Capítulo 1 Origem e formação dos solos

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1 Capítulo 1 Origem e formação dos solos Geotecnia I SLIDES 02 Prof. MSc. Douglas M. A. Bittencourt prof.douglas.pucgo@gmail.com

2 A origem do solo Em geral, os solos são formados pela decomposição das rochas a partir de agentes de intemperismo São constituídos por um conjunto de partículas sólidas e vazios, preenchidos ou não O comportamento do solo depende: Do movimento de suas partículas entre si 2

3 Minerais Matéria formada por processos inorgânicos da natureza e que possui composição química definida (CHIOSSI, 2013). Substância sólida natural e homogênea com estrutura atômica característica (FRASCÁ; SARTORI, 1998). Formam a fase sólida do solo e são o produto da erosão das rochas (DAS, 2007). 3

4 Rochas Corpo sólido natural, resultante de um processo geológico determinado, formado por agregados de um ou mais minerais, arranjados segundo as condições de temperatura e pressão existentes durante sua formação (FRASCÁ; SARTORI, 1998). Ígneas Sedimentares Metamórficas 4

5 Rochas Arrefecimento e solidificação Fusão Rocha Ígnea Pressão e temperatura Rocha Metamórfica Erosão, transporte e deposição Pressão e temperatura Sedimentos Erosão, transporte e deposição Rocha Sedimentar Cimentação e compactação (litificação) 5

6 Solos São materiais com origem recente ou remota e são provenientes da alteração das rochas por ação do intemperismo (agentes físicos ou químicos). 6

7 Intemperismo É o conjunto de modificações de ordem física (desagregação) e química (decomposição) que as rochas sofrem ao aflorar na superfície da Terra. Interação entre o material geológico e a atmosfera, a hidrosfera e a biosfera. 7

8 Intemperismo Principais agentes físicos: Água (gelo/degelo exerce elevadas tensões) Fragmentação por ação do gelo. A água líquida ocupa as fissuras da rocha (a), sendo posteriormente congelada, expandindo e exercendo pressão nas paredes (b). 8

9 Intemperismo Principais agentes físicos: Água (gelo/degelo exerce elevadas tensões) Bloco de gnaisse fraturado pela ação do gelo nas fissuras 9

10 Intemperismo Principais agentes físicos: Temperatura (provocam trincas, nas quais penetra a água, atacando quimicamente os materiais) 10

11 Intemperismo Principais agentes físicos: Vento 11

12 Intemperismo Principais agentes físicos: Vegetação 12

13 Intemperismo Principais agentes químicos: Oxidação (mudança que sofre um mineral em decorrência da penetração de oxigênio na rocha) 13

14 Intemperismo Principais agentes químicos: Hidratação (moléculas de água entram na estrutura mineral, modificando-a e formando um novo mineral). 14

15 Intemperismo Principais agentes químicos: Hidrólise O mais importante agente do intemperismo químico; Íons da água combinam-se com os íons dos minerais formando novas substâncias; Destruição de silicatos: 15

16 Intemperismo Principais agentes químicos: Carbonatação O CO 2 contido na água forma ácido carbônico, contribuindo para a decomposição da rocha; Mais acentuado em rochas calcárias. 16

17 Perfil de formação do solo É mais homogêneo e não apresenta nenhuma relação com a rocha mãe Grande quantidade de pedregulho; São bastante heterogêneos (coloração, resistência, compressibilidade e permeabilidade) Guarda características da rocha sã e tem basicamente os mesmos minerais, porém sua resistência é bem reduzida Preserva parte da estrutura e de seus minerais, porém com dureza inferior à da rocha matriz (muito fraturada) Rocha inalterada 17

18 Classificação quanto à origem Solos residuais: São solos provenientes da decomposição das rochas e não foram submetidos a ações de transporte Se conservam no local da rocha mãe Centro-Sul do Brasil Solos transportados ou sedimentares: São solos, que após o processo de alteração, foram transportados para outros locais. Coluviões, tálus, aluvionares, eólicos, glaciais 18

19 Classificação quanto à origem 19

20 Classificação quanto à origem Solos transportados ou sedimentares: Solos coluviais (ou depósito de tálus) O transporte se dá pela ação da gravidade e são muito heterogêneos Ocorrência localizada, em pé de encostas ou provenientes de escorregamentos Apresentam boa resistência, porém elevada permeabilidade Colúvio: material predominantemente fino (Serra do Mar e planalto brasileiro) Tálus: material predominantemente grosseiro (sul da Bahia e Salvador) 20

