miniatura|upright|A Torre de Pisa, um exemplo de problema causado pela deformação do solo miniatura|Problemas de instabilidade de talude em um dique temporário de controle de enchentes na Dakota do Norte, em 2009 miniatura|Terraplenagem na Alemanha miniatura|upright|Geleira Fox, Nova Zelândia: solo produzido e transportado por intemperismo e erosão
Mecânica dos solos é um ramo da física do solo e da mecânica aplicada que estuda o comportamento dos solos. Difere da mecânica dos fluidos e da mecânica dos sólidos porque os solos consistem em uma mistura heterogênea de fluidos, em geral ar e água, e partículas, em geral argila, silte, areia e cascalho. O solo também pode conter sólidos orgânicos e outros materiais. Junto com a mecânica das rochas, a mecânica dos solos fornece a base teórica para análises em engenharia geotécnica, uma subdisciplina da engenharia civil, e em geologia de engenharia, uma subdisciplina da geologia.
A mecânica dos solos é usada para analisar deformações e o fluxo de fluidos em estruturas naturais ou construídas que se apoiam no solo, são feitas de solo ou estão enterradas nele. Entre as aplicações estão fundações de edifícios e pontes, muros de arrimo, barragens e sistemas de tubulação enterrados. Seus princípios também são empregados em áreas relacionadas, como engenharia geofísica, engenharia costeira, engenharia agrícola e hidrologia.
A mecânica dos solos abrange a gênese e a composição do solo, a distinção entre a pressão da água nos poros e a tensão efetiva intergranular, a capilaridade dos fluidos nos poros do solo, a classificação de solos, a percolação e a permeabilidade, a variação do volume com o tempo provocada pela expulsão de água dos poros, conhecida como adensamento, e a resistência ao cisalhamento e a rigidez dos solos. A resistência ao cisalhamento decorre principalmente do atrito e do intertravamento entre partículas, fenômenos sensíveis à tensão efetiva. Entre suas aplicações estão a estabilidade de taludes, a pressão lateral do solo sobre muros de arrimo e a capacidade de carga de fundações.
História
Em 1925, Karl Terzaghi publicou Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage, reunindo pesquisas sobre o comportamento dos solos e a participação da água presente nos poros. Parte desse trabalho foi desenvolvida durante sua permanência no Robert College, em Istambul.
A Universidade Harvard mantinha um laboratório de mecânica dos solos em 1935. A universidade recebeu, em 1936, a primeira Conferência Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações, com 206 delegados de 20 países. Nela foi formado um comitê executivo presidido por Terzaghi, com Arthur Casagrande como secretário, do qual se originou a Sociedade Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica.
Gênese e composição dos solos
Gênese
O principal mecanismo de formação do solo é o intemperismo das rochas. Todos os tipos de rocha, ígneas, metamórficas e sedimentares, podem ser fragmentados em pequenas partículas que dão origem ao solo. Os mecanismos de intemperismo podem ser físicos, químicos ou biológicos. Atividades humanas como escavação, detonações e deposição de resíduos também podem criar solos. A ação humana no Antropoceno foi proposta como um sexto fator de formação do solo. Em tempo geológico, o material de solos soterrados pode formar rochas sedimentares por compactação e cimentação e, sob condições adequadas de pressão e temperatura, rochas metamórficas. Se for fundido e voltar a se solidificar, forma rochas ígneas e completa etapas do ciclo das rochas.
O intemperismo físico abrange efeitos da temperatura, o congelamento e degelo da água em fissuras, chuva, vento, impactos e outros mecanismos, além da trituração de partículas minerais por animais do solo. O intemperismo químico compreende a dissolução dos minerais que formam uma rocha e sua precipitação na forma de outros minerais. Minerais de argila, por exemplo, podem se formar pelo intemperismo do feldspato, abundante nas rochas ígneas. O intemperismo biológico abrange a secreção de ácidos orgânicos pelas pontas das raízes e pelas hifas de fungos, além da produção de sideróforos e outros compostos quelantes de metais por bactérias. Uma estimativa global baseada em balanços geoquímicos corresponde a uma taxa média de formação equivalente a cerca de 0,0056 cm de espessura de solo por ano. As taxas locais podem diferir bastante conforme o clima, o material de origem, o relevo e outros fatores de formação.
O constituinte mineral mais comum do silte e da areia é o quartzo, formado por sílica, cujo nome químico é dióxido de silício. A maior resistência do quartzo ao intemperismo, em comparação com o feldspato, explica sua abundância nos solos.
Silte, areia e cascalho são essencialmente partículas minerais e pequenos fragmentos de rocha. No Sistema Unificado de Classificação de Solos, a areia compreende partículas entre 0,075 mm e 4,75 mm, e o cascalho, entre 4,75 mm e 75 mm. O material que passa pela peneira de 0,075 mm constitui a fração fina. Nesse sistema, a distinção entre silte e argila depende da plasticidade, não de um limite granulométrico fixo de 0,002 mm. Fragmentos maiores que o cascalho são classificados separadamente, como seixos e matacões.
Transporte miniatura|Exemplo de horizontes do solo. A letra a indica o horizonte superficial e o colúvio, b indica o solo residual maduro, c indica o solo residual jovem e d indica a rocha intemperizada.
Os depósitos de solo dependem do modo como o material foi transportado e depositado. Solos que não foram transportados são chamados de solos residuais e permanecem no mesmo local da rocha da qual se formaram. O granito decomposto, ou grus, é um exemplo comum. Entre os mecanismos de transporte estão a gravidade, o gelo, a água e o vento. Os solos transportados pelo vento incluem areias de duna e loess.
