ESTADO DE MATO GROSSO SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP DEPARTAMENTO DE

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1 ESTADO DE MATO GROSSO SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

2 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA O comportamento físico dos solos de granulometria fina em relação a propriedades como compressibilidade, resistência ao cisalhamento e permeabilidade, é relacionado à umidade da amostra, assim como a sua consistência A variação da consistência do solo com a umidade é tratada em termos de limites ou índices de consistência Para um dado solo pode-se criar correlações semi-empíricas entre as propriedades do solo e estes limites/índices, de modo a prever estas propriedades de forma simples e rápida e poder utilizá-las em obras, como alternativa preliminar, dependendo do seu estágio e grau de importância 2

3 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Segundo Terzaghi, o termo consistência refere-se ao grau de adesão entre as partículas de solo e à resistência oferecida às forças que possam deformar ou romper a massa do solo Segundo Milton Vargas, a consistência refere-se sempre aos solos coesivos e é definida como a maior ou menor rigidez com que uma argila (ou solo com alto teor de argila) se apresenta 3

4 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Sabe-se que a rigidez de um solo argiloso varia inversamente com o seu teor de umidade, isto é, à medida que a umidade de uma massa argilosa diminui, a argila vai se tornando mais dura Para grandes teores de umidade a argila é mole (como uma lama) Para pequenos teores, dura como um tijolo Entretanto, para o teor de umidade zero, ou quase nulo, pode sofrer uma redução brusca em sua resistência a esforços externos 4

5 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA O que é consistência dos solos? A consistência dos solos fornecem um meio de descrever o grau ou classe de coesão ou aderência entre as suas partículas, assim como relacioná-las à resistência dos solos de se deformarem ou romperem Visto que a consistência varia com o teor de água no solo (teor de umidade) e a consistência passa de uma condição muito mole a dura, pode-se classificar a consistência no estado saturado, úmido ou seco A determinação da consistência inclui tanto a resistência à ruptura quanto a rigidez A resistência à ruptura é uma medida da capacidade, no terreno, do solo resistir a uma pressão aplicada com o polegar e o indicador 5

6 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA O que é consistência dos solos? A consistência do solo é definida como a facilidade relativa com que um solo pode ser deformado A consistência depende amplamente da mineralogia dos constituintes do solo, assim como do teor de umidade Nos solos as partículas finas são geralmente circundadas por água A quantidade de água no solo determina o estado de consistência do solo 6

7 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA O que é consistência dos solos? Existem quatro estados de consistência dos solos: Sólido, Semi-sólido, Plástico e Líquido 7

8 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Coesão e Adesão Coesão é a atração entre constituintes de mesma origem, como exemplo, a coesão de uma molécula de água por outra molécula de água resultante da ponte de hidrogênio (ligação água-água) Adesão é similar a coesão porém ocorre entre elementos de origem diferentes, como exemplo, a adesão entre uma molécula de água e uma partícula do solo (ligação água-sólido) 8

9 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Para que serve a descrição da consistência dos solos? Aplicação ambiental Resistência - consistência mole à dura Viscosidade - consistência mole Plasticidade - consistência mole Engenharia geotécnica Tipo de ruptura Resistência à penetração 9

10 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Limites de Atterberg Os limites de Atterberg são importantes para descrever a consistência dos solos finos. 10

11 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência CONSISTÊNCIA DO SOLO SECO Classe Descrição Solto Não coerente - Símbolo L, LO ou lo Mole (<8 N) Ligeiramente duro (8 a < 20 N) Moderadamente duro (20 a < 40 N) Duro (40 a < 80 N) Muito duro (80 a < 160 N) Extremamente duro Solo esfarela sob uma pressão muito baixa Solo esfarela sob uma pequena pressão baixa resistência Solo rompe sob um pressão moderada resistência média Solo rompe sob uma forte pressão Não rompe com a pressão de dois dedos Não rompe sob a pressão dos pés N = 1 Newton 11

12 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência CONSISTÊNCIA NO ESTADO SATURADO Viscosidade e plasticidade A viscosidade descreve: A capacidade do solo se aderir a outros objetos A umidade estimada que representa a máxima aderência entre o polegar e o indicador Plasticidade descreve: A capacidade de um solo ser moldado ou manuseado produzindo deformações permanentes em ruptura 12

13 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência CLASSES DE VISCOSIDADE Não viscoso O solo não adere ou adere pouco aos dedos após a redução da pressão sobre ele 13

