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objetivo: |
Finalizando este capítulo você deverá compreender como a engenharia utiliza a mecânica dos solos nas várias aplicações tecnológicas. E então? Motivado para desenvolver esta competência? Então vamos lá. |
A mecânica dos solos está presente em todas as obras de engenharia civil, pois toda obra assenta-se sobre o terreno e inevitavelmente necessitam que o comportamento do solo seja considerado. A mecânica dos solos estuda o comportamento dos mesmos quando tensões são aplicadas, fundações ou quando se tem o alívio de tensões como no caso das escavações, ou ainda, perante o escoamento de água pelos seus vazios.
A dificuldade de um conhecimento profundo e abrangente exigiu a divisão em áreas específicas. Os ramos que primeiro se desenvolveram e, por esse motivo, os mais estudados foram a hidráulica e a teoria das estruturas. A área da Hidráulica estuda os fluidos, em particular a água, principalmente em ambientes naturais. Os fenômenos hidráulicos podem fugir a um tratamento matemático, mas a utilização de ensaios em modelos reduzidos permite, quase sempre, uma adequada análise de seus comportamentos. O segundo, trabalha com materiais selecionados, cujos comportamentos são bem conhecidos, entre os quais o concreto, o aço e a madeira. Esse campo utiliza, para solução dos seus problemas, modelos simples, passíveis de tratamento matemático.
Para fins de engenharia, segundo Das (2007, pág. 01), o solo é definido como o agregado não-cimentado de grãos minerais e matéria orgânica decomposta (partículas sólidas) com líquido e gás nos espaços vazios entre as partículas sólidas. Utiliza-se o solo como material de construção dos mais variados tipos de projetos de engenharia civil e fundações estruturais. Dessa forma, é muito importante o conhecimento das propriedades do solo como sua origem, distribuição de tamanho dos grãos, capacidade de drenagem de água, compressibilidade, resistência ao cisalhamento e capacidade de carga. A mecânica dos solos, ainda, segundo Das (2007), é o ramo da ciência que estuda as propriedades físicas do solo e do comportamento das massas de solos sujeitas a vários tipos de forças. Na Engenharia de solos aplica-se princípios da mecânica dos solos a problemas práticos; a engenharia geotécnica, subdivisão da civil, envolve os materiais encontrados próximos à superfície terrestre.
A mecânica dos solos surgiu com Terzaghi como ciência em 1925 quando esse publicou sua obra intitulada “Erdbaumechanik Auf Bodenphysikalisher Grundlage” podendo ser traduzido como “Mecânica das construções de Terra baseada na física dos solos”. Nessa obra, evidencia-se o papel desempenhado pela água no comportamento dos solos. Antes de Terzaghi mostram-se registros do uso do solo como material de construção que perderam-se na antiguidade.
A história registrada nos mostra que as civilizações antigas floresceram ao longo das margens dos rios como o Nilo, o Tigre e o Eufrates, O Huang Ho e o Indo. Diques datados com 2.000 a.C. foram construídos na bacia do Indo para proteção da cidade de Mohenjo Dara, hoje conhecido como Paquistão. Civilizações na Grécia antiga utilizaram sapatas isoladas e corridas para construção de edifícios. Em 2.750 a.C., as cinco pirâmides mais importantes (Saqqarah, Medidum, Dahsgur Sul e Norte, e Quéops) foram construídas em um período menor que um século.
Figura 1: Pirâmides de Quéops
Fonte: Pixabay
Podemos ver diversos desafios no tocante a fundações, estabilidade de encostas e construção de câmaras subterrâneas. Foram construídas estruturas na China durante a dinastia Han Oriental em 68 d.C., milhares de pagodes (estruturas tipo torre, com múltiplas beiradas). Muitas destas estruturas foram erguidas sobre uma camada de silte e argila mole e, em alguns casos, a pressão da base excedeu a capacidade de carga do solo provocando extensos danos estruturais.
Figura 2: Exemplo de pagode
Fonte: Pixabay
Um dos melhores exemplos com problemas relacionados à capacidade de carga do solo decorrente de construção de estruturas antes do século XVIII é a torre inclinada de Pisa, na Itália.
Figura 3: Torre de Pisa, Itália
Fonte: pixabay
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A torre de Pisa continua inclinada e não cai. Saiba o porquê! Clique aqui. |
A construção da torre começou em 1173 d.C. quando a República de Pisa estava em crescimento populacional e continuou por mais de 200 anos. O peso da estrutura é de 15.700 toneladas força e é suportada por uma base circular com diâmetro de 20 m. Antigamente, a torre mudou sua inclinação para o leste, norte, oeste e, finalmente, para o sul. Inspeções recentes mostraram que uma camada frágil de argila existe a uma profundidade de cerca de 11m abaixo da superfície do solo, o que fez a torre inclinar. Com mais de 5 m fora do prumo com a altura de 54 m. Em 1990 foi fechada pois temiam sua ruína. Há pouco tempo, ela foi estabilizada pela escavação do solo sob o lado norte e cerca de 70 toneladas força de terra foram removidas. À medida que a terra recalcou aos poucos para preencher o vazio e, essa medida, reduziu o desaprumo. Problema similar ocorreu com a Torre Garisenda, em Bolonha na Itália.
