Apostila Mecânica dos Solos I

Apostila Mecânica dos Solos I

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MECÂNICA DOS SOLOS Vol. 1

Benedito de Souza Bueno Orencio Monje Vilar

São Carlos/Viçosa - 1979

A nova orientação para o ensino da Mecânica dos Solos, defendida pôr alguns dos maiores centros de ensino e pesquisa do mundo, estabelece que se devem reforçar, com real ênfase, os conceitos fundamentais da disciplina, tendo como respaldo uma bibliografia que os enfoque de forma simples e objetiva.

Baseados no motivo acima e no fato de que há uma carência enorme de bibliografia de

Mecânica dos Solos de cunho didático, em língua portuguesa, resolvemos compilar uma obra, que constitui a matéria da disciplina Mecânica dos Solos I.

Neste trabalho, selecionamos uma seqüência de capítulos que entendemos ser a mais didática possível, procurando agrupar os conceitos universalmente conhecidos, às vezes, com forma de tratamentos já apresentadas por outros autores.

Agradecemos ao Centro de Estudos Geotécnicos Arthur Casagrande - CEGAC, de quem procuramos conservar o espírito de trabalho e pesquisa, em favor da Geotecnia, e a seus membros, particulares amigos, pelo constante apoio.

Os Autores.

Esta apostila foi escrita em 1979/1980 e encontra-se esgotada. O aluno PAE Carlos Vinícius dos

Santos Benjamim providenciou esta versão após “escanear” os originais. Não foi possível fazer as atualizações nem os ajustes que se desejava, porém algumas fórmulas foram reescritas. Em especial, notar a diferença entre massa específica (ρ) e peso específico (γ), pois γ = ρ.g. Nas Figuras 10 e 1, quando utilizadas para deduzir as fórmulas de correlação seguintes, substituir os γ por ρ. Outras atualizações serão comunicadas oportunamente em classe.

São Carlos, março de 2003

Orencio Monje Vilar Depto. de Geotecnia EESC-USP

I.A MECÂNICA DOS SOLOS E A ENGENHARIA……………1
1. Introdução………………………………………………..........
2. Histórico………………………………………………
3. A Mecânica dos Solos e as Obras Civis………………
I.O SOLO PARA O ENGENHEIRO4
1. Conceituação
2. Tipos de Solos Quanto à Origem
3. Tamanho e Forma das Partículas
4. Descrição dos Tipos de Solos
5. Identificação Visual e Táctil dos Solos
I. PROPRIEDADES ÍNDICES10
1. Introdução
2. índices Físicos
3. Granulometria……………………………………………
4. Plasticidade e Estados de Consistência……………25
IV.ESTRUTURA DOS SOLOS
1. Introdução
2. Estrutura dos Solos Grossos
3. Estrutura dos Solos Finos
4. Amolgamento e Sensibilidade das Argilas
5. Tixotropia
V.CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS30
1. Introdução………………………………………………
2. Classificação Dor Tipo de Solo……………………
3. Classificação Genética Geral………………………
4. Classificação Granulométrica………………………
5. Classificação Unificada………………………………
6. Classificação HBR…………………………………..…
VI. O PRINCÍPIO DAS TENSÕES EFETIVAS40
1. Definições
2. Implicações
3. Massa específica Submersa
VII.TENSÕES ATUANTES NUM MACIÇO DE TERRA…………43
1. Introdução…………………………………….................
2. Esforços Geostáticos………………………………….....................
3. Propagação de Tensões no Solo…………………………
3.1. A Solução de Boussinesq………………………
3.2. Extensão da Solução de Boussinesq……………
3.3.O Gráfico de Newmark……………………………
3.4. A Solução de Westergaard
Westergaard e Algumas Simplificações…………..................
3.6. Limitações da Teoria da Elasticidade………..........................
VIII.PERMEABILIDADE DOS SOLOS61
1. Introdução
2. Leis de Darcy e de Bernouilli
3. Determinação do Coeficiente de Permeabilidade
3.1. Métodos Diretos
3.2. Métodos Indiretos
4. Fatores que Interferem na Permeabilidade

ÍNDICE 3.5.Comparação entre as Soluções de Boussinesq e 5. Forças de Percolação.............................................................................

