 2) Solos cuja representação na carta de plasticidade se situe próximo à linha LL = 50 % devem ter nomenclatura dupla: (MH-ML ou CH-CL). 3) Solos cuja representação na carta de plasticidade se situe próximo à linha A devem ter nomenclatura dupla: (MH-CH ou CLML). 4) As argilas inorgânicas de média plasticidade possuem wL entre 30 e 50%.

B.1 - Grupos CL e CH Os solos classificados como CL (argilas inorgânicas de baixa plasticidade) são aqueles os quais têm a sua representação na carta de plasticidade acima da linha A e à esquerda da linha B (conforme pode-se observar na fig. 6.2, deve-se ter também um IP > 7%). O grupo CH (argilas inorgânicas de alta plasticidade), possuem a sua representação na carta de plasticidade acima da linha A e à direita da linha B (wL > 50%). São exemplos deste grupo as argilas formadas por decomposição química de cinzas vulcânicas, tais como a argila do vale do México, com wL de até 500%.

B.2 - Grupos ML e MH Os solos classificados como ML (siltes inorgânicos de baixa plasticidade) são aqueles os quais têm a sua representação na carta de plasticidade abaixo da linha A e à esquerda da linha B (conforme pode-se observar na fig. 6.2, deve-se ter também um IP < 4%). O grupo MH (siltes inorgânicos de alta plasticidade), possuem a sua representação na carta de plasticidade abaixo da linha A e à direita da linha B (wL > 50%).

B.3 - Grupos CL - ML Os solos classificados como CL-ML são aqueles com representação na carta de plasticidade acima da linha A e que tenham índice de plasticidade entre 4 e 7%. Esse grupo recebe um nome duplo porque não apresenta característica específica de uma determinada região.

B.4 - Grupos OL e OH São classificados utilizando-se os mesmos critérios definidos para os subgrupos ML e MH. A presença de matéria orgânica é geralmente identificada visualmente e pelo seu odor característico. Em caso de dúvida a escolha entre os símbolos OL/ML ou OH/MH pode ser feita utilizando-se o seguinte critério: Se wLs/wLn < 0,75 então o solo é orgânico senão é inorgânico. Os símbolos wLs e wLn correspondem a limites de liquidez determinados em Curso de especialização em PCHs

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amostras que foram secas em estufa e ao ar livre, respectivamente. Neste caso, a diferença entre os valores de wL se deve ao fato de que a amostra seca em estufa a 105oC terá a sua matéria orgânica queimada, tendo em consequência o seu valor de wL reduzido.

C) Solos Pantanosos e Turfas São solos altamente orgânicos, geralmente fibrilares e extremamente compressíveis. As turfas são solos que incorporam florestas soterradas em estágio avançado de decomposição. Estes solos formam um grupo independente de símbolo (Pt). Na maioria dos solos turfosos os limites de consistência podem ser determinados após completo amolgamento do solo. O limite de liquidez destes solos varia entre 300 e 500% permanecendo a sua posição na carta de plasticidade notavelmente acima da linha A. O Índice de plasticidade destes solos normalmente se situa entre 100 e 200.

d) A linha U da carta de plasticidade A linha U apresentada na carta de plasticidade representa o limite superior das coordenadas (wL;IP) encontrado para a grande maioria dos solos (mesmo solos possuindo argilomineriais de alta atividade). Deste modo, sempre que em um processo de classificação o ponto representante do solo se situar acima da linha U, os dados de laboratório devem ser checados e os ensaios refeitos. A carta de plasticidade de Casagrande pode ainda nos dar uma idéia acerca do tipo de argilo-mineral predominante na fração fina do solo. Solos possuindo argilo-minerais do tipo 1:1(como a caulinita) tem seus pontos de representação na carta de plasticidade próximo à linha A (parte superior à linha A), enquanto que solos possuindo argilo-minerais de alta atividade (como a montmorilonita) tendem a ter seus pontos de representação na carta de plasticidade próximos à linha U (parte imediatamente inferior à linha U).

e) Observações complementares Apesar dos símbolos utilizados no SUCS serem de grande valia, eles não descrevem completamente um depósito de solo. Em todos os solos deve-se acrescentar informações como odor, cor e homogeneidade do material à classificação. Para o caso de solos grossos, informações como a forma dos grãos, tipo de mineral predominante, graus de intemperismo ou compacidade, presença ou não de finos são pertinentes. Para o caso dos solos finos, informações como a umidade natural e consistência (natural e amolgada) devem ser sempre que possível ser fornecidas. A Tabela 6.1 apresenta algumas Curso de especialização em PCHs

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informações sobre o comportamento esperado para os diferentes grupos da classificação SUCS.

6.2.

Classificação Segundo a AASHTO

O sistema de classificação da AASHTO foi desenvolvido em 1920 pelo "Bureau of Public Roads", que realizou um extenso programa de pesquisa sobre o uso de solos na construção de vias secundárias ("farm to market roads"). O sistema original foi baseado nas características de estabilidade dos solos quando usados como a própria superfície da pista ou em conjunto com uma fina capa asfáltica. Diversas aplicações foram realizadas desde a sua concepção e a sua aplicabilidade foi estendida consideravelmente. Segundo a AASHTO (vide AASHTO, 1978), esta classificação pode ser utilizada para os casos de aterros, subleitos, bases e subbases de pavimentos flexíveis, mas deve-se ter sempre em mente o propósito original da classificação quando da sua utilização. O sistema da AASHTO classifica o solo em oito diferentes grupos: de A1 a A8 e inclui diversos subgrupos. Os solos dentro de cada grupo ou subgrupo são ainda avaliados de acordo com o seu índice de grupo, o qual é calculado por intermédio de uma fórmula empírica.

A) Solos pertencentes aos grupos A1 ao A3 Os solos pertencentes ao grupo A1 são fragmentos de pedra, pedregulho e areia bem graduados com pouca ou nenhuma plasticidade, ao passo que os solos pertencente ao grupo A3 são areias finas mal graduadas, sem presença de finos. Os materiais pertencentes ao grupo A2 apesar de granulares (35% ou menos passando na peneira 200), possuem uma quantia significativa de finos (pedregulho e areia com silte e argila). Os solos classificados como A1, A2-4, A2-5 e A3 apresentam um comportamento excelente a bom como sub-leito, já os solos classificados como A2-6 e A2-7 apresentam comportamento regular a mau como sub-leito.

B) Solos pertencentes aos grupos A4 ao A7 Os solos pertencentes aos grupos A4 ao A7 são solos finos, materiais silto-argilosos. A diferenciação entre os diversos grupos é realizada com base nos limites de Atterberg. Solos altamente orgânicos (incluindo-se aí a turfa) devem ser colocados no grupo A8. Como no caso do SUCS, a classificação dos solos A8 é feita visualmente. Os solos Curso de especialização em PCHs

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classificados como A4, A5, A6 e A7 apresentam um regular a mau comportamento como sub-leito. Os solos do grupo A-4 são em geral siltosos e não plásticos, ou moderadamente plásticos, possuindo, geralmente, 5% ou mais passando na peneira n º 200. Incluem também misturas de solo fino siltoso com até 64% de areia e pedregulho retidos na peneira nº 200. Os valores dos índices do grupo vão de 1 a 8. Os solos do grupo A-5 são semelhante ao que foi descrito no A-4, exceto que eles são, geralmente, de caráter diatomáceo ou micáceo, com elevado limite de liquidez. Os valores dos índices do grupo vão de 1 a 12. O grupo A-6 corresponde aos solos argilosos, plásticos, tendo, geralmente, 75% ou mais de material passando na peneira n º 200. O grupo inclui também misturas de solos finos argilosos, podendo conter até 64% de areia e pedregulho retidos na peneira n º 200. Os solos deste grupo comumente sofrem elevada mudança de volume entre os estados seco e úmido. Os valores dos índices do grupo vão de 1 a 16, esses valores crescentes mostram o efeito combinado do aumento dos índices de plasticidade e diminuição dos materiais grossos. O Grupo A-7 engloba os solos argilosos e plásticos, que apresentam alto limite de liquidez e estão sujeitos a elevada mudança de volume. Os valores dos índices do grupo vão de 1 a 20. O grupo A-7 é subdividido em A-7-5 (materiais com índice de plasticidade moderado em relação ao limite de liquidez) e A-7-6 (materiais com elevados índices de plasticidade em relação aos limites de liquidez, estando sujeitos a elevadas mudanças de volume). O índice de grupo é utilizado para auxiliar na classificação do solo. Ele é baseado na performance de diversos solos, especialmente quando utilizados como subleitos. O índice de grupo é determinado utilizando-se a eq. 6.1, apresentada adiante: IG = (F − 35)[0 20 + 0 005(wL − 40)]+ 0 01(F − 15)(IP −10) , , , (6.1)

Onde: F é a percentagem de solo passando na peneira 200 Quando trabalhando com os grupos A-2-6 e A-2-7 o índice de grupo deve ser determinado utilizando-se somente o índice de plasticidade. No caso da obtenção de índices de grupo negativos, deve-se adotar um índice de grupo nulo. Usar o sistema de classificação da AASHTO não é difícil. Uma vez obtidos os dados necessários, deve-se seguir os passos indicados na fig. 6.3 (a e b), da esquerda para a Curso de especialização em PCHs

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direita, e encontrar o grupo correto por um processo de eliminação. O primeiro grupo à esquerda que atenda as exigências especificadas é a classificação correta da AASHTO. A classificação completa inclui o valor do índice de grupo (arredondado para o inteiro mais próximo), apresentado em parênteses, à direita do símbolo da AASHTO. Ex: A-2-6(3), A6(12), A-7-5(17), etc. Devido a sua ligação histórica com a classificação de solos para uso rodoviário, a classificação da AASHTO é bastante utilizada na seleção de solos para uso como base, sub-bases e sub-leitos de pavimentos.


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7. ÍNDICES FÍSICOS

7.1.

Introdução

O comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma de suas trêsfases (sólidos, água e ar). Diversas relações são empregadas para expressar as proporções entre elas. Na fig. 7.1 mostrada a seguir estão representadas, de modo esquemático, as três fases que normalmente ocorrem nos solos, ainda que, em alguns casos, todos os vazios possam estar ocupados pela água e a água possa conter substâncias dissolvidas.

Onde: Va, Vw, Vs, Vv e Vt representam os volumes de ar, água, sólidos, de vazios e total do solo, respectivamente. Ps, Pw, Pa e Pt São os pesos de sólidos, água, ar e total e Ms, Mw, Ma e Mt são as respectivas massas de sólidos, água, ar e total. 7.2.

Relações entre Volumes

7.2.1. Porosidade (n) A porosidade é definida como a relação entre o volume de vazios e o volume total. O intervalo de variação da porosidade está compreendido entre 0 e 1.


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7.2.2. Grau de Saturação (Sr) Os vazios do solo podem estar apenas parcialmente ocupados por água. A relação entre o volume de água e o volume dos vazios é definida como o grau de saturação, expresso em percentagem e com variação de 0 a 100% (solo saturado).

7.2.3. Índice de Vazios (e) O índice de vazios é definido como a relação entre o volume de vazios e o volume das partículas sólidas, expresso em termos absolutos, podendo ser maior do que a unidade. Sua variação é de 0 a ∞.

7.3. Relações entre Pesos e Volumes - Pesos Específicos ou entre Massas e Volumes - Massas Específicas

7.3.1. Peso específico(γ) e massa específica (ρ) do Solo O peso específico de um solo é a relação entre o seu peso total e o seu volume total, incluindo-se aí o peso da água existente em seus vazios e o volume de vazios do solo. A massa específica do solo possui definição semelhente ao peso específico, considerandose agora a sua massa.


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7.3.2. Peso Específico das Partículas sólidas O peso específico das partículas sólidas é obtido dividindo-se o peso das partículas sólidas (não considerando-se o peso da água) pelo volume ocupado pelas partículas sólidas (sem a consideração do volume ocupado pelos vazios do solo). É o maior valor de peso específico que um solo pode ter, já que as outras duas fases que compõe o solo são menos densas que as partículas sólidas.

