Mecânica dos Solos e suas Aplicações - Fundamentos - Vol. 1, 7ª edição

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Acidentes ocorridos em grandes obras da engenharia como deslizamentos durante a construção do Canal do Panamá ? deixaram clara a percepção inadequada dos princípios de gestão do solo, outrora vigentes na engenharia. Por outro lado, a falta de conhecimento impedia que uma nova direção fosse adotada. Desses desafios e do aprendizado nasceu uma nova orientação do estudo dos solos, que a 7ª edição de Mecânica dos Solos e Suas Aplicações reúne de forma consistente e atualizada.

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1 Introdução

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Capítulo

Introdução

1

1.1 Primeiros Estudos dos Solos

A necessidade do homem de trabalhar com os solos encontra sua origem nos tempos mais remotos, podendo-se mesmo afirmar ser tão antiga quanto a civilização. Recordem-se, entre outros, os problemas de fundações e de obras de terra que terão surgido quando das grandes construções representadas pelas pirâmides do Egito, os templos da Babilônia, a Grande Muralha da China, os aquedutos e as estradas do Império Romano.

Revendo, no entanto, a bibliografia, os primeiros trabalhos sobre o comportamento quantitativo dos solos vão ser encontrados somente a partir do século XVII. Tais trabalhos, que remontam aos estudos de

Vauban (1687), Coulomb (1773), Rankine (1856) e outros, admitem os solos como “massas ideais de fragmentos”, atribuindo-lhes propriedades de material homogêneo e estudando-os mais de um ponto de vista

“matemático” do que “físico”. Assim foram desenvolvidas as “teorias clássicas” sobre o equilíbrio dos maciços terrosos, de sentido predominantemente matemático e sem o correspondente ajustamento das suas conclusões à realidade física. Essas teorias, apesar das suas limitações tão conhecidas atualmente, desempenharam importante papel no desenvolvimento dos estudos dos maciços de terra.

 

2 Origem e Formação dos Solos. Pedologia. Composição Química e Mineralógica

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Capítulo

2

Origem e Formação dos Solos. Pedologia.

Composição Química e

Mineralógica

2.1 Origem e Formação dos Solos

Os solos são materiais que resultam do intemperismo ou meteorização das rochas*, por desintegração mecânica ou decomposição química.

Por desintegração mecânica, através de agentes como água, temperatura, vegetação e vento, formam-se os pedregulhos e areias (solos de partículas grossas) e até mesmo os siltes (partículas intermediárias), e, somente em condições especiais, as argilas (partículas finas).

Por decomposição química entende-se o processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas de origem. O principal agente é a água, e os mais importantes mecanismos de ataque são a oxidação, a hidratação, a carbonatação e os efeitos químicos da vegetação. As argilas representam o último produto do processo de decomposição.

Em geral esses processos atuam simultaneamente; em determinados locais e condições climáticas, um deles pode ter predominância sobre o outro. O solo é, assim, uma função da rochamáter e dos diferentes agentes de alteração. Os que mantêm uma nítida macroestrutura herdada da rocha da origem são designados por solos saprolíticos.

 

3 Propriedades das Partículas Sólidas do Solo

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3

Propriedades das Partículas

Sólidas do Solo

3.1 Natureza das Partículas

No que diz respeito à natureza das partículas, vimos que o solo é constituído por grãos minerais, podendo conter matéria orgânica. As frações grossas são predominantemente de grãos silicosos, enquanto os minerais que ocorrem nas frações argilosas pertencem aos três grupos principais: caolinita, montmorilonita e ilita.

3.2 Peso Específico das Partículas

O peso específico das partículas (gg) de um solo é, por definição:

P gg = s ,

Vs ou seja, o peso da substância sólida por unidade de volume.

A densidade relativa (d) das partículas é a razão entre o peso da parte sólida e o peso de igual volume de água pura a 4°C. Uma vez que, como g

é evidente, d = g ,, em que ga = 1 g/cm3 ou 10 kN/m3 é o peso específico ga da água a 4°C, tem-se que: gg = dga.

Assim, d e gg são expressos pelo mesmo número, sendo d adimensional e gg dimensional. Por exemplo, a densidade relativa do quartzo

 

4 Índices Físicos

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Índices Físicos

4.1

4

Elementos Constituintes de um Solo

O solo é um material constituído por um conjunto de partículas sólidas, deixando entre si vazios que poderão estar parcial ou totalmente preenchidos pela água. É, pois, no caso mais geral, um sistema disperso formado por três fases: sólida, líquida e gasosa (Fig. 4.1).