21 Classificação quanto à origem Solos transportados ou sedimentares: Solos aluvionares Origem pluvial ou fluvial Fonte de materiais de construção, mas péssimos como fundação 21

22 Classificação quanto à origem Solos transportados ou sedimentares: Solos eólicos O vento é o agente de transporte Os grãos tendem a ser arredondados e uniformes Dunas: norte brasileiro Loess: depósitos eólicos formados a grandes distâncias Areias finas e siltes Solos glaciais (geleiras) Regiões temperadas e altitudes elevadas São os solos formados pelas geleiras ao se deslocarem pela ação da gravidade 22

23 Classificação quanto à origem Solos orgânicos Possuem alto teor de matéria orgânica em decomposição e apresentam coloração escura Turfa (solos com alto teor orgânico) Solos de evolução pedogenética São solos, que após o processo de formação, são alterados por processos físico-químicos, como lixiviação, laterização, cimentação, etc. Ex.: solos lateríticos (solos vermelhos de zonas úmidas e quentes, compostos por hidróxido de alumínio e ferro) 23

24 Tamanho das partículas A primeira característica que diferencia os solos é o tamanho das partículas que os compõem Fração Matacão Pedra Pedregulho Areia Grossa Areia Média Areia Fina Silte Argila Limites pela ABNT 25cm - 1m 7,6cm - 25cm 4,8mm - 7,6cm 2,0mm - 4,8mm 0,42mm - 2,0mm 0,05mm - 0,42mm 0,005mm - 0,05mm inferior a 0,005mm 24

25 Tamanho das partículas Barril Prato Moeda Silte Argila ABNT NBR 7181:

26 Fases físicas dos solos Os solos são constituídos por um conjunto de partículas com água (ou outro líquido) e ar nos espaços intermediários Sólidos Água Ar 26

27 Fases físicas dos solos As fases líquida e gasosa estão sob diferentes pressões. As diferença entre as pressões é denominada tensão de sucção (ou somente sucção) e é responsável por diversos fenômenos referentes ao comportamento mecânico dos solos (solos não-saturados). 27

28 Constituição mineralógica Os minerais encontrados no solo são basicamente os mesmos que constituem a rocha matriz. Podem ser divididos em: a) Fração grossa: - Silicatos (quartzo, feldspato, mica, clorita, etc) - Óxidos (hematita, magnetita, limonita) - Carbonatos (calcita, dolomita) - Sufatos (gesso, anidrita) b) Fração fina: - Com composição mais complexa, destacam a sílica (SiO 2 ) e os sesquióxidos metálicos. Principais grupos argílicos: Caulinitas, ilitas e montmorilonitas 28

29 Constituição mineralógica b) Fração fina Os argilominerais são formados pela combinação de diferentes estruturas atômicas. Composição química: O O Si O Tetraedros justapostos em planos à base de óxidos de silício (SiO 2 ) O 29

30 Constituição mineralógica b) Fração fina Os argilominerais são formados pela combinação de diferentes estruturas atômicas. Composição química: O O O Al O O O Octaedros formados por átomos de oxigênio e hidroxilas 30

31 Constituição mineralógica i) Caulinitas Minerais formados pela associação de uma camada tetraédrica e uma camada octaédrica (1:1). A ligação entre as estruturas é feita pelo hidrogênio, que é uma ligação forte. 31

32 Constituição mineralógica i) Caulinitas Essa ligação forte impede a separação das estruturas, bem como a entrada de moléculas de água. 32

33 Constituição mineralógica ii) Ilitas Minerais formados pela associação de uma camada octaédrica entre duas tetraédricas (2:1). A ligação dos minerais é feita por íons de potássio (K), que são ligações firmes. 33

34 Constituição mineralógica iii) Montmorilonitas Também são argilominerais 2:1, em que a ligação entre os minerais é feita por diversos cátions (Ca ++, Na + ), que promovem ligações fracas e não impedem a entrada ou saída de moléculas de água nas ligações. Os cátions são facilmente trocáveis pela percolação de soluções químicas. 34

35 Constituição mineralógica O tipo de cátion presente numa argila condiciona a sua estabilidade, o que condiciona seu comportamento Superfície específica: Caulinitas: 10 m²/g Ilitas: 80 m²/g Montmorilonitas: 800 m²/g 35

