Apostila de Mecânica dos Solos

Apostila de Mecânica dos Solos

(Parte 1 de 8)

UNIVERSIDADE POTIGUAR

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

APOSTILA DE MECÂNICA DOS SOLOS

PROFESSORA: ANA PATRÍCIA DE JESUS SILVA

TEXTO BASE: 39

Janeiro de 2009

PROGRAMA

I – Origem do solo e tamanho dos grãos 5

I.1 Introdução 5

I.1 O solo para o Engenheiro 5

I.1.1 Conceito 5

I.1.2 A origem dos solos 6

I.1.3 Tamanho e forma das partículas 8

I.1.4 Identificação Visual e Táctil dos Solos 9

II – Propriedades dos Solos 11

II.1 Índices Físicos 11

II.1.1 Relações entre volumes 12

II.1.2 Relações entre pesos e volumes 13

II.1.3 Relações entre pesos 14

II.1.4 Relação entre pesos específicos 14

II.1.5 Relações entre os índices físicos 15

II.2 Limites de Consistência ou Limites de Atterberg 15

II.2.1 Limite de Liquidez (LL) 15

II.2.2 Limite de Plasticidade (LP) 17

II.2.3 Índices de Consistência 17

II.3 Sensitividade 18

II.4 Grau de Compacidade ou Compacidade Relativa 18

II.4 Granulometria 18

II.4.1 Parâmetros Representativos da curva granulométrica 19

III – Estrutura e Classificação dos Solos 20

III.1 Estrutura do Solo 20

III.1.1 Estrutura Granular Simples 20

III.1.2 Estrutura Alveolar 20

III.1.3 Estrutura Floculenta 20

III.1.4 Estrutura em Esqueleto 20

III.2 Classificação do Solo 20

III.2.1Classificação das areias segundo a Compacidade Relativa 20

III.2.2 Classificação das argilas segundo a resistência à compressão 21

III.2.3 Classificação das argilas segundo a umidade 21

III.2.4 Classificação das argilas segundo a sensitividade 21

III.2.5 Classificação do soloSegundo a Textura 21

III.2.6 Sistema Unificado de Classificação dos Solos 22

IV – Tensões no Solo 24

IV.1 Tensões totais 24

IV.2 Pressão neutra 24

IV.3 Tensões efetivas 25

IV.4 Tensão horizontal 25

IV.5 Capilaridade 25

IV.6 Tensões devidas a uma carga aplicada na superfície do terreno - Propagação de tensões no solo 29

IV.6.1 Bulbo de tensões 29

IV.6.2 Método 2:1 29

IV.6.3 Solução de Boussinesq 30

V – Prospecção do Subsolo 31

V.1 Informações exigidas num programa de prospecção 31

V.2 Tipos de Prospecção Geotécnica 31

V.2.1 Processos indiretos 31

V.2.2 Processos semidiretos 31

V.2.3 Processos diretos 32

V.2.4 Programação de sondagens 36

V.2.5 Amostragem indeformada 36

VI – Permeabilidade 37

VI.1 – Carga Hidráulica 37

VI.2 - Coeficiente de permeabilidade 39

VI.3 –Determinação do coeficiente de permeabilidade (k) 41

VI.3.1 Métodos Diretos 41

VI.3.2 Métodos Indiretos 43

VI.4 - Fatores que influenciam na permeabilidade de um solo 43

VII – Teoria do Adensamento 44

VII.1 – O processo de adensamento do solo 45

VII.1.1 Grau de adensamento ou percentagem de adensamento 47

VII.2 – História de Tensões _ Tensão de pré-adensamento (’ad) 48

VII.3 – Ensaio de adensamento 48

VII.3.1 Parâmetros de compressibilidade obtidos no gráfico de adensamento 51

VII.4 – Cálculo de recalques 52

VII.4 – Fator Tempo 52

VIII – Cisalhamento dos Solos 53

VIII.1 – ESTADO PLANO DE TENSÕES 53

VIII.2 – Círculo de MOHR 54

VIII.3 - CRITÉRIO DE RUPTURA DE MOHR-COULOMB 56

VIII.4 - ENSAIOS PARA DETERMINAR A RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS 57

VIII.4.1 Ensaio de Cisalhamento Direto 58

VIII.4.2 Ensaio de Compressão Triaxial 58

VIII.4.3 Ensaio de Compressão Simples 59

VIII - Compactação 62

I – Origem do solo e tamanho dos grãos

I.1 Introdução

A Mecânica dos Solos estuda o comportamento do solo sob o aspecto da Engenharia Civil. O solo cobre o substrato rochoso e provém da desintegração e decomposição das rochas, mediante a ação dos intemperismos físico e químico. Assim, de maneira geral, por causa da sua heterogeneidade e das suas propriedades bastante complexas, não existe modelo matemático ou um ensaio em modelo reduzido que caracterize, de forma satisfatória, o seu comportamento.

