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CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS

SUMÁRIO

CARACTERÍSTICAS

FORMAÇÃO 2 – 10

ÍNDICES FÍSICOS 11 – 19

GRANULOMETRIA 20 – 24

PLASTICIDADE 25 – 31

CLASSIFICAÇÃO 32 – 49

COMPACTAÇÃO 50 – 67

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FORMAÇÃO DOS SOLOS

Neste Capítulo três assuntos são tratados; o primeiro é sobre o significado de alguns termos

muito usados na geotecnia; o segundo, de um modo resumido, é sobre a formação dos solos e, o terceiro

é a descrição de algumas características dos solos. O Capítulo termina com a apresentação de um

exemplo.

3.1 TERMOS BÁSICOS

Para aquele que está começando o estudo da mecânica dos solos é necessário que o significado

de alguns termos, que serão muito usados neste texto e que fazem parte do vocabulário geotécnico,

fique bem entendido, bem como, as diferenças entre eles.

3.1.1 Solo e sólidos

O solo, em sua condição mais geral, é um material formado por elementos das três fases

físicas: sólida, líquida e gasosa.

Os sólidos, considerados individualmente, são os elementos formadores da fase sólida; a

estrutura porosa dos solos é devido ao arranjo espacial dos componentes da fase sólida, onde nos

vazios formados estão os elementos das fases, líquida e gasosa.

Uma das diferenças marcantes entre esses dois termos é quanto ao valor da grandeza massa

específica; para os sólidos ela é sempre maior que 2,5 g/cm3, enquanto que, para os solos é menor que

este valor.

Vale a pena lembrar que solo é o todo, enquanto que, os sólidos é, apenas, uma parte deste

todo.

3.1.2 Natureza e estado

Para entender o que é natureza e estado de um material será tomado o exemplo descrito por

Vargas (1.982), onde o autor usou o representante da fase líquida, mais comumente encontrado no

solo, a água. Ela é composta por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio e, essa composição

permanece sem alteração em qualquer uma das condições em que ela pode ser encontrada: como um

bloco de gelo, como um líquido ou como vapor; o que mudou foram as condições externas as quais

fazem com que a água líquida se transforme em vapor ou gelo. Em cada uma dessas condições a água

tem um comportamento diferente: como um líquido e como vapor não tem forma própria, enquanto

que, como gelo tem; como um líquido a compressibilidade volumétrica é desprezível sendo grande

quando como vapor.

A composição da água define a sua natureza, enquanto que, a condição em que ela pode ser

encontrada define o estado, em certo momento.

A mesma situação pode acontecer com um solo; dois exemplos com solos, com

granulometrias diferentes, são dados em seguida.

Uma amostra de um solo argiloso, com a origem mineralógica dos sólidos, bem definida e,

com uma umidade adequada, permite a um escultor trabalhá-la e dar à peça a forma que desejar; se

essa peça for imersa em água ou colocada em uma estufa ela absorverá ou perderá água e, com isso,

passará a uma condição de umidade diferente daquela quando foi moldada. Essa alteração da umidade

inicial da amostra irá levá-la a se comportar como um líquido ou como um sólido e não mais como um

material, geotecnicamente, plástico. Em qualquer uma das condições de umidade a mineralogia dos

sólidos não se alterou e dela resulta o comportamento plástico de uma argila, em um dado intervalo de

umidade. Portanto, uma argila, com a mesma natureza, dependendo do intervalo de umidade em que

se encontra, pode, também, se comportar como um líquido ou como um sólido.

Um segundo exemplo é com uma areia, de granulometria conhecida e, que inicialmente se

encontrava seca. A areia é depositada em uma vasilha até completar todo o volume, com os grãos se

arranjando de modo a formar uma estrutura porosa. Em seguida, a vasilha é levada a um vibrador e

depois de algum tempo há um assentamento dos grãos de areia, sem que a massa seca inicial tenha

sido modificada e, que passam a ocupar um volume menor que o da vasilha; durante a vibração os

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grãos procuraram um novo arranjo resultando uma estrutura final, também porosa, mas diferente da

inicial. Nas duas situações a granulometria da areia manteve-se inalterada e, o efeito da vibração

aumentou a massa específica inicial devido a redução do volume da amostra. Essa modificação da

massa específica, de uma areia de mesma natureza, define estados em que um material granular pode

ser encontrado.

Os exemplos mostram diferentes estados, que um solo de mesma natureza, pode ser

encontrado quando alguma condição inicial é alterada.

A natureza de um solo é definida por características naturais comuns a todos os solos e que

precisam ser obtidas através de ensaios com procedimentos simples.

Desde o início da mecânica dos solos têm sido aceitas como características naturais o

tamanho dos sólidos, a plasticidade e a existência ou não de matéria orgânica na composição do solo.

O tamanho dos sólidos pode ser determinado com o ensaio de granulometria, a plasticidade

com o resultado dos ensaios de limites de consistência e a existência ou não de matéria orgânica

através da cor do solo, dada pela cor dos sólidos.

O estado que um solo se encontra depende da condição atual do maciço e, é definido por um

conjunto de variáveis não naturais, capazes de descrever as condições atuais do solo para o problema

que está sendo estudado.

Como conclusão pode ser dito que as características naturais de um solo dependem apenas dos

sólidos, enquanto, as características de estado dependem da condição atual que o solo se encontra no

maciço.

Por tudo que foi descrito sempre que houver a necessidade de se fazer referência às condições

de um solo ¨in situ¨, em um dado momento, é preferível usar a expressão “condição atual” e não

“condição natural”.

Finalmente, vale a pena realçar que para a prática da engenharia de fundações e de obras de

terra interessa mais como o solo está (estado), no momento em que é investigado ou, como ficará no

caso de uma obra de terra e não como ele é (natureza).

3.1.3 identificação, descrição, caracterização e classificação

Os termos, identificação, descrição, caracterização e classificação, estão muitas vezes sendo

usados para significar um mesmo procedimento, mas, têm significados diferentes, como enfatizou

Burmister (1.950).

A identificação é o passo inicial para o conhecimento do solo; ela é feita com base nas

características naturais do solo, que não se modificam com o tempo. As informações sobre o solo são

obtidas com os testes tátil-visuais cujos resultados são, apenas, qualitativos e, usados em uma primeira

denominação do solo.

Terminada a identificação passa-se a fase de descrição das características do solo, com base no

resultado dos testes realizados e, complementado com o maior número disponível de informações

sobre ele.

A caracterização é feita com base nos resultados quantitativos dos ensaios de caracterização,

se o objetivo for a classificação do solo ou nos resultados de ensaios específicos para a definição do

comportamento do solo sob condições diversas.

A classificação é um procedimento adotado para dar ao solo um nome, mais específico que o

recebido quando da identificação; para isso, é preciso adotar um sistema de classificação e ter os

resultados dos ensaios exigidos pelo sistema.

3.2 FORMAÇÃO DOS SOLOS

A terra tem uma forma, aproximadamente, esférica sendo formada por três camadas com

espessuras diferentes, como mostrado na Figura 3.1 e, com composição e natureza física variada.

Das três camadas, apenas, uma pequena espessura da parte superficial da crosta terrestre tem

interesse à engenharia civil, pois é onde estão os solos e as rochas que são utilizadas como material de

construção e como suporte de estruturas.

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A intemperização da rocha pode se dar tanto através de um processo físico resultando

fragmentos de rocha com tamanhos e formas as mais diversas ou através de um processo químico

quando os minerais formadores

Figura 3.1 Esquema simplificado da terra

da rocha são transformados em outros minerais. Os processos, físico e químico, agem ao mesmo

tempo predominando aquele cujas condições climáticas sejam mais favoráveis; assim, para clima

quente e úmido predomina o intemperismo químico, enquanto em regiões desérticas e árticas o

processo físico é o predominante. Os fragmentos da rocha matriz geram, em um processo contínuo,

fragmentos menores denominados de sedimentos, que poderão permanecer no local de origem ou

serem transportados para outros lugares. Esses sedimentos serão submetidos à ação de diferentes

fatores e o resultado é a formação de um solo; assim o solo é o resultado de um processo iniciado com

a intemperização da rocha seguido da ação de diferentes fatores, ao longo do tempo.

As rochas podem ser encontradas em duas condições: intactas, quando ainda não submetidas a

um processo ou alteradas quando já intemperizadas.

Os fatores que atuam na formação e na evolução de um solo são a rocha de origem, o clima, o

relevo, organismos vegetais e animais e o tempo de atuação de cada um deles.

Uma descrição detalhada do processo de intemperização de uma rocha e dos fatores de formação

de um solo pode ser encontrada nos trabalhos de Bloom (1.970), Gandolfi; Bjornberg e Paraguassú

(1.977), Leinz e Amaral (1.978) e de Salomão e Antunes (1.998), entre outros.

3.3 O SOLO

Apesar de trabalharem com o mesmo material o geólogo, o engenheiro agrônomo e o

engenheiro civil têm uma concepção diferente sobre o solo; para o geólogo ele é o resultado do

processo de intemperismo da rocha, enquanto que para o engenheiro agrônomo é a camada superficial

da terra usada para a agricultura.

Para o engenheiro civil o solo é todo material encontrado na camada superficial da crosta

terrestre, contendo elementos da fase sólida, líquida e gasosa, podendo ser removido com uma

ferramenta de corte, com um maior ou menor esforço físico. Os componentes da fase sólida são

minerais e, em algumas vezes, também, matéria orgânica, enquanto a água e o ar são os elementos

mais comuns das outras duas fases.

Os sedimentos resultantes do intemperismo poderão permanecer no local onde foram

originados ou serem levados por diferentes agentes de transporte; durante essa movimentação poderá

ocorrer modificação na forma e no tamanho inicial de cada sedimento e, também, a inclusão de

sedimentos

oriundos de outros locais. Esses sedimentos irão sendo depositados ao longo do percurso de acordo

com o tamanho; para um mesmo agente de transporte os maiores serão depositados a distâncias

menores da origem.

Da ação dos agentes sobre os sedimentos resulta a formação do solo; para os sedimentos que

permaneceram no local de origem o solo formado é chamado de residual e para os transportados o solo

é denominado de solo de sedimento transportado ou simplesmente solo transportado.

Na Figura 3.2 está mostrado o esquema de formação dos solos.

A Figura 3.3 mostra o perfil geral dos solos residuais do sul do Brasil, segundo Vargas (1.970).

Nem sempre todas as zonas mostradas

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no perfil geral aparecem em um perfil particular; a camada superior “porosa”, por exemplo, aparece

somente em locais de inverno seco e verão úmido.

Figura 3.2 Esquema da formação do solo

Figura 3.3 Perfil geral de um solo residual (Vargas, 1.970)

A Figura 3.4 mostra o perfil de um solo residual de basalto, na região da Barragem de Ilha

Solteira, São Paulo, às margens do Rio Paraná, onde a camada superior é um solo transportado,

segundo Vargas (1.970); perfis de solos residuais, de outros lugares, podem, também, ser encontrados

no mesmo trabalho.

Um solo poderá apresentar ao longo do tempo uma evolução decorrente da ação dos agentes

da natureza alterando sua constituição inicial e, resultando um solo com características diferentes das

iniciais.

Uma descrição resumida dos solos de cada camada está apresentada na Tabela 3.1, com a

indicação da variação da espessura de cada zona.

Alem dos solos inorgânicos há, ainda, os solos orgânicos que resultam da impregnação do

húmus (produto da decomposição de matéria orgânica, de cor escura, relativamente estável e

facilmente transportada pela água), em siltes, argilas ou areias finas e os de origem animal devido à

incorporação de moluscos ou diatomáceas formando os solos calcários e as terras diatomáceas.

Outra classe de solos, de pouca utilidade â engenharia civil, são os solos altamente orgânicos, de

cor escura e que são conhecidos por turfas.

Alem dos solos inorgânicos há, ainda, os solos orgânicos que resultam da impregnação do

húmus (produto da decomposição de matéria orgânica, de cor escura, relativamente estável e

facilmente transportada pela água), em siltes, argilas ou areias finas e os de origem animal devido à

incorporação de moluscos ou diatomáceas formando os solos calcários e as terras diatomáceas.

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Figura 3.4 Perfil de um solo residual – Barragem de Ilha Solteira (Vargas, 1.970)

Tabela 3.1 Zonas de um solo residual

Zona Solo Espessura m

I

(superior)

II

(intermediária)

III

(profunda)

IV

(alteração de rocha

ou rocha alterada)

V

Argila ou areia “porosa” vermelha parda ou

alaranjada (solo residual maduro ou coluvial)

Argila parda ou amarelada rija ou dura, ou areia

argilosa parda a amarelada compacta; eventuais

concreções ou camadas de limonita, às vezes,

mantendo a estrutura da rocha de origem

Areia com pedregulho ou solo arenoso mantendo a

estrutura da rocha de origem; Blocos ou camadas

de rocha sã ou decomposta podem existir

Solo de “alteração de rocha”, rocha decomposta.

Blocos ou camadas de rocha quase sã entremeadas

com camadas de solos argilosos ou arenosos

Rocha sã, às vezes, fissurada

1 a 10

5 a 15

5 a 70

5 a 100

-

Outra classe de solos, de pouca utilidade â engenharia civil, são os solos altamente orgânicos, de

cor escura e que são conhecidos por turfas.

3.3.1 Características geométricas dos sólidos

Os sólidos, que são os elementos que formam a fase sólida de um solo, podem ter

características geométricas diversas, definidas pela forma e pelo tamanho, além de serem também

visíveis ou não a olho nu.

Quanto ao tamanho, os sólidos são menores que 60 mm, dimensão padronizada por norma

brasileira e estão distribuídos em dois conjuntos: grãos e partículas; os grãos são maiores que

0,075 mm e as partículas menores que esta dimensão. O tamanho do grão é definido pelo diâmetro da

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menor esfera que o circunscreve e, o tamanho da partícula é definido por um diâmetro equivalente

calculado de modo indireto. Por isso, o termo diâmetro de um sólido é, também, usado como sinônimo

de tamanho.

Enquanto a indicação do tamanho de um grão por uma medida linear (diâmetro da esfera

circunscrita) é aproximadamente correta, para um argilo-

mineral isso se torna uma aproximação grosseira que não reflete a realidade.

Quanto à visibilidade a olho nu os grãos são visíveis enquanto as partículas não. A abertura da

peneira 200, de malha quadrada e lado igual a 0,075 mm, é a menor dimensão que pode ser percebida

visualmente. As partículas com tamanho próximo da abertura da peneira 200 podem ser sentidas pelo

tato.

Quanto a forma, os grãos podem ser considerados cúbicos ou prismáticos, enquanto as

partículas menores têm forma lamelar (a espessura é muito menor que as outras duas dimensões) ou

fibrilar (forma de um fio).

Uma medida da forma de uma partícula de um argilo-mineral é através da superfície específica

que é a área superficial da partícula por unidade de massa; para os argilo-minerais, caulinita, ilita e

montmorilonita, os valores da superfície específica são, respectivamente, iguais a 15, 90 e

800 m2/g.

A Figura 3.5 resume o que foi descrito sobre as características dos sólidos.

Figura 3.5 Tamanho, visibilidade e forma dos sólidos

Na Figura 3.6 estão mostrados grãos de areia com diferentes tamanhos e formas.

Figura 3.6 Grãos de areia com diferentes tamanhos e formas

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Na Figura 3.7 está mostrada a foto de uma partícula lamelar de caulinita; o comprimento L

mostrado na Figura é da ordem de 1,5 10-3

mm.

O tamanho e a forma de um grão são fatores condicionantes de algumas propriedades dos

solos grossos, como a permeabilidade e a resistência ao cisalhamento, assim como, a forma e a

superfície específica das partículas dos argilo-minerais também condicionam propriedades dos

solos argilosos, como a plasticidade e a compressibilidade.

Figura 3.7 Partícula de caulinita (Lambe, 1.951)

3.3.2 Tipos de solos

Os solos podem ser separados, quanto ao tamanho dos sólidos, em dois grandes grupos: solos

grossos e solos finos. Os solos grossos são aqueles cuja percentagem de ocorrência de grãos é maior

que a de partículas, enquanto, para os solos finos a percentagem de partículas é maior que a dos grãos.

Quando a percentagem de partículas é inferior a 5% o solo é chamado de material granular. Outro

grande grupo é o dos solos altamente orgânicos que por suas características peculiares não está

incluído neste item.

Cada grande grupo pode ser dividido em dois resultando quatro grupos de solos, denominados

de pedregulhos, areias, siltes e argilas, com o tamanho dos sólidos decrescendo nessa ordem; o

tamanho dos sólidos de cada grupo varia dentro de um intervalo padronizado através de normas.

Cada grupo pode conter dois diferentes subgrupos. O primeiro quando o tamanho de todos os

sólidos está dentro do intervalo padronizado para o grupo resultando quatro subgrupos, com uma

granulometria pura, que são os pedregulhos, as areias, os siltes e as argilas. O segundo quando o

tamanho dos sólidos permite colocá-los em dois ou mais grupos resultando outros quatro subgrupos

denominados de pedregulhentos, arenosos, siltosos

e argilosos. A ocorrência mais comum é a de solos que contêm sólidos em dois ou mais grupos.

Cada subgrupo pode conter diferentes tipos de solos, como conseqüência dos valores

percentuais de cada grupo componente do solo. Para a definição do tipo de solo são realizados os

ensaios de caracterização.

Na Figura 3.8 está mostrado, de modo resumido, o descrito.

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Figura 3.8 Divisão dos solos segundo o tamanho dos sólidos 3.3.3 Cor

A cor do solo é o resultado das cores dos minerais que o constituem e é a primeira

característica a ser identificada, pois, não depende de nenhum ensaio.

Ela poderá ser derivada da rocha de origem, produto do intemperismo químico ou ainda

determinada pela presença de matéria orgânica. Por isso, pode haver significativa diferença de cor, não

só entre solos de diferentes origens como também entre os diversos horizontes de um mesmo solo.

A cor varia, quanto à sua intensidade, com a umidade do solo e sempre que possível esta deve

estar referida à condição de solo molhado.

A cor de um solo é uma pista indicativa dos seus minerais componentes. Uma cor mais escura

como, marrom, cinza escuro e preto, é indicativa de solo de origem orgânica, enquanto, cores mais

claras indicam solos de origem inorgânica, com predominância de sílica, gipsita ou de depósitos,

relativamente, puros de caulinita.

3.3.4 Amostragem e amostra

Amostragem é o processo realizado in situ para a retirada de amostras em diferentes

situações; para isso, devem ser usadas ferramentas apropriadas a cada situação.

A amostra deve ser representativa do solo de onde foi retirada; segundo Costa Neto (1.998)

uma amostra é considerada representativa de uma população, de onde foi extraída, quando tem as

mesmas características dessa população, no que diz respeito às variáveis que estão sendo estudadas,

mesmo levando em consideração as pequenas discrepâncias encontradas nos processos de

amostragem.

Como o solo, em decorrência de seu processo de formação, é um material heterogêneo a

amostra retirada em um dado ponto e cota é representativa da natureza do solo, daquele ponto e cota e,

da condição atual no momento em que foi amostrado.

Como há sempre o interesse de se trabalhar com um material homogêneo, que tem soluções

mais simples, é preciso que o programa de investigação defina um número de pontos e cotas, para

amostragem, que possibilite depois um estudo estatístico dos resultados.

É essencial na amostragem que a localização dos pontos, em planta, e das cotas de onde foram

retiradas as amostras fiquem bem determinadas em relação a uma referência que não poderá ser

destruída durante a construção da obra.

A Figura 3.9, à esquerda, mostra a localização, em planta, dos pontos de onde foram retiradas as

amostras representativas; a linha a. será considerada como referência para a localização dos pontos e o

ponto A sobre essa linha, de cota arbitrada será tomado como a referência de nível. Na mesma Figura,

à direita, estão mostradas as posições de retirada das amostras.

