capítulo 1 origem e formação dos solos -...

Geotecnia I – SLIDES 02

Capítulo 1

Origem e formação

dos solos

Prof. MSc. Douglas M. A. [email protected]

SLIDES 02 – Capítulo 1 - Origem e formação dos solos

GEOTECNIA I – Prof. MSc. Douglas M. A. Bittencourt

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



Minerais

3

“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).



Rochas

4

“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


GEOTECNIA I – Prof. MSc. Douglas M. A. Bittencourt5

Rocha ÍgneaRocha

Metamórfica

SedimentosRocha

Sedimentar

Erosão,

transporte e

deposição

Pressão e

temperatura

Cimentação e compactação

(litificação)

Erosão, transporte e

deposição

Pressão e temperatura

Arrefecimento

e solidificação Fusão

Rochas



Solos

6

São materiais com origem recente ou remota e são

provenientes da alteração das rochas por ação do

intemperismo (agentes físicos ou químicos).



Intemperismo

7

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.



Intemperismo

8

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).



Intemperismo

9


Água (gelo/degelo – exerce elevadas tensões)

Bloco de gnaisse fraturado pela ação do gelo nas fissuras



Intemperismo

10


Temperatura (provocam trincas, nas quais penetra a água, atacando

quimicamente os materiais)



Intemperismo

11


Vento



Intemperismo

12


Vegetação



Intemperismo

13

Principais agentes químicos:

Oxidação (mudança que sofre

um mineral em decorrência da

penetração de oxigênio na

rocha)



Intemperismo

14


Hidratação (moléculas de água entram na estrutura mineral,

modificando-a e formando um novo mineral).



Intemperismo

15


Hidrólise

O mais importante agente do intemperismo químico;

Íons da água combinam-se com os íons dos minerais formando

novas substâncias;

Destruição de silicatos:



Intemperismo

16


Carbonatação

O CO2 contido na água forma ácido carbônico, contribuindo para a

decomposição da rocha;

Mais acentuado em rochas calcárias.



Perfil de formação do solo

17

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



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





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





Solos aluvionares

Origem pluvial ou fluvial

Fonte de materiais de construção, mas “péssimos” como

fundação

21





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

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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)

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Tamanho das partículas

A primeira característica que diferencia os solos é o

tamanho das partículas que os compõem

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Fração Lim. Inferior Lim. Superior

Bloco de rocha >1m -

Matacão 20cm 1m

Pedra de mão 6cm 20cm

Pedregulho Grosso 2cm 6cm

Pedregulho Médio 6mm 2cm

Pedregulho Fino 2mm 6mm

Areia Grossa 0,6mm 2mm

Areia Média 0,2mm 0,6mm

Areia Fina 0,06mm 0,2mm

Silte 0,002mm 0,06mm

Argila - <0,002mm



Tamanho das partículas

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Barril

Prato

Silte

Moeda

Argila

ABNT NBR 7181:2016



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 (SiO2) e os

sesquióxidos metálicos. Principais grupos argílicos:

Caulinitas, ilitas e montmorilonitas

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b) Fração fina

27

Os argilominerais são formados pela combinação de diferentes estruturas

atômicas. Composição química:

O

O O

O

Si

Tetraedros justapostos em planos à base de óxidos de silício (SiO2)




b) Fração fina

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Os argilominerais são formados pela combinação de diferentes estruturas

atômicas. Composição química:

Octaedros formados por átomos de oxigênio e hidroxilas

O

OO O

O

Al

O




29

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.

i) Caulinitas




30

Essa ligação forte impede a separação das estruturas, bem como

a entrada de moléculas de água.

i) Caulinitas




31

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.

ii) Ilitas




32

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.

iii) Montmorilonitas




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

33



Forma das partículas

34

• Arredondadas: predominam nos pedregulhos, areias e siltes;

• Lamelares: formas de placas, que predominam nas argilas e micas;

• Fibrilares: característica de solos altamente orgânicos (turfas).



Estrutura dos solos argilosos

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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.




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Estrutura floculada: predominam as ligações

“borda-face”.

Floculado em sal. Floculado sem sal.




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Estrutura dispersa: predominam as ligações “face-

face”.



Identificação dos solos

por meio de ensaios

Análise Granulométrica

Índices de Consistência




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

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Matacão 20cm 1m









Argila - <0,002mm



Matacão 20cm 1m









Argila - <0,002mm




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)

40




a) Por peneiramento

41




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

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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 (γs), do peso específico do

fluido (γw), da viscosidade do fluido (μ), e do diâmetro da esfera

(D), conforme a expressão:

43

2

18Dv ws




b) Por sedimentação – esquema do ensaio



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Pe

rce

nta

ge

m r

eti

da

Pe

rce

nta

ge

m q

ue

pa

ss

a

Diâmetro das partículas (mm)

ABNT(mm)

Argila< 0,002

Silte0,002 - 0,06

AreiaFina

0,06 - 0,2

AreiaMédia

0,2 - 0,6

AreiaGrossa0,6 - 2,0

Pedregulho2,0 - 60

Pedra60 - 200




Fatores que condicionam a curva granulométrica:

a) Procedimento de secagem;

b) Destorroamento;

c) Tipo de defloculante usado no ensaio.

- Ex.: argila porosa de Brasília

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Defloculante % de argila

Hexametafosfato de sódio 60 – 80

Sem defloculante 5 - 30




47



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 0,06 mm e que 10,2 g menores

que 0,002 mm. Determine as porcentagens de areia, de silte

e de argila e classifique o solo.

Peneiras 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

Tabela 1



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

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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.

50




51

Estado

sólidoSemi-sólido plástico Líquido ou viscoso

LC LP LL Teor de umidade

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




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

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Limite de Liquidez (LL ou wL)

Teor de umidade que separa o estado plástico do estado

viscoso e que lhe confere comportamento “líquido”

Emprego do aparelho de Casagrande

53




Limite de Liquidez (LL ou wL)

O LL é definido como o teor de umidade para o qual o

sulco (de 1 cm de altura) é fechado com 25 golpes

54

Antes do ensaio

Depois do ensaio

25

Nº de golpes – escala log

Teo

r d

e u

mid

ad

e (

%)

LL




Limite de Plasticidade (LP ou wP)

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

55





56





57




Limite de Contração (LC ou wC)

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

58




Limite de Contração (LC ou wC)

59



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?

Tentativa Umidade (%) Nº de golpes

1 51,3 36

2 52,8 29

3 54,5 22

4 55,5 19

5 56,7 16

Tabela 2



Exemplo 2 - Resolução

Construção do gráfico em escala logarítmica.

NTd log 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 10T

d

N 10

década da origem daValor N procuradoValor



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 (IA):

62

mm

IPI A

002,0%

IA ≤ 0,75 → fração argilosa inativa

0,75 < IA < 1,25 → fração argilosa normal

IA ≥ 1,25 → fração argilosa ativa



Emprego dos Índices de

Consistência

Classificação de solos

Previsão de comportamento

Estimativa de parâmetros de projeto

63



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?

Tentativa Umidade (%)

1 22,3

2 24,2

3 21,9

4 22,5

Tabela 3

capítulo 1 origem e formação dos solos -...

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