AULA 2 TC-033 LABORATÓRIO DE MECÂNICA DOS SOLOS. Prof. Caroline Tomazoni 08/03/2018

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1 TC-033 LABORATÓRIO DE MECÂNICA DOS SOLOS Prof. Caroline Tomazoni AULA 2 Noções de Índices Físicos (REVISÃO!) Índices de Consistência (Limites de Atterberg) 1

2 Em um solo, só parte do volume total é ocupado pelas partículas sólidas, que se acomodam formando uma estrutura ( esqueleto sólido ) O volume restante costuma ser chamado de vazios, embora seja ocupado por água e ar Deve-se reconhecer, portanto, que o solo é constituído de três fases (partículas sólidas, água e ar) sendo que o seu comportamento DEPENDE DA QUANTIDADE RELATIVA DE CADA UMA DESSAS FASES As RELAÇÕES empregadas para expressar a PROPORÇÃO ENTRE ESTAS FASES são denominadas por ÍNDICES FÍSICOS (PROPRIEDADES ÍNDICE), que são as GRANDEZAS BÁSICAS que descrevem completamente o estado 7sico do solo Para a definição dessas grandezas são envolvidos os VOLUMES DAS TRÊS FASES (Vs, Vw, Va) e os PESOS DAS FASES sólida e líquida (respecbvamente Ws e Ww) 2

3 Índices físicos: agrupados conforme a relação entre fases que expressam: Relações entre volumes a) Índice de vazios (e) b) Porosidade (h) c) Grau de saturação (S) Relações entre pesos a) Teor de umidade ( w) Relação entre pesos e volumes a) Peso específiconatural (g) b) Peso específico aparente seco (g d ) c) Peso específico saturado (g sat ) d) Peso específico real dos grãos (g s ) e) Densidade dos grãos (G) 3

4 É a relação entre o volume de vazios (V v ) e o volume dos sólidos (V s ) existente em um dado volume de solo. Índice de vazios (e)! = # $ # % Como a o volume de sólidos não se altera no tempo: qualquer variação volumétrica será medida por uma variação do índice de vazios. Este índice tem como finalidade indicar a variação volumétrica do solo ao longo do tempo, sendo par@cularmente importante na análise do processo de consolidação (adensamento) do solo. Índice de vazios (e)! = # $ # % 4

5 Índice de vazios (e) Exemplo de valores típicos do índice de vazios: Solos arenosos: de 0,4 a 1,0; Solos argilosos: 0,3 a 1,5. Solos orgânicos: até valores superiores a 1,5. Porosidade (n, h) É a relação entre o volume dos vazios (V v ) e o volume total (V) da amostra! = # $ # A porosidade é expressa em porcentagem e o seu intervalo de variação é entre 0 e 100%. 5

6 Porosidade (n) Segundo o IAEG (1979), a porosidade e o índice de vazios podem ser classificados segundo a seguinte tabela: Grau de Saturação (S) O grau de saturação indica que porcentagem do volume de vazios contêm água.! = # $ # % Se o solo está completamente seco: S = 0% Se os poros estão cheios de água (solo está saturado): S = 100%. Para solos parcialmente saturados: 1% < S < 99% 6

7 Grau de Saturação (S) O grau de saturação, segundo o IAEG (1979), pode ser classificado em: Teor de umidade (w, h) O teor de umidade de um solo é determinado como a relação entre o peso de água (W w ) e o peso das partículas sólidas (W s ) em um volume de solo. h = # $ # % 7

8 Peso específico natural (g, g n ) É a relação entre o peso total (W) e o volume total da amostra (W) de um dado volume de solo para um valor qualquer do grau de saturação, sendo calculado como:! = # $ Peso específico aparente natural ou úmido (g,g n ) pode ser expresso nas unidades gf/cm 3, kgf/m 3, kn/m 3, tf/m 3 A magnitude desta grandeza dependerá da quantidade de água nos vazios e dos grãos minerais predominantes. Este índice é de particular importância em cálculo de esforços. Peso específico natural (g, g n )! = # $ 8

9 Peso específico aparente seco (g d ) É a relação entre o peso dos sólidos (Ws) e o volume total da amostra (V), para a condição limite inferior do grau de saturação (Sr = 0%), expressa por :! " = $ % & Peso específico aparente natural ou úmido (g,g n ) pode ser expresso nas unidades gf/cm 3, kgf/m 3, kn/m 3, tf/m 3 Este índice é de particular importância na verificação Peso específico aparente seco (g d ) do grau de compactação de bases e sub-bases de! pavimentos e barragens de terra " = $ % & 9

10 Peso específico saturado (g sat ) É a relação entre o peso total (W sat ) e o volume total (V), para a condição de grau de saturação igual a 100%, sendo expresso por :! "#$ = & "#$ ' Os pesos específicos determinados nas condições extremas de saturação (g d, g sat ) é considerada a variação do volume do solo devido ao secamento ou saturação.! " = $ % &! %'( = $ %'( & 10