A fase sólida já foi estudada. Vejamos, agora, as fases líquida e gasosa.

Conquanto seja extremamente difícil separar os diferentes estados em que a água se apresenta nos solos, é, no entanto, de grande interesse estabelecer uma distinção entre os mesmos.

A água contida no solo (Figs. 4.2 e 4.3) pode ser classificada em:

• água de constituição – é a que faz parte da estrutura molecular da partícula sólida;

• água adesiva ou adsorvida – é aquela película de água que envolve e adere fortemente à partícula sólida, e à qual já nos referimos;

Partícula sólida

Ar

Água

Figura 4.1

 

5 Estrutura dos Solos

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Estrutura dos Solos

5

5.1 Definições e Tipos de Estrutura

Chama-se estrutura ao arranjo ou disposição das partículas constituintes do solo. Conquanto, ultimamente, tenham surgido novas concepções acerca dos processos de estruturação dos solos, bem como novos tipos de estrutura tenham sido introduzidos, tradicionalmente consideram-se os seguintes tipos principais: a) Estrutura granular simples – é característica das areias e pedregulhos, predominando as forças da gravidade na disposição das partículas, que se apoiam diretamente umas sobre as outras.

De acordo com a maneira pela qual os grãos se agrupam, a estrutura pode ser mais densa ou mais solta, o que é definido pelo

“grau de compacidade” (item 4.6). b) Estrutura alveolar ou em favo de abelha – é o tipo de estrutura comum nos siltes mais finos e em algumas areias. Mostremos como se origina: quando na formação de um solo sedimentar um grão cai sobre o sedimento já formado, devido à predominância da atração molecular sobre o seu peso, ele ficará na posição em que se der o primeiro contato, dispondo-se assim em forma de arcos, como indicado na Fig. 5.1. c) Estrutura floculenta – nesse tipo de estrutura, que só é possível em solos cujas partículas componentes sejam todas muito pequenas, as partículas, ao se sedimentarem, dispõem-se em arcos, os quais, por sua vez, formam outros arcos, tal como representado na Fig.

 

6 Plasticidade e Consistência dos Solos

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6

Plasticidade e Consistência dos Solos

6.1 Plasticidade

A experiência mostrou que, para os solos cuja textura haja certa porcentagem de fração fina, não basta a granulometria para caracterizá-los, pois suas propriedades plásticas dependem do teor de umidade, além da forma das partículas e da sua composição química e mineralógica.

A plasticidade é normalmente definida como uma propriedade dos solos, que consiste na maior ou menor capacidade de serem eles moldados, sob certas condições de umidade, sem variação de volume. Trata-se de uma das mais importantes propriedades das argilas.

Em outras ciências da engenharia, o comportamento plástico dos materiais fundamenta-se nas características tensão-deformação. Assim

é que um corpo diz-se elástico quando recupera a forma e o volume primitivos, ao cessar a ação das forças externas que o deformavam; ao contrário, diz-se plástico quando não recupera seu estado original ao cessar a ação deformante.

 

7 Fenômenos Capilares

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Fenômenos Capilares

7

7.1 Teoria do Tubo Capilar

Nos solos, por capilaridade*, a água se eleva por entre os interstícios de pequenas dimensões deixados pelas partículas sólidas, além do nível do lençol freático. A altura alcançada depende da natureza do solo.

O corte na Fig. 7.1 nos mostra a distribuição típica da umidade do solo. Verifica-se, por aí, que o solo não se apresenta saturado ao longo de toda a altura de ascensão capilar, mas somente até um certo nível, denominado nível de saturação.

A altura capilar que alcança a água em um solo se determina considerando sua massa um conjunto de tubos capilares, formados pelos seus vazios (Fig. 7.2); na realidade esses “tubos” são irregulares e informes.

Grau de saturação 100%

Nível capilar

Nível freático

Poço

Altura de ascensão capilar

Profundidade

N. de saturação

Figura 7.1

*Sabe-se, da Física, que por fenômenos capilares entendem-se certos fenômenos que surgem pelo contato dos líquidos com os sólidos e que resultam das ações moleculares. Assim se denominam por terem sido originalmente observados nos tubos de diâmetros reduzidos, comparáveis aos diâmetros dos fios de cabelo (do latim capillus).

