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Mecânica dos Solos – Aula 2

Propriedades das Partículas do Solo

1 - Natureza das Partículas do Solo

2 - Peso Específico das Partículas do Solo

3 - Densidade Relativa das Partículas do Solo

4 - Densidade Real das Partículas no Laboratório

5 - Formas de Partículas do Solo

6 - Adsorção da Água no Solo

7 - A Água como Líquido Dipolar

8 - Tixotropia

9 - Granulometria dos Solos

1 - Natureza das Partículas do Solo

As partículas dos solos são sólidas, ou seja, são grãos minerais podendo ter

também matéria orgânica.

2

Existem solos como a areia em que as partículas podem ser facilmente

visualizadas, enquanto que em outros é necessário o auxílio de microscópios

para distingui-las.

Estas partículas estão relativamente livres para se moverem uma com

relação à outra não tão facilmente como os elementos de um fluido como

também não são fortemente ligadas como num cristal de metal.

O sistema de partículas do solo é o que o distingue do mecanismo sólido do

fluido.

As frações grossas do solo são predominantemente de grãos silicosos e os

minerais que ocorrem nas frações argilosas são as caolinitas, as

montmorilonitas e as illitas.

Argilas

3

2 - Peso Específico das Partículas do Solo - g (g*/cm3 - ton/m3 -

KN/m3) – Massa específica real:

É definido como a relação entre o peso (massa) da substância sólida do solo,

Ps, por unidade de volume da parte sólida, Vs.

s

sg

V

P

(ou massa específica das partículas ou grãos)

4

3 - Densidade Relativa das Partículas do Solo ():

É numericamente igual ao peso (massa) específico das partículas g.

A diferença é que a densidade é adimensional.

É a razão entre o peso da substância sólida e o peso de igual volume de

água pura a 4 C.

a

g

a = Peso específico da água a 4C = 1 g/cm3 ou (9,81 kN/m3)

Assim: g = a

Valores Médios de Densidades dos Solos:

SOLO

Pedregulho 2,65 - 2,68

Areia 2,65 - 2,68

Silte 2,66 - 2,70

Argila 2,68 - 2,80

Solo orgânico < 2,0

Quanto maior o teor de matéria orgânica no solo, menor a Densidade

Relativa.

Quanto maior o teor de óxido de ferro, maior a Densidade Relativa.

5

4 - Densidade Real das Partículas do Solo no Laboratório:

Determinação pelo Método do Picnômetro

(NBR-6508/84 – “Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm -

Determinação da massa específica”)

Prática de Laboratório: vídeos

https://www.youtube.com/watch?v=Q39oJhEXPvo

Duração = 4:41 minutos

https://www.youtube.com/watch?v=iNGIDYjGZNA

Duração = 6:43 minutos

δ

δPsPPP

aT2S1

δ

PPPP S

2S1

12

.

PPP

P

S

aTs

12 PPP

P

S

s

6

P1 = Peso do Picnômetro com Solo e Água

P2 = Peso do Picnômetro com Água Pura

PS = Peso do Solo Seco

aT = Densidade da Água à Temperatura T C do Ensaio

Picnômetro

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Exercício de Aplicação:

Um picnômetro utilizado para determinar a densidade real das partículas do

solo tem massa de 524 g quando vazio e 1.557 g quando cheio de água

limpa. Uma amostra de solo seca de solo não coesivo com massa de 512 g é

colocada dentro do picnômetro que é agitado para expelir todo o ar. O

picnômetro é então, cuidadosamente, preenchido com água limpa, e tem

massa total igual a 1.878 g. Determine a densidade real do solo.

Solução:

P1 = Peso do Picnômetro + Solo + Água = 1.878 g

P2 = Peso do Picnômetro + Água Pura = 1.557 g

PS = Peso do Solo Seco = 512 g

aT = Densidade da Água à Temperatura T C do Ensaio = 1

12S

aTs

PPP

.P

68,218781557512

512

8

5 - Formas de Partículas do Solo:

Classificação tradicional (Caputo):

1 - Arredondadas

2 - Lamelares

3 - Fibrilares

Arredondadas - ou de forma poliédrica.

Ex.: pedregulhos, areias, siltes.

Lamelares - semelhantes a lamelas ou escamas.

Ex.: argilas (compressibilidade e plasticidade)

Fibrilares - em forma de fibras.

Ex.: solos turfosos (origem vegetal)

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Outra Classificação: (Lambe) – solos granulares

1 – Angular (maior atrito)

2 - Sub-angular

3 – Arredondadas (menor atrito)

4 - Sub-arredondadas

5 - Bem arredondadas.

