UNIDADE III - PLASTICIDADE DOS SOLOS

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1 UNIDADE III - PLASTICIDADE DOS SOLOS INTRODUÇÃO O traçado da curva granulométrica permite uma perfeita caracterização e identificação dos solos arenosos e pedregulhosos, uma vez que materiais com curvas iguais comportam-se na prática de maneira semelhante. Entretanto, ao se referir para os chamados solos finos ou argilosos, a mesma não se aplica. Considera-se neste caso, solos finos como sendo aqueles que apresentam a maioria dos grãos com diâmetro inferior a 0,1 mm. Portanto, apenas o conhecimento da curva granulométrica destes solos não é suficiente para prever o seu comportamento na prática. Ou seja, podem existir siltes, argilas e solos argilosos de mesma curva granulométrica, cujos comportamentos não são semelhantes. Para uma melhor caracterização destes solos necessita-se do estudo das suas propriedades plásticas, as quais dependem de alguns fatores tais como: o teor de umidade, forma das partículas e da composição química e mineralógica do solo. Para fins da mecânica dos solos, defini-se plasticidade como sendo uma propriedade dos solos, que consiste na maior ou menor capacidade de serem moldados, sob certas condições de umidade, sem variação de volume. Trata-se de uma das mais importantes propriedades das argilas. A sua aplicação prática imediata é verificada em uma melhor caracterização e classificação do solo, bem como fornecer parâmetros iniciais para realização de projetos geotécnicos de caráter empírico LIMITES DE CONSISTÊNCIA Estes limites em geral estão relacionados diretamente com o teor de umidade do solo. Se a umidade de um solo for muito elevada, o mesmo se apresenta como fluído denso, caracterizando o que chamamos de estado líquido. À medida que o teor de umidade vai diminuindo, o solo tende a endurecer, para um certo h = LL (limite de liquidez), perdendo assim a sua capacidade de fluir, porém podendo ser moldado facilmente e conservando a sua forma, passando então para o estado plástico. Ao continuar perdendo umidade, o solo tende a sair do seu estado plástico, até que h = LP (Limite de plasticidade), desmanchando-se ao ser trabalhado, atingindo assim o estado sólido. Continuando-se a secagem, ocorre a passagem gradual para o estado sólido. O limite entre os dois estados é um teor de umidade h = LC (Limite de contração). Na figura 3.1 é mostrado uma representação esquemática dos estados físicos, chamados estados de consistência, e suas fronteiras, ou seja, os limites de consistência. LL LP LC % (decrescendo) Estado Líquido Estado Plástico Estado Semi-sólido Estado Sólido

2 Figura Representação esquemática dos limites de consistência Apesar desses limites serem baseados na realização de um elevado número de investigações experimentais, as suas definições são consideradas convencionais. Mesmo assim ainda constituem uma das maneiras mais simples e rápidas de se obter informações bastante claras do tipo de solo e suas propriedades, passando a serem consideradas como determinações rotineiras nos laboratórios de mecânica dos solos LIMITE DE LIQUIDEZ O limite de liquidez (LL), corresponde ao teor de umidade no ponto de transição de um solo argilosos do seu estado liquido para o estado plástico, no qual passa a adquirir uma certa resistência ao cisalhamento. Através do equipamento denominado Aparelho de Casgrandre faz-se a determinação em laboratório do valor do limite de liquidez em um solo argiloso. Este aparelho consiste de um recipiente de cobre, em concha, sobre uma base padronizada de ebonite, ligado por um suporte com manivela. Na figura 3.2 são mostrados o aparelho de Casagrande, juntamente com os cinzéis correspondentes a cada tipo de solo. Aparelho de Casa-grande CINZEL PARA SOLOS ARGILOSOS CINZEL PARA SOLOS ARENOSOS Figura Aparelho de Casagrande e cinzéis para solos argilosos e arenosos Utilizando-se o cinzel adequado para cada tipo de solo, faz-se uma ranhura na amostra colocada na concha, e através de um excêntrico imprime-se ao prato, repetidas quedas de altura de 1 cm, com intensidade constante.