Figura 4: Torre Garisenda, Bolonha, Itália
Fonte: Pixabay
Ao longo do encontro de vários problemas relacionados à fundação durante as construções antigas, engenheiros e cientistas começaram a tratar das propriedades e comportamentos dos solos de forma mais metódica a partir do século XVIII. A mecânica dos solos pode ser dividida em quatro períodos principais de acordo com Skempton apud Das, (2007), são eles:
1.Pré-clássico (1700 a 1776 d.C.).
2.Mecânica dos solos clássica – Fase I (1776 a 1856 d.C.).
3.Mecânica dos solos clássica – Fase II (1856 a 1910 d.C.).
4.Mecânica dos solos moderna (1910 a 1927 d.C.).
No período pré-clássico, concentrou-se o estudo nas encostas naturais e a pesos específicos de vários tipos de solos, bem como em teorias semiempíricas de empuxos de terra. Na Fase I da clássica, a maior parte do desenvolvimento foi por parte de engenheiros e cientistas franceses. Nesse período, praticamente todas as considerações teóricas usadas no cálculo da pressão lateral de terra em muros de arrimo tiveram como base uma superfície de ruptura no solo arbitrariamente definida. Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806) utilizou princípios de cálculos de máximos e mínimos para determinar a posição exata da superfície de deslizamento no solo por trás de um muro de arrimo utilizando leis do atrito e da coesão para corpos sólidos. Ainda, podemos enumerar grandes contribuições, são elas, de acordo com Pinto (2012):
•Cauchy em 1822, apresentou um estudo sobre o estado de tensão e deformação, em torno de um ponto no interior de um maciço. A partir desse trabalho, outro aspecto foi dado ao desenvolvimento das análises de estabilidade, que até então utilizavam apenas os princípios da estática.
•Em 1840, Poncelet aplicou a teoria clássica de Coulomb a muros de arrimo com paramentos inclinados.
•Pouco depois de Poncelet, Alexandre Colin, em 1846, publicou um livro que continha observações de campo sobre o deslocamento de camadas de argila e a descrição de um aparelho capaz de medir a sua resistência ao cisalhamento.
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Na fase II, tivemos o aparecimento de ensaios laboratoriais em areia na literatura. Em 1856, Darcy estabeleceu a lei que define “o movimento da água em meios porosos”. Lei de extrema importância no estudo da percolação da água através dos solos definindo o termo coeficiente de permeabilidade. Ainda em 1856, surge a contribuição de Rankine com aplicação das equações de desequilíbrio interno de maciços terrosos. Ainda, tivemos George Howard Darwin (1845-1912) contribuindo com o momento de tombamento, Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929), com o desenvolvimento da teoria da distribuição de tensões sob áreas carregadas em um meio homogêneo, semi-infinito, elástico e isotrópico e, Osborne Reynolds (1842-1912) com o fenômeno da dilatância na areia.
Na mecânica de solos moderna, pesquisas são realizadas em argila determinando as propriedades e parâmetros fundamentais. Contribuíram para tal, Atterberg (1908) que estabeleceu os limites de consistência dos solos argilosos, com utilização na Agronomia; Otto Mohr (1914) que aplicou aos solos a sua teoria de ruptura dos materiais. Essa teoria lança a ideia das curvas envolventes, que associadas às proposições de Coulomb, segundo as quais a envoltória e uma reta, estabeleceu o critério de resistência de Mohr-Coulomb (PINTO, 2012) .
Depois de 1927, a publicação de Karl Terzaghi “Erdbaumechanik Auf Bodenphysikalisher Grundlage” modificou todo o cenário e uma nova era no desenvolvimento da mecânica dos solos. Terzaghi é merecidamente conhecido como o pai da mecânica dos solos moderna. A Mecânica dos Solos apenas se impôs de forma definitiva a partir de 1936, época da realização da I Conferência de Mecânica dos Solos na Universidade de Harvard.
Estabelecida para estudar o comportamento dos solos segundo formulações teóricas de embasamento científico, buscou-se, a partir de modelos reológicos (o ramo da ciência que estuda as deformações e escoamentos da matéria) e observações de campo, elaborar teorias explicativas desse comportamento. Embora as teorias determinísticas se prestem melhor à elaboração de doutrinas, que, sendo de fácil apreensão, fornecem fundamentos racionais à explicação de fenômenos observados, a heterogeneidade dos solos possui propriedades variáveis, ponto à ponto, e isso conduz a um uso acentuado de teorias probabilísticas.