7.3.3. Peso Específico do Solo Seco Corresponde a um caso particular do peso específico do solo, obtido para Sr = 0.

7.3.4. Peso Específico do Solo Saturado É o peso específico do solo quando todos os seus vazios estão ocupados pela água. É numericamente dado pelo peso das partículas sólidas dividido pelo volume total do solo.

7.3.5. Peso Específico do Solo Submerso Neste caso, considera-se a existência do empuxo de água no solo. Logo, o peso específico do solo submerso será equivalente ao o peso específico do solo menos o peso específico da água.


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OBSERVAÇÃO: As distinções entre os pesos específicos de solo saturado e submerso serão melhor compreendidas quando do estudo do capítulo tensões geostáticas, onde se apresenta o princípio das tensões efetivas, proposto por Terzaghi para representar o comportamento dos solos em termos de resistência ao cisalhamento e deformação.

7.3.

Diagrama de fases

As relações entre pesos ou entre volumes, por serem admensionais, não serão modificadas caso no lado direito da fig. 7.1, os volumes de água, ar e sólidos sejam divididos por um determinado fator, conservado constante para todas as fases. Este fator pode ser escolhido, por exemplo, para que o volume de sólidos se torne unitário (ou, em outras palavras, dividindo-se todos os termos por Vs). Deste modo, utilizando-se as relações entre volumes e entre pesos e volumes, definidas anteriormente, temos:

Uma outra forma de organizar as relações entre volumes e entre pesos e volumes em um diagrama de fases seria adotando um volume total igual a 1. Neste caso teríamos: Das figs. 7.2 e 7.3 e utilizando-se as definições dadas para o índice de vazios e a porosidade tem-se:


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7.5. Utilização do diagrama de fases para a determinação das relações entre os diversos índices físicos Com o uso das figs. 7.2 e 7.3, diversas relações podem ser facilmente definidas entre os índices físicos. As eqs. 7.10 a 7.12 expressam algumas destas relações:

A umidade é definida como a relação entre o peso da água e o peso dos sólidos em uma porção do solo, sendo expressa em percentagem. Pela análise da fig. 7.2 temos que:

definida como a relação entre o volume de água e o volume total de solo e dada pela eq. 7.14:

OBS: Apesar de alguns índices físicos serem apresentados em percentagem, o cálculo das relações entre eles deve ser feito utilizando-os na forma decimal. Todos os outros índices devem estar em unidades compatíveis.


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7.6. Densidade relativa Dr Conforme será discutido no transcorrer deste curso, por possuírem arranjos estruturais bastante simplificados, os solos grossos (areias e pedregulhos com nenhuma ou pouca presença de finos) podem ter o seu comportamento avaliado conforme a sua curva característica e a sua densidade relativa Dr, definida conforme a eq. 7.15. Há uma variedade grande de ensaios para a determinação de emin e γdmáx; todos eles envolvem alguma forma de vibração. Para emax e γdmin, geralmente se adota a colocação do solo secado previamente, em um recipiente, tomando-se todo cuidado para evitar qualquer tipo de vibração. Os procedimentos para a execução de tais ensaios são padronizados em nosso País pelas normas NBR 12004 e 12051, variando muito em diferentes partes do Globo, não havendo ainda um consenso internacional sobre os mesmos. A densidade relativa é um índice adotado apenas na caracterização dos SOLOS NÃO COESIVOS. A tabela 7.1 apresenta a classificação da compacidade dos solos grossos em função de sua densidade relativa.

Notas importantes: a) A densidade relativa é o fator preponderante, tanto na deformabilidade quanto na resistência ao cisalhamento de solos grossos, influindo até na sua permeabilidade. b) A densidade relativa pode ser utilizada na estimativa preliminar de regiões sujeitas à liquefação e no controle de compactação de solos não coesivos.


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7.7. Ensaios Necessários para Determinação dos Índices Físicos Para estimativa de todos os índices físicos de um determinado solo normalmente efetuam-se as seguintes determinações: - Umidade - Peso específico do solo (γ) - Peso específico das partículas sólidas (γs)

7.7.1. Determinação da Umidade A umidade do solo é geralmente determinada em estufa, em laboratório. Para tanto, uma amostra de solo com determinado teor de umidade é pesada e posteriormente levada a uma estufa, com temperatura entre 105 e 110o, onde permanece por um determinado período (geralmente um dia), até que a sua constância de peso seja assegurada. As variações no peso da amostra de solo se devem a evaporação da água existente no seu interior. Após o período de secagem em estufa, o peso da amostra é novamente determinado. Deste modo, o peso da água existente no solo é igual a diferença entre os pesos da amostra antes e após esta ser levada à estufa, sendo a umidade do solo a razão entre esta diferença e o peso da amostra determinado após secagem. A seguir são listados alguns métodos utilizados na determinação da umidade do solo em campo e em laboratório. Estufa a 105 - 110°C (laboratório) Speedy (campo) Fogareiro à Álcool (campo) Estufa a 60°C. (laboratório, no caso da suspeita de existência de matéria orgânica) Sonda de nêutrons (campo) TDR (campo)

7.7.2. Determinação do peso Específico do Solo São listados a seguir os principais métodos utilizados em laboratório e em campo para determinação do peso específico do solo.


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7.7.2.1. Em Laboratório Cravação de cilindro biselado em amostras indeformadas Cilindro de compactação Imersão em mercúrio (amostra indeformada, pequena) Balança hidrostática, solo parafinado (NBR 10838)

7.7.2.2. Em Campo Cravação do cilindro de Hilf Método do cone de areia Método do balão de borracha Sonda de nêutrons.

7.7.3. Determinação do peso Específico das Partículas Esta determinação é efetuada exclusivamente em laboratório, utilizando-se o picnômetro e os detalhes de sua execução são apresentados na NBR 6508. 7.8. Valores Típicos

Sobre o peso específico das partículas, algumas observações necessitam ser mencionadas: Segundo dados de Lambe e Whitman (1969), γs geralmente se encontra no intervalo de 22 a 29 kN/m3 é em função dos minerais constituintes do solo. Solos orgânicos tendem a apresentar valores de γs menores que o convencional, enquanto que solos ricos em minerais ferrosos tendem a apresentar γs > 30 kN/m . 3


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8. COMPACTAÇÃO

8.1.

Introdução

Entende-se por compactação o processo manual ou mecânico que visa reduzir o volume de vazios do solo, melhorando as suas características de resistência, deformabilidade e permeabilidade. Muitas vezes, na prática da engenharia geotécnica, o solo de um determinado local não apresenta as condições requeridas pela obra. Ele pode ser pouco resistente, muito compressível ou apresentar características que deixam a desejar de um ponto de vista econômico. Pareceria razoável em tais circunstâncias, simplesmente relocar obra. Devese notar contudo, que considerações outras que não geotécnicas freqüentemente impõem a localização da estrutura e o engenheiro é forçado a realizar o projeto com o solo que ele tem em mãos. Para resolver este problema, uma possibilidade é adaptar a fundação da obra às condições geotécnicas do local. Uma outra possibilidade é tentar melhorar as propriedades de engenharia do solo local. Dependendo das circunstâncias, a segunda opção pode ser o melhor caminho a ser seguido. Neste capítulo será apresentado um método de estabilização e melhoria do solo por vias mecânicas, denominado de compactação. Deve-se ressaltar que existem diversos outros métodos de estabilização dos solos, sendo alguns destes realizados pela mistura ou injeção de substâncias químicas (misturas solo-cimento, "jet-ground", misturas solo-cal), ou pela incorporação no solo de elementos estruturais, os quais têm por função conferir ao mesmo as características necessárias para a execução da obra. Ex: solo reforçado, solo envelopado, terra armada, etc. Os fundamentos da compactação de solos são relativamente novos e foram desenvolvidos por Ralph Proctor, que, na década de 20, postulou ser a compactação uma função de quatro variáveis: a) Peso específico seco, b) Umidade, c) Energia de compactação e d) Tipo de solo (solos grossos, solos finos, etc.). A compactação dos solos tem uma grande importância para as obras geotécnicas, já que através do processo de compactação consegue-se promover no solo um aumento de sua resistência estável e uma diminuição da sua compressibilidade e permeabilidade.


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8.2.

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O emprego da compactação

Em diversas obras, dentre elas os aterros rodoviários e as barragens de terra, o solo é o próprio material resistente ou de construção. Em vista disto, alguns métodos de estabilização ou de melhoria das características de resistência, deformabilidade e permeabilidade dos solos foram desenvolvidos, e a compactação é um desses métodos. O objetivo principal da compactação é obter um solo, de tal maneira estruturado, que possua e mantenha um comportamento mecânico adequado ao longo de toda a vida útil da obra.

8.3.

Diferenças entre Compactação e Adensamento

Pelo processo de compactação, a compressão do solo se dá por expulsão do ar contido em seus vazios, de forma diferente do processo de adensamento, onde ocorre a expulsão de água dos interstícios do solo (capítulo de compressibilidade, volume II). Além do mais, as cargas aplicadas quando compactamos o solo são geralmente de natureza dinâmica e o efeito conseguido é imediato, enquanto que o processo de adensamento é diferido no tempo (pode levar muitos anos para ocorra por completo, a depender do tipo de solo) e as cargas são normalmente estáticas.

8.4.

Ensaio de Compactação

Em 1933, o Eng. Norte americano Ralph Proctor postulou os procedimentos básicos para a execução do ensaio de compactação. A energia de compactação utilizada na realização destes ensaios é hoje conhecida como energia de compactação "Proctor Normal". A seguir são listadas, de modo resumido, as principais fases de execução de um ensaio de compactação. Ao se receber uma amostra de solo (no caso, deformada) para a realização de um ensaio de compactação, o primeiro passo é colocá-la em bandejas de modo que a mesma adquira a umidade higroscópica (secagem ao ar). O solo então é destorroado e passado na peneira #4, após o que adiciona-se água na amostra para a obtenção do primeiro ponto da curva de compactação do solo. Para que haja uma perfeita homogeneização de umidade em toda a massa de solo, é recomendável que a mesma fique em repouso por um período de aproximadamente 24 hs. Curso de especialização em PCHs

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Após preparada a amostra de solo, a mesma é colocada em um recipiente cilíndrico com volume igual a 1000ml e compactada com um soquete de 2500g, caindo de uma altura de aproximadamente 30cm, em três camadas com 25 golpes do soquete por camada, como demonstra fig. 9.1 apresentada adiante. Este processo é repetido para amostras de solo com diferentes valores de umidade, utilizando-se em média 5 pontos para a obtenção da curva de compactação. De cada corpo de prova assim obtido, determinam-se o peso específico do solo seco e o teor de umidade de compactação. Após efetuados os cálculos dos pesos específicos secos e das umidades, lançam-se esses valores (γd;w) em um par de eixos cartesianos, tendo nas ordenadas os pesos específicos do solo seco e nas abcissas os teores de umidade, como se demonstra na fig. 9.2.

8.5.

Curva de Compactação

A partir dos pontos experimentais obtidos conforme descrito anteriormente, traça-se a curva de compactação do solo, apresentada na fig. 9.2. Nota-se que na curva de compactação o peso específico seco aumenta com o teor de umidade até atingir um valor máximo, decrescendo com a umidade a partir de então. O teor de umidade para o qual se obtém o maior valor de γd (γ dmax) é denominado de teor de umidade ótimo (ou simplesmente umidade ótima). O ramo da curva de compactação anterior ao valor de umidade ótima é denominado de "ramo seco" e o trecho posterior de "ramo úmido" da curva de compactação. No ramo seco, a umidade é baixa, a água contida nos vazios do solo está sob o efeito capilar e exerce uma função aglutinadora entre as partículas. À medida que se adiciona água ao solo ocorre a destruição dos benefícios da capilaridade, tornando-se mais fácil o rearranjo estrutural das partículas. No ramo úmido, a umidade é elevada e a água se encontra livre na estrutura do solo, absorvendo grande parte da energia de compactação. Na fig. 9.2 é apresentada também a curva de saturação do solo. Como no processo de compactação não conseguimos nunca expulsar todo o ar existente nos vazios do solo, todas as curvas compactação (mesmo que para diferentes energias) se situam à esquerda da curva de saturação. Pode-se mostrar que a curva de saturação do solo pode ser representada pela eq. 9.1, apresentada adiante.