 

8 Permeabilidade dos Solos

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8

Permeabilidade dos Solos

8.1 Coeficiente de Permeabilidade. Lei de Darcy

A permeabilidade é a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento da água através dele; seu grau de permeabilidade é expresso numericamente pelo “coeficiente de permeabilidade”.

O conhecimento da permeabilidade de um solo é de importância em diversos problemas práticos de engenharia, tais como: drenagem, rebaixamento do nível d’água, recalques etc.

A determinação do coeficiente de permeabilidade é feita tendo em vista a lei experimental de Darcy (proposta em 1856 por esse engenheiro francês), de acordo com a qual a velocidade de percolação é diretamente proporcional ao gradiente hidráulico (Figs. 8.1 e 8.2).

Assim: vp = kp i, em que: vp = velocidade real de percolação da água; kp = coeficiente de percolação, que é a velocidade real média de escoamento através dos vazios do solo, quando i = 1; i = gradiente hidráulico = h/L;

NA

NA

 

9 Compressibilidade

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Capítulo

9

A

Compressibilidade

Introdução

9.1 A Compressibilidade

Uma das principais causas de recalques é a compressibilidade do solo, ou seja, a diminuição 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, que alguns autores preferem denominar recalques por consolidação.

9.2 Relação Carga-Deformação

Todos os materiais deformam-se pela ação de uma carga aplicada, fornecendo a Resistência dos Materiais, para os diversos materiais (madeira, aço etc.) empregados em construção, as características da correlação entre as cargas e as respectivas deformações.

Essas correlações encontram-se tabeladas e são utilizadas diretamente no projeto das estruturas.

Em engenharia de fundações já o problema é mais complexo; as deformações dos solos, além de comparativamente maiores que a dos materiais de construção — nestes a deformação unitária correspondente

 

10 Tensões e Deformações. Elasticidade, Plasticidade e Reologia

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Capítulo

Tensões e Deformações.

Elasticidade, Plasticidade e Reologia

10

10.1 Introdução

Recordaremos neste capítulo alguns conceitos e princípios básicos sobre tensões e deformações, elasticidade, plasticidade e reologia, utilizados em Mecânica dos Solos, não obstante, como é sabido, o real comportamento dos solos crie restrições às suas aplicações.

Abordaremos os meios contínuos, deformáveis, homogêneos e isótropos.

De maneira mais ampla e unificada, os estudos dos esforços que se manifestam no interior dos sólidos, líquidos e gases e as correspondentes deformações ou fluxos desses materiais pertencem à chamada

Mecânica dos meios contínuos*.

10.2 Tensões

Conceitos fundamentais

Os esforços que solicitam um maciço — provenientes do seu peso próprio, da carga de uma estrutura ou da ação de um veículo — produzem tensões na totalidade dos seus pontos (ou de suas partículas).

Para um ponto O de uma determinada seção plana S de um corpo (Fig.

 

11 Resistência ao Cisalhamento dos Solos

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11

Resistência ao Cisalhamento dos Solos

11.1 Atrito Interno e Coesão

A propriedade dos solos em suportar cargas e conservar sua estabilidade, depende da resistência ao cisalhamento do solo; toda massa de solo se rompe quando essa resistência é excedida.

Leonards define a resistência ao cisalhamento como a tensão de cisalhamento sobre o plano de ruptura, na ruptura.

Das características de resistência ao cisalhamento dependem importantes problemas de engenharia de solos e fundações. A estabilidade de taludes (aterros, cortes e barragens), empuxos de terra sobre paredes de contenção e túneis, capacidade de carga de sapatas e estacas são problemas a serem examinados no Vol. 2.

A correta determinação da resistência ao cisalhamento dos solos* é um dos problemas mais complexos da Mecânica dos Solos.

O assunto é controvertido e, por isso, ainda em fase de estudos e pesquisas, como se verifica pelos trabalhos que frequentemente são publicados, visando esclarecer um ou outro aspecto da questão, até que, no futuro, se apresente definitivamente resolvido, teórica e praticamente.

