1. Rochas e formação de solos. Composição de solos.

Capítulo 1 DOS SÓLIDOS AOS SOLOS 1. Rochas e formação de solos. Composição de solos. Rocha material sólido que constitui o planeta; matéria mineral sólida e contínua. Tipos de Rochas: Magmáticas (ou ígneas ou vulcânicas), resultantes da solidificação do magma. Sedimentares, resultantes da deposição de sedimentos, sujeitos a processos de cimentação. Metamórficas, resultantes de rochas magmáticas e sedimentares que sofreram processos de natureza geológica que originaram alterações profundas das suas características. 1

Solo matéria mineral sólida e descontínua que resulta de fenómenos de alteração física e química das rochas (meteorização e erosão) Ciclo litológico =SOLOS Ciclo litológico simplificado, proposto por James Hutton há mais de 200 anos. Adaptado de Press, F. & Siever, R. (1997) Simplificadamente, os solos resultam da alteração das rochas. A alteração consiste na desintegração e decomposição da rocha superficial ou próxima da superfície. Trata-se de uma resposta a mudanças de pressão, temperatura, teor em água, etc Tipos de alteração: Mecânica processo físico fractura da rocha, com alívio de tensões, formando-se blocos sucessivamente mais pequenos Química - deve-se essencialmente à acção da água e de agentes biológicos que reagem com os componentes da rocha levando à sua desagregação 2

Designação São Levemente alterado Moderadamente alterado Muito alterado Completamente alterado Solo residual Descrição (de acordo com a ISRM) Sem sinais visíveis de alteração: eventual ligeira descoloração das maiores superfícies de descontinuidade. A descoloração evidencia alteração do material rocha e da das superfícies de descontinuidades. Superficialmente, todo o material pode estar descolorado por alteração e mostrar-se mais fraco do que o material são. Menos de metade do material rocha está decomposto e/ou desintegrado em solo. Porções de rocha sã ou descolorida encontram-se dispersas. Mais de metade do material rocha encontra-se decomposto e/ou desintegrado em solo. Porções de rocha sã ou descolorida encontram-se dispersas. Todo o material rocha se encontra decomposto e/ou desintegrado em solo. A estrutura da massa original mantém-se quase intacta. Todo o material rocha está transformado em solo. A estrutura da massa original e a fábrica do material estão destruídas. Há grande alteração volumétrica mas a maior parte do solo não foi removida. Os solos podem ter várias designações de acordo com a sua origem (residuais, transportados, orgânicos). Se são solos transportados, podem ser designados de acordo com o modo de transporte (glaciais, aluvionares, lacustres, marinhos, eluvionares e coluvionares). Sendo o material solo constituído por partículas, pode ser classificado pelo tamanho de partículas que o constitui (por ordem decrescente: pedra, calhau, seixo ou cascalho, areia, silte e argila). 3

Cascalhos e areias Num solo real verifica-se uma mistura muito grande de simensões Fracções granulométricas Especificação E-219 Prospecção Geotécnica de terrenos: vocabulário Argila Silte fino 0,002 0,006 médio 0,02 Areia grosso 0,06 fina 0,2 média 0,6 Seixo ou Cascalho grossa 2,0 fino 6,0 médio 20 Calhau Pedra grosso 60 150 [mm] São obtidas através da curva granulométrica, que se mede em ensaios de peneiração e de sedimentação (aula prática). 4

CURVA GRANULOMÉTRICA Curva Granulométrica Peneiração Sedimentação Traçado completo da curva Partículas de menores dimensões (argilas e siltes): processo de sedimentação - o solo é misturado com água destilada, desenvolvendo-se o processo de sedimentação das partículas de acordo com a lei de Stokes. O ensaio é efectuado medindo a densidade do líquido em vários intervalos de tempo. Partículas de maiores dimensões (areias e cascalhos): método da peneiração - o solo é obrigado a passar por uma série de peneiros de malha normalizada e sucessivamente mais apertada. O material retido, é pesado para averiguar que percentagem representa do peso total. 5

Ensaio de peneiração Massa Total: Mt D Diâmetro da malha decrescente... Massa retida: M1 % retida no peneiro=m1/mt Massa passada: Mt-M1 %passada = 100%-%retida Massa retida: M2 % retida no peneiro=m2/mt % retida acumulada (até esse peneiro)=(m1+m2)/mt Massa passada: Mt-M1-M2 Massa retida: Mn % retida=mn/mt Massa passada: Mt-ΣMi Série de peneiros normalizada ASTM Mi = Mt Ensaio de sedimentação Medidor de viscosidade Medição da densidade do líquido (água+ solo) em determinados períodos de tempo Lei de Stokes D = 18η v γ γ s w = 18η γ γ s w L t L D- diâmetro ν- velocidade de sedimentação Água destilada + solo em suspensão t η- viscosidade L- distância percorrida no tempo t t- tempo γ s - peso volúmico das partículas sólidas γ w - peso volúmico da água 6

