trabalho particulas solidas do solo
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ENGENHARIA CIVIL
IGOR NASCIMENTO MOREIRAJOSE ROBERTO GUIMARÃES EÇA JUNIOR
LYDIA PATRÍCIA SILVALAIANA GEAMBASTIANI NASCIMENTO
UBIRAJARA BARBOSA
PROPRIEDADES DAS PARTÍCULAS SÓLIDAS DO SOLO
Itabuna2013
IGOR NASCIMENTO MOREIRAJOSE ROBERTO GUIMARÃES EÇA JUNIOR
LYDIA PATRÍCIA SILVALAIANA GEAMBASTIANI NASCIMENTO
UBIRAJARA BARBOSA
PROPRIEDADES DAS PARTÍCULAS SÓLIDAS DO SOLO
Trabalho apresentado ao Prof.º Totti, da disciplina Mecânica dos Solos, da turma do IV Semestre de Engenharia Civil, para fins avaliativo.
Itabuna2013
Introdução
O solo é formado pela desintegração da rocha, sob a ação de várias forças da
natureza, tais como a água, vento, geada, mudanças de temperatura e
gravidade. Ele pode, assim, ser considerado uma rede de partículas sólidas que
ocupa espaços vazios ou poros. Os solos são constituídos por um conjunto de
partículas com água (ou outro líquido) e ar nos espaços intermediários. As
partículas, de maneira geral, encontram-se livres para deslocar entre si. Em alguns
casos, uma pequena cimentação pode ocorrer entre elas, mas num grau
extremamente mais baixo dos que nos cristais de uma rocha ou de um metal, ou nos
agregados de um concreto. O comportamento dos solos depende do movimento das
partículas sólidas entre si e isto faz com que ele se afaste do mecanismo dos sólidos
idealizados na Mecânica dos Sólidos Deformáveis, na qual se fundamenta a
Mecânica das Estruturas, de uso corrente na Engenharia Civil. Mais que qualquer
dos materiais encontrados nas estruturas, o solo diverge, no seu comportamento, do
modelo de um sólido deformável.
As soluções da Mecânica dos Sólidos Deformáveis são frequentemente
empregadas para a representação do comportamento de maciços de solo, graças a
sua simplicidade e por obterem comprovação aproximada de seus resultados com o
comportamento real dos solos, quando verificada experimentalmente em obras de
engenharia.
As desintegrações das rochas se deram através de um processo denominado
intemperismo, ou seja, a ação do tempo. As várias formas de intemperismo podem
ser classificadas em dois grandes grupos: Intemperismo químico e Intemperismo
mecânico. O primeiro está relacionado com os vários processos químicos que
alteram, solubilizam e depositam os minerais de rocha, transformando-a em solo.
Esse tipo é mais frequente nos climas quentes e úmidos e, portanto, muito comum
no Brasil. O segundo é proveniente da ação mecânica desagregadora de transporte
da água, do vento e da variação de temperatura. Muitas vezes ocorre a ação
conjunta de vários agentes do intemperismo. Os solos que permanecem próximos à
rocha que lhes deu origem são denominados residuais; os demais são sedimentares
ou transportados. A Fig. 1.1 apresente um perfil típico de solo residual.
O agente transportador pode ser a água ou o vento, este último dando origem
aos depósitos denominados loess. As dunas são também um exemplo da ação do
vento. Quando o agente transportador é a água, os solos sedimentares podem ser
classificados como de origem marinha, fluvial ou deltaico. A rocha que mantém as
características originais, ou seja, a rocha sã, é a que ocorre em profundidade.
Quanto mais próximo da superfície do terreno, maior o efeito do intemperismo.
Sobre a rocha sã encontra-se a rocha alterada, em geral muito fraturada e
permitindo grande fluxo de água através de descontinuidades. A rocha alterada é
sobreposta pelo solo residual jovem, ou saprolito (sapros, em grego, significa
deteriorado, podre), que é um material arenoso. O material mais intemperizado
ocorre acima do saprolito e é denominado solo residual maduro, o qual contém
maior percentagem de argila.