11 1. Grandezas Básicas (Índices Físicos) Peso específico real dos grãos (g s ) É a relação entre o peso dos sólidos (Ws) e o volume dos sólidos ( Vs) expresso como :! " = $ " % " O valor do peso específico dos grãos representa uma média dos pesos específicos dos minerais que compõem a fase sólida. A tabela abaixo apresenta o intervalo de variação do peso específico dos sólidos de diversos tipos de minerais. 11

12 Densidade dos grãos (G s ) É a razão entre o peso especifico real dos grãos ( γ s ) e o peso específico da água a 4 C:! " = $ " $ % Onde g w é o peso específico da água, adotado nos casos práacos adota-se o peso específico da água como 10 kn/m 3 = 1000 kg/m 3 = 1 gf/cm 3 Grandeza Símbolo Definição Unidades Observações Índice de vazios e V v / V s - - Porosidade n V v / V - Exprime-se em % Grau de Saturação Teor de umidade S w V w / V v - Exprime-se em % W w / W s - Exprime-se em % Peso específico g W/ V kn/m 3 Quando S = 100% designa-se como peso específico saturado g sat Peso específico aparente seco Peso específico real dos grãos g d W s /V kn/m 3 - g s W s /V s kn/m 3 Em geral está no intervalo de 25,5 27,5 Densidade dos grãos G s g s / g w - Em geral está no intervalo de 2,6-2,8 12

13 Grandeza Símbolo Definição Unidades Observações Índice de vazios e V v / V s - - Porosidade n V v / V - Exprime-se em % Grau de Saturação S V w / V v - Exprime-se em % Teor de umidade Peso específico W w w / W Determinados s - Exprime-se em % diretamente em laboratório Quando S = 100% designa-se como peso W/ V g kn/m 3 específico saturado g sat Peso específico aparente seco Peso específico real dos grãos g d W s /V kn/m 3 - g s W s /V s kn/m 3 Em geral está no intervalo de 25,5 27,5 Densidade dos grãos G s g s / g w - Em geral está no intervalo de 2,6-2,8 CÁLCULO DOS ÍNDICES DE ESTADO RELAÇÕES ENTRE ÍNDICES FÍSICOS Como dos índices físicos, apenas três podem ser determinados diretamente em laboratório (umidade, peso específico natural e peso específico dos grãos), os outros devem ser calculados a partir dos determinados Algumas destas correlações podem ser facilmente obtidas diretamente da definição dos índices; outras resultam de deduções 13

14 CÁLCULO DOS ÍNDICES DE ESTADO RELAÇÕES ENTRE ÍNDICES FÍSICOS ( = ' 1 + ' ' = ( 1 (! =! # 1 + & 1 + '! * =! # 1 + '! #+, =! # + '! '! * =! & ' =! #! * 1. # & = / ' MASSAS ESPECÍFICAS X PESOS ESPECÍFICOS As relações entre quan.dade de matéria (massa) e volume são denominadas massas específicas e são expressas pelo símbolo r Como no laboratório são determinadas massas, o que se obtém são as massas específicas Contudo boa parte dos índices Asicos se referem a pesos específicos. Peso específico é definido como o peso por unidade de volume. Os pesos específicos podem ser ob.dos mul.plicando-se a massa específica do material pela aceleração percentual da gravidade: ɣ = ρ.g 14

15 2. Índices de consistência Limites de Atterberg Propriedades básicas de identificação dos solos: Composição granulométrica Distribuição granulometrica Índices de consistência Limites de Atterberg 2. Índices de consistência Limites de Atterberg Distribuição granulonométrica: não caracteriza bem o comportamento da fração fina dos solos Quanto menores as partículas, maior a sua superfície específica; e quanto maior a superfície específica, maior será a sua interação com a água Identificação da influência das partículas argilosas no comportamento do solo: feita por uma análise indireta baseada em variações da consistência de uma argila com a mudança do seu teor de umidade 15

16 08/03/2018 Areias: Par*culas arredondadas Comportamento gerenciado por forças de massa FOTOMICROGRAFIA DE GRÃOS DE QUARTZO ARREDONDADOS DE DUNAS DO SAARA IMAGENS DE PARTÍCULAS DE CAULINITA OBTIDAS POR MICROSCOPIA ELECTRONICA DE VARREDURA (MEV) Comportamento coloidal: gerenciadas por forças eletroquímicas 16

17 2. Índices de consistência Limites de Atterberg Desta forma foram estabelecidos limites (denominados por LIMITES DE ATTERBERG) onde se relaciona mudanças de estado com o teor de umidade LC LP LL Moldável! 2. Índices de consistência Limites de Atterberg PLASTICIDADE: é a maior ou menor capacidade dos solos de serem moldados sob certas condições de umidade e variação de volume Também expressa a capacidade de um solo expandir e contrair!! 17

18 2. Índices de consistência Limites de A3erberg DV LC LP LL NÃO MUDA DE VOLUME Diminui volume com a perda de umidade LC LP LL h (%) 2. Índices de consistência Limites de Atterberg LIMITE DE PLASTICIDADE Definido como o menor teor de umidade em que o solo começa a trincar ao ser moldado um cilindro com 3 mm de diâmetro rolando-se o solo com a palma da mão sobre uma placa de vidro esmerilhado Ensaio padronizado pela NBR ENSAIO DE LIMITE DE PLASTICIDADE 18

