Apostila de Mecânica dos Solos_2009

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UNIVERSIDADE POTIGUAR

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

APOSTILA DE MECÂNICA DOS SOLOS

PROFESSORA: ANA PATRÍCIA DE JESUS SILVATEXTO BASE: 39

Janeiro de 2009



UniversidadePotiguar Mecânica dos Solos

PROGRAMA

I – ORIGEM DO SOLO E TAMANHO DOS GRÃOS .................................................... 5

I.1 I NTRODUÇÃO...................................................................................................................... 5I.1 O SOLO PARA O E NGENHEIRO............................................................................................... 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 Í NDICES 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) .......................................................................................16 II.2.2 Limite de Plasticidade (LP) ................................................................................16

II.2.3 Índices de Consistência ....................................................................................... 17

II.3 SENSITIVIDADE............................................................................................................... 17

II.4 GRAU DE COMPACIDADE OU COMPACIDADE R ELATIVA......................................................... 17

II.4 GRANULOMETRIA............................................................................................................ 18

II.4.1 Parâmetros Representativos da curva granulométrica ...................................... 19

III – ESTRUTURA E CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS ................................................19III.1 ESTRUTURA DO SOLO..................................................................................................... 19

III.1.1 Estrutura Granular Simples ...............................................................................19

III.1.2 Estrutura Alveolar .............................................................................................19

III.1.3 Estrutura Floculenta ..........................................................................................19

Profa. Ana Patrícia de Jesus Silva

2




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 ........................ 20

III.2.3 Classificação das argilas segundo a umidade ...................................................20

III.2.4 Classificação das argilas segundo a sensitividade ............................................20

III.2.5 Classificação do soloSegundo a Textura ........................................................... 21

III.2.6 Sistema Unificado de Classificação dos Solos .................................................. 21

IV – TENSÕES NO SOLO .................................................................................................24

IV.1 TENSÕES TOTAIS........................................................................................................... 24

IV.2 PRESSÃO

NEUTRA

........................................................................................................... 24IV.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 I NFORMAÇÕES 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


3




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 (σ ’AD) ................................... 48

VII.3 – E NSAIO DE ADENSAMENTO.......................................................................................... 48

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


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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 deEngenharia 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.


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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 solosque, 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.


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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).


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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.


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Pedregulho φ >2mm

AreiaGrossa 0,60<φ <2mmMédia 0,20<φ <0,60mmFina 0,06<φ <0,20mm

Silte 0,002<φ <0,06m

mArgila

φ <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:


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a) 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.

b) 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.

c) 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.

d) 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 aparecerapidamente 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.

e) 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.


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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 diversasrelações 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).


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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.


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• 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 (γ )

• Peso específico das partículas sólidas (γ s)

• Peso específico aparente seco (γ d)


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• Peso específico saturado (γ 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 (γ sub)

II.1.3 Relações entre pesos

• Umidade (w)

Expresso em porcentagem

II.1.4 Relação entre pesos específicos

• Densidade real dos grãos (Gs)


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II.1.5 Relações entre os índices físicos

Em laboratório são determinados apenas a umidade (w), o peso específico das

partículas sólidas (γ s) e o peso específico aparente úmido ou natural (γ ). Os demais

índices são obtidos a partir desses três.

• n =e

1 + e

• γ d =γ s

1 + e

• γ d =γ

1 + w

• γ sat =

( γ s +

e. γ w)1 + e

• γ =γ s(1+w)

1 + e

• e =γ s -1γ d

• Sr =γ s.w

→Sr .e = Gs.wγ w.e

II.2 Limites de Consistência ou Limites de Atterberg

A plasticidade é um estado de consistência circunstancial, que depende da

quantidade de água presente no solo e que pode ser definida como a propriedade que o solo

tem de se deixar moldar. Assim, o solo pode apresentar vários estados de consistência, os

quais, em ordem decrescente de teor de umidade, são: estado líquido, estado plástico,

estado semi-sólido e estado sólido. A passagem de um estado para o outro é determinada

pelos chamados limites de consistência.


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II.2.1 Limite de Liquidez (LL)

É a fronteira entre o estado líquido e o estado plástico. Sua obtenção é foi

padronizada por Casagrande e é obtida através de um aparelho que leva o seu nome

(aparelho de Casagrande).

Aparelho de Casagrande

A técnica do ensaio consiste em se colocar na concha do aparelho uma pasta de solo

que passou na #40. Faz-se com o cinzel uma ranhura e, em seguida, gira-se a manivela

fazendo com que a concha caia em queda livre e bata contra a base do aparelho. Conta-se o

número de golpes para que a ranhura se feche, numa extensão de 12 mm e, em seguida,

determina-se o teor de umidade. O processo é repetido para vários valores de umidade. Os

valores são plotados num gráfico semilogarítmico umidade X nº. de golpes, obtendo-se

uma reta média por entre os pontos. Por fim, o teor de umidade correspondente a 25 golpes

é o Limite de Liquidez (LL).

II.2.2 Limite de Plasticidade (LP)

É a fronteira entre o estado plástico e o estado semi-sólido. Para determiná-lo, faz-se

uma pasta com o solo que passa na #40 e, em seguida, procura-se rolar essa pasta, com a

pasta da mão, sobre uma placa de vidro, formando pequenos cilindros. Quando os cilindros

atingirem 3mm de diâmetro e começarem a apresentar fissuras, interrompe-se o ensaio e


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determina-se a umidade. A operação é repetida algumas vezes. O valor médio dos teores de

umidade é o Limite de Plasticidade (LP).

A fronteira entre o estado semi-sólido e o estado sólido é o Limite de Contração

(LC). Entretanto ele não tem muita aplicabilidade como os outros dois (LL e LP).

II.2.3 Índices de Consistência

a) Índice de Plasticidade: O Índice de Plasticidade (IP) é dado pela diferença entre o

LL e o LP.

IP=LL-LP

b) Índice de Consistência: A consistência das argilas segundo a umidade é expressa

pelo índice de consistência(IC), que é a relação entre a umidade natural e os limitesde consistência (LL e LP). Ou seja, o Índice de Consistência (IC) coloca a

consistência do solo em função do teor de umidade em que ele se encontra.

IC=LL-wLL-LP

II.3 Sensitividade

É uma propriedade física das argilas. A redução da resistência à compressão dasargilas, depois de revolvidas, é denominada sensitividade e é expressa pela relação entre a

resistência no estado natural (indeformado) e a resistência no estado revolvido (amolgado).

