1. Universidade Federal da Bahia - Escola Politécnica
Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais
(Setor de Geotecnia)
MECÂNICA DOS SOLOS I
Conceitos introdutórios
Autores: Sandro Lemos Machado e Miriam de Fátima C. Machado
2. 1
MECÂNICA DOS SOLOS I
Conceitos introdutórios
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO AO CURSO. 4
1.1 Importância do estudo dos solos 4
1.2 A mecânica dos solos, a geotecnia e disciplinas relacionadas. 4
1.3 Aplicações de campo da mecânica dos solos. 5
1.4 Desenvolvimento do curso. 5
2. ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS. 6
2.1 Conceituação de solo e de rocha. 6
2.2 Intemperismo. 6
2.3 Ciclo rocha - solo. 8
2.4 Classificação do solo quanto a origem e formação. 10
3. TEXTURA E ESTRUTURA DOS SOLOS. 17
3.1 Tamanho e forma das partículas. 17
3.2 Identificação táctil visual dos solos. 18
3.3 Análise granulométrica. 20
3.4 Designação segundo NBR 6502. 23
3.5 Estrutura dos solos. 24
3.6 Composição química e mineralógica 25
4. FASES SÓLIDA - ÁGUA - AR. 28
4.1 Fase sólida. 28
4.2 Fase gasosa. 28
4.3 Fase líquida. 28
5. LIMITES DE CONSISTÊNCIA. 29
5.1 Noções básicas 29
5.2 Estados de consistência. 29
5.3 Determinação dos limites de consistência. 30
5.4 Índices de consistência 32
5.5 Alguns conceitos importantes. 33
6. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS. 36
6.1 Classificação segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS). 37
6.2 Classificação segundo a AASHTO. 42
7. ÍNDICES FÍSICOS. 46
7.1 Introdução. 46
7.2 Relações entre volumes. 46
7.3 Relação entre pesos e volumes - pesos específicos ou entre massas e volumes - massa
específica. 47
7.4 Diagrama de fases. 48
7.5 Utilização do diagrama de fases para a determinação das relações entre os diversos
índices físicos. 49
7.6 Densidade relativa 49
7.7 Ensaios necessários para determinação dos índices físicos. 50
3. 2
7.8 Valores típicos. 51
8. DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES NO SOLO 52
8.1 Introdução. 52
8.2 Tensões em uma massa de solo. 52
8.3 Cálculo das tensões geostáticas. 54
8.4 Exemplo de aplicação. 56
8.5 Acréscimos de tensões devido à cargas aplicadas. 57
9. COMPACTAÇÃO. 73
9.1 Introdução 73
9.2 O emprego da compactação 73
9.3 Diferenças entre compactação e adensamento. 73
9.4 Ensaio de compactação 74
9.5 Curva de compactação. 74
9.6 Energia de compactação. 76
9.7 Influência da compactação na estrutura dos solos. 77
9.8 Influência do tipo de solo na curva de compactação 77
9.9 Escolha do valor de umidade para compactação em campo 78
9.10 Equipamentos de campo 79
9.11 Controle da compactação. 81
9.12 Índice de suporte Califórnia (CBR). 83
10. INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO. 86
10.1 Introdução. 86
10.2 Métodos de prospecção geotécnica. 87
4. 3
NOTA DOS AUTORES
Este trabalho foi desenvolvido apoiando-se na estruturação e ordenação de tópicos
já existentes no Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais (DCTM),
relativos à disciplina Mecânica dos Solos. Desta forma, a ordenação dos capítulos
do trabalho e a sua lógica de apresentação devem muito ao material desenvolvido
pelos professores deste Departamento, antes do ingresso do professor Sandro
Lemos Machado à UFBA, o que se deu em 1997.
Vale ressaltar também que o capítulo de origem e formação dos solos, cujo
conteúdo é apresentado no volume 1 deste trabalho, tem a sua fundamentação no
material elaborado, com uma enorme base de conhecimento regional, pelos
professores do DCTM e pelo aluno Maurício de Jesus Valadão, apresentado em
um volume de notas de aulas , de grande valor didático e certamente referência
bibliográfica obrigatória para os alunos que cursam a disciplina Mecânica dos
Solos.