3 O esforço do choque do prato na base corresponde a um esforço de cizalhamento, fazendo com que os dois lados da amostra se unam, fechando a ranhura. Antes do ensaio Depois do ensaio Figura Apresentação da amostra na concha do aparelho de Casagrande A técnica de execução do ensaio será melhor apresentada durante a realização das aulas práticas no laboratório. Em seguida anota-se o número de golpes necessários para fechar a ranhura e plota-se em um gráfico semilogaritmico o número de golpes na abcissa e na ordenada o teor de umidade em porcentagem, verificando-se que os pontos correspondentes disporem-se em linha reta, chamada de linha de escoamento do material. Umidade h % LL 25 N. de golpes (exc. log.) Figura Gráfico semilogaritmico do LL Segundo estudos realizados pela Federal Highway Administration, o LL pode também ser determinado através de um único ponto, pela seguinte expressão: h LL = 1,419-0,3 log n (1) sendo h a umidade, em porcentagem, correspondente a n golpes. Através da correlação estatística entre a inclinação da reta e o limite de liquidez, obtém-se o que chamamos de índice de fluxo, sendo expressado por:

4 (2) I f = 0,3. LL LIMITE DE PLASTICIDADE Defini-se Limite de Plasticidade (LP), figura 3.5, como sendo a menor porcentagem de umidade para a qual o solo começa a fraturar quando se tenta moldar um cilindro de aproximadamente 3 mm de diâmetro com 10 cm de comprimento. Figura Determinação do LP Apesar do certo grau de empirismo ao qual este ensaio esta relacionado, ainda não foi possível constatar-se um outro método que pudesse reproduzir resultados tão satisfatórios e ainda, assim, com uma razoável simplicidade na execução do ensaio LIMITE DE CONTRAÇÃO O Limite de Contração (LC), representa o menor teor de umidade abaixo do qual o solo argiloso não irá mais reduzir o seu volume, isto é, o solo não mais se contrai, mesmo que ainda continue perdendo peso. VOLUME 45 0 LC PESO Figura Definição de LC

5 Este limite é definido pela seguinte expressão, levando-se em consideração, a e s : (4) LC = ( a / s - 1/) 100 Através da figura 3.7, pode-se obter o LC através da própria definição do teor de umidade: LC h V V 1 2 (5) P s a V ( V o l. c á p s u la ) V 1 ( V o l. p a s t ilh a ) V 2 Ps P 1 P Figura Gráfico para determinação do LC O ensaio consiste em moldar-se uma amostra de solo com um elevado teor de umidade, sendo em seguida levada à estufa para secagem, determinando-se assim a umidade da amostra contraída. O volume da pastilha correspondente ao solo seco, V 2, é obtido pelo deslocamento do mercúrio medido em uma proveta graduada, como mostrado na figura 3.8. SOLO Hg ÍNDICE DE PLASTICIDADE Figura Volume deslocado pela pastilha Defini-se índice de plasticidade como sendo a diferença entre os limites de liquidez (LL) e plasticidade (LP) : IP = LL - LP (6)

6 Este índice quantifica de um certo modo o caráter argiloso do solo, estabelecendo uma faixa em que o material se encontra no seu estado plástico, podendo ser máximo para as argilas, e mínimo, ou ainda, nulo para as areias, sendo que neste caso escreve-se IP = NP (não plástico). Já a presença de uma pequena porcentagem de matéria orgânica aumenta o valor do LP, porém o resultado do LL permanece praticamente inalterado, apresentando o solo assim baixos valores de IP. De acordo com o IP os solos podem ser classificados em: ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA fracamente plásticos... 1 < IP < 7 medianamente plásticos... 7 < IP < 15 altamente plásticos... IP > 15 Este índice refere-se sempre aos solos argilosos, sendo definido como a maior ou menor dureza em que um argila se encontra no seu estado natural. O índice de consistência é definido pela expressão: IC LL h IP nat (7) De acordo com esse índice, as argilas são classificadas da seguinte maneira: GRAU DE CONTRAÇÃO muito moles (vaza)...ic < 0 moles...0 < IC < 0,50 médias...0,50 < IC < 0,75 rijas...0,75 < IC < 1,00 duras...ic > 1,00 É a razão da diferença entre os volumes inicial (V i ) e final (V f ) após a secagem da amostra, para o volume inicial (V i ), expressa em porcentagem: C V V i V i f x100 (8) O aumento da compressibilidade de um solo com o grau de contração de um certo modo, pode estabelecer um critério inicial para a qualidade do solo. Desse maneira tem-se: solos bons : C < 5% solos regulares : 5% < C 10% solos sofríveis : 10% < C < 15%