6. Areia Movediça
7. Filtros de Proteção
8. Capilaridade
IX.COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO75
1. Introdução.…………………………………………………
2. Analogia e Mecânica do Processo de Adensamento
3. Teoria do Adensamento de Terzaghi
4. Solução da Equação Fundamental do Adensamento
5. Porcentagem de Adensamento
6. Ensaio de Adensamento
7. Tensão de Pré-Adensamento
8. Determinação do Coeficiente de Adensamento
9. Construção da Curva de compressão do Solo no Campo
10. Aplicação da Teoria do Adensamento……………………
1. Correções do Recalque de Adensamento………………
12. Noções sobre a Compressão Secundária
13. Recalques por colapso
X.EXPLORAÇÃO DO SUBSOLO97
1 Introdução
2. Informações Exigidas num Programa de Prospecção……
3. Tipos de Prospecção Geotécnica
4. Prospecção Geofísica
4.1. Processo da Resistividade Elétrica
4.2. Processos de Sísmica da Refração
5. Métodos Semidiretos
5.1. Vane Test
5.2. Ensaio de Penetração Estática do Cone
5.3. Ensaio Pressiométrico
6. Processos Diretos
6.1. Poços
6.2. Trincheira
6.3. Sondagens a Trado
6.4. Sondagens a Percussão ou de Simples Reconhecimento
6.5. Sondagem Rotativa
6.6. Sondagem Mista
7. Amostragem
7.1. Introdução
7.2. Amostras Indeformadas
XI.COMPACTAÇÃO117
1. Definição e Importância
2. Curva de Compactação
3. Ensaio de Compactação
4. Equipamentos de Compactação
5. Controle de Compactação

CAPÍTULO I1 A MECÂNICA DOS SOLOS E A ENGENHARIA

1 - Introdução

A Engenharia Civil procurou sempre acompanhar a evolução científica. A dificuldade de um conhecimento profundo e abrangente, em todo o seu campo de atuação, exigiu sua divisão em áreas específicas, consoante, principalmente, aos materiais objetos de estudo. Estas áreas não tiveram um desenvolvimento paralelo, e algumas evoluíram mais cedo que outras.

Historicamente, os ramos básicos que primeiro se desenvolveram e que foram, pôr isso mesmo, os mais estudados e divulgados são a Teoria das Estruturas e a Hidráulica. O primeiro trabalha com materiais selecionados, cujos comportamentos são bem conhecidos, entre os quais o concreto, o aço e a madeira. Este campo utiliza, para solução dos seus problemas, modelos simples, passíveis de tratamento matemático. A área da Hidráulica estuda os fluidos, em particular a água, principalmente em ambientes naturais. Os fenômenos hidráulicos podem fugir a um tratamento matemático, mas a utilização de ensaios em modelos reduzidos permite, quase sempre, uma adequada análise de seus comportamentos.

Um dos campos básicos da Engenharia Civil que por último se desenvolveu foi a Mecânica dos

Solos. Ela 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, pôr 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.

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 porquanto cabe a ele absorver as cargas aplicadas na sua superfície, e mesmo interagir com obras implantadas no seu interior.

De um modo geral, as características mecânicas do solo, em seu estado natural, devem ser aceitas e só em casos particulares, com o auxílio de técnicas especiais, podem ser melhoradas.

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 pode ser definida como uma aplicação das leis e princípios da Mecânica e da Hidráulica aos problemas de Engenharia, que lidam com o solo e a Engenharia de Solos, como uma utilização dos conceitos da Mecânica dos Solos aos problemas práticos de Engenharia. Assim, a Engenharia de Solos abrange um campo mais amplo, pois é uma ciência aplicada e não apenas puramente baseada em conceitos de Física e Matemática. Ela engloba disciplinas, tais como: mecânica e dinâmica dos solos, geologia de engenharia, mineralogia das argilas e mecânica dos fluidos, entre outras.

Pode-se dizer também que a Mecânica dos Solos ocupa, em relação aos solos, posição análoga àquela que a resistência dos materiais ocupa em relação aos outros materiais de construção.

Na prática usual, entretanto, os termos Mecânica dos Solos e Engenharia dos Solos geralmente se confundem.

2 - Histórico

A Mecânica dos Solos surgiu como ciência em 1925, quando Karl Terzaghi publicou a sua extraordinária obra "Erdbaumechanik Auf Bodenphysikalisher Grundlage", título este que pode ser traduzido como "Mecânica das Construções de Terra Baseada na Física dos Solos". Nela, põe-se em

1 Mecânica dos Solos - vol. 1 – Benedito de Souza Bueno & Orencio Monje Vilar – Depto de Geotecnia – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo evidência o papel desempenhado pela água, que preenche os poros, no comportamento dos solos. Historicamente, porém, os precursores de Terzaghi remontam ao período neolítico (idade da pedra polida: 5000 a 2000 anos a.C.) quando, então, se formavam povoações lacustres apoiadas em estacas, as palafitas. Estas povoações possuíam passarelas que permitiam a circulação das pessoas entre as habitações e faziam contato com a terra firme. As passarelas tinham também a função de defesa da povoação em face dos inimigos e animais vindos da terra, pois eram facilmente destruídas.