Existem duas linhas de conduta com relação aos solos. Uma preocupa-se com as propriedades físico-químicas, forças intergranulares, efeito dos fluidos intersticiais e a partir de tais fenômenos consegue explicar o comportamento dos solos. A segunda, considera o solo como um meio contínuo, cuja relação tensão-deformação fornece subsídios para previsão do comportamento do solo. Nos problemas geotécnicos de ordem prática, o engenheiro civil deve ter consciência das limitações das teorias utilizadas e nunca pode esperar um valor exato das grandezas obtidas; deve ser considerado como uma ordem de grandeza (PINTO, 2012).
Consultar soluções dadas a problemas análogos é um recurso que pode ser usado para poder nortear como solução a um problema proposto. Isso dá ao engenheiro um leque de soluções que deverão ser adaptados ao problema em estudo. Bom ter em mente que repetição de condições anteriores são possíveis.
Dessa forma, o uso de ensaios de campo e ensaios laboratoriais para fornecer as reais propriedades dos solos e os dados exigidos nos cálculos de dimensionamento são vitais e, também, a verificação da solução a ser adotada. A seguir tem-se uma quantidade de atividades nas quais a mecânica dos solos é aplicada nas obras.
Quadro 1: A mecânica dos solos nas obras civis
Fonte: Elaborado pelo autor (2020)
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resumindo: |
Agora que entendemos de onde vem a mecânica dos solos vemos que é algo que surgiu com a necessidade do homem de evoluir construindo civilizações, rompendo barreiras e entendendo como a natureza pode ser utilizada de forma sábia e segura. Vimos aqui, também, como grandes homens contribuíram para tornar a mecânica dos solos uma ciência que é vital para a sociedade moderna pois é com essa ciência que podemos conhecer o maciço embaixo antes de qualquer construção a ser feita. Os problemas que se apresentaram nas construções antigas despertaram o interesse a respeito do maciço e teorias foram sendo elaboradas ao longo dos anos. A contribuição do Karl Terzaghi foi tamanha que transformou a mecânica dos solos em ciência e ela é vital para as construções da modernidade. Sejam elas pontes, edifícios, passarelas, viadutos, túneis, qualquer que seja o tipo de obra, se necessitar mexer com o maciço a mecânica dos solos atua. Dessa forma, a mecânica dos solos estuda o comportamento dos solos quando tensões são aplicadas, ou se tem o alívio de tensões e escoamento de água pelos seus vazios dando clareza para as soluções serem adotadas da forma correta. |
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objetivo: |
Aqui, vamos compreender de onde os solos são originados e como são formados. |
Todo solo é originado da erosão (decomposição) das rochas que constituíam a crosta terrestre. A erosão se dá em decorrência de agentes físicos e químicos. As variações de temperatura provocam trincas, nas quais as águas penetram e atacam quimicamente os minerais. O congelamento da água nas fissuras, exerce elevadas tensões e acarreta uma maior fragmentação dos blocos. A fauna e a flora presentes promovem o ataque químico, através de hidratação, hidrólise, oxidação, lixiviação, carbonatação, troca de cátions etc. Segundo Pinto (2012), esses processos em conjunto, que são bem fortes em climas quentes mais do que em climas frios, formam solos que são misturas de partículas pequenas diferenciando-se pelo tamanho e pela composição química. O nível de concentração de cada partícula em um solo depende da composição química da rocha que lhe deu origem.
Figura 5: Ciclo das rochas
Fonte: Das (2007)
Rochas Ígneas, de acordo com Das (2007), são formadas pela solidificação do magma fundido expelido do manto terrestre. Após a erupção fissural ou erupção vulcânica, parte do magma fundido esfria na superfície. Sua mobilidade muitas vezes se encerra abaixo da superfície e esfria para formar rochas ígneas intrusivas denominadas rochas plutônicas e essas rochas podem ser expostas em decorrência da erosão. Existem vários tipos de rochas ígneas e os tipos dependem da composição do magma no momento da sua formação como, também, da taxa de resfriamento associada a ele.
Figura 6: Granito uma rocha ígnea
Fonte: Pixabay
O processo de ruptura das rochas em pedaços menores recebe o nome de intemperismo. O intemperismo físico ou mecânico, conforme Das (2007), pode ser causado pela expansão e contração de rochas devido ao ganho contínuo ou perda de calor resultando em uma extrema desintegração. Como comentado anteriormente, a água se infiltra pelos poros e fendas das rochas e quando a temperatura cai, a água congela e expande. O gelo promove uma pressão que causa a expansão do volume que é forte o suficiente para romper mesmo grandes rochas. Outros os agentes que participam da desintegração das rochas são o vento, água, gelo de geleiras, água corrente de córregos, rios e as ondas do oceano.