O objeto de estudo deste trabalho são as partículas sólidas do solo, no
decorrer do seu desenvolvimento, iremos abordar suas características gerais e
específicas, bem como analisar as relações matemáticas no cálculo de sua massa,
peso e densidade. O referencial teórico que iremos utilizar estará pautado no livro
"Curso Básico de Mecânica dos Solos" escrito pelo professor Carlos de Sousa Pinto.
Tamanho das partículas
A primeira característica que diferencia os solos é o tamanho das partículas
que os compõem. Numa primeira aproximação, pode-se identificar que alguns solos
possuem grãos perceptíveis a olho nu, como os grãos de pedregulho ou a areia do
mar, e que outros tem os grãos tão finos que, quando molhados, se transformam
numa pasta (barro), não podendo se visualizar as partículas individualmente.
A diversidade do tamanho dos grãos é enorme. Não se percebe isto num
primeiro contato com o material, simplesmente porque parecem todos muito
pequenos perante os materiais com os quais se está acostumado a lidar. Mas
alguns são consideravelmente menores do que outros. Existem grãos de areia com
dimensões de 1 a 2 mm, e partículas de argila com espessuras da ordem de 10
Angstrons (0,000001 mm). Isto significa que, se uma partícula de argila fosse
ampliada de forma a ficar com o tamanho de uma folha de papel, o grão de areia
acima citado ficaria com diâmetros da ordem de 100 a 200 metros.
Num solo, geralmente convivem partícula de tamanhos diversos. Não é fácil
identificar o tamanho das partículas pelo simples manuseio do solo, porque grãos de
areia, por exemplo, podem estar envoltos por uma grande quantidade de partículas
argilosas, finíssimas, ficando com o mesmo aspecto de uma aglomeração formada
exclusivamente por uma grande quantidade destas partículas. Quando secas, as
duas formações são muito semelhantes. Quando úmidas, entretanto, a aglomeração
de partículas argilosas se transforma em uma pasta fina, enquanto a partícula
arenosa revestida é facilmente reconhecida pelo tato.
Denominações específicas são empregadas para as diversas faixas de
tamanho de grãos; seus limites, entretanto, variam conforme os sistemas de
classificação. Os valores adotados pela ABNT, são indicados na Tabela 1.
Diferentemente desta terminologia adotada pela ABNT, a separação entre as
frações silte e areia é frequentemente tomada como 0,075 mm, correspondente à
abertura da peneira nº 200, que é a mais fina peneira correntemente usada nos
laboratórios. O conjunto de silte e argila é denominado como a fração de finos do
solo, enquanto o conjunto areia e pedregulho é denominado fração grossa ou
grosseira do solo. Por outro lado, a fração argila é considerada, com frequência,
como a fração abaixo do diâmetro de 0,002 mm, que corresponde ao tamanho mais
próximo das partículas de constituição mineralógica dos minerais-argila.
Tabela 1: Limites das frações de solo pelo tamanho dos grãos
Textura do Solo
A textura do solo é definida pela proporção relativa das classes de tamanho
de partículas de um solo.
Desconsiderando a presença da matéria orgânica e de partículas maiores do
que 2 mm no solo, o total de partículas de um solo é igual ao somatório da
proporção de areia, silte e argila, de maneira que um solo pode ter de 0 a 100% de
areia, de silte e de argila. O número possível de arranjamento resultante da
combinação das proporções de classes de partículas é muito grande, o que
impulsionou o desenvolvimento de um sistema de classificação gráfico e funcional
para definição das classes de textura dos solos. O sistema consta da sobreposição
de três triângulos isósceles que representam a quantidade de argila, silte e areia do
solo (Figura 2).
A avaliação da textura é feita diretamente no campo e em laboratório. Nele, a
estimativa é baseada na sensação ao tato ao manusear uma amostra de solo. A
areia manifesta sensação de aspereza, o silte maciez e a argila maciez e
plasticidade e pegajosidade quando molhada. No laboratório, a amostra de solo é
dispersa numa suspensão e, por peneiramento e sedimentação, se determina
exatamente a proporção de areia, argila e por diferença a de silte.
Figura 2 – Triângulo textural (T) com as 13 classes texturais. Ao lado exemplo explicativo de como
obter a classe textural.