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8.6.

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Energia de compactação

Embora mantendo-se o procedimento de ensaio descrito no item 9.3, um ensaio de compactação poderá ser realizado utilizando-se diferentes energias. A energia de compactação empregada em um ensaio de laboratório pode ser facilmente calculada mediante o uso da eq. 9.2, apresentada a seguir.

Influência da energia de compactação na curva de compactação do solo À medida em que se aumenta a energia de compactação, há uma redução do teor de umidade ótimo e uma elevação do valor do peso específico seco máximo. A fig. 9.3 apresenta curvas de compactação obtidas para diferentes energias.

Tendo em vista o surgimento de novos equipamentos de campo, de grande porte, com possibilidade de elevar a energia de compactação e capazes de implementar uma maior velocidade na construção de aterros, houve a necessidade de se criar em laboratório ensaios com maiores energias que a do Proctor Normal. Surgiram então as energias do Proctor Modificado e Intermediário, superiores à energia do Proctor Normal. As energias Curso de especialização em PCHs

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de compactação usuais são de 6 kgf⋅cm/cm3 para o Proctor normal, 12,6 kgf⋅cm/cm3 para o Proctor Intermediário e 25kgf⋅cm/cm3 para o Proctor Modificado. Na tabela 9.1 apresenta-se uma comparação entre os padrões adotados para a realização dos ensaios de compactação por diferentes órgãos.

8.7. Influência da compactação na estrutura dos solos A fig. 9.4 apresenta a influência da compactação na estrutura dos solos. Conforme se pode observar desta figura, as estruturas formadas no lado seco da curva de compactação tendem a ser do tipo floculada, enquanto que no lado úmido da curva de compactação formam-se solos com estruturas predominantemente dispersas.


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Quando o objetivo principal do processo de compactação é a redução da permeabilidade, é normal que os ensaios sejam realizados acima da umidade ótima (geralmente algo em torno de 2%). Isto é feito de forma a se gerar uma estrutura dispersa do solo, com grãos orientados na direção perpendicular ao esforço de compactação empregado. Deve-se ressaltar contudo que a conjugação de altas energias de compactação de campo e elevados valores de umidade podem conduzir a um processo de orientação excessivo das partículas sólidas, resultando em um fenômeno indesejável de desplacamento das partículas conhecido como laminação. A fig. 9.5 ilustra a aparência de um solo compactado acima da umidade ótima e com grandes energias de compactação.

8.7.

Influência do tipo de solo na curva de compactação

A influência do tipo de solo na curva de compactação é ilustrada na fig. 9.6, apresentada adiante. Conforme se pode observar desta figura, os solos grossos tendem a exibir uma curva de compactação com um maior valor de γdmax e um menor valor de wot do que solos contendo grande quantidade de finos. Pode-se observar também que as curvas de compactação obtidas para solos finos são bem mais "abertas" do que aquelas obtidas para solos grossos.


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8.8.

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Escolha do valor de umidade para compactação em campo

Conforme relatado anteriormente, a compactação do solo deve proporcionar a este, para a energia de compactação adotada, a maior resistência estável possível. A fig. 9.7 apresenta a variação da resistência de um solo, obtida por meio de um ensaio de penetração realizado com uma agulha Proctor, em função de sua umidade de compactação. Conforme se pode observar desta figura, quanto maior a umidade menor a resistência do solo. Pode-se fazer então a seguinte indagação: Porque os solos não são compactados em campo em valores de umidade inferiores ao valor ótimo? A resposta a esta pergunta se encontra na palavra estável. Não basta que o solo adquira boas propriedades de resistência e deformação, elas devem permanecer durante todo o tempo de vida útil da obra.


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8.10. Equipamentos de campo Os princípios que estabelecem a compactação dos solos no campo são essencialmente os mesmos discutidos anteriormente para os ensaios em laboratório. Assim, os valores de peso específico seco máximo obtidos são fundamentalmente função do tipo do solo, da quantidade de água utilizada e da energia específica aplicada pelo equipamento que será utilizado, a qual depende do tipo e peso do equipamento, da espessura da camada de compactação e do número de passadas sucessivas aplicadas. A compactação de campo se dá por meio de esforços de pressão, impacto, vibração ou por uma combinação destes. Os processos de compactação de campo geralmente combinam a vibração com a pressão, já que a vibração utilizada isoladamente se mostra pouco eficiente, sendo a pressão necessária para diminuir, com maior eficácia, o volume de vazios inter-partículas do solo. 8.10.1. Soquetes São compactadores de impacto utilizados em locais de difícil acesso para os rolos compressores, como em valas, trincheiras, etc. Possuem peso mínimo de 15kgf, podendo ser manuais ou mecânicos (sapos). A camada compactada deve ter 10 a 15cm para o caso dos solos finos e em torno de 15cm para o caso dos solos grossos (ver fig. 9.8).


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8.10.2. Rolos Estáticos 8.10.2.1. Pé-de-Carneiro É um tambor metálico com protuberâncias (patas) solidarizadas, em forma tronco-cônica e com altura de aproximadamente de 20cm. Podem ser auto propulsivos ou arrastados por trator. É indicado na compactação de outros tipos de solo que não a areia e promove um grande entrosamento entre as camadas compactadas. A camada compactada possui geralmente 15cm, com número de passadas variando entre 4 e 6 para solos finos e de 6 a 8 para os solos grossos. A fig. 9.9 ilustra rolos compactadores do tipo pé-de-carneiro. A fig. 9.10 ilustra o aspecto da superfície de solo compactado após o uso do péde- carneiro.


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8.10.2.2. Rolo Liso Trata-se de um cilindro oco de aço, podendo ser preenchido por areia úmida ou água, a fim de que seja aumentada a pressão aplicada. São usados em bases de estradas, em capeamentos e são indicados para solos arenosos, pedregulhos e pedra britada, lançados em espessuras inferiores a 15cm. Este tipo de rolo compacta bem camadas finas de 5 a 15cm com 4 a 5 passadas. Os rolos lisos possuem pesos de 1 a 20t e freqüentemente são utilizados para o acabamento uperficial das camadas compactadas. Para a compactação de solos finos utilizam-se rolos com três rodas com pesos em torno de 10t, para materiais de baixa plasticidade e 7t, para materiais de alta plasticidade. A fig. 9.11 ilustra rolos compactadores do tipo liso. Os rolos lisos possuem certas desvantagens como: Pequena área de contato. Em solos de pequena capacidade de suporte afundam demasiadamente dificultando a tração. Necessidade de melhoria do entrosamento entre camadas por escarificação (fig. 9.12).


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8.10.2.3. Rolo Pneumático Os rolos pneumáticos são eficientes na compactação de capas asfálticas, bases e subbases de estradas e indicados para solos de granulação fina a arenosa. Os rolos pneumáticos podem ser utilizados em camadas de mais espessas e possuem área de contato variável, função da pressão nos pneus e do peso do equipamento. Pode se usar rolos com cargas elevadas obtendo-se bons resultados. Nestes casos, muito cuidado deve ser tomado no sentido de se evitar a ruptura do solo. A fig. 9.13 ilustra alguns tipos de rolo pneumático existentes.

8.10.3. Rolos Vibratórios Nos rolos vibratórios, a freqüência da vibração influi de maneira extraordinária no processo de compactação do solo. São utilizados eficientemente na compactação de solos granulares (areias), onde os rolos pneumáticos ou Pé-de-Carneiro não atuam com eficiência. A espessura máxima da camada é de 15cm.


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8.11. Controle da Compactação Para que se possa efetuar um bom controle da compactação do solo em campo, temos que atentar para os seguintes aspectos: - tipo de solo - espessura da camada - entrosamento entre as camadas - número de passadas - tipo de equipamento - umidade do solo - grau de compactação alcançado Assim, alguns cuidado devem ser tomados: 1) A espessura da camada lançada não deve exceder a 30cm, sendo que a espessura da camada compactada deverá ser menor que 20cm. 2) Deve-se realizar a manutenção da umidade do solo o mais próximo possível da umidade ótima. 3) Deve-se garantir a homogeneização do solo a ser lançado, tanto no que se refere à umidade quanto ao material. Na prática, o procedimento usual de controle da compactação é o seguinte: - Coletam-se amostras de solo da área de empréstimo e efetua-se em laboratório o ensaio de compactação. Obtêm-se a curva de compactação e daí os valores de peso específico seco máximo e o teor de umidade ótimo do solo. - No campo, à proporção em que o aterro for sendo executado, deve-se verificar, para cada camada compactada, qual o teor de umidade empregado e compará-lo com a umidade ótima determinada em laboratório. Este valor deve atender a seguinte especificação: wcampo - 2% < wot < wcampo + 2%. Nas figs. 9.15 e 9.16 são apresentadas fotos ilustrativas de processos de aeração e umedecimento da camada de solo a ser compactada, respectivamente. É importante frisar que o solo a ser compactado deve passar, preferencialmente, por uma etapa de repouso para equalização de umidade, de pelo menos um dia. No momento da compactação o valor de umidade do solo deve sofrer somente alguns ajustes. Curso de especialização em PCHs

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- Determina-se também o peso específico seco do solo no campo, comparando-o com o obtido no laboratório. Define-se então o grau de compactação do solo, dado pela razão entre os pesos específicos secos de campo e de laboratório (GC = γd campo / γdmax. )x100. Deve-se obter sempre valores de grau de compactação superiores a 95%. - Caso estas especificações não sejam atendidas, o solo terá de ser revolvido, e uma nova compactação deverá ser efetuada.

Para a determinação da umidade no campo utiliza-se normalmente o umidímetro denominado

"Speedy".

Este

aparelho

consiste

em

um

recipiente

metálico,

hermeticamente fechado, onde são colocadas duas esferas de aço, a amostra do solo da Curso de especialização em PCHs

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qual se quer determinar a umidade e uma ampola de carbureto (carbonato de cálcio (CaC2)). Para a determinação da umidade, agita-se o frasco, a ampola é quebrada pelas esferas de aço e o CaC2 combina-se com a água contida no solo, formando o gás acetileno, que exercerá pressão no interior do recipiente, acionando o manômetro localizado na tampa do aparelho. Com o valor de pressão medido, os valores de umidade são obtidos através de uma tabela específica, que correlaciona a umidade em função da pressão manométrica e do peso da amostra de solo (ver fig. 9.17).

Existem outros métodos também utilizados para determinar a umidade no campo, tais como a queima do solo com a utilização de álcool ou de uma frigideira. Quando possível, deve-se procurar utilizar a estufa. Outros métodos ainda de utilização não muito difundida, estão ganhando espaço no mercado. Destaca-se aí o uso de equipamento micro-ondas, onde a umidade do solo pode ser determinada em cerca de meia hora e a sonda de nêutrons, equipamento bastante utilizado na área agrícola para medidas de teores de umidade do solo. Para a determinação do peso específico seco do solo compactado, os métodos mais empregados são o do frasco de areia e a cravação de um cilindro de volume interno conhecido na camada de solo compactada. No caso do frasco de areia, faz-se um cavidade na camada do solo compactado, extraindo-se o solo e pesando-o em seguida. Para se medir o volume da cavidade, coloca-se o frasco de areia com a parte do funil para baixo sobre a mesma e abre-se a torneira do frasco, deixando-se que a areia contida no frasco encha a cavidade por completo. O volume de areia que saiu do frasco é igual ao volume de solo escavado, de modo que o peso específico do solo pode ser determinado. Curso de especialização em PCHs

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A fig. 9.18 apresenta uma seqüência de passos adotados na cravação de um cilindro rígido em uma camada de solo compactada. Após a cravação, o solo é rasado e o peso do cilindro mais o solo é determinado. Uma outra forma de se verificar a resistência do solo compactado é através da cravação da Agulha de Proctor, que consiste de uma haste calibrada a qual está ligada a um êmbolo apoiado sobre uma mola. Este aparelho permite medir o esforço necessário para fazer penetrar a agulha na camada compactada. Os valores de resistência obtidos nesse ensaio são utilizados no controle da compactação em campo.