O intemperismo físico atua em rochas grandes quebrando em pequenos pedaços sem modificar sua composição química. A seguir pode-se ver sua atuação.
Figura 7: Erosão mecânica produzida pelas ondas oceânicas
Fonte: Pixabay
Conforme Das (2007), no intemperismo químico, os minerais originais das rochas são transformados em novos minerais por reação química. A água e o dióxido de carbono presente na atmosfera formam o ácido carbônico que reage com os minerais da rocha culminando na formação de novos minerais e sais solúveis. A presença de sais solúveis no lençol freático e ácidos orgânicos formados a partir de materiais orgânicos decompostos também promovem o intemperismo químico. Temos que ter em mente que o intemperismo é um processo e que esse processo altera massas de rocha sólida em fragmentos menores dos mais variados tamanhos, incluindo grandes blocos até partículas pequenas de argila.
Figura 8: Erosão mecânica
Fonte:Pixabay
Temos que ter em mente que o intemperismo é um processo e que esse processo altera massas de rocha sólida em fragmentos menores dos mais variados tamanhos, incluindo grandes blocos até partículas pequenas de argila.
Depois do processo de intemperismo ter gerados alguns produtos, esses produtos podem permanecer ou serem levados para outros locais seja, pelo vento, água, gelo ou gravidade. Os solos que são formados por produtos do intemperismo no seu local são os solos residuais caracterizando bem a gradação do tamanho das partículas. Pois, nos solos residuais os grãos finos estão mais na superfície e o tamanho aumenta de acordo com a profundidade.
Segundo Das (2007), os solos transportados são classificados em grupos e essa classificação depende, do seu modo de transporte e de deposição. A classificação segue a seguir:
1.Solos glaciais que são formados por transporte e deposição de geleiras.
2.Solos aluviais são os transportados por água corrente e depositados ao longo do percurso.
3.Solos lacustres são os formados por depósitos em lagos calmos.
4.Solos marinhos são os formados por depósitos em mares.
5.Solos eólicos são aqueles transportados e depositados pelo vento.
6.Solos coluviais são aqueles formados pelo movimento do solo a partir do seu lugar original por gravidade, tal como ocorre durante o deslizamento de terra.
As rochas sedimentares ou, como também é conhecida, rochas estratificadas, são formadas em decorrência do intemperismo com o acúmulo de pedregulhos, areia, silte e argila. Podem tornar-se compactos por pressão das sobrecargas e cimentados por agentes como o óxido de ferro, calcita, dolomita e quartzo. Os agentes de cimentação normalmente são levados em solução pelo lençol freático que preenche os vazios entre as partículas, formando as rochas sedimentares. As rochas formadas dessa maneira são chamadas de rochas sedimentares detríticas que possuem uma textura clástica. São exemplos conglomerado, arenito e argilito e folhelho.
Definição: Rocha clástica ou detrítica é a designação dada em geologia às rochas compostas por clastos, detritos geológicos constituído por fragmentos de minerais e rochas pré-existentes acumuladas por ação mecânica e consolidados em maior ou menor grau por diagénese.
Figura 9: Rocha sedimentar
Fonte: Pixabay
Figura 10: Arco de pedra em arenito, em Moab, Utah
Fonte: Pixabay
Também temos as rochas sedimentares formadas por processos químicos e são chamadas de rochas sedimentares químicas. Essas podem ter textura clástica ou não-clástica. São exemplos o calcário, sal de rocha, dolomita e gesso.
Figura 11: Rocha calcária
Fonte: Pixabay
A rocha sedimentar poder sofrer degradação para formar sedimentos ou pode ser submetida ao processo de metamorfismo que transforma a rocha sedimentar em rocha metamórfica.
O metamorfismo, também um processo, altera a composição e texturas das rochas, sem fusão, por calor e pressão. Novos minerais são formados e grãos de minerais são cisalhados para fornecer uma textura folhada à rocha metamórfica. O gnaisse é um bom exemplo de rocha metamórfica e é produto do metamorfismo regional de alto grau de rochas ígneas como o granito, gabro e a diorita.
Figura 12: Exemplo do gnaisse
Fonte: Pixabay
O metamorfismo, também um processo, altera a composição e texturas das rochas, sem fusão, por calor e pressão. Novos minerais são formados e grãos de minerais são cisalhados para fornecer uma textura folhada à rocha metamórfica. O gnaisse é um bom exemplo de rocha metamórfica e é produto do metamorfismo regional de alto grau de rochas ígneas como o granito, gabro e a diorita.
O metamorfismo, também um processo, altera a composição e texturas das rochas, sem fusão, por calor e pressão. Novos minerais são formados e grãos de minerais são cisalhados para fornecer uma textura folhada à rocha metamórfica. O gnaisse é um bom exemplo de rocha metamórfica e é produto do metamorfismo regional de alto grau de rochas ígneas como o granito, gabro e a diorita.
