Caiu a chuva, e correram os rios, e assopraram os ventos, e combateram aquela casa e não caiu, porque estava edificada sobre a rocha Mateus, 8,25.

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1 1 Mecânica dos Solos - Aula1 Origem e Formação dos Solos 1.1) O Solo 1.2) Solo e Crosta Terrestre 1.3) Origem dos solos 1.4) Erosão física - Areias 1.5) Erosão química - Argilas 1.6) Tipos de solos 1.7) Minerais Argílicos 1.8) Superfície Específica do Solo Caiu a chuva, e correram os rios, e assopraram os ventos, e combateram aquela casa e não caiu, porque estava edificada sobre a rocha Mateus, 8,25.

2 2 Laboratório de simulação de terremotos 1.1) O solo: São materiais que resultam do intemperismo ou meteorização das rochas, por desintegração mecânica ou decomposição química e biológica. Agentes do Intemperismo: temperatura / pressão / alterações cristalinas / hidratação / agentes biofísicos vegetação / agentes químicos dissolução, oxidação, redução, hidratação, hidrólise, lixiviação. É uma função da rocha mater e dos diferentes agentes de alteração.

3 3 Os solos são agregados de partículas minerais que juntas com o ar e a água nos seus vazios formam um sistema de três fases: O significado original de solo vem do latim da palavra "solum" que em português clássico significa chão. Cada área possui sua definição própria para o solo. No campo da Agricultura - solo é a camada de terra tratável, geralmente de poucos metros de espessura que suporta as raízes das plantas. Na Geologia - solo é descrito como o material disposto em camadas, não consolidado, que se estende da superfície até a rocha sólida e que é formado devido ao intemperismo e a desintegração da rocha sã. Para a Engenharia Civil - o solo é visto em termos de trabalho que pode ser realizado nele ou com ele. É todo material que pode ser escavado a pá e picareta e rocha é todo material que necessite de explosivos para seu desmonte. Sob o ponto de vista puramente técnico são os materiais da crosta terrestre que servem de suporte, são arrimados, escavados ou perfurados e utilizados nas obras de engenharia civil.

4 4 1.2) Solo e Crosta Terrestre: Os solos constituem a camada mais superficial da crosta terrestre.

5 5 A matriz geradora dos solos é o magma, princípio de todas as rochas existentes no globo terrestre. Magma = matéria incandescente, constituinte do núcleo terrestre, de onde é trazida à superfície pelos vulcões. A Pedologia é a ciência que estuda essas camadas, a sua formação e a classificação, levando em conta a ação dos agentes climatológicos. Solo = função (rocha de origem, organismos vivos, clima, fisiografia, tempo, etc) As camadas que constituem um perfil são chamadas de horizontes: camada superficial, subsolo e camada profunda. Os solos se classificam em zonais ou climatogênicos (grupo laterítico); intrazonais e azonais.

6 6 ROCHAS: ÍGNEAS (magmáticas) - formada pelo resfriamento do magma na superfície da crosta. Ex.: granito, basalto SEDIMENTARES - formada em camadas a partir da sedimentação ou deposição de partículas de rochas. Ex.: arenito, xisto, rocha calcária. METAMÓRFICAS - formada pela alteração (mudança de composição) de rochas existentes devido ao extremo calor (ex.: mármore) ou a extrema pressão (ex.: ardósia).

7 7 Mecânica dos Solos: Aplicação das leis de mecânica e de hidráulica aos problemas de engenharia relacionados com os solos. Áreas correlatas: mecânica dos fluídos, resistência dos materiais, reologia. Problemas com o Solo na Engenharia Civil: Solo: características 1- Não possui uma relação única nem linear de tensão x deformação. 2 - Comportamento do solo depende de pressões, tempo, etc. 3 - É diferente em cada local.

