01_estrutura dos solos

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Flávio Alchaar Barbosa Teófilo Otoni, março de 2015 UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI Departamento de Engenharia Civil MECÂNICA DOS SOLOS

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mecânica dos solos

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Flávio Alchaar BarbosaTeófilo Otoni, março de 2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI

Departamento de Engenharia CivilMECÂNICA DOS SOLOS

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Mecânica dos Solos 2

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Denomina – se estrutura dos solos a maneira pela qual as partículas minerais de diferentestamanhos se arrumam para formar o solo. A estrutura de um solo possui um papelfundamental em seu comportamento, seja em termos de resistência ao cisalhamento,compressibilidade ou permeabilidade.

Os solos finos possuem o seu comportamento governado por forças elétricas, enquanto ossolos grossos têm na gravidade o seu principal fator de influência, de modo que a estruturados solos finos ocorre em uma diversificação e complexidade muito maior do que a estruturados solos grossos.

De fato, sendo a gravidade o fator principal agindo na formação da estrutura dos solosgrossos, a estrutura destes solos difere, de solo para solo, somente no que se refere ao seugrau de compacidade. No caso dos solos finos, devido a presença das forças de superfície,arranjos estruturais bem mais elaborados são possíveis.

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Primeiramente convém insistir na afirmação de que o solo nunca é um mero agregadodesprovido de organização; antes ao contrário, suas partículas se dispõem sempre na formaorganizada, seguindo algumas leis fixas e segundo a ação de forças naturais susceptíveis aanalises.

Tradicionalmente se tem considerado como básicas para os solos reais as estruturas simples,alveolar e floculenta.

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É aquela produzida quando as forças devidas ao campo gravitacional terrestre são claramentepredominantes na disposição das partículas; típicos de grãos grossos (pedregulhos e areias) demassas comparativamente importantes. As partículas se dispõem apoiando-se diretamenteumas sobre as outras e cada partícula possuem vários pontos de apoio.

Como um ponto de vista da engenharia, o comportamento mecânico e hidráulico de um solode estrutura simples, é definido principalmente por suas características; a compacidade domanto e a orientação das partículas.

O termo compacidade se refere ao grau de acomodação alcançada pelas partículas do solo,deixando mais ou menos vazios entre elas.

a) Estrutura Simples.

ESTRUTURA FOFA ESTRUTURA COMPACTA𝑛𝑛 = 47,6 %; 𝑒𝑒 = 0,91 𝑛𝑛 = 26 %; 𝑒𝑒 = 0,35

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Para medir a compacidade de uma camada de estrutura simples, Terzaghi introduziu umarelação empírica, determinável em laboratório, chamada Compacidade Relativa 𝐶𝐶𝑟𝑟

a) Estrutura Simples.

𝐶𝐶𝑟𝑟 % =𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 − 𝑒𝑒𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 − 𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛

onde

𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚: relação de vazios correspondente ao estado mais fofo𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛: relação de vazios correspondente ao estado mais compacto𝑒𝑒𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛: relação de vazios da amostra no estado natural

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Esta estrutura se considera típica e grãos de pequeno tamanho (0,02 mm de diâmetro ou algomenores), que se depositam em um meio contínuo, normalmente água e, algumas vezes, ar.

Nestas partículas, a gravidade exerce um efeito que faz com que tendam a se sedimentar, masdada sua pequena massa, outras forças naturais podem ter uma magnitude significativa.

A partícula, antes de chegar ao fundo do depósito, toca a outra partícula já depositada, a forçade aderência desenvolvida entre ambas, pode neutralizar o peso, fazendo com que a partículaseja detida antes de completar seu percurso: outra partícula pode agora ter o mesmocomportamento e assim elas poderão chegar a formar uma tela, com quantidade importantede vazios, a modo de um painel. As forças de aderência, causadoras destas estruturas sãoforças superficiais.

b) Estrutura Alveolar.

