Docslide com br Curso Basico de Mecanica dos Solos 16 Aulas 3o Edicao

CURSO BÁSICO DE MECÂNICA DOS SOLOS CARLOS DE SOUSA PINTO 3ª EDIÇÃO COM EXERCÍCIOS RESOLVIDOS EM 16 AULAS Carlos de Sousa Pinto CURSO BÁSICO DE MECÂNICA DOS SOLOS 3ª EDIÇÃO COM EXERCÍCIOS RESOLVIDOS EM 16 AULAS oficina de texto ©Copyright 2006 Oficina de Textos Capa: Mauro Gregolin Diagramação: Anselmo Trindade Ávila Ilustrações: Mauro Gregolin e Anselmo T. Ávila Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Pinto, Carlos de Sousa Curso Básico de Mecânica dos Solos em 16 Aulas/3ª Edição Carlos de Sousa Pinto. — São Paulo: Oficina de Textos. 1. Mecânica dos Solos 2. Mecânica dos Solos — Estudo e Ensino I. Título 00-0430 — CDD-624.151307 Índice para catálogo sistemático: 1. Mecânica dos solos: Estudo e Ensino: Engenharia 624.151307 Todos os direitos reservados à Oficina de Textos Travessa Dr. Luiz Ribeiro de Mendonça, 4 01420-040 São Paulo SP Brasil Fone: (11) 3085-7933 Fax: (11) 3083-0849 site: www.ofitexto.com.br e-mail: ofitexto@ofitexto.com.br APRESENTAÇÃO É com grata emoção e orgulho que edito este livro do prof. Carlos de Sousa Pinto, sem dúvida, um dos mais queridos e respeitados professores de Mecânica dos Solos da Poli, onde há quase 40 anos vem formando as gerações que aí se sucedem. Ninguém como ele para apresentar os primeiros conceitos e fundamentos com clareza e precisão, as primeiras impressões do que vem a ser Mecânica dos Solos. Por serem claras e cristalinas as ideias com que o prof. Carlos Pinto apresenta os fundamentos, permanecem nas jovens mentes pelo resto da vida e permitirão o desenvolvimento sólido do profissional, porque fundado em conceitos firmes. Há 30 anos fui aluna de graduação do prof. Carlos Pinto e estimulada por seu entusiasmo e instigada por esta nova área de conhecimento que nos apresentava, escolhi a engenharia geotécnica como minha profissão e assim é até hoje. Ao final daquele ano pedi-lhe um estágio no IPT e posteriormente ainda viria a ser sua aluna na pós-graduação. Como não sentir enorme satisfação em editar seu livro? Isto sem falar no excelente profissional e prestimoso e solidário colega! Assistir às aulas do prof. Carlos Pinto é um prazer que esperamos transmitir aos leitores deste livro. Façam bom proveito! Sobre o Autor: O prof. Carlos de Sousa Pinto nasceu em Curitiba, Paraná, onde realizou seus estudos até o curso de Engenharia Civil, pela Escola de Engenharia da Universidade do Paraná, em 1956. Iniciou suas atividades profissionais na ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland, em São Paulo, atuando na implantação da técnica de pavimentos de solo-cimento no Brasil. No IPT, Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo, foi pesquisador de 1959 a 1985, atuando sempre no campo da Engenharia de Solos, Mecânica dos Solos 4 COMPACTAÇÃO DOS SOLOS ............................................... 65 4.1 Razões e histórico da compactação ................................... 65 4.2 O Ensaio Normal de Compactação ................................... 66 4.3 Métodos alternativos de compactação .............................. 69 4.4 Influência da energia de compactação .............................. 71 4.5 Apterros experimentais ................................................... 73 4.6 Estrutura dos solos compactados ..................................... 74 4.7 A compactação no campo ................................................ 74 4.8 Compactação de solos granulares .................................... 76 Exercícios resolvidos ......................................................... 76 5 TENSÕES NOS SOLOS - CAPILARIDADE ................................ 83 5.1 Conceito de tensões num meio particulado ....................... 83 5.2 Tensões devidas ao peso próprio do solo .......................... 85 5.3 Pressão neutra e conceito de tensões efetivas ..................... 85 5.4 Ação da água capilar no solo ........................................... 87 Exercícios resolvidos ......................................................... 88 6 A ÁGUA NO SOLO - PERMEABILIDADE, FLUXO UNIDIMENSIONAL E TENSÕES DE PERCOLAÇÃO .......... 101 6.1 A água no solo ................................................................. 101 6.2 A permeabilidade dos solos ............................................ 104 6.3 A velocidade de descarga e a velocidade real de água ....... 