Apost. Solos - 2008

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Mecânica dos Solos – João Carlos Página 1 1. INTRODUÇÃO AO CURSO 1.1 DEFINIÇÃO E OBJETIVOS DA MECÂNICA DOS SOLOS a) Definição : A mecânica dos solos é uma ciência que estuda o comportamento dos solos, através das características físicas e as suas propriedades mecânicas (equilíbrio e deformação) quando submetido a acréscimos ou alívio de tensões. Ou seja, é a ciência que procura descobrir, entender, explicar e correlacionar às propriedades dos solos. Todas as obras de Engenharia Civil se assentam sobre o terreno e inevitavelmente requerem que o comportamento do solo seja devidamente considerado. b) Objetivo : Substituir por métodos científicos os métodos empíricos aplicados no passado. Além de ter como objetivo principal, oferecer ao profissional de construção civil ferramentas e conceitos teóricos-práticos para conhecimento do comportamento deste material (solo), indispensáveis na atuação de construção de obras de terra e aos aspectos geotécnicos de fundações. 1.2 PROBLEMA DA MECÂNICA DOS SOLOS A própria natureza do solo, que é complexa. O solo não possui uma relação linear quanto à relação tensão/deformação; O comportamento do solo depende da pressão, do tempo e do meio físico (tipo de solo); O solo apresenta qualidade muito heterogênea, variando de ponto para ponto; A análise de um solo é feita por amostragem de alguns pontos do terreno. 1.3 SOLO SOB O PONTO DE VISTA DA ENGENHARIA Solo é a denominação que se dá a todo material de construção ou mineração da crosta terrestre escavável por meio de pá, picareta, escavadeira, etc, sem necessidade de explosivos. Esta definição não tem sustentação do ponto de vista científico. Geologicamente, define-se como sendo o material resultante da decomposição das rochas pela ação de agentes de intemperismo.

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Mecânica dos Solos – João Carlos Página 1

1. INTRODUÇÃO AO CURSO

1.1 DEFINIÇÃO E OBJETIVOS DA MECÂNICA DOS SOLOS

a) Definição: A mecânica dos solos é uma ciência que estuda o

comportamento dos solos, através das características físicas e as suas propriedades

mecânicas (equilíbrio e deformação) quando submetido a acréscimos ou alívio de

tensões. Ou seja, é a ciência que procura descobrir, entender, explicar e

correlacionar às propriedades dos solos.

Todas as obras de Engenharia Civil se assentam sobre o terreno e

inevitavelmente requerem que o comportamento do solo seja devidamente

considerado.

b) Objetivo: Substituir por métodos científicos os métodos empíricos aplicados

no passado.

Além de ter como objetivo principal, oferecer ao profissional de construção civil

ferramentas e conceitos teóricos-práticos para conhecimento do comportamento

deste material (solo), indispensáveis na atuação de construção de obras de terra e

aos aspectos geotécnicos de fundações.

1.2 PROBLEMA DA MECÂNICA DOS SOLOS

A própria natureza do solo, que é complexa.

O solo não possui uma relação linear quanto à relação tensão/deformação;

O comportamento do solo depende da pressão, do tempo e do meio físico

(tipo de solo);

O solo apresenta qualidade muito heterogênea, variando de ponto para

ponto;

A análise de um solo é feita por amostragem de alguns pontos do terreno.

1.3 SOLO SOB O PONTO DE VISTA DA ENGENHARIA

Solo é a denominação que se dá a todo material de construção ou mineração

da crosta terrestre escavável por meio de pá, picareta, escavadeira, etc, sem

necessidade de explosivos. Esta definição não tem sustentação do ponto de vista

científico. Geologicamente, define-se como sendo o material resultante da

decomposição das rochas pela ação de agentes de intemperismo.

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1.4 EMPREGO DO SOLO NA ENGENHARIA CIVIL (aplicações)

Solo como material de construção: Aterros, Barragens de Terra, Base e Sub-

base de Pavimentos, etc.

Solo como suporte de fundação: Valas, Sapatas, Blocos, Estacas, Tubulões,

Subleito, etc.

1.5 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA MECÂNICA DOS SOLOS

Os primeiros trabalhos sobre o comportamento dos solos datam do século XVII.

COULOMB, 1773, RANKINE, 1856 e DARCY, 1856, publicaram importantes trabalhos

sobre o comportamento dos solos. O acúmulo de insucessos em obras de Engenharia

observados no início do século XX como:

- O escorregamento de solo durante a construção do canal do Panamá, 1913;

- Rompimento de grandes Barragens de Terra e Recalque em Grandes edifícios,

1913;

- Escorregamento de Muro de Cais na Suécia, 1914. O Levou em 1922 a

publicação pelos suecos de uma nova teoria para o cálculo e Estabilidade de

taludes;

- Deslocamento do Muro de cais e escorregamento de solo na construção do

canal de Kiev na Alemanha, 1915.

Em 1925 o professor Karl Terzaghi publicou seu primeiro livro de Mecânica dos

solos, baseado em estudos realizados em vários países, depois do início dos grandes

acidentes.

A mecânica dos solos nasceu em 1925 e foi batizada em 1936 durante a

realização do primeiro Congresso Internacional de Mecânica dos Solos.

Em meados de 1938 foi instalado o primeiro Laboratório de Mecânica dos solos

em São Paulo. Em novembro de 1938 foi instalado o Laboratório de Solos e Concreto

da Inspetoria Nacional de Obras Contra a Seca em Curemas Paraíba.

2. ORIGEM, FORMAÇÃO E ESTRUTURA DOS SOLOS

Os solos são materiais que tem sua origem imediata ou remota na deterioração

(decomposição) das rochas através do intemperismo (ação das intempéries). Ou

seja, todos os solos se originam da decomposição das rochas que constituíam

inicialmente a crosta terrestre. A decomposição é decorrente de agentes físicos e

químicos (solo = rocha + intemperismo).

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2.1 ROCHA

É um agregado natural formado de um ou mais minerais. E que do ponto de

vista da Engenhariam Civil, é impossível de escavar manualmente, necessita de

explosivo para o seu desmonte.

2.2 INTEMPERISMO

É o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos que ocasionam a

desintegração e decomposição das rochas e dos minerais, formando os solos. E

normalmente esses processos atuam simultaneamente, em determinados locais e

condições climáticas, um deles pode ter predominância sobre o outro. Portanto os

processos de intemperismos se dividem em:

a) Intemperismo Físico - Ou mecânico é o processo de decomposição da rocha

sem alteração química dos seus componentes. Os principais agentes são: Variação

de temperatura; Congelamento da água; Alívio de pressões e Vegetações.

b) Intemperismo Químico - É o processo de decomposição da rocha onde os

vários processos químicos alteram, solubilizam e depositam os minerais das rochas

transformando-a em solo, ou seja, ocorre à alteração química dos seus componentes

(modificação química). Neste caso há modificação na constituição mineralógica da

rocha, originando solos com características próprias. Este tipo é mais freqüente em

climas quentes e úmidos e, portanto muito comum no Brasil.

O principal agente é a água, e os mais importantes mecanismos de ataque são:

Hidrólise; Hidratação; Oxidação e Carbonatação.

c) Intemperismo Biológico - É processo no qual a decomposição da rocha se dá

graças a esforços mecânicos produzidos por vegetais através de raízes, escavação

de roedores. Além dos efeitos químicos da vegetação.

2.2.1 Influência do Intemperismo no Tipo de Solo

Os vários tipos de intemperismo e a intensidade com que atuam no processo de

formação dos solos dão origem a diferentes tipos de solo. Percebe então, que o solo

é assim, uma função da rocha de origem e dos diferentes agentes de alteração.

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2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS QUANTO A ORIGEM (genética)

Com base na origem dos seus constituintes, os solos podem ser divididos em dois

grandes grupos: solo residual, se os produtos da rocha intemperizada permanecem

ainda no local em que se deu a transformação; solo transportado (sedimentar),

quando os produtos de alteração foram transportados por um agente qualquer, para

local diferente ao da transformação.

2.3.1 Solos Residuais

Os solos residuais são bastantes comuns no Brasil, principalmente na região

Centro-Sul , em função do próprio clima. A ação intensa do inpemperismo químico

nas áreas de climas quentes e úmidos provoca a decomposição profunda das

rochas com a formação de solos residuais, cujas propriedades dependem

fundamentalmente da composição do tipo de rocha existente.

A rocha que mantém as características originais, ou seja, a rocha sã é a que

ocorre em profundidade. Quanto mais próximo da superfície do terreno, maior é o

efeito do intemperismo. Sobre a rocha sã encontra-se a rocha alterada, em geral

muito fraturada e permitindo grande fluxo de água através das descontinuidades. A

rocha alterada é sobreposta pelo solo residual jovem, ou saprolito. O material mais

intemperizado ocorre acima do saprófito e é denominado solo residual maduro

(figura 2.1).