A primeira característica que diferencia os solos é o tamanho das partículas que os compõem. À primeira vista, pode-se identificar que alguns solos possuem grãos perceptíveis a olho nu, como os pedregulhos e a areia do mar, mas outros são tão finos que quando molhados se transformam em uma pasta e não se pode visualizar as partículas individualmente (PINTO, 2012).
Segundo Pinto (2012), a diversidade de grãos é imensa, porém não é perceptível em um primeiro contato com o material, pois todos parecem muito menores com os materiais com os quais lidamos no dia a dia. Mas, mesmo na escala do solo, alguns são muito menores que outros. A areia possui grãos com dimensões que variam de 1 a 2 mm enquanto partículas de argila podem ser encontradas na ordem de 0,000001 mm ou 10 Angstrons.
A composição do solo é variada e não se consegue identificar o tamanho das partículas do solo pelo simples manuseio. Os grãos de areia, por exemplo, podem estar envolvidos por uma grande quantidade de partículas argilosas, finíssimas, adquirindo o mesmo aspecto de uma aglomeração formada, exclusivamente, por uma grande quantidade dessas partículas. Quando secas, as duas formações são bem semelhantes, mas, quando úmidas, a aglomeração de partículas argilosas transforma-se em uma pasta fina, enquanto a partícula arenosa revestida é facilmente reconhecida pelo tato.
Existem várias denominações empregadas nas diversas faixas de tamanho de grãos; os limites variam conforme o sistema de classificação. Seguem alguns exemplos de classificação.
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resumindo: |
Aqui vimos de onde os solos são originados e como são formados ao longo dos anos. Tenha em mente, que esse processo é muito, muito longo, pois a decomposição que atua nas rochas em sua forma primitiva é um processo moroso. Algumas das rochas em sua forma original são amplamente usadas na construção civil, veja o granito, por exemplo, bastante usado em confecção de bancadas e divisórias. Também, bastante utilizado na construção civil, temos o mármore como exemplo de rocha metamórfica, utilizado amplamente com as mesmas finalidades do granito. Em respeito ao solo, é importante saber que a maior ou menor concentração de cada tipo de partícula presente no solo depende da composição química da rocha que lhe deu origem e essa composição vai fornecer a ele características importantes que são levadas em consideração antes de se fazer qualquer empreendimento seja de baixa, média ou alta complexidade. Essas características serão estudadas um pouco mais a frente. Então, preparados para os próximos capítulos? Vamos nessa! |
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objetivo: |
Finalizando este capítulo você deverá compreender como a engenharia utiliza a mecânica dos solos nas várias aplicações tecnológicas. E então? Motivado para desenvolver esta competência? Então vamos lá. |
Em um solo, somente parte do volume total é ocupado pelas partículas sólidas que se acomodam formando uma estrutura. Segundo Pinto (2012), o volume restante costuma ser chamado de vazios, mesmo ocupado por ar ou até mesmo água. Então, temos que reconhecer que o solo é trifásico, ou seja, constituído em três fases. São elas: as partículas sólidas, água e ar. O comportamento de um solo depende do quanto de cada fase está presente. Relações matemáticas são empregadas a fim de expressar as proporções entre elas.
Figura 14: - As fases do solo
Fonte: Pinto (2012).
Na figura acima, podemos ver o solo em uma forma natural (a), separado em volume (b) e em função do volume de sólidos (c). As quantidades de ar e água podem variar. A evaporação pode atuar diminuindo a quantidade de água, substituindo por ar enquanto uma possível compressão no solo pode provocar a retirada de ar e água reduzindo o volume de vazios. O solo permanece o mesmo se comparado às partículas, mas o seu estado se altera. As diversas propriedades do solo dependem do estado em que se encontra, pois quando se diminui o número de vazios, por exemplo, aumenta-se sua resistência.
Para se identificar o estado do solo são usados os índices físicos que correlacionam pesos e volumes das três fases como mostrado na figura 14. Seguem as definições e suas respectivas relações matemáticas.
Umidade é a relação entre peso da água e o peso dos solos e é expressa pela letra w. A umidade é determinada através do peso do solo no seu estado natural e, depois de colocado na estufa a 105ºC, verifica-se se o peso ficou constante. Depois disso, pesa-se novamente a amostra de solo e verifica-se o novo peso. Com esses dados em mãos obtém-se o teor de umidade ou teor de água e é dado pela expressão:
Equação:
onde: Ww é o peso da água e Ws é o peso do sólido.
Peso específico da água embora varie com a temperatura, normalmente adota-se o valor de 10 kN/m³ ou 1 tf/m³ ou, ainda, 1.000 kfg/m³, representado por yw.
