Publicado em 07 Jul 2020

Os métodos de ensaios em solos

Redação

Os ensaios laboratoriais de caracterização dos solos constituem um dos componentes de grande relevância na engenharia geotécnica e na agricultura. Podem ser feitos estudos mais detalhados para caracterizar o comportamento da tensão de deformação dos solos que contribuem para um dimensionamento mais racional das obras a serem realizadas. Para tal, torna-se indispensável um programa avançado de ensaios laboratoriais de precisão. De uma forma resumida, pode-se dizer que a caracterização do comportamento da tensão e da deformação no tempo do solo deverá contemplar os ensaios de campo, os laboratoriais e a observação do comportamento em escala real. Os ensaios a serem realizados deverão visar a caracterização física e mecânica dos materiais. A caracterização física é feita habitualmente recorrendo a ensaios de rotina simples como: análises granulométricas, determinação dos limites de consistência e do teor em água natural (nos solos finos), ensaios de compactação, determinação da massa volumétrica por meio de amostras representativas e determinação da densidade das partículas sólidas. Este conjunto de ensaios proporcionam a obtenção de parâmetros índice que identificam não só a natureza do solo, bem como podem ser correlacionados com as suas propriedades mecânicas. Outro ensaio seria um método para o cálculo de compacidade relativa correspondente a um determinado índice de vazio mínimo do material ensaiado. Também pode ser citado o método de ensaio para determinação das propriedades de adensamento do solo, caracterizadas pela velocidade e magnitude das deformações, quando o solo é lateralmente confinado e axialmente carregado e drenado, além do método para determinação da massa específica aparente de amostras indeformadas de solo, com emprego da balança hidrostática.

As rochas existentes na superfície da Terra estão sujeitas ao intemperismo que é o conjunto das modificações de natureza física (desagregação) e química (decomposição) que elas sofrem e que dependem de vários fatores, como clima, relevo, fauna, flora, tipo de rocha e tempo de exposição. Os produtos friáveis e móveis formados pelo intemperismo e que não são imediatamente removidos pela água, vento ou gelo evoluem, sofrendo uma reorganização estrutural, e dão origem ao que se chama de solo, em um processo conhecido por pedogênese.

Não é fácil definir solo porque, além de ser um material complexo, a definição necessariamente precisa levar em conta sua utilização. Para o geólogo, por exemplo, o solo é o produto de alteração das rochas; para um arqueólogo é o meio em que ficam preservados registros de civilizações passadas; para o agrônomo ou agricultor, é o meio onde crescem as plantas; para um engenheiro, é o material em que serão fixadas as fundações de uma construção; para um hidrólogo, é um meio em que se armazena água subterrânea.

Para o estudioso das ciências da Terra, pode-se definir solo como o produto do intemperismo, do remanejamento e da reorganização das camadas superiores da crosta terrestre, sob ação da atmosfera, da hidrosfera, da biosfera e das trocas de energia envolvidas. Dependendo dos fatores que afetam o intemperismo, os solos terão características e propriedades físicas, químicas e físico-químicas diferenciadas. Poderão ser argilosos ou arenosos; vermelhos, amarelos ou cinza-esbranquiçados; ricos ou pobres em matéria orgânica; espessos ou rasos; homogêneos ou estruturados em horizontes bem definidos.

O clima é o fator que mais influencia o intemperismo, principalmente a precipitação pluviométrica (chuvas) e as variações de temperatura. São elas as principais responsáveis pela natureza e velocidade das reações químicas que ocorrem na formação do solo. O relevo determina a velocidade de escoamento das águas superficiais, afetando assim a quantidade de água que se infiltra no solo e, como decorrência disso, a maior ou menor remoção de componentes solúveis.

A matéria orgânica existente no solo tem grande influência nas reações químicas, liberando CO2, por exemplo, e afetando o pH da água, o que tem reflexos na solubilidade do alumínio. O tempo de exposição da rocha, naturalmente, é fundamental, pois quanto mais exposta ela fica, mais sofre desagregação e decomposição.