7 solos péssimos : C > 15% OUTROS ÍNDICES Apesar de pouco utilizados, os seguintes índices são apresentados: a) Umidade Equivalente Centrífuga - teor de umidade final de uma massa de solo, previamente saturada, após submetida a uma aceleração 100 vezes a aceleração da gravidade. b) Umidade Equivalente de Campo - teor de umidade o qual o solo não absorve uma gota de água, em 30 seg., quando colocada na sua superfície previamente alisada GRÁFICO DE PLASTICIDADE Visando classificar o solo através das suas propriedades físicas mais importantes, A. Casagrandre idealizou o gráfico de Plasticidade, sendo cada solo definido por um ponto em coordenada correspondentes aos seus valores de LL e LP. Ou seja, a região onde o ponto é plotado, classifica e defini a plasticidade do solo analisado. Deste modo este gráfico é dividido em 6 regiões e 8 grupos, de acordo com as linhas A, B e C, mostradas na figura 3.9. Em função das regiões definidas neste gráfico os solos finos podem ser classificados em 8 grupos de acordo com a sua plasticidade em : argilas inorgânicas de alta, média e baixa plasticidade, solos siltosos inorgânicos de alta, média e baixa plasticidade, solos siltosos inorgânicos de alta, média e baixa compressibilidade, argilas orgânicas e siltes orgânicos. Acima da linha A encontra-se a faixa definida como região das argilas inorgânicas. Observa-se que na mesma região em que se encontra os siltes inorgânicos de alta compressibilidade e mediana compressibilidade, situam-se também as argilas e siltes orgânicos respectivamente, sendo distinguidos através do odor e das cores escuras característicos que os solos orgânicos apresentam. A classificação geral através do gráfico de Casagrande é mostrada na figura 3.9 abaixo.

8 ÍNDICE DE PLASTICIDADE (%) LINHA "B" LL = 30 % LINHA "B" LL = 50 % 80 LILIMITE DE LIQUIDEZ (%) Argilas inorgâncias de baixa plasticidade Argilas inorgâncias de mediana plasticidade Argilas inorgâncias de alta plasticidade LINHA "A" (IP = 0,73(LL-20) lte inorgâncio de alta compressibilidade lte inorgâncio de mediana compressibilidade e siltes orgânicos Argila inorgânica de baixa plasticidade e silte inorgânico de baixa plasticidade Argila inorgânica de baixa plasticidade Figura Gráfico de Plasticidade Minerais Argílicos A fração de argila é constituída por um ou mais argilominarais, sílica coloidal, cristais de quartzo, óxidos de ferro e matéria orgânica, com tamanho de diâmetro dos grãos de argila inferior a 0,075 mm. Os argilominarais são minerais secundários, cristalinos, constituídos de silicatos hidratados de alumínio, representando o principal grupo de minerais encontrados na composição química da fração argila. Em função deste aspecto, torna-se necessário um estudo maior sobre o comportamento e principais propriedades dos argilominerais. Os argilominerais possuem utilização prática na fabricação de telhas, materiais cerâmicos, sondagens, fundações profundas e vedação de barragens. Recebem o nome comercial de caolim e bentonita, provenientes do grupo caolinita e esmectita sódica, também conhecida como montmorilonita, respectivamente. As principais propriedades transmitidas por estes argilominerais, de uma forma geral são: plasticidade, coesão expansão e tixotropia. A estrutura dos argilominerais é formada em folhas de tetraedros de silício () e octaedro de alumínio () em arranjo hexagonal. As folhas se unem uma as outras por meio