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Figura 3.9 Localização das amostras: planta e perfil

As amostras representativas podem ser de dois tipos: deformadas e indeformadas; a amostra

deformada deve ser representativa do solo quanto às características naturais e não deve conter

elementos que não entraram na formação do solo, enquanto que, a amostra indeformada, além das

características naturais deve, também, representar as condições atuais do solo, no momento da

investigação.

A Figura 3.10 mostra, de um modo resumido, o que precisa ser feito para a obtenção de uma

amostra reduzida, aquela que vai ser usada no ensaio e, as grandezas que podem ser medidas em

cada uma delas.

As amostras deformadas reduzidas são usadas nos testes de identificação, nos ensaios de

caracterização, no ensaio de compactação e na preparação de corpos de prova; os corpos de prova

podem ser de dois tipos: compactados ou moldados a partir de uma amostra representativa

indeformada e são usados na determinação dos índices físicos e nos ensaios de permeabilidade,

compressibilidade e resistência ao cisalhamento.

Figura 3.10 Processo de obtenção de amostra reduzida

No Capítulo 10 este assunto está retomado.

3.3.5 Identificação, caracterização e classificação

O objetivo dos testes de identificação é definir a classe em que o solo analisado pode ser

colocado a partir de resultados qualitativos, que permitam determinar a fração predominante e aquela

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com uma percentagem, imediatamente, inferior; além do nome dado, o mesmo da classe no qual o solo

foi colocado, deve ser feita uma descrição geral do solo identificado.

Com os resultados quantitativos dos ensaios de caracterização o tipo de solo é determinado;

com a escolha de um sistema de classificação o solo recebe um nome, o que tornará mais fácil a

comunicação entre geotécnicos.

Terminada a identificação passa-se a fase de descrição das características do solo, com base no

resultado dos testes realizados e, complementado com o maior número disponível de informações

sobre ele.

A caracterização é feita com base nos resultados quantitativos dos ensaios de caracterização,

se o objetivo for a classificação do solo ou nos resultados de ensaios específicos para a definição do

comportamento do solo sob condições diversas.

A classificação é um procedimento adotado para dar ao solo um nome, mais específico que o

recebido quando da identificação; para isso, é preciso adotar um sistema de classificação e ter os

resultados dos ensaios exigidos pelo sistema.

3.4 EXEMPLO

Um solo foi, inicialmente, identificado como pertencente ao grande grupo dos solos grossos e,

outros testes o colocaram no grupo das areias e na classe dos arenosos, identificando-o como uma

areia argilosa.

Os ensaios de caracterização forneceram os dados sobre a granulometria, limites de

consistência e massa específica dos sólidos do solo.

Usando o sistema granulométrico de classificação dos solos, que tem como base o tamanho

dos sólidos, o nome do solo passou a ser: areia fina e média argilosa.

Se o solo tivesse sido classificado segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos

(SUCS), que leva em consideração também os valores dos limites de consistência o seu nome seria:

SC – areia argilosa.

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ÍNDICES FÍSICOS

Na Figura 4.1, à esquerda, mostra um corte longitudinal de um corpo de prova, retirado de

uma amostra indeformada, com os elementos componentes de cada uma das fases distribuídos como

em sua condição atual com os sólidos formando a estrutura porosa do solo; no esquema central os

elementos foram idealmente separados e, no esquema à direita a água e o ar aparecem como

representantes das fases líquida e gasosa, respectivamente.

Figura 4.1 Representação esquemática do solo

O esquema à direita na mesma Figura é muito usado na representação de uma amostra de solo

e atende a uma conveniência didática para a definição dos índices físicos e, para a obtenção das

equações de correlação entre eles. A simbologia usada para representar o volume e a massa de cada

fase e do corpo de prova também está mostrada no neste esquema e será usada na definição dos

índices físicos e, também, sempre que necessário em qualquer parte do texto.

Os valores calculados com essas relações, ao longo do tempo podem ser alterados e por isso os

índices físicos caracterizam as condições de um solo em um dado momento. Os nomes, os símbolos e

as unidades devem ser de conhecimento pleno e estarem incorporados ao vocabulário de uso diário do

geotécnico.

4.1 DEFINIÇÃO

De um modo geral índice físico de um solo é uma grandeza definida por uma relação entre

volumes, entre massas ou entre massa e volume de uma mesma fase ou do solo como um todo.

A partir do esquema à direita da Figura 4.1 serão mostradas as relações que definem os índices

físicos para cada um dos grupos.

4.1.1 Relação entre massas

teor de umidade

Apenas um índice físico está neste grupo; é o teor de umidade, definido como a relação entre a

massa de água e a massa de sólidos existente em um mesmo volume de solo e, seu símbolo é a letra w,

escrita no formato itálico,

[4.1]

O teor de umidade varia em um intervalo aberto com limite inferior igual a zero e limite

superior não definido e, será sempre indicado em valores percentuais com uma casa decimal

4.1.2 Relação entre volumes

Neste grupo estão três índices físicos: a porosidade, o grau de saturação e o índice de vazios.

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porosidade

É a relação entre o volume de vazios e o volume do solo; o símbolo

é a letra minúscula n,

[4.2]

e, seu valor é expresso em percentagem, com uma casa decimal, variando no intervalo aberto 0 a

100%, pois não há solo sem vazios nem sem sólidos.

grau de saturação

É a relação entre o volume de água e o volume de vazios, existentes em um mesmo volume de

solo,

[4.3]

e Sr é o símbolo dessa grandeza cujo valor é dado em percentagem, com uma casa decimal variando no

intervalo fechado 0 a 100%.

Os extremos do intervalo de variação do grau de saturação representam condições particulares

de um solo com apenas duas fases; o extremo inferior, Sr = 0%, é de um solo seco enquanto que o

extremo superior, Sr = 100%, indica um solo saturado.

Para qualquer valor do grau de saturação diferente dos extremos mostra a condição de um solo

não saturado.

índice de vazios

Como os sólidos são considerados incompressíveis qualquer variação no volume de um solo

terá variação de igual valor no volume de vazios e, o numerador e o denominador da fórmula [4.2]

variarão em um mesmo sentido. Desse modo, a porosidade não permite o acompanhamento da

deformação volumétrica de um solo, ao longo do tempo, quando submetido a um aumento de pressão.

Com a finalidade de se ter um índice físico que pudesse indicar a variação volumétrica do

solo, ao longo do tempo, foi criado o índice de vazios, definido como a relação entre o volume de

vazios e o volume de sólidos, ambos, em igual volume de solo; a letra e, minúscula e no formato

itálico, é o símbolo do índice de vazios,

[4.4]

O valor do índice de vazios é indicado com três casas decimais; é maior do que zero em seu

limite inferior, enquanto não há um limite superior bem definido. O volume da fase sólida

permanecendo constante ao longo do tempo, qualquer variação volumétrica do solo será medida por

uma variação do índice de vazios, que assim poderá contar a história das deformações ocorridas no

solo.

4.1.3 Relação entre massa e volume

A relação entre massa e volume define a massa específica e dela resulta três índices físicos: a

massa específica do solo, a dos sólidos e a da água. A letra grega ρ, escrita no modo itálico, é o

símbolo da massa específica do solo; um subscrito indicará a massa específica das fases sólida e

liquida e de outras condições em que o solo pode ser encontrado.

massa específica do solo

A massa específica do solo é a grandeza definida como a relação entre a massa e o volume de

uma amostra de solo; dependendo do grau de saturação do solo são definidas três massas específicas:

do solo seco, do solo não saturado e do solo saturado, pelas relações

para Sr = 0% [4.5]

para 0 < Sr < 100% [4.6]

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para Sr = 100% [4.7]

onde a grandeza Msat é a massa do corpo de prova com a água ocupando todo o volume de vazios,

sendo que nenhuma das condições extremas levou em consideração a variação de volume do solo,

devido a secagem ou saturação.

massa específica submersa

Quando a camada de solo está abaixo do nível d'água freático, a massa específica do solo

submerso é definida como a relação entre a massa do solo submerso e o seu volume:

[4.8]

No Apêndice A está mostrado o modo de se chegar á equação da massa específica submersa,

tal como é usada na prática.

massa específica dos sólidos

A massa específica dos sólidos é a relação entre a massa e o volume dos sólidos, ambos para

um mesmo volume de solo; da Figura 4.1 resulta

[4.9]

Na Tabela 4.1, estão mostrados intervalos de variação da massa específica de diversos

minerais, sendo o quartzo o mais comum nos solos. A massa específica dos sólidos deve ser dada

com três casas decimais, quando a unidade é g/cm3.

massa específica da água

Na maior parte dos problemas encontrados na mecânica dos solos a massa específica da água,

ρw, é considerada constante e igual a 1 g/cm³ ou 1.000 kg/m³, mesmo variando com a temperatura; em

alguns ensaios de laboratório a variação do valor da massa específica da água com a temperatura deve

ser considerada.

Tabela 4.1 Massa específica de diferentes minerais, g / cm3

Mineral s Mineral s

Caulinita 2,600 a 2,650 Magnetita 5,200

Clorita 2,600 a 2,900 Mica 2,700 a 3,200

Feldspato 2,550 a 2,900 Montmorilonita 2,740 a 2,780

Ilmenita 4,500 a 5,000 Quartzo 2,650 a 2,670

massa específica do ar

A massa específica do ar, ρar, é muito pequena, da ordem de 1,200 kg/m³, quando

comparada às massas específicas da água e dos sólidos e, por isso, a massa da fase gasosa, onde o ar é

o material que predomina, será sempre desprezada no cálculo da massa de solo, sendo essa a primeira

aproximação, entre tantas outras, que será feita na mecânica dos solos.

4.1.4 Pesos específicos

Os valores das grandezas utilizadas no cálculo da massa específica são obtidos no laboratório,

em gramas e centímetros cúbicos; na prática da engenharia o cálculo de pressões torna-se mais simples

usando-se o peso específico que é igual ao produto da massa específica pela aceleração da gravidade,

cujo valor pode ser aproximado para 10 m/s2, sem que, com isso, ocorram erros sensíveis.

Na Tabela 4.2 estão relacionados os pesos específicos, simbolizados pela letra grega γ, no

formato itálico, com os mesmos subscritos usado na definição das massas específicas; a grandeza

peso, simbolizada pele letra W é igual a W = M g onde M é a massa contida em um dado volume de

solo, nas condições indicadas pelo grau de saturação, ou da fase sólida e líquida.

15

Tabela 4.2 Relação dos pesos específicos

Peso específico Símbolo Relação Saturação

do solo γ W/V 0 < Sr < 100 %

do solo seco γd Ws/V Sr = 0 %

do solo saturado γsat Wsat/V Sr = 100 %

do solo submerso γ' Wsub/V Sr = 100 %

dos sólidos γs Ws/Vs =

da água γw Ww/Vw =

4.1.5 Unidades

Para a massa específica determinada em laboratório a unidade é o grama por centímetro

cúbico, g/cm3; para transformá-la em peso específico usa-se o quilograma por metro cúbico, kg/m

3,

que é igual a 103 g/cm

3.

A unidade para o peso específico é o quilonewton por metro cúbico, kN/m3; se o valor da

massa específica de um solo, obtida em laboratório, é igual a ρ = 1,650 g/cm3 = 1.650 kg/m

3 o peso

específico é igual a γ = 16.500 N/m3 = 16,5 kN/m

3, adotando-se g = 10,0 m/s

2.

Um resumo dos índices físicos, com seus símbolos, unidades e intervalo de variação está

mostrado na Tabela 4.3.

Os extremos superiores do teor de umidade e do índice de vazios ainda estão em aberto,

enquanto os intervalos das massas específicas do solo

e dos sólidos representam valores médios.

Tabela 4.3 Índices físicos

Relação entre Índices físicos Símbolo Unidade Intervalo de variação

Massas Teor de umidade w % 0

Porosidade n % > 0 ; < 100

Volumes Índice de vazios e - > 0

Grau de saturação Sr % 0 ; 100

Massa Massa específica:

do solo 1,3 a 2,3

seca d

e saturada sat g / cm³

submersa '

dos sólidos s 2,4 a 3,4

Volume da água w 1,0

4.2 DETERMINAÇÃO

Dos seis índices físicos três deles, massa específica do solo, a massa específica dos sólidos e o

teor de umidade, são obtidos em ensaios de laboratório, enquanto os demais índices são calculados

através das fórmulas de correlação.

A descrição dos ensaios para a determinação da massa específica e do teor de umidade do solo

está no Capítulo 13, enquanto que a da massa específica dos sólidos está no Capítulo 14, PARTE III

do livro.

Na Figura 3.3 está mostrado o perfil do terreno de fundação da Barragem de Ilha Solteira, no

Rio Paraná; os índices físicos foram obtidoscom corpos de prova moldados retirados de amostras

indeformadas, em bloco. Os valores obtidos estão mostrados na Tabela 4.4.

16

Tabela 4.4 Índices físicos de solos de Ilha Solteira, SP, (Vargas, 1.970)

Amostra Índices físicos Tipo de solo

s d w n Sr e

no g/cm

3 %

1 2,862 1,431 1,173 22,1 59,0 43,9 1,440 Argila arenosa

2 2,780 1,481 1,224 21,0 56,0 45,9 1,272

3 2,893 1,291 1,064 21,4 63,2 36,0 1,720 porosa (coluvial)

4 2,818 1,557 1,187 31,0 57,9 63,6 1,374

5 2,850 1,516 1,204 25,9 57,8 54,0 1,367

6 3,038 1,635 1,190 37,3 60,8 73,0 1,552 concreções de limonita

7 2,897 1,472 0,974 51,1 66,4 75,0 1,973 argila rija vermelha

4.3 FÓRMULAS DE CORRELAÇÃO

As fórmulas de definição dos índices físicos não são práticas para a utilização em cálculos e

assim recorrem-se às fórmulas de correlação entre eles. Para a obtenção dessas fórmulas pode-se partir

da hipótese de um volume de sólidos conhecido e depois utilizando as fórmulas de definição calcular o

valor das ordenadas representativas do volume de solo e de cada uma das fases mostradas na Figura

4.1; para calcular a massa de água e a de sólidos basta multiplicar o volume por sua respectiva massa

específica, enquanto a massa do solo é igual à soma das massas das fases líquida e sólida. O resultado

está mostrado na Figura 4.2

Partindo outra vez das fórmulas de definição resultam as que correlacionam os índices físicos

e, que conhecidos os valores de três deles é possível calcular os demais; na Tabela 4.5 estão mostradas

as fórmulas obtidas.

Para os valores extremos do grau de saturação, a massa específica do solo tem simbologia e

fórmulas próprias, mostradas nas duas últimas linhas da Tabela 4.5.

Da fórmula da massa específica dos sólidos resulta Sr e ρw = ρs w, que colocada na equação da

massa específica tem-se

; o primeiro termo do segundo membro pode ser

substituído pela massa específica seca resultando,

= d (1 + w) [4.12]

Figura 4.2 Esquema para a obtenção das fórmulas de correlação Tabela 4.5 Fórmulas de correlação

índice de vazios wrs Swe /

grau de saturação wsr ewS /

teor de umidade swr eSw /

porosidade )1(/ een

massa específica dos sólidos weS wrs /

massa específica do solo )1(/ eeS wrs

massa específica seca )1(/ esd

17

massa específica saturada )1(/ ee wssat

Multiplicando-se os dois lados da equação [4.12] pelo volume do solo resulta a equação,

M = Ms (1 + w) [4.13]

muito usada no laboratório para o cálculo da massa seca ou úmida conhecendo-se o teor de umidade.

Das equações mostradas na Tabela [4.5], pode-se ver que são sete os índices físicos; desde que

a massa específica da água pode ser considerada conhecida, resultam seis variáveis e, para que, o

sistema tenha solução é necessário o conhecimento de três índices físicos.

4.4 EXEMPLOS

Dois exemplos de cálculo dos índices físicos são mostrados em seguida: o primeiro usando as

equações de definição e o segundo com as equações de correlação.

exemplo 1: fórmulas de definição

De uma amostra indeformada de um solo arenoso foi moldado um corpo de prova cilíndrico;

foram feitas 5 medidas do diâmetro e da altura com um paquímetro, com resolução de 0,1 mm e,

determinada a sua massa, em uma balança, com resolução de 0,01 g obtendo-se os valores seguintes:

D cm 5,03 5,10 5.08 5,02 5,05

L cm 10,22 10,19 10,15 10,21 10,23

M g 376,61 = = = =

Durante a moldagem do corpo de prova foram separadas 3 amostras e colocadas em cápsulas

de alumínio para a determinação do teor de umidade; essas amostras foram pesadas e depois deixadas

secar em uma estufa a 105º C, até apresentarem massas constantes e, novamente pesadas na mesma

balança. Os valores obtidos foram:

1 2 3

M+Mc g 36,60 35,64 37,67

Ms+Mc g 32,94 32,24 33,93

Mc g 10,49 11,52 10,85

Em ensaio próprio foi determinada a massa específica dos sólidos igual a 2,697 g/cm³.

Calcular os índices físicos do solo, na condição em que se encontrava no momento da retirada

da amostra indeformada, usando as relações de definição dos índices.

a. volume do corpo de prova

D = 0,2 Σ Di D = 5,06 cm

V = 205,112 cm3

L = 0,2 Σ Li L = 10,20 cm

b. teor de umidade

O teor de umidade de cada cápsula será calculado com a equação

onde Mc é a tara da cápsula; o teor de umidade em cada

determinação é igual a

w1 = 0.163 w2 = 0,164 w3 = 0,162

e o teor de umidade do solo é a média das três determinações w = Σwi/3 e igual a w = 0,163 ou w =

16,3 %.

c. massa de sólidos do corpo de prova

Ms = 323,83 g.

18

d. representação esquemática do corpo de prova

Com um esquema semelhante ao da Figura 4.1, com as ordenadas representativas dos volumes

e das massas sendo substituídas pelos valores conhecidos e por aqueles que podem ser calculados, de

um modo direto, foi montada a Figura 4.3.

Vs = 122,338 cm

3

Vw = 52,780 cm

3

pois, ρw = 1,000 g/cm3.

O volume da fase gasosa, Var = V – (Vs+Vw) = 29,994 cm3; como ρar = 1,200 10

-3 g/cm

3, a

massa de ar será igual a Mar = 36,00 10-3

g.

Os valores calculados estão mostrados na Figura 4.3 com linhas tracejadas, enquanto as linhas

cheias indicam valores conhecidos.

Figura 4.3 Valores conhecidos e calculados das massas e volumes

e. índices físicos

ρs = 2,647 g/cm3 ρ = 1,836 g/cm

3 w = 16,3 %

ρd = Ms/V = 1,579 g/cm3 e = Vv/Vs = 0,677

Sr = Vw/Vv = 0,638 ou Sr = 63,8% n = Vv/V = 0,404 ou n = 40,4%

exemplo 2: fórmulas de correlação

A amostra do solo arenoso do item anterior foi retirada da camada superior do perfil mostrado

na Figura 4.4 e seus índices físicos determinados como mostrado no item anterior. Calcular os demais

índices físicos usando as equações de correlação.

a. areia argilosa

A equação da massa específica do solo, correlacionada a outros índices físicos, mostrada na

Tabela 4.5, é igual a

onde os valores do Sr e do e não são conhecidos.

Da equação [4.12] resulta

que permite calcular a massa específica seca em

função de valores conhecidos. Substituindo esta equação na da massa específica seca, mostrada na Tabela [4.5], resulta uma nova equação de correlação para o índice de vazios, em função de

grandezas conhecidas,

19

.

