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