9 de oxigênio como mostrado na figura A representação simbólica de cada unidade é feita através de figuras em forma de trapézio (tetraedro) e retângulos (octaedro). Unidade de Tetraedro de silício Representação simbólica equivalente Representação simbólica equivalente Unidade de Octaedro de silício Figura Argilominerais - tetraedro de silício e octaedro de alumínio Os principais grupos de argilominerais são : as caolinitas, as ilitas e as montmorilonitas. Da uma forma como foram apresentados estes três grupos, crescem respectivamente a plasticidade e a coesão, sendo as caolinitas as argilas com menores plasticidade e coesão e as montmorilonitas as maiores. As caolinitas apresentam a seguinte forma estrutural : 2 O 3. 2S i O 2. 2 H 2 O, sendo formadas por folhas de silício e alumínio (2:1:1), unidas alternadamente, e que resulta em uma estrutura rígida. Deste modo, pode-se dizer que as argilas caolinitas são relativamente estáveis em presença da água. Argilomineral : caolinita Figura Caolinitas

10 As montmorilonitas, com forma estrutural igual a (OH) O 20 n H 2 O, e constituídas por uma unidade de alumínio entre duas de silício, são aquelas que necessitam de um maior cuidado por parte do engenheiro geotécnico, haja visto a sua propriedade de expandir-se em presença da água, e portanto, consideradas instáveis. Porém, estas argilas não são totalmente impróprias para a engenharia civil, uma vez que devido a sua presença na composição química das bentonitas, permite que estas sejam utilizadas em vedações de barragens e estabilidade de paredes de furos de sondagem. Argilomineral : montmorilonita Figura Montmorilonitas O grupo das ilitas, apesar de serm estruturalmente análogas as montmorilonitas, são menos expansivas, portanto mais estáveis, devido a um menor espaçamento entre as ligações das folhas de silício e alumínio. Argilomineral : ilita Figura Ilitas Com base em todas as informações acima apresentadas, a evolução da argila pode ser representada da seguinte forma: Feldspato Montmorilonita Ilita Caolinita óxido (Rocha de Basalto)

11 3.9 - Densidade relativa dos solos granulares O estado de compacidade (consistência) de um solo granular natural (areia e pedregulho) é comumente expressado pela sua densidade relativa D r, definida como: ` ou D r emax e ( ) x100 (9) e e max min (10) D r dmax d x d dmax dmin dmin onde: e max = índice de vazios do solo no estado mais solto (fofo); e min = índice de vazios do solo no estado mais denso (compacto); e = índice de vazios de um depósito de solo na estado natural; dmax = peso específico seco do solo no estado mais denso; dmim = peso específico seco do solo no estado mais solto; d = peso espesífico seco de um depósito de solo na estado natural; Na determinação dos valores de índices de vazios, confronta-se com o problema da determinação dos volumes de sólidos (e = V v /V s ). Diante desta dificuldade, a segunda expressão é muito mais aplicada na prática, uma vez que a obtenção dos valores de peso específico é muito mais rápida e tranqüila. Os procedimentos para determinação dos pesos específicos estão detalhados nas normas da ABNT, tanto para dmax e dmim como d. De uma maneira geral dmim é obtido colocando-se uma quantidade de areia seco específica em um molde no estado mais solto. dmax é determinado por vibração de uma amostra submetida a uma sobrecarga. d pode ser obtido por qualquer um dos métodos aprovados pela ABNT (p.ex.: frasco de areia). A densidade relativa é comumente usada como medida de densidade de aterros compactados (ex., parte das especificações requeridas pelo projeto), ou como uma indicação do estado de compacidade do solo in situ. Indiretamente, reflete sobre a estabilidade de uma camada de solo. Por exemplo, um solo granular fofo (pequena D r ), especialmente submetido a cargas dinâmicas; a vibração proveniente da aplicação destas cargas iriam comprimir o material, tornando-o mais denso, portanto mais estável, porém antes de atingir tal condição, este teria sofrido uma variação volumétrica e consequentemente uma deformação, o que poderia ocasionar em danos na edificação acima desta camada, caso houvesse. O estado de compacidade e a densidade relativa estão relacionados a valores empíricos. Ou seja, no caso de uma areia muito fofa, D r é muito pequeno; para areia muito densa, D r é muito alto. Os valores de D r mais comumente usados na prática, associados ao estado de compacidade das areias são mostrados na tabela A realização de uma

12 sondagem do tipo SPT (Standart Penetration Test) é um método utilizado, na prática, para caracterizar a densidade natural do solo. Denominação D r (%) Areia muito fofa 0-15 Areia fofa Areia medianamente densa Areia densa Areia muito densa Tabela Valores de densidade relativa para solos granulares comumente usados em projetos geotécnicos