Mecânica dos Solos: Definições, Índices Físicos e Tipos de Solos

Importância da Mecânica dos Solos para a Engenharia Civil

A mecânica dos solos é de grande importância, pois estuda o comportamento do solo quando este é usado como material de construção civil ou como material de fundação, assim como para outros propósitos, entre eles: projetos de pavimentos, escavações, aterros e barragens.

Definição de Solo

Solo é um material trifásico composto por: água, ar e minerais (parte sólida). Parte da água e ar são variáveis em volume, já a dos minerais não varia, pois estes não mudam de estado ou lugar. As diversas propriedades do solo dependem do estado em que se encontra; logo, quando diminui o volume de vazios, por exemplo, a resistência aumenta.

Índices Físicos Utilizados para Descrever o Estado do Solo

• Umidade
• Índice de vazios
• Grau de Saturação
• Porosidade
• Peso específico dos grãos
• Peso específico natural, entre outros

Definição de Solo para a Engenharia Civil

Solo é um material granular composto de rocha decomposta, água, ar e matéria orgânica, que pode ser escavado sem o auxílio de explosivos e que tem origem pelo processo de decomposição da rocha e pela ação de agentes intempéricos. Logo, o solo também depende da composição da rocha-mãe e do clima da região, apresentando um maior índice de vazios do que a rocha-mãe.

Definição de Rocha

Rocha é aquilo que é impossível de escavar manualmente, que necessite de explosivos para seu desmonte.

Intemperismo (Processo que Dá Origem ao Solo)

É o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos, pelos quais a rocha se decompõe para formar o solo, sendo que todos os processos tendem a acontecer ao mesmo tempo.

• Físico: É aquele que começa a quebrar a rocha em pedaços cada vez menores, aumentando a superfície de contato e facilitando o trabalho do intemperismo químico. Este aumento de superfície ocorre pois a água passa a permear várias superfícies conforme a desagregação ocorre, sendo os agentes intempéricos responsáveis a água e o sol.
• Químico: Consegue desagregar mais a rocha quando comparado ao físico. Logo, solo com predominância do intemperismo químico tende a ser mais profundo e mais fino. A água é um fator fundamental no desenvolvimento deste intemperismo, de modo que em regiões onde chove muito e tem uma umidade alta, há a predominância do intemperismo químico, enquanto que, em climas secos, há a predominância do solo físico.
• Biológico: É quando há a presença de vegetação no solo.

Temperatura em Relação ao Solo

• Menor temperatura leva a solos menos espessos.
• Maior temperatura e mais água levam a solos mais espessos. Ex: clima tropical.

Fases do Solo

1. Fase Sólida ou Mineral: Constituída de fragmentos de rocha e minerais. Composta por componentes inorgânicos de tamanhos diversos, exercendo influência nas propriedades do solo.
2. Fase Líquida: Representada pela água, que contém diversos íons importantes para a nutrição das plantas e que ocupa parte dos espaços porosos do solo. Pode estar presente completa ou parcialmente no solo, dividindo-se em: solo saturado (quando todos os poros estão preenchidos por água) e solo insaturado (quando somente parte dos poros contém água).
3. Fase Gasosa: É o ar do solo, que ocupa o espaço poroso não ocupado pela fase líquida. Através dessa fase é que é realizado o transporte do N e O2, que são elementos indispensáveis para as plantas.

Definição de Solo Saturado e Solo Insaturado

• Solo Saturado: São os solos em que todos os poros estão preenchidos por água.
• Solo Insaturado: São os solos em que somente parte dos poros contém água.

Problemas Envolvendo Solos Não Saturados

• Barragens de terra
• Taludes naturais
• Fundação em solos expansivos
• Empuxo

1 Fase Sólida ou Mineral (Minerais Primários e Secundários)

• Primários: São aqueles que possuem composição similar à da rocha-mãe e constituem a fração grossa do solo. Ex: areia, silte, quartzo, pirita e biotitas.
• Secundários: São aqueles que derivam dos primários e se originam através do intemperismo, constituindo a fração fina do solo. Ex: argila/silte, quartzo (areia), etc.