II.4 Grau de Compacidade ou Compacidade Relativa

A compacidade é uma propriedade física das areias e é expressa pela relação entre o

índice de vazios em que ela se encontra e os valores máximo e mínimo que ela pode atingir.

Sendo assim, o grau de compacidade ou compacidade relativa das areias é dado pelaseguinte expressão.

CR =emax-enat

emax-emin


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II.4 Granulometria

A determinação do tamanho das partículas constituintes de um solo é feita por meio

da graulometria e a representação dessa medida se dá por intermédio da curva de

distribuição granulométrica. Tal curva é desenhada em gráfico semilogarítmico. Nas

abscissas tem-se o logaritmo do tamanho das partículas e nas ordenadas, à esquerda, tem-se

a porcentagem do solo retida acumulada e, à direita, a porcentagem que passa acumulada.

A graulometria da fração grossa do solo é determinada pelo ensaio de peneiramento. Para

os finos, o peneiramento é inviável e a determinação do tamanho das partículas é feita

através do ensaio de sedimentação, que utiliza a lei de Stolkes para calcular o diâmetro das

partículas. Essa lei associa o diâmetro de uma partícula esférica à sua velocidade de queda

num meio líquido de viscosidade conhecida.

Curva Granulométrica de solo da Via Costeira /Natal-RN (Jesus, 2002)


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C U R V A G R A N U L O

P

o

r c

e

n

t a

g

e

m

q

u

e

p

a

s s

a

D i â m e t r o d o s g r ã o s

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

0 . 0 0 0 10 . 0 0 1 00 . 0 1 0 00 . 1 0 0 01 . 0 0 0 01 0 . 0 0 0 01 0 0 .




II.4.1 Parâmetros Representativos da curva granulométrica

A curva granulométrica normalmente é representada pelo Diâmetro Efetivo (De ou

D10) e pelo coeficiente de não uniformidade (Cnu).

O Diâmetro Efetivo é o diâmetro tal que 10% do solo têm diâmetros menores do

que ele, ou seja, é o diâmetro equivalente a uma “porcentagem que passa” igual a 10%. O

coeficiente de não uniformidade dá uma idéia da variedade no tamanho das partículas,

através da inclinação da curva granulométrica, medida por:

Cnu=D60

D10

onde a definição de D60 é análoga à definição de D10.

Quanto menor o valor de Cnu , mais uniforme (mal graduado) será o solo.

III – Estrutura e Classificação dos Solos

III.1 Estrutura do Solo

Estrutura de um solo é o arranjo ou configuração das suas partículas sólidas no

espaço. A destruição da estrutura do solo é chamada de amolgamento.

III.1.1 Estrutura Granular Simples

É observada nas areias e pedregulhos. Conforme são agrupadas as partículas, aestrutura pode ser mais densa ou mais solta (fofa), o que é definido pelo grau de

compacidade ou compacidade relativa.

III.1.2 Estrutura Alveolar

É observada nos siltes mais finos e em algumas areias. Um grão que cai sobre o

sedimento já formado ficará na posição em que se der o primeiro contato. A disposição

observada se dá em forma de arcos.

III.1.3 Estrutura Floculenta

Ocorre em solos cujas partículas são muito pequenas (argilosos). As partículas são

dispostas na forma de arcos que formam outros arcos.


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III.1.4 Estrutura em Esqueleto

É observada em solos onde ocorrem grãos finos e grãos mais grossos. Os grãos mais

grossos formam um tipo de esqueleto, cujos interstícios são preenchidos parcialmente por

uma estrutura de grãos mais finos.

III.2 Classificação do Solo

III.2.1Classificação das areias segundo a Compacidade Relativa

A tabela a seguir classifica as areias segundo o grau de compacidade.

Classificação CR fofa abaixo de 0,33

de compacidade média entre 0,33 e 0,66compacta acima de 0,66

III.2.2 Classificação das argilas segundo a resistência à compressão

Consistência Resistência (kPa)muito mole < 25

mole 25 a 50média 50 a 100

rija 100 a 200

muito rija 200 a 400dura > 400

III.2.3 Classificação das argilas segundo a umidade

Consistência ICmole <0,5média 0,5 a 0,75

rija 0,75 a 1,0

dura > 1,0

III.2.4 Classificação das argilas segundo a sensitividade

A tabela a seguir classifica as argilas segundo a sensitividade.


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Consistência Sensitividadeinsensitiva < 1,0

baixa sensitividade 1,1 a 2,0média sensitividade 2,1 a 4,0

sensitiva 4,1 a 8,0

ultra sensitiva > 8,0

III.2.5 Classificação do soloSegundo a Textura

De modo geral, uma das classificações mais utilizadas é a que classifica o solo

segundo a sua textura, a partir da curva granulométrica obtida em laboratório. Para tal, são

determinadas as percentagens de cada fração. A fração predominante dará nome ao solo,

que será adjetivado pela fração imediatamente abaixo, em termos percentuais.

Se duas frações não predominantes se equivalem em temos percentuais, o nome do

solo continua sendo o da fração predominante, adjetivado pelas duas outras.

Exemplo:

III.2.6 Sistema Unificado de Classificação dos Solos

Outro sistema de classificação bastante utilizado é o Sistema Unificado de

Classificação dos Solos (SUCS). Nele é utilizada a Carta de Plasticidade para classificação

dos finos. A simbologia utilizada é a seguinte:

G→Pedregulho ( gravel )

S→Areia ( sand )C→Argila (clay)W→Bem graduado (well graded )P→Mal graduado ( poorly graded )M→Silte (mo)O→Organico (Organic)L→Baixa compressibilidade (low)


FRAÇÃO % DE OCORRÊNCIA Conforme dados do peneiramento representados na

tabela acima, o solo pode ser classificado como

areia fina argilosa. Se, por acaso, o percentual de

argila fosse igual ao de silte, a classificação seria

areia fina silto-argilosa.

Pedregulho 0

Areia 63

Grossa: 0

Média: 8

Fina: 55Silte 9

Argila 28

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H→Alta compressibilidade (high)Pt→Turfa ( peat )

Tabela de Classificação pelo Sistema Unificado

SOLOS GROSSOSPassando menos de50% na #200

G>S→G

Passando menos de5% na #200

GW Cu>4GP Cu<4

Passando mais de12% na #200

GC Conformelocalizaçãona carta de

plasticidadeGM

Passando entre 5% e12% na #200

GW-GC, GP-GM etc.

