Disciplina: Mecânica dos Solos e Fundações

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1 Disciplina: Mecânica dos Solos e Fundações Caracterização e Estado dos solos Prof. Caio Rubens Caracterização dos solos 2) Índices de Consistência (Limites de Atterberg) Somente a distribuição granulométrica não caracteriza bem o comportamento dos solos sob o ponto de vista da engenharia. A fração fina dos solos tem uma importância muito grande neste comportamento. Quanto menores as partículas, maior a superfície específica (superfície das partículas dividida por seu peso ou por seu volume). Um cubo com 1 cm de aresta tem 6 cm² de área e volume de 1 cm³. Um conjunto de cubos com 0,05mm de aresta (siltes) apresentam 125cm² por cm³ de volume. Certos tipos de argilas chegam a apresentar 300m² de área por cm³. 2 1

2 Caracterização dos solos Solos com maiores superfícies específicas requerem maior quantidade de água para atingirem a saturação. 3 Caracterização dos solos O comportamento de partículas com superfícies específicas tão distintas perante a água é muito diferenciado. Desta forma, para a mesma porcentagem de fração argila, o solo pode ter comportamento muito diferente dependendo das características dos minerais presentes. Todos esses fatores interferem no comportamento do solo, mas o estudo dos argilo-minerais é muito complexo. À procura de uma forma mais prática para identificar a influência das partículas argilosas, a engenharia a substituiu por uma análise indireta, baseada no comportamento do solo na presença de água. 4 2

3 Caracterização dos solos Generalizou-se, então, o emprego de ensaios e índices propostos pelo engenheiro químico Atterberg, pesquisador do comportamento dos solos sob o aspecto agronômico, adaptados e padronizados pelo professor de Mecânica dos Solos Arthur Casagrande. Os limites se baseiam na constatação de que um solo argiloso ocorre com aspectos bem distintos conforme a sua umidade. Quando muito úmido ele se comporta como um líquido; quando perde parte da água fica plástico; e quando mais seco, torna-se sólido (quebradiço). 5 Caracterização dos solos Os teores de umidade correspondentes às mudanças de estado, são definidos como: Limite de Liquidez (LL) e Limite de Plasticidade (LP) dos solos. A diferença entre esses dois limites é o Índice de Plasticidade (IP) do solo. Estado Limites U M I D A D E líquido plástico sólido (quebradiço) LL = Limite de Liquidez IP = Índice de Plasticidade LP = Limite de Plasticidade 6 3

4 Caracterização dos solos Normalmente são apresentados como índices de consistência dos solos apenas o LL e o IP, o LP só é empregado para a determinação do IP. Cabe observar que os ensaios para determinação dos limites de plasticidade são executados na fração de solo que passa na peneira de malha com abertura 0,42 mm (frações silte e argila). 7 Caracterização dos solos Determinação do Limite de Liquidez: é definido como o teor de umidade do solo com o qual uma ranhura nele feita requer 25 golpes para se fechar numa concha do aparelho de Casagrande. Diversas tentativas são feitas, com solos em diferentes umidades, anotando o número de golpes para se fechar a ranhura, obtendo-se o LL pela interpolação de resultados. O procedimento de ensaio é padronizado no Brasil pela ABNT método NBR

5 Caracterização dos solos 9 Caracterização dos solos 10 5

6 Caracterização dos solos 49,0 47,0 45,0 Teor de umidade (%) 43,0 41,0 39,0 LL = 42,08% y = -9,6073Ln(x) + 73,011 37,0 35, N. de golpes 11 Caracterização dos solos O Limite de Plasticidade é definido como o menor teor de umidade com o qual se consegue moldar um cilindro com 3 mm de diâmetro rolando-se o solo com a palma da mão sobre uma placa de vidro esmerilhada. O procedimento é padronizado no Brasil pela ABNT pelo método NBR O valor do limite de plasticidade é a umidade média obtida de três determinações. 12 6

7 Caracterização dos solos 13 Caracterização dos solos Limite de Plasticidade Cápsula N Ph+T (g) 54,77 42,11 59,38 Ps+T (g) 54,40 41,47 58,70 Pa (g) 0,37 0,64 0,68 T (g) 53,105 39,709 56,750 Ps (g) 1,30 1,76 1,95 w (%) 28,57 36,34 34,87 LP (%) 33,