2.3.2 Solos Sedimentares (transportados)

Os solos sedimentares ou transportados são aqueles que foram levados de seu

local de origem por algum agente de transporte e lá depositados (figura 2.2). Os solos

transportados geralmente depósitos mais inconsolidados e fofos que os residuais e

com profundidade variável. Nos solos transportados, distingue-se uma variedade

1. Solo superficial. 2. Solo residual maduro,

sem vestígios da estrutura e textura da rocha matriz.

3. Solo residual jovem (saprolito),

com vestígios da estrutura e textura da rocha matriz.

4. Rocha alterada. 5. Rocha praticamente sã.

Figura 2.1 – Exemplo de um perfil de solo

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especial que é o solo orgânico, no qual o material transportado está misturado com

quantidade variáveis de matéria orgânica decomposta.

De um modo geral o solo residual é mais homogêneo que o transportado. As

características dos solos transportados são em função do agente de transporte.

Os agentes de transporte são: Vento (solos eólicos); Água (solos aluvionares);

Geleiras (solos glaciais); Gravidade (solos coluvionares)

a) Solos Eólicos - Transporte pelo vento. São de destaque, apenas os depósitos ao

longo do litoral, onde formam as dunas não sendo comuns no Brasil. O problema

desses depósitos existe na sua movimentação. Como exemplos têm os de estado do

Ceará, e os de Cabo Frio no Rio de Janeiro. Restringe as areias e siltes.

b) Solos Aluvionares - São solos sedimentares que são transportados pela água. A sua

textura depende da velocidade de transporte da água. Características: Grãos de

diversos tamanhos, mais grossos que os eólicos. Existem aluviões essencialmente

arenosos, bem como aluviões argilosos.

Embora os solos que constituem os aluviões sejam, via de regra, fonte de

materiais de construções, são, por outro lado, péssimos materiais de fundações.

c) Solos Glaciais - Formados pelas geleiras. São formados de maneira análoga aos

fluviais. Não ocorre no Brasil, e comuns na Europa e América do Norte.

d) Solos Coluviais - Formados pela ação da gravidade. Dentre os solos podemos

destacar o TALUS, que é solo formado pelo deslizamento de solo do topo das

encostas, formando ocorrência ao pé das encostas e elevações (figura 2.3).

Figura 2.2 – Local de solos transportados

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Apresenta grande variedade de tamanhos, alta porosidade, e inconsolidados,

sujeitos a escorregamentos. São comuns ao longo de rodovias na Serra do Mar-SP.

e) Solos Orgânicos – Impregnação do solo (argila, silte e areia fina) por sedimentos

orgânicos preexistentes (húmus), em geral misturados de restos de animais e vegetais.

Caracterizam pela cor escura, cheiro forte peculiar e alta plasticidade (alto limite de

liquidez). Um teor de 2 a 4% de matéria orgânica já influii danosamente no solo. São

problemáticos por serem muito compressíveis. São encontrados no Brasil

principalmente nos depósitos litorâneos, em espessuras variadas, e nas várzeas dos

rios e córregos. Por sua característica orgânica, apresentam elevados índices de

vazios, e por ser de sedimentação recente, possuem baixa capacidade de suporte e

considerável compressibilidade.

A norma norte americana classifica como solo orgânico aquele que apresenta

LL de uma amostra seca em estufa menor do que 75% do LL de amostra natural sem

secagem em estufa

TURFAS – são solos que incorporam florestas soterradas em estado avançado de

decomposição, com grande porcentagem de partículas fibrosas de material

carbonoso ao lado de matéria orgânica no estado coloidal. Este tipo de solo pode

ser identificado por ser fofo e não plástico e ainda combustível.

2.3.3 Descrição de Termos Usuais de Solos

a) Turfa – Solo sem plasticidade, com grande percentagem de partículas fibrosas de

material ao lado de matéria orgância coloidal, marron-escuro a preto, muito

compressível, e combustível quando seco;

Figura 2.3 –Depósito de tálus

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b) Cascalho – Solo com grande percentagem de pedregulho, podendo ter

diferentes origens – fluvial, glacial e residual; o cascalho de origem fluvial é chamado

comumente de seixo rolado;

c) Solo laterítico (Solo Tropical Vermelho) – São os solos de evolução pedogênica que

sofrem no seu local de formação ou deposição uma série de transformações físico-

químicas. Formados por uma alternância de saturação e secagem do solo original,

aumentando a concentração de óxido de ferro e alumina na parte superior. Forma

solo de textura fina, pouco ou nada ativo, suas cores varia de amarelo ao vermelho

mais ou menos escuro. Diversas designações locais para estes solos, tais como:

piçarra, recife, tapioconga e outros.

d) Saibro – Solo residual areno-argiloso, podendo conter pedregulhos, proveniente de

alteração de rochas graníticas ou gnáissicas;

e) Topsoil – Solo areno-siltoso, com pouca ou nenhuma argila, encontrado nas

camadas superficiais de terrenos de pequena declividade, ou nas baixas de bacias

hidrográficas;

f) Massapê – Solo argiloso, de plasticidade, expansibilidade e contratilidade elevadas,

encontrado, principalmente, na bacia do Recôncavo Baiano. Suas Características

decorrem da presença da montmorilonita. No Paraná, materiais semelhantes são

designados sabão-de-caboclo.

2.4 COMPOSIÇÃO QUIMICA E MINERALÓGICA DOS SOLOS

Os solos são formados por agregados de um ou mais minerais.

Os minerais encontrados nos solos são os mesmos da rocha de origem (minerais

primários), além de outros que se formam na decomposição (minerais secundários).

a) Mineral: Substância inorgânica e natural, com composição química e estrutura

definida. Os minerais encontrados nos solos podem ser primários ou secundários. Os

PRIMÁRIOS são os mesmos da rocha de origem, e os SECUNDÁRIOS são formados

quando ocorre a decomposição química.

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b) Minerais Constituintes dos Solos Grossos (areias e pedregulhos): Os solos grossos são

constituídos basicamente de SILICATOS, ÓXIDOS, CARBONATOS E SULFATOS.

Nos solos grossos, o comportamento mecânico depende pouco da

composição mineralógica.

c) Minerais Constituintes dos Solos Argilosos - As argilas são constituídas basicamente

por silicatos de alumínio hidratados, podendo apresentar silicatos de magnésio, ferro

ou outros metais. Os minerais que formam as frações finas pertencem a três grupos:

CAULINITA, ILITA e MONTMORILONITA.

Caulinita - São formadas por unidades estruturais de silício e alumínio, que se

unem alternadamente, conferindo-lhes uma estrutura rígida. Portanto em face de

sua estrutura de camadas duplas são relativamente mais estáveis em presença de

água, com menor plasticidade além de apresentar propriedades mecânica

melhores.

Montmorilonitas - São estruturalmente formadas por unidade de alumínio entre

duas unidades de silício. A ligação entre essas unidades, não sendo suficientemente

firme para impedir a introduzir de moléculas de água entre as camadas tornando-se

as argilas montmoriloníticas muito expansivas e, portanto, instáveis em presença de

água. Portanto, em função da presença torna-se esta argila com alta plasticidade,

características de expansibilidade e retração além de baixo coeficiente de atrito

interno e as piores propriedades mecânicas Ex: BENTONITA1.

Ilitas - São estruturalmente semelhantes as Montmorilonitas, sendo, porém com

um íon permutável. São menos expansivas que as montmorilonita.

A presença de um determinado mineral de argila pode ser determinado por

análise TERMODIFERENCIAL, RAIOS-X, MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA e

ETC.

1 BETONITAS são argilas ultra-finas, formadas, em sua maioria, pela alteração química de cinzas vulcânicas. Sua composição predomina a montmorilonita, o que explica sua tendência ao inchamento. Graças a esta propriedade, as “injeções de betonitas” são muito usadas para vedação em barragens, perfurações de petróleo, cortinas, fundações profundas, e etc.

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2.5 SUPERFÍCIE ESPECIFICA

É a soma das superfícies de todas as partículas contidas na unidade de volume

(ou peso) do solo. Quanto mais fino for o solo maior será a sua superfície especifica, o

que constituí uma das razões das diferenças entre as propriedades físicas solos finos e

dos solos grossos. As forças de superfície são muito importantes no comportamento

de partículas coloidais, sendo a diferença de superfície específica uma indicação da

diferença de comportamento entre os solos com distintos minerais argílicos.

Imaginando–se uma partícula de forma cúbica, com 1cm de aresta e

subdividindo-a decimalmente, em cubos cada vez menores, poderemos organizar a

Tabela 2.1 abaixo como ilustração.