10

11

6 – Adsorção da Água no Solo:

As partículas de argila possuem uma rede de carga negativa nas suas

superfícies.

Para balançar esta carga negativa as partículas atraem íons positivos dos

sais da água contida na argila.

Essa atração é conhecida como camada dupla de água (camada

adsorvida), o que confere a propriedade plástica das argilas.

A camada mais interna da camada dupla de água e a mais fortemente ligada

à partícula da argila é chamada de água adsorvida.

Esta camada apresenta-se num estado semissólido, submetida a forças

eletrostáticas (20.000 kg/cm2), com espessura média de 0,005.

12

1mícro () - 1/1000000 de um metro (m).

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7 - A Água como Líquido Dipolar nas Argilas:

As moléculas da água são dipolares, desde que os átomos de hidrogênio

não são, simetricamente, arranjados em torno do átomo de oxigênio:

Diagrama representativo da molécula da água mostrando sua assimetria. A

água é um dipolo.

Isto significa que a água é como uma barra com cargas negativa e positiva

nas suas extremidades.

Os mecanismos de atração com a partícula da argila são:

Para haver plasticidade na argila é necessário que o líquido seja dipolar.

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Propriedade de Coesão das argilas:

Para que seja iniciado o movimento de deslizamento entre as partículas de

argila é necessário romper suas mútuas ligações moleculares.

Estas mútuas ligações são formadas por moléculas dipolares e cátions,

resultantes de ações físico-químicas e serão tanto mais próximos quanto

mais próximas estiverem estas partículas de argila entre si.

Portanto, entre essas partículas se manifestam uma resistência que alcança,

com frequência, valores consideráveis.

Em decorrência disso, para separar duas partículas é necessário certo

esforço.

O solo é capaz de resistir a trações. Essa resistência à tração é denominada

coesão.

Coesão

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8 - Tixotropia: Thixis (contato) e Trepo (mudar)

É a perda e o consequente retorno da resistência coesiva devido à

destruição e seguida reordenação da estrutura molecular das camadas

adsorvidas.

Se tomarmos uma porção de argila com apreciável teor de umidade e

amassá-la energicamente durante esta operação, as partículas deslizam

umas sobre as outras, tornando fracas suas ligações físico-químicas

momentaneamente.

Estas ligações bastante fracas voltam pouco a pouco ao seu estado primitivo

conforme vão se restabelecendo-se suas ligações. A este fenômeno se

denomina tixotropia.

Algumas argilas demoram mais que outras para completar o fenômeno de

tixotropia, porque suas ligações físico-químicas não são iguais; umas são

mais susceptíveis que outras, portanto a essa condição de variar de uma

argila para outra, é que se chama susceptibilidade tixotrópica.

A susceptibilidade tixotrópica pode ser conhecida através da relação entre a

resistência à compensação simples da amostra indeformada de argila e a

resistência da mesma energicamente amassada.

Exemplo:

Bentonita (argilas ultra-finas formadas por alteração química de cinzas

vulcânicas, formada por montmorilonita e utilizada em injeções para vedação

em perfurações de petróleo, fundações profundas, barragens, cortinas

enterradas, etc).

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9 - Granulometria dos Solos:

Os solos podem ser: pedregulho, areia, silte e argila.

Raramente o pedregulho, a areia, o silte e a argila constituem um solo puro.

Eles se apresentam na natureza como frações granulométricas.

Granulometria é a medida da textura do solo, ou seja, do tamanho relativo

dos grãos que formam a fase sólida dos solos.

Esta medida é realizada através do peneiramento e da sedimentação.

O ensaio de “Análise Granulométrica do Solo” está normalizado pela

ABNT/NBR 7181/82.

A distribuição granulométrica dos materiais granulares, areias e

pedregulhos, será obtida pelo processo de peneiramento de uma amostra de

solo, enquanto que, para siltes e argilas se utiliza o processo de

sedimentação.

Para solos, que tem partículas tanto na fração grossa quanto na fração fina

se torna necessário à análise granulométrica conjunta.

Apostila - (http://drb-assessoria.com.br/granulometriadossolos.pdf)

Normas da ABNT:

- Granulometria - NBR – 7181/82 - “Solo – Análise Granulométrica”

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- Preparação do solo – NBR - 6457

- Série de peneiras de abertura de malhas conhecidas - NBR - 5734/80)

Prática no laboratório Peneiramento: vídeos

- https://www.youtube.com/watch?v=1OAxLSiwnJA – Duração: 9:25

minutos.

- https://www.youtube.com/watch?v=kjZSs9jSloc - Duração: 13:07

minutos.

a) Peneiramento:

A separação dos sólidos, de um solo, em diversas frações é o objetivo do

peneiramento.