8 Caracterização dos solos Conforme mencionado anteriormente, o Índice de Plasticidade (IP) é a diferença entre o Limite de Liquidez (LL) e o Limite de Plasticidade (LP). Assim o IP pode ser calculado pela seguinte expressão: IP = LL - LP 15 Caracterização dos solos 3) Atividade das argilas Os índices de Atterberg indicam a influência dos finos argilosos no comportamento do solo. Certos solos com teores elevados de argila podem apresentar índices mais baixos do que aqueles com pequenos teores de argila. Isto pode ocorrer porque a composição mineralógica dos argilo-minerais é bastante variável. Pequenos teores de argila e altos índices de consistência indicam que a argila é muito ativa. Quando se quer ter uma idéia sobre a atividade da fração argila, os índices devem ser comparados com a fração argila presente no solo. 16 8

9 Caracterização dos solos IA = IP fração argila (<0,002mm) Onde: IA índice de atividade da argila IP índice de plasticidade do solo Se 0,75 IA 1,25 ARGILA NORMAL Se IA < 0,75 ARGILA INATIVA Se IA > 1,25 ARGILA ATIVA 17 Caracterização dos solos 4) Emprego dos índices de consistência Com o conhecimento dos índices de consistência podese prever muito do comportamento dos solos, sob o ponto de vista da engenharia. Uma primeira correlação foi apresentada por Therzaghi, resultante da observação de que os solos são tanto mais compressíveis (sujeitos a recalque) quanto maior for o seu LL. Sendo a compressibilidade expressa pelo índice de compressão (Cc), estabeleceu-se a seguinte correlação: Cc = 0,009 x (LL-10) 18 9

10 Estado do solo 1) Índices físicos entre as três fases O solo é um sistema trifásico, composto das seguintes fases: sólida, líquida e gasosa. sólidos sólidos ar e água 19 Estado do solo O comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma das três fases. Diversas relações são empregadas para expressar a proporção entre elas

11 Estado do solo As quantidades de água e de ar podem variar. A evaporação pode fazer diminuir a quantidade de água, substituindo-a por ar, e a compressão do solo pode provocar a saída de água e ar, reduzindo o volume de vazios. O solo, no que se refere às partículas que o constituem, permanece o mesmo, mas seu estado se altera. As diversas propriedades do solo dependem do estado em que se encontra. Quando diminui o volume de vazios, por exemplo, a resistência aumenta. Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam os pesos e os volumes das três fases do solo. 21 Estado do solo Umidade (w): Relação entre massa (ou peso) de água e massa (ou peso) de sólidos. Para sua determinação é determinada a massa do solo em seu estado natural (úmido), em seguida o solo é seco em estufa até a constância de peso e, após isso, determina-se a massa do solo seco. Com a massa das duas fases (líquida e sólida) a umidade é calculada. Os teores de umidade dependem do tipo de solo, geralmente situam-se entre 10% e 40%, podendo ocorrer em valores muito baixos (solos secos) ou muito altos (150% ou superior). w Ma = Ms

12 Estado do solo Índice de vazios (e): Relação entre o volume de vazios e o volume de partículas sólidas. Não pode ser determinado diretamente, mas é calculado a partir dos outros índices. Seus valores normalmente situam-se entre 0,5 e 1,5; mas argilas orgânicas podem ocorrer com índices de vazios superiores a 3 (volume vazios, no caso com água, superiores a 3 vezes o volume de partículas sólidas). e= Vv Vs 23 Estado do solo Porosidade (n): Relação entre o volume de vazios e o volume total. Apresenta valores geralmente entre 30 e 70%. Vv n= V Grau de saturação (S): Relação entre o volume de água e o volume de vazios. Não é determinado diretamente, mas sim calculado pelos outros índices. Varia de zero (solo seco) a 100% (solo saturado). Vw S = Vv 24 12

13 Estado do solo Densidade (massa específica) dos grãos ou dos sólidos (ρ s ): É uma característica dos sólidos. Expressa a relação entre a massa das partículas sólidas e o seu volume. ρs= Ms Vs É determinado em laboratório para cada solo. Coloca-se uma massa seca conhecida do solo num picnômetro e, completandose com água, determina-se a massa total. A massa do picnômetro completado só com água, mais a massa do solo, menos a massa do picnômetro com solo e água, é o peso da água que foi substituída pelo solo e que é o volume do solo. Com a massa e o volume dos sólidos e a densidade da água à temperatura de ensaio, tem-se a densidade dos grãos. 25 Estado do solo B C A ρ s = [A/(A+B-C)]* ρ w ρ s densidade dos grãos do solo, g/cm 3 A massa do solo seco, g B massa do picnômetro cheio de água na temperatura de ensaio, g C massa do picnômetro+solo+água na temperatura de ensaio, g ρ W massa específica da água na temperatura de ensaio, g/cm