Aresta Volume total N0 de cubos Área total Superfície específica 1 cm 1cm3 1 6 cm2 6 cm2 /cm3

1 mm= 10-1 cm 1cm3 103 60 cm2 6 x 10 cm2 /cm3 0,1 mm =10-2 cm 1cm3 106 600 cm2 6 x 102 cm2 /cm3 0,01mm = 10-3 cm 1cm3 109 6000 cm2 6 x 103 cm2 /cm3 Tabela 2.1 –Ilustração de superfície especifica

2.6 ESTRUTURAS DOS SOLOS

Refere-se ao modo como as partículas estão dispostas formando o agregado

do solo. É o arranjo das partículas e as forças entre elas. A estrutura influencia na

resistência ao cisalhamento. Os tipos de estruturas mais comuns são:

a) Estrutura granular simples (unigranular)- É característica das areias e pedregulhos,

predominam as forças de gravidade na disposição das partículas, que se apóiam

diretamente uma sobre as outras, em grãos isolados.

b) Estrutura alveolar ou favo de abelha - É o tipo de estrutura comum nos siltes mais

finos e em algumas areias. As forças de atração molecular são predominantes face à

força da gravidade. A partícula sólida ficará na posição em que se der o primeiro

contato, dispondo em forma de arcos.

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c) Estrutura floculenta (solos finos)- É o tipo de estrutura que só possível nos solos muito

finos (argilas), onde as partículas ao se sedimentarem, dispõem em arcos, os quais,

por sua vez, formam outros arcos. Trata-se, portanto de uma estrutura de ordem

dupla. Na formação de tais estruturas, desempenham funções importantes as ações

elétricas (forças elétricas) que se desenvolvem entre as partículas. Na sedimentação

a formação de flocos.

d) Estrutura em esqueleto ou mista (granulometria variada)

É o tipo de estrutura que além de possuir grãos finos há também grãos mais grossos,

e estes se dispõem de maneira tal a formar um esqueleto, cujos interstícios (vazios)

são parcialmente ocupados por uma estrutura de grãos mais finos. É o caso das

complexas estruturas das argilas marinhas.

3.0 O ESTADO DOS SOLOS

3.1 INTRODUÇÃO

Num solo, só parte do volume total é ocupado pelas partículas sólidas, que se

encontram formando uma estrutura. O volume restante costuma ser chamado de

vazios, embora esteja ocupado por água e ar. Ou seja, solo é um material

constituído por um conjunto de partículas sólidas, deixando entre si vazios que

poderão estar parcial ou totalmente preenchidos pela água. Deve-se reconhecer,

portanto, que o solo é constituído de três fases: sólida, água e ar.

O comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma das

três fases (sólida, água e ar). Diversas relações são empregadas para expressar as

proporções entre elas. Na figura 3.1 estão representadas, simplificadamente, as três

fases que normalmente ocorrem nos solos, ainda que, em alguns casos, todos os

vazios possam estar ocupados pela água. Solo = sólido + líquido + gases.

Figura 3.1 – Amostra de solos

Vt = Vs + Vv = Vs + Va + Var

Pt = Ps + Pa

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Em princípio, as quantidades de água e 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 o seu estado se

altera. As diversas propriedades do solo dependem do estado em se encontra.

Quando diminui o volume de vazios, por exemplo, a resistência aumenta.

a) Fase Sólida - Caracteriza-se pelo seu tamanho, forma, distribuição e composição

mineralógica dos grãos.

b) Fase Gasosa - Ar, vapor d’água e carbono combinado. É bem mais compressível

que as fases líquida e sólida.

c) Fase Líquida - Preenche os vazios dos solos. Pode estar em equilíbrio hidrostático ou

fluir sob a ação da gravidade ou de outra forma. E os tipos de águas podem ser

classificados em:

• Água de constituição - É a que faz parte da estrutura molecular da partícula

sólida;

• Água adesiva ou adsorvida - É a película de água que envolve e adere

fortemente às partículas de solos muito finos devido a ação de forças elétricas

desbalanceadas na superfície dos argilos-minerais;

• Água livre - É a que se encontra em uma determinada zona do terreno,

enchendo todos os vazios. O seu estudo rege-se pela lei da hidráulica;

• Água higroscópica - É a que ainda se encontra em um solo seco ao ar livre;

• Água capilar - É água que nos solos de grãos finos sobe pelos interstícios

capilares deixados pelas partículas sólidas, além da superfície livre da água,

devido a ação das tensões superficiais.

As águas livre, higroscópica e capilar são as que podem ser totalmente

evaporadas pelo efeito do calor, a uma temperatura de 1000 C.

A sua consideração é de interesse em certos casos especiais de consolidação

de aterros, quando então há necessidade de calcular as “pressões neutras”

desenvolvidas em função da redução da fase gasosa.

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3.2. ÍNDICES FÍSICOS ENTRE AS FASES

Os índices e as relações que serão apresentados a seguir desempenham um

importante papel no estudo das propriedades dos solos, uma vez que, estas

dependem dos seus constituintes e das proporções relativas entre eles, assim como

da interação de uma fase sobre as outras. Portanto, serão examinadas as

propriedades decorrentes dos solos como eles são encontrados na natureza ou

quando depositados e compactados artificialmente. São propriedades referentes à

sua maior ou menor compacidade ou consistência e à sua estrutura ou arranjo dos

grãos entre si.

Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam os

pesos, e os volumes das três fases. Estes índices são os seguintes:

a) Teor de umidade (h) - Define-se a umidade de um solo como sendo a relação

entre o peso da água e o peso da parte sólida existente neste mesmo volume,

expressa em porcentagem. Para sua determinação, pesa-se o solo no estado natural,

seca-se em estufa a 1050 C até constância de peso e pesa-se novamente. Tendo-se o

peso das duas fases, a umidade é calculada. É a operação mais freqüente em um

laboratório de solos. Os teores de umidade dependem do tipo de solo e situam-se

geralmente entre 10 e 40 %, podendo ocorrer valores muito baixos para solos com

aparência de seco de 2 a 3% ou valores muito altos (150 % ou mais).

h = Ps

Pa. 100 (%) ou h =

Ps

PsPt −. 100 (%)

Um outro meio, muito simples e rápido, para determinar a umidade, consiste no

emprego do aparelho Speedy. Ele é constituído por um reservatório metálico

fechado que se comunica com um manômetro destinado a medir a pressão interna.

Dentro deste reservatório são colocadas, em contato, umas certas quantidades de

solo úmido e uma determinada porção de carbureto de cálcio (CaC2). A água

contida no solo combinando-se com o carbureto de cálcio, gera-se um gás

acetileno, e daí, pela variação depressão interna obtém-se a quantidade de água

existente no solo.

b) Índice de vazios (e) - Relação entre o volume de vazios e o volume das partículas

sólidas. Não pode ser determinado diretamente, mas é calculado a partir de outros

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índices. Costuma se situar entre 0,5 a 1,5, mas nas argilas orgânica podem ocorrer

índices de vazios superiores a 3.

Por definição: e = Vs

Vv ; No laboratório sua determinação é feita em função

de γg (peso específico das partículas) e γs (peso específico do solo seco).

e = Vs

Vv =

Vs

VsVt −=

Vs

Vt- 1 =

PsVs

PsVt

/

/-1 → e =

s

g

γγ

-1

O índice de vazios é uma medida de densidade e, portanto, representa uma

das características mais importantes para definição de um solo. Dessa propriedade

dependem, por exemplo, a permeabilidade, a compressibilidade e a resistência à

ruptura.

c) Porosidade de um solo (n) - Relação entre o volume de vazios e o volume total. I

Da mesma forma que o índice de vazios, a porosidade é uma medida de densidade

do solo. Os valores se situam geralmente entre 30 e 70%.

n = Vt

Vv. 100 (%) ou através da relação: n =

e

e

+1. 100 (%)

Entretanto, o índice vazios, que se relaciona ao volume dos sólidos, representa

uma medida mais adequada aos estudos de variações volumétricas de solos.

d) Grau de saturação (S) - Relação entre o volume de água e o volume de vazios.

Corresponde a percentagem do volume de vazios (poros) ocupados pela água. O

número indica se o solo está saturado (S=100%), seco (S=0%) ou num estado

intermediário (úmido). Quando o solo está saturado S=100% o Va=Vv. Não é

determinado diretamente, mas calculado. S = Vv

Va. 100 (%)

e) Grau de aeração (A) - Relação entre o volume de ar e volume de vazios. Indica o

quanto de vazios está ocupado por ar. Não é determinado diretamente em

laboratório, mas sim através de outros índices.

A = Vv

Var . 100 (%) ou A =

Vv

VaVv− → A = (1-S) . 100

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f) Pesos específicos do solo - Distinguem-se vários pesos específicos para solos in situ. É

definido como sendo a razão entre o peso de um determinado componente das três

partes físicas do solo, pelo seu volume. Assim pode-se ter:

Peso específico aparente (natural) (γnat) - É definido como a relação entre o

peso total do solo e seu volume total. A expressão “peso específico natural” é

algumas vezes, substituída só por “peso específico” do solo. Tratando-se de

compactação do solo, o peso específico natural é denominado peso específico

úmido.

Para sua determinação, molda-se um cilindro do solo cujas dimensões

conhecidas permitem calcular o volume. O peso total dividido pelo volume é o peso

específico natural. O peso específico também pode ser determinado a partir

de corpos irregulares, obtendo-se o volume por meio do peso imerso n’água. Para tal

o corpo deve ser previamente envolto por parafina.