108 6.4 Cargas hidráulicas ......................................................... 109 6.5 Força de percolação ....................................................... 111 6.6 Tensões no solo sujeitas à percolação e percolação critica .. 112 6.7 Gradiente crítico ............................................................. 112 6.8 Redução do gradiente de saída ....................................... 114 6.9 Levantamento de fundo ............................................... 116 6.10 Filtros de proteção ........................................................ 116 6.11 Permâmetros horizontais .............................................. 118 Exercícios resolvidos ......................................................... 119 7 FLUXO BIDIMENSIONAL ..................................................... 131 7.1 Fluxos bi e tridimensionais ............................................ 131 7.2 Estudo da percolação com redes de fluxo ......................... 131 7.3 Rede de fluxo bidimensional ........................................ 134 7.4 Traçado de redes de fluxo .............................................. 137 7.5 Outros métodos de traçado de redes de fluxo .................. 138 7.6 Interpretação de redes de fluxo ...................................... 138 7.7 Equação diferencial de fluxos tridimensionais ................ 140 7.8 Condição anisotrópica de permeabilidade ....................... 142 Exercícios resolvidos ......................................................... 145 8 TENSÕES VERTICAIS DEVIDAS A CARGAS APLICADAS NA SUPERFÍCIE DO TERRENO .......................................... 151 8.1 Distribuição de Tensões ................................................ 151 8.2 Aplicação da Teoria da Elasticidade ................................. 153 8.3 Considerações sobre o emprego da Teoria da Elasticidade .. 161 Exercícios resolvidos ......................................................... 162 9 DEFORMAÇÕES DEVIDAS A CARREGAMENTOS VERTICAIS .......................................................................... 171 9.1 Recalques devidos a carregamentos na superfície ............... 171 9.2 Ensaios para determinação da deformabilidade dos solos ..... 171 9.3 Cálculo dos recalques ................................................... 175 9.4 O adensamento das argilas saturadas ............................... 178 9.5 Exemplo de cálculo de recalque por adensamento ............ 182 Exercícios resolvidos ......................................................... 183 10 TEORIA DO ADENSAMENTO EVOLUÇÃO DOS RECALQUES COM O TEMPO ........................................... 193 10.1 O processo do adensamento ............................................ 193 10.2 A Teoria de Adensamento Unidimensional de Terzaghi ...... 194 10.3 Dedução da teoria .......................................................... 197 10.4 Exemplo de aplicação da Teoria do Adensamento ............ 204 Exercícios resolvidos ......................................................... 207 11 TEORIA DO ADENSAMENTO - TÓPICOS COMPLEMENTARES .......................................................... 211 11.1 Formas aproximadas relacionando recalques com o tempo . 211 11.2 Obtenção do coeficiente de adensamento a partir do ensaio . 213 11.3 Condições de campo que influenciam o adensamento ....... 216 11.4 Análise da influência de hipóteses referentes ao comportamento dos solos na teoria do adensamento ................. 219 11.5 Adensamento secundário ................................................ 221 11.6 Emprego de pré-carregamento para reduzir recalques futuros . 225 11.7 Recalques durante o período construtivo .......................... 227 11.8 Interpretação de dados de um aterro instrumentado ......... 228 Exercícios resolvidos ......................................................... 230 12 ESTADO DE TENSÕES E CRITÉRIOS DE RUPTURA ........... 241 12.1 Coeficiente de empuxo em repouso ................................... 241 12.2 Tensões num plano genérico ......................................... 243 12.3 A Resistência dos Solos ................................................ 248 12.4 Critérios de ruptura ....................................................... 251 12.5 Ensaios para determinação da resistência de solos ........... 