14 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência CLASSES DE VISCOSIDADE Ligeiramente viscoso O solo se separa e adere a ambos os dedos logo após a relaxação da pressão com uma pequena afastamento dos dedos. Moderadamente viscoso O solo se adere a ambos os dedos após a relaxação das pressões e um pequeno afastamento dos dedos. 14

15 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência CLASSES DE VISCOSIDADE Muito viscoso O solo se adere firmemente aos dedos após a completa separação dedos rompendo-se somente após um grande afastamento deles 15

16 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência PLASTICIDADE Pode definir a plasticidade como a propriedade de certos sólidos serem moldados (deformações rápidas) sem apreciável variação de volume (ou ruptura). A plasticidade está associada aos solos finos, e depende do argilo-mineral que deu origem à fração argila presente nesses solos. A forma lamelar dos grãos da argila permite um deslocamento relativo das partículas sem que haja variação de volume. A plasticidade é muito influenciada quantidade de água no solo, das ligações entre as moléculas de água e grãos, ou seja da dupla camada. 16

17 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência PLASTICIDADE 17

18 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência PLASTICIDADE Não Plástico Não formará um cilindro de 6mm de diâmetro com 4cm de comprimento, e se formar, não será capaz de se manter quando preso por um de seus extremos. 6 mm 18

19 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência PLASTICIDADE Não Plástico Não formará um cilindro de 6mm de diâmetro com 4cm de comprimento, e se formar, não será capaz de se manter quando preso por um de seus extremos Ligeiramente Plástico Um cilindro de 4cm de comprimento e 6mm de diâmetro pode ser suportado por um de seus extremos mas com 4mm de diâmetro não Moderadamente plástico Um cilindro de 4cm de comprimento e 4mm de diâmetro pode ser suportado por um de seus extremos mas com 2mm de diâmetro não Muito Plástico Um cilindro de 4cm de comprimento e com 2mm de diâmetro é capaz de se suportar sem ruptura 6 mm 4 mm 2 mm 4 cm 19

20 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência PLASTICIDADE 2 mm 6 mm 4 mm 2 mm 4 cm 20

21 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Para que serve o conhecimento da Plasticidade? O teor de umidade afeta significativamente a propriedade dos siltes e das argilas mas não tem efeito sobre o comportamento das areias ou pedregulhos As propriedades da plasticidade descreve a resposta do solo sob mudança do teor de umidade A resistência diminui com o aumento do teor de umidade O solo expande com o aumento do teor de umidade 21

22 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Para que serve o conhecimento da Plasticidade? Solos finos com alto teor de umidade comporta-se com um líquido Quando o teor de umidade é reduzido o volume diminui e o solo torna-se plástico Se o teor de umidade for ainda reduzido, o solo se torna semi-sólido, e neste ponto o solo não re contrai mais 22

23 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA A plasticidade de um solo dependerá fundamentalmente e principalmente de dois fatores: Umidade: existe uma faixa de umidade dentro da qual o solo se comporta de maneira plástica. Valores de umidade inferiores aos valores contidos nesta faixa farão o solo se comportar como semi-sólido ou sólido, enquanto que para maiores valores de umidade o solo se comportará preferencialmente como líquido. Tipo de argilo-mineral: o tipo de argilo-mineral (sua forma, constituição mineralógica, tamanho, superfície específica, etc.) influi na capacidade do solo de se comportar de maneira plástica. Quanto menor o argilo-mineral (ou quanto maior sua superfície específica), maior a plasticidade do solo. 23

24 Estados de consistência Limites de consistência Determinação dos limites de consistência ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Líquido Plástico Semi-sólido Sólido LL LP LC GASOSA Considere uma lama de solo, que vai perdendo sua água gradativamente Com a saída da água seu volume também se reduz, até um valor limite LÍQUIDA SÓLIDA A partir desse limite, toda perda de água só ocorre com a entrada de ar na amostra 24

25 Variação de volume LIMITES DE CONSISTÊNCIA Um solo argiloso pode se apresentar em um estado líquido, plástico, semi-sólido ou sólido, dependendo de sua umidade. A este estado físico do solo dá-se o nome de consistência Os limites inferiores e superiores de umidade para cada estado do solo são denominados de limites de consistência. Dependendo da quantidade de água presente no solo, teremos os seguintes estados de consistência: SÓLIDO SEMI-SÓLIDO PLÁSTICO LÍQUIDO Teor de umidade 25