A água transporta partículas de dimensões diferentes conforme sua velocidade, de modo que os solos transportados por água tendem a ser selecionados granulometricamente. Silte e argila podem se depositar em um lago, enquanto cascalho e areia se acumulam no leito de um rio. Depósitos transportados pelo vento, chamados de solos eólicos, também tendem a ser selecionados conforme o tamanho dos grãos. A erosão na base das geleiras pode remover grandes blocos de rocha junto com o solo e produzir sedimentos glaciais não selecionados chamados de till. O material liberado pelo derretimento do gelo pode formar uma mistura de partículas de dimensões muito diferentes. Ciclos de congelamento e degelo também podem separar partículas por tamanho. A gravidade, por si só, transporta partículas de encostas e montanhas para formar depósitos de solo e blocos em sua base. Esses depósitos são chamados de colúvio.
O mecanismo de transporte também modifica a forma das partículas. O desgaste no leito de um rio, por exemplo, tende a arredondá-las à medida que são transportadas a jusante. Partículas de colúvio recém-fraturadas costumam ter formas muito angulosas.
Composição do solo
Mineralogia do solo
Siltes, areias e cascalhos são classificados por suas dimensões e podem ser formados por minerais diferentes. Por ser mais estável que muitos minerais das rochas, o quartzo é o constituinte mais comum da areia e do silte. Mica e feldspato também são comuns em areias e siltes. A composição mineralógica do cascalho pode se aproximar mais daquela da rocha de origem.
Entre os minerais de argila comuns estão a ilita, a caulinita e as esmectitas, grupo ao qual pertence a montmorilonita. Esses minerais costumam formar estruturas em folhas ou placas, com comprimentos típicos entre 10−7 m e 4 × 10−6 m e espessuras entre 10−9 m e 2 × 10−6 m. Também possuem área superficial específica relativamente grande. A área superficial específica é a razão entre a área superficial das partículas e sua massa. Nos minerais de argila, ela costuma variar de 10 a 1.000 m² por grama de sólido. A grande área disponível para interações químicas, eletrostáticas e de van der Waals faz com que o comportamento mecânico desses minerais seja muito sensível à quantidade de fluido nos poros e ao tipo e à concentração de íons dissolvidos nesse fluido.
Os minerais dos solos são formados principalmente por átomos de oxigênio, silício, hidrogênio e alumínio organizados em diferentes formas cristalinas. Esses elementos, junto com cálcio, sódio, potássio, magnésio e carbono, correspondem a mais de 99% da massa sólida dos solos.
Distribuição granulométrica
Os solos são misturas de partículas com diferentes dimensões, formas e mineralogias. Como o tamanho das partículas afeta seu comportamento, a granulometria e a distribuição granulométrica são usadas na classificação. A distribuição granulométrica expressa as proporções relativas de partículas de tamanhos diferentes e é usada na determinação da textura do solo. Ela costuma ser apresentada por uma curva de distribuição acumulada que relaciona a porcentagem de partículas menores que determinado tamanho com esse tamanho. O tamanho mediano dos grãos, , é aquele para o qual 50% da massa das partículas corresponde a material mais fino. O comportamento do solo, em particular sua condutividade hidráulica, tende a ser controlado pelas partículas menores. O "diâmetro efetivo", indicado por , é definido como o tamanho para o qual 10% da massa das partículas corresponde a material mais fino.
Areias e cascalhos com grande intervalo de tamanhos e distribuição contínua são chamados de solos bem graduados. Quando as partículas de uma amostra se concentram em um intervalo relativamente estreito, o solo é uniformemente graduado. Se a curva granulométrica tiver lacunas bem definidas, como em uma mistura de cascalho e areia fina sem areia grossa, o solo tem graduação descontínua. Solos uniformemente graduados e de graduação descontínua são classificados como mal graduados. Há muitos métodos de determinação da distribuição granulométrica. Dois métodos tradicionais são o ensaio de peneiramento e o ensaio de sedimentação com densímetro.
Análise por peneiramento miniatura|Peneiras de laboratório
A distribuição dos tamanhos das partículas de cascalho e areia costuma ser determinada por peneiramento. Um procedimento padronizado é apresentado na ASTM D6913/D6913M-17(2025). Uma pilha de peneiras com aberturas de dimensões conhecidas é usada para separar as partículas em classes granulométricas. Uma quantidade conhecida de solo seco, cujos torrões foram desagregados em partículas individuais, é colocada no topo de uma pilha de peneiras ordenadas da abertura maior para a menor. A pilha é agitada durante um período padronizado para separar as partículas. O método funciona bem para materiais nas faixas de areia e cascalho. Partículas finas tendem a aderir umas às outras, o que reduz a eficácia do peneiramento. Quando o solo contém grande quantidade de finos, silte e argila, pode ser necessário passar água pelas peneiras para lavar as partículas grossas e desfazer os torrões.
Existem peneiras de muitos tamanhos. Os limites entre as classes são convencionais. No Sistema Unificado de Classificação de Solos, a peneira nº 4, com abertura de 4,75 mm, separa areia de cascalho, e a peneira nº 200, com abertura de 0,075 mm, separa a fração grossa da fração fina. Na classificação britânica apresentada por Powrie, 0,063 mm é o limite entre areia e silte, e 2 mm é o limite entre areia e cascalho.
Análise por sedimentação