Por definição: γnat = V

P =

VV

PaP

s

s

++

(g/cm3)

No campo, a determinação de “γ” pode ser feita, entre outros, pelo conhecido

“processo do frasco de areia”, utilizando-se um frasco ao qual se adapta um funil

munido de um registro (figura 3.2). A areia utilizada tem que ser calibrada entre as

peneiras (#) 20 e 30.

Peso específico aparente de um solo seco (γs) - Relação ente 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

determinada diretamente em laboratório, mas calculado a partir do peso específico

natural e da umidade. Por definição: γs = V

Ps (g/cm3)

Figura 3.2 – Frasco de areia

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Peso específico dos sólidos (grãos )(γg) - Relação entre o peso das partículas

sólidas e o seu volume. É uma característica dos sólidos.

γg = Vs

Ps (g/cm3)

O peso específico dos grãos dos solos pouco varia de solo para solo e, por si,

não permite identificar o solo em questão, mas é necessário para cálculos de outros

índices. Os valores situam-se em torno de 2,7 g/cm3, sendo este valor adotado

quando não se dispõe de valor específico para o solo em estudo. Grãos de quartzo

(areia) costumam apresentar pesos específicos de 2,65 g/cm3.

Peso específico da água (γa) - O peso específico da água é dado pela razão

entre o peso de uma quantidade de água e o volume da mesma.

γa= a

a

V

P (g/cm3). O peso específico da água varia com a temperatura e com os

sais dissolvidos. Entretanto, adota-se comumente o valor de 1 g/cm3, correspondente

à densidade da água destilada, à temperatura de 40 C.

Densidade relativa das partículas (ou dos grãos) (δ) - É a relação entre o peso

da específico dos grãos (γg) e o peso específico da água (γa). Utilizando-se a

definição de densidade absoluta de igual volume de água pura a 40 C.

δ = a

g

γγ

(adimensional), e como o peso específico da água é γa = Va

Pa =

1g/cm3, implica que, o “δ” e o “γg” são expressos pelo mesmo número, sendo que

δ é adimensional e γg tem dimensão. Por exemplo, a densidade relativa do quartzo é

2,65 e seu peso específico dos grãos é 2,65 g/cm3.

Sua determinação, feita pelo clássico método do picnômetro, resume na

aplicação da fórmula seguinte. A figura 3.3 representa o esquema de determinação

da densidade real.

δ = 12 PPPs

Ps

−+ , onde :

onde:

Ps - peso do solo seco

P1 – peso do picnômetro + solo + água

P2 – peso do picnômetro com água pura Figura 3.3 – Picnômetros

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 16

Peso específico aparente saturado (γsat) - Peso total da amostra de solo depois

de saturada com água, ou seja, quando todos os vazios estão completamente

cheios com de água. È de pouca aplicação prática.. Neste caso o grau de

saturação S=1. A sua determinação é através da relação abaixo:

e

e agsat +

+=

1

γγγ (g/cm3) ;

Peso específico de um solo submerso (γsub.) - É peso específico efetivo do solo

quando submerso, submetido ao empuxo de Arquimedes, não sendo sua medida por

via direta. Serve para o cálculo de tensões efetivas. Por definição é igual ao peso

específico saturado menos o peso específico da água.

asat γγγ −= (g/cm3)

g) Grau de compacidade (ou compacidade relativa) - O estado de um solo não

coesivo (areia) define-se pelo chamado grau de compacidade, que indica a maior

ou menor densidade relativa. O estado 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, com o mesmo índice de vazios, uma areia

pode estar compacta e outra fofa. É necessário analisar o índice de vazio natural de

uma areia em confronto com os índices de vazios máximo em que ela pode se

encontrar.

Portanto, tanto o “peso específico aparente seco” como o índice de vazios,

poderão dar uma idéia do estado e compacidade de uma areia. Quanto mais

compacta for a uma areia maior será seu peso específico seco e menor seu índice

de vazios.

O estado de uma areia, ou sua compacidade pode ser expresso pelo índice

de vazios em que ela se encontra, em relação a estes valores extremos, pelo índice

de compacidade.

GC = minmax

max

ee

ee nat

−−

(adimensional)

Os índices de vazios máximo e mínimo depenem das características da areia.

No laboratório emax é obtido vertendo-se simplesmente o material seco num

recipiente de volume conhecido e pesando-se, no estado mais fofo possível.

Analogamente obtém-se emin, compactando-se o material por vibração ou por

socamento dentro do mesmo recipiente. Infelizmente esses dois ensaios não foram

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 17

ainda padronizados de forma de forma que a definição de emax e emin é ainda

imprecisa.

e = Vs

Vv =

Vs

VsVt −= 1−

Vs

Vt, se dividir tudo por Ps, implica em e = 1

/

/ −PsVs

PsVt →

e = 1.

−Ps

Vt gγ (formula geral), para cada estado só varia o “Vt” na fórmula geral.

Quanto maior o grau de compacidade GC, mais compacta é a areia. Terzaghi

sugeriu a terminologia apresentada na tabela 3.1.

CLASSIFICAÇÃO GRAU DE COMPACIDADE (GC)

Areia fofa 0 < GC ≤ 0,33 Areia de compacidade

média 0,33 < GC ≤ 0,66

Areia compacta 0,66 < GC ≤ 1,00 Tabela 3.1- Grau de compacidade

Tem sido muito utilizada a correlação de compacidade das areias com o índice

de resistência à penetração dinâmica do barrilete amostrador-padrão (SPT), utilizado

em sondagens de exploração do subsolo (figura 3.4). A norma de sondagem com SPT

(NBR 6484) prevê que o boletim de sondagem forneça, junto com a classificação do

solo, sua compacidade (tabela 3.2) ou consistência no caso de solos argilosos.

Solo N (golpes) Compacidade

≤ 4 Fofa (o) 5 - 8 Pouco compacta (o)

9 - 18 Mediamente compacta (o) 19 - 40 Compacta (o)

Areias e siltes arenosos

> 40 Muito compacta (o) Tabela 3.2 – Classificação GC e função do N0 de golpes do SPT*

*OBS.: SPT (Standart Penetration Test).

A sondagem a percussão é um procedimento de geotécnico de campo, capaz de amostrar o

subsolo. Quando associada ao ensaio de penetração dinâmica (SPT), mede a resistência do

solo ao longo da profundidade perfurada.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 18

O grau de compacidade em função dos pesos específicos é expresso pela

relação:

GC= minmax

min

γγγγ

−−nat .

natγγ max

Onde γmax, γnat, γmin são os pesos específicos secos nos estados, respectivamente, mais

denso possível, natural e mais solto possível.

Figura 3.4 – Etapas na execução de sondagem a percussão (a) avanço da sondagem por desagregação e lavagem e (b) ensaio de penetração dinâmica (SPT)

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 19

h) Correlações diversas

Fórmulas gerais que podem ser utilizadas

hp

pxa

s

= 100 hP P

Pxh s

s

=−

100 γ gs

s

p

v= γ

γs h

=+1

γ =P

Vt

t

hp

pxa

s

= 100 100xP

PP

s

sh −= ; e

V

Vv

S

= ; nV

Vxv

t

= 100; 100xV

VS

v

a= ; 100xV

VA

v

ra=

Pesos específicos

V

Pnat =γ ;

V

Pss =γ ;

s

sg V

P=γ ;

as

assat VV

PP

=+

=γ ; γ γ γsub sat a= − ; γ aa

a

P

V=

Relações entre os índices físicos

e

Se agnat +

+=

1

γγγ

e

e agsat +

+=

1

γγγ

eg

s +=

1

γγ

hnat

s +=

1

γγ 1001

xe

en

+=

γ γ γsat s an= + ))(1( agsub n γγγ −−= assub n γγγ )1( −−= a

g

e

hS

γγ

=

( ) agnat Snn γγγ +−= 1 ( ) agsat nn γγγ +−= 1 ( ) gs n γγ −= 1 n

ne

−=

1

( ) g

a

n

Snh

γγ

−=

1 assat nγγγ +=

eag

sub +−

=1

γγγ e

g

s

= −γγ

1 ( ) 1001 xSA −=

G Ce e

e emax nat

max min

. .=−−

nat

nat xCGγγ

γγγγ max

minmax

min..−−

= V V Vt s v= +

V V Vv a ar= + P P Pt s a= + 1−×

=s

gt

P

ve

γ Ps =

h

Pt

+1

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 20

LISTA DE EXERCÍCIO 01

01) O que são solos?

02) Como ocorre a desintegração mecânica?

03) Como ocorre a decomposição química?

04) O que são solos residuais?

05) O que são solos sedimentares?

06) O que são solos de formação orgânica?

07) O que é um mineral?

08) Os minerais encontrados no solo são os mesmos das rochas que o originou?

09) Quais os principais minerais que compõe os solos grossos?

10) Como são constituídas as argilas?

11) Quanto à origem e formação dos solos, aqueles que sofreram a ação de agentes

transportadores são os chamados;

a) residuais b) orgânicos c) colapsíveis d) sedimentares

12) Como são formadas as caolinitas?