O tipo de rocha é também importante, pois, dependendo da composição mineralógica, as rochas podem ser muito alteráveis (como os mármores), enquanto outras (como quartzitos) são muito resistentes ao intemperismo. O solo corresponde a camada superficial da crosta terrestre, sendo muito importante para o desenvolvimento da vida na Terra, visto que dele são retirados os alimentos necessários para a sobrevivência. O solo é usado não somente para a produção da alimentação, mas também como matéria prima para diversas construções.

Além disso, o solo possui importantes funções, desde o armazenamento e escoamento e infiltração da água na superfície, sendo um componente fundamental para o desenvolvimento de diversos ecossistemas. Ele é o resultado de um paciente trabalho da natureza. Partículas (minerais e orgânicas) vão sendo depositadas em camadas (horizontes) devido à ação da chuva, do vento, do calor, do frio e de organismos (fungos, bactérias, minhocas, formigas e cupins) que vão desgastando as rochas de forma lenta no relevo da Terra.

Para que se tenha ideia de como esse processo de formação do solo é lento e paciente, saiba que são necessários cerca de 400 anos para se formar 1 cm (um centímetro) de solo. Assim, ele possui elementos minerais que são fundamentais para as plantas, os quais atendem a dois critérios de essencialidade: direto em que o elemento tem que participar de algum composto, ou de alguma reação, sem a qual a planta não vive; e indireto em que o elemento não pode ser substituído por nenhum outro.

Os elementos essenciais dos solos são chamados de macronutrientes, como o N, P, K, Ca, Mg e S, e são exigidos em maiores quantidades (em quilogramas/hectare) pelas culturas. Já os elementos chamados de micronutrientes, como o B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn, Si e Ni – são exigidos em menores quantidades (em gramas/hectare) pelas culturas. Por causa principalmente do clima, a maioria dos solos tropicais tem níveis de acidez de médio a alto (pH em água < 6,0) e baixos teores de elementos essenciais.

Nesses tipos de solo, as culturas passam a necessitar de mais nutrientes, até mesmo por possuírem mais variedades de plantas de maior potencial produtivo. Assim como é difícil definir solo, porque a definição deve levar em conta o uso que se tem em mente, também é difícil classificar seus diferentes tipos. Além de haver variados critérios que podem ser usados para isso, a passagem de um tipo de solo para outro é gradacional, o que torna difícil estabelecer limites entre eles.

São bastante conhecidas as classificações francesa e portuguesa, muito usadas para os solos africanos; e a classificação adotada pela Food and Agricultural Organization, usada para uma classificação mundial dos solos. A mais difundida, porém, é a classificação norte-americana (Soil Taxonomy), que compreende 12 ordens de solo divididas em subordens, grandes grupos, grupos, famílias e séries. O território brasileiro encontra-se quase todo na zona tropical e tem um relevo que desde o final do Cretáceo não sofreu grandes movimentações. Assim, a natureza da rocha e o relevo têm importância secundária na formação dos solos, sendo o clima é um fator predominante na pedogênese.

Os solos mais importantes em termos de extensão ocupada são de longe os latossolos, que ocorrem praticamente em todo o país e se desenvolvem sobre todos os tipos de rocha. São solos com baixa capacidade de troca de cátions, com presença de argilas de baixa atividade, geralmente muito profundos (mais de 2 m), bem desenvolvidos e de cor amarela a vermelho-escura (pela concentração de óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio), localizados em terrenos planos ou pouco ondulados. São típicos de regiões de clima tropical úmido e semiúmido.

A NBR 16843 de 05/2020 - Solo — Determinação do índice de vazios mínimo de solos não coesivos especifica o método de determinação do índice de vazios mínimo (mín.) de solos granulares, não coesivos, contendo no máximo 12 % (em massa) de material que passa na peneira de 0,075 mm. Esta norma também especifica o método para o cálculo de compacidade relativa correspondente a um determinado índice de vazio mínimo do material ensaiado.

