Estrutura do solo
Por estrutura do solo entende-se a disposição da fase sólida na massa terrosa. Como se sabe, o solo é composto por partículas sólidas e poros preenchidos com água, ar ou vapor de água, mais frequentemente parcialmente com ar e parcialmente com água. A estrutura do solo é determinada pela disposição das partículas sólidas no solo. As estruturas de solos não ligados e ligados diferem substancialmente entre si.
Estrutura do solo não ligado
A estrutura do solo não coesivo passa a existir sob a ação da gravidade. As partículas sólidas deste solo são mais grossas e caem para baixo, depositando-se sob a ação da gravidade, enquanto as forças intermoleculares de atração dessas partículas inexistem ou são insignificantes e vencidas pela gravidade. Por isso, no solo não coesivo, as partículas sólidas dispõem-se lado a lado, ocupando o espaço livre entre as partículas já dispostas (fig. 1_a_). Se as partículas do solo não coesivo forem aproximadamente esféricas e de igual tamanho, como pode acontecer no caso de areia de granulometria uniforme, então a estrutura pode ser a mais densa (fig. 1_b_) ou a mais solta (fig. 1_c_), o que depende da disposição das partículas sólidas no solo. A estrutura mais densa corresponde ao maior grau possível de compacidade do solo não coesivo e a sua porosidade é nmin=26%. A estrutura mais solta corresponde ao menor grau possível de compacidade do solo não coesivo e a sua porosidade é nmax=48%. Assim, por exemplo, a areia solta das dunas tem n=47%.
Fig. 1 Estrutura de solo não coeso
Se o solo não coeso tiver granulometria variada, de modo que as partículas mais finas preencham os vazios entre as mais grossas (fig. 2), a porosidade do solo é consideravelmente menor (n=20% e menos).
Fig. 2. Estrutura do solo não coesivo com diferentes granulometrias
Estrutura do solo coesivo
No solo coeso, a estrutura é diferente da do solo não coeso. No solo coeso surgem forças de coesão, que são mais fortes do que a força de gravidade das partículas finas e fazem-nas aderir nas superfícies de contacto. Por isso, estas partículas não caem sucessivamente para baixo, mas permanecem aderidas umas às outras e umas junto das outras (fig. 3_a_), formando assim uma estrutura em cadeia e em rede (fig. 3_b_), floculada (fig. 3_c_) etc., que se designam por estruturas de ordem superior. Tais estruturas têm grande porosidade, que pode atingir 60-80% da massa total, o que não pode acontecer no solo não coeso.
Fig. 3. Estrutura do solo coeso
Porosidade e coeficiente de porosidade
Porosidade do solo define-se pela relação entre o volume de poros e o volume total do solo (fig. 4).
Fig. 4. Porosidade e coeficiente de porosidade do solo
Se обозначarmos com
- Vp = o volume dos poros no solo
- Vm = volume de partículas sólidas
- V = o volume total do solo,
a porosidade do solo n é, por definição
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
ou seja, em % do volume total do solo
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
O coeficiente de porosidade do solo é definido pela relação entre o volume dos poros e o volume das partículas sólidas:
e = VP / Vm.
Da fórmula da porosidade n temos:
nVP + nVm = VP, de onde Vm = VP(1-n) / n.
Substituindo este valor na fórmula para e obtemos
e = n / (1-n).
Desta equação obtemos
e - ne = n; n = e / (1 + e).
O coeficiente de porosidade mostra a densidade do solo. Quanto maior for o coeficiente e, menor é a densidade do solo, e vice-versa. Se um solo compressível assenta sob carga, através do coeficiente de porosidade antes e depois do assentamento pode determinar-se a magnitude do assentamento Δ_h_.
Observemos uma camada de solo compressível com espessura h (fig. 5_a_). Se esta camada for carregada, ela sofrerá um assentamento de altura Δ_h_, de modo que a sua espessura, devido ao carregamento, se reduzirá para h1. Portanto
Δ_h_ = h – h1.
Como o assentamento do solo compressível ocorre à custa dos vazios, pois as partículas sólidas são praticamente incompressíveis, assim como a água, se os poros do solo estiverem preenchidos por ela parcial ou totalmente, este assentamento pode ser representado esquematicamente na fig. 5_b_.