36 Forma das partículas Arredondadas: predominam nos pedregulhos, areias e siltes; Lamelares: formas de placas, que predominam nas argilas e micas; Fibrilares: característica de solos altamente orgânicos (turfas). 36

37 Estrutura dos solos argilosos Quando duas partículas de argilominerais estão próximas surgem forças de atração e/ou de repulsão. A combinação destas forças, bem como do líquido circundante, irá determinar a forma de contato entre as diversas partículas de argila, resultando em diferentes estruturas para os solos finos. 37

38 Estrutura dos solos argilosos Estrutura floculada: predominam as ligações borda-face. Floculado em sal. Floculado sem sal. 38

39 Estrutura dos solos argilosos Estrutura dispersa: predominam as ligações faceface. 39

40 Identificação dos solos por meio de ensaios Análise Granulométrica Índices de Consistência 40

41 Análise Granulométrica É o estudo da distribuição do tamanho dos vários grãos que constituem o solo De acordo com o tamanho dos grãos, cada faixa recebe uma designação arbitrada O limite entre as faixas varia de acordo com a escala granulométrica utilizada Fração Matacão Pedra Pedregulho Areia Grossa Areia Média Areia Fina Silte Argila Limites pela ABNT 25cm - 1m 7,6cm - 25cm 4,8mm - 7,6cm 2,0mm - 4,8mm 0,42mm - 2,0mm 0,05mm - 0,42mm 0,005mm - 0,05mm inferior a 0,005mm 41

42 Análise Granulométrica O ensaio de granulometria é feito em duas partes a) Por peneiramento Utiliza-se uma série de peneiras com aberturas de malha variadas; Identifica-se a distribuição da fração grossa (areia fina acima); A peneira mais fina utilizada é a # 200 (0,075mm); O que passa na # 200 é classificado como solo fino / fração fina (silte e/ou argila) 42

43 Análise Granulométrica a) Por peneiramento 43

44 Análise Granulométrica O ensaio de granulometria é feito em duas partes b) Por sedimentação A fração fina é misturada em água com a presença de um produto defloculante Essa mistura é agitada bastante e depois é colocada em repouso, permitindo a decantação das partículas finas Baseado na Lei de Stokes e com o auxílio de um densímetro, são calculados os diâmetros equivalentes das partículas A densidade é medida periodicamente 44

45 Análise Granulométrica b) Por sedimentação Lei de Stokes: a velocidade de queda de partículas esféricas num fluido atinge um valor limite que depende do peso específico do material da esfera (γ s ), do peso específico do fluido (γ w ), da viscosidade do fluido (μ), e do diâmetro da esfera (D), conforme a expressão: v s w 18 D 2 45

46 Análise Granulométrica b) Por sedimentação esquema do ensaio 46

47 Análise Granulométrica 47

48 Análise Granulométrica Fatores que condicionam a curva granulométrica: a) Procedimento de secagem; b) Destorroamento; c) Tipo de defloculante usado no ensaio. - Ex.: argila porosa de Brasília Defloculante % de argila Hexametafosfato de sódio Sem defloculante

49 Análise Granulométrica 49

50 Exemplo 1 A análise granulométrica de um solo forneceu os resultados apresentados na Tabela 1, cujo peso da amostra seca foi de 59,1 g. Do ensaio de sedimentação resultou que 24,6 g de partículas eram menores que 0,05 mm e que 10,2 g menores que 0,005 mm. Determine as porcentagens de areia, de silte e de argila e classifique o solo. Peneiras Tabela 1 Peso retido (g) #20 (0,84 mm) 2,8 #40 (0,42 mm) 3,4 #60 (0,25 mm) 8,5 #140 (0,105 mm) 6,7 #200 (0,075mm) 10,2 50

51 Índices de consistência (Limites de Atterberg) Só a distribuição granulométrica não caracteriza bem o comportamento dos solos sob o ponto de vista da Engenharia A fração fina dos solos tem uma importância muito grande nesse comportamento O tipo de argilomineral presente ditará o comportamento do solo fino A análise do mineral argila é muito complexa De forma indireta, estuda-se o comportamento do solo na presença de água 51