10. 9
Figura 2.1 - Ciclo rocha - solo
Podemos avaliar comparativamente as rochas vulcânicas e plutônicas pelo tamanho
dos cristais, o que pode ser feito facilmente a olho nu ou com o auxílio de lupas. Cristais
maiores indicam uma formação mais lenta, característica das rochas plutônicas, e vice-versa.
Uma vez exposta, (fig. 2.1-1), a rocha sofre a ação das intempéries e forma os solos
residuais (fig. 2.1-2), os quais podem ser transportados e depositados sobre outro solo de
12. 11
Solo maduro
Solo jovem
Deformabilidade
Resistência
Saprolito
Rocha alterada
Rocha sã
Figura 2.2 - Perfil típico de solo residual.
Conforme se pode observar da fig. 2.2, a rocha sã passa paulatinamente à rocha
fraturada, depois ao saprolito, ao solo residual jovem e ao solo residual maduro. Em se
tratando de solos residuais, é de grande interesse a identificação da rocha sã, pois ela
condiciona, entre outras coisas, a própria composição química do solo.
A rocha alterada caracteriza-se por uma matriz de rocha possuindo intrusões de solo,
locais onde o intemperismo atuou de forma mais eficiente.
O solo saprolítico ainda guarda características da rocha mãe e tem basicamente os
mesmos minerais, porém a sua resistência já se encontra bastante reduzida. Este pode ser
caracterizado como uma matriz de solo envolvendo grandes pedaços de rocha altamente
alterada. Visualmente pode confundir-se com uma rocha alterada, mas apresenta
relativamente a rocha pequena resistência ao cisalhamento. Nos horizontes saprolíticos é
comum a ocorrência de grandes blocos de rocha denominados de matacões, responsáveis por
muitos problemas quando do projeto de fundações.
O solo residual jovem apresenta boa quantidade de material que pode ser classificado
como pedregulho (# 4,8 mm). Geralmente são bastante irregulares quanto a resistência
mecânica, coloração, permeabilidade e compressibilidade, já que o processo de transformação
não se dá em igual intensidade em todos os pontos, comumente existindo blocos da rocha no
seu interior. Pode-se dizer também que nos horizontes de solo jovem e saprolítico as
sondagens a percussão a serem realizadas devem ser revestidas de muito cuidado, haja vista
que a presença de material pedregulhoso pode vir a danificar os amostradores utilizados,
vindo a mascarar os resultados obtidos.
Os solos maduros, mais próximos à superfície, são mais homogêneos e não
apresentam semelhanças com a rocha original. De uma forma geral, há um aumento da
resistência ao cisalhamento, da textura (granulometria) e da heterogeneidade do solo com a
profundidade, razão esta pela qual a realização de ensaios de laboratório em amostras de solo
residual jovem ou do horizonte saprolítico é bastante trabalhosa.
No Recôncavo Baiano é comum a ocorrência de solos residuais oriundos de rochas
sedimentares. Um perfil típico de solo do recôncavo Baiano é apresentado na fig. 2.3, sendo
constituído de camadas sucessivas de argila e areia, coerente com o material que foi
20. 19
Plasticidade: Moldar bolinhas ou cilindros de solo úmido. As argilas são moldáveis
enquanto as areias e siltes não são moldáveis.
Resistência do solo seco: As argilas são resistentes a pressão dos dedos enquanto os
siltes e areias não são.
Dispersão em água: Misturar uma porção de solo seco com água em uma proveta,
agitando-a. As areias depositam-se rapidamente, enquanto que as argilas turvam a suspensão e
demoram para sedimentar.
Impregnação: Esfregar uma pequena quantidade de solo úmido na palma de uma das
mãos. Colocar a mão embaixo de uma torneira aberta e observar a facilidade com que a palma
da mão fica limpa. Solos finos se impregnam e não saem da mão com facilidade.