Este processo é adotado para partículas (sólidos) com diâmetros maiores

que 0,074mm (#200).

O número da peneira significa a quantidade de unidades na grade da

peneira.

Para tal, utiliza-se uma série de peneiras de abertura de malhas

conhecidas, determinando-se a percentagem em peso retida ou passante em

cada peneira.

Este processo divide-se em peneiramento grosso, partículas maiores que 2

mm (#10) e peneiramento fino, partículas menores que 2mm.

Para o peneiramento de um material granular, a amostra é, inicialmente,

secada em estufa e seu peso determinado.

Esta amostra será colocada na peneira de maior abertura da série

previamente escolhida e levada a um vibrador de peneiras onde

permanecerá pelo tempo necessário à separação das frações.

Quanto o solo possui uma porcentagem grande de finos, porém não

interessa a sua distribuição granulométrica, faz-se, primeiramente, uma

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lavagem do solo na peneira #200, seguido da secagem em estufa do

material retido e posterior peneiramento.

Este procedimento leva a resultados mais corretos do que fazer o

peneiramento direto, da amostra seca.

O número padrão e a abertura (em mm) das peneiras nos Estados Unidos

são:

(ASTM - American Society for Testing and Materials)

Número da

Peneira

Abertura

(mm)

3 6.35

4 4.76

6 3.36

8 2.38

10 2.00

16 1.19

20 0.84

30 0.59

40 0.42

50 0.297

60 0.25

70 0.21

100 0.149

140 0.105

200 0.074

270 0.053

19

A análise granulométrica é representada, graficamente, pela curva

granulométrica em papel semi-logarítmico com as aberturas das peneiras

20

em escala logarítmica e as percentagens, em peso, do material que tem

dimensão média menor que a dimensão considerada, em escala aritmética.

Os tipos de granulometria são definidos a partir dessa curva em:

- uniforme

- bem graduada (contínua)

- mal graduada (descontínua)

Três parâmetros são utilizados para dar uma informação sobre a curva

granulométrica:

"Diâmetro Efetivo"

"Coeficiente de Uniformidade" e

"Coeficiente de Curvatura"

Diâmetro Efetivo: D10

É o ponto característico da curva granulométrica para medir a finura do solo,

que corresponde ao ponto de 10%, tal que 10% das partículas do solo

possuem diâmetro inferiores a ele.

21

D10 = diâmetro correspondente a 10%, em peso total, de todas as partículas

menores que ele.

Coeficiente de Uniformidade: Cu

Dá uma ideia da distribuição do tamanho das partículas do solo; valores

próximos de um indicam curva granulométrica quase vertical, com os

diâmetros variando em um intervalo pequeno, enquanto que, para valores

maiores a curva granulométrica irá se abatendo e aumentando o intervalo de

variação dos diâmetros.

Da mesma foram que foi definido D10, define-se D60.

D60 = diâmetro através do qual 60% do total do solo passa.

10

60

D

DCu

A representação da curva granulométrica em papel semi-logarítmico

apresenta vantagens, pois os solos com Cu, aproximadamente iguais, serão

representados por curvas paralelas.

Quando: Cu < 5 solo muito uniforme;

5 < Cu< 15 solo com uniformidade média;

Cu > 15 solo desuniforme.

Coeficiente de Curvatura: Cc

Dá uma medida da forma e da simetria da curva granulométrica e é igual a:

).(

)(

1060

2

30

DD

DCc

22

D30 = diâmetro correspondente a 30%

Para um solo bem graduado, o valor do coeficiente de curvatura, deverá

estar entre 1 e 3.

1 < Cc < 3 solos bem graduados.

A distribuição do tamanho de partículas é proporcional, de forma que os

espaços deixados pelas partículas maiores sejam ocupados pelas menores.

Para solos granulares há maior interesse no conhecimento do tamanho das

partículas, visto que, algumas de suas propriedades estão relacionadas com

os mesmos, o que não ocorre com os solos finos.

b) Sedimentação:

23

Para a fração fina do solo (siltes e argilas), ou seja, com grãos menores que

0,074 mm (peneira Tyler # 200), emprega-se o método da análise por

sedimentação contínua em meio líquido.

O cálculo dos diâmetros equivalentes será feito a partir dos resultados

obtidos durante a sedimentação de certa quantidade de sólidos em um meio

líquido.

Neste método (Casagrande), certa quantidade de solo é dispersa num frasco

de água em um agente antifloculante, a fim de se obter uma suspensão fina.