Figura 4.4 Perfil do solo investigado

Na equação do grau de saturação mostrada na Tabela 4.5 substituindo o índice de vazios pela

equação anterior resulta, do mesmo modo, uma nova equação que em função de grandezas conhecidas,

O mesmo pode ser feito com a equação da porosidade da Tabela 4.5, resultando

Substituindo os valores dos índices físicos conhecidos nas equações anteriores resulta:

ρd = 1,577 g/cm3 Sr = 0,638 ou 63,8% e = 0,677

n = 0,404 ou 40,4%

b. argila orgânica arenosa

Para essa camada foram dados dois valores do teor de umidade.

Como essa camada apresenta duas condições diferentes, uma acima do nível de água freático e

outra abaixo; o menor valor é da parte da camada acima do nível de água, enquanto os valores da

massa específica dos sólidos e do índice de vazios valem para toda a camada.

As equações necessárias para o cálculo dos índices físicos podem ser obtidas do mesmo modo

que no item anterior; assim, para cada condição da camada têm-se as equações e os valores calculados:

Entre as cotas -6 e -9:

ρ = 1,672 g/cm

3

ρd = 1,401 g/cm

3

Sr = 0,559 ou 55,9%

n = 0,484 ou 48,4%

entre cotas -9 e -15

ρ = 1,842 g/cm

3

ρd = 1,401 g/cm

3

Sr = 0,912 ou 91,2%

n = 0,484 ou 48,4%

Os valores da porosidade e do índice de vazios não dependem do teor de umidade do solo

enquanto que a massa específica seca, por definição é a massa de sólidos contido em um volume de

solo e, também não depende da umidade do solo e, todos eles permanecem com os seus valores

constantes.

20

GRANULOMETRIA

Os sólidos de um solo têm diferentes tamanhos em quantidades as mais variadas; a

determinação do tamanho de cada sólido e de sua respectiva percentagem de ocorrência não é possível

de ser feita devido a variedade muito grande de tamanho e a dificuldade prática de obtê-los e, também,

a pouca utilidade prática desses resultados.

A determinação do tamanho e da percentagem de ocorrência é feita em laboratório com o

ensaio de análise granulométrica que fornece alguns pares de valores, que colocados em um gráfico

semilogarítmico, permite traçar uma linha contínua denominada curva de distribuição granulométrica.

O procedimento do ensaio de análise granulométrica é diferente dependendo do grande grupo

em que o solo está: para os materiais granulares os pares de valores são obtidos com a separação dos

grãos em peneiras padronizadas, processo esse denominado ensaio de peneiramento, enquanto que,

para os solos finos é utilizado o processo de sedimentação das partículas em um meio líquido. Para os

solos, que contêm tanto grãos quanto partículas o ensaio tem os dois procedimentos anteriores e é

denominado de análise granulométrica conjunta.

Tanto os grãos quanto as partículas não têm uma forma esférica, mas será sempre usada a

expressão diâmetro equivalente do grão ou da partícula ou apenas diâmetro quando se fizer referência

ao tamanho do sólido. Para os materiais granulares ou para a fração grossa de um solo, o diâmetro

equivalente de um grão é igual ao diâmetro da menor esfera que o circunscreve; para a fração fina do

solo o diâmetro equivalente é calculado

com a equação de Stokes.

Os pares de pontos, diâmetro-percentagem de ocorrência, são colocados em um gráfico

semilogarítmico, onde em abscissas estão os diâmetros e nas ordenadas as percentagens de sólidos

maiores e menores do que o diâmetro calculado; na Figura 5.1 estão mostradas duas curvas

granulométricas: a de um material granular, retirado de um porto de areia do Rio Mogi-Guaçú e de um

solo do Campus da Universidade de São Paulo, em São Carlos.

Figura 5.1 Curva de distribuição granulométrica: material granular e solo

A curva granulométrica é usada para dar um nome ao solo, como será mostrado no Capítulo 7.

5.1 MATERIAIS GRANULARES

Para os materiais granulares ou para a fração grossa de um solo a determinação dos pares de

valores, diâmetro-percentagem de ocorrência, é através do ensaio de peneiramento. O procedimento

do ensaio está descrito no Capítulo 15 da Parte II do texto.

A separação dos grãos, por tamanho, é feita em um conjunto de peneiras de malhas quadradas

e aberturas padronizadas; a relação completa do conjunto de peneiras está mostrada no Anexo E e, na

Figura 5.2 está mostrado um conjunto de peneiras com a indicação do número e da abertura da malha,

em milímetros.

21

Escolhido o conjunto de peneiras mais apropriado ao material em estudo e definida a massa

seca da amostra reduzida, os grãos serão separados após alguns minutos de vibração das peneiras; com

as massas secas retidas em cada peneira serão calculadas as percentagens retidas que acumuladas

fornecem os pares de valores, abertura da peneira-percentagem acumulada

retida. A percentagem de grãos menores que a abertura da peneira ou

percentagem que passa através dela é igual a

∑ , onde e ∑

simbolizam a percentagem que passa na peneira j e a percentagem acumulada retida até aquela

peneira, respectivamente.

Figura 5.2 Conjunto de peneiras para areias

Na Tabela 5.1 estão mostrados os valores das percentagens retidas, acumuladas retidas e das

que passam em cada uma das peneiras, usadas para traçar a curva granulométrica, do material

granular, mostrada na Figura 5.1.

Tabela 5.1 Resultado de um ensaio de peneiramento

Peneira Abertura Percentagem

retida acumulada retida que passa

# mm Pr(# j) ∑ Pr(# j) Pp(# j)

4 4,75 0,0 0,0 100,0

8 2,36 4,0 4,0 96,0

16 1,18 17,0 20,0 80,0

30 0,60 34,0 55,0 45,0

50 0,30 26,0 81,0 19,0

100 0,15 16,0 97,0 3,0

200 0,075 2,5 99,5 0,5

Prato = 0,5 100,0 0,0

Cada peneira tem um número que mede a quantidade de malhas quadradas contidas em um

comprimento de 25,4 mm, descontada a soma da espessura do arame que forma a malha.

Na Figura 5.3 estão mostradas cinco curvas de materiais granulares retiradas de um trabalho

de Mellios e Saad (1.983); as curvas A e B mostram o limite inferior e o superior dos resultados dos

ensaios de granulometria em 300 amostras retiradas em portos de areia em rios do Estado de São

Paulo.

Na curva granulométrica são definidos três diâmetros que depois serão usados no cálculo dos

coeficientes de uniformidade e de curvatura do material: o diâmetro efetivo, D10, é o tamanho de um

grão do material que tem, apenas, 10% de grãos com diâmetros menores do que ele; o diâmetro efetivo

e o D60, definido do mesmo modo que o D10 são usados no cálculo do coeficiente de uniformidade, CU,

do material, definido pela relação,

[5.1]

22

O valor do coeficiente de uniformidade dá uma idéia do intervalo de variação do tamanho dos

grãos: um valor próximo de um indica uma curva granulométrica quase vertical, com um intervalo

pequeno de variação dos diâmetros, enquanto que, para valores maiores a curva granulométrica irá se

abatendo e aumentando o intervalo de variação. Outra informação é que se dois materiais granulares

têm valores, aproximadamente, iguais desse coeficiente suas curvas tendem a um paralelismo.

Figura 5.3 Curvas granulométricas de materiais granulares

O coeficiente de curvatura, CC, é uma relação entre três diâmetros,

[5.2]

e o seu valor dá uma medida da forma e da simetria da curva granulométrica;

é menos usado que o coeficiente de uniformidade.

Na Tabela 5.2 estão mostrados os valores dos três diâmetros necessários para o cálculo dos

coeficientes de uniformidade e de curvatura dos materiais granulares das Figuras 5.1 e 5.2, inclusive

para a curva B que define o limite superior; o diâmetro efetivo da curva A, limite inferior não pode ser

calculado.

Tabela 5.2 Coeficientes de uniformidade e de curvatura

Curva D10 D30 D60 CU CC

mm

Figura 5.1 0,25 0,43 0,89 3,6 0,8

Figura 5.2:

Curva 1 0,20 0,33 0,58 2,9 0,9

Curva 2 0,34 0,52 0,77 2,3 1,0

Curva 3 0,17 0,28 0,43 2,5 1,1

Curva 4 0,16 0,22 0,32 2,0 0,9

Curva 5 0,19 0,30 0,49 2,6 1,0

Curva A = 0,11 0,18 = =

Curva B 0,49 0,98 2,43 5,0 0,8

5.2 SOLOS

A curva granulométrica de um solo é obtida a partir dos resultados encontrados no ensaio de

análise granulométrica conjunta, cujo procedimento detalhado está descrito no Capítulo 15, da Parte II.

A preparação da amostra reduzida, que inclui os grãos menores que 2 mm e, que passam na

peneira 10, deve garantir que as partículas atuem,

23

individualmente, durante o ensaio e para que isso aconteça deve ser usado um defloculante capaz de

neutralizar a carga elétrica das partículas de argila.

O ensaio é iniciado com a sedimentação dos sólidos em água destilada; os grãos, sólidos

maiores que 0,075 mm, se sedimentam rapidamente formando camadas no fundo da proveta, com o

tamanho deles diminuindo de baixo para cima.

A suspensão, na qual são feitas as medidas, será formada com partículas de silte e de argila.

Em tempos pré-determinados são feitas leituras da densidade da suspensão, no centro de

volume do bulbo do densímetro e, da temperatura da suspensão; essas leituras continuam até que a

partir dos valores lidos seja possível afirmar que o diâmetro equivalente de 0,002 mm tenha sido

alcançado.

Terminada a sedimentação a suspensão é passada na peneira 200, de abertura igual a 0,075

mm, e os grãos retidos são levados para a estufa e depois de secados são separados em um ensaio de

peneiramento.

A base teórica para o cálculo do diâmetro equivalente é dada pela lei de Stokes, que afirma

que “a velocidade de queda de uma partícula esférica, de massa específica conhecida, em um meio

líquido rapidamente atinge um valor constante que é proporcional ao quadrado de seu diâmetro.”;

essa lei pode ser expressa pela fórmula v = C D2 onde v e D são, respectivamente, a velocidade de

queda e o diâmetro da esfera e C é uma constante de proporcionalidade que depende da viscosidade

dinâmica, η e da massa específica da água e da esfera, sendo igual a

com dimensão de

comprimento vezes tempo.

O diâmetro equivalente da partícula é calculado com a equação que resulta da lei de Stokes,

[

]

[5.3]

onde D é o diâmetro equivalente de uma partícula e z é a altura de queda da

partícula durante um tempo t; a altura de queda é a distância que vai do centro de volume do bulbo até

o ponto da haste onde é feita a leitura. A medida da temperatura da suspensão é necessária, pois, tanto

a massa especifica quanto a viscosidade dinâmica da água varia com ela.

A percentagem de partículas, com diâmetros equivalentes menores que o diâmetro D, equação

[5.3], é calculada com a equação,

[5.4]

onde, P(< D) é a percentagem de partículas menores que D , Ms a massa de sólidos usada no ensaio. A

leitura do densímetro na suspensão e na solução de água destilada e defloculante, respectivamente, ℓ e

ℓsol, é feita no mesmo instante t e, a temperatura T nas duas provetas deve ser a mesma; as leituras

estão na notação simplificada e a diferença delas é a leitura corrigida do densímetro, ℓc = ℓ - ℓsol. No

cálculo da percentagem a massa especifica da água pode ser considerada constante e igual a 1,000

g/cm3, pois os erros cometidos não alteram o resultado do valor percentual, de modo prático.

Os pares de valores [D, P(<D)] são colocados no gráfico onde estão os pontos obtidos com o

peneiramento e, em seguida, é traçada a curva granulométrica. Com a curva e com uma escala adotada

é possível dar um nome ao solo, como será visto no Capítulo 7.

No Apêndice D alguns pontos da sedimentação estão detalhados.

Na Figura 5.4 estão mostradas as curvas granulométricas de quatro solos, dois de São Carlos

(curvas 3 e 4) e os outros dois da região das barragens de Ilha Solteira (curva 2) e de Salto Santiago

(curva 1); as duas últimas foram retiradas de um trabalho de Cruz (1.983).

24

Figura 5.4 Curvas granulométricas de solos

5.3 EXEMPLO

A amostra reduzida de um solo, usada no ensaio de granulometria conjunta, tinha uma massa

seca Ms = 121,60 g; a massa específica dos sólidos é igual a ρs = 2,726 g/cm3.

A leitura do densímetro, realizada 8 minutos após o início do ensaio, forneceu os seguintes

valores, na notação simplificada:

na suspensão.................................................ℓ = 34,3

na solução ....................................................ℓsol = 4,4

Temperatura da suspensão e solução..............T = 21º C

Das Tabelas C.1 e D.1 dos Anexos C e D foram retirados os valores

da massa especifica e da viscosidade dinâmica da água, respectivamente,

iguais a ρw = 0,998 g/cm3 e η = 9,81 10

-4 N∙s/m

2, ambos os valores para a temperatura de T = 21º C.

Da calibração do densímetro resultou a equação da altura de queda de uma partícula em

função da leitura do densímetro e, considerando a correção devido à formação de um menisco na

haste, com z medido em centímetros e, c(m) = 0,5, resultando z = 16,36 – 0,27 [ℓ - c(m)].

Calcular o par de valores [D, P(< D)].

O diâmetro equivalente é calculado com a equação [5.3] com as grandezas colocadas em

unidades de base do Sistema Internacional,

ρs - ρw = 2,726 - 0,998 = 1,728 g/cm3 = 1.728 kg/m

3

(ρs - ρw) g = 17.280 N/m3, com g = 10 m/s

2

ℓc = ℓ - ℓsol = 34,3 – 4,4 = 29,9

z = 16,36 – 0,27 [ℓ - c(m)] = 16,36 – 0,27 x 29,9 = 7,23 cm = 7,23 10-2

m

t = 8 min = 480 s.

Substituindo os valores das grandezas na equação [5.3]

[

]

ou D = 0,012 mm.

A percentagem de partículas, menores que 0,012 mm, é calculada com a equação [5.4],

assumindo ρw = 1,000 g/cm3 e substituindo os símbolos das grandezas por seus valores, resulta,

O par de valores, diâmetro equivalente – percentagem de partículas com diâmetros menores, é

(0,012 mm; 38,8 %); colocado no gráfico é mais um ponto para o traçado da curva granulométrica.

25

PLASTICIDADE

Uma argila poderá ter características iguais às de um líquido ou de um sólido dependendo da

umidade em que se encontra e, a mudança nessas características é devido a uma perda gradual de água.

Entre essas duas condições limites o comportamento do solo vai se modificando e definindo duas

situações intermediárias. Essas quatro situações, em que o solo terá um comportamento diferente em

cada uma delas, são chamadas de estados de consistência e o teor de umidade que separa cada dois

estados são os limites de consistência.

6.1 ESTADOS DE CONSISTÊNCIA

Os estados de consistência de um solo argiloso são definidos por um intervalo do teor de

umidade no qual o solo tem um comportamento próprio.

A amostra de um solo argiloso quando no estado de consistência líquido não tem forma

própria nem resistência ao cisalhamento. Com a retirada gradual da água contida no solo, o seu

comportamento vai se modificando até que para uma dada umidade a amostra começa a adquirir forma

própria e uma pequena resistência ao cisalhamento; o solo então começa a ter um comportamento

plástico, definido como a capacidade que uma argila tem de alterar sua forma sem apresentar ruptura

nem variação volumétrica, mantida constante a umidade.

Continuando a retirada de água é alcançada uma umidade na qual o

solo começa a modificar o seu comportamento apresentando fissuras e, deixando de ser plástico e

adquirindo a aparência de um sólido; nessa condição a amostra está entrando no estado semi-sólido,

ainda, apresentando uma variação volumétrica com a redução da umidade e, permanecendo saturada.

Continuando a retirada de água da amostra é alcançada uma umidade quando o solo começa,

outra vez, a mudar seu comportamento deixando de se comportar como um material semi-sólido; a

amostra até essa umidade limite permanece saturada. Para umidades menores o solo perderá água a

volume constante e, nessa condição o solo está no estado sólido.

Os estados de consistência de uma argila são: líquido, plástico, semi-sólido e sólido e as

umidades que separam esses estados, dois a dois, são os chamados limites de consistência ou de

Atterberg e denominados de limite de liquidez, limite de plasticidade e limite de contração.

A Figura 6.1 mostra a variação do volume de um solo, inicialmente saturado, durante o

processo de retirada de água, em função da umidade. Durante esse processo o solo permanece saturado

até atingir a umidade wk e volume Vk que permanecerá constante até a secagem total da amostra. Com

isso, a variação de volume do corpo de prova, no intervalo wi – wk, é igual ao volume retirado de água

e, igual a

Figura 6.1 Variação de volume do solo com a redução da umidade

[6.1]

26

Para umidade maior ou igual a wi o solo está no estado líquido enquanto que para umidade

menor que wk o solo está no estado sólido. Dentro desse intervalo existe uma umidade wj que separa

o estado plástico

do semi-sólido.

Essas umidades quando quantificadas através de ensaios de laboratório tornam-se teores de

umidade recebendo nome e símbolo próprios:

wi = wL limite de liquidez estado líquido do plástico

wj = wP limite de plasticidade estado plástico do semi-sólido

wk = wS limite de contração estado semi-sólido do sólido

6.2 LIMITES DE CONSISTÊNCIA

Para caracterizar a mudança de comportamento entre os estados de consistência foram

utilizados, inicialmente, três limites propostos por Atterberg, em 1.911, para a classificação dos solos

suecos. A primeira proposta de padronização do procedimento dos ensaios foi elaborada por

Casagrande (1.932), que também continha o projeto do equipamento para a determinação do limite de

liquidez.

Os limites de consistência não devem ser admitidos como valores absolutos para a mudança de

estado de um solo argiloso; essa mudança acontece gradualmente dentro de um intervalo de umidade

que contém o valor do teor de umidade obtido experimentalmente.

Nos itens seguintes uma descrição sucinta dos três limites de consistência é feita deixando

para o Capítulo 16 a descrição do procedimento de cada ensaio.

6.2.1 Limite de liquidez

O ensaio de limite de liquidez, com o equipamento atualmente utilizado, teve seu início no

começo da década de 1.930 após a publicação do trabalho realizado por Casagrande (1.932), no MIT;

mais tarde, foram introduzidas alterações por Casagrande (1.958), desde a base até o cinzel, para

tornar o resultado do ensaio mais reprodutivo. No Apêndice E está descrito, de modo resumido o

trabalho de Casagrande (1.932).

A Figura 6.2 mostra uma vista frontal e um corte do aparelho Casagrande com a

indicação de cada uma de suas partes.

Figura 6.2 Aparelho Casagrande: vista frontal e corte

A Figura 6.3 mostra uma foto do aparelho Casagrande com o cinzel e o

calibrador da altura de queda da concha.

O ensaio é realizado com uma amostra do solo que passa na peneira de 0,42 mm de abertura,

(#40). Inicialmente, é preparada uma pasta com um dado teor de umidade, que em seguida é colocada

na concha e, uma ranhura é aberta no raio central da concha; a manivela é girada elevando a concha e

permitindo que ela se libere e bata na base, fazendo com que o solo, na base da ranhura, se encontre.

Nesse momento o ensaio é interrompido e uma amostra do solo é retirada para a determinação

do teor de umidade e, o primeiro par de pontos, número de golpes – teor de umidade foi obtido.

Outros pares de valores devem ser obtidos para a construção do gráfico de fluência mostrado

na Figura 6.4, onde a escala das abscissas é logarítmica.

O limite de liquidez é o teor de umidade do solo para 25 golpes, retirado da reta ajustada aos

pontos. Segundo Casagrande (1.932), o ensaio de limite de liquidez se assemelha a um ensaio de

27

cisalhamento direto com cada golpe da concha na base equivalendo a uma pressão de 0,1 kN/m2 ;

portanto, a resistência ao cisalhamento de um solo argiloso, com um teor de umidade igual ao limite

de liquidez é da, ordem de, 2,5 kN/m2, valor esse da mesma ordem de grandeza encontrado por

Norman (1.958).