253 Exercícios resolvidos ......................................................... 257 Mecânica dos Solos 13 RESISTÊNCIA DAS AREIAS 263 13.1 Comportamento típico das areias 263 13.2 Índice de vazios crítico das areias 266 13.3 Variação do ângulo de atrito com a pressão confinante 269 13.4 Ângulos de atrito típicos de areias 270 13.5 Estudo da resistência das areias por meio de ensaios de cisalhamento direto 273 Exercícios resolvidos 274 14 RESISTÊNCIA DOS SOLOS ARGILOSOS 283 14.1 Influência da tensão de pré-adensamento na resistência das argilas 283 14.2 Resistência das argilas em termos de tensões efetivas 284 14.3 Comparação entre o comportamento das areias e das argilas 288 14.4 Análises em termos de tensões totais 289 14.5 Resistência das argilas em ensaio adensado rúpido, CU 290 14.6 Trajetória de tensões 294 14.7 Comparação entre os resultados de ensaios CD e CU 297 Exercícios resolvidos 298 15 RESISTÊNCIA NÃO DRENADA DAS ARGILAS 307 15.1 A resistência não drenada das argilas 307 15.2 Resistência não drenada a partir de ensaio de laboratório 308 15.3 Fatores que afetam a resistência não drenada 310 15.4 Resistência não drenada a partir de ensaio de campo 312 15.5 Resistência não drenada a partir de correlações empíricas 314 15.6 Comparação entre os valores obtidos por diferentes fontes 320 15.7 Influência da estrutura na resistência não drenada 321 15.8 Análise da resistência não drenada de uma argila natural 321 Exercícios resolvidos 323 16 COMPORTAMENTO DE ALGUNS SOLOS TÍPICOS 331 16.1 A diversidade dos solos e os modelos clássicos da Mecânica dos Solos 331 16.2 Solos estruturados e cimentados 331 16.3 Solos residuais 333 16.4 Solos não saturados 334 16.5 Solos colapsíveis 340 16.6 Solos expansivos 341 16.7 Solos compactados 342 Exercícios resolvidos 348 Bibliografia 351 AULA I ORIGEM E NATUREZA DOS SOLOS 1.1 A Mecânica dos Solos na Engenharia Civil Todas as obras de Engenharia Civil se assentam sobre o terreno e inevitavelmente requerem que o comportamento do solo seja devidamente considerado. A Mecânica dos Solos, que estuda o comportamento dos solos quando tensões são aplicadas, como nas fundações, ou aliviados, no caso de escavações, ou perante o escoamento de água nos seus vazios, constituiu-se numa Ciência de Engenharia, na qual o engenheiro civil se baseia para desenvolver seus projetos. Este ramo da engenharia, chamado de Engenharia Geotécnica ou Engenharia de Solos, costuma empolgar os seus praticantes pela diversidade de suas atividades, pelas peculiaridades que o material apresenta em cada local e pela engenhosidade frequentemente requerida para a solução de problemas reais. Trabalhos marcantes sobre o comportamento dos solos já foram desenvolvidos em séculos passados, com os clássicos de Coulomb, 1773, Rankine, 1856 e Darcy, 1856. Entretanto, um acúmulo de insucessos em obras de engenharia civil no início do século XX, dos quais se destacam as rupturas do Canal do Panamá e rompimentos de grandes túneis em estradas e canais em construção na Europa e nos Estados Unidos, mostrou a necessidade de revisão dos procedimentos de cálculo. Como apontou Terzaghi em 1936, ficou evidente que não se podiam aplicar aos solos leis teóricas de uso corrente em projetos que envolviam materiais mais bem definidos, como o concreto e o aço. Não era suficiente determinar em laboratório parâmetros de resistência e deformabilidade em amostras de solo e aplicá-los a modelos teóricos adequados àqueles materiais. O conhecimento do comportamento deste material, disposto pela natureza em depósitos heterogêneos e apresentando comportamento demasiadamente complicado para tratamentos teóricos rigorosos, deve-se em grande parte aos trabalhos de Karl Terzaghi, engenheiro civil de larga experiência, sólido preparo científico e acurado espírito de investigação, internacionalmente reconhecido como o fundador da Mecânica dos Solos Mecânica dos Solos 2 Seus trabalhos, identificando o papel das pressões na água no estudo das tensões nos solos e a apresentação da solução matemática para a evolução dos recalques das argilas com o tempo após o carregamento, são reconhecidos como o marco inicial desta nova ciência da engenharia. Apesar de seu nome, hoje empregado internacionalmente, a Mecânica dos Solos não se restringe ao conhecimento das propriedades dos solos que a Mecânica pode esclarecer. A Química e a Física Coloidal, importantes para justificar aspectos do comportamento dos solos, são parte integrante da Mecânica dos Solos, enquanto que o conhecimento da Geologia é fundamental para o tratamento correto dos problemas de fundações. A Engenharia Geotécnica é uma arte que se aprimora pela experiência, pela observação e análise do comportamento das obras que, por vezes, é imprescindível atentar para as peculiaridades dos solos de modo a permitir o entendimento dos mecanismos de comportamento, que constituem a essência da Mecânica dos Solos. 