- Influência do Número de Passadas do Rolo Com o progresso da compactação em campo, o número de passadas do rolo vai perdendo a sua eficiência na compactação do solo. Deste modo, a compactação dos solos em campo é definida para um determinado número de passadas, normalmente inferior a 10. Este número dependerá do tipo de solo a ser compactado, do tipo de equipamento disponível, e das condições particulares de cada caso. No caso de grandes obras, empregam-se geralmente aterros experimentais para se determinar o número ótimo de passadas do rolo. Em geral, 8 a 12 passadas do rolo em uma camada de solo a ser compactada é suficiente. Caso com 15 passadas não se atinja o valor do peso específico seco determinado, é recomendável que se modifique as condições antes fixadas para a compactação.


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8.12. Índice de Suporte Califórnia (ISC) O Índice de Suporte Califórnia é utilizado como base para o dimensionamento de pavimentos flexíveis. Para a realização do ensaio de ISC, são confeccionados corpos de prova no valor da umidade ótima (wot), utilizando-se três diferentes energias de compactação (a maior energia empregada sendo aproximadamente igual à energia do Proctor modificado). O ensaio ISC visa determinar: - Propriedades expansivas do material. - Índice de Suporte Califórnia. Para a determinação do Índice de Suporte Califórnia teremos que passar por três fases anteriores: a execução de um ensaio de compactação, na energia do Proctor Modificado, a preparação dos corpos de prova, o ensaio de expansão e finalmente o ensaio de determinação do Índice de Suporte Califórnia ou CBR ("California Bearing Ratio"), propriamente dito. 8.12.1. Ensaio de Compactação Este ensaio é realizado de maneira similar àquela apresentada para o ensaio de compactação na energia do Proctor Normal. Neste caso, as dimensões do cilindro de compactação geralmente utilizadas são dadas pela fig. 9.19 e a energia de compactação empregada corresponde à do Proctor Modificado (vide tabela 9.1, coluna AASHTO). Antes de começar a execução do ensaio, coloca-se um disco espaçador no cilindro de compactação, conforme demostrado na fig. 9.19, cuja função é permitir a execução dos ensaios de expansão e CBR.


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O solo a ser utilizado na compactação do corpo de prova deve passar pela malha de 19mm (3/4") e ser moldado na umidade ótima determinada anteriormente.

8.12.3. Ensaio de Expansão Após concluída a preparação do corpo de prova, retira-se o disco espaçador, inverte-se o cilindro e coloca-se a base perfurada na extremidade oposta. No espaço vazio deixado pelo disco espaçador encaixa-se um dispositivo com extensômetro a fim de se determinar as medidas de expansão sofridas pelo solo. São colocados também sobre o corpo de prova um contrapeso não inferior a 4,5kgf que simulará o peso do pavimento a ser construído sobre este solo. O conjunto desta forma preparado é colocado num tanque d'água por um período de quatro dias. Durante este período, são feitas leituras no extensômetro de 24 em 24 horas. Algumas especificações adotadas para os solos a serem utilizados na construção de pavimentos flexíveis são: - Subleitos: Expansão < 3% - Subbases: Expansão < 2%

8.12.4. Determinação do CBR ou ISC O Índice de Suporte Califórnia representa a capacidade de suporte do solo se comparada com a resistência à penetração de uma haste de cinco centímetros de diâmetro em uma camada de pedra britada, considerada como padrão (CBR = 100%). O ensaio é realizado colocando-se o molde cilíndrico (corpo de prova e contrapeso) em uma prensa, onde se fará penetrar um pistão de aço a uma velocidade controlada e constante, medindo-se as penetrações através de um extensômetro ligado ao pistão, como demonstra a fig. 9.20. Três corpos de prova são preparados na umidade ótima com 12, 26 e 55 golpes, determinando-se o valor de γd obtido para cada corpo de prova. Após a imersão em água durante quatro dias, mede-se, para cada corpo de prova, a resistência à penetração de um pistão com φ = 5 cm, a uma velocidade de 1,25 mm/min, para alguns valores de penetração pré-determinados (0,64mm; 1,27; 1,91; 2.54; 3,81; 5,08mm; etc.). Os valores de resistência ao puncionamento assim obtidos, para os valores de penetração de 0,1" e 0,2", são expressos em percentagem das pressões padrão (correspondentes a um ensaio realizado com pedra britada), sendo que o CBR é então calculado através das relações abaixo, adotando-se o maior valor encontrado para cada corpo de prova. Nas eqs. 9.3 e 9.4, os valores das pressões estão expressos em kgf/cm2, Curso de especialização em PCHs

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sendo 70 kgf/cm2 o valor da pressão padrão para uma penetração de 0,1" e 105 kgf/cm2 o valor da pressão padrão para uma penetração de 0,2".

Com os valores obtidos dos três corpos de prova traça-se o gráfico apresentado na fig. 9.21. O valor do Índice de Suporte Califórnia é determinado como sendo igual ao valor correspondente a 95% do γdmax determinado para a energia do Proctor Modificado. O valor de Índice de Suporte Califórnia assim obtido é utilizado para avaliar as potencialidades do solo para uso na construção de pavimentos flexíveis. A eq. 9.5, por exemplo, apresenta uma correlação empírica utilizada para se estimar, a partir do I.S.C., o módulo de elasticidade do solo.

Figura 8.20 - Equipamento utilizado na determinação do ISC ou CBR. Apud Vargas (1977). Curso de especialização em PCHs

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9. INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO

9.1.

Introdução

Qualquer projeto de engenharia, por mais modesto que seja, requer o conhecimento adequado das características e propriedades dos solos onde a obra irá ser implantada. As investigações de campo e laboratório requeridas para obter os dados necessários para responder a essas quest es são chamadas de exploração do subsolo ou investigação do subsolo. Os principais objetivos de uma exploração do subsolo são: - determinação da profundidade e espessura de cada camada do solo e sua extensão na direção horizontal; - determinação da natureza do solo: compacidade dos solos grossos e consistência dos solos finos; - profundidade da rocha e suas características (litologia, mergulho e direção das camadas, espaçamento das juntas, planos de acamamento, estado de decomposição); - localização do nível d'água (NA);


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- obtenção de amostras (deformadas e/ou indeformadas) de solo e rocha para determinação das propriedades de engenharia; - determinação das propriedades "in situ" do solo por meio de ensaios de campo. O programa de investigação do subsolo deve levar em conta o tipo e a importância da obra a ser executada. Isso quer dizer que, determinadas estruturas como túneis, barragens e grandes edificações exigem um conhecimento mais minucioso do subsolo do que aquele necessário à construção de uma pequena residência térrea, por exemplo. É importante ressaltar, que mesmo para estruturas de pequeno porte é extremamente importante o conhecimento adequando do subsolo sobre qual está se trabalhando, pois a negligência na obtenção dessas informações podem conduzir a problemas na obra com prejuízos de tempo e recursos para recuperação. Usualmente, a estimativa de custo de um programa de investigação do subsolo está entre 0,5 a 1% do custo da construção da estrutura, sendo a percentagem mais baixa referente aos grandes projetos e projetos sem condições críticas de fundação e a percentagem mais alta ligada a projetos menores e com condições desfavoráveis. Um programa de investigações deve ser executado em etapas, quais sejam: a) Reconhecimento: nesta etapa procura-se obter todo o tipo de informação necessária

ao desenvolvimento do projeto, através de documentos existentes (mapas geológicos, fotos aéreas, literatura especializada) e visita ao local. b) Prospecção: obtém-se, nesta etapa, as características e propriedades do subsolo, de

acordo com as necessidades do projeto ou do estágio em que a obra se encontra. Assim, a prospecção pode ser divida em fase preliminar, complementar e localizada. A fase de prospecção preliminar deve fornecer os dados suficientes para a localização das estruturas principais e estimativas de custos. Nesta fase serão executados os ensaios in situ e retirada de amostras para investigação por meio de ensaios de laboratório, etc. Na fase complementar, como o próprio nome já indica, são feitas investigações adicionais com o objetivo de solucionar problemas específicos. Finalmente, a fase de prospecção localizada, deverá ser realizada quando as informações obtidas nas fases anteriores são insuficientes para um bom desenvolvimento do projeto. Usualmente, os métodos de prospecção do subsolo para fins geotécnicos usados na etapa de prospecção se classificam em métodos diretos (poços, trincheiras, sondagens a trado, sondagens de simples reconhecimento, rotativas e mistas), métodos semidiretos (Vane test, CPT e ensaio pressiométrico) e métodos indiretos ou geofísicos. Além desses, temos a coleta de Curso de especialização em PCHs

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amostras indeformadas por meio de blocos indeformados ou por meio de amostradores de parede fina. A seguir esses métodos serão apresentados. c) Acompanhamento: Esta etapa tem a finalidade de avaliar o comportamento previsto e

o desempenhado pelo solo, sendo geralmente feita através de instrumentos instalados antes e durante a construção da obra para a medida da posição do nível d'água, da pressão neutra, tensão total, recalque, deslocamento, vazão e outros.

9.2. Métodos de prospecção geotécnica 9.2.1. Métodos diretos São perfurações executadas no subsolo destinadas a observar diretamente as diversas camadas do solo, em furos de grande diâmetro, ou obter amostras ao longo do perfil, em furos de pequenos diâmetros. Os métodos diretos podem ser classificados em manuais (poços, trincheiras e sondagem a trado) e mecânicos (sondagem a percussão, rotativa e mista). 9.2.1.1. Poços Os poços são perfurados manualmente com o auxílio de pás e picaretas, sendo a profundidade máxima limitada pela presença do nível d'água ou desmoronamento das paredes laterais. O diâmetro mínimo do poço deve ser da ordem se 60cm, para permitir a movimentação do operário dentro do mesmo. Os poços permitem, através do perfil exposto em suas paredes, um exame visual das camadas do subsolo e de suas características de consistência e compacidade, bem como, a coleta de amostras indeformadas na forma de blocos (ver item 10.2.1.7). 10.2.1.2. Trincheiras São valas escavadas mecanicamente por meio de escavadeiras. Permitem um exame visual e contínuo do subsolo, segundo uma direção e permitem, também, coleta de amostras deformadas e indeformadas. 10.2.1.3. Sondagem à trado A sondagem a trado é uma perfuração executada manualmente no subsolo com o auxílio de trados, (fig. 10.1). A perfuração é feita com os operadores girando a barra horizontal acoplada à haste vertical do trado, em cuja extremidade oposta encontra-se o elemento cortante (broca ou cavadeira). A cada 5 ou 6 rotações, o trado deve ser retirado a fim de remover o material acumulado em seu corpo, o qual deverá ser colocado em sacos plásticos devidamente etiquetados. Esse material pode ser usado no laboratório para identificação visual e táctil das camadas e determinação da umidade do solo. Curso de especialização em PCHs

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A sondagem a trado é, usualmente, utilizada em investigações preliminares do subsolo, até uma profundidade da ordem de 10m e acima do NA. Tem como principal vantagem a de ser um procedimento simples, rápido e econômico. Porém as informações obtidas são apenas do tipo de solo, espessura de camada e posição do lençol freático, sendo também possível a coleta de amostra deformadas e acima do NA. Esse processo de perfuração não deve ser usado para solos contendo camadas de pedregulhos, matacões, areias muito compactas e solos abaixo do nível d'água.