Figura 6.3 Aparelho Casagrande

A equação da reta de fluência, ajustada pelo método dos mínimos quadrados, é da forma w =

A + B log N.

Figura 6.4 Gráfico de fluência 6.2.2 Limite de plasticidade

O ensaio do limite de plasticidade é realizado com a mesma amostra reduzida usada no

ensaio de limite de liquidez; os dois ensaios, embora

padronizados em normas diferentes no Brasil, praticamente, constituem um único ensaio porque o

resultado de apenas um dos dois não tem utilidade.

O equipamento, de uso específico do ensaio, é constituído por uma placa de vidro com uma

das faces esmerilhada e, por um cilindro metálico, com 3 mm de diâmetro, que é usado como elemento

comparador, mostrados na Figura 6.5.

A amostra é rolada sobre a face esmerilhada da placa até que duas condições sejam,

simultaneamente, alcançadas: o cilindro formado tenha o diâmetro igual ao do cilindro comparador e o

aparecimento de fissuras o que caracteriza a passagem do estado de consistência plástico para o semi-

sólido.

28

O teor de umidade determinado com uma amostra retirada da região fissurada mede o limite

de plasticidade do solo.

Quando as fissuras aparecem com o diâmetro do cilindro de solo maior que o do elemento

comparador significa que o solo já se encontra no estado semi-sólido e, não no limite entre os dois

estados, e precisa ser acrescentado água a amostra; em caso contrário, a amostra está muito úmida e no

estado plástico e precisa ser secada para que o teor de umidade limite seja alcançado.

Figura 6.5 Placa e gabarito: ensaio de limite de plasticidade

6.2.3 Limite de contração

O limite de contração de um solo é o teor de umidade que separa o estado semi-sólido do

estado sólido.

Na Figura 6.6 está mostrada a relação entre a massa e o volume de um corpo de prova argiloso

e saturado quando é permitida uma perda de umidade; a velocidade de perda de água deve ser pequena

para que o corpo de prova não apresente trincas no final do processo.

Figura 6.6 Relação entre a variação da massa e volume do corpo de prova

No inicio do processo de secagem a perda de massa, ΔM = Mo – Mi,

é numericamente igual a perda de volume, ΔV = Vo – Vi. Essa igualdade permanecerá até que a

massa do corpo de prova atinja seu valor Mk, quando a linha inclinada de 45o passa a ser horizontal; a

partir de Mk qualquer perda de massa é a volume, Vf, constante, até que a condição de solo seco seja

alcançada e a massa do corpo de prova é igual à massa dos sólidos, Ms.

O teor de umidade do corpo de prova no ponto A, que representa o momento da passagem do

estado semi-sólido para o sólido, é o limite de contração do solo e, igual a, wS = wo – Δw, onde,

e

[6.2]

Na prática as retas não se encontram no ponto A e, nessa região existe um trecho curvo

concordando as duas retas e o ponto A se encontra sempre dentro desse trecho curvo.

29

Na Figura 6.7 está mostrada a pastilha, após a secagem em estufa com massa Ms e, com uma

redução de volume igual a ΔV = Vo – Vf.

Figura 6.7 Pastilha após secagem em estufa

Na Figura 6.8 estão mostradas as três situações que o corpo de prova passa durante o ensaio:

no esquema, à esquerda está representado o corpo de prova em sua condição inicial quando são

conhecidos a massa, o volume e o teor de umidade wo que dá ao solo um estado de consistência

líquido. A amostra vai perdendo umidade lentamente e, ao mesmo tempo ocorre a variação

volumétrica igual ao volume de água retirado, com isso, mantendo o corpo de prova saturado. O

esquema central da Figura 6.7 mostra a condição do solo no ponto A. Em seguida, o solo perde água

até secar, mas, o volume permanece constante, como mostrado no esquema, à direita, da Figura 6.8.

Figura 6.8 Esquema para a definição do limite de contração

O teor de umidade do corpo de prova, representado pelo esquema central da Figura 6.7, define

o limite de contração do solo; o valor do limite de contração depende do volume de água necessário

para o preenchimento dos vazios do corpo de prova e pode ser calculado com a equação,

[6.3]

que é igual a equação [6.2].

6.2.4 Índices

A partir dos valores dos limites de liquidez e de plasticidade foram definidos três índices: o de

plasticidade, o de consistência e o de liquidez.

O índice de plasticidade, IP, mede o intervalo de variação do teor de umidade no qual o solo se

encontra no estado de consistência plástico e, é igual a,

[6.4]

O índice de plasticidade é usado em um dos sistemas de classificação dos solos.

O índice de consistência, IC, é a relação entre a diferença do limite de liquidez e o teor de

umidade atual do solo e o índice de plasticidade; é calculado com a equação,

[6.5]

O índice de liquidez, IL, é a relação entre a diferença do teor de umidade atual do solo e o seu

limite de plasticidade e o índice de plasticidade; é calculado com a equação,

[6.6]

Para os dois últimos índices é admitido que o teor de umidade atual do solo está entre o limite

de liquidez e o de plasticidade; ambos têm uma pequena aplicação na prática geotécnica.

30

6.3 ATIVIDADE COLOIDAL

O tipo e a quantidade do argilo-mineral existente no solo tem influência nas suas

características e os limites de consistência refletem a importância desses fatores. Para estimar a

influência desses fatores Skempton (1.953) propôs a utilização de um parâmetro, denominado

atividade coloidal, AC, definido como a relação entre o índice de plasticidade e a percentagem de

partículas menores que 0,002 mm,

[6.7]

e, também, uma escala de classificação das argilas, mostrada na Tabela 6.1.

Tabela 6.1 Classificação das argilas segundo a atividade coloidal Atividade Coloidal - AC Classificação

< 0,75 Argilas não ativas

0,75 - 1,25 Argilas normais

> 1,25 Argilas ativas

Segundo Vargas (1.978) as argilas orgânicas de Santos estão classificadas como argilas

ativas, enquanto que, as argilas terciárias da

cidade de São Paulo apresentam uma atividade normal.

6.4 EXEMPLO

Ensaios de caracterização de um solo apresentaram os seguintes resultados:

wL = 35% wP = 19% P(<0,075) = 30% ρs = 2,647 g/cm3 .

Para a determinação do limite de contração foi preparada uma amostra com um teor de

umidade de moldagem do corpo de prova wo = 37,8%; após secagem total do corpo de prova

foi determinado valor da massa de sólidos, Ms = 13,77 g e da deformação volumétrica específica igual

a εv = 36,5%. Na Figura 6.8 estão mostrados os valores das massas das fases nas duas condições:

inicial e após secagem.

Figura 6.8 Esquema inicial e final do corpo de prova

Calcular o valor do limite de contração e classificar a fração argilosa do solo segundo a

atividade coloidal.

Vo = Vs +Vwo = 10,41 cm3

Mwo = Vwo = 5,21 cm3

31

mas, ΔVs = 0 e

ΔVv = 3,80 cm3

.

O volume final do corpo de prova, Vf = 6,61 cm3 dos quais 5,20 cm3 é o volume de sólidos e,

portanto, resta 1,41 cm3 de ar.

O limite de contração é o teor de umidade calculado com a massa de água necessária para

preencher o volume de vazios do corpo de prova; então,

77,13

41,1

s

ws

M

Mw

ou ws = 10,2%.

Classificação da fração argilosa quanto a atividade coloidal

AC = 0,53 argila não ativa.

32

SISTEMAS DE CLASSIFICAÇÃO

A elaboração de um sistema de classificação dos solos deve partir do conhecimento qualitativo e

quantitativo existentes em um dado instante e ir acumulando mais informações e corrigindo eventuais

distorções, até que em um mesmo grupo possam estar colocados solos com características naturais

semelhantes.

Na Figura 3.8 está mostrada uma divisão dos solos em dois grandes grupos, quatro grupos e oito

subgrupos com base, apenas, na granulometria que é uma característica natural dos solos.

Os subgrupos de cada grupo contêm: no primeiro. o tamanho dos sólidos está dentro de,

apenas, um grupo e o solo tem uma granulometria pura; na segunda, o tamanho dos sólidos está dentro

de dois ou mais grupos.

No desenvolvimento de um sistema se deve ter o cuidado para que o volume de informações

requerido do usuário seja de fácil memorização, para que se torne prático. Estas informações poderão

ser obtidas, inicialmente com os testes de identificação tátil-visual e, em seguida com os ensaios de

caracterização que fornecerão os dados para o conhecimento qualitativo e

quantitativo, respectivamente.

Existem diversos sistemas de classificação com um objetivo geral e outros de aplicação

específica a um problema da engenharia geotécnica. Entre os sistemas de classificação geral quatro

deles serão descritos.

Com o avanço no estudo e na utilização dos solos tropicais foi sentida a necessidade de se

elaborar um sistema de classificação específico desses solos, que está, também, descrito.

7.1 GEOLÓGICO

Assim que a ação do intemperismo se faz manifestar sobre uma rocha gerando os fragmentos

e, em seguida os sedimentos, poderão estes permanecer no local de origem ou serem transportados

para outros locais, pelos agentes da natureza; na Figura 3.2 está esquematizado o processo de

formação dos solos. A classificação geológica procura reconhecer, a partir de informações qualitativas

e de observações de campo, a classe de solo (residual ou transportado) que está sendo investigado.

Se os sedimentos permanecerem no local de origem, o solo que resulta da atuação dos

processos de alteração é denominado de solo residual; dependendo do tempo de atuação desses

processos o solo poderá ser encontrado em diferentes estágios de evolução, podendo ir desde um

residual maduro ao residual jovem (solo saprolítico ou saprólito).

Os solos residuais maduros são encontrados mais próximos à superfície do maciço e não

mostram vestígios da estrutura da rocha de origem.

Os solos residuais jovens são encontrados a profundidades maiores, acima da rocha alterada e,

mostram ainda as feições estruturais da rocha de origem; blocos de rocha, com tamanhos diversos e

envolvidos pelo solo saprolítico, podem impedir a penetração das ferramentas usadas para a

investigação e, com isso, induzir o operador a uma interpretação errada do perfil admitindo ter

encontrado o manto rochoso. A sua composição aumenta a dificuldade de se estimar o comportamento

do solo, sob a pressão exercida por uma estrutura e, também, os danos que poderá causar a ela.

Em regiões de clima tropical onde predomina o intemperismo químico, a espessura das

camadas é da ordem de dezenas de metros, enquanto que, em regiões de clima temperado ela é de

alguns metros apenas.

Os sedimentos poderão ser transportados para outros locais onde serão depositados e após a

atuação dos processos de alteração formam os solos de sedimentos transportados ou somente solos

transportados. Durante esse transporte poderá ocorrer que sedimentos oriundos de diferentes fontes

sejam agregados o que, no futuro, poderá dificultar a identificação da fonte principal dos sedimentos.

Os agentes de transporte mais comuns são a gravidade, a água, as

geleiras e os ventos, cada um deles transportando sedimentos com tamanhos

e distâncias diferentes, com isso, propiciando a formação de solos com características, também,

diferentes.

Os sedimentos formados em locais mais elevados poderão ser movimentados ao longo das

encostas pela ação da gravidade e depositados em local de cota mais baixa. Esses sedimentos têm os

seus tamanhos variando desde matacões até fração argila, com os maiores mantendo a forma original

33

devido a pequena distância de transporte; o solo formado sob essas condições é chamado de

coluvionar.

Quando o agente de transporte é uma geleira, os sedimentos contidos no interior da massa de

gelo manterão a forma e a dimensão inicial enquanto que aqueles que se encontram no plano de

deslizamento terão uma face polida. Após o degelo os sedimentos transportados, que podem ir desde

matacões até partículas de dimensão argila, serão depositados e formarão um solo bem graduado e

denominado solo glacial. Como exemplo desse tipo de solo no Brasil tem-se na região de Itu, no

Estado de São Paulo, onde se encontra o Parque dos Varvitos.

Se o meio de transporte é a água ocorre, ao longo do curso, uma separação natural dos

sedimentos com os de dimensões maiores percorrendo distâncias menores; este tipo de transporte

permite que mesmo os sedimentos de dimensões iniciais maiores possam ser rolados por uma distância

capaz de provocar alteração na forma e no tamanho inicial, devido a abrasão ocorrida durante a

movimentação, gerando grãos arredondados, como os seixos rolados ou pedregulhos de rio. Na Figura

7.1 estão mostrados pedregulhos recolhidos no Rio Mogi-Guaçú, próximo a São Carlos. Os solos

formados, após o transporte, são denominados de aluvionares e têm características granulométricas

diferentes dependendo da distância de transporte; como exemplo, pode-se citar que solos formados na

foz de um rio, junto ao mar, lago ou outro rio são sempre argilosos.

60-20 mm 20-6 mm 6-2 mm

Figura 7.1 Pedregulhos com diferentes tamanhos

Os sedimentos transportados pelo vento sofrem uma separação natural por tamanho dos grãos,

com os maiores sendo transportados por distâncias menores; devido a isso esses solos, denominados

eólicos, são mal graduados, têm massa específica seca pequena e são estruturalmente instáveis. Devido

às suas características estruturais os solos eólicos apresentam comportamentos peculiares, como

apresentar taludes verticais estáveis, serem pouco compressíveis e capazes de suportar pequenas

cargas quando mantida constante a umidade “in situ”, mas apresentam colapso, às vezes, de grandes

proporções quando inundados; o loesse é o solo mais representativo deste grupo e pode ser encontrado

em várias partes do mundo.

Durante o processo de transporte dos sedimentos, por qualquer um dos agentes, haverá sempre

a possibilidade de sedimentos de diferentes origens, inclusive orgânicos, participarem da formação do

solo.

Esse é um sistema de classificação qualitativa, não apresentando valores numéricos para as

características dos solos. É um sistema mais afeito a geólogos que a engenheiros que, no entanto, não

podem desconhecê-lo.

Para uma complementação do assunto sobre a classificação geológica podem ser consultados

os trabalhos de Pastore e Fontes (1.998) e Vaz (1.996).

7.2 PEDOLÓGICO

A pedologia é o ramo da ciência que considera o solo como uma parte natural da paisagem e

tem seu interesse concentrado no estudo da origem, da evolução e da classificação dos solos.

Pedologia é uma palavra de origem grega, onde “pedon” significa terra ou solo; Lepsch (1.977)

define solo como “... um objeto completo, que teve sua formação iniciada a partir de uma rocha que se

desagregou mecanicamente e se decompôs quimicamente até formar um material solto, que com o

passar do tempo aprofundou-se e veio a sustentar as plantas.”. Essa definição de solo não satisfaz à

geotecnia porque o pedólogo só se interessa pela camada onde possam crescer raízes de plantas

perenes, que nem sempre será aproveitado como material de construção ou como suporte de uma

estrutura pelo engenheiro civil.

34

Após a intemperização da rocha ou o transporte e deposição dos sedimentos, com a ação dos

agentes biológicos, físicos e químicos, o solo começa a se formar e a sofrer transformações e a se

organizar em horizontes, de aspectos e condições diferentes e aproximadamente paralelos à superfície

do terreno. O perfil de um solo bem desenvolvido possui quatro horizontes convencionalmente

identificados pelas letras O, A, B e C como mostrado na Figura 7.2.

O horizonte O é formado com material vegetal, cobrindo a parte superficial do solo mineral,

de pequena espessura e existindo apenas em locais com muita vegetação. É um material sem valor

para a engenharia devendo sempre ser removido, antes do início de qualquer obra.

O horizonte A é o solo mineral mais próximo da superfície, tendo como principal característica

matéria orgânica em decomposição, sendo o fornecedor dos sólidos carreados pela água para os

horizontes inferiores. É um solo muito poroso, de alta compressibilidade não devendo ser aproveitado

como material de construção nem como elemento de suporte, mesmo de pequenas obras; o solo

apresenta uma cor escura.

O horizonte B, é o receptor dos sólidos carreados do horizonte A e apresenta um

desenvolvimento máximo de cor e estrutura; por ser mais denso e com menos matéria orgânica, poderá

ser utilizado como fundação de

de pequenas estruturas e como material de construção.

Os horizontes O, A, B podem ser subdivididos, para indicar diferentes graus de alteração e a

passagem de um horizonte para o vizinho é gradual, havendo alteração tanto na cor quanto na

quantidade de matéria orgânica.

Figura 7.2 Perfil pedológico do solo (Lepsch, 1.977)

O horizonte C é a zona de transição para a rocha, não tendo sido alcançado pelos agentes de

alteração (biológicos, físicos e químicos) dos horizontes superiores, mantendo assim características

próximas da sua origem geológica. O solo desse horizonte é aquele usado tanto como empréstimo

quanto como fundação. Abaixo do horizonte C se encontra a rocha, algumas vezes indicada pela letra

R.

O pedólogo considera o conjunto dos horizontes O, A, B como o seu solo, enquanto do ponto

de vista da engenharia civil, solo é o conjunto dos horizontes B e C.

Segundo Lepsch (1.977) existem diferentes sistemas de classificação pedológica dos solos; no

Brasil, o sistema usado é uma adaptação, às condições brasileiras, da Classificação Americana de

1.949 e que distribui os solos em três ordens: zonais, azonais e intrazonais.

Os solos zonais possuem características que refletem a influência do clima e dos organismos

vegetais na sua formação; são solos bem desenvolvidos (maduros), pois houve tempo suficiente para

que o estado de equilíbrio final com a natureza fosse atingido, profundos e com os horizontes A, B e C

bem diferenciados, características estas que são mais bem desenvolvidas em regiões altas com taludes

suaves e boa drenagem.

Os solos intrazonais têm características que refletem o domínio do relevo ou do material de

origem em sua formação, em lugar do clima ou organismos. Podem ser formados em locais de

topografia suave com clima úmido e nível d'água próximo à superfície ou em regiões áridas ou

próximas do mar resultando uma concentração de sais solúveis; alguns solos do grupo apresentam um

alto teor de montmorilonita, com comportamento não desejado na engenharia geotécnica.

Os solos azonais, devido ao pouco tempo de sua formação, à natureza do relevo e do material

original que impediram o desenvolvimento de características típicas do clima onde ocorreram e, por

35

isso, são pouco desenvolvidos (jovens); não possuem o horizonte B, com o horizonte A pouco espesso,

apoiado sobre o horizonte C ou rocha.

No trabalho de Salomão e Antunes (1998) pode ser encontrado mais detalhe desse sistema de

classificação, que é muito usado em agronomia, mas, ainda pouco na engenharia civil, embora possa

ser de muita utilidade na fase de reconhecimento em um programa de investigação do subsolo para

uma obra de grande porte.

7.3 GRANULOMÉTRICO

A classificação granulométrica está apoiada no conhecimento da curva granulométrica e, em

uma escala que define o tamanho dos sólidos que separam os quatro grupos de solos.

Existem diferentes escalas sendo usadas e nenhuma é universal, mas, as diferenças entre elas

não alteram, sensivelmente, o nome a ser dado ao solo. Na Tabela 7.1 estão mostrados os tamanhos

dos sólidos, que definem os intervalos para cada grupo e, para as duas escalas granulométricas mais

usadas.

O grupo dos pedregulhos foi dividido em três subgrupos na escala 1 e, em dois na escala 2,

enquanto que, o grupo das areias foi dividido em três subgrupos, em ambas as escalas.

