ENGENHARIA CIVIL

IGOR NASCIMENTO MOREIRAJOSE ROBERTO GUIMARÃES EÇA JUNIOR

LYDIA PATRÍCIA SILVALAIANA GEAMBASTIANI NASCIMENTO

UBIRAJARA BARBOSA

PROPRIEDADES DAS PARTÍCULAS SÓLIDAS DO SOLO

Itabuna2013

IGOR NASCIMENTO MOREIRAJOSE ROBERTO GUIMARÃES EÇA JUNIOR

LYDIA PATRÍCIA SILVALAIANA GEAMBASTIANI NASCIMENTO

UBIRAJARA BARBOSA

PROPRIEDADES DAS PARTÍCULAS SÓLIDAS DO SOLO

Trabalho apresentado ao Prof.º Totti, da disciplina Mecânica dos Solos, da turma do IV Semestre de Engenharia Civil, para fins avaliativo.

Itabuna2013

Introdução

O solo é formado pela desintegração da rocha, sob a ação de várias forças da

natureza, tais como a água, vento, geada, mudanças de temperatura e

gravidade. Ele pode, assim, ser considerado uma rede de partículas sólidas que

ocupa espaços vazios ou poros. 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 dos 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, de uso corrente na Engenharia Civil. Mais que qualquer

dos materiais encontrados nas estruturas, o solo diverge, no seu comportamento, do

modelo de um sólido deformável.

As soluções da Mecânica dos Sólidos Deformáveis são frequentemente

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.

As desintegrações das rochas se deram através de um processo denominado

intemperismo, ou seja, a ação do tempo. As várias formas de intemperismo podem

ser classificadas em dois grandes grupos: Intemperismo químico e Intemperismo

mecânico. O primeiro está relacionado com os vários processos químicos que

alteram, solubilizam e depositam os minerais de rocha, transformando-a em solo.

Esse tipo é mais frequente nos climas quentes e úmidos e, portanto, muito comum

no Brasil. O segundo é proveniente da ação mecânica desagregadora de transporte

da água, do vento e da variação de temperatura. Muitas vezes ocorre a ação

conjunta de vários agentes do intemperismo. Os solos que permanecem próximos à

rocha que lhes deu origem são denominados residuais; os demais são sedimentares

ou transportados. A Fig. 1.1 apresente um perfil típico de solo residual.

O agente transportador pode ser a água ou o vento, este último dando origem

aos depósitos denominados loess. As dunas são também um exemplo da ação do

vento. Quando o agente transportador é a água, os solos sedimentares podem ser

classificados como de origem marinha, fluvial ou deltaico. A rocha que mantém as

características originais, ou seja, a rocha sã, é a que ocorre em profundidade.

Quanto mais próximo da superfície do terreno, maior o efeito do intemperismo.

Sobre a rocha sã encontra-se a rocha alterada, em geral muito fraturada e

permitindo grande fluxo de água através de descontinuidades. A rocha alterada é

sobreposta pelo solo residual jovem, ou saprolito (sapros, em grego, significa

deteriorado, podre), que é um material arenoso. O material mais intemperizado

ocorre acima do saprolito e é denominado solo residual maduro, o qual contém

maior percentagem de argila.

O objeto de estudo deste trabalho são as partículas sólidas do solo, no

decorrer do seu desenvolvimento, iremos abordar suas características gerais e

específicas, bem como analisar as relações matemáticas no cálculo de sua massa,

peso e densidade. O referencial teórico que iremos utilizar estará pautado no livro

"Curso Básico de Mecânica dos Solos" escrito pelo professor Carlos de Sousa Pinto.

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 tem os grãos tão finos que, quando molhados, 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 2 mm, e partículas de argila com espessuras da ordem de 10

Angstrons (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

acima citado ficaria com diâmetros da ordem de 100 a 200 metros.

Num solo, geralmente convivem partícula 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

tamanho de grãos; seus limites, entretanto, variam conforme os sistemas de

classificação. Os valores adotados pela ABNT, são indicados na Tabela 1.

Diferentemente desta terminologia adotada pela ABNT, a separação entre as

frações silte e areia é frequentemente tomada como 0,075 mm, correspondente à

abertura da peneira nº 200, que é a mais fina peneira correntemente usada nos

laboratórios. 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 frequência,

como a fração abaixo do diâmetro de 0,002 mm, que corresponde ao tamanho mais

próximo das partículas de constituição mineralógica dos minerais-argila.