Atualmente, a Mecânica dos Solos situa-se dentro de um campo mais envolvente que congrega ainda a Engenharia de Solos (Maciços e Obras de Terra e Fundações) e a Mecânica das Rochas. Esta área, denominada Geotecnia, tem como objetivo estudar as propriedades físicas dos materiais geológicos (solos, rochas) e suas aplicações em obras de Engenharia Civil, quer como material de construção quer como elemento de fundação.

A Mecânica dos solos surgiu como ciência em 1925, quando Karl Terzaghi deu início à publicação de seus trabalhos identificando o papel das pressões na água no estudo das tensões nos solos e a apresentação da solução matemática para a evolução dos recalques das argilas com o tempo, após o carregamento.

I.1 O solo para o Engenheiro

I.1.1 Conceito

O significado da palavra solo não é o mesmo para todas as ciências que estudam a natureza. Para fins de Engenharia Civil, ele é definido como uma mistura natural de um ou diversos minerais (às vezes com matéria orgânica) que podem ser separados por processos mecânicos simples, tais como, agitação em água ou manuseio. Em outras palavras, o solo é todo material que possa ser escavado, sem o emprego de técnicas especiais, como, por exemplo, explosivos.

O solo também pode ser definido como o agregado não cimentado de grãos minerais e matéria orgânica decomposta, com líquido e gás nos espaços vazios entre as partículas sólidas.

Ou seja, esse material forma a fina camada superficial que cobre quase toda a crosta terrestre e no seu estado natural apresenta-se composto de partículas sólidas (com diferentes formas e tamanhos), líquidas e gasosas.

Para o Engenheiro Civil, a necessidade do conhecimento das propriedades do solo vai além do seu aproveitamento como material de construção, pois o solo exerce um papel especial nas obras de Engenharia, uma vez que cabe a ele absorver as cargas aplicadas na sua superfície, e mesmo interagir com obras implantadas no seu interior. Todas as obras de Engenharia Civil se assentam sobre o terreno e, por isso, requerem que o comportamento do solo seja devidamente considerado. Assim, pode-se dizer que a Mecânica dos Solos estuda o comportamento do solo quando submetidos a tensões (como nas fundações) ou quando aliviados (como nas escavações) ou perante o escoamento de água nos seus vazios.

I.1.2 A origem dos solos

Todos os solos têm origem na desintegração/decomposição das rochas que formam a crosta terrestre. 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, provocando uma maior fragmentação dos blocos. A presença da fauna e flora promove o ataque químico. O conjunto desses 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.

Ao final da ação dos mecanismos de intemperização, o material resultante poderá permanecer ou não sobre a rocha que lhe deu origem.

Solos Residuais O produto de alteração permanece sobre a rocha mãe. A separação entre a rocha mãe e o solo residual não é nítida, mas gradual, passando rocha para uma camada de rocha alterada, desta para uma camada de solo de alteração e por fim o solo residual.

Solos Transportados ou Sedimentares O produto de alteração é removido de sobre a rocha mãe por um agente qualquer. Segundo esses agentes e segundo o local de deposição os solos transportados podem ser

  • Aluviais (água)

  • Eólicos (vento)

  • Coluviais (gravidade)

  • Lacustres (depositados em lagos)

  • Marinhos (depositados em mares)

  • Glaciais (geleiras).

I.1.3 Tamanho e forma das partículas

A primeira característica que diferencia os solos é o tamanho das partículas que os compõem. Num primeiro contato, pode-se perceber que alguns solos possuem grãos visíveis a olho nu, enquanto outros têm os grãos tão finos que, quando molhados, se transformam numa pasta, impossibilitando a visualização das partículas individualmente.

Em função do intemperismo e do transporte, os depósitos de solos apresentam partículas de diversos tamanhos. Qualitativamente, ao intemperismo físico (desintegração) está associada à geração de grãos até aproximadamente 0,001mm. Partículas menores que essas somente poderiam ser geradas pelo intemperismo químico (decomposição).

Os solos cuja maior porcentagem esteja constituída de partículas visíveis a olho nu) são chamados de solos de grãos grossos ou solos granulados. As características e o comportamento desses solos são determinados pelo tamanho das partículas (força gravitacional). São compostos de partículas equidimensionais, podendo ser esféricas (solos transportados) ou angulares (solos residuais).