A NBR 16853 de 05/2020 - Solo — Ensaio de adensamento unidimensional especifica o método de ensaio para determinação das propriedades de adensamento do solo, caracterizadas pela velocidade e magnitude das deformações, quando o solo é lateralmente confinado e axialmente carregado e drenado. A NBR 16867 de 05/2020 - Solo - Determinação da massa específica aparente de amostras indeformadas — Método da balança hidrostática especifica um método para determinação da massa específica aparente de amostras indeformadas de solo, com emprego da balança hidrostática. Esta norma é aplicável somente a materiais que possam ser adequadamente talhados.

Para a obtenção do índice de vazios mínimo, é necessária a determinação da massa específica aparente seca máxima. Este índice corresponde ao estado mais compacto que um solo não coesivo pode ser colocado, utilizando-se um procedimento laboratorial normalizado que minimize a segregação e a quebra de partículas. Nesta norma, o índice de vazios mínimo absoluto não é necessariamente obtido.

Para os solos não coesivos, os índices de vazios máximo e mínimo constituem-se nos parâmetros básicos para avaliação do estado de compacidade. Para tanto, a compacidade relativa, como especificada em 7.4, fornece uma indicação do estado de compacidade de uma determinada massa de solo, seja uma ocorrência natural, seja construída pelo homem. No entanto, as propriedades de engenharia, como a resistência ao cisalhamento, compressibilidade e permeabilidade de um dado material, compactado por métodos distintos, para um mesmo estado de compacidade, podem variar consideravelmente.

Por outro lado, solos distintos, no mesmo estado de compacidade, podem apresentar diferenças ainda mais acentuadas dessas propriedades, dependendo da granulometria, formato dos grãos, etc. Por esse motivo, discernimento considerável deve ser usado ao se relacionarem as propriedades de engenharia dos solos com o estado de compacidade. A amplitude dupla de vibração vertical tem efeito significativo no índice de vazios obtido. Para uma mesa vibratória e molde específicos, o menor índice de vazios de um dado material pode ser obtido para uma amplitude dupla diferente das especificadas nesta norma, ou seja, o índice de vazios pode inicialmente diminuir com o aumento da amplitude dupla de vibração, atingir um mínimo e então aumentar com o incremento da amplitude dupla.

Portanto, a relação entre o menor índice de vazios e a amplitude dupla de vibração ótima pode variar com o tipo de solo. A aparelhagem necessária para a execução do ensaio é a seguinte: estufa capaz de manter a temperatura entre 105 °C e 110 °C; peneiras de 75 mm, 38 mm, 19 mm, 9,5 mm, 4,8 mm e 0,075 mm, de acordo com as NBR NM ISO 2395 e NBR NM ISO 3310-1; balanças que permitam pesar nominalmente 40 kg, 10 kg e 1,5 kg, com precisões de 5 g, 1g e 0,1 g, respectivamente; outros equipamentos, como bandeja metálica, conchas metálicas, pá, escova de cerdas macias, cronômetro com indicação de minutos e segundos, e paquímetro que possibilite leituras de no mínimo 30 mm, com precisão de 0,2 mm.

O conjunto para a realização do ensaio pelo método A deve conter o seguinte: moldes cilíndricos metálicos padrões, com volumes nominais de 2.830 cm³ e 14.200 cm³; tubo-guia com dispositivo de fixação ao molde, para cada tamanho de molde. Para facilitar a centralização do tubo-guia acima do molde, ele deve ser dotado de três dispositivos de fixação. Incluir um disco-base da sobrecarga, para cada tamanho de molde, perfurado e dotado de três pinos para centralização da sobrecarga; sobrecarga de seção circular dotada de alça para cada tamanho de molde.