1 Fase Sólida ou Mineral (Constituintes)

• Areia: Possui diâmetro entre 0,005 mm e 2 mm e dá a sensação de aspereza. É um mineral que possui partículas visíveis a olho nu e podem possuir dois formatos, sendo estes: arredondados ou angulares, dependendo do grau de intemperismo e abrasão sofrida. As partículas de areia grossa podem conter vários minerais, mas a maioria é constituída por um único mineral, sendo geralmente o quartzo ou outro silicato primário. Possui pequena capacidade de retenção de água ou nutrientes e não se mantém unidas em massa coerente. Devido a isso, a maioria dos solos arenosos são bem aerados e soltos.
• Silte: Possui partículas entre 0,002 mm e 0,05 mm que não são visíveis a olho nu e apresentam textura suave e sedosa. Possui também poros menores e mais numerosos quando comparados às partículas de areia, por isso, o silte retém mais água e permite uma menor taxa de drenagem. Entretanto, o silte, mesmo úmido, não exibe pegajosidade e plasticidade. A baixa plasticidade, coesão e capacidade de absorção são devidas à adesão de filmes de argila à superfície das partículas. Devido à sua baixa plasticidade e pegajosidade, solos com grande quantidade de silte e areia fina podem ser altamente suscetíveis à erosão eólica e hídrica.
• Argila: Apresenta uma enorme capacidade de absorção da água e outras substâncias, devido ao grande número de poros entre as partículas, sendo estes pequenos em tamanho, mas grandes em número, possuindo também uma grande área superficial. Devido ao tamanho desta área de absorção, as partículas de argila mantêm-se unidas em uma massa dura e coesa depois de seca, e quando úmida, a argila é pegajosa e facilmente moldada.

Comparação entre Solo Arenoso e Argiloso

Solo arenoso é mais permeável e mais instável quando comparado ao argiloso.

Textura do Solo (Arenoso, Médio e Argiloso)

• Textura arenosa, ou solo leve: São permeáveis, leves, possuem baixa capacidade de retenção de água, o que ocasiona uma alta taxa de infiltração de água no solo, e de baixo teor de matéria orgânica. São também altamente suscetíveis à erosão.
• Textura média: São solos que apresentam certo equilíbrio entre os teores de areia, argila e silte, apresentando boa drenagem e boa capacidade de retenção de água.
• Textura argilosa ou solo pesado: Possuem baixa permeabilidade e alta capacidade de retenção de água e são mais resistentes à erosão, logo, apresentam também maior força de coesão entre as partículas.

Classificação do Solo em Relação à Sua Formação

Solos Residuais

• São aqueles que provêm da rocha-mãe, intemperizado, e têm grande relação com a rocha de origem. Estes permanecem no local de decomposição da rocha. Para que ele ocorra é necessário que a velocidade de decomposição da rocha seja maior que a velocidade de remoção do solo por agentes externos (erosão, geleiras, etc). Esta velocidade depende de vários fatores, entre eles: temperatura, chuva e vegetação, equilíbrio entre o solo decomposto e a rocha-mãe num certo meio ambiente, intervindo fatores regionais tais como a natureza da rocha-mãe, o clima, as condições de drenagem, a topografia e os processos orgânicos.
• Solo heterogêneo.

Solo Tropical

• Países localizados abaixo da linha do Equador.
• Está relacionado aos fenômenos que levam à formação deste solo: o clima, distribuição do solo, topografia, rocha matriz, processo geológico, etc.

Solo Saprolítico

• Este ainda guarda características da rocha-mãe e tem basicamente os mesmos minerais, porém, sua resistência já está bastante reduzida devido aos ataques químicos.
• Solo heterogêneo.
• Pode ser caracterizado como uma matriz de solo sendo: leve (constituído por areia), médio (balanço entre areia e argila) e pesado (argila), envolvendo pedaços de rocha altamente alterada, sendo comum também a ocorrência de grandes blocos de rocha denominados de matacões.
• Embora o índice de vazios possa ser alto, devido à expansão que acompanha.
• Exemplos: predominância de quartzo, argilo-minerais (caulinita, haloisita, gibsita, etc.), feldspatos e mica.

Solo Residual Jovem

• Apresenta boa quantidade de material que pode ser classificado como pedregulho, sendo um solo irregular quanto à resistência mecânica, coloração, permeabilidade e compressibilidade.
• Solo heterogêneo.
• Neste tipo de solo e nos saprolíticos a sondagem à percussão deve ser feita cuidadosamente, pois o material pedregulhoso pode vir a danificar os amostrados, vindo assim a mascarar os resultados obtidos.

Solo Maduro

• Solo totalmente decomposto mais próximo à superfície, sendo mais homogêneo e não apresentam semelhança com a rocha-mãe.
• Quando comparado com o solo transportado, sabe-se que o solo residual é mais homogêneo, principalmente se a rocha-mãe for homogênea.
• Ex: Uma área de granito dará um solo de composição areno-siltosa, enquanto que uma área de gnaisses e xistos dará solos areno-siltosos e argilo-siltosos.

Solo Transportado

• Caracterizado pelo solo residual que sofre a ação transportadora dos agentes geológicos (mar, rio, vento, gravidade, etc.). Neste tipo de solo têm-se uma grande quantidade de matéria orgânica em sua composição e este não possui ligação com a rocha-mãe.
• O solo transportado, de acordo com a capacidade do agente transportador, pode exibir grandes variações laterais e verticais na sua composição. Este não possui comportamento, tensão e deformação únicos. Isto ocorre porque ele sofre variação de volume, que altera sua resistência.