13) Qual o comportamento das argilas caolinitas na presença de água?

14) Como são formadas as montmorilonitas?

15) Qual o comportamento das argilas montmorilonitas na presença de água?

16) O que é superfície específica?

17) O que são betonitas? E qual a sua utilidade?

18) Dos três grupos de minerais argilosos, qual deles é o mais ativo?

19) O que é água de constituição?

20) De que é constituído o solo (fases)?

21) O que é água capilar?

22) Quais as águas que podem ser totalmente evaporadas pelo efeito do calor?

23) De que é composto o volume total do solo?

24) De que é composto o peso total de um solo?

25) Como é feita a determinação do teor de umidade de solo?

26) Como é determinado o ter o de umidade do solo através do aparelho “ Speedy”.

27) O que é grau de compacidade?

28) Qual a diferença entre γ e γs?

29) O que é grau de saturação de um solo?

30) Como é feita a determinação de γ (peso específico), no campo?

31) Tálus são solos transportados, tipicamente inconsolidados e sujeitos à instabilidade. Sim ou

Não?

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 21

32) A porosidade de um solo fornece uma medida proporcional de vazios na massa de solo e

é definida como o volume de vazios no solo dividido pelo volume de grãos?

33) O ensaio de sedimentação visa à obtenção das dimensões dos grãos da fração fina do

solo?

34) Solos colapsíveis são aqueles que apresentam significativas reduções de volume quando

umedecidos ou submetidos a mudanças importantes de neveis de tensões. Verdadeiro

ou falso?

35) Solos contendo altos teores do argilomineral montmorilonita são recomendáveis na

construção de pavimentos urbanos. Verdadeiro ou falso?

36) Todo solo tem sua origem _________ ou _________ na decomposição das rochas pela ação

das inpempéries. Assinale a alternativa que melhor preenche as lacunas:

a) Física, química; b) Característica, não característica;

c)Imediata, remota; d) Metereológica, espacial

36) Quando o solo, produto do processo de decomposição das rochas permanece no próprio

local em que se deu o fenômeno, ele se chama ________. Assinale a alternativa que melhor

preenche o espaço.

a) Transportado; b) Inorgânico; c) Poroso; d) Orgânico; e) Residual.

37) Seja h o teor de umidade de uma amostra de solo, convencionalmente expresso por

porcentagem de se peso seco. Considerando-se o teor de umidade como sendo uma

porcentagem “P” do peso total da amostra, pode-se dizer que P é igual a:

a) h

h

+1 b)

h

h

−1 c)

h

h

+2 d)

h

h

−2

LISTA DE EXERCÍCIO 02

01) O peso específico de um solo seco é 1,8 g/cm3 e a densidade das partículas 2,70. Determine o peso específico do solo para S=25 %, S=60 % e S=100 %.

02) Sabendo-se que o peso específico de um solo é 1,6 g/cm3, o teor de umidade é 33% e a

densidade das partículas 2,65; pede-se calcular: o índice de vazios, a porosidade e o grau de saturação do solo. Qual a quantidade de água que é necessário adicionar por m3 de solo para satura-lo.

03) Para construir um aterro, dispõe-se de uma quantidade de terra, que é chamada pelos

engenheiros de “área de empréstimo”, cujo volume foi estimado em 3000 m3. Ensaios mostraram que o peso específico natural é da ordem de 1,78 t/m3 e que a umidade é de cerca de 15,8 %. O projeto prevê que no aterro o solo seja compactado com uma umidade de 18%, ficando com um peso específico seco de 1,68 t/m3. Que volume de aterro é possível construir com o material disponível e que volume de água deve ser acrescentado?

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 22

04) O peso específico de um solo é 1,75 g/cm3 e seu teor de umidade 6 %. Qual a quantidade de água a adicionar, por m3 de solo, para que o teor de umidade passe a 13 %? Admitir a constância do índice de vazios.

05) Uma amostra de solo pesa 200 g e seu teor de umidade é 32,5%. Calcule:

a) A quantidade de água que se deve retirar da amostra para que o teor de umidade fique reduzido a 24,8%;

b) A quantidade de água que se deve adicionar à amostra para que o teor de umidade aumente para 41 %.

06) Um centímetro cúbico de areia seca pesa 1,7 g e a densidade relativa das partículas é

2,65. Determine os pesos específicos do solo para S=30 %, S = 45 % e S=100 %. 07) Uma amostra de argila saturada tem um volume de 162 cm3 e pesa 290 g. Sendo a

densidade relativa das partículas é 2,79. Pede-se determinar o índice de vazios, a porosidade, o teor de umidade e o peso específico do material.

08) Uma amostra de areia com volume de 2,9 litros pesou 5,2kg. Os ensaios de laboratório

para determinação da umidade natural, do peso especifico das partículas e do grau de compacidade do material forneceram os seguintes resultados:

Umidade: Peso úmido = 7,79 g -- 5,04 g

Peso seco = 6,68 g -- 4,31 g Peso especifico das partículas:

Peso do picnômetro com água = 434,12 g Peso do picnômetro com 35 g de solo e mais água ate o mesmo nível = 456,21 g

Grau de compacidade: Índice de vazios no estado solto = 0,85 Índice de vazios no estado compacto = 0,50

Calcular: a)teor de umidade, b)peso especifico da s partículas, c)peso da parte sólida, d)peso da água, e)volume da parte sólida, f)volume de vazios, g)índice de vazios, h)grau de compacidade, i)porosidade, j)grau de saturação, k)peso especifico aparente.

09) Para construção de uma barragem de terra é previsto um volume de 300.000 m3 de terra,

com índice de vazios de 0,8. Dispõe-se de três jazidas, designadas de A, B e C. O índice de vazios do solo de cada uma delas, bem como a estimativa do custo do movimento de terra até o local da obra são indicados no quadro abaixo:

Jazida Índice de vazios Custo do movimento de terra/m3

A B C

0,9 2,0 1,6

R$ 0,20 R$ 9,00 R$ 9,40

Qual das jazidas é economicamente mais favorável?

10) Em uma amostra de solo indeformada2 são fornecidos os seguintes dados: � Volume total 1200 cm 3 � Peso total úmido mais recipiente 2,90 kg � Peso seco mais recipiente (tara da capsula). 2,65 kg � Peso do recipiente (tara da cápsula). 0,30 kg � Peso específico dos grãos 2,7 g/cm3

Pede-se determinar: o grau de saturação, índice de vazios e porosidade.

2 Amostra Indeformada – é a amostra retirada por processo que procura preservar o volume, a estrutura e a

umidade do solo; as tensões são, naturalmente, aliviadas e deverão ser recompostas no laboratório.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 23

11) Em uma determinada amostra de areia seca, verificou-se os seguintes dados: peso da areia seca é de 90g ocupando um volume de 50cm3. Sabendo-se que sua densidade real é de 2,60, calcule os pesos específicos para o grau de saturação igual a 40% e para o grau de saturação igual a 100%.

12) Conhecidos o peso específico úmido igual a 1,7 g/cm3, e teor de umidade e o teor de

umidade igual a 9%, pede-se determinar γγγγs, S, e, sabendo-se que δ=2,65. 13) São conhecidos, para um determinado solo: γ=1,8 g/cm3, h=12 % e γg=2,7 g/cm3. Pede-se

determinar: γγγγs, S, A, e, n. 14) Uma argila saturada tem umidade h=39,3 % e um peso específico γsat=1,84 g/cm3.

Determine a densidade das partículas e o índice de vazios. 15) Uma amostra de areia no estado natural pesa 875 g e o seu volume é igual a 512 cm3. O

seu peso seco é 803 g e a densidade relativa dos grãos 2,66 Determine o índice de vazios, porosidade teor de umidade e grau de saturação da areia.

16) Uma amostra de areia foi ensaiada em laboratório, obtendo-se:

Solo no estado natural: V = 700 cm3 , P = 1260 g Solo no estado seco compacto: V = 644 cm3 Ps = 1095 g Solo no estado seco fofo: V = 755 cm3, Ps = 1095 g Peso específico das partículas: 2,7 g/cm3

Determinar: a) h=? no estado natural b) GC = ?