Índice de vazios é a relação de volume de vazios e o volume das partículas sólidas e expresso pela letra e. Não é possível obtê-lo diretamente, mas sim, a partir da correlação entre outros índices.
Porosidade é a relação entre o volume de vazios e o volume total e indica a mesma coisa que o índice de vazios e é expresso pela letra n.
Grau de saturação dá-se pela relação entre o volume de água e o volume de vazios e é expresso pela letra s. A saturação varia de 0 onde se tem o solo seco a 100%, com o solo saturado.
Peso específico dos sólidos é a relação entre o peso das partículas sólidas e o seu volume. É expresso pela letra ys e determinado em laboratório para cada tipo de solo.
Peso específico natural é a relação entre o peso total do solo e seu volume total e é expresso pela letra yn. Algumas vezes o peso específico natural equivale ao peso específico do solo, mas em caso de compactação, o peso específico natural é denominado peso específico úmido.
O peso específico aparentemente seco é a relação entre o peso dos sólidos e o volume total. Ele nos informa o peso específico que o solo teria se ficasse seco e se pudesse acontecer sem uma variação de volume. É expresso pela letra yd e não é determinado em laboratório, mas sim, calculado a partir do peso específico natural e da umidade.
Peso específico aparente saturado nos informa o peso específico do solo se esse ficasse saturado e se ocorresse sem uma variação de volume. Não possui tanta aplicação prática.
Peso específico submerso é a relação que envolve o peso específico efetivo do solo quando submerso expresso pelo ysub. Muito utilizado para cálculo de tensões efetivas.
A seguir serão mostradas as equações para cálculo dos índices de estado. Dos 3 índices anteriormente demonstrados, se puder observar, são obtidos no laboratório e eles são: a umidade, o peso específico dos grãos e o peso específico natural. Adotamos o peso da água e os demais são correlações a partir desses 3.
Figura 15: A fases do solo em função do volume de sólidos
Fonte: Pinto (2012).
Essa figura apresenta um esquema do qual se pode fazer uso para definição das equações. Conforme Pinto (2002), adotando o volume de sólidos 1, o volume de vazios é igual a e, sendo S * e o volume de água. O peso dos sólidos é ys, e o pessoa de água ysw. Assim as correlações são obtidas:
Outras equações resultam de deduções, a sequência natural de cálculo em laboratório se segue:
O peso específico é expresso em unidades do sistema internacional (SI) de medidas, a unidade utilizada é o quilonewton por metro cúbico
(kN/m³). Segundo Das (2007), trabalhar com massa específica (ρ) de solo pode ser conveniente em alguns casos. A unidade SI para massa específica é quilograma por metro cúbico (kg/m³). Dessa forma, podemos expressar as equações de densidade como:
Aqui temos que:
ρ = massa específica do solo (kg/m³)
ρd = massa específica seca do solo (kg/m³)
M = massa total da amostra do solo (kg)
Ms = massa dos sólidos do solo na amostra específica do solo.
Para se obter uma relação entre o peso específico (ou a massa específica), o índice de vazios e o teor de umidade, consideremos um volume de solo no qual o volume dos sólidos no solo é 1, como considerado anteriormente. Assim, o volume dos vazios é numericamente igual ao índice de vazios, e. Os pesos dos sólidos no solo e da água podem ser:
W = γsγw
Ww = wWs = wγs γw
Sendo: γs = peso específico relativo dos sólidos do solo
w = teor de umidade
γw = peso específico da água
Usando os conceitos de peso específico e peso específico seco podemos escrever que:
Ainda, se fizermos S = 1, obtemos: e = w * ys
Considere um solo que tenha volume total igual a 1. De forma similar podemos obter equações que relacionam peso específico, porosidade e teor de umidade, pois
Abaixo encontra-se um esquema considerando o solo com volume total igual a 1 e solo saturado com volume total igual a 1.
Figura 16: Elemento de solo com volume total igual a 1
Fonte: Das (2007).
A seguir é apresentada uma amostra de solo considerando-o saturado com seu volume total igual a 1.
Figura 17: Elemento de solo saturado com volume total igual a 1
Fonte: Das (2007).
A partir das figuras 16 e 17 podemos concluir que V = 1, então
VS = 1 - n . O peso dos sólidos do solo, dado por WS, e o peso da água Ww, podem ser expressos conforme indicado a seguir.
A figura 17 apresenta solo saturado e tem , assim:
Até aqui todas essas relações são fundamentais para o peso específico natural, peso específico seco e peso específico saturado do solo. Existem várias outras relações. A seguir mostramos várias dessas relações matemáticas “secundárias”.
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saiba mais: |
Caro aluno(a) você poderá compreender melhor sobre os índices físicos, Clique aqui. |
Figura 18: Várias formas de relações para y, yd e ysat.
Fonte: Bueno e Vilar (1979).