A base teórica para o cálculo do diâmetro equivalente vem da Lei de Stokes,

que afirma que a velocidade de queda de uma partícula esférica, de peso

específico conhecido, em um meio líquido rapidamente atinge um valor

constante que é proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula.

As partículas cairão sob a ação da gravidade, em meio resistente, segundo

a Lei de Stokes, com velocidades uniformes proporcionais à massa e

dependentes da forma das partículas.

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O estabelecimento da função, velocidade de queda - diâmetro de partícula -

se faz a partir do equilíbrio das forças atuantes (força peso) e resistentes

(resistência viscosa) sobre a esfera.

Se admitirmos que as partículas tenham formas esféricas, a velocidade de

queda numa distância z num tempo t será:

2aD

800.1t

zv

Onde:

= peso específico (real) das partículas do solo (g/cm3)

a = peso específico do fluído (água) (g/cm3)

= viscosidade do meio dispersor (água) (g . s/ cm2)

D = diâmetro da esfera (mm)

A equação anterior foi obtida para o caso de uma esfera de peso específico

bem definido caindo em um meio liquido indefinido, e certamente estas não

são as condições existentes no ensaio de sedimentação.

As partículas não são esféricas e o número delas é grande, o peso

específico dos sólidos não é único e o espaço utilizado é limitado, podendo

ocorrer influência das paredes do recipiente, bem como de uma partícula

sobre as outras.

A fim de minimizar os erros devido às diferenças entre teoria e prática,

alguns cuidados devem ser tomados durante o ensaio.

Primeiro, não se deve ter uma suspensão com uma concentração de

sólidos, (peso de sólidos/volume da suspensão) muito alta;

Segundo, para que não ocorra floculação e permita a descida individual das

partículas, deve-se adicionar um defloculante à suspensão.

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Terceiro, a realização do ensaio fica restrito às partículas com diâmetro

entre 0,2 e 0,0002mm, para se evitar o problema da turbulência gerada pela

queda de partículas grandes e o movimento Browniano que afeta partículas

muito pequenas.

Assim, “D”, que será calculado pela equação:

t

z.

800.1D

a

Até a profundidade z, depois do tempo t, todas as partículas terão diâmetro

inferior a D.

A quantidade de grãos em suspensão acima da profundidade z poderá ser

determinada pela medida da densidade da suspensão, por meio de um

hidrômetro (densímetro) calibrado.

26

Lendo-se a medida do hidrômetro, num certo tempo t, ter-se-á a densidade

da suspensão, a qual permite o cálculo da percentagem de grãos em

suspensão (que são os grãos de diâmetro inferior a D, calculado pela fórmula

acima). EB - 22R - MB - 32 - ABNT.

Da equação anterior têm-se duas grandezas, viscosidade e peso específico

do fluído, variáveis com a temperatura, será necessário manter-se esta

constante durante o ensaio ou efetuar as correções devidas.

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Propriedades que auxiliam na identificação dos solos:

Os solos são identificados por sua textura, composição granulométrica,

plasticidade, consistência ou compacidade, citando-se outras propriedades

que auxiliam sua identificação, como estrutura, forma dos grãos, cor, cheiro,

friabilidade, presença de outros materiais.

Textura

Quanto à textura (distribuição granulométrica) os solos são classificados em

grossos e finos.

Os solos grossos são aqueles nos quais mais do que 50% dos grãos são

visíveis a olho nu; são as areias e os pedregulhos.

28

Os solos finos são aqueles nos quais mais do que 50 % das partículas são

de tal dimensão, que não são visíveis a olho nu; são as argilas e os siltes.

A experiência indica que a textura, ou seja, a distribuição granulométrica é

muito importante nos solos grossos (granulares).

Nestes solos a distribuição granulométrica pode revelar o comportamento

referente às propriedades físicas do material.

Para solos com grãos menores que a abertura da peneira de nº 200

(0,075mm), a granulometria é de pouca importância para a solução dos

problemas de engenharia geotécnica.

Em função da distribuição granulométrica os solos podem ser bem ou mal

graduados.

Os solos que tem seus grãos variando, preponderantemente, dentro de

pequenos intervalos, são, portanto, solos mal graduados.

Os solos que tem várias frações de diâmetro diferentes misturadas; são,

portanto, solos bem graduados.

Uso da Granulometria

Nos solos com grãos maiores do que a peneira de # 200 (areias e

pedregulhos) a granulometria tem vários usos importantes. Por exemplo, os

solos bem graduados, ou seja, com uma ampla gama de tamanho de

partículas, apresentam melhor comportamento em termos de resistência e

compressibilidade que os solos com granulometria uniforme (todas as

partículas têm o mesmo tamanho).