8 8 de amostras isoladas. 4 - A massa subterrânea não pode ser vista e sim avaliada através 5 - Amostragem causa distúrbios no solo. Usos do solo na Engenharia: - Como fundação para suportar estruturas resistência ao cisalhamento => colapso ou compressibilidade => recalques, escavações trincheiras, bases, cortes de estradas, remoção e suporte do solo, capacidade de carga aterros naturais ou construídos, taludes. - Como material de construção. - Fluxo d água quando o solo é permeável, a água pode fluir através dele e causar alguns problemas (piping, carreamento). FUNDAÇÕES: Tipos: Direta Profunda

9 9 Fundações Problema: recalques ou levantamentos que causem a ruína da estrutura. Solos expansivos (regiões áridas). Terreno firme x terreno fraco Torre de Pisa - Itália Edifícios de Santos São Paulo

10 10 Levantamentos - ruína da estrutura. SOLO - MATERIAL DE CONSTRUÇÃO: - Utilizado para aterros (barragens), pavimentos (estradas), aeroportos, etc - Problema: Empréstimos. Cortes e aterros.

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12 12 PROBLEMAS ESPECIAIS: - Vibrações (equipamentos, compressores, turbinas) densificação de solos granulares.

13 13 - Explosões (escavações), Terremotos deslizamentos (estabilidade de taludes).

14 14 - Congelamento expansão dos solos - Bombeamento recalques

15 15 Exemplos: Internacionais: Canal do Panamá - sucessivos escorregamentos de terra (Culebra e Cucaracha). Estados Unidos - rupturas de barragens, recalques de edifícios (ASCE). Suécia - escorregamentos em taludes de ferrovias. Alemanha - Canal de Kiel. México - Palácio de las Bellas Artes (2 m de recalque diferencial).

16 16 Canal do Panamá - sucessivos escorregamentos de terra (Culebra e Cucaracha) Estados Unidos - rupturas de barragens, recalques de edifícios (ASCE) Suécia - escorregamentos em taludes de ferrovias

17 17 Alemanha - Canal de Kiel México - Palácio de las Bellas Artes (2 m de recalque diferencial) Nacionais: Rio de Janeiro deslizamentos. Rio Grande do Norte - Barragem do Açu (Eng. Armando Ribeiro Gonçalves). Rio de Janeiro - Deslizamentos

18 18 Rio Grande do Norte - Barragem do Açu MECÂNICA DOS SOLOS - Propriedades de tensão x deformação. - Análise teórica para massas de solo. GEOLOGIA - Composição da massa + JULGAMENTO SOLUÇÕES de solo DE ENGENHARIA PARA OS EXPERIÊNCIA PROBLEMAS ECONOMIA Considerações: (a) A natureza do material, incluindo a medição das propriedades relevantes para a Engenharia. (b) O conhecimento da situação (cenário) do problema incluindo o entendimento das características comportamentais do material e suas circunstâncias particulares. (c) Derivação de um modelo a partir de (a) e (b) ou a representação em termos matemáticos ou mecânicos do comportamento esperado.

19 19 (d) Aplicação das condições de contorno, tais como, tempo, segurança, estética, controles de planejamento, disponibilidade dos materiais, viabilidade operacional, fatores de custo que sempre têm importância primordial. (e) Previsão das soluções em termos de engenharia, mas que também leve em conta os outros fatores. 1.3) Origem dos solos: A origem remota do solo está na decomposição da rocha pela ação das intempéries. Fatores: 1- Natureza da rocha madre 2- Clima da região 3- Agente intempérico de transporte 4- Topografia da região 5- Processos orgânicos Quanto à formação eles podem ser: a) Residuais (ou autóctones) - quando provieram da decomposição da rocha subjacente, ou seja, permanecem no local de origem onde existe uma transformação gradual da rocha até o solo. Graduação: solo residual madura (% maior de argila) saprolito (sapros (grego) = podre, deteriorado) blocos em material alterado rocha sã.

20 20 Exemplo: solos lateríticos, minerais de ferro dão origem a solos lateríticos ou lateritas (zonas tropicais), os solos expansivos e porosos (colapsíveis solos de Brasília). b) Transportados (ou alotóctones) - quando provieram da decomposição de matéria num lugar de detritos provenientes de outro lugar. Apresentam características mecânicas inteiramente diferentes dos solos residuais de onde provieram. Sedimentares: Os agentes de transporte (influenciam na textura do solo) são: baixadas litorâneas) 1) Água - solos aluvionares (terraços fluviais, deltáicos, estuários e

21 21 cruzada"; 2) Ventos - solos eólicos (grãos homogêneos) - "estratificação 3) Gravidade - solos coluvionares (talus - pé de serra) elevado índice de vazios pequeno suporte de carga.