Deve-se ressaltar, também, o engenho e a arte encontrados, notadamente na área de fundações, em obras monumentais executadas pôr povos das antigas civilizações. Nos palácios da Babilônia, nas pirâmides do Egito, nos arquedutos romanos ou na muralha da China, o solo desempenhou um papel de realce.

Durante muitos séculos, entretanto, o aproveitamento do solo, como elemento de fundação e materiais de construção/seguiu dentro do empirismo racional, e da observação de métodos empregados com êxito, em obras similares.

Embora já houvesse tentativas da criação de métodos e processos de dimensionamento, principalmente em muros de arrimo (pode-se citar as contribuições de Vauban, Bullet, Couplet e Belidor), porém, somente em 1776 apareceu a primeira obra de valor. Neste trabalho apresentado pelo engenheiro francês Coulomb são referenciados os parâmetros de resistência dos solos (coesão e ângulo de atrito),e foram também enunciados os princípios básicos da resistência ao cisalhamento dos solos. O trabalho de Coulomb abrange ainda análise da estabilidade de taludes, escavações, barragens de terra e aterros e um estudo da estabilidade de muros de arrimo. A teoria clássica de Coulomb é empregada ainda hoje em problemas de Engenharia.

Pode-se enumerar ainda importantes contribuições de vários pesquisadores, em ordem cronológica:

Cauchy (1822) apresentou um estudo sobre o estado de tensão e deformação, em torno de um ponto no interior de um maciço. Esse trabalho deu outro aspecto ao desenvolvimento das análises de estabilidade, que até então utilizavam apenas os princípios da estática.

Poncelet (1840) aplicou a teoria clássica de Coulomb a muros de arrimo com paramentos inclinados.

Alexandre Colin (1846) publicou um livro que continha observações de campo sobre o deslocamento de camadas de argilas e a descrição de um aparelho capaz de medir a sua resistência ao cisalhamento.

A Mecânica dos Solos recebeu também contribuições de outras áreas. Em 1856, Darcy estabeleceu a lei que define "o movimento da, água em meios porosos". Esta lei é de suma importância no estudo da percolação da água através dos solos. Neste mesmo ano, surge a contribuição de Rankine. Nela são aplicadas as equações desequilíbrio interno de maciços terrosos.

Atterberg (1908) estabeleceu os limites de consistência dos solos argilosos, com utilização na

Agronomia. Os limites de Atterberg, tais como são conhecidos na Mecânica dos Solos, foram introduzidos, tempos depois, por Karl Terzaghi.

Otto Mohr (1914) aplicou aos solos a sua teoria de ruptura dos materiais. Esta teoria lança a idéia das curvas envolventes, que associadas às proposições de Coulomb, segundo as quais a envoltória e uma reta, estabeleceu o critério de resistência de Mohr-Coulomb, sem dúvida, o mais utilizado, ainda hoje, na Mecânica dos Solos.

No inicio do século X, graças ao avanço técnico alcançado peIa Engenharia Civil, principalmente na área da teoria das estruturas, houve a necessidade de se estudar a Mecânica dos Solos de maneira mais sistemática. As catástrofes ocorridas em obras projetadas com requinte em cálculo estrutural tiveram, quase sempre, como causa o mau dimensionamento das fundações. Na Suécia e na Holanda, países que possuíam estradas e cidades situadas sobre formações geológicas compressíveis, a necessidade e o interesse peIa investigação geotécnica do subsolo aumentou de tal forma que, em 1913, na Suécia, pôr exemplo, foi criada a famosa Comissão Geotécnica das Estradas de Ferro da Suécia. Naquela ocasião, foi feita primeira alusão ao termo "geotécnico".

Entre 1918 e 1926, Fellenius, célebre engenheiro sueco, inventou o método de estudo de estabilidade de taludes, em que se considera a superfície de escorregamento em forma cilíndrica. Houve, nessa época, na Suécia, um admirável desenvolvimento na Mecânica dos Solos.

Neste clima de esforços isolados e das primeiras associações e comissões de estudo do comportamento do solo, é que aparece Terzaghi.