9.2.1.4. Sondagem a percussão ou de simples reconhecimento (SPT) É o método de sondagem mais empregado no Brasil, principalmente em prospecção do subsolo para fins de fundações. Permite tanto a retirada de amostras deformadas e determinação do NA, quanto a medida do índice de resistência a penetração dinâmica (SPT), o qual é usado para obter, através de correlações, o comportamento de resistência ao cisalhamento do solo, dentre diversos outros parâmetros do solo. Além disso, é um ensaio de baixo custo, simples de executar, permitindo, ainda, a obtenção de informações do estado de consistência e compacidade dos solos. O procedimento do ensaio é normalizado pela ABNT através da norma NBR 6484/80. O equipamento para execução da sondagem à percussão é constituído de um tripé equipado com roldanas e sarilho que possibilita o manuseio de hastes metálicas ocas, em cujas extremidades fixa-se um trépano biselado (faca cortante) ou um amostrador padrão (fig. 10.2). Fazem parte do equipamento, tubos metálicos com diâmetro nominal superior ao da haste de perfuração, coxim de madeira, martelo de ferro com 65kg para cravação das hastes e dos tubos de revestimento, sendo este último destinado a revestir as paredes do furo a fim de evitar instabilidade. O equipamento possui, ainda, um conjunto Curso de especialização em PCHs

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motor-bomba para circulação de água no avanço da perfuração, bem como amostrador de parede grossa, trados cavadeira e espiral e trépanos.

O amostrador padrão ou amostrador Terzaghi-Peck, o único que deve ser usado no ensaio, possui três partes, engate, corpo e sapata. É constituído de tubos metálicos de parede grossa com corpo bipartido e ponta em forma de bisel (fig. 10.3). O engate tem dois orifícios laterais para saída da água e ar e contém, interiormente, uma válvula constituída por esfera de aço inoxidável. A fig. 10.4 mostra um corte do amostrador padrão indicando suas principais dimensões.


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Em linhas gerais, o procedimento de execução de sondagens de simples reconhecimento é um processo repetitivo, de modo que em cada metro de solo, são realizadas três operações, abertura do furo (perfuração), ensaio de penetração e amostragem, as quais serão comentadas a seguir. Em cada metro, faz-se, inicialmente, a realização do ensaio de penetração dinâmica e amostragem, envolvendo 45 cm de solo ao total, sendo posteriormente realizado o avanço por escavação do furo por um comprimento igual a 55cm. A fig. 10.5 mostra um esquema de execução da sondagem. Nos primeiros 45 cm é conveniente que o ensaio de penetração não seja realizado.

Figura 9.5- Esquema de realização do ensaio de SPT.


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a) Perfuração: A perfuração é iniciada com o trado cavadeira de 100mm de diâmetro, até a profundidade de 1 metro, instalando-se o primeiro segmento do tubo de revestimento. A partir do segundo metro e até atingir o nível d'água a perfuração deverá ser feita com trado espiral. Abaixo do NA, a abertura do furo passa a ser feita por processo de lavagem por circulação de água, usando o trépano como ferramenta de escavação. A lama, resultante da desagregação do solo e água injetada, retornará à superfície pelo espaço anelar formado pelo tubo de revestimento e hastes de perfuração, sendo depositada em um reservatório próprio. Durante a lavagem, o mestre sondador ficará observando, na saída, as amostras de lama para identificar possível mudança de camada de solo. O processo de lavagem por circulação de água permite um rápido avanço do furo, sendo por isso preferido pelas equipes de perfuração. Deve-se ressaltar contudo, que esse procedimento não deve ser usado acima do NA, pois dificulta a determinação do nível d'água e altera as características geotécnicas dos solos. Atingida a cota de ensaio, por qualquer dos procedimentos, o furo deverá estar bem limpo para a realização do ensaio de penetração. b) Ensaio de penetração: Atingida a cota de ensaio, conecta - se o amostrador padrão às hastes de perfuração, posicionando-o no fundo do furo de sondagem. Em seguida, a cabeça de bater é posicionada no topo da haste e o martelo é apoiado suavemente sobre essa peça, anotando-se a eventual penetração do amostrador. A partir de um ponto fixo qualquer, por exemplo o tubo de revestimento, marca-se na haste de perfuração um segmento de 45cm dividido em três trechos de 15cm. O ensaio de penetração consiste na cravação do amostrador no solo através de quedas sucessivas do martelo de 65kg, erguido até a altura de 75cm e deixado cair em queda livre, como mostrado na fig. 10.6. Procede-se a cravação de 45cm do amostrador, anotando-se, separadamente, o número de golpes necessários à cravação de cada 15cm do amostrador.


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O resultado do ensaio de penetração será expresso pelo índice de resistência à penetração dinâmica (N), conhecido como SPT (“Standard Penetration Test”). O SPT é dado pela soma do número de golpes necessários para cravar os 30cm finais do amostrador padrão. c) Amostragem: A cada metro de profundidade, são coletadas amostras pela cravação do amostrador padrão com o objetivo de identificar o solo "in situ" e/ou, posteriormente, no laboratório para esclarecimento de dúvidas que por ventura venha a ocorrer. As amostras obtidas são deformadas e comprimidas em função do impacto de cravação e são adequadas apenas para caracterização e identificação táctil visual do solo. 106

Com a amostra colhida no amostrador e com o valor o SPT (soma dos número de golpes para cravar os 30cm finais do amostrador) fazem-se a identificação e classificação do solo, de acordo com a ABNT - NBR 7250/80, utilizando testes tácteis-visuais com a finalidade de definir as características granulométricas, de plasticidade, presença acentuada de mica, matéria orgânica e cores predominantes. De acordo com a norma acima, o nome dado ao solo não deverá conter mais do que duas frações e sugere as cores: branco, cinza, preto, marrom, amarelo, vermelho, roxo, azul e verde, podendo-se usar claro e escuro, para o máximo de duas cores e o termo variegado quando não houver duas cores predominantes. Curso de especialização em PCHs

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Com o valor do SPT obtido em cada metro, os solos são classificados, quanto a compacidade (solos grossos) e consistência (solos finos), conforme mostram as Tabelas 10.1 e 10.2. Nestas tabelas também estão apresentados os valores estimados de ângulo de atrito, densidade relativa e resistência de ponta do cone (vide item 10.2.2.1), (qc), para os solos arenosos e estimativa da resistência a compressão simples (Su), para os solos argilosos.

As correlações existentes entre o SPT e a consistência das argilas, principalmente as argilas sensíveis, podem estar sujeitas a erros, em virtude da mudança de comportamento da argila em função de cargas dinâmicas e estáticas, provocando o amolgamento (destruição da estrutura) e consequentemente modificando sua resistência à penetração. Além disso, é importante ressaltar que os valores de N podem ser alterados por fatores ligados ao equipamento usado, técnica operacional, bem como erros acidentais. Os fatores ligados ao equipamento são: - Forma, dimensões e estado de conservação do amostrador. O amostrador deve ter, rigorosamente, as dimensões indicadas pela norma. Quanto maior a sua seção ou mais espessa sua parede, maiores serão os índices de resistência à penetração obtidos. Conforme discutido na capítulo de origem e formação dos solos, o uso do equipamento de SPT em solos residuais jovens ou saprolíticos pode acarretar na perda da afiaçãodo bisel do amostrador, resultando em uma maior dificuldade de cravação do mesmo e na obtenção de valores de SPT superiores aos devidos para estas camadas.


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- Estado de conservação das hastes e uso de hastes de diferentes pesos. Hastes com massa maior levam a índices maiores, por absorver uma maior quantidade da energia aplicada. As hastes devem ter massa variando entre 3,2 a 4,4kg/m. - Martelo não calibrado e natureza da superfície de impacto (ferro sobre ferro). O coxim de madeira deve estar, sempre, em boas condições, não deverá ocorrer golpes metalmetal. - Diâmetro do tubo de revestimento: quanto maior o diâmetro do tubo de revestimento maior a alteração que o solo, abaixo da ponta do tubo, poderá sofrer. Os tubos de revestimento devem ser de aço, com diâmetro nominal interno de 67mm ou 76mm. Os fatores ligados a técnica de operação são os seguintes: - Variação da energia de cravação: o martelo deve cair em queda livre de uma altura constante (75cm). É muito comum, com o transcorrer do dia, haver uma tendência, devido ao cansaço, da altura de queda ir diminuindo e com isso aumentando-se os valores dos índices; - Processo de avanço da sondagem, acima e abaixo do nível d'água subterrâneo. Conforme já comentado, a lavagem por circulação de água somente é permitida abaixo do NA, devendo-se acima do NA usar o trado espiral. - Má limpeza do furo. Presença de material no interior da perfuração. Furo não alargado suficientemente para a livre passagem do amostrador. Quanto aos erros acidentais, refere-se a erros na contagem do número de golpes, sendo a maioria cometidos devido ao baixo nível de escolaridade do pessoal do grupo. São os mais difíceis de serem constatados. Os resultados de uma sondagem deverão ser apresentados em forma de relatório contendo o perfil individual de cada furo, com as cotas, diâmetro do tubo de revestimento, posições onde foram recolhidas amostras, posição do N.A., resistência a penetração (SPT) e descrição do solo, bem como um corte longitudinal (seção), onde podem ser evidenciadas as seqüências prováveis das camadas do subsolo. O relatório fornecerá dados gerais sobre o local e o tipo de obra, descrição sumária do equipamento e outros dados julgados importantes. A fig. 10.7 apresenta um perfil individual de sondagem à percussão e a fig. 10.8, um perfil associado do subsolo. Na figura 10.8, o termo P/45 indicam uma penetração de 45 cm devida apenas ao peso próprio da composição, sem a necessidade de execução de qualquer golpe. Curso de especialização em PCHs

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Considerações sobre o ensaio SPT Critérios de paralisação da sondagem a) quando em 3m sucessivos, se obtiver índices de penetração maiores do que 45/15 (quarenta e cinco golpes para os quinze primeiros cm de penetração); b) quando, em 4m sucessivos, forem obtidos índices de penetração entre 45/15 e 45/30; c) quando, em 5m sucessivos, forem obtidos índices de penetração entre 45/30 e 45/45. d) Caso a penetração seja nula em 5 impactos do martelo, o ensaio deverá ser interrompido, não havendo necessidade de obedecer o critério estabelecido acima. No entanto, se esta situação ocorrer antes de 8,0m de profundidade, a sondagem deverá ser deslocada até o mínimo de 4 vezes em posições diametralmente opostas, distantes 2,0m da sondagem inicial. e) Atingida a condição de impenetrável à percussão anteriormente descrita, a mesma poderá ser confirmada pelo ensaio de avanço por lavagem, por 30minutos, anotando-se os avanços para cada período de 10 minutos. A sondagem será dada como encerrada quando nessa operação forem obtidos avanços inferiores a 5cm em cada período de 10minutos, ou quando após a realização de 4 ensaios consecutivos não for alcançada a profundidade de execução do ensaio penetrométrico seguinte.


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Espaçamento entre cada sondagem O espaçamento ou o número de sondagens e sua distribuição em planta dependerá do tipo, tamanho da obra e da fase em que se encontra a investigação do subsolo. Praticamente, é impossível estipular o espaçamento entre as sondagens antes de uma investigação inicial, pois este será em função da uniformidade do solo. Quando a estrutura tem sua localização bem definida dentro do terreno, a ABNT (NBR 8036) sugere o número mínimo de sondagens a serem realizadas, em função da área construída, conforme mostra a Tabela 10.3. Os furos devem ser internos à projeção da área construída. Quando as estruturas não estiverem ainda localizadas, o número de sondagens deve ser fixado, de modo que, a máxima distância entre os furos seja de 100m e cobrindo, uniformemente, toda a área. A sondagem deverá ser executada até o


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impenetrável ao amostrador ou até a cota mais baixa da isóbara igual a 0,10p, estimada pelo engenheiro projetista da fundação, para o caso de fundações rasas.