ESTRUTURA ALVEOLAR

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Quando no processo de sedimentação, duas partículas de diâmetros menores que 0,02 mmchegam a se tocar, se aderem com força e se sedimentam juntas; assim, outras partículaspodem unir-se ao grupo, formando um grumo, com estrutura similar a um painel. Estemecanismo produz uma estrutura muito frágil e solta, com grande volume de vazios,chamada floculenta, ou algumas vezes, alveolar de ordem superior.

c) Estrutura Floculada.

ESTRUTURA FLOCULADA

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As partículas menores que 0,0002 mm (0,2 micra) já são consideradas colóides; estaspartículas podem permanecer em suspensão indefinidamente, pois nelas o peso exerce poucainfluência em comparação com as forças elétricas desenvolvidas entre as partículascarregadas negativamente, as forças moleculares exercidas pela própria água; quando duasdestas partículas tendem a se aproximar, suas cargas exercem uma repulsão que as afastanovamente; as vibrações moleculares da água impedem que as partículas se precipitem; oresultado é um movimento característico em rápido zig-zag, conhecido como movimentobrowniano (observado pela primeira vez pelo botânico inglês Brown ao estudar suspensões declorofila no microscópio).

Por esse mecanismo, as partículas coloidais do solo em suspensão não se sedimentam jamais.As cargas elétricas das partículas coloidais podem, sem dúvida, neutralizar-se sob ainfluência da adição de íons de carga positiva oposta: um eletrólito, por exemplo, os ácidosclorídricos, quando se dissocia em água origina íons positivos e negativos 𝐻𝐻+ 𝑒𝑒 𝐶𝐶𝐶𝐶− . Peloefeito dos íons 𝐻𝐻+ em solução, os colóides neutralizam suas cargas e chocam entre si,mantendo unidos pelas forças de aderência que se desenvolvem. Desta maneira podemcomeçar a formar flocos de massa maior, que tendem a se depositar.

c) Estrutura Floculada.

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Conforme aumenta o peso devido a sedimentação contínua, as capas inferiores expulsam aágua aumentado a consolidação. Durante esse processo, as partículas e grumos se aproximamentre si e é possível que esta estruturação tão pouco firme no princípio, alcance resistênciasde importância.

c) Estrutura Floculada.

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Considera-se que as estruturas anteriores raramente se apresentam “puras” na natureza, pois asedimentação compreende partículas de todos os tamanhos e tipos, para as que regem as leisda natureza de modo diferente. Sobre estruturação, seria comum encontrar nos solos reaisestruturas como a ilustrada abaixo. Nestas formações define-se um esqueleto constituído porgrãos grossos e massas coloidais de flocos que proporcionam união entre elas.

d) Estrutura Composta.

𝑎𝑎 𝑏𝑏Em formação Após formação (amplificada 10.000 vezes)

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A estrutura é formada em condições que permitem a sedimentação de partículas grossas efinas simultaneamente; isto ocorre frequentemente na água do mar ou lagos, com conteúdoapreciável de sais, donde o efeito floculante dos sais coexiste com o arraste de ventos,correntes de água, etc.

O processo de acúmulo de sedimentos acima de um certo nível faz com que as camadasinferiores se consolidem sob o peso das sobrejacentes; as partículas mais grossas seaproximam fazendo com que a argila floculada ao tocar o fundo diminua de volume; acompressão resultante da argila é maior nas zonas onde se encontre mais confinada, isto é,nas regiões de aproximação entre os grãos mais grossos, sempre que não haja fluxo lateral damassa nestas regiões.

Se o incremento da carga é rápido, existirá um fluxo lateral e, consequentemente, a massacoloidal sofrerá um decréscimo de volume mais uniforme; mas na natureza a carga crescemuito lentamente, pelo que o fluxo lateral tende a se produzir em escala muito menor e aspropriedades tixotrópicas da matéria coloidal podem ajudar eficazmente no impedimentoquase por completo.

d) Estrutura Composta.

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Assim se produz nas regiões de aproximação entre os grãos grossos uma liga argilosacoloidal altamente consolidada, que define fundamentalmente a capacidade do esqueleto parasuportar cargas. Estas ligas argilosas estão sujeitas a pressões muito maiores que o meio damassa do solo, mesmo que a argila preencha os vazios do esqueleto se mantenha branda esolta, sujeito a pressões comparativamente muito menores.

d) Estrutura Composta.