17) De uma amostra de solo saturado são conhecidos: e γsat = 1,85 g/cm3 e h =38,7 %. Pede-

se determinar o peso específico das partículas. 18) Um corpo de prova cilíndrico de um solo argiloso apresenta altura H=12,5 cm, diâmetro

Ǿ=5,0 cm e peso de 478,25 g o qual, após secagem, reduziu à 418,32 g. sabendo-se que o peso específico dos sólidos é 27,00 KN/m3, determinar:

a) O peso específico aparente seco (γs); γs = 1,70 g/cm3

b) O índice de vazios (e); e=0,58 c) A porosidade (n); n=93,69% d) O grau de saturação (S); S=26,06% e) O teor de umidade (h). h= 14,33% 19) Calcular a porosidade (n) para um solo que apresenta S = 68 %, γs = 26,5 KN/m3; e h = 15

%. Qual é o peso específico desse solo? γ = 19,04 KN/m3

20) Um caminhão basculante com capacidade de 6,0 m3 está cheio com um solo cujo teor de umidade médio é de 13 %, γg = 26,75 KN/m3 e γ = 14,5 KN/m3. Calcular a quantidade de água que é necessário adicionar a este volume de solo para que o seu teor de umidade seja elevado para 18 %. ∆Va= 392,546 litros 21) Deseja-se construir um aterro com volume de 100.000 m3, γ = 1,8 g/cm3 e h = 15 %. A área

de empréstimo apresenta um solo com γg = 2,70 g/cm3 e n = 58 %. Qual o volume a ser escavado para se construir o citado aterro. Vempr= 1,38x105 m3

22) De um corte são removidos 180.000 m3 de solo, com índice de vazios 1,22. Quantos m3 de aterro com 0,76 de índice de vazios poderão ser construídos? V` = 143.000 m3

23) De um solo saturado são conhecidos: γsat = 1,85 g/cm3 e h = 38,7 %. Pede-se determinar o peso específico das partículas.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 24

Considere a figura abaixo, representativa de uma certa porção de solo, onde se mostram separadas esquematicamente as três fases, para responder às questões 24 e 25.

24) O teor de umidade do solo apresentado é, em porcentagem (h%), igual a:

a) 1002

4 xP

V b) 100

3

3 xV

P c) 100

2

3 xP

P d)

1

3

P

P e)

1

1

P

V

25) O índice físico representativo da equação 1001

2 xV

V é, em percentagem, o(a):

a) Índice de vazios; b) Grau de compacidade; c) Grau de saturação do solo; d) Grau de aeração; e) Porosidade do solo.

26) Considere as afirmativas abaixo, todas referentes aos índices físicos de um solo.

I – É a razão entre o volume de vazios e o volume total de uma amostra de um solo. II – É a porcentagem de água contida nos seus vazios. III – É a razão entre o volume de vazios e o volume da parte sólida de um solo.

Os índices físicos correspondentes às afirmativas I, II e III, respectivamente, são: a) Índice de Vazios, Índice de Umidade e Permeabilidade. b) Índice de vazios, Higroscopia e Porosidade. c) Índice de Secos, Grau de saturação e Porosidade. d) Porosidade, Grau de Saturação e Índice de Vazios. e) Porosidade, Umidade Absoluta e Permeabilidade.

26) julgue os itens abaixo, se verdadeiro ou falso:

a) Solos contendo altos teores de argilomineral montimorilonita são recomendáveis na construção de pavimentos urbanos.

b) Solos colapsíveis são aqueles que apresentam significativas reduções de volume quando umedecidos ou submetidos a mudanças importantes de níveis de tensões.

c) Tálus são solos transportados, tipicamente inconsolidados e sujeito a instabilidade. d) A porosidade de um solo fornece uma medida proporcional de vazios na massa de

solo e é definida como o volume de vazios no solo dividido pelo volume dos grãos. e) O ensaio de sedimentação visa a obtenção das dimensões dos grãos da fração fina

do solo. 27) De uma amostra indeformada de solo são fornecidos os seguintes dados:

• Volume total = 1000 cm3 • Peso total úmido = 2,1 Kg • Peso total seco = 2,0 Kg • Densidade relativa das partículas = 2,50 Kg • Peso específico da água = 1,0 Kg/cm3 O grau de saturação da amostra é igual a: a) 0,45 b) 0,50 c) 0,65 d) 0,80

4. PROPREIEDADES FÍSICAS DOS SOLOS

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 25

Uma massa de solo pode ser descrita através de suas propriedades físicas,

como peso específico, teor de umidade, índice de vazios, entre outras, e suas

propriedades mecânicas, com ângulo de atrito interno, resistência ao cisalhamento,

coesão, etc. A interação das características do esqulelto sólido do solo – os

componentes, tamanhos e arranjo de seus grãos, teor de água e do ar nos seus

vazios, conferem-lhe características distintas. O entendimento do comportamento do

solo depende, portanto do estudo dos componentes, distribuição granulométirca e

arranjo dos grãos da fase sólida, e sua interação com a água e ar que lhe ocupa os

espaços inter-granulares. Essa interação sólido-água-ar é profundamente estudada

pela física dos solos, cujos resultados são aproveitados pela engenharia civil.

O geólogo deve ter em mente que as propriedades físicas podem sert

medidas com relativa facilidade em laboratório e que pequena variação de seus

valores não modifica o equilíbrio dos solos. Entretanto, podem varia muito com as

condições externa, como por exemplo as chuvas.

Os solos são identificados por sua textura, composição granulométrica,

plasticidade, consistência ou compacidade, além de outras propriedades que

auxiliam na sua identificação como: estrutura, forma dos grãos, cor, cheiro e

friabilidade.

4.1 TEXTURA

A TEXTURA de um solo é o tamanho relativo dos grãos, portanto refere-se ao grau

de finura e uniformidade do solo. Por exemplo: pedregulho, areia, silte e argila. O

estudo da textura dos solos é realizado por intermédio do ensaio de granulometria.

Pela sua textura os solos podem ser classificados em solos grossos e solos finos.

a) Solos Grossos - Solos com φ ≥ 0,074 mm e suas partículas tem forma arredondada

poliédrica, e angulosa. Os solos grossos são os PEDREGULHOS e as AREIAS.

b) Solos Finos - Solos com φ < 0,074 mm. Os solos finos são os SILTES e ARGILAS.

A fração granulométrica classificada como ARGILA possui diâmetro inferior a

0,005mm e se caracteriza pela sua plasticidade marcante elevada resistência

quando seca.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 26

]Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) os limites das

frações de solo pelo tamanho são os da tabela 4.1:

FRAÇÃO LIMITES (ABNT)

Matacão de 25cm a 1m Pedra de 7,6cm a 25cm Pedregulho de 4,8mm a 76 mm Areia Grossa de 2,0mm a 4,8mm Areia média de 0,42mm a 2,0mm Areia fina de 0,05mm a 0,42mm Silte de 0,005mm a 0,05mm Argila Inferior a 0,005

Tabela 4.1 - Classificação dos solos em função dos diâmetros (ABNT).

Pedregulhos – solos cujas propriedades dominantes são devidas à sua parte

constituída pelos grãos minerais de diâmetro máximo superior a 4,8 mm e inferior a 76

mm. São caracterizados pela sua textura, compacidade e forma dos grãos.

Areias – solos cujas propriedades dominantes são devias á sua parte constituída

pelos minerais de diâmetro máximo superior a 0,05 mm, e inferior a 4,8 mm. São

caracterizados pela sua textura, compacidade e forma dos grãos.

• Grossa: quando os grãos acima referidos têm diâmetro máximo

compreendido entre 2,00 mm e 4,8 mm.

• Média: quando os grãos acima referidos têm diâmetro máximo

compreendido entre 0,42 mm e 2,00mm.

• Fina: quando os grão acima referidos têm diâmetro máximo compreendido

entre 0,05 mm e 0,42 mm.

Silte – solo que apresenta apenas a coesão necessária para formar, quando

seco, torrões facilmente desagregáveis pela presença dos dedos. Suas propriedades

dominantes são devidas à parte constituída pelos grãos de diâmetro máximo superior

a 0,005 mm, e inferior a 0,05 mm. Caracteriza-se pela sua textura e compacidade.

Argila – Solo que apresenta características marcantes de plasticidade; quando

suficientemente úmido, molda-se facilmente em diferentes formas, e quando seco,

apresenta coesão bastante para constituir torrões dificilmente desagregáveis por

pressão dos dedos; suas propriedades dominantes são devidas á parte constituída

pelos grãos de diâmetro máximo inferior a 0,005 mm. Caracteriza-se pela sua

plasticidade, textura e consistência em seu estado e umidade naturais. Quanto á

textura, são as argilas identificadas qualitativamente pela sua distribuição

granulométrica.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 27

4.2 FORMA DOS GRÃOS

Tem grande influência sobre o seu comportamento e outras propriedades como

consistência, compacidade, etc. Principais formas encontradas:

a) Partículas arredondadas (poliédrica) - Predominam nos pedregulhos, areia e siltes;

b) Partículas lamelares (semelhantes a lamelas ou escamas) - Encontradas nas argilas

(solos finos). Esta forma de partículas das argilas responde por algumas de suas

propriedades,como, por exemplo, a compressibilidade e a plasticidade.

c) Partículas fibrilares - Característica dos solos turfosos (orgânico)

4.3 COMPORTAMENTO DOS SOLOS

O comportamento dos solos finos é em função da composição mineralógica,

que é governado pelas forças de atração moleculares e elétricas e pela presença

de água; O comportamento dos solos grossos é função da sua granulometria que é

governado pelas forças gravitacionais. Os SILTES apesar de serem classificados como

finos, o seu comportamento é governado pelas forças gravitacionais (mesmas dos

solos grossos).

4.4 IDENTIFICAÇÃO DOS SOLOS POR MEIO DE ENSAIOS

Para identificação dos solos a partir das partículas que os constituem, são

empregados correntemente dois tipos de ensaio, a ánalise granulomética e os

índices de consistência.