14 Estado do solo Peso específico dos sólidos (γ s ): Expressa a relação entre o peso das partículas sólidas e o seu volume. Representa o mesmo que a densidade dos sólidos (ρ d ), porém considerando-se o peso das partículas e não a massa como no caso da densidade dos sólidos. γs= Ps Vs Peso específico da água (γ w ): Embora varie com a temperatura pode-se adotar como igual a 10 kn/m 3, exceto em certos procedimentos de laboratório quando deve ser considerada a temperatura de ensaio para a determinação de seu valor. 27 Estado do solo Densidade (massa específica) da água (ρ w ): Da mesma forma que o peso específico, a massa específica da água varia de acordo com a temperatura, mas pode-se adotar o valor de 1,0 g/cm 3. Densidade (massa específica) natural do solo (ρ n ): É a relação entre a massa total e o volume total do solo. Pode simplesmente ser chamado como densidade do solo. Esse índice pode ser determinado em laboratório por meio da moldagem de um corpo-de-prova cilíndrico, cujas dimensões permitam calcular o volume deste corpo-de-prova. A massa total dividida pelo volume é a densidade natural do solo

15 Estado do solo Também pode ser determinada a partir de corpos-deprova irregulares, obtendo-se o volume por meio do peso imerso em água. Para isso o corpo-de-prova deve ser previamente envolto em parafina. ρn= Mt Vt Peso específico natural do solo (γ n ): É a relação entre o peso total e o volume total do solo. O peso específico não varia muito entre os diferentes solos. Situa-se em torno de 19 a 20 kn/m 3 e, por esse motivo, quando não é conhecido pode ser estimado como igual a 20 kn/m Estado do solo Em alguns casos especiais, como o das argilas orgânicas moles, o peso específico pode chegar a 14 kn/m 3. γn= Pt Vt Peso específico aparente seco (γ d ): É a relação entre o peso dos sólidos e o volume total. Corresponde ao peso específico que o solo teria se viesse a ficar seco, se isto pudesse ocorrer sem que houvesse variação de volume. Não é determinado em laboratório, deve ser calculado a partir do peso específico natural e da umidade

16 Estado do solo γn γd = 1 + w Densidade (massa específica) aparente seca (ρ d ): É a relação entre a massa dos sólidos e o volume total do solo. Corresponde a densidade que o solo teria se viesse a ficar seco, se isto pudesse ocorrer sem que houvesse variação de volume. Não é determinada em laboratório, deve ser calculada a partir da densidade natural e da umidade. ρn ρd = 1 + w 31 Estado do solo Peso específico aparente saturado (γ sat ): É o peso específico que o solo apresentaria se viesse a ficar saturado e se isto ocorresse sem variação de volume. É de pouca aplicação na prática, servindo para programação de ensaios ou a análise de depósitos de areia que possam vir a se saturar. Peso específico submerso (γ sub ): É o peso específico efetivo do solo quando submerso. Serve para cálculos de tensões efetivas. É igual ao peso específico natural menos o peso específico da água

17 Estado do solo 2) Cálculo dos índices físicos Índices físicos determinados diretamente em laboratório: umidade (w), peso específico e densidade dos grãos (γ s ; ρ s ), peso específico e massa específica natural do solo (γ n ;ρ n ). Índices físicos adotados: peso específico e densidade da água (γ w ;ρ w ). Todos os outros índices físicos são calculados por meio de correlações efetuadas a partir dos índices que podemos determinar. 33 Estado do solo Principais correlações e = ρs(1+ w) ρn 1 γs(1+ w) e= γn 1 γsat γs+ e γw = 1+ e n e = 1+ e 34 17

18 Estado do solo Principais correlações γd γs = 1 + e ρd ρs = 1 + e e γs = γ d 1 e ρs = ρ d 1 35 Estado do solo Principais correlações γs(1+ w) γn= 1 + e γn γd = 1 + w γs w S = e γw ρs(1+ w) ρn= 1+ e ρn ρd = 1 + w ρs w S = e ρw 36 18

19 Exercícios 37 19