Os valores padronizados como limites de separação, dos grupos e de

suas frações, para a escala 1, são fáceis de serem memorizados, pois, são utilizados, somente, os

números 2 e 6; quando colocados na escala logarítmica da folha de desenho os pontos limites definem

intervalos de comprimentos iguais o que traz uma vantagem na classificação. No entanto, nos limites

adotados para a fração grossa de um solo (pedregulhos e areias) somente dois deles, 2,0 e 0,6 mm, são

iguais às aberturas das peneiras #10 e 30, enquanto para os outros limites não existem peneiras com

essas aberturas e as que mais se aproximam desses valores são: a de 63,5; 19,1; 6,35; 0,21 (#70) e

0,062 (#230) mm. A escala 2 utiliza para os limites números mais difíceis de serem memorizados,

mas, correspondem às aberturas de peneiras muito usadas no laboratório e de fácil memorização e,

define a # 200 como o limite entre a fração grossa e a fina de um solo.

Para a classificação granulométrica de um solo deve-se retirar da curva as percentagens de

ocorrência de cada um dos grupos; aquele com o maior valor percentual dá o nome ao solo, enquanto

o grupo com valor percentual imediatamente abaixo complementa o nome do solo. Se o grupo

predominante for pedregulho ou areia as percentagens de cada fração devem ser obtidas e a maior ou

as duas maiores são incluídas no nome do solo.

Tabela 7.1 Escala granulométrica

Intervalo de tamanho dos sólidos em cada grupo

Escala 1 Escala 2

Grupo Fração mm Peneiras Fração mm Peneiras

Pedregulho 2 a 60 4,8 a 75,0

Fino 2 a 6 Fino 4,8 a 19,0

Médio 6 a 20

Grosso 20 a 60 Grosso 19,0 a 75,0

Areia 0,06 a 2 230 – 10 0,075 a 4,80 200 – 4

Fina 0,06 a 0,20 230 – 70 Fina 0,075 a 0,42 200 – 40

Média 0,20 a 0,60 70 – 30 Média 0,42 a 2,00 40 – 10

Grossa 0,60 a 2,00 30 – 10 Grossa 2,00 a 4,80 10 – 4

Silte 0,002 a 0,06 0,002 a 0,075

Argila < 0,002 < 0,002

Se o segundo e a terceiro grupos se equivalem percentualmente ambos devem participar do

nome do solo, com a de maior valor percentual sendo citado antes, como mostrado nos exemplos no

final do capítulo. A informação da existência de pedregulho, mesmo em percentagem pequena, é

sempre conveniente que seja feita.

A Figura 7.3 mostra a curva granulométrica de um material granular.

36

Para a classificação do solo, adotando a escala 1 da Tabela 7.1, as percentagens de cada um

dos grupos e de suas frações foram retiradas da curva resultando os valores:

Figura 7.3 Curva granulométrica de um material granular

Grupo Subgrupo Percentagem

Pedregulho 18

Fino 18

Areia 80

Grossa 37

Média 26

Fina 17

Finos 2

O solo é um material granular, Pp(#200) < 5 e pode ser descrito como uma areia grossa e

média pedregulhenta, com um diâmetro efetivo igual a 0,13 mm e grãos menores que 6,8 mm.

Embora não faça parte da classificação granulométrica a cor do solo, quando úmido, é outra

informação muito útil e que às vezes acompanha o nome dado ao solo; uma coloração mais escura

indica origem orgânica do solo, enquanto cores claras são características de solos inorgânicos. As

cores podem ser obtidas em tabelas ou usando as mais tradicionais: preta, marrom, vermelha, cinza,

amarela, branco, roxo, azul e verde com a indicação também da tonalidade clara ou escura. Ao se

definir a cor deve-se procurar aquela que seja predominante ou usar no máximo, as duas cores que se

salientam; para indicar que o solo não tem uma cor predominante usa-se o termo variegado.

7.4 UNIFICADO - SUCS

No início da década de 1.940 o Professor Arthur Casagrande propôs

um sistema de classificação dos solos para ser utilizado na escolha de locais para a construção de

aeroportos. Os solos foram divididos em três grandes grupos: solos grossos, solos finos e solos

altamente orgânicos. Para a classificação foram utilizadas as características granulométricas para os

solos grossos, os limites de consistência para os solos finos e as características visuais e táteis para os

solos orgânicos. Os solos grossos e os finos foram divididos em grupos e estes em classes; as classes

reuniam diversos tipos de solos com características semelhantes e a cada um deles foi atribuído um

símbolo formado por duas letras.

A partir de 1.952, o sistema de classificação de Casagrande se tornou conhecido como Sistema

Unificado de Classificação dos Solos (SUCS) e, com a utilização intensa nos Estados Unidos

começaram a serem apontados alguns pontos que precisavam ter uma melhor definição, o que veio a

ocorrer eem 1.983, com a versão atual da norma da American Society for Testing and Materials

(ASTM).

Segundo Howard (1.984) a estrutura do sistema de Casagrande foi mantida na norma atual

com algumas alterações e revisões que se tornaram necessárias para que resultasse um sistema de

classificação mais consistente. As alterações mais significativas foram:

37

o solo passou a ter um nome e um símbolo;

o sistema padronizou 108 tipos de solos;

o significado dos termos, solo orgânico e inorgânico, foi tomado com base nos valores dos limites

de liquidez obtidos em condições diferentes.

7.4.1 Estrutura

A Figura 7.4 mostra os passos que devem ser seguidos para a classificação de um solo, com

sólidos menores que 75 mm.

Na segunda linha dessa Figura estão mostrados os três grandes grupos em que os solos foram

divididos: solos grossos, solos finos e solos altamente orgânicos. A definição se um solo é grosso ou

fino depende do valor da Pp (#200), enquanto que, a definição se um solo é altamente orgânico é

função das características peculiares desse tipo de solo, como cor, odor e presença de matéria

orgânica.

Na terceira linha estão mostrados os quatro grupos: os pedregulhos e as areias definidas em

função de suas percentagens de ocorrência e, os siltes e as argilas definidas em função do valor do

limite de liquidez: menor e maior ou igual a 50%.

Na quarta linha estão mostrados seis subgrupos: quatro deles são gerados dos grupos grossos

dos pedregulhos e das areias; os dois subgrupos gerados dos solos finos apresentam diferença quanto a

origem, orgânica ou inorgânica do solo.

Na quinta linha estão mostradas as características naturais predominantes de cada grupo:

granulometria, para areias e pedregulhos e, plasticidade, para siltes e argilas, tanto orgânicas quanto

inorgânicas.

Na última linha estão mostradas quinze classes de solos: oito delas geradas a partir de um solo

grosso, seis de um solo fino e uma dos solos altamente orgânicos. Para a definição das classes GM,

GC, SM e SC, além da granulometria, característica natural predominante dos solos grossos, é,

também, levada em consideração a plasticidade, característica natural da fração fina do solo. As

classes OH e OL podem estar tanto no grupo de solos com wL < 50 %, quanto no grupo de solos com

wL ≥ 50%.

Em cada classe existem diferentes tipos de solos, o que levou o SUCS a classificar 108 tipos,

segundo as regras mostradas nos itens seguintes.

símbolos e nomes das classes

Os símbolos usados na classificação de Casagrande foram mantidos no Sistema Unificado.

Cada símbolo é composto por duas letras: para os solos grossos a primeira letra indica o nome do

grupo e a segunda uma qualidade do solo que está relacionada à característica natural predominante

ou, com a não predominante. Para os solos finos a primeira letra indica se o solo é um silte ou uma

argila e, ainda, se é orgânico; a segunda letra indica uma qualidade do solo referente a característica

natural predominante desses solos. As letras usadas nos símbolos são iniciais das palavras, em inglês,

com duas exceções: para os siltes foi usada a inicial da palavra sueca que significa pó e para os solos

altamente orgânicos uma abreviatura da palavra turfa, em inglês.

Figura 7.4 Divisão dos solos em classes

38

Em cada classe existem diferentes tipos de solos, o que levou o SUCS a classificar 108 tipos,

segundo as regras mostradas nos itens seguintes.

símbolos e nomes das classes

Os símbolos usados na classificação de Casagrande foram mantidos no Sistema Unificado.

Cada símbolo é composto por duas letras: para os solos grossos a primeira letra indica o nome do

grupo e a segunda uma qualidade do solo que está relacionada à característica natural predominante

ou, com a não predominante. Para os solos finos a primeira letra indica se o solo é um silte ou uma

argila e, ainda, se é orgânico; a segunda letra indica uma qualidade do solo referente a característica

natural predominante desses solos. As letras usadas nos símbolos são iniciais das palavras, em inglês,

com duas exceções: para os siltes foi usada a inicial da palavra sueca que significa pó e para os solos

altamente orgânicos uma abreviatura da palavra turfa, em inglês.

Na Tabela 7.2 estão mostradas as letras usadas nos símbolos que identificam cada grupo e as

que indicam uma qualidade.

Tabela 7.2 Símbolos do Sistema Unificado

Nome Qualidade

Grupo Símbolo Solo Símbolo

Pedregulho G Mal graduado P

Areia S Bem graduado W

Silte M Baixa plasticidade L

Argila C Alta plasticidade H

Orgânico O

Altamente orgânico PT

Na Tabela 7.3 estão relacionados os símbolos e os nomes das quinze classes mostradas na

Figura 7.4.

Tabela 7.3 Símbolos e nomes das classes de solos

Símbolo Nome Símbolo Nome

GW Pedregulho bem graduado OL Argila(silte) orgânica(o)

GP Pedregulho mal graduado OH Argila(silte) orgânica(o)

GM Pedregulho siltoso ML Silte

GC Pedregulho argiloso MH Silte elástico

SW Areia bem graduada CL Argila de baixa plasticidade

SP Areia mal graduada CH Argila de alta plasticidade

SM Areia siltosa

SC Areia argilosa PT Turfa

classes com símbolos duplos

A regra geral é cada classe ter um nome associado a um símbolo composto de duas letras, mas,

existem classes de solos que recebem o nome e um símbolo duplo, composto de dois pares de letras. 7.4.2 Solos grossos

Na Figura 7.4 estão mostradas as oito classes de solos grossos, que foram definidas em função

da Pp(#200): menor que 5% e maior que 12% sendo que para esta última a plasticidade dos finos é,

também, considerada.

Quando a Pp(#200) está entre 5 e 12% outras classes foram criadas e designadas com um

símbolo duplo; a plasticidade dos finos é, também, considerada.

39

Como a granulometria é a característica predominante na classificação de um solo grosso foi

definida uma escala granulométrica para a separação dos pedregulhos e das areias, que está mostrada

na Tabela 7.4.

Quando a percentagem que passa na peneira 200 é menor que 5 a plasticidade dos não é levada

em consideração.

Tabela 7.4 Subdivisão dos pedregulhos e das areias

D mm D mm #

Pedregulhos 4,8 D 75 Areias 0,075 D 4,8 200 – 4

Grossos 19 D 75 Grossa 2,0 D 4,8 10 – 4

Média 0,42 D 2,0 40 – 10

finos 4,8 D 19 Fina 0,075 D 0,42 200 - 40

Embora a subdivisão não seja usada para dar um nome ao tipo de solo é uma informação que

deve ser passada quando da descrição mais completa do solo.

percentagem que passa na peneira 200 é menor que 5%

O solo, nesta condição, é um material granular, não plástico e os nomes são dados, apenas, em

função das características granulométricas. Na classificação é preciso determinar a graduação do

pedregulho ou da areia, através dos valores dos coeficientes de uniformidade e de curvatura e,

compará-los com os mostrados na Tabela 7.5

Tabela 7.5 Coeficientes de uniformidade e de curvatura

Solo Coeficiente de Graduação

Uniformidade Curvatura

Pedregulho CU ≥ 4 1 CC 3 Bem graduado

CU < 4 e / ou 3 < CC < 1 Mal graduado

Areia CU 6 1 CC 3 Bem graduada

CU < 6 e / ou 3 < CC < 1 Mal graduada

percentagem que passa na peneira 200 está entre 5 e 12%

Nesta condição, para a classificação do solo grosso, a plasticidade dos finos deve ser

considerada e, definida através do gráfico da plasticidade mostrado na Figura 7.5.

Na classificação cada tipo de solo recebe um símbolo duplo, com o primeiro (GW, GP, SW,

SP) indicando a classe do solo grosso e a segunda letra do segundo símbolo (GC, GM, SC, SM)

indicando que os finos são argilosos ou siltosos.

Os finos podem ter ainda um símbolo duplo, CL-ML, desde que o ponto caia na área

escurecida no gráfico da plasticidade; neste caso, a segunda letra do segundo símbolo é sempre C.

percentagem que passa na peneira 200 é maior que 12%

A classificação segue o descrito no item anterior sem a necessidade de se calcular os

coeficientes de uniformidade e curvatura; como o que passa na peneira 200 é maior que 12 % nem

sempre é possível calcular esses coeficientes.

classificação

A Tabela 7.6 mostra a classificação dos solos grossos quando a percentagem do grupo grosso

não predominante (areia para os pedregulhos e pedregulhos para areias) é menor que 15 e maior ou

igual a 15; no primeiro caso, o nome do grupo grosso não predominante não tem participação no

nome do solo, enquanto que no segundo caso ele participa com o termo, arenoso ou pedregulhento,

conforme o grupo predominante.

40

Quando a percentagem que passa na peneira 200 está entre 5 e 12 e, a classificação dos finos

no gráfico de plasticidade tem, apenas, um símbolo, ao nome do solo é acrescentado o termo “com

silte” ou “com argila”; quando os finos do solo apresentam um símbolo duplo o termo a ser

acrescentado é sempre “com argila-siltosa”.

Quando a percentagem que passa na peneira 200 é maior que 12 e, a classificação dos finos

no gráfico de plasticidade mostra, apenas, um símbolo é acrescentado ao nome do solo o termo

“siltoso/siltosa” ou “argiloso/argilosa”, para pedregulhos e areias, respectivamente; quando os finos do

solo apresentam um símbolo duplo o termo a ser acrescentado é sempre “com argila-siltosa”.

Com essas restrições o número de tipos de solos grossos é igual a 44.

7.4.3 Solos finos

A característica natural predominante na classificação dos solos finos é a plasticidade; ela,

também, é usada para definir a origem orgânica ou inorgânica dos solos.

A granulometria da fração grossa é levada em consideração para a definição dos tipos de

solos.

argila

Argila é um solo fino ou a fração fina de um solo grosso que apresenta plasticidade dentro de

um intervalo de umidade. Para ser classificado como argila, o ponto representativo da plasticidade do

solo deve estar sobre ou acima da linha A, no gráfico da plasticidade. Na identificação do solo um

torrão secado ao ar apresenta uma considerável resistência à compressão.

silte

Silte é um solo fino ou a fração fina de um solo grosso com baixa plasticidade ou não plástico.

Para ser classificado como silte o ponto no gráfico da plasticidade deve estar abaixo da linha A. Na

identificação do solo um torrão, secado ao ar, apresenta pequena ou nenhuma resistência à

compressão.

Tabela 7.6 Classificação dos solos grossos

Pp(#200) Graduação Finos Símbolo Nome Nome

P(S) ou P(G) < 15 P(S) ou P(G) ≥ 15

< 5 W ou P = GW Pedregulho bem graduado Pedregulho arenoso bem graduado

SW Areia bem graduada Areia pedregulhenta bem graduada

= GP Pedregulho mal graduado Pedregulho arenoso mal graduado

SP Areia mal graduada Areia pedregulhenta mal graduada

5 a 12 W ou P ML GW-GM Pedregulho bem graduado com silte Pedregulho arenoso bem graduado com silte

ou GP-GM Pedregulho mal graduado com silte Pedregulho arenoso mal graduado com silte

MH SW-SM Areia bem graduada com silte Areia pedregulhenta bem graduada com silte

SP-SM Areia mal graduada com silte Areia pedregulhenta mal graduada com silte

CL GW-GC Pedregulho bem graduado com argila Pedregulho arenoso bem graduado com argila

ou GP-GC Pedregulho mal graduado com argila Pedregulho arenoso mal graduado com argila

CH SW-SC Areia bem graduada com argila Areia pedregulhenta bem graduada com argila

SP-SC Areia mal graduada com argila Areia pedregulhenta mal graduada com argila

CL-ML GW-GC Pedregulho bem graduado com argila-

siltosa

Pedregulho arenoso bem graduado com argila-

siltosa

GP-GC Pedregulho mal graduado com argila-

siltosa

Pedregulho arenoso mal graduado com argila-

siltosa

SW-SC Areia bem graduada com argila-siltosa Areia pedregulhenta bem graduada com argila-

siltosa

SP-SC Areia mal graduada com argila-siltosa Areia pedregulhenta mal graduada com argila-

siltosa

> 12 = ML ou GM Pedregulho siltoso Pedregulho areno-siltoso

MH SM Areia siltosa Areia pedregulhenta siltosa

41

CL ou GC Pedregulho argiloso Pedregulho areno-argiloso

CH SC Areia argilosa Areia pedregulhenta argilosa

CL-ML GC-GM Pedregulho com argila-siltosa Pedregulho arenoso com argila-siltosa

SG-SM Areia com argila-siltosa Areia pedregulhenta com argila-siltosa

origem orgânica ou inorgânica

A definição da origem de um solo fino é através do resultado de dois ensaios de limite de

liquidez de Casagrande: um com o solo, inicialmente, secado em estufa e, o outro seguindo o

procedimento da norma da ASTM. O solo é considerado orgânico quando o limite de liquidez da

amostra secada em estufa é inferior a 0,75 do valor obtido com o ensaio padronizado.

gráfico da plasticidade

O gráfico da plasticidade foi construído com os resultados dos ensaios de limites de

consistência de solos de diferentes locais e origem e, tem como abscissa o limite de liquidez e como

ordenada o índice de plasticidade.

A Figura 7.5 mostra o gráfico da plasticidade em sua forma atual, com as quatro linhas que o

divide em cinco regiões.

Figura 7.5 Gráfico da plasticidade

Uma rápida descrição dessas linhas é feita a seguir:

linha de 45º, passando pela origem é o limite teórico da parte do quadrante possível de ser usada, pois,

não se pode ter um índice de plasticidade maior que o limite de liquidez;

linha U, é o limite experimental superior da plasticidade do solo; segundo Howard (1.984) a linha U

foi definida em função dos resultados obtidos pelo United States Bureau of Reclamation quando foi

encontrado, apenas, um valor do limite de liquidez igual a 16 % e nenhum menor. A linha U é

quebrada com início vertical para wL = 16 % e IP ≤ 7 e, depois, torna-se inclinada com equação igual a

IP = 0,9 (wL – 8). Quando o resultado de um ensaio mostrar um ponto acima dessa linha é

recomendado que outro ensaio seja realizado para conferir o resultado anterior;

linha A, é a que divide a região experimental nas quatro regiões onde estão situados os pontos

representativos dos solos argilosos e dos siltosos; pontos sobre ou acima da linha A representam solos

argilosos, enquanto, pontos abaixo dela são de solos siltosos, tanto orgânicos quanto inorgânicos. A

linha A é, também, quebrada com um início horizontal para IP > 4 e 16 ≤ wL ≤ 25,5 %; para valores

maiores do limite de liquidez a linha é inclinada com equação igual a IP = 0,73 (wL – 20).

vertical wL = 50, separa os grupos de solos siltosos e argilosos de baixa plasticidade dos de alta

plasticidade;

42

No gráfico da plasticidade aparece mais uma classe de solos inorgânicos de baixa

plasticidade, com um símbolo duplo, CL-ML, cujos pontos caem dentro da área definida por 16 wL

29,6 % e 4 IP 7; esses solos são classificados como argilas siltosas.

classificação

A classificação de um solo fino começa com a definição da classe indicada pela posição do

ponto no gráfico de plasticidade. Os solos orgânicos, cujos pontos se situam sobre ou acima da linha A

são classificados como argilas, enquanto, os que estão abaixo são classificados como siltes.

Na Tabela 7.7 estão mostradas as classes de solos finos e, o símbolo de cada uma delas.