Tabela 1: Limites das frações de solo pelo tamanho dos grãos

Textura do Solo

A textura do solo é definida pela proporção relativa das classes de tamanho

de partículas de um solo.

Desconsiderando a presença da matéria orgânica e de partículas maiores do

que 2 mm no solo, o total de partículas de um solo é igual ao somatório da

proporção de areia, silte e argila, de maneira que um solo pode ter de 0 a 100% de

areia, de silte e de argila. O número possível de arranjamento resultante da

combinação das proporções de classes de partículas é muito grande, o que

impulsionou o desenvolvimento de um sistema de classificação gráfico e funcional

para definição das classes de textura dos solos. O sistema consta da sobreposição

de três triângulos isósceles que representam a quantidade de argila, silte e areia do

solo (Figura 2).

A avaliação da textura é feita diretamente no campo e em laboratório. Nele, a

estimativa é baseada na sensação ao tato ao manusear uma amostra de solo. A

areia manifesta sensação de aspereza, o silte maciez e a argila maciez e

plasticidade e pegajosidade quando molhada. No laboratório, a amostra de solo é

dispersa numa suspensão e, por peneiramento e sedimentação, se determina

exatamente a proporção de areia, argila e por diferença a de silte.

Figura 2 – Triângulo textural (T) com as 13 classes texturais. Ao lado exemplo explicativo de como

obter a classe textural.

Exemplo:

Qual a classe textural de um solo com 35% de argila, 32% de silte e 33% de

areia? A isolinha correspondente a 35% de argila inicia no ponto correspondente a

35 na escala da lateral esquerda do T e se prolonga paralela à base. A do silte inicia

no ponto da escala à direita e prolonga-se paralelamente à lateral esquerda do T e a

da areia inicia no ponto da escala da base do T e prolonga-se paralela à lateral

direita. A interseção das três linhas ocorrerá numa figura geométrica dentro do T que

corresponderá à classe textural. No exemplo, a interseção das linhas tracejadas

indica que a classe textural do solo é Franco Argilosa

A natureza e a forma das partículas do solo foram elementos chaves para a

definição, que é empírica, das classes de tamanho de partículas e, juntamente com

a experiência prática, da delimitação das classes texturais no T. Assim, as partículas

de areia e silte, especialmente nos solos do Brasil, são predominantemente de forma

esférica e composição mineralógica formada por quartzo, ao passo que as partículas

de argila são de formato laminar e compostas por minerais de argila (caulinita, ilita,

montmorilonita,...) e óxidos (de Fe, Al, ...). A classe textural é determinada pela

distribuição do tamanho de partículas e juntamente com o tipo de argila

marcadamente afetam outras propriedades físicas como a drenagem e a retenção

de água, a aeração e a consistência dos solos.

Na tabela 1 são listadas algumas propriedades dos solos influenciadas pelo

tamanho das partículas dos solos.

Tabela1–Relação da textura do solo com algumas propriedades dos solos.

Solos arenosos Solos argilosos

Menor porosidade do solo Maior porosidade do solo

Menor micro e maior macro porosidade Maior micro e menor macro porosidade

Baixa retenção de água Alta retenção de água

Boa drenagem e aeração Drenagem lenta e pouco arejado agregados

Menor densidade do solo Maior densidade do solo

Aquece rápido Aquece lentamente

Resiste à compactação Maior susceptibilidade à compactação

Baixa CTC Maior CTC

Mais lixiviável Menos lixiviável

Maior erosão Mais resistente à erosão

Coesão baixa, friável Coesão elevada, firme

Consistência friável quando úmido Consistência plástica e pegajosa-molhado

Fácil preparo mecânico Mais resistente ao preparo(pesado)

Matéria orgânica baixa e rápida

decomposição

Matéria orgânica média a alta e menor taxa

de decomposição

A classe textural de um solo é uma característica importante dele porque

varia muito pouco ao longo do tempo. A mudança somente ocorrerá se houver

mudança da composição do solo devido à erosão seletiva e/ou processos de

intemperismo, que ocorrem em escala de séculos a milênios.

Formas de partículas

Classificação tradicional (Caputo):

Arredondadas - ou de forma poliédrica. Ex.: pedregulhos, areias, siltes

Lamelares - semelhantes a lamelas ou escamas. Ex.: argilas (compressibilidade e

plasticidade)

Fibrilares - em forma de fibras. Ex.: solos turfosos (origem vegetal)

Outra Classificação: (Lambe)

1 - Angular

2 - Sub-angular

3 - Arredondadas

4 - Sub-arredondadas

5 - Bem arredondadas.