Outra finalidade da curva granulométrica é na estimativa do coeficiente de

permeabilidade de solos de granulação grossa, especialmente no

dimensionamento de filtros. O material fino atua como ligante dos solos.

O conhecimento da curva granulométrica permite a escolha do material para

utilização em bases de rodovias e aeroportos.

29

Porém existem várias razões tanto práticas como teórica pelas quais, a curva

granulométrica de solos finos é mais discutível que as correspondentes a

solos granulares.

Os tratamentos químicos e mecânicos que os solos naturais recebem antes

de realizar uma análise granulométrica resultam em tamanhos efetivos que

podem ser muito diferentes dos existentes no solo natural.

Para execução de concreto de cimento, agregados bem graduados requerem

menos cimento para encher os vazios e, havendo menos água por unidade

de volume de concreto, ele será mais denso, menos permeável e

apresentará maior resistência à alteração do que se fosse executado com

agregado uniforme.

Para o caso de concreto asfáltico usando agregado bem graduado a

quantidade de asfalto a ser empregado é menor.

Prática no Laboratório Sedimentação: vídeos

https://www.youtube.com/watch?v=vC5_f8rmB48

3:00 minutos

https://www.youtube.com/watch?v=juHMbCkZCSA – Parte I

9:23 minutos

https://www.youtube.com/watch?v=eKqrpL79CHA – Parte II

9:18 minutos

https://www.youtube.com/watch?v=1t2vx_qUMBE – Parte III

5:16 minutos

https://www.youtube.com/watch?v=PfQWiw52x0g – Parte IV

7:42 minutos

Planilhas para ensaio de granulometria:

https://www.youtube.com/watch?v=K20CIhnYBl0

20:54 minutos

30

Curvas: A - Contínua (bem graduada); B - Descontínua (mal

graduada) e C - Uniforme.

31

Estudo Independente 2 – Aula 2

PROPRIEDADES DAS PARTÍCULAS SÓLIDAS DO SOLO

1. Descreva, de maneira sucinta, o Método do Picnômetro para obtenção da densidade real dos solos.

2. Determinar a densidade real do solo, dados:

Peso do Picnômetro + solo + água = 749,43 g Peso do Picnômetro + água = 708,07 g Peso do solo seco = 72,54 g Densidade da água à temperatura (21°C) do ensaio =

0,998g/cm3

3. Qual a diferença entre densidade real (δ) e peso específico das partículas (γg) de um solo? 4. Cite dois tipos de formas de partículas e em que solos ocorrem. 5. Qual o objetivo da análise granulométrica de um solo? 6. Dada a curva granulométrica:

Determinar:

a) As porcentagens dos materiais segundo sistema de classificação da A.B.N.T. e A.S.T.M (escala internacional).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100

PE

RC

EN

TA

GE

M Q

UE

PA

SS

A (

%)

DIÂMETRO DOS GRÃOS (mm)

CURVA GRANULOMÉTRICA

32

Escala da A.B.N.T.

Escala Internacional

PEDREGULHO ACIMA DE 4,8 mm AREIA GROSSA 4,8 - 2,00 mm AREIA MÉDIA 2,00 - 0,42 mm AREIA FINA 0,42 - 0,074 mm SILTE 0,074 - 0,005 mm ARGILA ABAIXO DE 0,005 mm ARGILA COLOIDAL ABAIXO DE 0,001 mm

Pedregulho > 2 mm Areia Grossa 0,2 a 2 mm Fina 0,02 a 0,2 mm Silte 0,002 a 0,02 mm Argila < 0,002 mm

b) Diâmetro Efetivo c) Coeficiente de Uniformidade d) Coeficiente de Curvatura do Solo 7. Quando se deseja conhecer a distribuição granulométrica só da parte grosseira do solo (as frações areia e pedregulho), não havendo, portanto a fase de sedimentação, pode-se peneirar diretamente o solo no conjunto de peneiras? 8. Realizou-se um ensaio de granulometria por peneiramento, obtendo-se os seguintes resultados:

Peneira #

Peso retido (g)

Peso retido acumulado

(g)

Peso do material passante

acumulado(g)

% material que passa

20 0,8

40 2,9

60 6

100 4,1

140 3,3

200 6,8

a) Plotar a curva granulométrica para o solo em questão. b) Determinar as porcentagens de materiais segundo sistema de classificação da ABNT. 9. Na figura abaixo, são apresentados os resultados de dois ensaios de granulometria por peneiramento e sedimentação de uma amostra do solo, sendo um realizado com a adição de defloculante e outro sem durante a preparação da amostra. Como interpretar a

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diferença de resultados? Este tipo de comportamento é comum a todos os solos?