Fig. 5. Recalque Δh da camada compressível do solo de espessura h sob carga
Se designarmos por h0 a altura imaginária da camada de partículas sólidas sem poros, chamada altura reduzida, então podemos exprimir o assentamento Δ_h_ em relação à altura reduzida h0 pela relação:
Se considerarmos uma camada de solo com largura e comprimento iguais a uma unidade, então as alturas h, h1 e h0 representam volumes, e é
onde e é o coeficiente de porosidade antes, e1 após o assentamento. Do anterior obtém-se o assentamento
Δ_h_ = h0 (e-e1).
O assentamento pode ser expresso em relação à altura da camada h antes do assentamento, se substituirmos o valor da altura reduzida h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
como n = VP / V = VP / h_,_ de onde VP = nh.
Dessa forma obtém-se
Os vários tipos de solo apresentam os seguintes valores médios de porosidade n e do coeficiente de porosidade e:
Umidade do solo
Tipos de água no solo
A água no solo aparece na forma de água nos poros entre as partículas sólidas, a chamada água dos poros, depois como água adsorvida nas partículas sólidas e como água de constituição.
Água porosa é composta por água livre entre as partículas sólidas, cujo movimento ocorre segundo a lei de Darcy, depois água gravitacional, que se move sob a ação da gravidade de cima para baixo em todas as direções, mas cujo movimento não ocorre segundo a lei de Darcy, água capilar, que se move sob a ação das forças capilares, e água de tensão superficial, que é retida pela tensão superficial nos cantos entre as partículas sólidas do solo e também é chamada água porosa angular. Toda esta água pode ser totalmente removida pela secagem do solo à temperatura de 110oC.
Água adsorvida é a que envolve as partículas sólidas, às quais está ligada por forças moleculares. Trata-se do chamado filme de água, cuja espessura varia de 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimícron). A influência da água adsorvida em partículas mais grossas é insignificante; contudo, quanto mais finas forem as partículas, maior será a sua influência, porque aumenta a superfície total das partículas e, assim, a relação entre a água adsorvida e as partículas sólidas na unidade de volume do solo. Esta água só pode ser removida parcialmente por secagem a 110oC.
Água de constituição é a que está quimicamente unida aos cristais dos minerais das partículas sólidas do solo. Esta água existe em quantidade muito pequena e não pode ser removida por secagem do solo. Portanto, essa água pode ser considerada como parte integrante da partícula sólida.
Quantidade de água no solo
Por definição, a quantidade de água no solo ou humidade do solo é a relação entre o peso da água contida no solo e o peso dos seus componentes sólidos. De acordo com a quantidade de água no solo, distinguem-se três casos: solo totalmente saturado de água, solo parcialmente saturado de água e solo totalmente seco.
Solo totalmente saturado de água
Se обозначarmos por n a porosidade do solo, por γs o peso volúmico de todas as partículas e por γw o peso volúmico da água, então a humidade do solo saturado wZ pode ser expressa pela seguinte equação
Solo parcialmente saturado de água
Se designarmos por Ww o peso da água contida no solo e por Wd o peso das partículas sólidas, ou seja, o peso seco do solo, então a humidade do solo w
w = Ww / Wd , ou, em percentagem do peso seco do solo: w = 100 Ww / Wd.
Neste caso, a humidade do solo pode ser expressa pelo grau de humidade Sr, que representa a relação entre o peso real da água no solo e o peso da água no mesmo solo que existiria se todos os poros estivessem preenchidos com água, ou seja, em relação ao peso da água do solo saturado:
ou seja, para _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Os valores-limite do grau de humidade são:
- para o solo completamente seco w = 0; Sr = 0
- para solo completamente saturado w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Fig. 6. Amostra de solo parcialmente saturada com água
O grau de saturação (por vezes também denominado saturação ou grau de humidade) exprime-se ainda pela relação entre o volume dos poros preenchidos com água e o volume total dos poros (fig. 6):
Sr = V2 / V1
onde V2 é o volume dos poros preenchidos com água, V1 o volume total dos poros preenchidos com água, ar e gases. Se w for a humidade do solo em % do peso seco do solo Wd, então temos
V2 * γW = w Wd, de onde V2 = w Wd / γw.
Por outro lado, temos que V1 = V – Vd, e como Vd * γs = Wd, então
Vd = Wd / γs e V1 = V – Wd / γs.
Portanto, o grau de saturação do solo Sr será
ou, em percentagem, do peso seco do solo
Solo completamente seco
Neste caso, w = 0. Toda a água dos poros foi removida, enquanto a água adsorvida foi apenas parcialmente removida, ou seja, a película de água ainda existe, mas a sua espessura foi reduzida.