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 3.1 (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 3.1 (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 3.1 As fases no solo; (a) no estado natural, (b) separada em volume, (c) em função do volume de

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.

Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam os

pesos e os volumes das três fases. Estes índices são os seguintes:

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 pesa-se novamente. Tendo-se o peso das

duas fases, a umidade é calculada. É a operação mais frequente num laboratório

de solos. Os teores de umidade dependem do tipo de solo e situam-se geralmente

entre10 e 40%, podendo ocorrer valores muito baixos (solos secos) ou muito altos

(150% ou mais).

hPa100Ps

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 e1,5, 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).

eVvVs

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%.

nVv100Vt

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).

SVa100Vv

Peso específico das partículas - ϒg ==> (g/cm3 - ton/m3):

É definido como a relação entre o peso da substância sólida do solo, Ps, por

unidade de volume da parte sólida, Vs.

ϒg= PsVs

(ou massa especifica das partículas ou dos grãos)

Densidade relativa das partículas (δ):

É numericamente igual ao peso especifico das partículas. A diferença e que a

densidade e adimensional.

É a razão entre o peso da substância sólida e o peso de igual volume de água

pura a 4 U C.

δ= ϒ gϒ a

ϒa = peso específico da água a 4 U C = 1 g/cm3 ou (9,81 kN/m3) assim:

ϒg= δϒa

Valores médios de densidades dos solos:

SOLO δ

Pedregulho 2,65 - 2,68

Areia 2,65 - 2,68

Silte 2,66 - 2,70

Argila 2,68 - 2,80

Solo orgânico < 2,0

Quanto maior o teor de matéria orgânica no solo, menor a densidade relativa.

Quanto maior o teor de oxido de ferro, maior a densidade relativa.

Densidade real das partículas no laboratório:

Método do Picnômetro (Laboratório):

P1 –Ps =P2 – PsδaTδ

δ=Ps .δaT

Ps+P2−P1

P1 = peso do picnômetro com solo e água

P2 = peso do picnômetro com água pura

PS = peso do solo seco

Figura 3.2 – 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(PpPa)(Ps)(PpPsPa')

Com peso e o volume, tem-se o peso específico.γg Ps

(PpPa)(Ps)(PpPsPa')

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 27kN/m³, sendo

este valor adotado quando não se dispõe do valores específicos 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,

adota- se sempre como igual a 10 kN/m³, a não ser em certos procedimentos de

laboratório.

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 de19e20kN/m³ e, por isso, quando não conhecido, é estimado como

igual a 20kN/m³. Pode ser um pouco maior (21kN/m³) ou menor (17kN/m³).Casos

especiais, como as argilas orgânicas moles, podem apresentar pesos específicos

de14 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

19kN/m³(4a5kN/m³no caso de argilas orgânicas moles).

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 y sat, 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

de10kN/m³.

Granulometria

Uma outra análise das partículas sólidas do solo é a Granulometria ou

Análise Granulométrica dos solos que é caracterizada pelo processo que visa definir,

para determinadas faixas pré-estabelecidas de tamanho de grãos, a percentagem

em peso que cada fração possui em relação à massa total da amostra em análise.

A análise granulométrica pode ser realizada: 1 - por peneiramento, quando

temos solos granulares como as areias e os pedregulhos; 2 - por sedimentação, no

caso de solos argilosos; 3 - pela combinação de ambos os processos; 4 -

por difração de laser.

Conclusão

Com um estudo sistemático sobre as teorias que circundam a disciplina

Mecânica dos Solos, é possível compreender e interpretar os vários materiais

encontrados na investigação do solo. Considerar a terra como um material de

engenharia é muito complicado, pois este, não é um material sólido coerente como o

aço, por exemplo, mas é um material em partículas. É importante compreender a

importância do tamanho da partícula, forma e composição, e da estrutura interna de

um solo a fim de conseguir informações concretas sobre as propriedades mecânicas

do mesmo.

Neste trabalho foram apresentadas algumas equações matemáticas que

servem como suporte no momento da investigação e estudos quantitativos e

qualitativos do solo objeto de estudo.

Bibliografia

CARDOSO, L. R.; Apostila de Mecânica dos Solos, ETFES, Vitória, 1995.

CAPUTO, H. P.; Mecânica dos Solos e suas Aplicações, Livros Técnicos e Científicos, São Paulo, 1994.

PINTO, Carlos de Souza; Curso Básico de Mecânica dos Solos- 3º Edição