S>G→S

Passando menos de5% na #200

SW Cu>6SP Cu<6

Passando mais de12% na #200

SC Conformelocalizaçãona carta de

plasticidadeSM

Passando entre 5% e12% na #200 SW-SC, SP-SM etc

SOLOS FINOSPassando mais de50% na #200

CCL

Conforme localização na carta de plasticidade

CH

MMLMH

OOLOH

SOLOSALTAMENTEORGÂNICOS

TurfasPt (preponderância de fibras vegetais em

decomposição)

Carta de Plasticidade


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Ex: Classifique o solo pelo SUCS: Retido na peneira nº10=30%; passa na #200=20%; da

fração fina, LL=40% e LP=25%.


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IV – Tensões no Solo

(a)

NA

Zw

u = Zw.γw

(b)

IV.1 Tensões totais

As tensões totais que ocorrem nos solos são aquelas decorrentes do seu peso próprio

e/ou de cargas aplicadas.

IV.2 Pressão neutra

Abaixo do nível d’água (solo saturado), parte da tensão aplicada a um solo é

suportada pelas partículas sólidas e parte é suportada pela água. Ou seja, temos uma parcela

da tensão normal atuando nos contatos interpartículas e a outra parcela atuando como

pressão na água situada nos vazios.

A pressão que atua na água intersticial é chamada de pressão neutra (u) ou poropressão.


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IV.3 Tensões efetivas

A tensão que atua nos contatos interpartículas é denominada tensão efetiva e é ela

que responde pelo comportamento mecânico do solo. Uma vez que a tensão total (σ )

atuante no solo é a soma da parcela transmitida à água (u) com a parcela transmitida às

partículas (σ ’), chega-se à seguinte expressão para o cálculo das tensões efetivas.

Outra forma de calcular

tensões efetivas é utilizando o γ sub:

γ sub=γ sat-γ w → σ ’(no trecho submerso)= Z .γ sub = Z

(γ sat-γ w)

IV.4 Tensão horizontal

Até agora foram vistas apenas as tensões verticais iniciais (totais e efetivas).

Entretanto, é necessário determinar também o valor da tensão atuante horizontal. A

obtenção da tensão horizontal parte da definição do coeficiente de empuxo (k). Se não

ocorrem deformações na massa de solo, tem-se o coeficiente de empuxo no repuso (k o ).

K o=σ ’

h

σ ’v

O valor de K o é obtido em ensaios de laboratório, onde são simuladas condições

iniciais de carregamento, ou em ensaios in situ.

IV.5 Capilaridade

Capilaridade é a propriedade que os líquidos apresentam de atingirem, em tubos de

pequeno diâmetro, pontos acima do nível freático. Na Mecânica dos Solos, o nível freáticoé tomado como origem do referencial para as pressões neutras, de forma que, no nível

freático a pressão neutra é igual a zero.

Os vazios do solo, devido à sua magnitude (muito pequenos), se comportam como

tubos capilares, apesar de serem muito irregulares e interconectados. A altura até a qual a

água se elevará, por capilaridade, é inversamente proporcional ao diâmetro dos poros.


σ ’ = σ -

u

25




Dessa forma, deduz-se que nos solos finos (siltosos e argilosos) a altura capilar será maior

do que nos solos grossos (pedregulhosos e arenosos).

Nos solos, a ocorrência de zonas saturadas acima do nível freático é devida ao

fenômeno da capilaridade. Essa água irá formar meniscos que, em contato com os grãos

irão gerar pressões, tendendo a comprimi-los. Essas pressões de contato são pressões

neutras negativas e somam-se às tensões totais.

σ ’ = σ - (-u)= σ

+uA estimativa da altura de ascensão capilar em um solo pode ser dada pela fórmula

empírica de Hazen:

hc=

C

e.D10

Onde D10 é o diâmetro efetivo, “e” é o índice de vazios do solo e C é uma constante

dada que varia entre 0,1 e 0,5cm2.

Exemplo: Qual a altura de ascensão capilar de um solo com D 10 igual 0,2mm, índice de

vazios igual 0,8 e C igual a 0,2cm2?

Exemplo: Calcular as tensões verticais e horizontais, totais e efetivas nos pontos A a D do

perfil geotécnico da figura abaixo. γ w=10kN/m3 e k 0=0,7 (para todas as camadas).

γ =17kN/m3

γ =18kN/m3

γ =20kN/m3

γ =19kN/m3


26

NA2mA

3m

B

2,5mC

4m

D

NT




Exemplo: Calcular σ ’v e σ ’

h nos pontos A, B, C e D do perfil geotécnico abaixo.

γ =17kN/m3

K o=0,5 γ =19kN/m3

K o=0,5

γ =15kN/m3

K o=0,8

γ =20kN/m3

K o=0,6

Exemplo: Um terreno é constituído de uma camada de areia fina fofa, com γ = 17kN/m3,

com 3m de espessura, acima de uma camada de areia grossa compacta, com γ = 19kN/m3

e espessura de 4m, apoiada sobre um solo de alteração de rocha, como mostra a figura. Onível de água se encontra na superfície. Calcule as tensões verticais (total e efetiva) no

contato entre a areia grossa e o solo de alteração, 7m de profundidade.

Exemplo: No terreno do exercício anterior, se ocorrer uma enchente que eleve o nível de

água até a cota 2m acima do terreno, quais seriam as tensões de contato entre a areia grossa

e o solo de alteração de rocha?


27

2m

3m

4m

5m

NA




Exemplo: Recalcule as tensões efetivas dos dois exemplos anteriores empregando os pesos

específicos submersos.


28




IV.6 Tensões devidas a uma carga aplicada na superfície do terreno - Propagação de

tensões no solo

Ao se aplicar uma carga na superfície de um terreno, numa área bem definida, os

acréscimos de tensão numa certa profundidade não se limitam à projeção da área carregada.

Os acréscimos das tensões abaixo da área carregada diminuem à medida que a

profundidade aumenta, porque a área atingida aumenta com a profundidade.

IV.6.1 Bulbo de tensões

Unindo-se os pontos no interior do subsolo em que os acréscimos de tensão são de

mesmo valor (um mesmo percentual da tensão aplicada na superfície), têm-se linhas

(isóbaras) que são chamadas bulbos de tensões.

IV.6.2 Método 2:1

Costuma-se arbitrar que as tensões se propagam segundo uma inclinação 2:1.

Assim, a tensão σ v atuante a uma profundidade qualquer z pode ser calculada pela

seguinte expressão.