Tabela 7.7 Classes dos solos finos

wL Origem Posição no gráfico de plasticidade Símbolo

Ponto sobre ou acima da linha A CL

Inorgânico Ponto sobre a área escurecida CL-ML

Ponto abaixo da linha A ML

< 50

Orgânico Ponto sobre ou acima da linha A OL

Ponto abaixo da linha A OL

Inorgânico Ponto sobre ou acima da linha A CH

Ponto abaixo da linha A MH

50

Orgânico Ponto sobre ou acima da linha A OH

Ponto abaixo da linha A OH

Para a definição do tipo de solo é preciso considerar a percentagem de ocorrência do grupo

grosso no solo; para isso foram definidos três níveis de valores para a percentagem que passa na

peneira 200: menor que 15, entre 15 e 29 e, maior ou igual a 30. Para o último nível é preciso definir

qual grupo grosso tem a maior percentagem de ocorrência e, se a percentagem do grupo minoritário é

menor ou maior que 15.

Na Tabela 7.8 estão mostrados os tipos de solos inorgânicos para cada um dos três níveis e,

para a percentagem do grupo grosso minoritário.

Tabela 7.8 Classificação dos solos finos inorgânicos

Tipos de solos

Pr(#200) Símbolo P(S) > P(G) P(G) > P(S)

CL Argila pouco plástica Argila pouco plástica

ML Silte Silte

< 15 CL-ML Argila siltosa Argila siltosa

CH Argila plástica Argila plástica

MH Silte elástico Silte elástico

CL Argila pouco plástica com areia Argila pouco plástica com pedregulhos

ML Silte com areia Silte com pedregulhos

15 a 29 CL-ML Argila siltosa com areia Argila siltosa com pedregulhos

CH Argila plástica com areia Argila plástica com pedregulhos

MH Silte elástico com areia Silte elástico com pedregulhos

P(G) < 15 P(S) < 15

CL Argila pouco plástica arenosa Argila pouco plástica pedregulhenta

ML Silte arenoso Silte pedregulhento

CL-ML Argila silto-arenosa Argila siltosa pedregulhenta

CH Argila plástica arenosa Argila plástica pedregulhenta

MH Silte elástico arenoso Silte elástico pedregulhento

≥ 30 P(G) > 15 P(S) > 15

43

CL Argila pouco plástica arenosa com pedregulhos Argila pouco plástica pedregulhenta com areia

ML Silte arenoso com pedregulhos Silte pedregulhento com areia

CL-ML Argila silto-arenosa com pedregulhos Argila siltosa pedregulhenta com areia

CH Argila plástica arenosa com pedregulhos Argila plástica pedregulhenta com areia

MH Silte elástico arenoso com pedregulhos Silte elástico pedregulhento com areia

Uma mesma classe de solos finos inorgânicos gera diferentes tipos de solos dependendo da

percentagem de areia e de pedregulhos; um solo fino, inicialmente, classificado através do gráfico da

plasticidade, como CH – argila plástica, gera seis outros tipos de solos, todos com o mesmo símbolo:

CH – argila plástica com areia P(S) > P(G)

argila plástica com pedregulhos P(G) > P(S)

argila plástica arenosa P(S) > P(G) e P(G) < 15

argila plástica arenosa com pedregulhos P(G) 15

argila plástica pedregulhenta P(G) > P(S) e P(S) < 15

argila plástica pedregulhenta com areia P(S) 15

Na Tabela 7.9 estão mostrados os tipos de solos orgânicos, para as mesmas condições da

Tabela 7.8, a menos do solo CL-ML – argila-siltosa que só é aplicado a solos inorgânicos.

Tabela 7.9 Classificação dos solos finos orgânicos

Tipos de solos

Pr(#200) Símbolo Linha A P(S) > P(G) P(S) < P(G)

OL Sobre ou acima Argila orgânica Argila orgânica

Abaixo Silte orgânico Silte orgânico

< 15

OH Sobre ou acima Argila orgânica Argila orgânica

Abaixo Silte orgânico Silte orgânico

OL Sobre ou acima Argila orgânica com areia Argila orgânica com pedregulhos

Abaixo Silte orgânico com areia Silte orgânico com pedregulhos

15 a 29

OH Sobre ou acima Argila orgânica com areia Argila orgânica com pedregulhos

Abaixo Silte orgânico com areia Silte orgânico com pedregulhos

P(G) < 15 P(S) < 15

OL Sobre ou acima Argila orgânica arenosa Argila orgânica pedregulhenta

Abaixo Silte orgânico arenoso Silte orgânico pedregulhento

OH Sobre ou acima Argila orgânica arenosa Argila orgânica pedregulhenta

Abaixo Silte orgânico arenoso Silte orgânico pedregulhento

≥ 30 P(G) > 15 P(S) >15

OL Sobre ou acima Argila orgânica arenosa com pedregulhos Argila orgânica pedregulhenta com areia

Abaixo Silte orgânico arenoso com pedregulhos Silte orgânico pedregulhento com areia

OH Sobre ou acima

Abaixo

Argila orgânica arenosa com pedregulhos

Silte orgânico arenoso com pedregulhos

Argila orgânica pedregulhenta com areia

Silte orgânico pedregulhento com areia

O número de tipos de solos inorgânicos é igual a 35, enquanto que, o de solos orgânicos é

igual a 28.

7.4.4 Solos altamente orgânicos

Esses solos apresentam características muito diferentes dos solos inorgânicos e dos solos

orgânicos; são compostos de matéria vegetal, em diferentes estágios de decomposição, com cheiro

característico, cor marrom escura a preta, aparência esponjosa e pedaços da matéria orgânica que lhe

deu origem. Em condições normais, não é usado como apoio de estruturas por ter um índice de vazios

grande, uma resistência ao cisalhamento pequena e uma compressibilidade alta, além de saturado nem

44

como material de empréstimo. Na última linha da Figura 7.4 está mostrada a classe desses solos sendo

a turfa o mais conhecido deles e que deu origem ao símbolo, PT, da classe.

7.5 SOLOS TROPICAIS

Nas regiões tropicais, onde as condições climáticas são de chuvas abundantes e temperaturas

mais altas, os processos intempéricos são mais intensos provocando uma desintegração rápida de

alguns minerais e, com isso, resultando solos com características peculiares à sua formação, chamados

de solos tropicais; é preciso salientar que nem todos os solos existentes nessas regiões apresentam as

características dos solos tropicais e portanto não podem ser considerados como tais; dois grupos de

solos tropicais, os lateríticos e os saprolíticos serão aqui descritos, de forma resumida, tanto do ponto

de vista da origem quanto do da classificação. Para um maior conhecimento sobre esses solos pode-se

consultar os trabalhos de Nogami e Villibor (1.995) e do International Committee on Tropical Soils

(1.985), entre outros.

Um solo pode ser considerado laterítico quando formado em um horizonte superficial bem

drenado sob condições de um clima tropical úmido. O mineral predominante na fração grossa é o

quartzo, embora, alguns minerais mais pesados possam, também, estar presente contribuindo para a

elevação da massa específica dos sólidos; a fração argilosa é composta por caulinita e óxidos de ferro

e alumínio hidratados formando uma estrutura altamente porosa e com vazios de tamanhos muito

pequenos até visíveis a olho nu. Nesses solos pode também ocorrer a laterita, que é uma aglutinação

de grãos com tamanho de pedregulhos, com uma resistência muito menor que a do quartzo e formada

por óxidos de ferro e alumínio hidratados. Quanto ao tamanho dos sólidos os solos lateríticos podem

ser enquadrados desde solos arenosos até argilosos. Quando manipulados por espatulação, nem

sempre, os grumos são destruídos o que pode alterar o resultado dos ensaios de caracterização.

Os solos saprolíticos resultam da decomposição da rocha e mantêm de modo claro as

características estruturais que permitem identificar a rocha que lhe deu origem; a fração grossa desses

solos possui uma variedade grande de diferentes minerais, com grãos de tamanhos e graus de

intemperização variados, enquanto na fração argilosa são encontrados argilo-minerais do grupo da

esmectita, da ilita e, às vezes, também da caulinita.

Nesses últimos anos, engenheiros rodoviários brasileiros têm observado uma diferença

marcante, entre os comportamentos previsto e o realizado, de solos tropicais compactados usados na

construção de estradas e que foram escolhidos com base no resultado de ensaios de granulometria e de

limites de consistência. A tendência atual é a de utilizar os resultados de outros ensaios para separar os

solos tropicais em solos de comportamento laterítico e de comportamento não laterítico, distribuindo-

os em classes e estimando as propriedades mais relevantes, dos solos de cada classe, para a utilização

na construção de estradas.

7.5.1 Sistema MCT

Entre os sistemas de classificação dos solos tropicais, o MCT (Miniatura, Compactado,

Tropical) é o mais usado no Brasil; ele foi desenvolvido por Nogami e Villibor (1.980, 1.981, 1.982,

1.985) e nesses trabalhos os autores vêm mostrando as diferenças de comportamento existentes entre

os solos tropicais, que decorrem do grau de evolução em que eles se encontram, desde a micro-

estrutura até a natureza e a quantidade dos componentes de cada fração.

A Figura 7.6 mostra a distribuição dos solos tropicais, em sete classes, de acordo com a

classificação MCT; para a construção do gráfico foram utilizadas variáveis extraídas de resultados dos

ensaios de compactação e do Mini-MCV (Mini-Moisture Condition Value), onde a abscissa c' é a

inclinação do trecho reto da curva de deformabilidade, correspondente a Mini-MCV 10 e a ordenada e'

deve ser calculada através da equação

[7.1]

e d' é a inclinação do ramo seco da curva de compactação Mini-MCV, para uma energia resultante da

aplicação de 12 golpes do soquete, e Pi é a percentagem de perda de massa após a imersão do corpo

de prova compactado. O detalhamento do procedimento do ensaio poderá ser encontrado em Nogami e

Villibor (1.995).

Cada uma das sete classes é simbolizada por um par de letras : a primeira indica o

comportamento laterítico, L, ou não laterítico, N, de um solo tropical, enquanto a segunda letra A, A',

45

G', S' indica que o solo é uma areia , arenoso, argiloso ou siltoso, respectivamente. A linha pontilhada

mostrada na Figura 7.6 separa os solos de comportamento laterítico dos não lateríticos. Os solos

contidos em cada uma dessas classes podem ser descritos como:

NA: areias, siltes e areias siltosas, grão de quartzo, de baixa plasticidade a não plásticos, podendo

ou não apresentar alta expansibilidade;

NA’: areias siltosas e areias argilosas de plasticidade média a não plásticos; alguns solos podem

apresentar alta expansibilidade;

NS’: siltes, siltes arenosos e argilosos de plasticidade média a alta; em suas condições naturais

podem apresentar colapso e erodibilidade elevada;

NG’: argilas, argilas arenosas e siltosas, de alta plasticidade; apresentam alta expansibilidade,

plasticidade, compressibilidade e contração quando tem a umidade alterada;

LA: areias, com uma percentagem pequena de argila; são não plásticos ou de baixa plasticidade;

LA’: areias argilosas, argilas arenosas de baixa a média plasticidade; nas condições “in situ”

apresentam massa específica seca baixa, índices de vazios maiores e apresentam colapso, quando

encharcados;

LG’: argilas, argilas arenosas de média a alta plasticidade; “in situ” podem apresentar

colapsibilidade e um índice de vazios maior.

Figura 7.6 Classificação MCT dos solos tropicais (Nogami e Villibor, 1.995)

A Tabela 7.10 mostra a classificação dos solos tropicais de cada grupo, segundo a MCT e as

correspondentes segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS) e a American

Association of State Highway Officials (AASHO), retirada de Nogami e Villibor (1.995).

Tabela 7.10 Correspondência entre sistemas de classificação

MCT SUCS AASHO

NA SP , SM A - 2

NA' MS , SC , ML A - 2 , A – 4 , A - 7

NS' SM , CL , ML , MH A – 4 , A - 5 , A - 7 - 5

NG' MH , CH A - 6 , A - 7 - 5

LA SP , SC A - 2

LA' SC A – 2 , A - 4

LG' MH , ML , CH A – 6 , A - 7 - 5

Segundo Nogami e Villibor (1.995), a dificuldade maior para se utilizar essa classificação está,

em primeiro lugar, na base de dados sobre os quais ela foi montada, “em cerca de meia centena de

amostras de solos tropicais do Estado de São Paulo”, uma quantidade pequena e regionalizada. A

segunda dificuldade é a quantidade excessiva de dados a serem obtidos através dos três ensaios,

46

relativamente, complexos e de difícil assimilação por iniciantes, conforma relatado por Fabbri (1.994).

Os autores da proposta parecem concordar com essas dificuldades, pois, desde o início da década de

90 vêm procurando desenvolver ensaios e testes que exigem um número menor de dados e reduzindo o

tempo para a identificação de comportamento laterítico dos solos tropicais, Nogami e Villibor (1.994,

1.996).

7.5.2 Azul de metileno

Um ensaio mais rápido e mais simples do que aqueles exigidos pelo Sistema MCT, para a

identificação do comportamento laterítico de um solo tropical, foi adaptado por Fabbri (1.994) a partir

de uma proposta de Lan (1.977). Para a realização do ensaio é preparada uma suspensão com 1 g

da fração do solo que passa na peneira de 0,075 mm de abertura em 100 cm³ de água destilada e uma

solução aquosa de azul de metileno contendo 1 g de sal anidro por litro da solução; a suspensão será

colocada em um agitador magnético e deixada algum tempo em agitação para, em seguida, se

adicionar 1 cm³ da solução de azul de metileno. Após um minuto de espera é retirada uma gota da

suspensão e depositada sobre um papel filtro e, com isso, formando uma mancha com um núcleo mais

escuro, onde estão as partículas do solo e uma borda mais clara. Esse procedimento deve ser repetido,

com o acréscimo de mais 1 cm3 da solução de azul de metileno,e retirada da gota e formação da

mancha, até que a borda apresente uma tonalidade azulada ou esverdeada; quando isso acontecer o

resultado deve ser confirmado e anotado o volume da solução de azul de metileno necessário para que

ele tenha ocorrido. Os solos foram separados, em três classes, em função do valor de um coeficiente de

atividade da fração fina com partículas menores que 0,005 mm e considerada a mais ativa do solo,

calculado com os dados obtidos no ensaio.

Os valores dos coeficientes de atividade, de mais de 200 amostras de solo, oriundas de

diferentes locais, foram comparados com a classificação obtida com a metodologia MCT tendo sido

possível estabelecer uma correlação entre os valores dos coeficientes de atividade e o tipo de

comportamento do solo tropical como mostrado na Tabela 7.11.

Por ser uma proposta ainda recente mais resultados poderão definir de um modo melhor os

intervalos de variação do coeficiente de atividade e do tipo de comportamento esperado. Um maior

detalhamento do procedimento desse ensaio poderá ser encontrado em Fabbri (1.994).

Tabela 7.11 Identificação do comportamento de um solo tropical Coeficiente de Atividade Atividade dos argilo-minerais Tipo de comportamento

< 11 pouco ativos lateríticos

11 e 80 ativos lateríticos

> 80 muito ativos não lateríticos

7.6 EXEMPLOS

Dois exemplos de classificação do solo serão mostrados, sendo um com materiais granulares e

outro com solos, usando dois sistemas de classificação: o granulométrico e o unificado.

7.6.1 Granulométrico material granular

Na Figura 7.7 estão mostradas as curvas granulométricas de seis materiais, todos com menos de

5% dos sólidos passando na peneira 200, o que os caracteriza como materiais granulares.

Na mesma Figura estão mostradas as escalas adotadas para a classificação dos materiais,

segundo o tamanho dos grãos; a escala 1 é a adotada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas

(ABNT), enquanto a escala 2 é a da American Society for Testing and Materials (ASTM) para separar

as frações das areias e dos pedregulhos.

Na Tabela 7.12 estão mostradas as percentagens de ocorrência de cada grupo e, também, de suas

frações.

47

Figura 7.7 Curvas granulométricas de materiais granulares

Tabela 7.12 Percentagens de ocorrência dos grupos e de suas frações

1 2 3 4 5 6

Areia: 98 74 34 = = 14

Fina 50 3 = = = =

Média 38 30 9 = = 3

Grossa 10 41 25 = = 11

Pedregulho: 2 26 66 99 97 78

Fino 2 19 52 19 = 14

Médio = 7 14 65 55 25

Grosso = = = 15 42 39

Matacão = = = 1 3 8

A classificação dos materiais granulares, segundo a escala da ABNT, está mostrada a seguir:

1 Areia fina e média com pedregulhos finos

2 Areia grossa e média pedregulhenta

3 Pedregulho fino arenoso

4 Pedregulho médio

5 Pedregulho médio e grosso com matacões

6 Pedregulho médio e grosso arenoso com matacões

solos

Na Figura 7.8 estão mostradas as curvas granulométricas de quatro solos, todos, com mais de

5% dos sólidos passando na peneira 200.

48

Figura 7.8 Curvas granulométricas de solos

Na Tabela 7.13 estão as percentagens de ocorrência de cada grupo e das frações do grupo areia e

a classificação dos quatro solos, segundo a escala da ABNT.

Tabela 7.13 Percentagens de ocorrência dos grupos

Solo Areia Silte Argila Classificação

Grossa Média Fina

1 8 33 25 4 30 Areia média e fina argilosa

2 1 35 43 9 12 Areia fina e média argilosa

3 0 1 3 36 60 Argila siltosa

4 12 10 10 54 14 Silte arenoso

7.6.2 Unificado

material granular

Além do tamanho dos grãos e suas percentagens de ocorrência, também, a graduação do

material definida com os valores dos coeficientes de uniformidade e de curvatura devem ser

considerados na classificação como pode ser visto nas Tabelas 7.5 e 7.6.

Na Tabela 7.14 estão mostrados os valores das percentagens de areia e de pedregulhos e, os

tamanhos dos grãos, em milímetros, necessários para o cálculo dos coeficientes de uniformidade e de

curvatura, cujos valores estão mostrados nas duas últimas linhas da Tabela.

Tabela 7.14 Coeficientes de uniformidade e de curvatura dos materiais granulares

1 2 3 4 5 6

Areia Pp(#4) 100 90 79 7 0 25

Pedregulho Pr(#4) 0 10 21 93 100 75

D60 0,25 1,15 3,47 11,48 22,91 25,12

D30 0,16 0,55 1,74 7,59 15,85 7,24

D10 0,12 0,18 0,60 5,50 12,02 1,32

CU 2,1 6,4 5,8 2,1 1,9 19,0

CC 0,9 1,5 1,5 0,9 0,9 1,9

Os materiais granulares 1, 2 e 3 são areias, pois tem mais de 50 % de seus grãos passando na # 4

e, os três últimos são pedregulhos, por terem mais de 50% dos grãos retidos na # 4; a classificação dos

49

solos grossos, com menos de 5% de sólidos passando na # 200, segue o mostrado na Tabela 7.6 e,

resulta:

1. SP – Areia mal graduada

2. SW – Areia bem graduada

3. SW – Areia pedregulhenta bem graduada

4. GP – Pedregulho mal graduado

5. GP – Pedregulho mal graduado

6. GW – Pedregulho arenoso bem graduado

solos

Inicialmente os solos são separados em solos grossos (1 e 2) e solos finos (3, e 4), em função do

valor da percentagem que passa na peneira 200.

Na Tabela 7.15 estão mostrados os valores dessas percentagens e, também, os valores dos

limites de liquidez e de plasticidade dos solos.

Um ensaio de limite de liquidez, com amostras inicialmente secadas em estufa, dos solos 3 e 4

resultaram em valores, respectivamente, iguais a 72 e 45% mostrando que os solos finos são

inorgânicos.

A Figura 7.9 mostra a posição dos pontos no gráfico da plasticidade e, a classificação dos finos

dos solos grossos (1 e 2) e a dos solos finos (3 e 4).