A massa total do disco-base e sobrecarga deve ser suficiente para a aplicação de uma pressão de (13,8 ± 0,1) kPa. Incorporar uma alça dotada de rosca para colocação e retirada do disco-base; suporte encaixável no guia do molde, ao qual fica acoplado um deflectômetro, para medir a diferença de elevação entre o topo do molde e o disco-base da sobrecarga, após a densificação. O deflectômetro deve possibilitar medições de no mínimo 50 mm, com resoluções de 0,02 mm, devendo ser instalado de modo que a sua haste fique paralela ao eixo barra de calibração metálica (opcional), com largura de aproximadamente 7 cm, altura de 0,5 cm e comprimento adequado.

Incluir uma mesa vibratória eletromagnética de aço, com vibração vertical acionada por um vibrador eletromagnético do tipo impacto sólido, com massa maior que 45 kg. A mesa deve ser instalada em ambiente acusticamente isolado do restante do laboratório, sobre um piso ou laje de concreto, com massa de 500 kg, de modo que vibrações excessivas não sejam transmitidas a outras áreas onde estejam sendo realizados outros ensaios. O tampo da mesa deve ter dimensões adequadas, que confiram rigidez suficiente, de forma que o conjunto molde + tubo-guia + sobrecarga fique firmemente fixado e rigidamente apoiado durante o ensaio, devendo por este motivo ser dotado de dispositivo de fixação ao conjunto mencionado.

O conjunto para a realização do ensaio pelo método B deve conter o seguinte: cilindro de Proctor, com volume nominal de 1.000 cm³, de acordo com a NBR 7182, soldado à base, de modo que o conjunto resulte estanque. A base do molde deve ser mais espessa que a normalmente utilizada no ensaio de compactação, além de ser dotada de dispositivo de fixação à mesa vibratória. Deve-se dispor de um tubo-guia, constituído por outro cilindro de Proctor solidário ao colarinho; disco-base da sobrecarga, perfurado e dotado de dispositivo para centralização da sobrecarga; sobrecarga de seção circular dotada de alça. A massa total do disco-base e da sobrecarga deve ser suficiente para aplicação de uma pressão de (13,8 ± 0,1) kPa.

Deve-se incluir uma mesa vibratória, do tipo utilizado para realizar o peneiramento de amostras na análise granulométrica. Este método de ensaio para determinação das propriedades de adensamento do solo requer que um elemento de solo, mantido lateralmente confinado, seja axialmente carregado em incrementos, com pressão mantida constante em cada incremento, até que todo o excesso de pressão na água dos poros tenha sido dissipado. Durante o processo de compressão, medidas de variação de altura da amostra são feitas, e estes dados são usados no cálculo do parâmetro que descreve a relação entre a pressão efetiva e o índice de vazios, bem como a evolução das deformações em função do tempo.

Os dados de ensaio de adensamento podem ser utilizados na estimativa, tanto da magnitude dos recalques totais e diferenciais de uma estrutura ou de um aterro, como da velocidade desses recalques. Como aparelhagem, usar um sistema de aplicação de carga (prensa de adensamento), que permite a aplicação e manutenção das cargas verticais especificadas, ao longo do período necessário de tempo, e com uma precisão de 0,5% da carga aplicada. Quando da aplicação de um incremento de carga, a transferência para o corpo de prova deve ocorrer em um intervalo de tempo não superior a 2 s e sem impacto significativo.

Usar uma célula de adensamento apropriada para conter o corpo de prova e que proporcione meios para aplicação de cargas verticais, medida da variação da altura do corpo de prova e sua eventual submersão. Esta célula consiste em uma base rígida, um anel para manter o corpo de prova, pedras porosas e um cabeçote rígido de carregamento. O anel pode ser do tipo fixo (indeslocável em relação à base rígida) ou flutuante (deslocável em relação à base, sendo suportado pelo atrito lateral desenvolvido entre o corpo de prova e o anel), conforme os esquemas indicados na figura abaixo.