σ v= P/(B+z)(L+z) – para placas retangulares

σ v= P/(B+z)2 – para placas quadradas

σ v= P/[π . (D+z)2/4]


29




IV.6.3 Solução de Boussinesq

σ v=3 . P.

2.π .z2 . [1+(r/z)2]5/2

Exemplo: Uma construção industrial apresenta uma planta retangular com 12m de largura e

48m de comprimento e vai aplicar ao terreno uma pressão uniformemente distribuída de 50

kPa. Determinar o acréscimo de tensão vertical a 6m e a 18m de profundidade, pelo método

2:1.

Exemplo: Para o exemplo anterior, determinar a tensão vertical na mesma profundidade,num raio de 20m a partir do ponto de aplicação da carga.

Exemplo: Pelo método 2:1, a que distância mínima poderia ser construído um outro prédio,

semelhante ao do exemplo anterior, para que a 18m de profundidade não haja superposição

de tensões?


30




V – Prospecção do Subsolo

As obras civis só podem ser convenientemente projetadas depois de um

conhecimento adequado da natureza e da estrutura do terreno em que serão implantadas. O

custo de um programa de prospecção bem conduzido situa-se entre 0,5 e 1,0% do valor da

obra.

V.1 Informações exigidas num programa de prospecção

As informações básicas que se busca num programa de prospecção do subsolo são:

a) a área em planta, profundidade e espessura de cada camada de solo identificado;

b) a compacidade dos solos granulares e a consistência dos solos coesivos;

c) a profundidade do topo da rocha e as suas características, tais como: litologia, área

em planta, profundidade e espessura de cada estrato rochoso; mergulho e direçãodas camadas, espaçamento de juntas, presença de falhas e ação do intemperismo ou

estado de decomposição;

d) a localização do nível d’água

e) a coleta de amostras indeformadas, que possibilitem quantificar as propriedades

mecânicas do solo com que trata a Engenharia: compressibilidade, permeabilidade e

resistência ao cisalhamento.

V.2 Tipos de Prospecção Geotécnica

V.2.1 Processos indiretos

• Resistividade elétrica

• Sísmica de refração

São processos de base geofísica. Não fornecem os tipos de solo prospectados, mas tão

somente correlações entre estes e suas resistividades elétricas ou suas velocidades de

propagação de ondas sonoras.

V.2.2 Processos semidiretos

• Vane Test

• Cone de penetração estática


31




• Ensaio pressiométrico

Fornecem apenas características mecânicas dos solos prospectados. Os valores obtidos,

por meio de correlações indiretas, possibilitam informações sobre a natureza dos solos.

V.2.3 Processos diretos

• Poços

• Trincheiras

• Sondagens a trado

• Sondagens de simples reconhecimento

• Sondagens rotativas

• Sondagens mistas

São perfurações executadas no subsolo. Nestas, pode-se fazer uma observação direta

das camadas, em furos de grandes diâmetros, ou uma análise por meio de amostras colhidas

de furos de pequenas dimensões. As amostras deformadas fornecem subsídios para um

exame táctil-visual das camadas e sobre elas podem-se executar ensaios de caracterização

(umidade, limites de consistência e granulometria). Há casos em que é necessária a coleta

de amostras indeformadas para obterem-se informações seguras a respeito da resistência ao

cisalhamento e compressibilidade do solo.

Com os processos diretos é possível obter ainda as seguintes características: a

delimitação entre as camadas do subsolo, a posição do nível do lençol freático,

informações sobre a consistência das argilas e a compacidade das areias. Ou seja, as

principais características esperadas de um programa de prospecção são alcançadas com o

uso destes processos. Há, entretanto, em todos eles, o inconveniente de oferecer uma visão

pontual do subsolo.O método de sondagem à percussão (simples reconhecimento) é o mais utilizado no

Brasil. Por isso, iremos estudá-lo mais detalhadamente.


32




V.2.3.1 Sondagens à Percussão ou de Simples Reconhecimento

a) Vantagens:

Baixo custo

Simplicidade de execução

Possibilidade de coletar amostras

Determinação de consistência e compacidade

Obtenção do perfil estratigráfico do solo (perfuração + extração de amostras)

b) O Equipamento:

Tripé com roldana

Haste metálica

Trépano biseladoAmostrador padrão

Tubo de revestimento

Martelo

Conjunto motor-bomba

Trado cavadeira e trado espiral

c) PerfuraçãoA perfuração é iniciada com o trado tipo cavadeira, com 10cm de diâmetro. Até a

profundidade do nível d’água ou até que seja necessário o revestimento do furo para evitar

desmoronamento das paredes. A partir do ponto em que se introduz o tubo de revestimento,

a escavação se dá através de um trado espiral, até que o nível d’água seja atingido. A partir

daí, a perfuração continua com o uso do processo de lavagem com circulação de água.

Nesse processo, uma bomba d’água motorizada injeta água na extremidade inferior do furo,

através da haste; na extremidade do tubo existe um trépano com ponta afiada e dois

orifícios, pelos quais a água sai com pressão.


33




Sondagem à Percussão – Equipamento

d) Amostragem

A cada metro de profundidade, são colhidas amostras pela cravação dinâmica de um

amostrador padrão. Essas amostras são deformadas e se prestam à caracterização do solo. O

amostrador é um tubo de 50,8mm de diâmetro externo e 34,9mm de diâmetro interno, com

uma extremidade cortante biselada; a outra extremidade é fixada à haste, que a leva até o

fundo da perfuração. O amostrador é cravado pela ação de uma massa de ferro fundido

(martelo) de 65kg, que é elevada a uma altura de 75cm e deixado cair livremente. A

cravação é obtida por quedas sucessivas do martelo até a penetração de 45cm.

Amostrador Padrão


34




e) Índice de Resistência à Penetração – SPT

Durante a amostragem, é obtido o índice de resistência à penetração do solo e ele indica

o estado do solo (consistência e compacidade). São anotados os números de golpes do

martelo necessários para cravar cada trecho de 15cm do amostrador. Desprezam-se os

dados referentes aos primeiros 15cm e o SPT (Standard Penetration Test) é definido pelo

número de golpes (N) necessários para cravar os últimos 30cm do amostrador. Quando o

primeiro golpe do martelo gera uma penetração superior a 45cm, o resultado da cravação é

expresso pela relação entre esse golpe e a profundidade atingida.

As tabelas abaixo indicam o estado do solo em função do SPT.