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 tensão pode ocorrer entre elas, mas uma maior extremamente mais baixa do que nos cristais de uma rocha ou de um metal, ou nos agregados de um concreto. O comportamento dos solos depende dos contatos entre as partículas sólidas entre si e isto faz com que 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 vale dizer que materiais tradicionalmente considerados nas estruturas, o solo alicerce, no seu comportamento, constituem um sólido deformável. A Mecânica dos Solos poderia ser adequadamente incluída na Mecânica dos Sistemas Particulados (Lambe e Whitman, 1969). As soluções da Mecânica dos Sólidos Deformáveis são frequentemente empregadas para a representação do comportamento de maciços de solo, graças à sua simplicidade e por obterem comprovação aproximada de seus resultados com o comportamento real dos solos, quando verificada experimentalmente em obras de engenharia. Em diversas situações, entretanto, o comportamento do solo só pode ser entendido pela consideração das forças transmitidas diretamente nos contatos entre as partículas, embora estas forças não sejam utilizadas em cálculos e modelos. Não é raro, por exemplo, que partículas do solo se quebrem quando este é solicitado, alterando-o, com conseqüente influência no seu desempenho. 1.2 As partículas constituintes dos solos A origem dos solos Todos os solos se originam da decomposição das rochas que constituíam inicialmente a crosta terrestre. A decomposição é decorrente de agentes físicos e químicos. Variações de temperatura provocam trincas, nas quais penetra a água, atacando quimicamente os minerais. O congelamento da água nas trincas, entre outros fatores, exerce elevadas tensões, do que decorre maior fragmentação dos blocos. A presença, da fauna e flora promove o ataque químico, através de hidratação, hidrólise, oxidação, lixiviação, troca de cátions, carbonatação, etc. O conjunto destes processos, que são muito mais atuantes em climas quentes do que em climas frios, leva à formação dos solos que, em consequência, são misturas de partículas pequenas que se diferenciam pelo tamanho e pela composição química. A maior ou menor concentração de cada tipo de partícula num solo depende da composição química da rocha que lhe deu origem. 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 areia grossa, e que outros têm os grãos tão finos que, quando molhados, se tornam uma massa pastosa (barro), não podendo se visualizar as partículas singelamente. A variação do tamanho dos grãos é enorme. Não se percebe isto num primeiro contato com o material, simplesmente porque parecem todos muito pequenos quando se esta acostumado com os grãos com os quais se está acostumado a lidar. Mas existe grande variação entre menores do que outros. Existem grãos de areia grossa, maiores de 1 e 2 mm, e existem partículas de argila com espessuras mínimas da ordem de 1/1000 mm (0,00001 mm). Isto significa que, se uma partícula de areia tivesse sua dimensão de forma a ficar como o tamanho de uma folha de papel de 60 cm (tamanho A0), a partícula ficaria com diâmetro da ordem de 100 a 200 km. Num solo, geralmente convivem partículas de tamanhos diversos. Não é fácil identificar o tamanho das partículas pelo simples manuseio do solo, porque grãos de areia, por exemplo, podem estar envolvidos 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 - Associação Brasileira de Normas Técnicas - são os indicados na Tabela 1.1. Diferentemente dessa terminologia adotada pela ABNT, a separação entre as frações silte e areia é frequentemente tomada como 0,075 mm, correspondendo à abertura da peneira n° 200, que é a mais fina peneira frequentemente usada nos laboratórios. O conjunto de silte e argila é denominado como a fração de finos do solo, enquanto o conjunto areia e