Interpretação da curva granulométrica C c = C u = D 10 D 60 D 10 D 2 30 D 10 D 60 Diâmetro efectivo - o solo tem 10% em peso de partículas com dimensões inferiores a D 10 (parâmetro correlacionável com o coeficiente de permeabilidade dos solos) Coeficiente de Uniformidade - dá indicação sobre da variedade de dimensões que as partículas de um dado solo possuem: C U > 4 a 6, corresponde a um solo bem graduado, C U = 1, corresponde a um solo uniforme, C U < 1, corresponde a um solo pobre ou mal graduado Coeficiente de Curvatura - dá indicação sobre a forma da curva granulométrica entre D 60 e D 10. Se entre estes diâmetros a curva tiver uma evolução suave, C C estará compreendido entre 1 e 3 e o solo será bem graduado Granulometria extensa Quanto à distribuição do tamanho de grãos: Existem partículas de várias dimensões Granulometria uniforme Todas as partículas têm dimensões semelhantes Solo bem graduado Todas as dimensões estão presentes solo mal graduado Há algumas dimensões ausentes 7

2. Classificação de solos Curva granulométrica Limites de consistência Identificação e classificação do solo Os limites de consistência são uma alternativa aos ensaios de sedimentação. Permitem obter, de uma forma qualitativa, se o material fino presente tem maior ou menor percentagem de argila. LIMITES DE CONSISTÊNCIA OU DE ATTERBERG São valores de teor em água que marcam fronteiras de comportamento (aplicáveis apenas a materiais plásticos) w - Teor em água Ww w(%) = 100% W s IP - Índice de plasticidade IP= w L w P SÓLIDO SEMI SÓLIDO PLÁSTICO LÍQUIDO Comp. moldável w = 0 w (%) w R Limite de retracção w P Limite de plasticidade w L Limite de liquidez 8

Os limites estão associados a comportamentos diferentes SÓLIDO SEMI SÓLIDO PLÁSTICO LÍQUIDO Comp. moldável w = 0 w (%) w R w P w L σ σ σ Medição da rigidez e resistência: ε ε ε Esta análise é útil nos solos argilosos, pelo facto do respectivo comportamento depender do teor em água (forças de superfície: atractivas/ repulsivas) Minerais argilosos (alumino-silicatos hidratados) 9

O tipo de argila e a sua quantidade influenciam o comportamento do solo pois a plasticidade do solo é causada pela água adsorvida que envolve as partículas de argila. A actividade (A) da fracção argilosa permite ter a noção do tipo de minerais argilosos presentes. Actividade A = IP % argila Argila Montmorilonite Ilite Caulinite Superfície específica (m2/g) 840 65-100 10-20 Areia limpa 0,0002 A (%) >5 = 0,9 =0,4 --- Outras grandezas - Índice de consistência: I C = (w L - w)/ I P, [%], pode ser superior à unidade; - Índice de liquidez: I L = 1 - I C, [%], pode ser negativo. I C 0 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 Consistência Líquido Muito Mole Mole Pouco Consistente Consistente Muito Consistente Problemas Traficabilidade Extracção e Compactação 10

ÍNDICES E LIMITES DE SOLOS ARGILOSOS VALORES TIPO Argila Muito mole Mole Média Dura, Muito Dura e Rija I C = [(w L -w)/(w L -w p )] = (w L -w)/i p 0,00 0,25 0,25 0,50 0,50 0,75 > 0,75 Argila w L (%) w p (%) I p (%) Montmorilonite Ilite Caulinite 290-710 95-120 38-59 54-74 45-53 27-37 215-656 49-67 11-23 3. Classificação de solos (Classificação Unificada) Nome = Símbolo + descrição G (gravel - cascalho) S (sand areia) M (milt silte) C (clay argila) W (well bem graduado) P (poorly mal graduado) L (low pouco plástico) H (high muito plástico) Solos Grossos % retida no #200 >50% - Quadro 1 Solos Finos % retida no #200 50% - Quadro 2 11

Curva granulométrica (fracção grossa) Solo bem graduado: Verificação em simultâneo: Solo mal graduado: Se não for bem graduado Cascalho: C u 4 e 1 C c 3 Areia: C u 6 e 1 C c 3 Limites de consistência (fracção fina) Baixa plasticidade: IP<50% Alta plasticidade: IP 50% + informação da Carta de plasticidade Carta de Plasticidade (fracção fina) 60 Linha U IP=0,90(wL-8) Linha A IP=0,73(wL-20) IP - Índice de plasticidade (%) 50 CH ou OH 40 30 CL ou OL 20 MH ou OH 10 CL-ML ML ou OL 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 w L - Limite de liquidez (%) 12