N (SPT) Compacidade da areia

0 a 4 muito fofa5 a 8 fofa9 a 18 compacidade média18 a 40 compacta

> 40 muito compacta

N (SPT) Consistência da argila< 2 muito mole

3 a 5 mole

6 a 10 consistência média11 a 19 rija

> 19 dura

f) Apresentação dos resultados


35




Perfil típico de uma sondagem de simples reconhecimento

V.2.4 Programação de sondagens

A NBR 8036 fornece recomendações a respeito da programação do número,

disposição e profundidade dos furos. Tais decisões dependem do conhecimento prévio da

geologia da área e do tipo de obra que se deseja implantar.

V.2.5 Amostragem indeformada

A amostragem realizada na sondagem de simples reconhecimento não se presta à

realização de ensaios mecânicos, onde a estrutura do solo deve ser preservada. A obtenção

de amostras indeformadas é feita pela talhação de blocos 25x25x25cm e seu posterior

revestimento com parafina ou pela cravação de amostradores de paredes finas.


36




VI – Permeabilidade

Normalmente, a água ocupa a maior parte ou a totalidade dos vazios do solo.

Quando submetida a diferenças de potenciais, essa água se desloca no interior do solo. A

propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento da água através dele é chamada

de permeabilidade e o seu grau é expresso através do coeficiente de permeabilidade (k ).

O estudo da permeabilidade do solo é fundamental em diversos problemas de

engenharia de solos, como, drenagem, rebaixamento do nível d’água, recalques, barragem

de terra e pavimentos rodoviários.

VI.1 – Carga Hidráulica

Como já foi dito, o que provoca o fluxo de água é a variação de energia do sistema

estudado (solo). Em geral, a energia num determinado fluxo é expressa por meio de cargasou alturas em termos de coluna de água.

Segundo Bernoulli, a carga total ao longo de qualquer linha de fluxo de um fluido

não viscoso e incompressível é constante. Em outras palavras, a lei de Bernoulli resulta da

aplicação do princípio da Conservação de Energia ao escoamento de um fluido.

A energia que um fluido incompressível, em escoamento permanente, possui

consiste em parcelas ocasionadas pela pressão (energia piezométrica), pela velocidade

(energia cinética) e pela posição (energia altimétrica). Dessa forma, é possível sintetizar o princípio da conservação de energia por meio da seguinte expressão, a qual constitui a lei

de Bernoulli:

HT = u1/γ w + v12/2g + z1 = u2/γ w + v2

2/2g + z2 = Constante

Onde:

HT = Carga Total (m)

u/γw = Carga piezométrica(m) u → pressão neutra

z = Carga altimétrica (m) z → cota

v2/2g = Carga de cinética (m) v → velocidade


37




A velocidade de percolação dos solos é normalmente muito pequena, de forma que a

energia cinética chega a ser desprezível. Sendo assim,

HT = u1/γ w + z1 = u2/γ w + z2 =

ConstanteCarga total = Carga piezométrica + Carga altimétrica

Carga piezométrica→ Pressão neutra no ponto, expressa em altura de coluna d’água.

Carga de altura→ Diferença de cota entre o ponto considerado e qualquer cota tomada

como referência.

Ocorre, porém, quando da percolação, uma perda de carga ∆ H por causa do atritoviscoso da água com as partículas do solo. Esse atrito leva à seguinte adaptação na

expressão de Bernoulli, para que se mantenha a conservação de energia:

Sendo assim, pode-se dizer que Havendo variação da carga total entre dois pontos

quaisquer, haverá fluxo do ponto de maior carga total para o ponto de menor carga total.

Não havendo variação, não haverá fluxo.


HT = u1/γ w + z1 = u2/γ w + z2 +

∆ H

ou

HT = h1 + z1 = h2 + z2 + ∆ H

38




H1= h1 + z1

H2= h2 + z2

H1 = H2 →Não há fluxo.

H1= h1 + z1

H2= h2 + z2

H1 ≠ H2 →Há fluxo.

VI.2 - Coeficiente de permeabilidade

A determinação do coeficiente de permeabilidade está diretamente associada à lei de

Darcy, que estabelece a direta proporcionalidade entre os diversos fatores geométricos e a

vazão da água.


NA

NA

1

2

h1

z1

h2

z2

39




Sendo: Q – Vazão

A – Área do permeâmetro

K–Uma constante para cada solo, que recebe o nome de coeficiente de

permeabilidade

A relação h (carga que dissipa na percolação) por L (distância ao longo da qual a

carga se dissipa) é chamada de gradiente hidráulico, expresso pela letra i. Dessa forma, a lei

de Darcy assume o formato:

Q = k . i . A

A vazão dividida pela área indica a velocidade com que a água sai do solo. Esta

velocidade, v, é chamada de velocidade de descarga.

A velocidade Vd da lei de Darcy não representa a velocidade de percolação (V p) da

água através dos poros do solo. Isso porque, usualmente, é utilizada a área total “A” da

seção transversal da amostra de solo, ao invés de se usar a área real Av de seus vazios.

Entretanto, a velocidade real de percolação V p pode ser determinada através das seguintes

relações.

• Do conceito de vazão, tem-se:

Q= Av.Vp = A .V →Av/A = V/Vp = k.i/k p.i = k/k p , onde V denota velocidade.

• Do conceito de volume, tem-se:

Av/A = Vv/V = n , onde V denota volume.

Pode-se dizer, então, que:

Av/A = n = V/Vp = k/k p

ou


Vd = k . i

40




V p =Vn

K p = k n

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

O coeficiente de permeabilidade de um solo pode ser obtido por meio de métodos

diretos e indiretos. Os métodos diretos baseiam-se em ensaios de laboratório sobre amostras

ou em ensaios de campo. Os métodos indiretos utilizam correlações entre características do

solo.

VI.3.1 Métodos Diretos

Os métodos diretos constituem os permeâmetros, que medem a permeabilidade dos

solos em laboratório, e o ensaio de bombeamento, realizado “in situ” e mais utilizado pradeterminar a permeabilidade de maciços rochosos.

VI.3.1.1 Permeâmetro de Carga Constante

Esse tipo de permeâmetro é utilizado na determinação do coeficiente de

permeabilidade de solos de granulação grossa. Essa determinação é feita medindo-se a

quantidade de água que atravessa a amostra de solo com a altura de carga (h) constante, em

um determinado intervalo de tempo (t), sendo A a área da seção transversal da amostra e L,

a sua altura (comprimento ao longo do qual a carga h é dissipada). A água que atravessa a

amostra é recolhida num recipiente e depois medida.