52 Índices de consistência (Limites de Atterberg) São empregados os ensaios de Atterberg, padronizados por Arthur Casagrande Os limites baseiam-se na constatação de que um solo argiloso ocorre com aspectos bem distintos conforme o seu teor de umidade São os teores de umidade que delimitam as fronteiras entre os diversos estados de consistência que um solo fino pode apresentar. 52

53 Índices de consistência (Limites de Atterberg) LC LP LL Teor de umidade Estado sólido Semi-sólido plástico Líquido ou viscoso Índice de Plasticidade IP = LL LP Solo não-plástico (NP) = não se consegue medir LL ou LP 1 IP 7 = solo fracamente plástico 7 < IP 15 = solo medianamente plástico IP > 15 = solo altamente plástico 53

54 Índices de consistência (Limites de Atterberg) Plasticidade: Propriedade de certos sólidos serem moldados sem variação de volume Nas argilas esta característica vem de forma lamelar das partículas, que permite um deslocamento relativo sem variação de volume O movimento relativo das partículas só é possível desde que a água intersticial possa funcionar como lubrificante 54

55 Índices de consistência (Limites de Atterberg) Limite de Liquidez (LL ou w L ) Teor de umidade que separa o estado plástico do estado viscoso e que lhe confere comportamento líquido Emprego do aparelho de Casagrande 55

56 Teor de umidade (%) Índices de consistência (Limites de Atterberg) Limite de Liquidez (LL ou w L ) O LL é definido como o teor de umidade para o qual o sulco (de 1 cm de altura) é fechado com 25 golpes Antes do ensaio LL Depois do ensaio 25 Nº de golpes escala log 56

57 Índices de consistência (Limites de Atterberg) Limite de Plasticidade (LP ou w P ) Teor de umidade no qual o solo começa a se fraturar quando se tenta moldar um cilindro É determinado em laboratório pela moldagem de um cilindro de solo com D = 3mm e L = 10 cm LP é teor de umidade em que se consegue moldar esse cilindro e que começam a aparecer fissuras 57

58 Índices de consistência (Limites de Atterberg) Limite de Plasticidade (LP ou w P ) 58

59 Índices de consistência (Limites de Atterberg) Limite de Plasticidade (LP ou w P ) 59

60 Índices de consistência (Limites de Atterberg) Limite de Contração (LC ou w C ) No estado semi-sólido há uma redução do volume com a diminuição do teor de umidade LC: é o teor de umidade abaixo do qual deixa de haver redução do volume do solo com a secagem 60

61 Índices de consistência (Limites de Atterberg) Limite de Contração (LC ou w C ) 61

62 Exemplo 2 Na determinação do limite de liquidez de um solo, de acordo com o Método Brasileiro NBR 6459, foram feitas cinco determinações para que a ranhura se fechasse, com teores de umidade crescentes, tendo-se obtido os resultados apresentados na Tabela 2. Qual o Limite de Liquidez deste solo? Tabela 2 Tentativa Umidade (%) Nº de golpes 1 51, , , , ,

63 Exemplo 2 - Resolução Construção do gráfico em escala logarítmica. d T log d T N 10 N d (cm) = distância a partir da origem da década até o ponto desejado no gráfico T (cm) = tamanho da década N = valor entre 1 e 10 Valor procurado N Valor da origem da década 63

64 Atividade das argilas Há solos que, mesmo com baixo teor de finos (10 a 20%), apresentam comportamentos típicos da fração argila Isto ocorre porque a fração argila é ativa A medida desse fenômeno é dado pelo Índice de Atividade (I A ): IP I A % 0, 002 mm I A 0,75 fração argilosa inativa 0,75 < I A < 1,25 fração argilosa normal I A 1,25 fração argilosa ativa 64

65 Emprego dos Índices de Consistência Classificação de solos Previsão de comportamento Estimativa de parâmetros de projeto 65

66 Exemplo 3 Com a mesma amostra do exemplo 2, foram feitas quatro determinações do limite de plasticidade, de acordo com o Método Brasileiro NBR 7180, tendo-se obtido as seguintes umidades, apresentadas na Tabela 3, quando o cilindro de 3 mm se fragmentava ao ser moldado. Qual o Limite de Plasticidade deste solo? Qual o Índice de Plasticidade? Quanto IP, como poderia ser classificado este solo? Tabela 3 Tentativa Umidade (%) 1 22,3 2 24,2 3 21,9 4 22,5 66