Tabela 7.15 Percentagens retidas e limites de liquidez e de plasticidade

Solo Pr(#200) Pp(#200) wL wP IP

1 62 38 35 19 16

2 73 27 22 16 6

3 2 98 82 34 48

4 30 70 51 36 15

Figura 7.9 Posição dos pontos no gráfico da plasticidade

Em função dos resultados obtidos e do descrito na Tabela 7.8, os solos são classificados como:

1. SC : Areia argilosa

2. SC – SM : Areia argilo-siltosa

3. CH : Argila plástica

4. MH : Silte elástico arenoso

50

COMPACTAÇÃO

O solo vem sendo usado como material de construção há muito tempo como mostrado em

alguns exemplos do Capítulo 2.

Na construção de uma estrutura de solo, como aterros para os mais diversos fins, este precisa

ser compactado; o processo de compactação, estático ou dinâmico, é realizado através da aplicação de

uma energia sobre uma camada de solo solto com uma redução do volume de vazios inicial tornando a

camada mais densa e resistente e, menos permeável e compressível. A escolha do tipo de solo a ser

usado em uma obra é fundamental para o sucesso da estrutura a ser construída.

O procedimento a ser adotado na compactação depende da classe do solo e, assim, os

materiais granulares e os solos têm processos de compactação diferentes, tanto em laboratório quanto

em campo, e, serão aqui tratados separadamente.

8.1 HISTÓRICO

Mesmo sendo um processo construtivo que vem sendo usado há muito tempo somente no final

da década de 1920 é que foi iniciado o estudo da compactação de um modo mais científico.

A necessidade de se ter um procedimento mais preciso para o projeto e a construção de

barragens de terra na Califórnia, USA, levou R. R. Proctor, então engenheiro de obras do Bureau of

Waterworks and Supply, da cidade de Los Angeles, a observar o comportamento dos solos durante a

compactação. A partir da observação de que a massa específica seca da camada, depois de

compactada, variava com o teor de umidade do solo solto, Proctor (1.933) propôs um ensaio de

laboratório cujo resultado define a função, massa especifica seca – teor de umidade, que é única para a

energia de compactação usada no ensaio.

O equipamento, mostrado na Figura 8.1, e o procedimento do ensaio atual pouco mudou da

proposta inicial de Proctor; nela a amostra é compactada dentro de um cilindro, com volume de 944

cm3, em 3 camadas, com a energia fornecida pela queda livre de um martelo de massa igual a 2,5 kg,

caindo 25 vezes em cada camada de uma altura de 30,48 cm. A energia aplicada por unidade de

volume do corpo de prova compactado é de 580 kJ/m3.

Figura 8.1 Equipamento do ensaio de compactação

Na Figura 8.2 está mostrada uma curva de compactação típica de um solo, para uma dada

energia de compactação e curvas para 3 diferentes valores do grau de saturação. Durante a aplicação

da energia de compactação há uma saída de ar sem uma alteração significativa no teor de umidade

inicial, mas, como há uma redução do volume de vazios, com o volume de água mantendo-se

51

constante o grau de saturação aumenta; no entanto, com esse processo não se chega à condição de solo

saturado.

Figura 8.2 Curva de compactação: teor de umidade – massa específica seca

As coordenadas do pico da curva de compactação representam o teor de umidade ótimo, wot e, a

massa específica seca máxima, dmax, para

uma dada energia de compactação.

Além da curva de compactação pode-se desenhar na mesma figura curvas de graus de

saturação com a equação,

[8.1]

impondo um valor para o grau de saturação e calculando a massa específica seca para teores de

umidade variando em torno do teor de umidade ótimo, como mostrado na Figura 8.2.

No Capítulo 18 está descrito o procedimento do ensaio de compactação, padronizado pela

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).

8.2 SOLOS

A energia de compactação, a granulometria e a plasticidade são os três fatores que definem o

valor da massa específica seca para cada teor de umidade.

A energia aplicada na compactação de um solo produz uma curva de compactação única e, o

teor de umidade ótimo e a massa específica seca máxima passam a ser uma característica do solo

compactado. A alteração da energia aplicada, para mais ou para menos, não muda a forma da curva,

mas, os pontos que geram a nova curva estão deslocados em relação aos pontos obtidos com a energia

anterior e, os valores do teor de umidade ótimo e da massa específica seca máxima são diferentes dos

anteriores.

A compactação de um solo grosso e de um solo fino, com uma mesma energia, resulta uma

curva mais fechada para o primeiro e mais aberta para o segundo e, com valor da massa especifica

seca máxima maior e teor de umidade ótimo menor para o solo grosso e, menor e maior para o solo

fino.

Na Tabela 8.1 estão mostradas as características granulométricas e de plasticidade de três

solos, denominados de A, B e C e, também, a classificação granulométrica e a unificada; o solo B é

orgânico e o C inorgânico.

Com o solo A foram realizados três ensaios, com energias crescentes, EC3 > EC 2 > EC 1, e

as curvas resultantes estão mostradas na Figura 8.2. Com o aumento da energia as curvas se deslocam

52

para a esquerda e para cima e, com isso, a massa específica seca máxima cresce e o teor de umidade

ótimo decresce.

Os solos B e C foram compactados com a energia e, o resultado obtido está mostrado na

Figura 8.3, onde também foi incluída a curva de compactação do solo A, com essa energia. Como a

granulometria dos três solos são diferentes as curvas resultantes se deslocam para a direita e para

baixo, do solo mais grosso para o mais fino; a massa específica seca máxima decresce e o teor de

umidade ótimo cresce.

Tabela 8.1 Características granulométricas e de plasticidade dos solos

Solo Granulometria Plasticidade s Classificação

% % g/cm3

granulométrica e unificada

P(S) P(M) P(C) wL IP

A 62 8 30 35 16 2,673 areia argilosa

Finos : CL SC - areia argilosa

B 16 44 40 56 25 2,731 silte argiloso

OH - silte orgânico com areia

C 22 33 45 59 29 2,910 argila silto-arenosa

CH - argila plástica com areia

Na Tabela 8.2 estão mostrados os valores das coordenadas do pico de cada curva das Figuras

8.3 e 8.4, bem como, os valores dos índices de vazios e dos graus de saturação desses picos.

Dois outros fatores, a secagem da amostra em estufa ou direto ao sol e a realização do ensaio

usando a mesma amostra reduzida, em todos os pontos, podem afetar a curva de compactação de

alguns solos argilosos, como mostrado por Lindquist (1.975).

Figura 8.3 Curvas de compactação do solo A, com diferentes energias

53

Figura 8.4 Curva de compactação de diferentes solos e mesma energia

Tabela 8.2 Índices físicos no pico da curva de compactação

Solo EC wot dmax e Sr

kJ/m3

% g/cm3

%

1 580 14,7 1,775 0,506 78

A 2 910 13,8 1,820 0,467 79

3 1780 12,6 1,886 0,417 81

B 1 580 19,9 1,657 0,648 84

C 1 580 25,6 1,616 0,801 93

Na Tabela 8.3 estão mostradas as percentagens de cada uma das frações, o valor do limite de

liquidez e do índice de plasticidade, o argilo-mineral predominante no solo argiloso usado por

Lindquist (1.975) e, a classificação granulométrica e a unificada.

Tabela 8.3 Características naturais do solo argiloso

granulometria plasticidade mineralogia classificação

P(S) P(M) P(C) wL IP s argilo- granulométrica

% g/cm3

mineral unificada

30 16 54 60 31 2,740 esmectita argila arenosa

CH - argila plástica arenosa

Na Figura 8.5 estão mostradas as curvas de compactação dos quatro ensaios realizados, sob

diferentes condições iniciais de umidade das amostras reduzidas.

A condição inicial de cada amostra reduzida, sem ou com secagem (SS, CS) e o tipo de ensaio

realizado, sem ou com reuso (SR, CR), está mostrada na Tabela 8.4, juntamente com os valores do

teor de umidade ótimo, da massa específica seca máxima, índice de vazios e grau de saturação dos

picos, de cada uma das curvas da Figura 8.4.

As curvas B, C, e D, obtidas com amostras do solo que tiveram uma das condições

modificadas, se deslocaram para a esquerda e para cima quando comparadas com a curva A obtida

com uma amostra sem secagem e com ensaio sem reuso.

Na Tabela 8.5 estão mostrados os valores da variação percentual do teor de umidade ótimo, da

massa especifica seca máxima, do índice de vazios e do grau de saturação, das três curvas, em

relação aos mesmos valores da curva A.

54

Figura 8.5 Curvas de compactação de um solo sob diferentes condições

Tabela 8.4 Índices físicos do solo no pico da curva

Curva Umidade/ ensaio wot dmax e Sr

% g/cm3 %

A SS, SR 25,7 1,519 0,804 88

B SS, CR 24,5 1,535 0,785 86

C CS, SR 24,6 1,538 0,782 86

D CS, CR 24,3 1,556 0,761 88

Tabela 8.5 Variação percentual dos parâmetros

curva umidade e ensaio variação percentual

wot dmax e Sr

A SS, SR = = = =

B SS, CR - 4,7 1,1 -2,4 -2,3

C CS, SR -4,3 1,3 -2,7 -2,3

D CS, CR -5.4 2,4 -5,3 0,0

O efeito do reuso do solo é semelhante ao da compactação de um mesmo solo com energias

diferentes, enquanto que o da secagem é na formação de grumos, duros e difíceis de serem quebrados,

alterando a granulometria do solo e passando este a se comportar como um solo mais grosso; os

valores das massas específicas secas máximas e dos teores de umidade ótimos das curvas B, C, D são,

respectivamente, maiores e menores do que os da curva A, como mostrado por Lindquist (1.975).

Quando não se conhece o tipo de argilo-mineral do solo é recomendado que não seja feita a

secagem ao sol ou em estufa das amostras reduzidas; quando necessária a secagem esta deve ser feita à

sombra e lentamente.

No ensaio de compactação de um solo a energia aplicada vem da queda livre de um

soquete sobre o solo colocado dentro de um cilindro metálico; tanto o número de camadas quanto o de

quedas do soquete em cada camada varia com a energia de compactação desejada, que é calculada

com a equação

[8.2]

onde, M: massa do soquete em quilogramas, g: aceleração da gravidade em metros por segundo por

segundo, N: número de camadas, H: altura de queda do soquete em metros, n: número de quedas do

soquete em cada camada e V: volume útil do cilindro e igual ao da amostra compactada.

No Capítulo 17 está descrito o procedimento do ensaio de compactação, com energia igual à

do ensaio de Proctor e, por isso, chamado de ensaio de Proctor Normal.

55

No Apêndice E estão detalhadas as dimensões dos equipamentos de compactação em

laboratório, segundo a norma brasileira e duas estrangeiras; o ensaio de compactação por pisoteamento

e o processo de Hilf para o controle da compactação de campo, também estão descritos nesse

Apêndice.

8.3 MATERIAIS GRANULARES

O ensaio de Proctor não é adequado para caracterizar a melhor condição de

compactação de um material granular, pois, formando estruturas com um alto

índice de vazios e conseqüentemente muito permeáveis, a massa específica seca

não é afetada pelo teor de umidade da amostra.

A melhor maneira de compactar um material granular é através de um

processo vibratório; o resultado do ensaio é dado em função da compacidade

relativa, parâmetro introduzido por Terzaghi e, definido pela equação,

[8.3]

onde emax e emin são, respectivamente, o índice de vazios máximo e o mínimo que o material

granular pode ter, enquanto que e é o índice de vazios do corpo de prova compactado.

A determinação do índice de vazios máximo e do mínimo está padronizada e, uma descrição

detalhada desses ensaios pode ser encontrada no CAPÍTULO 18.

Na Figura 8.6 estão mostradas duas curvas: à esquerda, a granulométrica de um material

classificado como SP - areia mal graduada e à direita a curva de compactação, com a energia do

Proctor Normal, obtidas em trabalho realizado por Durham e Townsend (1973).

Figura 8.6 Curva granulométrica e de compactação de uma areia

Os valores, máximo e mínimo, da massa específica seca nos dois ensaios estão mostrados na

Tabela 8.6.

A massa especifica seca máxima obtida com o processo vibratório é maior que a do ensaio de

Proctor, enquanto a massa especifica seca mínima é menor; isso pode ser explicado pela maior

facilidade de movimentação dos grãos menores que preenchem os vazios formados pelos grãos

maiores, com a vibração. Quando o material está molhado a água acaba dificultando essa

movimentação dos grãos.

Tabela 8.6 Resultado dos ensaios com a areia

ensaio w d e

% g/cm³

máximo mínimo mínimo máximo

D-2049 0,0 1,733 1,464 0,529 0,810

Proctor 0,0 1,642 0,614

16,8 1,598 0,658

Normal 6,8 1,541 0,720

56

A compactação de um material granular seco tem, no entanto, um inconveniente que é a

possibilidade de ocorrência da segregação criando camadas com diferentes granulometrias. Para se

evitar esse problema, sempre que ele for relevante, a compactação deve ser feita com o material

úmido, mesmo obtendo um valor menor da massa especifica seca.

8.4 TEORIAS

A primeira explicação sobre a forma da curva de compactação foi de Proctor; ele admitiu que

no início do ramo seco da curva, os sólidos estão envoltos por uma fina película de água e, quando

forçados a se aproximarem, devido a energia aplicada, essa água gera uma tensão capilar alta que se

opõe a aproximação, resultando um corpo de prova com massa especifica seca pequena. Um

acréscimo na umidade do solo aumenta o volume de água nos vazios, reduz a tensão capilar e, os

sólidos se aproximam mais uns dos outros resultando um corpo de prova com uma massa especifica

seca maior e um índice de vazios menor. Tudo se passa como se a água atuasse como um lubrificante

facilitando a aproximação dos sólidos. O efeito lubrificação continua até que a energia de

compactação aplicada não consegue mais remover a água e o ar contidos nos vazios do corpo de

prova; nesse momento, definido pelo teor de umidade ótimo, a massa especifica seca atinge o valor

máximo para a energia aplicada. Para um teor de umidade. Para um teor de umidade maior que o

ótimo, i. é, ramo úmido da curva, o volume de água nos vazios é maior e a tensão capilar praticamente

desaparece; a água passa a ocupar um espaço que poderia ser de um sólido e, com isso, a massa

especifica seca decresce com o crescer da umidade.

Na Figura 8.7 estão mostradas 3 curvas: a de compactação, a da massa especifica – teor de

umidade e a do índice de vazios – teor de umidade. Os pares de valores das coordenadas dos picos, das

duas primeiras curvas são iguais a (wot = 14,7%, ρdmax = 1,775 g/cm3) e (w = 15,2%, ρmax = 2,042

g/cm3), respectivamente; a curva do índice de vazios mostra valores decrescentes no ramo seco e

crescentes no úmido com uma variação menor que a do ramo seco.

O solo compactado com a mesma massa específica seca, mas, com teores de umidade

diferentes, um no ramo seco e outro no úmido, pontos com d = 1,716 g/cm³ e w = 13,5 e 18,3% na

Figura 8.7 tiveram comportamentos diferentes com o mais seco sendo menos plástico que o mais

úmido e mais resistente a penetração de uma ferramenta, mesmo, tendo ambos igual índice de vazios,

0,576.

A explicação de Lambe (1.958) para a forma da curva de compactação, para um solo argiloso,

tem sua base na teoria da química coloidal. Para isso foi, inicialmente, colocado o conceito de

deficiência em água, que um solo pode ter; as partículas de um solo argiloso, sob um determinado

estado de tensões, precisam de uma quantidade de água para o desenvolvimento pleno da camada

dupla e, que nem sempre está disponível na condição atual do solo. A diferença entre a quantidade de

água necessária e a disponível é a deficiência em água do solo que a partícula tentará absorver para

desenvolver a camada dupla. Lambe lembra que, geralmente, nos solos argilosos compactados este valor é positivo e, portanto há uma falta de água para a formação plena da camada dupla. Na Figura

8.8 estão mostradas duas curvas de um mesmo solo, compactado com energias diferentes.

No ponto A, sobre a curva inferior, a pequena quantidade de água no solo não permite o

desenvolvimento pleno da camada dupla gerando uma concentração eletrolítica alta reduzindo as

forças de repulsão entre as partículas e, como conseqüência, há uma tendência à formação de

flóculos; o resultado é um solo com um arranjo estrutural randômico e massa especifica baixa

como mostrado na Figura 8.8. No ponto B, da mesma curva, a quantidade de água no solo permite uma expansão da camada

dupla com uma redução na concentração eletrolítica reduzindo a floculação e, permitindo um arranjo

estrutural mais ordenado e, com isso, resultando um solo com uma massa especifica maior.

O termo lubrificação, antes utilizado como uma atividade física descreve, agora, a permissão

dada às partículas de melhor se orientarem e formarem camadas mais densas devido ao aumento das

forças repulsivas.

No ponto C, uma maior quantidade de água no solo permite uma continuada expansão da

camada dupla e uma redução das forças de atração entre as partículas diminuindo a floculação e a

formação de um arranjo estrutural mais ordenado que em B. Mesmo com esse novo arranjo a massa

57

especifica em C é menor que em B porque a água acrescentada diminui a concentração de sólidos e

não há uma redução sensível no volume de ar, como acontece quando se passa de A para B.

Figura 8.7 Massa especifica, massa especifica seca e índice de vazios

Figura 8.8 Teoria de Lambe (Lambe, 1.958)

Quando a energia de compactação é aumentada o resultado é um solo mais denso como

mostrado na curva superior da Figura 8.7; para um mesmo teor de umidade, pontos A e D no ramo

seco, com o aumento da energia de compactação há uma tendência das partículas se orientarem para

um arranjo mais paralelo, com a redução das distâncias entre elas, resultando um solo mais denso.

Para pontos situados no ramo úmido, pontos E e F, com teor de umidade mais elevado o aumento na

energia de compactação produz o efeito de, simplesmente, melhor orientar as partículas sem diminuir

as distâncias entre elas não havendo, por isso, um acréscimo tão pronunciado na massa específica seca

como no ramo seco, mostrado na Figura 8.8.

A alteração estrutural com a umidade é diferente para cada solo; alguns solos têm uma alteração

na estrutura que pode ir de um arranjo randômico para uma orientação paralela, enquanto em outros

solos acontece, apenas, uma leve melhora na orientação das partículas.

Outros autores como Hogentogler (1.936), Hilf (1.956), Olson (1.963) e Barden e Sides

(1.970) apresentaram explicações sobre a forma da curva de compactação com base em diferentes

fatores.

8.5 EQUIPAMENTOS

58

O mercado de equipamentos de compactação vem apresentando grande variedade nos tipos de

máquinas e a melhor maneira de se estar atualizado é consultando os catálogos das indústrias

produtoras. A escolha do equipamento e a forma de aplicação da energia dependerão do solo, do teor

de umidade e da utilização futura do aterro.

Os equipamentos de compactação podem ser distribuídos, em função da forma de aplicação da

energia ao solo, em equipamentos de impacto, estáticos e vibratórios; uma descrição mais detalhada de

cada um dos tipos de equipamentos pode ser encontrada em Forssblad (1.985).

No grupo dos equipamentos de impacto estão os soquetes manuais utilizados, atualmente,

apenas em construções de pequeno porte, na regularização de fundo de valas e na compactação de

bases para pisos; nesse caso a energia aplicada é variável, de ponto para ponto, pois depende do

cansaço do operador, resultando uma compactação muito irregular e sem condições de um efetivo

controle dos parâmetros desejados. Um exemplo desse tipo de compactação no Brasil foi a construção

da barragem de terra, do açude Lima Campos, no Ceará, descrito no Capítulo 2.