41




VI.3.1.2 Permeâmetro de Carga Variável

É utilizado para determinar o coeficiente de permeabilidade de solos finos. Nesses

solos, o intervalo de tempo necessário para que percole uma quantidade apreciável de água

é bastante grande.


42

k = Q.LA.h




O volume de água, em virtude de uma variação diferencial de nível “dh” será:

dv = -a . dh.

O sinal negativo é devido ao fato de a variação ser um decréscimo.

Pela lei de Darcy:

dQ = dv/dt = k . i . A →dv = k . i . A . dt

Sendo assim,

-a . dh = k . i . A . dt = k . (h/L). A . dt

Integrando entre (h1, t1) e (h2, t2), tem-se:

k = 2,3.L.a . log h1

A.t h2

Na prática, anota-se o tempo necessário para o nível de água ir, no tubo de área “a”,

de h1 até h2 e substituem-se todos os dados na fórmula acima, encontrando o valor do

coeficiente de permeabilidade.

VI.3.2 Métodos Indiretos

A correlação mais conhecida é a desenvolvida por Hazen para as areias.

K = C.d102

Onde C é um fator utilizado normalmente como sendo em torno de 100 e d10 é o

diâmetro efetivo.

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

O coeficiente de permeabilidade de um solo é influenciado diretamente pela

temperatura e pelo índice de vazios do solo.

Sabe-se que quanto maior for a temperatura, menor será viscosidade da água e,

consequentemente, mais facilmente a água irá escoar pelos interstícios do solo, aumentandoo coeficiente de permeabilidade do solo. Os valores do coeficiente de permeabilidade do

solo são tomados para uma temperatura de 20ºC, tendo-se a seguinte relação para uma

temperatura qualquer t: k 20=k t.Cv, onde Cv é a relação de viscosidade e t é a temperatura do

ensaio.

Ou seja,


43




k 20=µ t .k tµ 20

Onde:

k 20 → Coeficiente de permeabilidade a 20ºC

k t → Coeficiente de permeabilidade a TºC

µ t → Viscosidade da água a TºC

µ 20 →Viscosidade da água a 20ºC

O índice de vazios influencia na permeabilidade dos solos. Quanto mais fofo, mais permeável será o solo. Uma relação importante entre o coeficiente de permeabilidade e o

índice de vazios é a seguinte:

k 1 =

e13

1+e1

k 2e2

3

1+e2

Essa relação (Equação de Taylor) correlaciona duas situações de índices de vazios e

coeficientes de permeabilidade de forma que, conhecendo o k para um certo e, pode-se

calcular o k para um outro valor de e.

VII – Teoria do Adensamento

A Teoria do Adensamento de Terzaghi é baseada nos princípios da hidráulica, com

algumas simplificações para o modelo de solo utilizado. As seguintes hipóteses básicas são

consideradas:

• Solo homogêneo e completamente saturado.• Partículas sólidas e água intersticial incompressíveis.

• Adensamento unidirecional.

• Escoamento de água unidirecional e validez da lei de Darcy.


44




• Determinadas características, que, na realidade, variam com a pressão, são

assumidas como constantes.

• Extensão a toda massa de solo das teorias que se aplicam aos elementos

infinitesimais.

• Relação linear entre a variação do índice de vazios e a variação das tensões

aplicadas.

VII.1 – O processo de adensamento do solo

Todos os materiais existentes na natureza se deformam, quando submetidos a

esforços. No solo, a sua característica multifásica lhe confere um comportamento tensão-

deformação próprio, o qual normalmente depende do tempo.

Um esforço de compressão aplicado a um solo fará com que ele varie seu volume.

Essa variação poderia ser devida a uma compressão da fase sólida, a uma compressão da

fase líquida ou a uma drenagem da fase líquida. Diante da grandeza dos esforços aplicados

na prática, tanto a compressão da fase sólida quanto a da fase líquida serão quase

desprezíveis e a única razão para que ocorra uma variação de volume será uma redução dos

vazios do solo com a conseqüente expulsão da água intersticial.

A saída dessa água dependerá da permeabilidade do solo. Nas areias, onde

permeabilidade é alta, essa drenagem é rápida. Nas argilas, a expulsão de água precisará dealgum tempo para conduzir o solo a um novo estado de equilíbrio. Essas variações

volumétricas que se processam nos solos finos ao longo do tempo constituem o fenômeno

de adensamento e são as responsáveis pelos recalques aos quais estão sujeitas as estruturas

apoiadas nesses solos.

Com base nessas informações, chegamos às seguintes definições:

• Compressibilidade→ é a propriedade que o solo apresenta de reduzir seu volume

total quando submetido a um carregamento. É simplesmente a diferença entre um

estado inicial e um estado final de volume.

• Adensamento→ É o processo de variação de volume do solo ao longo do tempo. É

a redução de volume em função do tempo.


45




Assim sendo, de modo geral, para um solo qualquer, saturado, tem-se:

Onde:

Hi e Hf = Altura total de solo inicial e final, respectivamente.

Hvi e Hvf =Altura de vazios inicial e final, respectivamente.

Hsi e Hsf = Altura de sólidos inicial e final, respectivamente.

A variação de volume ∆ V é dada por ∆ V=Vi – Vf = Vvi + Vs–(Vvf + Vs)→ ∆ V=Vvi – Vvf (1)

O volume de vazios pode ser obtido da expressão de índice de vazios:

e = Vv/Vs → Vv = e . Vs (2)

Substituindo (2) em (1), tem-se:

∆ V=ei.Vs – ef.Vs = Vs(ei-ef)→ ∆ V = ∆ e.Vs

Se volume é altura x área:

∆ H.A = ∆ e.Hs.A → ∆ H=∆ e.Hs →


F

Hi

VAZIOS

(ÁGUA)

SÓLIDOS

Hvi

Hsi

A

Hf

VAZIOS (ÁGUA)

SÓLIDOS

∆ H

Hvf

Hsf

A

Hs = ∆ H (3)

∆ e

46




No momento inicial:

ei =Vvi

=Vi

=Hi.A-Hs.A

Vs Vs Hs.A

→ ei =Hi-Hs

→ ei.Hs = Hi-Hs → Hs(1+ei) = Hi → Hs=Hi

(4)Hs 1+ei

Igualando (3) e (4), tem-se

∆ H=

Hi∆ e 1+ei

→

∆ H= ∆ e.Hi (5)

1+ei

Essa expressão fornece o valor da variação de altura em função de um

carregamento, ou seja, a deformação do solo. Dela obtém-se também a deformação

específica “ε ”.