Exemplo:
Qual a classe textural de um solo com 35% de argila, 32% de silte e 33% de
areia? A isolinha correspondente a 35% de argila inicia no ponto correspondente a
35 na escala da lateral esquerda do T e se prolonga paralela à base. A do silte inicia
no ponto da escala à direita e prolonga-se paralelamente à lateral esquerda do T e a
da areia inicia no ponto da escala da base do T e prolonga-se paralela à lateral
direita. A interseção das três linhas ocorrerá numa figura geométrica dentro do T que
corresponderá à classe textural. No exemplo, a interseção das linhas tracejadas
indica que a classe textural do solo é Franco Argilosa
A natureza e a forma das partículas do solo foram elementos chaves para a
definição, que é empírica, das classes de tamanho de partículas e, juntamente com
a experiência prática, da delimitação das classes texturais no T. Assim, as partículas
de areia e silte, especialmente nos solos do Brasil, são predominantemente de forma
esférica e composição mineralógica formada por quartzo, ao passo que as partículas
de argila são de formato laminar e compostas por minerais de argila (caulinita, ilita,
montmorilonita,...) e óxidos (de Fe, Al, ...). A classe textural é determinada pela
distribuição do tamanho de partículas e juntamente com o tipo de argila
marcadamente afetam outras propriedades físicas como a drenagem e a retenção
de água, a aeração e a consistência dos solos.
Na tabela 1 são listadas algumas propriedades dos solos influenciadas pelo
tamanho das partículas dos solos.
Tabela1–Relação da textura do solo com algumas propriedades dos solos.
Solos arenosos Solos argilosos
Menor porosidade do solo Maior porosidade do solo
Menor micro e maior macro porosidade Maior micro e menor macro porosidade
Baixa retenção de água Alta retenção de água
Boa drenagem e aeração Drenagem lenta e pouco arejado agregados
Menor densidade do solo Maior densidade do solo
Aquece rápido Aquece lentamente
Resiste à compactação Maior susceptibilidade à compactação
Baixa CTC Maior CTC
Mais lixiviável Menos lixiviável
Maior erosão Mais resistente à erosão
Coesão baixa, friável Coesão elevada, firme
Consistência friável quando úmido Consistência plástica e pegajosa-molhado
Fácil preparo mecânico Mais resistente ao preparo(pesado)
Matéria orgânica baixa e rápida
decomposição
Matéria orgânica média a alta e menor taxa
de decomposição
A classe textural de um solo é uma característica importante dele porque
varia muito pouco ao longo do tempo. A mudança somente ocorrerá se houver
mudança da composição do solo devido à erosão seletiva e/ou processos de
intemperismo, que ocorrem em escala de séculos a milênios.
Formas de partículas
Classificação tradicional (Caputo):
Arredondadas - ou de forma poliédrica. Ex.: pedregulhos, areias, siltes
Lamelares - semelhantes a lamelas ou escamas. Ex.: argilas (compressibilidade e
plasticidade)
Fibrilares - em forma de fibras. Ex.: solos turfosos (origem vegetal)
Outra Classificação: (Lambe)
1 - Angular
2 - Sub-angular
3 - Arredondadas
4 - Sub-arredondadas
5 - Bem arredondadas.
O ESTADO DO SOLO - Índices físicos entre as três fases
Num solo, só parte do volume total é ocupado pelas partículas sólidas, que se
acomodam formando uma estrutura. O volume restante costuma ser chamado
de vazios, embora esteja ocupado por água ou ar. Deve-se reconhecer, portanto,
que o solo é constituído de três fases: partículas sólidas, água e ar. O
comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma das três
fases (sólido, água e ar). Diversas relações são empregadas para expressar as
proporções entre elas. Na figura 3.1 (a), estão representadas, simplificadamente, as
três fases que normalmente ocorrem nos solos, ainda que, em alguns casos, todos
os vazios possam estar ocupados pela água. Na Figura 3.1 (b), as três fases estão
separadas proporcionalmente aos volumes que ocupam, facilitando a definição e a
determinação das relações entre elas. Os volumes de cada fase são apresentados à
esquerda e os pesos à direita.