22 22 4) Geleiras - solos glaciares. 5) Correntes marinhas e marés - solos marinhos 6) Homem - aterros ( empréstimos aterro compactado)

23 23 c) Orgânicos - quando provenientes da deposição de matéria orgânica, seja de natureza vegetal (plantas, raízes), seja animal (conchas), quase sempre desenvolvida no mesmo lugar. Exemplo: terras diatomáceas, constituídas de carapaças de algas ou infusórios, turfa (carbonificação - folhas, caules, troncos) - solo fofo, não plástico e combustível. Com alta compressibilidade, absorção de alta quantidade de água, baixa resistência ao cisalhamento, baixa capacidade de carga e difícil de estabilizar.

24 24 d) Pedogênicos (solos brasileiros) - quando provenientes da evolução pedogênica, tais como solos superficiais que suportam as raízes de plantas ou os solos "porosos" dos países tropicais. Exemplo: Terra roxa (solo laterítico de cor marrom - avermelhada - SP); o massapê (solo residual, não laterítico, cor escura, expansivo - BA) ou solo margalítico (cor preta, escuro, cinza ou claro - muito argiloso). Laterita = pedregulho laterítico. Solos porosos, colapsíveis - solos de Brasília. Terra roxa

25 25 Massapê Laterita 1.4) Erosão física - areias A erosão física é a decomposição mecânica, através dos agentes como água, temperatura, vegetação (raízes), vento, formando-se os pedregulhos e areias (solos de partículas grossas) e até mesmo os siltes (partículas intermediárias) e somente em condições especiais, as argilas (partículas finas).

26 26 Decomposição mecânica das rochas: É realizada pela expansão e contração térmica alternadas das rochas sãs até que ocorra o fraturamento. A esse processo estão associadas as forças expansivas de certos minerais constituintes da rocha, da água ou das raízes, que penetram nas fissuras das rochas. Esses fatores isolados ou associados causam a decomposição física das rochas maciças em grandes blocos ou, até mesmo, em pequenos fragmentos.

27 27 1.5) Erosão química - argilas: É o processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas de origem. O principal agente é a água acidulada por ácidos orgânicos e os mais importantes mecanismos de ataque são a oxidação, hidratação, carbonatação e os efeitos químicos da vegetação (ácidos orgânicos). As argilas representam o último produto do processo de decomposição. A alteração química das espécies minerais que formam as rochas pode também produzir areias. O caráter e a amplitude da alteração dependem, de um lado, da natureza da rocha, isto é, de sua composição química, sua estrutura e textura, e do outro, do clima da região, das alternâncias de chuvas e temperaturas. 1.6) Tipos de solos: - Quanto à formação: a) Residuais; b) Transportados; c) Orgânicos; d) Pedogênicos.

28 28 - Quanto à granulometria: a) Blocos - D > 1,00m b) Matacões - D > 2,5cm c) Pedregulhos - D > 2,0mm d) Areia: Grossa - 0,2mm < D < 2,0mm Fina - 0,02mm < D < 0,2mm e) Silte - 0,002mm < D < 0,02mm f) Argila - D < 0,002mm D = diâmetro dos grãos

29 29 Curva Granulométrica Escala segundo a ABNT: Classificação Diâmetro dos grãos Argila - menor que 0,002 mm Silte - entre 0,06 e 0,002mm Areia - entre 2,0 e 0,06 mm Pedregulho - entre 60,0 e 2,0 mm

30 30 - Quanto à plasticidade: a) Plásticos b) Não plásticos. Plásticos - Quanto à composição química clorita, talco a) solos grossos ( minerais da rocha de origem): a.1) silicatos feldspato, mica, quartzo, serpentina, a.2) óxidos hematita, magnetita, limonita a.3) carbonatos calcita, dolomita a.4) sulfatos gesso, anifrita b) solos finos

31 31 a.1) Silicatos: No grupo dos silicatos estão: Feldspato: silicato duplo de Al e de um metal alcalino ou alcalino-terroso (K, Na, ou Ca), sendo os principais a ortoclasita, a anotita e a albita; Mica: ortossilicatos de Al, Mg, K, Na, Li, Mn e Cr, sendo os principais a muscovita (branca) e a biotita (preta) - mineral facilmente identificável pelo brilho característico (malacacheta). Quartzo: composição química SiO2 (sílica cristalina pura) - mineral de decomposição muito difícil. Praticamente passa da rocha ao solo sem sofrer alteração. Serpentina: rocha com o mesmo nome (verde) Clorita: tonalidade verde Talco: tonalidade branca ou branca-esverdeada.