ε = ∆ H = ∆ eHi 1+ei

VII.1.1 Grau de adensamento ou percentagem de adensamento

O grau de adensamento pode ser definido como sendo a relação entre a deformação

ocorrida num elemento numa certa posição e a deformação total ocorrida no final do

processo de adensamento. Pode ser expresso pelas seguintes expressões:

Uz =

ε=

ei - e

=

ui - u

ε

f ei – e2 ui


47




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

Ao longo do tempo, o solo vai construindo sua história de tensões, conforme se dá o

seu carregamento ou descarregamento.

A Tensão de Pré-adensamento é a tensão máxima à qual o solo já esteve submetido

na natureza. Essa tensão é determinada através do ensaio de adensamento, o qual será

descrito adiante.

Sendo σ o’ a tensão efetiva atual atuante no solo, tem-se:

• Solo pré-adensado ou sobre-adensado→ Quando σ o’ < σ ad

• Solo normalmente adensado→ Quando σ o’ = σ ad

Pode ocorrer também, de a tensão de pré-adensamento, determinada no ensaio, ser

inferior à tensão que se julga atuar no solo por ocasião da amostragem. Nesse caso, diz-se

que o solo encontra-se em processo de adensamento.

VII.3 – Ensaio de adensamento

O ensaio de adensamento pretende determinar diretamente os parâmetros do solo

necessários ao cálculo de recalques. Uma amostra de solo de aproximadamente 2,5cm de

espessura é instalada num anel metálico e é drenada por duas pedras porosas, conformefigura abaixo. Esse conjunto é levado a uma prensa, onde são aplicadas tensões verticais ao

corpo de prova. Cada acréscimo de tensão é mantido até que cessem as deformações e,

então, é aplicado um novo acréscimo. Normalmente, aplica-se sempre o dobro da tensão

atuante anteriormente (ex.: 0,25 kgf/cm3; 0,5; 1,0; 2,0 etc).


48




O resultado do ensaio de adensamento é apresentado num gráfico semilogarítmico

em que, nas ordenadas, se têm as variações de volume, representadas pelos índices de

vazios finais em cada estádio de carregamento e, nas abscissas, em escala logarítmica, astensões aplicadas. A conversão dos valores de deformação medidos no ensaio em valores

de índices de vazios é feita através da equação (4).


49

corpo de prova

extensômetro

pedras porosasanel

base




O trecho inicial do gráfico é o trecho de recompressão ( trecho pré-adensado), onde

as tensões são menores do que a tensão de pré-adensamento. Nesse trecho as deformações

são muito pequenas para um mesmo acréscimo de tensões. O trecho de compressão virgem

(trecho normalmente adensado) apresenta tensões maiores que a tensão de pré-

adensamento. Observa-se deformações maiores para essas tensões.

A tensão de pré-adensamento pode ser obtida através do gráfico acima, através do

processo gráfico de Casagrande, ilustrado abaixo.


50

Trecho de recompressão

Trecho de compressãovirgem




VII.3.1 Parâmetros de compressibilidade obtidos no gráfico de adensamento

• Índice de compressão (Cc): É o coeficiente angular do trecho normalmente

adensado.

Cc=∆ e/∆ logσ `=∆ e/∆ log(σ `f/σ ì)

• Índice de recompressão (Cr): É o coeficiente angular do trecho pré-adensado.

Cs=∆ e/∆ logσ ` =∆ e/∆ log(σ `f/σ ì)

• Coeficiente de compressibilidade

Av=∆ e/∆ σ `

• Módulo oedométrico

Eoe=∆ σ `/∆ ε

• Coeficiente de variação volumétrica

Mv=∆ ε /∆ σ `


51




VII.4 – Cálculo de recalques

Partindo sempre de (5), tem-se:

• Para solo normalmente adensado

∆ H=[Hi/(1+ei)].Cc.∆ log(σ `f/σ ì)

• Para solo pré-adensado

(σ ’i + /∆ σ ’)<σ ’ad → ∆ H=[Hi/(1+ei)].Cs.∆ log(σ ’f/σ ’i)

(σ ’i + /∆ σ `)>σ àd → ∆ H=[Hi/(1+ei)].[Cs.∆ log(σ ’ad/σ ’i)

+Cc.∆ log(σ `f/σ àd)]

VII.4 – Fator Tempo

T=Cv.t

(H/n)2

Onde:

t tempo

H espessura da camada

n número de faces drenantes

k Coeficiente de permeabilidade

ei índice de vazios inicial

γ w peso específico da água

Av coeficiente de compressibilidade


Cv=

k (1+ei)γ w .

Av

52

coeficiente de adensamento




Para um mesmo material, sob as mesmas condições de carregamento, tem-se:

t1

=

H1

t2 H2

VIII – Cisalhamento dos Solos

Vários materiais sólidos empregados em construção normalmente resistem bem a

tensões de compressão, porém têm uma capacidade bastante limitada de suportar tensões de

tração e de cisalhamento. Assim ocorre com o concreto e também com os solos.

Ao nos referirmos à resistência dos solos estaremos falando implicitamente de sua

resistência ao cisalhamento, uma vez que as rupturas em um maciço de terra são devidas a

deslocamentos relativos entre os grãos.

Dentre os problemas usuais em que é necessário conhecer a resistência ao

cisalhamento do solo, destacam-se a estabilidade de taludes e os empuxos de terra.

Uma das formas mais comuns de representar a resistência de um solo e que melhor

retrata o seu comportamento é a utilização de envoltórias, como a de Mohr.

VIII.1 – ESTADO PLANO DE TENSÕES

No caso dos solos, trabalhamos no estado plano de tensões, pois as tensõeshorizontais são iguais em todas as direções. Dessa forma, têm-se apenas dois valores de

tensão atuando: a vertical e a horizontal. Os planos principais são aqueles em que a tensão

cisalhante é nula. Sendo assim, pode-se dizer que, para terrenos planos, os planos vertical e

horizontal são, respectivamente, o plano principal menor e maior.