Dilatância: O teste de dilatância permite obter uma informação sobre a velocidade de
movimentação da água dentro do solo. Para a realização do teste deve-se preparar uma
amostra de solo com cerca de 15mm de diâmetro e com teor de umidade que lhe garanta uma
consistência mole. O solo deve ser colocado sobre a palma de uma das mãos e distribuído
uniformemente sobre ela, de modo que não apareça uma lâmina d'água. O teste se inicia com
um movimento horizontal da mão, batendo vigorosamente a sua lateral contra a lateral da
outra mão, diversas vezes. Deve-se observar o aparecimento de uma lâmina d'água na
superfície do solo e o tempo para a ocorrência. Em seguida, a palma da mão deve ser curvada,
de forma a exercer uma leve compressão na amostra, observando-se o que poderá ocorrer à
lâmina d' água, se existir, à superfície da amostra. O aparecimento da lâmina d água durante a
fase de vibração, bem como o seu desaparecimento durante a compressão e o tempo
necessário para que isto aconteça deve ser comparado aos dados da tabela 3.1, para a
classificação do solo.
Tabela 3.1 - Teste de dilatância
Descrição da ocorrência de lâmina d'água durante Dilatância
Vibração (aparecimento) Compressão (desaparecimento)
Não há mudança visível Nenhuma (argila)
Aparecimento lento Desaparecimento lento Lenta (silte ou areia argilosos)
Aparecimento médio Desaparecimento médio Média (Silte, areia siltosa)
Aparecimento rápido Desaparecimento rápido Rápida (areia)
Após realizados estes testes, classifica-se o solo de modo apropriado, de acordo com
os resultados obtidos (areia siltosa, argila arenosa, etc.). Os solos orgânicos são identificados
em separado, em função de sua cor e odor característicos.
Além da identificação tátil visual do solo, todas as informações pertinentes à
identificação do mesmo, disponíveis em campo, devem ser anotadas. Deve-se informar,
sempre que possível, a eventual presença de material cimentante ou matéria orgânica, a cor do
solo, o local da coleta do solo, sua origem geológica, sua classificação genética, etc.
A distinção entre solos argilosos e siltosos, na prática da engenharia geotécnica, possui
certas dificuldades, já que ambos os solos são finos. Porém, após a identificação tátil-visual
ter sido realizada, algumas diferenças básicas entre eles, já citadas nos parágrafos anteriores,
podem ser utilizadas para distingui-los.
1- O solo é classificado como argiloso quando se apresenta bastante plástico em
presença de água, formando torrões resistentes ao secar. Já os solos siltosos
quando secos, se esfarelam com facilidade.
2- Os solos argilosos se desmancham na água mais lentamente que os solos siltosos.
Os solos siltosos, por sua vez, apresentam dilatância marcante, o que não ocorre
com os solos argilosos.
23. 22
D10 - Diâmetro efetivo - Diâmetro eqüivalente da partícula para o qual temos 10% das
partículas passando (10% das partículas são mais finas que o diâmetro efetivo).
D30 e D60 - O mesmo que o diâmetro efetivo, para as percentagens de 30 e 60%,
respectivamente.
100
90
Porcentagem que passa (%)
80
Solo bem graduado (a)
70 (granulação contínua)
60
50
40 (a) Contínua
(b) Aberta Granulação uniforme (c)
30
(c) Uniforme (mal graduado)
20
10
0
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Granulação aberta (b)
Abertura da peneira (mm) (mal graduado)
Figura 3.2 - Representação de diferentes curvas granulométricas.
As equações 3.2 e 3.3 apresentam os coeficientes de uniformidade e curvatura de uma
dada curva granulométrica.