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resumindo: |
Apresentamos nesse capítulo as várias correlações que podem ser feitas com o intuito de se obter informações necessárias para conhecer o solo com o qual queremos investigar ou manipular. Conhecemos os conceitos de índices de vazios, densidade, massa específica, porosidade, grau de saturação, teor de umidade e diversos pesos específicos. Todos esses índices são manipulados através de equação para se obter valores para estudo. Uma particularidade dos índices físicos é que precisa de muito exercício para se dominar as equações a fim de se encontrar os valores requeridos para teste de laboratório e até mesmo questões para exercício. Convém praticar, pois as correlações só serão familiares após isso. Animado para nosso último capítulo? Espero que sim! As coisas ficarão menos monótonas a partir de agora. Te vejo lá! |
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objetivo: |
Saber como o tamanho das partículas que estão distribuídos em uma amostra de solo é muito importante para a engenharia. Aqui, vamos descobrir como isso é feito. |
Geralmente, nos solos, existem partículas de tamanhos variados. Normalmente, não se consegue identificar as partículas, pois, as vezes, as partículas de areia, por exemplo, podem estar envolvidas por uma grande quantidade de partículas argilosas, finíssimas, com o mesmo aspecto de uma aglomeração formada exclusivamente por essas partículas argilosas, de acordo com Pinto (2012).
Quando secas, as duas formações são dificilmente diferenciáveis e, quando úmidas, a aglomeração de partículas argilosas se transforma em uma pasta fina, enquanto a partícula arenosa revestida é facilmente reconhecida pelo tato. Em uma tentativa de identificação tátil-visual dos grãos de um solo, é fundamental que ele se encontre bem úmido.
Para reconhecimento do tamanho dos grãos de um solo realiza-se a análise granulométrica.
Análise granulométrica é o estudo dos métodos que estabelecem a distribuição de tamanhos das partículas em um material granulado ou produto fragmentado em função das respectivas massas.
Seu objetivo é determinar o tamanho em que se encontra um determinado material e determinar, também, a distribuição na qual se encontra um determinado material.
Em quais as situações um ensaio de granulometria deve ser solicitado?
Na granulometria usa-se duas técnicas. São elas:
•Peneiramento a seco (mais utilizado na construção civil) ou úmido.
•Sedimentação (lei de Stokes).
O peneiramento, é um dos métodos mais antigos na área de processamento mineral e é até hoje amplamente usado com aplicação comprovada em uma variedade de indústrias nas mais diferentes áreas.
O peso do material que passa em cada peneira, referido ao peso seco da amostra, é considerado como a “porcentagem que passa” e representado graficamente em função da abertura da peneira em um gráfico com escala logarítmica como mostrado abaixo.
Figura 20: Exemplo de curva de distribuição granulométrica do solo
Fonte: Pinto (2012).
A análise por peneiramento tem como limitação a abertura da malha pois não pode ser tão pequena quanto o diâmetro de interesse. A menor peneira comumente utilizada é a de nº 200, cuja abertura é de 0,075mm. Peneiras menores são até possíveis de se conseguir, porém são mais frágeis e só são utilizadas em estudos especiais. A peneira 200 tem aberturas muito maiores do que as menores partículas do solo. Seguem algumas imagens para exemplificar as peneiras usadas na análise granulométrica.
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saiba mais: |
Você poderá compreender melhor sobre o ensaio de granulometria - NBR 7181 (peneiramento), Clique aqui. |
Figura 21: Peneira granulométrica com material retido
Fonte: Dirksen (2018).
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saiba mais: |
Compreenda melhor sobre a Mecânica dos Solos I - Vídeo 02 - Peneiramento e Sedimentação, Clique aqui. |
Quadro 2: Quadro de abertura de peneiras da ASTM (mesh)
Fonte: https://www.ufjf.br/baccan/files/2011/05/Granulometria.pdf
O processo de peneiramento se dá colocando o material na peneira de cima, ao ligar o agitador a areia mais fina começa a descer e obtém-se o resultado mostrado na figura 24.
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Figura 23: Agitador para 6 peneiras granulométricas redonda eletromagnética
Fonte: Heinzen (2019).
A seguir as partículas distribuídas nas peneiras utilizadas no agitador.
Figura 24: Pós-peneiramento
Fonte: Filasco (2017).
Depois as amostras são pesadas e através dos dados coletados gera-se a curva granulométrica.
Figura 25: Curva granulométrica de alguns solos brasileiros
Fonte: Pinto (20127)
O processo de sedimentação é utilizado quando há interesse na distribuição granulométrica da porção mais fina do solo, conforme Pinto (2012). Baseada na Lei de Stoke que afirma que a velocidade de queda de partículas esféricas em um fluido atinge um valor limite que depende do peso específico do material da esfera , da viscosidade do fluido (, e do diâmetro da esfera (D), segundo a expressão:
Figura 26: Sedimentação em esquema representativo
Fonte: Pinto (2012).