Observação do nível d'água Durante a execução da sondagem são feitas as determinações do nível d'água, registando-se a sua cota e/ou a pressão que se encontra em campo (verificação da existência de artesianismo). Quando detectar um grande aumento da umidade do solo retirado com o trado helicoidal, a perfuração deverá ser interrompida e passa-se a observar a elevação da água no furo até a sua estabilização, efetuando-se leituras a cada 5 minutos, durante 30 minutos. As leituras são efetuadas utilizando um pêndulo ou pio elétrico. Sempre que houver paralisação dos serviços, antes do reinicio é conveniente uma verificação da posição do nível d'água.

9.2.1.5. Sondagem rotativa A sondagem rotativa é empregada na perfuração de rochas, matacões e solos de alta resistência. Tem como objetivo principal a obtenção de testemunhos (amostras de rocha) para identificação das descontinuidades do maciço rochoso, mas permite ainda a realização de ensaios "in situ", como por exemplo o ensaio de perda d'água ou infiltração. O equipamento para a realização da sondagem rotativa compõe-se de uma haste metálica rotativa dotada, na extremidade, de uma ferramenta de corte, denominada coroa, bem como de barriletes, conjunto motor-bomba, tubos de revestimento e sonda rotativa. As sondas rotativas imprimem o movimento de rotação, recuo e avanço nas hastes. Curso de especialização em PCHs

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Através desse movimento, a coroa, que é uma peça constituída de aço especial com incrustações de diamante ou vídia nas extremidades, vai desgastando a rocha e permitindo a descida do tubo de revestimento e alojamento do testemunho no interior do barrilete. As hastes são ocas, para permitir a injeção de água no fundo da escavação a fim de refrigerar a coroa e carregar os detritos da perfuração até superfície. A utilização de tubos de revestimento é indispensável quando as paredes do furo apresentarem-se instáveis, com tendência ao desmoronamento, pondo em risco a coluna de perfuração. Os revestimentos também são necessários quando se atravessa uma formação fraturada ou muito permeável, causando perdas consideráveis de água de circulação. Os revestimentos são tubos de aço com paredes finas mas de elevada resistência mecânica, com comprimento de 1 a 3m, rosqueados nas extremidades. A execução da sondagem rotativa consiste basicamente na realização de manobras consecutivas de movimento rotativo para o corte da rocha. O comprimento da manobra é determinado pelo comprimento do barrilete, em geral 1,5 a 3,0m. Terminada a manobra, o barrilete é retirado do furo e os testemunhos são cuidadosamente retirados e colocados em caixas especiais com eparação e obedecendo a ordem de avanço da perfuração. Os resultados da sondagem são apresentados na forma de um perfil individual de cada furo, contendo cotas e descrição dos testemunhos. A descrição dos testemunhos inclui a classificação litológica (gênese, mineralogia, textura e cor), o estado de alteração da rocha e o grau de fraturamento. O estado de alteração é um fator qualitativo e subjetivo para expressar o grau de alteração da rocha, a saber: rocha extremamente alterada ou decomposta, muito alterada, medianamente alterada, pouco alterada. O grau de fraturamento é expresso através do número de fragmentos por metro, o qual é obtido dividindo-se o número de fragmentos recuperados em cada manobra pelo comprimento da manobra. O critério adotado na classificação é o seguinte: - ocasionalmente fraturada: 1 fratura/metro - pouco fraturada: 1 - 5 fraturas/metro - medianamente fraturada: 6 - 10 fraturas/metro - muito fraturada: 11 - 20 fraturas/metro - extremamente fraturada: > 20 fraturas/metro - em fragmentos: pedaços de diversos tamanhos Atualmente tem-se utilizado um parâmetro chamado RQD (Rock Quality Designation), para expressar a qualidade das rochas. O RQD é dado pela relação entre a soma dos Curso de especialização em PCHs

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comprimentos dos testemunhos com mais de 10cm dividido pelo comprimento da manobra. A Tabela 10.4 apresentada a classificação da rocha em função do RQD.

9.2.1.6. Sondagem mista Sondagem mista é aquela em que são executados os processos de percussão associados ao processo rotativo. Os dois métodos são alternados de acordo com as camadas do terreno. É recomendada para terrenos com presença de blocos de rocha, matacões, sobrejascentes a camadas de solo. A maioria dos casos de sondagem mista inicia-se, pelo método à percussão, atingindo o impenetrável por esse método, reveste-se o furo e passa-se ao processo rotativo. Quando ocorre novamente a mudança de material (rocha para solo), interrompe-se a manobra e o furo prossegue por percussão com medida do índice de resistência à penetração. Os resultados são apresentados conforme já comentado anteriormente para cada caso.

9.2.1.7. Amostragem A amostragem é o processo de retirada de amostras de um solo com o objetivo de avaliar as propriedades de engenharia do mesmo. As amostras obtidas podem ser de dois tipos: amostras deformadas e indeformadas. Amostras deformadas. As amostras deformadas são aquelas que conservam as composições granulométrica e mineral do solo "in situ" e se possível sua umidade natural, entretanto, a sua estrutura foi perturbada pelo processo de extração. São obtidas por meio de pás, picaretas, TR dos e amostradores de parede grossa. As amostras deformadas são utilizadas para execução dos ensaios de caracterização do solo (granulometria, limites de consistência, massa específica dos sólidos), ensaios de identificação táctil - visual, ensaio de compactação e moldagem de corpos de prova, sob determinadas condições de grau de compactação e teor de umidade. Curso de especialização em PCHs

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Amostras indeformadas. São aquelas que conservam tanto as composições granulométrica e mineral do solo, quanto o teor de umidade e a estrutura. O termo indeformada quer dizer que a amostra foi submetida ao mínimo de perturbação possível, pois qualquer método amostragem sempre produz uma modificação no estado de tensão o qual está submetido essa amostra. As amostras indeformadas são usadas na execução de ensaios de laboratório para obtenção dos parâmetros de resistência ao cisalhamento e compressibilidade do solo. Podem ser obtidas por meio de blocos indeformados ou por meio de amostradores de parede fina.

10. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA AASHTO - American Association for State Highway and transportation officials. Standard specifications for transportation materials and methods of sampling and testing. Specifications, part 1 and tests, part 2, Washington, 1978. ABNT NBR 10838 - Solo - Determinação da massa específica aparente de amostras indeformadas, com o emprego de balança hidrostática ABNT NBR 10905 - Solo: ensaio de palheta in situ. ABNT NBR 12004 - Solo - Determinação do emax de solo não coesivo. ABNT NBR 12051 - Solo - Determinação do emin de solo não coesivo. ABNT NBR 3406/91 - Solo: Ensaio de Penetração do Cone in situ (CPT). ABNT NBR 5734 - Peneiras para ensaios. ABNT NBR 6122 (antiga NB 12) - Projeto e execução de fundações. ABNT NBR 6457 - Amostras de solo - Preparação para ensaios de compactação e caracterização. ABNT NBR 6459 - Solo - Determinação do Limite de Liquidez. ABNT NBR 6484/80 - Execução de Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos. Método de Ensaio. ABNT NBR 6491 - Reconhecimento e amostragem para fins de caracterização de pedregulho e areia. ABNT NBR 6497 - Levantamento geotécnico. ABNT NBR 6502 - Rochas e solos - Terminologia (1995). ABNT NBR 6508 - Grãos que passam na # 4,8mm, determinação da massa específica. ABNT NBR 7180 - Solo - Determinação do Limite de Plasticidade. ABNT NBR 7181 - Solo - Análise granulométrica. ABNT NBR 7182 - Solo - Ensaio de compactação. ABNT NBR 7183 - Solo - Determinação do limite e relação de contração. ABNT NBR 7250 - Identificação e descrição de amostras de solos obtidas em sondagens de simples reconhecimento dos solos. Curso de especialização em PCHs

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103

ABNT NBR 8036 - Programação de sondagens de simples reconhecimento dos solos para fundações de edifícios. ABNT NBR 9603 - Sondagem à trado. ABNT NBR 9604 - Abertura de poço e trincheira de inspeção em solo com retirada de amostras deformadas e indeformadas. ABNT NBR 9820 - Coleta de amostras indeformadas de solo em furos de sondagem. ABNT NBR 9941 - Redução de amostra de campo de agregados para ensaio de laboratório. ASTM - ASTM Natural building stones; soil and rocks. Annual book of ASTM standards, part 19, Philadelphia, 1980. BARATA, F. E. Propriedades mecânicas dos solos. Ed. Livros técnicos e científicos S.A. Rio de Janeiro, 1984. BUENO, B. S. & VILAR, O. M. Mecânica dos solos. Gráfica EESC/USP, vols. 1e 2. São Carlos, 1985. CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações. Ed. Livros técnicos e científicos S.A, Vols. 1, 2 e 3. Rio de Janeiro, 1981. CASAGRANDE, A. Classification and identification of soils. Transactions, ASCE, vol. 113, pp. 901-930, 1948. CRIAG, R. F. Soil mechanics. Chapman & Hall, London, 1992. DE LIMA, M. J. C. P. Prospecção geotécnica do subsolo. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, 1983 GIACHETI, H. L. (1991). Estudo Experimental de Parâmetros Dinâmicos de Alguns Solos Tropicais do Estado de São Paulo. São Paulo, 1991, v.1, 232p. Tese (Doutoramento) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. HOLTZ, R. & KOVACS. An introduction to Geotechnical Engineering. Prentice Hall, New Jersey, 1981. LAMBE, T. W. & WHITMAN, R. V. Soil Mechanics. John, Wiley & Sons, Inc. New York, 1969. MACHADO, S. L. Alguns conceitos de mecânica dos solos dos estados críticos. Gráfica EESC/USP. São Carlos, 1997. NOGUEIRA, J. B. BUENO. Mecânica dos solos. Gráfica EESC/USP. São Carlos, 1988. NOGUEIRA, J. B. Mecânica dos solos - Ensaios de laboratório. Gráfica EESC/USP. São Carlos, 1995. ORTIGÃO, J. A. R. Introdução à mecânica dos solos dos estados críticos. Ed. Livros técnicos e científicos S.A, Rio de Janeiro, 1993. PERLOFF, W. & BARON, W. Soil Mechanics. John, Wiley & Sons, Inc. New York, 1976. PINTO, C. S. Curso básico de Mecânica dos Solos. Oficina de textos, São Paulo, 2000. SANCHES, C. P. & SILVA, A. J. P. Caminhos Geológicos da Bahia. Convenio: PETROBRÁS/SBG/CPRM/GOVERNO DA BAHIA, s. d.. www.geocities.com/sbg-bahia. SKEMPTON, A. W. The colloidal activity of clays. III ICSMFE, Vol. 1, pp. 143-147, 1953.


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104

UFBA/DCTM - Notas de aula do Setor de Geotecnia do DCTM, elaborada pelos professores Evangelista Cardoso Fonseca, João Carlos Baptista e Roberto Guimarães. VARGAS, M. Introdução à mecânica dos solos. Ed. Mcgraw-Hill, USP, 1977. VELLOSO, D. A e LOPES, F. R. Fundações - Critérios de projeto, Investigação do subsolo e fundações superficiais. 2. ed. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 1996. VENKATRAMAIAH, C. Geotechnical Engineering. John, Wiley & Sons, Inc. New York, 1993.