26 Variação de volume LIMITES DE CONSISTÊNCIA Os limites entre um estado de consistência e outro são determinados empiricamente, sendo denominados de limite de contração, LC, limite de plasticidade, LP, e limite de liquidez, LL LC LP LL S r = 100% SÓLIDO SEMI-SÓLIDO PLÁSTICO LÍQUIDO Teor de umidade 26

27 LIMITES DE ATTERBERG Limite de Liquidez (LL) - teor de umidade no qual o solo começa a se comportar como um líquido, ou seja flui (No limite de liquidez, um solo fino tem uma resistência ao cisalhamento aproximadamente igual a 2,5 kn/m 2 ) Limite de Plasticidade (LP) - teor de umidade no qual o solo começa a comportar como um material plástico Limite de contração (LC) - teor de umidade a partir do qual reduções da umidade não acarretam redução de volume da amostra (LC representa a quantidade de água requerida para saturar o solo - S r =100%) 27

28 DETERMINAÇÃO DOS LIMITES DE CONSISTÊNCIA A delimitação entre os diversos estados de consistência é feita de forma empírica. Inicialmente foi realizada por Atterberg, sendo a padronização dos ensaios para a determinação dos limites de consistência foi realizada por Arthur Casagrande A determinação dos limites de consistência são normalizados pela ABNT como se segue: NBR 6459 limite de liquidez NBR limite de plasticidade NBR limite de contração 28

29 DETERMINAÇÃO DOS LIMITES DE CONSISTÊNCIA 29

30 LIMITE DE LIQUIDEZ (NBR 6459) 1. Coloca-se na concha do aparelho de Casagrande uma pasta de solo passante na peneira #40 e com umidade próxima de seu limite de plasticidade. 2. Faz-se um sulco na pasta com um cinzel padronizado. 10mm 30

31 LIMITE DE LIQUIDEZ (NBR 6459) 3. Aplicam-se golpes à massa de solo posta na concha do aparelho de Casagrande, girando-se uma manivela, a uma velocidade padrão de 2 golpes por segundo. Esta manivela é solidária a um eixo, que possui um excêntrico, e faz com que a concha do aparelho de Casagrande caia de uma altura padrão de aproximadamente 1cm. 31

32 LIMITE DE LIQUIDEZ (NBR 6459) 4. Conta-se o número de golpes necessário para que a ranhura de solo se feche em uma extensão em torno de 1cm (13mm). Antes do ensaio 32

33 LIMITE DE LIQUIDEZ (NBR 6459) 4. Conta-se o número de golpes necessário para que a ranhura de solo se feche em uma extensão em torno de 1cm (13mm) Depois do ensaio 5. Repete-se este processo ao menos 5 vezes, geralmente empregando-se valores de umidade crescentes; 33

34 LIMITE DE LIQUIDEZ (NBR 6459) 34

35 LIMITE DE LIQUIDEZ (NBR 6459) 35

36 LIMITE DE LIQUIDEZ (NBR 6459) 36

37 Teor de umidade (%) LIMITE DE LIQUIDEZ (NBR 6459) 6. Lançam-se os pontos experimentais obtidos, num gráfico teor de umidade versus log n de golpes 7. Ajusta-se uma reta passando por esses pontos. O limite de liquidez corresponde à umidade para a qual foram necessários 25 golpes para fechar a ranhura de solo LL n golpes 37

38 LIMITE DE PLASTICIDADE (NBR 7180) 1. Prepara-se uma pasta com o solo que passa na peneira #40, fazendo-a rolar com a palma da mão sobre uma placa de vidro esmerilhado, formando um pequeno cilindro. 2. Quando o cilindro de solo atingir o diâmetro de 3 mm e apresentar fissuras, mede-se a umidade do solo. 38

39 LIMITE DE PLASTICIDADE (NBR 7180) 39

40 LIMITE DE PLASTICIDADE (NBR 7180) 3. Esta operação é repetida pelo menos 5 vezes. Os valores obtidos de umidade serão considerados satisfatórios quando, de pelo menos três, nenhum deles diferir da respectiva média de mais de 5% O limite de plasticidade será o valor médio de pelo menos três valores considerados satisfatórios Se não for possível obter o cilindro com 3 mm de diâmetro, a amostra deve ser considerada como não apresentando limite de plasticidade (NP) 40