19 LIMITE DE PLASTICIDADE (LP) Amostra para determinação da umidade LP = média de 5 determinações (5% de dispersão entre resultados) Determinação da umidade em estufa 2. Índices de consistência Limites de Atterberg LIMITE DE LIQUIDEZ: determinado por meio do Aparelho de Casagrande Definido como o teor de umidade do solo com o qual uma ranhura nele feita requer 25 golpes para se fechar em uma concha padronizada O procedimento de ensaio é padronizado no Brasil pela NBR 6459 ENSAIO DE LIMITE DE LIQUIDEZ Aparelho de Casagrande e instrumental de ensaio 19

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21 2. Índices de consistência Limites de Atterberg Outra forma de determinar o Limite de Liquidez (LL): ensaio de penetração de cone de queda livre (fall cone test) Maior repetibilidade Menor variação com diferentes operadores Normatização BS Eurodoce CEN ISO/TS Índices de consistência Limites de A3erberg LIMITE DE CONTRAÇÃO: consiste em se determinar o estagio em que uma amostra de solo saturado deixa de reduzir de volume quando submecda ao processo de secagem O procedimento de ensaio é padronizado no Brasil pela NBR Determinação do limite e relação de contração dos solos 21

22 08/03/ Índices de consistência Limites de Atterberg IP = LL - LP 22

23 2. Índices de consistência Limites de Atterberg ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA IL =!! "# $% Humidade natural do solo IL < 0 solo muito mole 0 < IL, 0,5 solo mole 0,5 < IL < 0,75 consistência media 0,75 < IL < 1,0 consistência rija IL > 1,0 solo duro 2. Índices de consistência Limites de Atterberg A =!" #$%çã( )* %$+,-%.*/($ 01*

24 2. Índices de consistência Limites de SIGNIFICADO FÍSICO DOS LIMITES DE ATTERBERG Limites de A*erberg: podem ser associados ao fato de que, de forma genérica, se espera que a água que é atraída pela super<cie das par=culas não se comporta como um líquido. Assim, se compararmos dois solos dis@ntos e as caracterís@cas mineralógicas de um deles determine uma tendência maior à atração de água, espera-se que esta amostra necessite um maior teor de umidade para exibir um comportamento líquido. Logo este solo exibirá um maior Limite de Liquidez 2. Índices de consistência Limites de Atterberg SIGNIFICADO FÍSICO DOS LIMITES DE ATTERBERG Infere-se que a mesma tendência seja observada para o Limite de Plasticidade e consequentemente para o Índice de Plasticidade. Da mesma forma, um solo com elevado teor de argila pode apresentar índices mais baixos do que outro com pequenos teores de argila; isto se deve ao fato de que a composição mineralógica dos argilominerais é bastante variável Pequenos teores de argila e altos índices de consistência indicam que argila é muito ativa 24

25 INDICES DE ATTERBERG PARA OS PRINCIPAIS GRUPOS DE ARGILOMINERAIS MAIOR Argilomineral LL (%) LP (%) LC (%) Montmorilonita ,5-15 Ilita Caulinita Índices de consistência Limites de Atterberg SIGNIFICADO FÍSICO DOS LIMITES DE ATTERBERG Os índices determinados também são função da areia presente; solos de mesma procedência, contendo o mesmo argilomineral em sua composição mas com diferentes teores de areia irão exibir índices diferentes Neste caso, observa-se que os índices de consistência serão tanto maiores quanto maior for o teor de argila, em uma razão quase constante Siltes: podem apresentar ou não plasccidade Areias puras: não apresentamplasccidade! 25

26 INDICES DE ATTERBERG DE ALGUNS SOLOS BRASILEIROS (PINTO, 2000) Solos LL (%) IP(%) Residuais de arenito (arenosos finos) Residual de gnaisse Residual de basalto Residual de granito Argilas orgânicas de várzea quaternárias Argilas orgânicas de baixadas litorâneas Argila porosa vermelha de São Paulo Areias argilosas variegadas de São Paulo Argilas duras e cinzas de São Paulo Exercício 1 Na determinação do Limite de Liquidez de um solo, de acordo com Norma Brasileira NBR-6459, foram feitas cinco determinações do número de golpes para que a ranhura feche, com teores de umidade crescentes. Com base nos resultados apresentados na tabela a seguir, determine o Limite de Liquidez desse solo. Tentativa Umidade Número de golpes 1 51, , , , ,7 16 Considerando que com a mesma amostra também foram feitas determinações do Limite de PlasBcidade, de acordo com a NBR-7180, e obbveram-se as seguintes umidades quando o cilindro com diâmetre de 3 mm se fragmentava ao ser moldado: 22,3% 24,2%, 21,9% e 22,5%. Qual o Limite de PlasBcidade deste solo? Qual o índice de plasbcidade? EXTRAÍDO DE PINTO (2012) 26

27 08/03/2018 Obrigada e até a próxima aula! caroline.tomazoni@ufpr.br 27