Quadro 1 - Solos Grossos Solos Grossos % retida no #200 >50% Elementos de Engenharia Civil, Geotecnia Cascalho % cascalho> % areia Areia % areia % cascalho %finos< 5 5 %finos 12 %finos> 12 %finos< 5 5 %finos 12 %finos> 12 C u >4 e 1 C c 3 C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] C u >4 e 1 C c 3 e finos ML ou MH C u >4 e 1 C c 3 e finos CL ou CH ou CL-ML C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] e finos ML ou MH C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] e finos CL ou CH ou CL-ML finos ML ou MH finos CL ou CH finos CL-ML C u >4 e 1 C c 3 C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] C u >4 e 1 C c 3 e finos ML ou MH C u >4 e 1 C c 3 e finos CL ou CH ou CL-ML C u 4 e/ou (C c <1 ou C c >3) e finos ML ou MH C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] e finos CL ou CH ou CL-ML finos CL ou CH finos ML ou MH finos CL-ML GW GM GW GC GP GM GP GC GM GC GC GM SW SP SW SM SW SC SP SM SP SC SC SM SC SM (*) Se os finos são orgânicos, juntar e finos orgânicos Restantes notas: ver no fim do Quadro 2 GW GP cascalho bem graduado (1) cascalho mal graduado (1) cascalho bem graduado com silte (2) finos CL ou CH: cascalho bem graduado com argila (2) finos CL-ML: cascalho bem graduado com argila siltosa (2) cascalho mal graduado com silte (2) finos CL ou CH: cascalho mal graduado com argila (2) finos CL-ML: cascalho mal graduado com argila siltosa (2) cascalho siltoso (1) (*) cascalho argiloso (1) (*) cascalho argilo-siltoso (1) (*) areia bem graduada (3) areia mal graduada (3) areia bem graduada com silte (4) finos CL ou CH: areia bem graduada com argila (4) finos CL-ML: areia bem graduada com argila siltosa (4) areia mal graduada com silte (4) finos CL ou CH: areia mal graduada com argila (4) finos CL-ML: areia mal graduada com argila siltosa (4) areia argilosa (3) (*) areia siltosa (3) (*) areia argilo-siltosa (3) (*) Quadro 2 Solos Elementos Finos e Solos de Orgânicos Engenharia Civil, Geotecnia Solos Finos % retida no #200 50% Solos altamente orgânicos Inorgânicos w L (seco em estufa) 0,75 w L (sem secagem) Orgânicos w L (seco em estufa) <0,75 w L (sem secagem) Siltes e Argilas w L <50% Siltes e Argilas w L 50% Siltes e Argilas w L <50% Siltes e Argilas w L 50% Principalmente matéria orgânica: cor escura e odor orgânico IP>7 e situa-se na linha A ou acima 4 IP 7 e situa-se na linha A ou acima IP<4 ou situa-se abaixo da linha A IP>7 e situa-se na linha A ou acima 4 IP 7 e situa-se na linha A ou acima IP<4 ou situa-se abaixo da linha A OL OH Pt CL CL ML ML CH CH MH MH se %retida no #200 15: argila magra se 15< %retida no #200 <30: argila magra (5)(6) se %retida no #200 30: argila magra (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15: argila siltosa se 15< %retida no #200 <30: argila siltosa (5)(6) se %retida no #200 30:argila siltosa (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15:silte se 15< %retida no #200 <30:silte (5)(6) se %retida no #200 30:silte (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15:argila gorda se 15< %retida no #200 <30: argila gorda (5)(6) se %retida no #200 30: argila gorda (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15: argila gorda siltosa se 15< %retida no #200 <30: argila gorda siltosa (5)(6) se %retida no #200 30: argila gorda siltosa (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15:silte elástico se 15< %retida no #200 <30: silte elástico (5)(6) se %retida no #200 30: silte elástico (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15: silte orgânico se 15< %retida no #200 <30: silte orgânico (5)(6) se %retida no #200 30: silte orgânico (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15: argila orgânica se 15< %retida no #200 <30: argila orgânica (5)(6) se %retida no #200 30: % areia % cascalho - %areia 15 -argila orgânica (7)(8)(9)(10) turfa (1) se o solo contém %areia 15% juntar com areia ao nome (2) se o solo contém %areia 15% juntar e areia ao nome (3) se o solo contém %cascalho 15% juntar com cascalho ao nome (4) se o solo contém %cascalho 15% juntar e cascalho ao nome (5) se %areia %cascalho juntar com areia ao nome (6) se %cascalho > %areia juntar com cascalho ao nome (7) se %areia %cascalho e %areia 15% juntar arenosa/o ao nome (8) se %areia %cascalho e %areia <15% juntar e areia ao nome (9) se %cascalho >%areia e %cascalho 15% juntar cascalhenta/o ao nome (10) se %cascalho >%areia e %cascalho <15% juntar e cascalho ao nome 13