Coeficiente de uniformidade:
D60
Cu =
D10 (3.2)
De acordo como valor do Cu obtido, a curva granulométrica pode ser classificada
conforme apresentado abaixo:
Cu 5 → muito uniforme
5 Cu 15 → uniformidade média
Cu 15 → não uniforme
Coeficiente de curvatura:
2
D30
Cc =
D60 x D10 (3.3)
Classificação da curva granulométrica quanto ao coeficiente de curvatura
1 Cc 3 → solo bem graduado
Cc 1 ou Cc 3 → solo mal graduado
27. 26
típico de um argilo-mineral é uma estrutura complexa similar ao arranjo estrutural aqui
idealizado, mas contendo usualmente substituições de íons e outras modificações estruturais
que acabam por formar novos tipos de argilo-minerais. As duas unidades estruturais básicas
dos argilo-minerais são os tetraedros de silício e os octaédros de alumínio (fig. 3.4). Os
tetraedros de silício são formados por quatro átomos de oxigênio eqüidistantes de um átomo
de silício enquanto que os octaédros de alumínio são formados por um átomo de alumínio no
centro, envolvido por seis átomos de oxigênio ou grupos de hidroxilas, OH-. A depender do
modo como estas unidades estruturais estão unidas entre si, podemos dividir os argilo-
minerais em três grandes grupos.
a) GRUPO DA CAULINITA: A caulinita é formada por uma lâmina silícica e outra
de alumínio, que se superpõem indefinidamente. A união entre todas as camadas é
suficientemente firme (pontes de hidrogênio) para não permitir a penetração de moléculas de
água entre elas. Assim, as argilas cauliníticas são as mais estáveis em presença d'água,
apresentando baixa atividade e baixo potencial de expansão.
b) MONTMORILONITA: É formada por uma unidade de alumínio entre duas
silícicas, superpondo-se indefinidamente. Neste caso a união entre as camadas de silício é
fraca (forças de Van der Walls), permitindo a penetração de moléculas de água na estrutura
com relativa facilidade. Os solos com grandes quantidades de montmorilonita tendem a ser
instáveis em presença de água. Apresentam em geral grande resistência quando secos,
perdendo quase que totalmente a sua capacidade de suporte por saturação. Sob variações de
umidade apresentam grandes variações volumétricas, retraindo-se em processos de secagem e
expandindo-se sob processos de umedecimento.
c) ILITA: Possui um arranjo estrutural semelhante ao da montmorilonita, porém os
íons não permutáveis fazem com que a união entre as camadas seja mais estável e não muito
afetada pela água. É também menos expansiva que a montmorilonita.
o
Al
Si Si
Al o o
o
Si
Al
Si
Si Al
Al
Si Si
Si
K Al
Si
Al
Si
Al Si
Si Si
Al
Al
Si
Si
Si Al Si
Al Si
Montmorilonita Ilita Caulinita Unidades cristalográficas
Figura 3.4 - Arranjos estruturais típicos dos três principais grupos de argilo-
minerais.
Como a união entre as camadas adjacentes dos argilo-minerais do tipo 1:1 (grupo da
caulinita) é bem mais forte do que aquela encontrada para os outros grupos, é de se esperar
que estes argilo-minerais resultem por alcançar tamanhos maiores do que aqueles alcançados
pelos argilo-minerais do grupo 2:1, o que ocorre na realidade: Enquanto um mineral típico de
28. 27
caulinita possui dimensões em torno de 500 (espessura) x 1000 x 1000 (nm), um mineral de
montmorilonita possui dimensões em torno de 3x 500 x 500 (nm).
A presença de um determinado tipo de argilo-mineral no solo pode ser identificada
utilizando-se diferentes métodos, dentre eles a análise térmica diferencial, o raio x , a
microscopia eletrônica de varredura, etc.
Superfície específica - Denomina-se de superfície específica de um solo a soma da
área de todas as partículas contidas em uma unidade de volume ou peso. A superfície
específica dos argilo-minerais é geralmente expressa em unidades como m2/m3 ou m2/g.
Quanto maior o tamanho do mineral menor a superfície específica do mesmo. Deste modo,
pode-se esperar que os argilo-minerais do grupo 2:1 possuam maior superfície específica do
que os argilo-minerais do grupo 1:1. A montmorilonita, por exemplo, possui uma superfície
específica de aproximadamente 800 m2/g, enquanto que a ilita e a caulinita possuem
superfícies específicas de aproximadamente 80 e 10 m2/g, respectivamente. A superfície
específica é uma importante propriedade dos argilo-minerais, na medida em que quanto maior
a superfície específica, maior vai ser o predomínio das forças elétricas (em detrimento das
forças gravitacionais), na influência sobre as propriedades do solo (estrutura, plasticidade,
coesão, etc.)