4.4.1 Análise Granulométrica

Análise granulométrica é a determinação das dimensões dos grãos que

constituem o solo e a percentagem (proporções) da massa total dos grãos nos

diversos intervalos e tamanhos. Esta análise consiste, em geral, de duas fases:

peneiramento e sedimentação. O peso do material que passa em cada peneira,

referido ao peso seco da amostra, é considerada como a “percentagem que passa”

e é representada graficamente por uma “curva granulométrica”, como se mostra à

figura 4.1. Curva esta, que é traçada por pontos em um diagrama semi-logarítmo, no

qual sobre o eixo das abscissas, são marcados os logarítmos das dimensões das

partículas e sobre o eixo das ordenadas as porcentagens, em peso das partículas

que têm dimensões consideradas. A abertura nominal da peneira é considerada

como o “diâmetro efetivo” das partículas. Trata-se evidentemente de um “diâmetro

equivalente”.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 28

A análise por peneiramento tem como limitação a abertura da malha das

peneiras. A menor peneira comercialmente empregada é a de N0 200, cuja abertura

é de 0,074 mm.

Uma amostra de solo pode ser analisada, granulometricamente, por secagem e

peneiramento ou, então submetendo-a a um ensaio de sedimentação. Ela é

realizada em um laboratório de solos e é realizada em três etapas:

a) Peneiramento grosso - Análise granulométrica da fração grossa da amostra de solo

– grãos > que 2,0 mm;

b) Peneiramento fino - Análise granulométrica da fração média da amostra de solo –

grãos > que 0,074 mm e < que 2,0 mm;

c) Sedimentação - Análise granulométrica da fração fina da mostra de solo – grãos <

que 0,074 mm.

Quando há interesse no conhecimento da distribuição granulométrica da

porção mais fina dos solos, emprega-se a técnica da sedimentação contínua em

meio líquido, que se baseia na lei de Stokes, a qual estabelece uma relação entre o

diâmetro da partícula e sua velocidade de sedimentação em um meio líquido de

viscosidade e peso específico conhecidos.

Para se fazer uma análise granulométrica de solos é necessário adotar uma

escala granulométrica. Existem várias, tais como as escalas: Internacional, ABNT,

ABCP, AASHO, ASTM, USCS e MIT. Para fim deste estudo a escala adotada é ABNT –

Associação Brasileira de Normas Técnica

Escala da ABNT:

Pedregulho Areia grossa

Areia média

Areia fina Silte Argila

Os pedregulhos e areias bem graduados e compactados são minerais estáveis.

Quando não apresentam teores de partículas finas, são fáceis de compactar e

pouco afetados pela umidade. Uma areia fina e uniforme aproxima-se das

característicaas de um silte com diminuição da permeabilidade e redução da

estabilidade em presença de água. Areias finas são difíceis de distinguir visualmente

dos siltes.

Os siltes são relativamente impermeáveis difíceis de compactar e podem ser

facilmente pulverizadas (converter em pó) quando secos.

0,42 mm 0,05 mm 0,005 mm 76 mm 4,8 mm 2,0 mm

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 29

As argilas são os finos plásticos e têm resistência variável com a umidade. São

impermeáveis e difíceis de compactar, quando úmidas, e quase impossível de drenar

por métodos comuns. Grande expansibilidade e contração podem ocorrer com

variações de umidade. Quando maior for o limite de liquidez, maior a sua

compressibilidade.

Os finos siltes e argilas influenciam consideravelmente nas propriedades dos

solos. Cerca de 10% de finos presentes em areias e pedregulhos bem graduados

tornam-se impermeáveis.

A análise granulométrica dos solos permite definir coeficientes e características

granulometria, são eles:

b) Diâmetro efetivo (D10) - É o diâmetro de uma partícula de solo que em 10% da

massa total deste solo têm diâmetro menor que o valor (D10).

c) Coeficiente de uniformidade (Cu) - É a razão entre os diâmetros correspondentes

a 60% e 10% da massa total de um solo que tem diâmetros menores. Tomados na

curva granulométrica;

d60 – corresponde ao diâmetro que possui 60% da massa total menores que ele.

d10 – corresponde ao diâmetro que possui 10% da massa total menores que ele.

Cu = 10

60

d

d

Figura 4.1 – Exemplo de uma curva de distribuição granulométrica do solo

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 30

d) Solos bem graduados ou contínuos - A amostra apresenta diversos tamanhos dos

grãos, cobrindo proporcionalmente toda a faixa granulométrica;

e) Solos de graduação uniforme - A amostra de solo apresenta características de que

todas as partículas têm o mesmo diâmetro, e não há grande variação de tamanho

de grãos;

f) Solos de graduação aberta ou descontínua - Contêm na amostra de solo grãos

maiores e grãos menores, observando-se uma descontinuidade na granulometria.

Cosideram-se a granulometria dos solos quanto à uniformidade em:

Muito uniforme quando Cu < 5;

Uniformidade média quando 5 < Cu < 15;

Desuniforme quando Cu >15

O tamanho dos grãos de solo e a porção que eles ocorrem são importantes na

seleção de material para a construção de barragens de terra, estradas e aterros e

geral, onde o solo usado deve satisfazer as especificações definidas. Em fundações

de estruturas, os dados granulométricos, em geral, são apenas ilustrativos e têm maior

importância outras propriedades, como a compressibilidade e a resistência ao

cisalhamento do solo.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 31

E X E R C Í C I O S – sala de aula

01) Para os solos A, B e C, cujas curvas granulométricas são indicadas na figura

abaixo, pede-se:

a) calcular coeficiente de uniformidade de cada solo;

b) qual o solo de maior diâmetro efetivo?

c) classificar os solos quanto a sua uniformidade.

02)Determinar as percentagens de areia, silte e argila de um solo, de acordo com a

escala granulométrica da ABNT, sabendo-se que:

Peneiras (mm) % que Passa Peneiras (mm) % que passa 25,0 100 0,25 44 9,60 80 0,074 24 4,80 72 0,05 21 2,00 67 0,005 11 0,42 56 0,001 4

03) A análise granulométrica de um solo revelou o seguinte resultado:

N0 da peneira Abertura em mm

Porcentagem passando

10 2,00 100 40 0,42 95 60 0,25 88

140 0,105 74 200 0,074 65

- 0,05 59 - 0,005 18 - 0,001 6

Pede-se traçar a curva granulométrica e determinar o diâmetro efetivo (def) e o

coeficiente de uniformidade (Cu).

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 32

4.5 PLASTICIDADE E CONSISTÊNCIA DOS SOLOS

A plasticidade é uma das mais importantes propriedades dos solos, sendo essa

característica pertencente aos solos finos, ou seja, as argilas. Essa propriedade é

associada à umidade dos solos.

A experiência mostrou que, para os solos em cuja textura haja uma certa

porcentagem de fração fina, não basta a granulometria para caracterizá-los sob o

ponto de vista da engenharia, pois suas propriedades plásticas dependem do teor

de umidade, além da forma das partículas e da sua composição química e

mineralógica.

Enquanto que, os solos arenosos são perfeitamente identificáveis por meio de

suas curvas granulométricas. Isto é, areias ou pedregulhos de iguais curvas

granulométricas comportam-se, na prática de forma semelhante.

4.5.1 Plasticidade

A plasticidade é normalmente definida como uma propriedade dos solos, que

consiste na maior ou menor capacidade de serem eles moldados, sob certas

condições de umidade, sem variação de volume. É essa uma propriedade das

argilas, muito útil à cerâmica onde se necessita que o material seja moldado sem

variações de volume.

Em outras ciências da engenharia, o comportamento plástico dos materiais

fundamenta-se nas características tensão-deformação. Assim é que um corpo diz-se

elástico quando recupera a forma e o volume primitivo, ao cessar a ação das forças

externas que o deformava; ao contrário, diz-se plástico quando não recupera seu

estado original ao cessar a ação deformante. Na prática os corpos não

correspondem rigorosamente a nenhum dos tipos citados, posto que todos eles

apresentam uma fase elástica e outra plástica, com predominância em geral de

uma sobre a outra.

4.5.2 Ìndices de consistência (limites de Atterberg)

A CONSISTÊNCIA refere-se ao grau de coesão entre as partículas de solo e a

resistência oferecida às forças que tendem a deformar ou romper a massa de solo.

Portanto é definida como sendo a maior ou menor dureza em que os solos coesivos

são encontrados na natureza. A sua obtenção em laboratório é através do ensaio de

resistência a compressão simples, e a sua obtenção no campo por meio da

resistência à penetração dinâmica (SPT).

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 33

Como foi visto no item anterior, o comportamento dos solos com fração fina não

dependem somente da sua granulometria. Portanto, o seu comportamento depende

além da granulometria de outros fatores como: superfície específica, teor de

umidade, estrutura, forma das partículas e composição mineralógica, ou seja estes

solos apresentam um comportamento complexo. Veja, solos que possuem a mesma

porcentagem da fração argila, pode ter comportamentos muito diferentes,

dependendo das características dos minerais presentes.