32 32 a.2) Óxidos: Óxidos de ferro: Hematita (Fe2O3) Magnetita (Fe2O4) Limonita (Fe2O3H2O) a.3) Carbonatos: Calcita: (CO3Ca) contato com o HCl Dolomita: [(CO3)2CaMg] - maior dureza e fraca reação em

33 33 a.4) Sulfatos: Gesso: (SO4Ca2H2O) Anidrita: (SO4Ca)

34 Minerais Argílicos (SOLOS FINOS): A plasticidade e a coesão do solo são funções do teor de umidade, da espécie de mineralogia e de suas propriedades coloidais. A argila influencia nas características mecânicas do solo. Ela é constituída de micro-partículas (microscópio eletrônico), tem baixa permeabilidade. Dois solos argilosos com mesma granulometria podem apresentar propriedades inteiramente diferentes. As principais propriedades a serem consideradas na engenharia são: área de superfície, carga e absorção da superfície, capacidade de mudança de base, floculação e dispersão, expansão e colapso, plasticidade e coesão. Colóides são partículas com 1 m < D < 1 ( 10-6 mm = 10 Å - Angstron) que possuem grande superfície especifica (superfície em relação à sua massa) e onde predominam as forças superficiais gravíticas (atração e repulsão). Os minerais das argilas são silicatos complexos de alumínio, magnésio e ferro. As duas estruturas cristalinas básicas são: oxigênio. 1) Tetraedro: formado de um átomo de silício eqüidistante de quatro de 2) Octaedro: formado por seis átomos de oxigênio, ou grupos de oxidrilas ao redor de um átomo de alumínio ou magnésio.

35 35 A associação, entre si, desses elementos, forma as diversas espécies de minerais argílicos, dentre elas as que ocorrem com mais freqüência são: as caolinitas, as ilitas e as montmorilonitas. Existem também as halloysitas, comuns nas argilas marinhas e as gibsitas constituintes dos solos lateríticos e bauxitas. Caolinitas: Composição química: Al2O32SiO22H2O ou H4Al2Si2O9 Caulim = cao + ling (chinês) = coluna alta. São formadas por unidades de silício e alumínio, que se unem alternadamente conferindo-lhes uma estrutura rígida e estável em presença de água. O caolim é o principal membro do grupo das caolinitas. Exemplo: argila branca - mineral que sofre constantes transformações ocasionadas pelos agentes da natureza

36 36 As caolinitas são as argilas que apresentam menores plasticidade e coesão. Quando pura é utilizada na confecção de porcelana. Possui cor branca, com brilho mascarado, variando de cor pelas impurezas. Não é expansiva impedem a penetração da água, baixa atividade e LL baixo. Montmorilonitas: Composição química: (OH)4Si8Al4O20nH2O São estruturalmente formadas por uma unidade de alumínio entre duas unidades de silício As moléculas de água são agregadas ao cristal que é diferente da água intersticial do solo.

37 37 A ligação entre essas unidades, não sendo suficientemente firme para impedir a passagem de moléculas de águas, torna as argilas desse tipo muito expansivas, ou seja, instáveis em presença de água. Principal mineral do grupo das esmectitas. Nontronita - ocorre quando o alumínio é trocado por ferro ou magnésio divalentes - encontrada nas fissuras de decomposição do basalto. Extremamente expansiva. São os que têm maiores plasticidade e coesão. Grande atividade, LL elevado, forca de expansão que chega aos 4 kg/cm 2 e provoca aumento de volume. Mais comuns nas regiões semi-áridas. As esmectitas se constituem a base das bentonitas conhecidas por seu alto grau de expansão. Illitas: Composição química: [(OH)4Ky(Sis-yAly)(Al4Fe4Mg4Mg6)O20] y=2) y=1,5 (micas: São menos expansivas. Nome devido à cidade de Illinois (EUA).