Conhecendo-se os valores das tensões principais, é possível determinar as tensões

atuantes em um plano que faz um ângulo α com o plano principal maior, fazendo-se as

transformações geométricas e aplicando as leis de equilíbrio nas direções normal e paralelaa este plano, obtendo-se:


53




VIII.2 – Círculo de MOHR


54




O círculo de Mohr representa as tensões em todos os planos do solo, que passam por

um ponto, num determinado momento. Em outras palavras, cada círculo de MOHR,

representa um estado de tensões.

Do círculo de Mohr, conclui-se que:

• A máxima tensão de cisalhamento, em módulo, ocorre em planos que formam 45º

com os planos principais e vale:τ max

=

σ 1 - σ 3

2

• Conhecendo-se as tensões atuantes em dois planos perpendiculares entre si, é

possível encontrar as tensões principais através das expressões:


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σ X

σ Y

τ X, Y

τ X, Y

σ 1=σ X + σ Y+(σ X - σ Y

)2

+ (τ X,Y )

2

22

σ3=σ

X+ σ

Y-(σ

X- σ

Y)2+ (τ

X,Y)222




VIII.3 - CRITÉRIO DE RUPTURA DE MOHR-COULOMB

A teoria de Mohr afirma que os materiais rompem quando a tensão de

cisalhamento, função da tensão normal, em um determinado plano iguala-se ou supera a

resistência ao cisalhamento do material.

Ao romper vários corpos de prova de um mesmo solo, sob distintas condições de

solicitação, teremos vários círculos de Mohr representativos das tensões nos corpos de

prova. Pelo menos um ponto de cada círculo representará as tensões no plano de ruptura. A

reta que passa por esses pontos constituirá a envoltória de resistência do solo e possui a

seguinte equação.

Onde:

τ Tensão de Cisalhamento

σ Tensão Normal

C Coesão (parcela de resistência de um solo que existe independentemente de quaisquer

tensões aplicadas)

φ Ângulo de atrito interno do solo (obliqüidade máxima entre a superfície de contato

entre os grãos)

Pode-se dizer, então, que a resistência do solo depende dos chamados parâmetros de

resistência que são a coesão e o atrito.


τ = c +

σ .tgφ

φ

c

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Dessa forma, tem-se:

• Nas areias puras

C=0 τ = σ .tgφ

• Nas argilas

φ =0º τ = C

Conclui-se ainda que o ângulo de ruptura é dado por:

VIII.4 - ENSAIOS PARA DETERMINAR A RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO

DOS SOLOSPara cada solo são ensaiados vários corpos de prova preparados sob condições

idênticas. Para cada corpo de prova obtém-se uma curva tensão deformação que fornecerá

pares de tensão (σ ,τ ) que definirão a envoltória de resistência.


57

2α = 90º + φ

α = 45º + φ/2




VIII.4.1 Ensaio de Cisalhamento Direto

Aplica-se uma tensão normal num plano e verifica-se a tensão cisalhante que

provoca a ruptura.

VIII.4.2 Ensaio de Compressão Triaxial

Consiste na aplicação de um estado hidrostático de tensões e de um carregamento

axial sobre um corpo de prova cilíndrico. Aplica-se σ 1 e σ 3 e a envoltória é definida em

função de σ 1 - σ 3.


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VIII.4.3 Ensaio de Compressão Simples

É uma simplificação do ensaio triaxial, onde σ 3=0.


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Exercícios

01 - Uma camada de argila com 3m de espessura, normalmente adensada, tem um índice de

vazios 1,4 e um índice de compressão 0,6. Se a pressão vertical existente sobre a argila é

duplicada, qual será a variação da espessura da camada de argila? (log2=0,3). Resp.:

∆ H=22,57cm

02 - Determinar o recalque por adensamento de acordo com a figura abaixo.

γ =1,5 t/m3

Areia γ =1,7 t/m3

Areia

γ =1,8 tN/m3

Cc=0,8 Cs=0,09

σ ’ad=2kgf/cm2

Solução:

• Determinação da tensão inicial (σ o). Resp.: 1,78kgf/cm2

• Determinação do acréscimo de tensão (∆ σ ’) pelo método 2:1. Resp.: 1,18 t/m3

• Cálculo do recalque (∆ H). Resp.: 0,022m

03 - Em um ensaio de adensamento, uma amostra com 4cm de altura exigiu 24 horas para

atingir um determinado grau de adensamento. Pede-se calcular o tempo (em dias) para que

uma camada com 8m de espessura, do mesmo material, atinja, sob as mesmas condições de

carregamento, o mesmo grau de adensamento. Resp.: 40.000 dias.


60

1m

0,9m

0,8m

15m

NA

γ =1,6 t/m3 (Areia)




04 – Uma camada compressiva de argila tem 6m de espessura e seu índice de vazios inicial

é 1,037. Ensaios de laboratório indicam que o índice de vazios final sob o peso do edifício

será 0,981. Qual será o provável recalque total desse edifício? Resp.: ∆ H=16,49cm.

05 – A pressão (tensão) existente sobre um solo compressivo é de 1,8 kgf/cm 2, a qual será

acrescida de 1,2 kgf/cm2 pela construção de um edifício. A camada compressiva tem 2,5m

de espessura e índice de vazios igual a 1,2. Sob o acréscimo de tensão, o índice de vazios

decresce para 1,12. Pede-se determinar o índice de compressão do solo e a deformação da

camada. Resp.: Cc=0,36. ∆ H=9,09cm.

06 – Um edifício A apresentou um recalque total de 30cm (estimado). No fim de 3 anos, o

recalque medido foi de 10cm. Calcular para um idêntico edifício B, o recalque total e o

recalque no fim de 3 anos. Para o edifício B, considere o mesmo material (solo) e uma

espessura da camada HB=1,5HA.

07 – O recalque total de um edifício, devido a uma camada de argila, drenada pelas duas

faces, é estimado em 10cm. Admitindo-se que a carga seja aplicada instantaneamente,

pede-se calcular os tempos necessários para que sejam atingidos recalques de 1cm, 5cm e

8cm. Resp.:

08 – o índice de vazios de uma amostra A de argila diminuiu de 0,572 para 0,505, sob uma

variação de pressão de 1,2 a 1,8kgf/cm2. Para uma amostra B, também de argila e nas

mesmas condições, o índice de vazios variou de 0,612 para 0,597 sob a mesma variação de

pressão da amostra A. A espessura de A era 1,5 vezes a espessura de B e o tempo requerido

para atingir 50% de adensamento foi 3 vezes maior para B do que para A. Qual a razão

entre os coeficientes de permeabilidade de A e B?


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VIII - Compactação


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Documents

Apostila de Mecânica dos Solos_2009