Figura 3.1 As fases no solo; (a) no estado natural, (b) separada em volume, (c) em função do volume de
sólidos.
Em princípio, as quantidades de água e ar podem variar. A evaporação pode
fazer diminuir a quantidade de água, substituindo-a por ar, e a compressão do solo
pode provocar a saída de água e ar, reduzindo o volume de vazios. O solo, no que
se refere às partículas que o constituem, permanece o mesmo, mas seu estado se
altera. As diversas propriedades do solo dependem do estado em que se encontra.
Quando diminui o volume de vazios, por exemplo, a resistência aumenta.
Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam os
pesos e os volumes das três fases. Estes índices são os seguintes:
Umidade – Relação entre o peso da água e o peso dos sólidos. É expresso
pela letra h.Para sua determinação, pesa-se o solo no seu estado natural, seca-se
em estufa a 105°C até constância e pesa-se novamente. Tendo-se o peso das
duas fases, a umidade é calculada. É a operação mais frequente num laboratório
de solos. Os teores de umidade dependem do tipo de solo e situam-se geralmente
entre10 e 40%, podendo ocorrer valores muito baixos (solos secos) ou muito altos
(150% ou mais).
hPa100Ps
Índice de vazios – Relação entre o volume de vazios e o volume das
partículas sólidas. É expresso pela letra e. Não pode ser determinado diretamente,
mas é calculado a partir dos outros índices. Costuma se situar entre 0,5 e1,5, mas
argilas orgânicas podem ocorrer com índices de vazios superiores a 3 (volume de
vazios, no caso com água, superior a 3 vezes o volume de partículas sólidas).
eVvVs
Porosidade – Relação entre o volume de vazios e o total. Indica a mesma
coisa que o índice de vazios. É expresso pela letra n. Valores geralmente entre 30
e 70%.
nVv100Vt
Grau de saturação – Relação entre o volume de água e o volume de
vazios. Expresso pela letra S. Não é determinado diretamente, mas calculado.
Varia de zero (solo seco) a 100% (solo saturado).
SVa100Vv
Peso específico das partículas - ϒg ==> (g/cm3 - ton/m3):
É definido como a relação entre o peso da substância sólida do solo, Ps, por
unidade de volume da parte sólida, Vs.
ϒg= PsVs
(ou massa especifica das partículas ou dos grãos)
Densidade relativa das partículas (δ):
É numericamente igual ao peso especifico das partículas. A diferença e que a
densidade e adimensional.
É a razão entre o peso da substância sólida e o peso de igual volume de água
pura a 4 U C.
δ= ϒ gϒ a
ϒa = peso específico da água a 4 U C = 1 g/cm3 ou (9,81 kN/m3) assim:
ϒg= δϒa
Valores médios de densidades dos solos:
SOLO δ
Pedregulho 2,65 - 2,68
Areia 2,65 - 2,68
Silte 2,66 - 2,70
Argila 2,68 - 2,80
Solo orgânico < 2,0
Quanto maior o teor de matéria orgânica no solo, menor a densidade relativa.
Quanto maior o teor de oxido de ferro, maior a densidade relativa.
Densidade real das partículas no laboratório:
Método do Picnômetro (Laboratório):
P1 –Ps =P2 – PsδaTδ
δ=Ps .δaT
Ps+P2−P1
P1 = peso do picnômetro com solo e água
P2 = peso do picnômetro com água pura
PS = peso do solo seco
Figura 3.2 – Esquema de determinação do volume do peso específico dos grãos
É determinado em laboratório. Coloca-se um peso seco conhecido do
solo (Ps) num picnômetro e completa-se com água, determinando o peso
total(Pp+Ps+Pa’).O peso do picnômetro completado só com água(Pp+Pa),mais
o peso do solo, menos o peso do picnômetro com solo e água, é o peso da
água que foi substituído pelo solo. Deste peso, calcula-se o volume de água
que foi substituído pelo solo e que é o volume do solo.