41 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) 1. Molda-se uma amostra de solo passando na peneira #40, na forma de pastilha, em uma cápsula metálica com teor de umidade entre 10 e 25 golpes no aparelho de Casagrande. 2. Seca-se a amostra à sombra e depois em estufa, pesando-a em seguida. 3. Utiliza-se um recipiente adequado (cápsula de vidro) para medir o volume do solo seco, através do deslocamento de mercúrio provocado pelo solo quando imerso no recipiente. 41

42 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) O limite de contração é determinado pela equação: LC V P 1 s. w.100 V = Volume da amostra seca P = Peso da amostra seca γ w = Peso específico da água γ s = Peso específico das partículas sólidas 42

43 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) Soil volume: V i Soil mass: M 1 Soil volume: V f Soil mass: M 2 (Das, 1998) SL w (%) w(%) i M1 M M 2 2 (100) Vi V M 2 f ( w )(100) 43

44 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) 44

45 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) 45

46 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) 46

47 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) 47

48 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) 48

49 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) Embora o limite de contração tenha sido amplamente usado durante anos 1920s, muitas incertezas na sua determinação o levaram a não ser mais comumente usado Um dos maiores problemas na determinação do limite de contração do solo reside no fato de que a contração sofrida pelo solo não depende exclusivamente do tamanho dos grãos e do tipo do constituinte mineralógico, mas também da estrutura inicial da amostra (Holtz e Kovacs, 1981) 49

50 LIMITE DE CONTRAÇÃO (NBR 7183) O procedimento padrão é iniciar o ensaio com o teor de umidade da amostra próximo ao limite de liquidez Contudo, especialmente nas argilas arenosas ou siltosas, muitas vezes resulta em um limite de contração maior que o limite de plasticidade, o que não tem sentido. Casagrande sugeriu que, se possível, o teor de umidade inicial seja ligeiramente maior que o limite de plasticidade, embora seja reconhecido a dificuldade de se evitar o aprisionamento de bolhas de ar durante o preparo da amostra (Holtz e Kovacs, 1981) 50

51 ÍNDICE DE PLASTICIDADE O Índice de Plasticidade, IP, é uma maneira de se avaliar a plasticidade de um solo. O IP corresponde à faixa de valores de umidade do solo na qual ele se comporta de maneira plástica. Uma vez conhecidos os limites de consistência de um solo, pode-se definir o IP como a diferença numérica entre os valores do limite de liquidez e do limite de plasticidade IP = LL LP Indica a quantidade de água que deve ser acrescentada ao solo (com consistência inicial no Limite de Plasticidade) para levá-lo ao estado líquido (Limite de Liquidez). 51

52 ÍNDICE DE PLASTICIDADE De acordo com o índice de plasticidade, o solo pode ser classificado como: IP = 0 não plástico 1 < IP < 7 pouco plástico 7 < IP < 15 plasticidade média IP > 15 muito plástico 52

53 ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA É uma forma de medirmos a consistência do solo no estado em que se encontra em campo LL = Limite de liquidez IP = Índice de plasticidade w = Umidade IC LL IP w É um meio de situar a umidade do solo entre os limites de liquidez e de plasticidade, com o objetivo de utilização prática 53

54 ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA De acordo com o IC pode definir o estado de consistência do solo no campo em: IC < 0 fluído - denso 0 < IC < 1 estado plástico IC > 1 estado semi -sólido ou sólido 54

55 VALORES TÍPICOS Argila LL (%) LP (%) IP (%) Montmorilonita Ilita Caulinita

56 VALORES TÍPICOS Solos LL (%) IP (%) Residuais de arenito (arenosos finos) Residual de gnaisse Residual de basalto Residual de granito Argilas orgânicas de várzeas quaternárias Argila orgânicas de baixadas litorâneas Argila porosa vermelha de São Paulo 65 a a 40 Argila variegadas de São Paulo 40 a a 45 Areia argilosas variegadas de São Paulo 20 a 40 5 a 15 Argilas duras, cinzas, de São Paulo

57 VALORES TÍPICOS IP = w L w P é o índice de plasticidade IC wl w wl w nat P é o índice de consistência (IC) Consistência IC Resistência (kpa) Mole <0,5 Média 0,5 a 0,75 Rija 0,75 a 1,0 dura > 1,0 25 a a a a

58 ESTADO DE MATO GROSSO SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL