Disciplina: Mecânica dos Solos e Fundações Compacidade das Areias, Consistência das Argilas e Classificação dos Solos

Transcrição

1 Disciplina: Mecânica dos Solos e Fundações Compacidade das Areias, Consistência das Argilas e Classificação dos Solos Prof. Caio Rubens Estado das Areias - Compacidade O estado em que se encontra uma areia pode ser expresso pelo seu índice de vazios. Este dado isolado, entretanto, fornece pouca informação sobre o comportamento da areia, pois se considerarmos duas areias diferentes, ambas com o mesmo índice de vazios, uma poderá estar compacta e a outra fofa. Por isso, é necessário analisar o índice de vazios natural de uma areia em confronto com os índices de vazios máximo e mínimo em que ela pode se encontrar. 2 1

2 Estado das Areias - Compacidade Se uma areia pura, no estado seco, for colocada cuidadosamente em um recipiente, vertida através de um funil com pequena altura de queda, por exemplo, ela ficará no seu estado mais fofo possível. Pode-se, então, determinar seu peso específico e dele calcular o índice de vazios máximo (e máx ). A metodologia para determinação do índice de vazios máximo de uma areia é estabelecida pelo método de ensaio NBR de 1990, da ABNT. O procedimento de realização do ensaio segue, basicamente, as seguintes etapas: 3 Estado das Areias - Compacidade 1. Tomar um cilindro de massa e volume conhecidos; 2. Tomar uma porção seca da amostra a ser ensaiada; 3. Preencher o interior do cilindro com a amostra a ser ensaiada utilizando um funil e deixar a amostra cair de altura aproximada de 1cm de distância do fundo do cilindro no caso da primeira camada; e de 1cm de distância da superfície da amostra para as camadas seguintes; 4. Após preencher totalmente o cilindro com a amostra, nivelar a superfície com o auxílio de régua metálica; 5. Limpar totalmente a parte externa do cilindro; 6. Pesar o conjunto cilindro+areia (massa cilindro+areia). 4 2

3 Estado das Areias - Compacidade Execução do ensaio para determinação do índice de vazios mínimo (e min ) 5 Estado das Areias - Compacidade Para o cálculo do índice de vazios máximo, deve-se inicialmente determinar a massa específica (densidade) aparente seca mínima (ρ d mínima ), utilizando a seguinte expressão ρ d mínima = M amostra / V cilindro Onde: M amostra massa da amostra seca, g V cilindro volume do cilindro, cm 3 6 3

4 Estado das Areias - Compacidade Com o valor de ρ d mínima e conhecendo previamente a massa específica (densidade) dos grãos (ρ s ), calcula-se o e máx utilizando a seguinte expressão: e máx = (ρ s /ρ d mínima )-1 Onde: e máx índice de vazios máximo ρ s massa específica (densidade) dos grãos, g/cm3 ρ d mínima massa específica (densidade) aparente seca mínima, g/cm3 7 Estado das Areias - Compacidade Vibrando-se uma areia dentro de um molde, ela ficará no seu estado mais compacto possível. A este estado corresponde o índice de vazios mínimo (e mín ). A metodologia para determinação do índice de vazios mínimo de uma areia é estabelecida pelo método de ensaio NBR de 1991, da ABNT. O procedimento de realização do ensaio segue, basicamente, as seguintes etapas: 8 4

5 Estado das Areias - Compacidade 1. Tomar um cilindro com massa e volume conhecidos; 2. Prender o colarinho no topo do cilindro; 3. Tomar uma porção seca da amostra de areia a ser ensaiada; 4. Preencher o cilindro com areia até aproximadamente 10 cm acima do nível superior do cilindro; 5. Colocar na parte superior do cilindro a sobrecarga com massa padronizada pelo método de ensaio 6. Colocar o conjunto (cilindro com areia e colarinho), com a sobrecarga no topo do cilindro, em uma mesa vibratória; 7. Ligar a mesa vibratória e agitar todo o conjunto de forma que a sobrecarga desça compactando a amostra; 9 Estado das Areias - Compacidade 7. Após a compactação da amostra, retirar o conjunto da mesa vibratória; 8. Retirar o colarinho do conjunto, nivelar a superfície da amostra utilizando a régua metálica e pesar (massa cilindro+amostra); 9. Pode-se Realizar um ensaio de granulometria, utilizando a seqüência de peneiras indicada na ABNT NBR 7181:1984, na amostra antes da execução deste ensaio e outro depois, para verificar se ocorreu quebra de material. 10 5

6 Estado das Areias - Compacidade Para o cálculo do índice de vazios mínimo, deve-se inicialmente determinar a massa específica (densidade) aparente seca máxima (ρ d máxima), utilizando a seguinte expressão ρ d máxima d máxima = M amostra / V cilindro Onde: M amostra massa da amostra seca, g V cilindro volume do cilindro, cm 3 11 Estado das Areias - Compacidade Com o valor de ρ d máxima e conhecendo previamente a massa específica (densidade) dos grãos (ρ s ), calculase o e mín utilizando a seguinte expressão: e mín = (ρ s /ρ d )-1 Onde: e mín índice de vazios mínimo ρ s massa específica (densidade) dos grãos, g/cm 3 ρ dmáxima massa específica (densidade) aparente seca máxima, g/ cm

7 Estado das Areias - Compacidade Os valores dos índices de vazios máximos e mínimos dependem das características da areia. Descrição da areia e mín e máx Areia uniforme de grãos angulares 0,70 1,10 Areia bem graduada de grãos angulares 0,45 0,75 Areia uniforme de grãos arredondados 0,45 0,75 Areia bem graduada de grãos arredondados 0,35 0,65 13 Estado das Areias - Compacidade Os valores são tão maiores quanto mais angulares são os grãos e quanto mais mal graduadas as areias. Consideremos uma areia A com e min de 0,6 e e max de 0,9; e uma areia B com e min de 0,4 e e max de 0,7. Se as duas areias estiverem com e = 0,65, a areia A estará compacta e a areia B estará fofa. 14 7

8 Estado das Areias - Compacidade O estado de uma areia, ou sua compacidade, pode ser expresso pelo índice de vazios no qual ela se encontra, em relação aos valores extremos (e max, e min ), pelo Índice de Compacidade Relativa (CR): Onde: CR= e e máx máx e max índice de vazios máximo e min índice de vazios mínimo e e nat mín e nat índice de vazios natural (no qual o solo se encontra) 15 Estado das Areias - Compacidade Quanto maior a CR mais compacta é a areia. Terzaghi sugere a seguinte terminologia: Classificação CR Areia fofa Abaixo de 0,33 Areia de compacidade média Entre 0,33 e 0,66 Areia compacta Acima de 0,66 Em geral, areias compactas apresentam maior resistência e menor deformabilidade. Estas características, entre as diversas areias, dependem também de outros fatores, como a distribuição granulométrica e o formato dos grãos. Entretanto a compacidade é um fator importante. 16 8

9 Estado das Argilas - Consistência Quando se manuseia uma argila, percebe-se uma certa consistência, ao contrário das areias que se desmancham facilmente. Por esta razão, o estado em que uma argila se encontra costuma ser indicado pela resistência que ela apresenta. A consistência das argilas pode ser quantificada por meio de um ensaio de compressão simples, que consiste na ruptura de um corpo-de-prova de argila, geralmente cilíndrico. A carga que leva o corpo-de-prova a ruptura, dividida pela área da seção deste corpo-de-prova (tensão de compressão) é denominada a resistência à compressão simples da argila (a expressão simples indica que o corpode-prova não é confinado durante o ensaio). 17 Estado das Argilas - Consistência De acordo com o valor da Resistência à compressão simples, a consistência das argilas pode ser classificado de acordo com a tabela a seguir: Consistência Resistência, em kpa Muito mole < 25 Mole 25 a 50 Média 50 a 100 Rija 100 a 200 Muito rija 200 a 400 Dura >

10 Estado das Argilas - Consistência Sensitividade das argilas A resistência das argilas depende do arranjo entre os grãos e do índice de vazios em que se encontra. Certas argilas, quando submetidas ao manuseio, tem sua resistência diminuída, ainda que o índice de vazios seja mantido constante. Sua consistência após o manuseio (amolgada) será menor que em seu estado natural (indeformada). Esse fenômeno que ocorre de maneira diferente conforme a formação argilosa, é chamado de sensitividade da argila. 19 Estado das Argilas - Consistência A sensitividade da argila é bem observada quando são comparados os valores de resistência à compressão simples quando o ensaio é realizado com a amostra de argila em seu estado natural e com a amostra completamente remoldada, mas com mesmo índice de vazios. Resistência a compressão da amostra indeformada Resistência a compressão da amostra amolgada 20 10

11 Estado das Argilas - Consistência A relação entre a resistência no estado natural e a resistência no estado amolgado é definida com a sensitividade da argila (S): Onde: S = Ri Ra Ri - resistência no estado natural (indeformada) Ra - resistência no estado amolgado 21 Estado das Argilas - Consistência De acordo com a sensitividade as argilas são classificadas da seguinte forma: Sensitividade Classificação 1 Insensitiva 1 a 2 Baixa sensitividade 2 a 4 Média sensitividade 4 a 8 Sensitiva > 8 Ultra sensitiva (quick clay) 22 11

12 Estado das Argilas - Consistência A sensitividade pode ser atribuída ao arranjo estrutural das partículas, estabelecido durante o processo de sedimentação. Rompida essa estrutura, a resistência desse solo será menor, ainda que o índice de vazios seja o mesmo. Por esta razão, a sensitividade é também referida com índice de estrutura. A sensitividade das argilas é uma característica de grande importância, pois indica que, se a argila vier a sofrer uma ruptura, sua resistência após esta ocorrência será menor, além de estimar o quanto menor esta resistência será. 23 Estado das Argilas - Consistência Índice de Consistência Quando uma argila se encontra remoldada o seu estado pode ser expresso pelo seu índice de vazios. Porém como as argilas comumente encontram-se saturadas, e neste caso o índice de vazios depende diretamente da umidade, o estado em que a argila se encontra costuma ser expresso pelo teor de umidade. Como o teor de umidade por si só não indica o estado da argila, é necessário analisá-lo com relação aos teores de umidade correspondentes a comportamentos semelhantes, esses teores são os limites de consistência

13 Estado das Argilas - Consistência Quando se manuseia uma argila e se avalia a sua umidade, o que se percebe não é o teor de umidade, mas sim a umidade relativa. Considerando 2 argilas diferentes, uma argila A que tenha LL=80% e LP=30%, e uma argila B que tenha LL=50% e LP=25%. Quando a argila A estiver com umidade de 80% e a argila B com umidade de 50%, as duas estarão com comportamento semelhante, com a consistência que corresponde ao limite de liquidez. 25 Estado das Argilas - Consistência Assim, pode-se dizer que ao se manusear duas argilas diferentes, porém ambas com umidade correspondente ao limite de plasticidade (LP), é provável que se tenha a impressão de que as duas estão com o mesmo teor de umidade. Para indicar a posição relativa da umidade aos limites de mudança de estado, Terzaghi propôs a seguinte expressão para a determinação do índice de consistência (IC): IC = LL w LL LP 26 13

14 Estado das Argilas - Consistência De acordo com o valor do índice de consistência (IC), a consistência da argila pode ser estimada de acordo com a tabela a seguir: Consistência Índice de consistência Mole < 0,5 Média 0,5 a 0,75 Rija 0,75 a 1,0 Dura > 1,0 27 Estado das Argilas - Consistência Como os índices de consistência (LL e LP) são determinados com a fração do solo que passa na peneira com malha de abertura 0,42mm, a expressão do índice de consistência só é aplicável diretamente para solos que passam integralmente nesta peneira. Havendo grãos retidos deve-se considerar que grãos maiores requerem menos água para o seu recobrimento. O índice de consistência (IC) não tem significado quando aplicado a solos não saturados, pois esses solos podem estar com elevado índice de vazios e baixa resistência e sua umidade ser baixa, o que indicaria um índice de consistência alto

15 Classificação dos solos SOLO (denominação) Relação biunívoca Propriedades Índices (Fácil determinação em laboratório) granulometria LL, LP, IP Estimativa Propriedades do solo Resistência Deformabilidade Permeabilidade 29 Classificação dos solos Tipos de classificação usuais: Classificação Unificada: Considera o tamanho dos grãos e os índices de consistência do solo quando trata-se de solo predominantemente fino. Classificação Rodoviária (HRB): Mais utilizada na engenharia rodoviária, também considera o tamanho dos grãos e os índices de consistência do solo. Classificação pela origem do solo: Considera a origem pedológica do solo (rocha que lhe deu origem). Classificações regionais: Classificação MCT para solos tropicais, solos que tem peculiaridades de comportamento somente encontrados em regiões de clima tropical

16 Classificação dos solos Classificação Unificada Originalmente elaborada por Casagrande para obras de aeroportos, tendo seu emprego sido generalizado. Hoje em dia é utilizada principalmente pelos geotécnicos que trabalham com barragens de terra. Nesse sistema de classificação os solos são identificados por 2 letras, sendo a primeira relativa ao tipo principal do solo e a segunda corresponde aos seus dados complementares. 31 Classificação dos solos Primeira letra Tipo principal do solo G pedregulho S areia M silte C argila O solo orgânico Segunda letra Informação complementar W bem graduado P mal graduado H alta compressibilidade L Baixa compressibilidade Pt Turfa Primeiro passo: Identificar se o solo é grosseiro ou fino Se a % que passa na peneira de abertura 0,0075 (n 200) < 50% - Solo de graduação grosseira: G ou S Se a % que passa na peneira de abertura 0,0075 (n 200) > 50% - Solo fino: M, C ou O 32 16

17 Classificação dos solos 33 Classificação dos solos Se o solo for de graduação grosseira: Segundo passo: Será classificado como pedregulho (G) ou areia (S) dependendo de qual destas duas frações predominar na granulometria do solo (curva granulométrica do ensaio de granulometria). Terceiro passo: Determinar as características secundárias do solo Solo de graduação predominantemente grosseira: quando a porcentagem de finos (< 0,075 mm) for menor que 5%: Interessa saber somente se é bem graduado ou mal graduado

18 Classificação dos solos 35 Classificação dos solos Coeficientes que indicam se o solo é bem ou mal graduado D CNU= D Onde: CNU coeficiente de não uniformidade D 60 diâmetro na curva granulométrica que a % que passa é igual a 60 D 10 diâmetro na curva granulométrica que a % que passa é igual a 10 CC= Onde: ( D D D ) 60 CC coeficiente de curvatura D 30 diâmetro na curva granulométrica que a % que passa é igual a

19 Classificação dos solos O CNU indica a amplitude dos tamanhos dos grãos. O CC detecta melhor o formato da curva granulométrica e permite identificar descontinuidades ou concentração de grãos mais grossos no conjunto. Exemplo de classificações: GW (pedregulho bem graduado), SP (areia mal graduada) Terceiro passo: Determinar as características secundárias do solo Solo de graduação grosseira quando a porcentagem de finos (<0,075 mm) for maior que 12%: Já não importa a uniformidade granulométrica mas sim as propriedades desses finos. O que determinará a característica secundária será o posicionamento do ponto representativo dos índices de consistência na carta de 37 plasticidade. Classificação dos solos 7 4 Exemplos de classificações: GC (pedregulho argiloso), SM (areia siltosa) 38 19

20 Classificação dos solos Terceiro passo: Determinar as características secundárias do solo Solo de graduação grosseira quando a porcentagem de finos (<0,075 mm) estiver entre 5% e 12%: A classificação pede que sejam apresentadas as duas características secundárias: uniformidade da granulometria e propriedades dos finos. Determinar os coeficientes CNU e CC e verificar, ainda, a posição do ponto representativo dos índices de consistência na carta de plasticidade. Exemplo de classificação: SP-SC (areia mal graduada, argilosa) 39 Classificação dos solos Se o solo for fino: Segundo passo: Será classificado como silte (M), argila (C) ou solo orgânico (O), não em função da quantidade de cada fração (granulometria), pois como vimos anteriormente o que determina o comportamento argiloso do solo não é só a quantidade de argila, mas também a sua atividade. Os índices de consistência são o que melhor indicam o comportamento argiloso do solo. Na concepção do sistema da Classificação Unificada, Casagrande notou que colocando o IP do solo em função do LL num gráfico, os solos de comportamento argiloso se faziam representar por um ponto localizado acima de uma linha inclinada, denominada Linha A. Solos orgânicos, ainda que argilosos, e solos siltosos são representados por pontos abaixo da linha A

21 Classificação dos solos Classificação dos solos Os solos orgânicos se distinguem dos solos siltosos pelo seu aspecto visual, pois se apresentam com uma coloração escura típica (marrom escuro, cinza escuro ou preto). Característica complementar: é indicada a compressibilidade do solo. Como já visto anteriormente o solo é tão mais compressivo quanto maior o seu LL, então o sistema classifica com de alta compressibilidade (H), o solo cujo LL é maior que 50% e de baixa compressibilidade o solo cujo LL é menor que 50%, como se mostra na carta de plasticidade (linha B). Exceção: Quando os índices indicam uma posição muito próxima às linhas A ou B (ou sobre a faixa de IP de 4 a 7), é considerado um caso intermediário e as duas classificações são apresentadas. Exemplos: CL-ML (argila siltosa de baixa compressibilidade)

22 Classificação dos solos O sistema ainda considera a classificação de turfa (Pt), que são solos muito orgânicos onde a presença de fibras vegetais em decomposição parcial é preponderante. 43 Classificação dos solos Esquema para classificação pelo Sistema Unificado 44 22

23 Classificação dos solos Classificação Unificada Resumo Solos de graduação grosseira 45 Classificação dos solos Classificação Unificada Resumo Solos de graduação grosseira 46 23

24 Classificação dos solos Classificação Unificada Resumo Solos Finos