Exemplo de aplicação Classifique os solos cujas curvas granulométricas e limites de consistência são as seguintes: % material que passa no peneiro xx 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Solo A Solo B #200 #80 #40 #10 #4 #3/8"#1/4#3/4"#1" Série ASTM 0.01 0.1 1 10 100 D (mm) A B w L 32% NP Resposta: Solo A: w P 12% NP CL-argila magra arenosa Solo B: GP-cascalho mal graduado Principais propriedades dos solos Símbolo GW GP GM GC SW SP SM SC ML CL OL MH CH OH Pt Permeabilidade quando compactado Permeável Muito permeável Semi-permeável a permeável Impermeável Permeável Permeável Semi-permeável a impermeável Impermeável Semi-permeável a impermeável Impermeável Semi-permeável a impermeável Semi-permeável a impermeável Impermeável Impermeável --- Resistência ao corte quando compactado e saturado Excelente Boa Boa Boa a razoável Excelente Boa Boa Boa a razoável Razoável Razoável Má Razoável a má Má Má --- Compressibilidade quando compactado e saturado Desprezável Desprezável Desprezável Muito baixa Desprezável Muito baixa Baixa Baixa Média Média média Alta Alta alta --- Trabalhabilidade como material de construção Excelente Boa Boa Boa Excelente Razoável Razoável Razoável Razoável Boa a razoável Razoável Má Má Má --- 14

Exemplo de aplicação Com base nas principais propriedades geotécnicas dos solos classificados anteriormente (Solo A: CL; Solo B: GP), diga qual deles escolheria para construir uma barragem de terra homogénea. Resposta: Só se podia usar o solo A pois é o único impermeável e esta característica é fundamental para as barragens de terra homogéneas. Responda novamente à pergunta mas considerando que se pretendia construir um aterro para uma autoestrada. Resposta: Pode-se usar os dois solos mas o solo B é preferível pois apresenta menor compressibilidade e maior resistência ao corte do que o solo A, para além de ser esperada melhor trabalhabilidade. 4. Volumetria e Gravimetria O solo é um meio trifásico: Ar (fase gasosa) Poro preenchido por ar e água Partículas (fase sólida) Poro totalmente preenchido por água Água (fase líquida) Solo parcialmente saturado 15

Volumetria e gravimetria (Wg = 0) V Vv Vg Vw Vs ar água partículas sólidas Wg Ww Ws W Grandeza Expressão Unidades Índice de vazios e = Vv / Vs V= Vs + Vv =Vs + Vw + Vg W= Ws + Ww ar partículas sólidas água Porosidade n = (Vv / V) x 100 Exprime-se em % Grau de Saturação S r = (Vw / Vv) x 100 Exprime-se em % Teor em Água w = (Ww / Ws) x 100 Exprime-se em % Peso volúmico do solo γ = (Ww + Ws) / V Exprime-se em kn/m 3 Peso volúmico seco γ d = Ws / V Exprime-se em kn/m 3 Peso volúmico submerso γ sub = γ sat - γ w Exprime-se em kn/m 3 Peso volúmico partículas γ s = Ws / Vs Exprime-se em kn/m 3 ( 26) Densidade das partículas G s = (γ s / γ w ) Em geral G s 2,65 Algumas expressões úteis Índice de vazios e = Vv / Vs Porosidade n = (Vv / V) x 100 Grau de Saturação S r = (Vw / Vv) x 100 Teor em Água w = (Ww / Ws) x 100 Peso volúmico do solo γ = (Ww + Ws) / V Peso volúmico seco γ d = Ws / V Peso volúmico submerso γ sub = γ sat - γ w Peso volúmico partículas γ s = Ws / Vs Densidade das partículas G s = (γ s / γ w ) V= Vs + Vv =Vs + Vw + Vg W= Ws + Ww V = Vs ( 1+ e) v = 1+ e e n = 1+ e n e = 1 n γ = γ ( 1 w) t d + S r = γ s d = 1 + Gs w e G γ w e 16

Exemplo de aplicação Calcule a massa de água e de sólidos que existe em 250cm 3 de um solo com teor em água w=12% e peso volúmico húmido de 17,2kN/m 3. Resposta: Mw=0,000516kN=51,6g Ms=0,0043kN=430g (aceleração da gravidade g~10m/s 2 ) 17