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Introdução à Energia, Regulação e Mercado PRÁTICAS LABORATORIAIS DE MECÂNICA DOS SOLOS

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1. PERFIL DO SOLO

1.1 INTRODUÇÃO O solo, devido a sua origem, apresenta diversos horizontes que se diferenciam pelas suas propriedades. Essas diferenças auxiliam na distinção das classes de solo. “ Assim, a descrição de perfil de solo é essencial para a taxonomia destes e para a avaliação da aptidão para fins agrícolas, florestais ou outros usos”. (NETO et al , 1999). Segundo NETO et al

(1999), os perfis do solo devem ser descritos em trincheiras,

entretanto, para informações preliminares, podem ser usados barrancos ou cortes de estrada. Para realizar a descrição dos perfis registram-se informações sobre a paisagem, localização e características morfológicas como textura, estrutura, consistência, cor, etc. A cor é uma característica facilmente observada em uma análise de perfil, separando os seus diversos horizontes. Por isso, ela é utilizada para a classificação de solos desde a antigüidade. A cor fornece, também, informações qualitativas sobre a composição mineralógica, a presença de matéria orgânica e o ambiente de formação do perfil do solo. A determinação da cor é padronizada internacionalmente pela Carta de Munssel. Nesta carta encontram-se diversas páginas e cada uma delas representa um matiz do vermelho (5R) ao amarelo (5Y).

1.2 OBJETIVOS O objetivo desta prática é apresentar um perfil de solo presente em um corte de estrada, separando diversos horizontes pela cor.

1.3 MATERIAS UTLIZADOS

Amostras de solo Carta de Cores de Munssel pisset contendo água.


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Introdução à Energia, Regulação e Mercado 2. COLETA DE AMOSTRAS DE SOLOS

106

2.1 INTRODUÇÃO A coleta de amostra de solo varia de acordo com os objetivos da análise que se pretende realizar. No entanto, mesmo com os diversos objetivos, deve-se dividir a área em porções homogêneas quanto ao relevo, tipo de drenagem e uso do terreno. A partir das amostras coletadas pode-se também, avaliar as propriedades . Algumas propriedades utilizam terra destorroada e outras dependem de amostras com sua estrutura original. Por isso, as amostras são divididas em: a) amostras deformadas: não é necessário preservar o arranjamento natural do solo b) amostras indeformadas: onde se procura preservar as relações entre espaços dos poros e material sólido, mantendo a estrutura original.

2.2 OBJETIVOS Esta prática tem por objetivo a correta coleta, preparação e armazenamento das amostras de solo para posteriores análises.

2.3 MATERIAIS UTILIZADOS

sacos plásticos etiquetados faca trado martelo pedológico peneira de malha de 2mm

2.4 METODOLOGIA O primeiro passo a ser seguido é a limpeza da área de coleta das amostras. Em seguida, separam-se os horizontes do perfil, baseando-se em suas propriedades morfológicas, e inicia-se a coleta a partir do horizonte mais profundo para o mais superficial. Quando for utilizado o trado, deve-se fazer raspagem superficial da vegetação no local de coleta e diferenciar as amostras em função da variação vertical das propriedades do solo, anotando-se as respectivas propriedades”. (NETO et al, 1999). Finalmente para amostras deformadas do solo, segue-se o procedimento abaixo: 1) Etiquetar os sacos plásticos 2) registrar informações sobre o local de coleta (talhão, parcela, perfil, horizonte, etc.) e data da amostragem. 3) coletar cerca de 1 Kg de solo, ou trado, no caso de terreno. 4) coletar cordões para observação posterior de propriedades morfológicas, e 5) levar para o laboratório, espalhando-as em bandejas ou jornais. Deixá-las secando naturalmente (TFSE) por um período mínimo de 48 horas. Após a secagem, passar as amostras em peneiras de 2 mm de malha e armazená-las em recipientes adequados para posteriores análises. Curso de especialização em PCHs

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107

3. DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO SOLO 3.1

INTRODUÇÃO A água, se não for o principal, é um dos principais elementos encontrados no meio

em que vivemos. Dentre outras funções, ela “atua na formação do solo, pois é um dos mais ativos agentes do intemperismo das rochas e minerais” (FERREIRA & DIAS, 1999). Segundo NUNES (1958), o solo é constituído por partículas sólidas e de poros cheios de ar, de água ou de ambos. A água é retida nos poros devido as forças de adsorção, adesão e coesão, exercidas pelo solo; além do fato de que a sua molécula é composta de um dipolo elétrico e a partícula do solo é eletricamente carregada. A água retida nos poros se torna um importante veículo para o fornecimento de nutrientes aos vegetais em crescimento, além de “controlar dois outros componentes, essenciais ao crescimento normal aos vegetais: o ar e a temperatura do solo” (BUCKMAN & BRADY, 1967)

3.2 OBJETIVOS Estas práticas têm por objetivos a determinação do teor de umidade presente na amostra de solo.

3.3 MATERIAS UTLIZADOS

Cápsula Metálica balança técnica espátula pinça de metal estufa dessecador.

3.4. METODOLOGIA Após a coleta e o correto armazenamento da amostra, pode-se realizar, em laboratório, a determinação da umidade. Neste, a amostra úmida é colocada em cápsula metálica Curso de especialização em PCHs

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Introdução à Energia, Regulação e Mercado 108 numerada e de peso previamente conhecido (T). Em seguida, pesa-se o conjunto cápsula e amostra úmida (Pu) e o transfere para a estuda a 105 – 110 ºC, por 24 horas. Após esse período, retira-se a amostra e a deixa esfriar no dessecador. Efetua-se, então, a pesagem do conjunto cápsula e amostra seca (Ps). O cálculo do teor de umidade é dado pela fórmula seguinte e é dita umidade atual: Mu = massa da amostra úmida = Pu – T (g) Ms = massa da amostra seca = Ps – T (g)

Ua[%] =

Mu − Ms *100 Ms

Para se obter a umidade higroscópica ou residual, deve-se repetir o procedimento acima. Porém, a amostra deve ser seca ao ar (terra fina seca ao ar – TFSA) e peneirada em peneira com malha de 2 mm. As fórmulas são:

TFSA = Pu − T [ g ] TFSE = Ps − T [ g ] TFSA − TFSE * 100 UH [%] = TFSE

(uma casa decimal)

Os resultados das determinações analíticas em laboratório devem ser expressos em % de terra fina seca em estufa (TFSE). Como o manuseio da amostra de TFSE é bastante problemático, visto que, ao ser retirada da estufa esta tem a capacidade de reidratar-se, empregase um fator de correção. Este fator de correção é utilizado na correção dos resultados de análises de solo feitas em TFSA para TFSE a 105ºC. Assim, tem-se:

fc =

TFSA TFSE

(três casas decimais)


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3.5.

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RESULTADOS

UMIDADE ATUAL Horizonte

Pu [g]

Ps [g]

T [g]

Ua [%]

UMIDADE HIGROSCÓPICA E FATOR DE CORREÇÃO Horizonte

Pu [g]

Ps [g]

T [g]

Uh [%]

fc

4. DETERMINAÇÃO DA TEXTURA E ÍNDICE DE FLOCULAÇÃO DO SOLO - MÉTODO DA PIPETA 4.1. INTRODUÇÃO Sendo uma característica física bem estável, a “textura do solo apresenta a distribuição quantitativa das partículas do solo quanto ao tamanho” (FERREIRA & DIAS, 1999), logo, é uma característica de grande importância para a descrição, identificação e classificação do solo. Segundo ANDRADE & SOUZA (1999), as três frações texturais do solo são: areia, silte e argila. Para a quantificação destas frações texturais efetua-se uma análise granulométrica, expressa em percentagem de cada fração em relação a fração total de terra fina seca em estufa (TFSE). A análise granulométrica favorece a identificação da classe textural, através do Diagrama Triangular representada na FIGURA 4.1.


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FIGURA 4.1 – Representação da classe textural do solo no Brasil pelo Diagrama Triangular (utilizado pela EMBRAPA) Curso de especialização em PCHs

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111

4.2. OBJETIVOS - Quantificação, em termos percentuais, das frações de argila, silte e areia nas amostras coletadas. - Identificação da classe textural dessas amostras, a partir do Diagrama Triangular. - Determinação da porcentagem de argila floculada e índice de floculação

4.3 MATERIAIS UTILIZADOS

amostra de TFSE solução NaOH 1N balança dispersor elétrico agitador manual proveta de 1000 ml pipeta de 10 ml termômetro cadinho pisset contendo água destilada peneira de malha 0,053 mm estufa e dessecador.

4.4 METODOLOGIA O método utilizado nesta prática para a separação de frações granulométricas é o Método da Pipeta, mais trabalhoso e de melhor precisão. Primeiramente, pesar 10 g de TFSE. Transferir a amostra para o copo do agitador elétrico, com a ajuda de um pisset. Adicionar cerca de 150 ml de água destilada e 10 ml de NaOH 1N (para a determinação de argila total). Deixar essa solução descansando por 15 minutos. Decorrido esse tempo, agitar a solução por mais 10 minutos no dispersor elétrico e transferi-la para a proveta de 1000 ml. Deve-se efetuar uma lavagem correta do copo, evitando perdas das partículas do solo. Completar o volume da proveta com água destilada, homogeneizar cuidadosamente a solução com o agitador manual durante 1 minuto e medir a temperatura de suspensão. Com a informação da temperatura, determina-se o tempo de sedimentação das frações silte e areia, segundo a Lei de Stokes: Curso de especialização em PCHs

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T=

112

9.η.h 2.(Dr Df ).g.r 2

onde: T – tempo de sedimentação (s); η – viscosidade da água (de acordo com a temperatura); h – altura de queda convencionada = 5 cm; Dr – densidade real da partícula = valor médio de 2,65 g/cm3; Df – densidade da água (de acordo com a temperatura); g – aceleração da gravidade = 981 cm/s; r – raio da menor partícula a se sedimentar = 0,0001 cm. A TABELA 5.1, abaixo, relaciona a temperatura medida com os valores da viscosidade da densidade da água.

TABELA 4.1 – Variação da viscosidade e densidade da água com a temperatura TEMPERATURA (ºC)

VISCOSIDADE (Poise)

DENSIDADE (g/cm3)

10

0.01307

0.99973

11

0.01271

0.99963

12

0.01235

0.99953

13

0.01202

0.99941

14

0.01169

0.99927

15

0.01139

0.99913

16

0.01109

0.99897

17

0.01081

0.99880

18

0.01053

0.99863

19

0.01027

0.99844

20

0.01002

0.99823

21

0.00978

0.99802

22

0.00955

0.99780

23

0.00933

0.99757

24

0.00911

0.99733


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25

0.00890

0.99708

26

0.00871

0.99681

27

0.00851

0.99654

28

0.00833

0.99626

29

0.00815

0.99598

30

0.00798

0.99568

31

0.00781

0.99537

32

0.00765

0.99506

33

0.00749

0.99473

34

0.00734

0.99440

35

0.00719

0.99406

113

Para facilitar a análise utiliza-se o tempo médio da TABELA 4.2, seguinte, de acordo com a temperatura medida. TABELA 4.2 – Variação do tempo de sedimentação com a temperatura TEMPERATUR

TEMPO

TEMPERATURA (ºC)

TEMPO

10

5h11´

23

3h43´

11

5h03´

24

3h38´

12

4h55´

25

3h33´

13

4h47´

26

3h28´

14

4h39´

27

3h24´

15

4h33´

28

3h19´

16

4h26´

29

3h15´

17

4h20´

30

3h10´

18

4h12´

31

3h07´

19

4h06´

32

3h03´

20

4h00´

33

2h58´

21

3h54´

34

2h55´

22

3h48´

35

2h52´

A (ºC)

Após o tempo total de sedimentação, pipetar uma alíquota de 10 ml da suspensão, colocando-se a pipeta no centro da proveta e a 5 cm da marca de 1000 ml. Em seguida, transferir essa alíquota para um cadinho metálico previamente pesado e levar para a estufa, a 105ºC por 24 horas. Curso de especialização em PCHs

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Introdução à Energia, Regulação e Mercado 114 A suspensão restante deve ser, então, passada por uma peneira de malha 0,053 mm, lavando-a em água corrente para eliminar a argila e o silte. O material retido na peneira é a fração areia. Transferir a areia retida na peneira para cadinho, previamente pesado, com o auxílio de um pisset. Levar à estufa a 105ºC por 24 horas. Finalmente, após as 24 horas, esperar esfriar em dessecador e obter o peso da argila e da areia. Repetir a análise sem a utilização do NaOH e determinar o teor de argila dispersa em água e calcular o índice de floculação

4.5. RESULTADOS O cálculo dos percentuais de cada fração é dado pelas relações abaixo:

10 g de TFSE x

----------- 1000 ml ----------- 10 ml

x = 0,1 g de TFSE

0,1 g de TFSE

----------- peso da argila + NaOH

100 g de TFSE ----------- w w (%) = 1000 (peso da argila + NaOH)

Sabe-se que 1N de NaOH = 40 g/L.