38 38 Sua formação é semelhante às montmorilonitas, só que as unidades de silício são intercaladas por íons de potássio: A estrutura das illitas é semelhante à das micas muscovita e sericita. Cor branca, presente em quase todas as concentrações sedimentares marinhas, normalmente as argilas de origem sedimentar são uma mistura de caulinita e elita, Outras propriedades das argilas: Troca catiônica: Propriedade das argilas de trocar íons adsorvidos, dada pelo peso, em miliequivalentes dos cátions que podem ser absorvidos na superfície de 100g de material sólido. A troca catiônica resulta em efeitos profundos sobre as propriedades físicas das argilas e, consequentemente, sobre as suas propriedades mecânicas.

39 39 Atividade: A capacidade que a fração argilosa do solo tem de transmitir ao solo maior ou menor plasticidade e coesão. Índice de atividade do solo é a relação entre o seu índice de plasticidade e a percentagem de argila do solo: I a IP % 2 solo normal: 0,75 < Ia < 1,25 solo ativo: Ia > 1,25 caulinita 0,4 a 0,5 illita 0,5 a 1,0 montmorilonita 1,0 a 7,0 Coesão: É a resistência que a fração argilosa empresta ao solo, pela qual ele se torna capaz de se manter coeso, em forma de torrões ou blocos, ou pode ser cortado em formas diversas e manter essa forma. Resistência ao cisalhamento do solo quando sobre ele não atua força externa. Origens da coesão: 1) efeito da existência de um cimento natural aglutinado aos grãos do solo entre si (cimentos argilosos - solos concrecionados).

40 40 2) efeito da eventual ligação entre os grãos, muito próximos uns dos outros exercida pelo potencial atrativo de natureza molecular ou coloidal (água adsorvida = coesão verdadeira) 3) efeito da pressão capilar na água intersticial, quando o corpo de prova sofre um esforço de ruptura (coesão aparente - os meniscos se desfazem por efeito da saturação ou movimento da água intersticial). Contração de resistência seca: Depósito de argila sujeito à: evaporação constante da água intersticial => retração dos meniscos capilares => aumento da pressão capilar. Limite de contração => é a umidade correspondente ao mínimo de volume; Rachaduras => quando as tensões capilares ultrapassam a resistência à tração das argilas (forma hexagonal - observado nas superfícies argilosas de lagos ou pântanos secos) Resistência seca => força atrativa dos colóides. Identificação prática das argilas: as argilas, quando secas, não são facilmente desagradáveis pelo esforço dos dedos como a areia ou o silte Superfície Específica Definição: é a soma das superfícies de todas as partículas contidas na unidade de volume (ou de peso) do solo.

41 41 Superfície específica de minerais argílicos: Caolinitas - dimensão lateral das plaquetas:1.000 a Å espessura: 100 a Å superfície específica =15m 2 /g Illitas - dimensão lateral:1.000 a 5.000Å espessura:50 a 500Å superfície específica = 90m 2 /g

42 42 Montmorilonitas - dimensão lateral:1.000 a 5.000Å espessura:10 a 50Å superfície específica = 800m 2 /g. Para amostras que possuem a mesma massa, aquela que tem a maior área de superfície é a que tem os menores tamanhos das partículas. Estudo Independente 1: Lista de Exercícios: 1) Descreva, resumidamente, as origens dos solos e os fatores que controlam a sua formação. 2) Discuta a composição do solo no contexto da construção civil, apontando a significância da presença ou ausência de componentes notáveis. 3) Descreva a natureza da estrutura dos minerais de argila e explique sua importância na engenharia como constituintes do solo. 4) Liste os minerais argílicos mais comuns e suas principais propriedades no contexto da engenharia. 5) Faça um resumo dos tipos de problemas de engenharia associados com solos e discuta a natureza de possíveis limitações que possam ocorrer devido às propriedades do solo e seus efeitos nas decisões de projeto e construção.