Deve-se ressaltar, durante a fase inicial de desenvolvimento da Mecânica dos Solos, o trabalho incansável de Terzaghi. Este trabalho não foi, só intenso, mas também original. Terzaghi preocupou-se em enfatizar a importância do estudo das tensões e deformações nos solos. Estabeleceu a diferença entre pressões totais efetivas e neutras. Criou a teoria do adensamento, aplicada a solos saturados. Concebeu e esquematizou ensaios e a respectiva aparelhagem e, sobretudo, fez sugestões para a interpretação dos resultados conseguidos e sua aplicação aos diferentes problemas práticos enfrentados pela Mecânica dos Solos.

A Mecânica dos Solos apenas se impôs de forma definitiva a partir de 1936, época da realização da I Conferencia de Mecânica dos Solos na Universidade de Harvard. A partir desta época os fundamentos e diversos aspectos teóricos da disciplina começaram a ser enunciados, porém deve-se ressaltar que, a despeito do intenso trabalho já desenvolvido pôr inúmeros pesquisadores, muito resta a ser explicado adequadamente. Dessa forma, pôr ser uma ciência relativamente nova, a Mecânica dos Solos encontra-se em continuo e intenso desenvolvimento.

3 - A Mecânica dos Solos

A Mecânica dos Solos foi estabelecida com o propósito de estudar o comportamento dos solos, segundo formulações teóricas de embasamento científico. Procurou-se, a partir de bases físicas, modelos reológicos e observações de campo, elaborar teorias explicativas desse comportamento. Algumas dessas teorias possuem um cunho determinístico, e outras, probabilístico. Embora as teorias determinísticas se prestem melhor à elaboração de doutrinas, que, sendo de fácil apreensão, fornecem fundamentos racionais à explicação de fenômenos observados, a heterogeneidade dos solos com propriedades variáveis, de ponto para ponto, tem conduzido a um uso acentuado de teorias probabilísticas.

No estudo do comportamento dos solos, duas linhas de conduta têm sido utilizadas. A primeira preocupasse com as propriedades físico-qulmicas, forças intergranulares, efeito dos fluidos intersticiais, para, a partir de tais fenômenos, explicar o comportamento dos solos. A segunda apoia-se na hipótese que considera o solo como um meio contínuo, cuja relação tensão-deformação fornece subsídios para previsão do comportamento do solo.

Nos problemas geotécnicos de ordem prática, o engenheiro civil deve ter consciência das limitações das teorias utilizadas, e nunca esperar o valor exato nas grandezas obtidas, senão uma ordem de grandeza.

Neste ponto, um recurso utilizado ria mecânica dos solos, como em todas as ciências é consultar as soluções dadas a problemas análogos, como primeira referência à solução de um problema proposto. Este recurso dá ao engenheiro a liberdade de escolha de soluções que deverão ser adaptadas ao problema em estudo, pois nunca há repetição de condições anteriores. Os ensaios de campo e laboratórios serão, portanto, necessários para fornecer as reais propriedades dos solos e os dados exigidos nos cálculos de dimensionamento e verificação da solução adotada.

O QUADRO I a seguir fornece uma relação dos principais problemas pertinentes ao campo da Mecânica dos Solos.

O solo como fundaçõesFundações rasas Fundações profundas

Fundações em solos moles Fundações em solos expansivos

O solo como material deconstrução

Barragens de terra e enrocamento Estradas e Aeroportos

Estabilidade dos solosTaludes e escavações

Suporte dos solosEstruturas de arrimo Silos

CAPÍTULO II2 O SOLO PARA O ENGENHEIRO

1 - Conceituação

A parte mais externa do globo terrestre, denominada crosta, é constituída essencialmente de rochas que são agregados naturais de um ou diversos minerais, podendo, eventualmente, ocorrer vidro ou matéria orgânica.

A ação contínua dos agentes atmosféricos e biológicos (intemperismo) tende a desintegrar e a decompor essas rochas, dando origem ao solo.

O significado da palavra solo não é o mesmo para todas as ciências que estudam a natureza. Para fins de Engenharia Civil, admite-se que os solos são misturas naturais de um ou diversos minerais (às vezes com matéria orgânica) que podem ser separa pôr processos mecânicos simples, tais como agitação em água ou manuseio. Numa conceituação mais simplista, o solo seria todo material que pudesse ser escavado, sem o emprego de técnicas especiais, como, pôr exemplo, explosivos.

Esse material forma a fina camada superficial que recobre quase toda a crosta terrestre e no seu estado natural apresentasse composto de partículas sólidas (com diferentes formas e tamanhos), líquidas e gasosas. Os solos normalmente são caracterizados pela sua fase sólida, enquanto as fases líquida e gasosa são consideradas conjuntamente como porosidade. Entretanto, na análise de comportamento real de um solo, há necessidade de se levar em conta as porcentagens das fases componentes, bem como a distribuição dessas fases através da massa de solo.

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