Os solos finos apresentam forma lamelar (duas dimensões prevalecem sobre a outra), aparecendo às vezes a forma acicular (uma dimensão prevalece sobre as outras duas). O comportamento desses solos é determinado pelas forças de superfícies (moleculares, elétricas e eletromagnéticas). Nesses solos, a afinidade pela água é uma característica marcante e irá influenciar sobremaneira o seu comportamento.

A descrição do tamanho das partículas é feita citando a sua dimensão ou utilizando nomes conferidos a certas faixas de variação de tamanhos. Para tal, existem escalas que apresentam os nomes dos solos juntamente com as dimensões que eles representam. A tabela abaixo ilustra uma dessas escalas.

Pedregulho

>2mm

Areia

Grossa

0,60<<2mm

Média

0,20<<0,60mm

Fina

0,06<<0,20mm

Silte

0,002<<0,06mm

Argila

<0,002mm

I.1.4 Identificação Visual e Táctil dos Solos

Existem alguns testes rápidos que permitem uma descrição preliminar do solo e sua identificação. São eles:

  1. Sensação ao tato: esfrega-se uma porção de solo na mão, buscando sentir a sua aspereza. As areias são bastante ásperas ao tato e as argilas dão uma sensação de farinha, quando secas, ou de sabão, quando úmidas.

  2. Plasticidade: tenta-se moldar pequenos cilindros de solo úmido e, em seguida, busca-se deformá-los. As argilas são moldáveis, enquanto as areias e, normalmente os siltes, não são.

  3. Resistência do solo seco: um torrão de solo argiloso apresenta elevada resistência quando se tenta desagregá-lo com os dedos; os siltes apresentam alguma resistência e as areias nem formam torrões.

  4. Mobilidade da água intersticial: coloca-se uma porção de solo úmido na palma da mão e faz-se bater a mesma, fechada, com o solo dentro, contra a outra mão. Verifica-se o aparecimento da água na superfície do solo. Nas areias, a água aparece rapidamente na superfície e, ao abrir-se a mão, a superfície brilhante desaparece deixando trincas. Nos solos argilosos, a superfície brilhante permanece por bastante tempo e não ocorrem fissuras ao abrir a mão.

  5. Dispersão em água: Coloca-se uma amostra de solo seco numa proveta e, em seguida, água. Agita-se a mistura e verifica-se o tempo de deposição dos sedimentos. As areias depositam-se rapidamente, enquanto as argilas turvam a água e demoram bastante tempo par sedimentar.

II – Propriedades dos Solos

II.1 Índices Físicos

Sendo os solos um material polifásico, o seu comportamento depende da quantidade relativa de cada uma das suas três fases (partículas sólidas, água e ar), havendo diversas relações que se utilizam para expressar as proporções entre elas. Na Figura abaixo se apresentam, de forma esquemática, as três fases que normalmente ocorrem nos solos, embora os vazios possam estar totalmente preenchidos por ar (solo seco) ou por água (solo saturado).

Figura – Representação esquemática das fases constituintes de um solo

Em que, Va, Vw, VS, VV, e V representam os volumes de ar, água, sólidos (grãos minerais), vazios e total de um solo, respectivamente. Por sua vez, Pa, Pw, PS e P representam os pesos de ar, água, sólidos e total de um solo.

II.1.1 Relações entre volumes

As relações entre volumes freqüentemente utilizadas para caracterizar as três fases de um solo são expressas através das seguintes grandezas: índice de vazios (e), porosidade (n) e grau de saturação (Sr).

  • Índice de vazios (e)

O índice de vazios é definido como a relação entre o volume de vazios (VV) e o volume de partículas sólidas (VS) existente numa massa de solo. Normalmente, é expresso em unidades decimais, podendo os solos finos apresentar índices de vazios superiores a 1,0.

  • Porosidade (n)

A porosidade é definida como a relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume total (V) de uma massa de solo. É expressa em percentagem, podendo variar entre 0 e 100%.

  • Grau de saturação (Sr)

O grau de saturação define-se como a relação entre o volume de água (Vw) e o volume de vazios (Vv) de uma dada massa de solo. É expresso em percentagem, podendo variar entre 0% (solo seco) e 100% (solo saturado). Quando 0%<Sr<100%, o solo encontra-se úmido.

II.1.2 Relações entre pesos e volumes

  • Peso específico aparente úmido ou natural ()

  • Peso específico das partículas sólidas (s)

  • Peso específico aparente seco (d)

  • Peso específico saturado (sat)

Corresponde ao peso específico de um solo quando os seus vazios se encontram totalmente preenchidos por água, isto é, quando VW=VV e Sr=100%.

  • Peso específico submerso (sub)

II.1.3 Relações entre pesos

  • Umidade (w)

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