O "sapo mecânico", mostrado na Figura 8.9, é um aperfeiçoamento do soquete manual sendo

movido por um motor de combustão interna ou motor elétrico; é utilizado na compactação de

pequenas áreas ou em locais onde os equipamentos maiores não conseguem atuar. Este equipamento

consegue aplicar à camada a mesma energia em cada ponto resultando uma compactação regular, com

um bom rendimento e de forma econômica, e o controle dos parâmetros de compactação pode ser

realizado.

Figura 8.9 Compactação com sapo mecânico

O grupo dos compactadores estáticos é formado por aqueles equipamentos que aplicam ao

solo uma pressão, apenas, devido ao peso

próprio, sendo o rolo compressor o seu representante; a pressão é aplicada

ao solo através da área de contato entre o cilindro metálico ou o pneu e o solo. O cilindro metálico

pode ter sua superfície lisa ou não derivando daí duas denominações para esses equipamentos: rolo

compressor liso e o rolo tipo pé-de-carneiro, mostrados na Figura 8.10; o cilindro é oco permitindo

que a sua massa seja alterada colocando-se areia seca ou molhada na quantidade necessária para se

adequar à pressão exigida na compactação. Da mesma forma a área de contato do pneu com o solo

pode ser alterada variando-se a pressão interna dos pneus e adequando-a as condições de compactação. No grupo dos compactadores vibratórios estão incluídos os equipamentos que utilizam

vibração, além de seu peso próprio. Os equipamentos pertencentes ao grupo anterior, quando têm um

sistema vibratório, se transformam em um equipamento deste grupo.

Em algumas situações, a compactação com um desses equipamentos não é possível e, outros

processos e equipamentos são mais apropriados; a compactação de uma camada mais profunda ou

mais espessa, para melhorar as características atuais, nem sempre é possível para qualquer tipo de solo

e, os processos são diferentes para solo e material granular.

Para materiais granulares existem alguns processos, como a cravação e a retirada de uma

estaca acompanhada por um efeito vibratório ou o processo da vibro-flotação, descrito por Janes

(1.973) e Brown (1.977), respectivamente, e que conseguem alterar as características do material

tornando-o mais denso.

Na Figura 8.11 estão mostradas as quatro fases do processo de compactação por vibro-

flotação. Uma sonda, com uma abertura na ponta e outra no topo, que podem ser abertas de forma

independente é suspensa por um guindaste e sua ponta é colocada próxima a superfície da camada a

ser compactada. Um jato de água sob pressão sai da ponta da sonda fluidificando a areia e permitindo

59

a descida do equipamento até a cota desejada, Figura 8.11.a. Durante essa fase o equipamento já está

sendo vibrado o que provoca a densificação do solo em uma faixa em torno da sonda, Figura 8.11.b.

Figura 8.10 Rolo liso Rolo "pé-de-carneiro"

Terminada essa fase, o fluxo de água na ponta da sonda é interrompido e transferido para a

abertura no topo e, ao mesmo tempo é iniciado o lançamento da areia que irá preenchendo o vazio

deixado pela retirada da areia, Figura 8.11.c. A areia vai sendo lançada e vibrada enquanto a sonda vai

sendo retirada; com a vibração aplicada a areia vai se tornando mais densa criando uma região da

camada com característica diferente da inicial, Figura 8.11.d. Esse processo de compactação tem se

mostrado bastante útil no aumento da densidade relativa de areias em camadas profundas, tendo sido

usado na melhoria do solo de apoio da estrutura de lançamento do foguete Saturno, em Cabo

Canaveral, na Flórida, quando foram adicionados 5.300 m³ de areia para aumentar a compacidade da

camada a uma profundidade média de 8,5 m.

A queda de um bloco, com uma grande massa, sobre um solo arenoso é, também, um

processo apropriado para compactá-lo devido ao efeito, tanto do impacto quanto da vibração, sobre

a estrutura desse solo.

Além dos equipamentos descritos para a construção de aterros e dos

processos de densificação de uma camada de solo há ainda o processo construtivo conhecido como

"aterro hidráulico", que usa as forças de percolação e o peso próprio das camadas superiores para

provocar a compactação das camadas inferiores.

Figura 8.11 Compactação por vibro-flotação (Brown, 1.977)

Na Figura 8.12 está mostrado, de forma esquemática esse processo de construção. Uma lama é

jogada nos pontos mais altos (A) e escorre ao longo do talude AB quando os sólidos maiores vão se

depositando; a suspensão que chega até o nível de água contém ainda grãos de areia que, rapidamente,

se sedimentam formando a região de transição granulométrica entre o material grosso e o núcleo

formado pela deposição das partículas de argila. No Brasil, algumas barragens do Sistema Billings, em

São Paulo, foram construídas com esse processo, como a Barragem de Pedreira, com 25 metros de

altura e 1500 metros de comprimento da crista, como descrito por Savelli (1.978).

60

Figura 8.12 Esquema de construção de um aterro hidráulico

8.6 CONTROLE

O processo construtivo de um aterro é o da compactação seqüencial de camadas, com

espessura final, da ordem, de 25 cm em condições predeterminadas do teor de umidade e da massa

específica seca. Para se atingir essas condições é preciso que, inicialmente, sejam definidas e

investigadas as prováveis áreas de empréstimo, com retirada de amostras para a realização dos ensaios

de caracterização e de compactação, bem como, a determinação do volume de solo disponível em cada

jazida.

Para a elaboração do projeto do aterro é necessário que sejam realizados ensaios para a

determinação da resistência ao cisalhamento, das características de compressibilidade e de

permeabilidade do solo compactado, utilizando corpos de prova compactados dentro de um intervalo

de variação do teor de umidade e da massa especifica seca, que definem a especificação de construção

da obra.

Na Figura 8.13 está mostrada a curva de compactação do solo de uma área de empréstimo que

será usado na construção de um aterro.

A especificação de construção, do intervalo de variação do teor de umidade em torno do teor

de umidade ótimo e o valor mínimo da massa específica seca do aterro para uma dada energia, é

definida pelo autor do projeto e, deve satisfazer as duas inequações:

wot - w1 wf wot + w2

[8.4]

df GC dmax

onde wf , df , w1 , w2 e GC são, respectivamente, o teor de umidade e a massa específica seca de

cada camada do aterro, os intervalos de variação permitidos do teor de umidade para o ramo seco e o

úmido e o grau de compactação cujo valor a ser adotado depende do tipo de cada obra ; a área

hachurada na Figura 8.13 esquematiza graficamente essas inequações.

Durante a construção, o teor de umidade e a massa específica de cada camada são medidas e

seus valores comparados com os especificados, definidos com as inequações [8.4]. Além desses

parâmetros, outras verificações devem ser feitas sobre a jazida de origem do solo e do local onde será

colocado no aterro; após o espalhamento do solo a espessura inicial e final da camada é medida,

número de passadas do rolo, sobre uma mesma faixa (controle da energia por unidade de volume

compactado), se foi feita a escarificação que é o revolvimento da parte superior do solo da camada

compactada. Se todos os itens controlados foram satisfeitos a camada pode ser liberada e uma nova

será construída.

O controle do teor de umidade e do grau de compactação é feito através de determinações

rápidas no campo, enquanto os demais controles são visuais e táteis.

61

Figura 8.13 Especificação de construção

8.6.1 Teor de umidade

A determinação do teor de umidade de cada camada deve ser rápida, para não prejudicar o

andamento da construção e não elevar o custo da obra e, precisa para garantir que o resultado obtido

permita ou não a liberação da camada. O problema maior nessa determinação é o tempo de secagem

da amostra na estufa elétrica, que pode variar de 6 a 12 horas e, por isso, outros processos de secagem

têm sido utilizados.

O teor de umidade da camada pode ser obtido por um dos processos:

“speedy moisture tester” (SMT), estufa de raios infravermelhos (ERIV), forno microondas (FMO) e

Hilf. O valor do teor de umidade determinado com qualquer um destes processos de secagem rápido

da amostra é, apenas, uma estimativa do valor do teor de umidade determinado com a secagem da

amostra reduzida na estufa elétrica padrão (EEP).

O ensaio com o “speedy” é mais apropriado a solos arenosos devido ao processo de secagem

da amostra reduzida. O “speedy”, como é conhecido, é um aparelho formado de três partes: câmara de

reação, manômetro e membrana elástica colocada entre os dois primeiros e ligada ao ponteiro do

manômetro, Figura 8.14; na mesma Figura está mostrada a balança usada em campo na realização do

ensaio.

Para a determinação do teor de umidade uma amostra reduzida do solo, com uma massa

próxima a 20 g, é colocada na câmara de reação junto com ampolas de vidro contendo carbureto e

esferas de aço. Com a agitação do “speedy” as esferas de aço quebram as ampolas de vidro o carbureto

reage com a água do solo resultando um gás que aumenta a pressão na câmara; a membrana se

deforma e por estar ligada ao ponteiro do manômetro este se movimentará indicando o teor de

umidade em uma escala previamente preparada quando da calibração do aparelho no laboratório. O

valor do teor de umidade obtido com o “speedy” depende da capacidade do carbureto retirar toda a

água do solo e, por isso, é mais aplicável a solos arenosos, em face da resistência dos solos argilosos

em liberar a água neles existente. A calibração do aparelho deve ser feita com todos os tipos de solos a

serem controlados. O procedimento da calibração é semelhante ao do ensaio de campo: uma amostra

úmida reage com o carbureto e a pressão resultante na câmara é lida na escala do manômetro; o teor de

umidade da amostra é determinado na EEP e com os pares de valores teor de umidade-pressão pode

ser preparada uma nova escala para uma leitura direta no manômetro, dentro do intervalo de umidades

desejado.

62

Figura 8.14 “Speedy” – corte e foto

Durante o período de construção das grandes barragens de terra no Brasil, forçando a uma

utilização mais intensa dos processos de controle, como o proposto por Hilf (1.959), começou a ser

observado uma grande dispersão entre os resultados obtidos no controle e aqueles de laboratório,

como relatado por Mellios e Mendes (1.975); esse fato levou o Laboratório Central de Engenharia

Civil, de Ilha Solteira, a pesquisar outros equipamentos de secagem rápida do solo e que pudesse ser

usado no campo. Esses estudos levaram a uma estufa de raios infravermelhos, descrita na Norma

MSL-10, CESP (1.983) e divulgado por Mellios (1.983), e que permite a secagem das amostras em

tempo inferior a 60 minutos.

O forno microondas, para utilização doméstica, começou também a ser utilizado na secagem

de amostras de outros materiais; a American Society for Testing and Materials (ASTM) padronizou o

procedimento deste ensaio, nos Estados Unidos.

Em trabalho realizado por Cesar (1.996) no qual foram comparados os valores dos teores de

umidade obtidos com a secagem das amostras na estufa elétrica padrão, na estufa de raios

infravermelhos e no forno microondas; os resultados foram divulgados por Nogueira; Cesar; Santos e

Valadares Filho (1.998) mostraram compatibilidade entre eles, sendo que o tempo necessário para a

secagem da amostra no forno microondas está, em torno de, 12 minutos.

A determinação do teor de umidade de uma forma rápida não elimina o uso da estufa elétrica

padrão que fornecerá o resultado algumas horas depois e que será tomado como referencial das

medidas feitas em campo e para propor correções, se necessário.

No Apêndice A estão descritos os procedimentos para a determinação do teor de umidade

com a ERIV e o FMO e, no Apêndice E

está descrito o processo de Hilf.

8.6.2 Massa especifica

Para a determinação do grau de compactação, equação [8.4], é preciso conhecer a massa

especifica e o teor de umidade do solo compactado e depois calculá-lo com a equação

( ) [8.5]

e, depois comparar este valor com o exigido pela especificação de construção. O teor de umidade é

obtido por um dos processos citados no item anterior.

A massa específica do solo pode ser obtida através de dois ensaios: um, usando um cilindro

cortante e, outro usando o frasco de areia.

Na Figura 8.15 estão mostrados os quatro elementos do cilindro cortante: cilindro, colar,

haste-guia e soquete.

63

Figura 8.15 Os quatro elementos de um cilindro cortante

O cilindro deve ter uma relação de áreas menor que 15% e a borda inferior biselada para

facilitar o corte do solo, segundo Hvorslev (1.949); a lubrificação da parte interna do cilindro diminui

o atrito cilindro-solo, reduzindo o encurtamento da amostra. A relação de áreas é calculada com a

equação

[8.6]

onde De e Di são os diâmetros externo e interno do cilindro; a equação é usada para dimensionar a

espessura da parede do cilindro que não pode ser muito fina para não se deteriorar rapidamente, nem

muito grossa para não dificultar a cravação que é feita com o soquete mostrado na Figura 8.16 sem a

preocupação com a energia usada. A amostra ao ser retirada deve ter um excesso de solo no topo e na

base.

Para a retirada do cilindro o solo é escavado em sua volta até atingir a borda inferior e, depois

a escavação continua, por baixo do cilindro, para soltá-lo do solo compactado.

Retirados os excessos de solo, do topo e da base, resta o corpo de prova com volume igual ao

interno do cilindro; em seguida, este é pesado e conhecendo-se a tara e o volume do cilindro, Mc e Vc,

a massa especifica da camada pode ser calculada com a equação

[8.7]

onde M é a massa do corpo de prova.

Na Figura 8.16 está mostrado um corte longitudinal do equipamento e a cravação do cilindro

no solo.

Amostras reduzidas retiradas do interior do corpo de prova são usadas para a determinação do

teor de umidade com um processo rápido e, confirmado com a EEP.

Esse procedimento não é apropriado a camadas muito densas devido às dificuldades de

cravação do cilindro, nem, a um solo arenoso fofo que devido a vibração poderá ocorrer uma

acomodação das partículas, com diminuição do volume de vazios.

O equipamento usado no ensaio com o frasco de areia está mostrado na Figura 8.17; à

esquerda, a foto mostra o conjunto e, à direita, um corte longitudinal do frasco posicionado para a

realização do ensaio.

A abertura do furo deve ser rápida e protegida dos raios solares e alcançar uma profundidade,

em torno, de 2/3 da espessura da camada. Terminada a abertura é realizada a pesagem do solo retirado,

M, e, também, amostras para a determinação do teor de umidade com uma secagem rápida e com a

EEP.

64

Figura 8.16 Corte longitudinal e cravação do cilindro

Figura 8.17 Frasco de areia

Em seguida o frasco de areia é posicionado sobre o furo e a válvula é aberta permitindo que o

escoamento da areia preencha todo o volume do furo e, também, o do funil.

O volume do furo é determinado de modo indireto através de pesagens do frasco antes (M1) e

depois (M2) da colocação da areia no furo; a diferença entre essas duas pesagens é a massa de areia

necessária para preencher o volume do furo e o do funil. A massa de areia necessária para o

preenchimento do funil é determinada previamente em laboratório e, se torna uma constante do

equipamento; para isso, o frasco é apoiado sobre o tampo de uma mesa e a válvula é aberta. Com

pesagens do frasco, antes e depois dessa operação é determinada a massa de areia seca, Ms, que

preenche o volume do funil, (M3).

A massa de areia, secada previamente na estufa, que deve ter sido secada em estufa, que

preenche o volume, Vf, é igual a Ms = M1 - M2 - M3.

Uma estimativa da massa especifica seca da areia no ensaio de campo, é obtida no laboratório

depositando-a, nas mesmas condições das de campo, em um frasco de volume conhecido e,

determinando a massa de areia que preencheu o frasco e, depois calculando a massa especifica seca.

O volume do furo é calculado com a equação

65

[8.8]

e a massa específica do solo compactado é igual a

[8.9]

O processo de Hilf (1.959, 1.975) permite calcular, de um modo direto, o grau de compactação

de uma camada; a descrição completa do processo se encontra no Apêndice E.

8.7 EXEMPLO

Um ensaio de compactação Proctor Normal, sem reuso, foi realizado com um solo da cidade

de São Carlos resultando a curva de compactação mostrada na Figura 8.18.

Os resultados dos ensaios de caracterização estão mostrados na Tabela 8.7, onde, também,

consta a classificação granulométrica e a unificada; o solo foi identificado como inorgânico e sua cor

predominante é vermelha.

Tabela 8.7 Resultados dos ensaios de caracterização

granulometria plasticidade s classificação

P(S) P(M) P(C) wL IP granulométrica

% g/cm3

unificada

18 34 48 41 16 2,858 argila silto-arenosa

CL - argila pouco plástica com areia

A massa especifica seca máxima é igual a 1,531 g/cm3 e o teor de

umidade ótimo 27,3%; o índice de vazios e o grau de saturação nesse ponto valem e = 0,867 e Sr =

90,0%.

Figura 8.18 Curva de compactação sem reuso do solo

Para dois valores da massa especifica seca, d = 1,450 e 1,525 g/cm3, serão calculados os

índices físicos, no ramo seco e no úmido, usando, apenas, as equações de definição; para isso serão

calculados o volume e a massa de cada fase.

Para uma mesma massa específica seca os teores de umidade dos pontos A e B e, dos pontos C

e D são, iguais a: A B

d = 1,450 g/cm3 w = 24,1% e w = 32,2%

C D

d = 1,525 g/cm3 w = 26,9% e w = 28,2%.

66

O volume do corpo de prova compactado é igual 1.000 cm3, que é o volume do cilindro usado

no ensaio de Proctor Normal.

massas e volumes das fases

Ponto A

w = 24,1% d = 1,450 g/cm3 s = 2,858 g/cm3

Ms= 1.450,00 g Vs = 507,35 cm3

Mw = 349,45 g Vw = 349,45 cm3

M = Ms + Mw M = 1799,45 g = 1,799 g/cm3

V = Vv + Vs Vv = 492,65 cm3

Var = Vv – Vw Var = 143,20 cm3

Com os valores calculados das massas e volumes pode-se montar o esquema do ponto A, na

Figura 8.19 e calcular os demais índices físicos com as relações de definição.

e = 0,971

Sr = 70,9%

n = 49,3%

Os índices físicos dos outros pontos podem ser calculados do mesmo modo e os valores

obtidos estão mostrados na Tabela 8.8.

Tabela 8.8 Índices físicos nos quatro pontos

ponto d w s e Sr n

g/cm3

% g/cm3 g/cm

3 % %

A 1,450 24,1 1,799 0,971 70,9 49,3

B 32,2 1,917 2,858 94,8

C 1,525 26,9 1,935 0,874 88,0 46,6

D 28,0 1,952 91,6

Para uma mesma massa especifica o aumento no teor de umidade altera o valor, apenas, da

massa especifica e do grau de saturação.

variação dos volumes no ramo seco e úmido

Na Tabela 8.9 estão mostrados os volumes das três fases do solo nos pontos A, e C, no ramo

seco e, nos pontos D e B, no ramo úmido, bem como, a variação que ocorre em valores absolutos e

percentuais.

Quando se passa do ponto A (w = 24,1%) para o C (w = 26,9%) no ramo seco houve um

acréscimo no teor de umidade de 11,6% em relação ao inicial o que provocou um acréscimo de 5,3% e

17,4% no volume de sólidos e de água, respectivamente e, uma redução de 60,8% no volume de ar.

Do ponto D (w = 28,0%) para o ponto B (w = 32,2%) no ramo úmido o acréscimo relativo no

teor de umidade é de 15,0% reduzindo o volume de sólidos de 4,9% e aumentando o volume de água

de 9,3%; a redução do volume de ar foi de 34,7%, um pouco menos da metade da redução no ramo

seco.

67

Figura 8.19 Esquema dos quatro pontos

Tabela 8.9 Volumes das três fases e suas variações

ponto volumes variação absoluta variação percentual

Vs Vw Var Vs Vw Var Vs Vw Var

cm3

cm3 %

A 507,35 349,45 143,20

26,24 60,78 - 87,01 5,2 17,4 - 60,8

C 533,59 410,23 56,19

D 533,59 427,00 39,41

- 26,24 39,90 - 13,66 - 4,9 9,3 -34,7

B 507,35 466,90 25,75