Vs(PpPa)(Ps)(PpPsPa')
Com peso e o volume, tem-se o peso específico.γg Ps
(PpPa)(Ps)(PpPsPa')
O peso específico dos grãos dos solos varia pouco de solo para solo e,
por si, não permite identificar o solo em questão, mas é necessário para
cálculos de outros índices. Os valores situam-se em torno de 27kN/m³, sendo
este valor adotado quando não se dispõe do valores específicos para o solo em
estudo. Grãos de quartzo (areia) costumam apresentar pesos específicos de
26,5 kN/m³ e argilas, em virtude da deposição de sais de ferro, valores até 30
kN/m³.
Peso específico da água – Embora varie um pouco com a temperatura,
adota- se sempre como igual a 10 kN/m³, a não ser em certos procedimentos de
laboratório.
A expressão “peso específico natural” é, algumas vezes, substituída só por
“peso específico” do solo. Tratando-se de compactação do solo, o peso específico
natural é denominado peso específico úmido.
Para sua determinação, molda-se um cilindro do solo cujas dimensões
conhecidas permitem calcular o volume. O peso total dividido pelo volume é o peso
específico natural. O peso específico também pode ser determinado a partir de
corpos irregulares, obtendo-se o volume por meio do peso imerso n’água. Para tal,
o corpo deve ser previamente envolto por parafina.
O peso específico natural não varia muito entre os diferentes solos. Situa-se
em torno de19e20kN/m³ e, por isso, quando não conhecido, é estimado como
igual a 20kN/m³. Pode ser um pouco maior (21kN/m³) ou menor (17kN/m³).Casos
especiais, como as argilas orgânicas moles, podem apresentar pesos específicos
de14 kN/m³.
Peso específico aparente seco- Relação entre o peso dos sólidos e o
volume total. Corresponde ao peso específico que o solo teria se viesse a ficar
seco, se isto pudesse ocorrer sem que houvesse variação de volume. Expresso
pelo símbolo γs. Não é determinado diretamente em laboratório, mas calculado a
partir do peso específico natural e da umidade. Situa-se entre 13 e
19kN/m³(4a5kN/m³no caso de argilas orgânicas moles).
Peso específico aparente saturado–Peso específico do solo se viesse a
ficar saturado e se isto ocorresse sem variação de volume. É de pouca aplicação
prática, servindo para a programação de ensaios ou a análise de depósitos de
areia que possam vir a se saturar. Expresso pelo y sat, é da ordem de 20 kN/m³.
Peso específico submerso – É o peso específico efetivo do solo quando
submerso. Serve para cálculos de tensões efetivas.É igual ao peso específico
natural menos o peso específico da água, portanto com valores da ordem
de10kN/m³.
Granulometria
Uma outra análise das partículas sólidas do solo é a Granulometria ou
Análise Granulométrica dos solos que é caracterizada pelo processo que visa definir,
para determinadas faixas pré-estabelecidas de tamanho de grãos, a percentagem
em peso que cada fração possui em relação à massa total da amostra em análise.
A análise granulométrica pode ser realizada: 1 - por peneiramento, quando
temos solos granulares como as areias e os pedregulhos; 2 - por sedimentação, no
caso de solos argilosos; 3 - pela combinação de ambos os processos; 4 -
por difração de laser.
Conclusão
Com um estudo sistemático sobre as teorias que circundam a disciplina
Mecânica dos Solos, é possível compreender e interpretar os vários materiais
encontrados na investigação do solo. Considerar a terra como um material de
engenharia é muito complicado, pois este, não é um material sólido coerente como o
aço, por exemplo, mas é um material em partículas. É importante compreender a
importância do tamanho da partícula, forma e composição, e da estrutura interna de
um solo a fim de conseguir informações concretas sobre as propriedades mecânicas
do mesmo.
Neste trabalho foram apresentadas algumas equações matemáticas que
servem como suporte no momento da investigação e estudos quantitativos e
qualitativos do solo objeto de estudo.
Bibliografia
CARDOSO, L. R.; Apostila de Mecânica dos Solos, ETFES, Vitória, 1995.
CAPUTO, H. P.; Mecânica dos Solos e suas Aplicações, Livros Técnicos e Científicos, São Paulo, 1994.
PINTO, Carlos de Souza; Curso Básico de Mecânica dos Solos- 3º Edição