40 g de NaOH

----------- 1000 ml (no preparo da solução) x ----------- 10 ml x = 0,4 g de NaOH


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0,4 g de NaOH ----------- 1000 ml (diluído na proveta) y ----------- 10 ml (pipetado) y = 0,004 g de NaOH

0,1 g de TFSE ----------- 0,004 g de NaOH 100 g de TFSE ----------- z z = 4% de NaOH

Logo:

% de Argila = w – 4%

Os mesmos passos devem ser seguidos para o cálculo da percentagem de areia. Porém, para uma melhor compreensão e facilidade nos cálculos, será utilizada a forma simplificada dessas relações. Assim:

% de Argila = 1000 x (peso da argila – 0,004) % de Areia = 10 x peso da areia % de Silte = 100 – (%Areia + %Silte)


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Introdução à Energia, Regulação e Mercado 5. DENSIDADE DO SOLO

116

- MÉTODO DO ANEL VOLUMÉTRICO 5.1.INTRODUÇÃO

Conhecida como densidade global ou densidade aparente, a densidade do solo expressa a relação existente entre a massa de sólidos e o volume total do solo, incluindo o espaço ocupado pela água e pelo ar. Ela é “uma propriedade física que reflete o arranjamento das partículas do solo, que por sua vez define as características do sistema poroso” (FERREIRA & DIAS JR., 1999). Dessa forma, depende da estrutura, da umidade, da compactação e do manejo do solo. Dependendo da estrutura, a densidade do solo pode variar de 0,9 a 1,5 g/cm3. Segundo NETO et al. (1999), é imprescindível que a amostra analisada seja uma amostra indeformada, pois para a determinação da densidade, deve-se determinar o volume total de poros presentes no solo.

5.2. OBJETIVOS O objetivo desta prática é a determinação da densidade do solo. 5.3. MATERIAIS UTILIZADOS

amostra indeformada de solo balança cápsula metálica paquímetro cilindros de alumínio amostrador de UHLAND pisset facas ou espátulas estufa e dessecador. enxadão


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Introdução à Energia, Regulação e Mercado 5.4. METODOLOGIA

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Dentre os vários métodos para a determinação da densidade do solo, será adotado o método do anel volumétrico. Com o auxílio de um paquímetro, determina-se a altura e o diâmetro (em cm) do cilindro de alumínio. Com esses dados, obtém-se o volume do cilindro, que posteriormente será ocupado pelo solo. No caso, este será o volume total do solo (Vts, em cm3). Em campo, acoplar o amostrador de UHLAND no cilindro de alumínio e, cravar o conjunto no perfil, de forma que todo o cilindro seja ocupado pelo solo. Assim, será obtida uma amostra indeformada. Caso o solo esteja muito seco, pode umidecê-lo com o auxílio de um pisset. Após a coleta, retirar o amostrador, e raspar o excesso de solo que se encontra fora do cilindro utilizando uma faca ou uma espátula. Transferir o conteúdo desse cilindro para uma cápsula metálica , previamente pesada (T), e levar para a estufa a 105ºC, por 24 horas. Decorrido este tempo, deixar esfriando em dessecador e pesar a amostra (PS). Em seguida, determina-se a densidade do solo utilizando-se as equações abaixo: Vts = Vsólidos + Vporos = Vcilindro PVC = (π.d2.h)/4 Ms = Ps – T Ds= Ms/Vts

onde: Ds – Densidade do solo (g/cm3) Ps – peso da amostra seca em estufa + peso da cápsula metálica (g); T – Peso da cápsula metálica (g); Ms – massa do solo seco (g); d – diâmetro do cilindro de alumínio (cm); h – altura do cilindro de alumínio (cm); Vts – volume total do solo (cm3).

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Introdução à Energia, Regulação e Mercado AMOSTRA PS (G) T (G) MS (G) D (cm)

H (cm)

VTS (cm3)

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DS (g/cm3)

6. ETERMINAÇÃO DOS LIMITES DE LIQUIDEZ E DE PLASTICIDADE DOS ÍNDICES DE PLASTICIDADE E DE CONSISTÊNCIA 6.1. INTRODUÇÃO A consistência do solo é definida como sendo a manifestação das forças de coesão e adesão, as quais são verificadas devido a variação do teor de umidade do solo. “Portanto, modificações na consistência do solo, devido a variação do teor de umidade, afetará diretamente a resistência do solo ao preparo, bem como a sua capacidade suporte de carga e sua resistência a compressão” (DIAS JR., 1996). A consistência é determinada por limites, os quais são teores de umidade que separam os estados de consistência de um solo. Desse modo, o Limite de Liquidez (LL), separa o estado liquido do plástico e o Limite de Plasticidade (LP) separa o estado plástico do sólido. Além disso, chama-se índice de plasticidade (IP) o intervalo de umidade o qual o solo se encontra no estado plástico. Os limites de liquidez e plasticidade associados com o índice de plasticidade possibilitam a determinação do índice de consistência. O índice de consistência é utilizado para estimar a consistência das argilas, conforme TABELA 6.1 e o índice de plasticidade conforme TABELA 6.2. TABELA 6.1 – Estimativa da Consistência pelo índice de consistência CONSISTÊNCIA

ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA

Mole

< 0.5

Média

0.5 a 0.75

Rija

0.75 a 1.0

Dura

> 1.0

Fluído denso

<0

Estado plástico

<0>1

Estado semi sólido ou sólido

>1


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Introdução à Energia, Regulação e Mercado TABELA 8.2 – Estimativa do índice de plasticidade CONSISTÊNCIA

ÍNDICE DE PLASTICIDADE

Não plástico

IP = 0

Pouco plástico

IP>1<7

Plasticidade média

IP > 7<15

Muito plástico

IP> 15

119

6.2. OBJETIVOS

O objetivo desta prática é a determinação dos limites de liquidez e de plasticidade, além dos índices de plasticidade e de consistência. 6.3. MATERIAS UTLIZADOS Limite de liquidez

amostra de solo balança cápsula metálica espátula peneira de 0.42mm proveta de 25 ml estufa dessecador cronômetro pisset cápsula de porcelana aparelho de Casa Grande cinzel curvo. Limite de Plasticidade

amostra de solo peneira de 0.42mm placa esmerilhada balança cápsula metálica espátula estufa bastão cilíndrico demonstrativo pisset cápsula de porcelana


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6.4 METODOLOGIA Limite de Liquidez Primeiramente, deve-se passar a amostra do solo em uma peneira com malha de 0.42mm. Pesar cerca de 100 g e transferir para a cápsula de porcelana. Com o auxílio de uma proveta, acrescentar cerca de 30 ml de água e homogeneizar a amostra com a espátula. Espalhar essa amostra na concha do aparelho de Casagrande, de forma a ocupar 2/3 de sua área. A amostra deve, também, apresentar cerca de 1 cm de profundidade no centro da concha. Com o cinzel curvo efetuar uma canelura no centro da amostra. Girar a manivela do aparelho de modo a obter 2 golpes por segundo (utilizar o cronômetro) até que as bordas inferiores da canelura se encontrem. O número de golpes deve estar entre 12 e 32. Em seguida, deve-se coletar uma amostra transversal à canelura no ponto de encontro das bordas, com cerca de 1 cm. Colocar essa pequena amostra numa cápsula metálica, previamente pesada (T), efetuar o peso úmido (Pu) e levar para a estufa a 105ºC. Repetir o procedimento por, pelo menos, mais três vezes acrescentando água gradativamente. Ou seja, na primeira repetição acrescentar 1 ml de água; na segunda, 2 ml e na terceira, 3 ml. Após 24 horas, efetuar o peso seco (Ps) de todas as cápsulas e determinar a umidade. Com os valores obtidos de umidade e números de golpes, deve-se confeccionar um gráfico de nº de golpes X umidade. O eixo X (nº de golpes) deve estar em escala logarítmica. Obtendo a equação característica da curva, determina-se o LL, o qual é a umidade obtida para 25 golpes. Limite de Plasticidade Peneirar a amostra de solo em peneira com malha de 0.42mm e pesar cerca de 15 g. Transferir essa amostra pra uma cápsula de porcelana e adicionar água para obter uma massa homogênea. A umidade deve favorecer a formação de uma “bolinha”. Com os dedos, comprimir essa “bolinha” sobre uma placa de vidro esmerilhada, formando um bastão cilíndrico de 3 a 4 mm de diâmetro (a exemplo do bastão demonstrativo) até se quebrar. Retirar uma pequena porção do cilindro, colocar em cápsula metálica previamente pesada (T), efetuar o peso úmido (Pu) e levar para a estufa a 105ºC. Curso de especialização em PCHs

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Introdução à Energia, Regulação e Mercado 121 Repetir o procedimento por, pelo menos, mais três vezes, adicionando água. Após 24 horas, efetuar o peso seco (Ps) e determinar a umidade. O LP será a média aritmética de todas as umidades determinadas. Com os valores do LL e do LP, pode-se determinar o índice de plasticidade (IP) pela fórmula:

IP = LL − LP Desse modo, é possível a determinação do índice de consistência:

IC =

LL − Ua IP

6.5. RESULTADOS LIMITE DE LIQUIDEZ HORIZONTE: Nº da cápsula

T(g)

Pu(g)

Ps(g)

Ua(%)

Nº de golpes

Água (ml)

LL=

LIMITE DE PLASTICIDADE HORIZONTE: Nº da cápsula

T(g)

Pu(g)

Ps(g)

LP =


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Ua(%)


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ÍNDICE DE PLASTICIDADE IP =

ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA HORIZONTE: LL

LP

IP

Ua (%)

IC = Consistência =

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ANDRADE, H. & SOUZA, J. J. (1999). “Solos: Origem, Componentes e Organização”, UFLA/FAEPE, Lavras, p. 118-119. BUCKMAN, H. º & BRADY, N. C. (1967). “Natureza e propriedades dos solos”, Livraria Freitas bastos S.A., São Paulo, pp 30 e 190. DIAS JR, M. R., (1996). “Notas de aulas de Física do Solo – Curso de Pós-graduação em Solos e Nutrição de Plantas”, UFLA/FAEPE, Lavras. EMBRAPA – CNPS (1997). “ Manual de Métodos e Análise de Solos” , 2ª ed., Rio de Janeiro. FERREIRA, M. M. & DIAS JR, M. S. (1999). “Física do solo”, UFLA/FAEPE, Lavras. INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA – Departamento de Engenharia de Fortificação e Construção. “Caracterização e Classificação de Solos”, aulas práticas de determinação de umidade. MARSHALL, T. J. Taure, developmentand significance of soil structure. In: NEALE, G. J (ed.) Trans. of joint meeting of comissions IV e V (ISSS) Palmerston North, New Zeland, 1962. p. 243 – 247. NETO, A. R.; LIMA, E.; ANJOS, L. H. C. & PEREIRA, M. G. (1999). “Roteiro de aulas práticas de morfologia e física do solo”, 3ª edição, ed. Seropédica. NUNES, A. J. C. (1958). “Curso de Mecânica dos Solos e Fundações”, Ed. Globo, 1ª ed., Porto Alegre, pp. 18 e 28. SIQUEIRA, J. O.; MOREIRA, F.M.;GRISI, B. M.; HUNGRIA, M.; ARAÚJO, R. S. Microrganismos e Processos Biológicos do solo: perspectiva ambiental. Brasília: EMBRAPA, 1994. 142p. (EMBRAPA. Documento, 45) Curso de especialização em PCHs

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