Incluir um anel de adensamento, conforme a seguir: o diâmetro interno do anel deve ser no mínimo de 50 mm (preferencialmente 100 mm) e, no caso de amostras extrudadas e talhadas, no mínimo 5 mm (preferencialmente 10 mm) menor do que o diâmetro interno do tubo de amostragem; a altura do anel deve ser no mínimo de 13 mm e não inferior a dez vezes o máximo diâmetro de partícula do corpo de prova; a relação entre o diâmetro interno e a altura do anel deve ser no mínimo de 2,5 (preferencialmente 3,0); a rigidez do anel deve ser tal que, sob a condição de pressão hidrostática igual à máxima pressão axial a ser aplicada ao corpo de prova, a variação do diâmetro do anel não exceda 0,03%; o anel de adensamento deve ser feito de material não corrosível (preferencialmente aço inoxidável), e sua superfície interna deve ser altamente polida ou recoberta com material de baixo atrito, por exemplo, politetrafluoroetileno (PTFE).

Recomenda-se, antes do ensaio, untar a superfície interna do anel com graxa de silicone. O anel fixo permite a execução de ensaios de permeabilidade, junto com o ensaio de adensamento. Quando o solo a ser ensaiado se constituir de material muito mole, não se utiliza anel flutuante. Usar pedras porosas, conforme a seguir. As pedras porosas devem ser confeccionadas com material quimicamente inerte em relação ao solo e à água dos poros. Devem ser constituídas de poros com dimensões suficientemente pequenas, de forma a se evitar a intrusão de partículas de solo.

Se necessário, papel-filtro resistente pode ser utilizado entre o corpo de prova e a pedra porosa para impedir a infiltração de solo e facilitar a limpeza posterior da pedra. O conjunto pedra porosa e papel-filtro deve apresentar permeabilidade suficientemente alta, de modo a não retardar a drenagem do corpo de prova. As pedras porosas devem ser uniformes e estar sempre limpas e livres de trincas.

A adequabilidade de pedra porosa sob o ponto de vista de permeabilidade e limpeza pode ser comprovada por meio de ensaios expeditos, submetendo-a a uma carga hidráulica da ordem de 10 cm e observando-se o gotejamento em sua face inferior. o diâmetro da pedra porosa do topo deve ser 0,2 mm a 0,5 mm menor que o diâmetro interno do anel. Se for utilizado anel flutuante, a pedra de base deve apresentar o mesmo diâmetro da pedra do topo. Recomenda-se a utilização de pedras biseladas, com a face de maior diâmetro em contato com o solo. As pedras porosas devem ser espessas o suficiente para se evitar a sua quebra, sendo de topo, na sua face superior, protegida por um disco metálico (cabeçote) rígido, resistente à corrosão e com diâmetro igual ao da pedra.

Já a aparelhagem necessária para o ensaio para determinação da massa específica aparente de amostras indeformadas de solo é a seguinte: estufa capaz de manter a temperatura de 60 °C a 65 °C e de 105 °C a 110 °C; balança que permita pesar nominalmente 1,5 kg, com precisão de 0,1 g e sensibilidade compatível; moldura que possa ser acoplada ao prato da balança, sendo que balanças que disponham de dispositivo adequado para realização deste ensaio prescindem de tal moldura. Incluir um recipiente contendo água, de dimensões adequadas, para imersão do corpo de prova; fogareiro ou aquecedor para derreter a parafina; linha comum, ou preferencialmente de náilon, e utensílios como panela, faca, espátula, pincel, etc.; parafina isenta de impurezas e com massa específica aparente, no estado sólido, conhecida e verificada a cada mudança de lote.

 

Hayrton Rodrigues do Prado Filho

hayrton@hayrtonprado.jor.br

Artigo atualizado em 07/07/2020 04:03.

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