Ao colocarmos uma quantidade de solo, normalmente em torno de 60 g, em suspensão em água, normalmente 1 litro, as partículas cairão com velocidades proporcionais ao quadrado de seus diâmetros, conforme Lei de Stokes. Na figura 26, a esquerda do frasco, estão indicados grãos com quatro diâmetros diferentes igualmente representados ao longo da altura, dá-se o início do ensaio.
Observando-se a figura 26, a direita do frasco a densidade de suspensão era uniforme ao longo da altura no início do ensaio, não o será após certo tempo, em uma determinada seção, em uma dada profundidade, menos partículas estão presentes.
Consideremos uma seção genérica, a uma profundidade z, decorrido um determinado tempo t, veja o esquema da figura 26. Assim, a maior partícula existente nessa seção, é aquela encontrada originalmente na superfície e caiu com a velocidade v = z/t. Dessa forma, partículas maiores não podem existir, pois sedimentam-se com maior velocidade. Não obstante, encontra-se nessa seção partículas de menor tamanho, na mesma proporção inicial, pois à medida que sai da seção em que se encontrava acima ocupa a posição, conforme explica Pinto (2012). O diâmetro de maior partícula presente na seção pode ser obtido pela Lei de Stokes.
Quando a suspensão é colocada em repouso a sua densidade permanece igual por toda a profundidade e ao partículas maiores caem, a densidade na parte superior do frasco diminui. Em qualquer profundidade, em um dado momento, relaciona-se a densidade existente e a densidade inicial indicando a porcentagem de grãos com diâmetro inferior ao determinado pela Lei de Stokes.
O densímetro indica a profundidade correspondente e, também, a densidade de suspensão. As diversas leituras feitas no densímetro, em diversos intervalos de tempo, determinarão igual número de pontos na curva granulométrica complementado, por exemplo, a curva mostrada na figura 20. É determinado um diâmetro equivalente pois as partículas não são esferas das quais são aplicadas na Lei de Stokes. O diâmetro equivalente da partícula é o diâmetro da esfera que sedimenta com velocidade igual à da partícula.
Conforme Pinto (2012), uma das operações mais importantes é a separação de todas as partículas, de forma que elas possam sedimentar isoladamente. Naturalmente, é frequente que as partículas estejam agregadas ou floculadas. Os diâmetros dos flocos e da partícula isolada serão determinados se as aglomerações não forem destruídas. Adiciona-se um defloculante e a amostra fica submersa por 24h e provoca-se, depois, uma agitação padrão. A preparação da amostra sempre é necessária, pois, se não for feita, ficarão retidas agregações mais finas nas peneiras.
Embora solos de mesma origem tenham características comuns torna-se frequente apresentarem uma razoável dispersão de constituição. As curvas apresentadas na figura 25, devem ser consideradas somente como exemplos, pois espera-se que em uma mesma formação, ocorram variações sensíveis de resultados, mesmo que características básicas sejam mantidas.
Observe que as designações utilizadas para expressar frações granulométricas de um determinado solo são utilizadas para designar os próprios solos.
Por exemplo, dizer que um solo é argila quando o seu comportamento é de um solo argiloso, mesmo que esse contenha partículas com diâmetros que correspondem a silte e areia. Da mesma forma, a areia, pois seu comportamento é regido pelos grãos arenosos mesmo que as partículas de outras frações possam ser encontradas.
Figura 27: Ensaio de sedimentação
Fonte: Kirschner (2008).
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Dada a continuação da sedimentação, e com variação das zonas, conforme a Fig. 26 (b), (c) e (d) até chegar a um ponto em que B e C desaparecem, os sólidos chegam D; aqui temos o ponto de sedimentação crítico, aquele ponto em que uma única interface nítida forma-se entre o líquido límpido e os sedimentos. A partir desse momento, o processo de sedimentação se dá na compressão lenta dos sólidos expulsando o líquido retido entre os sólidos para a zona límpida. As velocidades de sedimentação são muito baixas nessa lama grossa.
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resumindo: |
Apresentamos nesse capítulo o estudo da granulometria. Como visto, é uma área com grande contribuição para a mecânica de solos, pois é com ela que se consegue identificar os solos por meios de ensaios. Técnica bastante utilizada em laboratórios para determinação da faixa de tamanho das partículas presentes em um solo, expressa como uma porcentagem do peso total seco. Aqui vimos o ensaio de peneiramento e o ensaio de sedimentação. |
Referências
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<https://bit.ly/3zWwL7n>. Acesso em: 24 nov. 2020.
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KIRSCHNER, B. D., Avaliação da estabilidade de fluidos de perfuração base água. Monografia de Graduação. UFRN. 2008.
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