 

12 Compactação dos Solos

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Capítulo

12

Compactação dos Solos

12.1 Introdução

Entende-se por compactação de um solo o processo manual ou mecânico que visa reduzir o volume de seus vazios e, assim, aumentar sua resistência, tornando-o mais estável.

Trata-se de uma operação simples e de grande importância pelos seus consideráveis efeitos sobre a estabilização de maciços terrosos, relacionando-se, intimamente, com os problemas de pavimentação e barragens de terra.

A compactação de um solo visa melhorar suas características, não só quanto à resistência, mas, também, nos aspectos permeabilidade, compressibilidade e absorção d’água.

No estado atual de conhecimento sobre o assunto, sabe-se que o aumento do peso específico de um solo, produzido pela compactação, depende fundamentalmente da energia dispendida e do teor de umidade do solo.

Observe-se que na “compactação” há expulsão de ar, e no “adensamento” a expulsão é da água.

É sabido que a compactação se enquadra na categoria dos problemas relativos a “solos não saturados”, na qual a Mecânica dos Solos se depara ainda com dificuldades e, até mesmo, com certa insegurança.

 

13 Classificação dos Solos

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13

Classificação dos Solos

13.1 Principais Sistemas de Classificação

Apesar das limitações a que estão sujeitas as diferentes classificações, constituem elas um meio prático para a identificação dos solos.

Os dois principais sistemas de classificação* são: o Sistema Unificado de Classificação (Unified Classification System – USC), oriundo do Airfield Classification System (AC), idealizado por A. Casagrande, e a Classificação do HRB (Highway Research Board) originária da classificação da Public Roads Administration.

13.2 O Sistema Unificado de Classificação

Em linhas gerais, os solos são classificados, neste sistema, em três grandes grupos: a) Solos grossos – aqueles cujo diâmetro da maioria absoluta dos grãos é maior que 0,074 mm (mais que 50% em peso, dos seus grãos, são retidos na peneira n-º 200). b) Solos finos – aqueles cujo diâmetro da maioria absoluta dos grãos

é menor que 0,074 mm. c) Turfas – solos altamente orgânicos, geralmente fibrilares e extremamente compressíveis.

 

14 Exploração do Subsolo

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14

Exploração do Subsolo

14.1 Considerações Iniciais

O primeiro requisito para se abordar qualquer problema de Mecânica dos Solos consiste num conhecimento, tão perfeito quanto possível, das condições do subsolo, isto é, no reconhecimento da disposição, natureza e espessura das suas camadas, assim como das suas características, com respeito ao problema em exame. Tal conhecimento implica a prospecção do subsolo e a amostragem ao longo do seu decurso. Nesta fase dos estudos e em determinadas obras, torna-se indispensável, ainda, a colaboração, com o engenheiro civil, de um geólogo experimentado.

A importância desses estudos é tão grande e tão evidente, que alguém já comparou o engenheiro que os omitisse a um cirurgião que operasse sem um prévio diagnóstico ou a um advogado que defendesse uma causa sem um prévio entendimento com o seu cliente.

Tanto a escolha do método e da técnica como a amplitude das investigações devem ser função das dimensões e finalidades da obra, das características do terreno, dos dados disponíveis de investigações anteriores e da observação do comportamento de estruturas próximas.

 

Notas Complementares

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Notas Complementares

Nestas Notas aditamos esclarecimentos e conceitos acerca de alguns assuntos tratados no presente volume.

I �Considerações Teóricas Relativas ao

Coeficiente de Permeabilidade

I.1  Introdução

Deduz-se nesta Nota a fórmula de Konezy-Carman, a qual, proporcionando melhor analogia com o solo, evidencia os fatores que afetam a sua permeabilidade. Essa fórmula é desenvolvida como extensão da equação generalizada de Hagen-Poiseuille para fluxo d’água em tubos capilares, tal como se visualiza a conexão dos vazios em uma massa de solo.

Sobre esse assunto fizemos uma rápida referência no item 8.6.

I.2  Equação de Hagen-Poiseuille

Consideremos (Fig. I.1) um tubo capilar de raio r e examinemos ao longo de um comprimento dl, com uma perda de carga dh, duas “lâminas cilíndricas” coaxiais de raios r e r + dr no interior do tubo. Seja dv a diferença de velocidade entre as duas “lâminas”.

r

d

Figura I.1

233

 

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