Solo Coluvionar

• Quando o solo residual é transportado pela ação da gravidade, como nos escorregamentos, a distâncias relativamente pequenas, recebe o nome de solo coluvionar. Em geral estes solos encontram-se no pé das encostas naturais e podem ser constituídos de solos misturados com blocos de rocha.

Blocos de Material Alterado

• Os blocos de material alterado correspondem ao horizonte de rocha alterada em que a ação do intemperismo progrediu ao longo das fraturas ou zonas de menor resistência, deixando intactos grandes blocos da rocha original, envolvidos por solo.

Solos Lateríticos

• Definição de laterização: Laterização é um processo característico de clima úmido, que confere ao solo uma elevada concentração de óxidos hidratados de ferro e alumínio, que leva à predominância da caulinita como argilo mineral.
• Solos mais estáveis e homogêneos quando comparados aos saprolíticos.
• Elementos MENOS solúveis se CONCENTRAM.
• Elementos MAIS solúveis vão se lixiviando, conforme o decorrer do tempo, deixando camadas de material laterizado (laterita, limanita) para trás, concentrando alumínia e óxidos de ferro. Pode-se dizer por isso que estes solos são solos “enferrujados”.
• Podem possuir granulometria arenosa ou argila, dependendo da rocha-mãe.
• Exemplo: A cidade de SP possui solo laterítico de origem argilosa (solos lateríticos argilosos), já aqui no interior, nosso solo laterítico é de origem arenosa.
• Nogami e Villibor apresentaram um sistema de classificação de solos tropicais, denominado MCT, que permite diferenciá-los em lateríticos e não lateríticos, com base em ensaios de compactação e de perda de massa por imersão.
• A composição mineralógica e a estrutura dos solos LATERÍTICOS têm grande influência em suas características e propriedades geotécnicas.
• A ação combinada da lixiviação e da cimentação das partículas é responsável por resultar um solo com elevado índice de vazios, elevada resistência contra a ação erosiva das águas pluviais e alta permeabilidade. Sendo o índice de vazios e o grau saturação as características mais importantes desses solos, exercendo influência grande nas propriedades de compressibilidade e resistência.
• São solos heterogêneos.

Solos Sedimentares Intemperizados

• Solos sedimentares que sofrem a ação do intemperismo apresentam coloração variada.

Solos de Alteração na Região Centro – Sul do Brasil (Perfil Típico do Nosso Solo)

• I-1) Solo coluvionar (solo transportado – material que foi transportado pela ação da gravidade ou da água)
• I-2) Solos residuais maduros (ex: quartzo, silte, argila)
• II) Solos saprolíticos (há ainda alguns blocos de rocha)
• III) Blocos de material alterado (onde há blocos de rocha)

Obs: essas concreções de limonita foram transportadas e depositadas (I)

Perfis de Intemperismo na Região Centro-Sul do Brasil (Perfil em Relação ao Tipo da Rocha)

• 1ª: Pode-se encontrar: Granito/gnaisse, logo haverá nesse solo as camadas:
  • Argila arenosa porosa, vermelha ou marrom
  • Solo saprolítico (argilas/ siltes ou areias)
  • Blocos em material alterado
  • Rochas (blocos arredondados)
• 2ª: Pode-se encontrar: Basalto, logo haverá nesse solo as camadas:
  • Argila porosa vermelha
  • Argila dura, vermelha ou marrom (solo saprolítico)
  • Matacões ou basalto alterado
  • Rocha (blocos retangulares)
• 3ª: Pode-se encontrar: Arenito, logo haverá nesse solo as camadas:
  • Areia porosa
  • Areia argilosa
  • Rocha

Agentes de Transporte

• Vento (solos eólicos)
• Água (solos aluvionares)
• Água dos oceanos e mares (solos marinhos)
• Água dos rios (solos fluviais)
• Água das chuvas (solos pluviais)
• Geleiras (solos glaciais)
• Gravidade (solos coluvionares)

Exploração do Subsolo

1. Solos lateríticos: Obras a serem construídas em locais bem definidos é possível, por meio de sondagens de simples reconhecimento, com extração de amostras, ter uma ideia precisa das dificuldades que poderão ser enfrentadas nas escavações.
2. Solos saprolíticos: Apenas a sondagem de simples reconhecimento, com extração de amostras, ou sondagem rotativa, com extração de testemunhos, não é suficiente. É necessário abrir poços para inspeção e a realização de ensaios in situ.

Recomenda-se o uso preferencial de amostrados tipo Denison ou Pitcher (barrilete triplo), e a realização de ensaios de campo, tais como CPT e ensaios pressiométricos, evitando-se, assim, os efeitos prejudiciais de alívio de tensões que ocorrem em amostras “indeformadas”, extraídas na forma de blocos.