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Alguns investigadores como Goldschmidt e Lambe tem sugerido uma interpretação diferentesobre a gênese de uma estrutura floculenta e a estrutura resultante entre si. Segundo estasideias a forma lamelar típica dos minerais de argila é fundamental no resultado daestruturação dos solos finos.Nas investigações de referência permitiu notar que, embora a partícula do solo tenha carganegativa parece certo que nas suas arestas exista uma concentração de carga positiva que fazcom que essa zona localizada se atraia com outra superfície qualquer de uma partículavizinha. Tomando isto como consideração, os investigadores mencionados propuseram paraas argilas uma estrutura tal como a que mostra a figura abaixo, na qual se denominou “castelode cartas”.

e) Estrutura em “Castelo de Cartas”.

ESTRUTURA EM “CASTELO DE CARTAS”

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Deve ser notado que, segundo esta hipótese de estruturação, também corresponde ao solo umimportante volume de vazios e que os reflexos anteriores sobre consolidação das zonas baixassob o peso das sobrejacentes conservam a sua validez.

e) Estrutura em “Castelo de Cartas”.

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Qualquer perturbação que possa existir, como deformação por esforço cisalhante, tende emgeral a diminuir os ângulos entre as diferentes lamelas do material.

Conforme isso esteja ocorrendo, atuam entre as partículas pressões osmótica inversamenteproporcional ao espaçamento entre elas. As pressões osmóticas tendem a fazer com que aspartículas se separem e assumam uma posição tal como mostrado esquematicamente nafigura

f) Estrutura Dispersa.

Em (a) e (b) desta figura mostra-se o mecanismopelo qual a pressão osmótica tende a atuar, parachegar a uma condição mais uniforme, que aspartículas se separem.Mostra-se em (c) a estrutura na condição final.

Zona de maiorpressão osmótica

Pressão osmótica

ESTRUTURA DISPERSA

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Os solos são formados a partir da desagregação de rochas por ações físicas e químicas dointemperismo. As propriedades química e mineralógica das partículas dos solos assimformados irão depender fundamentalmente da composição da rocha matriz e do clima daregião.

Os minerais são partículas sólidas inorgânicas que constituem as rochas e os solos, e quepossuem forma geométrica, composição química e estrutura própria e definida. Eles podemser divididos em dois grandes grupos, a saber:

Primários ⟹ Aqueles encontrados nos solos e que sobrevivem a transformação da rocha(advêm portanto do intemperismo físico).

Secundários ⟹ Os que foram formados durante a transformação da rocha em solo (açãodo intemperismo químico).

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As partículas dos solos grossos, dentre as quais apresentam−se os pedregulhos, sãoconstituídas algumas vezes de agregações de minerais distintos, sendo mais comum,entretanto, que as partículas sejam constituídas de um único mineral. Estes solos sãoformados, na sua maior parte, por silicatos (90%) e apresentam também na sua composiçãoóxidos, carbonatos e sulfatos.

𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑒𝑒𝐺𝐺𝑎𝑎𝑚𝑚𝐺𝐺

𝑆𝑆𝑚𝑚𝐶𝐶𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎𝑆𝑆𝐺𝐺𝐺𝐺 − 𝑓𝑓𝑒𝑒𝐶𝐶𝑓𝑓𝐺𝐺𝐺𝐺𝑎𝑎𝑆𝑆𝐺𝐺, 𝑞𝑞𝐺𝐺𝑎𝑎𝐺𝐺𝑆𝑆𝑞𝑞𝐺𝐺,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎, 𝐺𝐺𝑒𝑒𝐺𝐺𝐺𝐺𝑒𝑒𝑛𝑛𝑆𝑆𝑚𝑚𝑛𝑛𝑎𝑎Ó𝑥𝑥𝑚𝑚𝑓𝑓𝐺𝐺𝐺𝐺 − ℎ𝑒𝑒𝑚𝑚𝑎𝑎𝑆𝑆𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎,𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑛𝑛𝑒𝑒𝑆𝑆𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎, 𝐶𝐶𝑚𝑚𝑚𝑚𝐺𝐺𝑛𝑛𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎

𝐶𝐶𝑎𝑎𝐺𝐺𝑏𝑏𝐺𝐺𝑛𝑛𝑎𝑎𝑆𝑆𝐺𝐺𝐺𝐺 − 𝑆𝑆𝑎𝑎𝐶𝐶𝑆𝑆𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎,𝑓𝑓𝐺𝐺𝐶𝐶𝐺𝐺𝑚𝑚𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎𝑆𝑆𝐺𝐺𝐶𝐶𝑓𝑓𝑎𝑎𝑆𝑆𝐺𝐺𝐺𝐺 − 𝑚𝑚𝑒𝑒𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺, 𝑎𝑎𝑛𝑛𝑚𝑚𝑓𝑓𝐺𝐺𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎

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Silicatos

FELDSPATO QUARTZO AZUL

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Silicatos

MICA SERPENTINA

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Óxidos

HEMATITA MAGNETITA

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Óxidos

LIMONITA

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Carbonatos

CALCITA DOLOMITA

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Sulfatos

GESSO ANIDRITA

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Os feldspatos são os minerais mais atacados pela natureza, dando origem aos argilo−minerais, que constituem a fração mais fina dos solos, geralmente com diâmetro inferior a2µm. Não só o reduzido tamanho, mas, principalmente, a constituição mineralógica faz comque estas partículas tenham um comportamento extremamente diferenciado em relação aodos grãos de silte e areia. A depender do modo como estas unidades estruturais estão unidasentre si, podemos dividir os argilo−minerais em três grandes grupos.

𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 �𝐶𝐶𝑎𝑎𝐺𝐺𝐶𝐶𝑚𝑚𝑛𝑛𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎

𝑀𝑀𝐺𝐺𝑛𝑛𝑆𝑆𝑚𝑚𝐺𝐺𝐺𝐺𝑚𝑚𝐶𝐶𝐺𝐺𝑛𝑛𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎𝐼𝐼𝐶𝐶𝑚𝑚𝑆𝑆𝑎𝑎

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A caulinita é formada por uma lâmina silícica e outra de alumínio, que se superpõemindefinidamente. A união entre todas as camadas é suficientemente firme (pontes dehidrogênio) para não permitir a penetração de moléculas de água entre elas. Assim, as argilascauliníticas são as mais estáveis em presença d’água, apresentando baixa atividade e baixopotencial de expansão.

Grupo da Caulinita

Grupo da Montmorilonita

É formada por uma unidade de alumínio entre duas silícicas, superpondo−se indefinidamente.Neste caso a união entre as camadas dos minerais é fraca (forças de Van der Walls),permitindo a penetração de moléculas de água na estrutura com relativa facilidade. Os soloscom grandes quantidades de montmorilonita tendem a ser instáveis em presença de água.Apresentam em geral grande resistência quando secos, perdendo quase que totalmente a suacapacidade de suporte por saturação. Sob variações de umidade apresentam grandes variaçõesvolumétricas, retraindo-se em processos de secagem e expandindo-se sob processos deumedecimento.

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Possui um arranjo estrutural semelhante ao da montmorilonita, porém os íons nãopermutáveis fazem com que a união entre as camadas seja mais estável e não muito afetadapela água. É também menos expansiva que a montmorilonita.

Grupo da Ilita

(Caulinita) (Ilita) (Montmorilonita)

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TSUTSUMI, M. Formação dos solos. Forma das partículas. Estrutura dos solos. Notas de aulaMecânica dos solos I. UFJF. FAC. Engenharia – Dep. Transportes.

MACHADO, S. L.; MACHADO, M. F. C. Mecânica dos solos I: conceitos introdutórios.Universidade Federal da Bahia – Escola Politécnica. Departamento de Ciência e Tecnologia dosMateriais. (Setor de Geotecnia).

Estes slides é uma compilação de diversos materiais: sites, livros, apostilas e slidesmencionados acima