Todos esses fatores interferem no comportamento do solo, mas o estudo dos

minerais-argilas é muito complexo. À procura de uma forma mais prática de

identificar a influência das partículas argilosas, a engenharia a substituiu por uma

análise indireta, baseada no comportamento do solo na presença de água.

Generalizou-se, para isto, o emprego de ensaios e índices proposto pelo

engenheiro químico Atterberg, pesquisador do comportamento dos solos sob o

aspecto agronômico, adaptado e padronizado pelo Professor de Mecânica dos

Solos Arthur Casagrande.

Os limites se baseiam na construção de que um solo argiloso ocorre com

aspectos bem distintos conforme o seu teor de umidade. Quando o solo está muito

úmido, ele se comporta como um líquido (fluido denso) e se diz no estado líquido;

quando perde parte de sua água, ele endurece e perde sua capacidade de fluir,

porém pode ser moldado facilmente e conservar sua forma, o solo agora se encontra

no estado plástico. E quando mais seco, torna-se quebradiço (se desmancha ao ser

trabalhado), encontram-se nos estados semi-sólido e sólido.

Os teores de umidade correspondentes às mudanças de estado, como se mostra

à figura 4.2, são definidos como: Limite de Liquidez (LL) e Limite de Plasticidade (LP)

dos solos. A diferença entre estes dois limites, que indica a faixa de valores em que o

solo se apresenta plástico, é definida como o Índice de Plasticidade (IP) do solo. Em

condições normais, só são apresentados os valores do LL e do IP como índices de

consistência dos solos. O LP só é empregado para a determinação do IP.

Umidade(%) - crescendo → Figura 4.2 – Estados físicos

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 34

Limite de Liquidez - é definido como o teor de umidade do solo para a qual a

ranhura se fecha com 25 golpes, no ensaio em laboratório pelo aparelho de

Casagrande como ilustrado na figura 4.3. Traça-se o gráfico semilogarítmo por

meio de diversas tentativas realizadas, com o solo em diferentes umidades,

anotando-se o número de golpes para fechar a ranhura, obtendo-se o limite pela

interpolação dos resultados correspondente a 25 golpes. O procedimento de ensaio

é padronizado no Brasil pela ABNT (Método NBR 6459).

Com os valores obtidos (número de golpes para fechar a ranhura feita na

amostra, e as umidades correspondentes) traça-se a linha de escoamento do

material, a qual no intervalo compreendido entre 6 e 35 golpes, pode considerar-se

como uma reta conforme ilustra figura 4.4. Recomenda-se a determinação de, pelo

menos, 5 pontos.

Figura 4.4 – Linha de escoamento do material

Antes do ensaio

Depois do ensaio

Figura 4.3 – Ensaio para determinação do limite de liquidez

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 35

De acordo com os estudos do Federal Highway Administration (órgão Americano

na área de Estradas), o LL pode também ser determinado, conhecido “um só ponto”,

por meio da fórmula:

A resistência que o solo oferece ao fechamento do sulco, medida pelo número

de golpes requerido, provém da sua “resistência ao cisalhamento” correspondente à

umidade que apresenta.

O limite de liquidez também pode ser determinado pelo método do cone de

penetração. Este método apresenta algumas vantagens, a saber: o ensaio é fácil de

executar, os resultados não são tão dependentes do julgamento do operador e é

aplicável para uma maior variedade de solos.

Limite de Plasticidade – É definido como o menor teor de umidade com o qual se

consegue moldar um cilindro com 3 mm de diâmetro e cerca de 10 cm e

comprimento, rolando-se o solo com a palma da mão (figura 4.5) sobre uma placa

de vidro fosco. O procedimento é padronizado no Brasil pelo método NBR 7180.

Nota-se que a passagem de um estado para outro ocorre de forma gradual,

com a variação da umidade. A definição dos limites acima descrita é arbitrária

(convencional). Isto não diminui seu valor, pois os resultados são índices

comparativos, e que permitem, de maneira simples e rápida, dar uma idéia bastante

clara do tipo de solo e suas propriedades. A padronização dos ensaios é que é

importante, sendo de fato, praticamente universal e rotineiras nos laboratórios de

Mecânica dos Solos.

LL = n

h

log3,0419,1 −

Onde h é a umidade, em porcentagem, correspondente a n golpes

Figura 4.5 – Procedimento manual para determinação do limite de plasticidade. Em b, está fora das condições requisitadas

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 36

Índice de Plasticidade - Representa a zona em que o solo se acha no estado plástico,

por ser máximo para as argilas e mínimo, ou melhor, nulo para as areias, fornece um

critério para se ajuizar do caráter argiloso de um solo; assim quanto maior o IP, tanto

mais plástico será o solo. É definido pela diferença entre os limites de liquidez e o de

plasticidade:

Quando um material não tem plasticidade (areia, por exemplo), considera-se o

índice de plasticidade nulo e escreve-se IP =NP (não plástico).

Para uma pequena porcentagem de matéria orgânica eleva o valor o LP, sem

elevar simultaneamente o do LL; tais solos apresentam, pois, baixo valor de IP.

Segundo Jenkins, os solos poderão ser classificados em:

Fracamente plásticos: ................... 1 < IP < 7

Mediamente plásticos: ................... 7 < IP < 15

Altamente plásticos: ...................... IP > 15

4.5.3 Propriedades da fração argilosa dos solos

a) Troca catiônica - As investigações sobre as propriedades das frações muito finas

dos solos mostram que a superfície da partícula sólida possui uma carga elétrica

negativa, cuja intensidade depende primordialmente de suas características

mineralógicas; as atividades físicas e químicas decorrentes dessa carga superficial

constituem a chamada atividade da superfície do mineral.

Portanto, os grãos de argila, pelo menos quando dispersos em água, têm uma

carga elétrica negativa. E como as partículas estão presas entre si no solo, e

impedidas de migrar, movimenta-se a água intersticial (na forma polarizada H+ , OH-),

ou seja, as partículas sólidas atraem seus íons positivos H+ , formando uma película

de água adsorvida (Figura 4.6), além de outros cátions adsorvidos como, por

exemplo, dos mais comuns: Na+, K+ e Ca++. A natureza desses cátions determina

muitas propriedades das argilas. As argilas têm a propriedade de trocar os íons

adsorvidos.

Obs.: Nas argilas para tijolos, são indicados os seguintes valores de plasticidade: LL= 42; LP = 21; IP = 21

IP =LL-LP

Figura 4.6 – Partícula de argila

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 37

b) 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 (no popular é uma argila gorda). Dos três grupos mais

comuns de minerais argílicos, as caolinitas são as menos ativas e as montmorilonitas

as mais ativas.

Solos de mesma procedência, com o mesmo mineral-argila, mas com diferentes

teores de argila, apresentarão índices diferentes, tanto maiores quanto maior o teor

de argila, numa razão aproximadamente constante. Quando se quer ter uma idéia

sobre a atividade da fração argila, os índices devem ser comparados com a fração

argila presente. Segundo Skempton, é isto que mostra o índice de atividade de uma

argila, e que pode ser definido pela relação:

A argila presente num solo é considerada normal quando seu índice de

atividade se situa entre 0,75 e 1,25. Quando o índice é menor que 0,75 considera-se

como inativa e, quando o índice é maior que 1,25, ela é considerada ativa.

Este índice pode servir, então, como indicação da maior ou menor influência das

propriedades mineralógicas e químico-coloidal, da fração argila, nas propriedades

geotécnicas de um solo argiloso. É um índice que tem grande valor na

caracterização dos solos para fins de engenharia.

c) Coesão - De uma forma intuitiva, a coesão é aquela resistência que a fração

argilosa empresta ao solo, pela qual ele se torna capaz de se manter coeso, em

forma de torrões ou blocos, ou pode ser cortados em forma diversas e manter essa

forma. De uma forma geral, poder-se-ia definir coesão como a resistência ao

cisalhamento de um solo quando, sobre ele, não atua pressão externa alguma.

Índice de Atividade (IA) = )002,0(%arg mmilafração

IP

<−

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 38

4.5.4 Índice de consistência (IC)

É a medida de consistência de um solo em função do seu teor de umidade

natural.

A consistência das argilas pode ser quantificada por meio de um ensaio de

compressão simples, que consiste na ruptura por compressão de um corpo de prova

de argila, geralmente cilíndrico. A carga que leva o corpo de prova à ruptura,

dividida pela área deste corpo é denominada resistência à compressão simples da

argila (a expressão “simples” expressa que o corpo não é confinado), conforme ilustra

a figura. 4.7.

Em função do índice de consistência e da resistência à compressão simples, a

consistência das argilas é expressa pelos termos apresentados na tabela 4.2.

Consistência Índice de

consistência (IC) Resistência a compressão simples

(Kg/cm2) muito mole IC < 0 R < 0,25

mole 0 a 0,50 0,25 a 0,50 média 0,50 a 0,75 0,50 a 1,00

rija 0,75 a 1,00 1 a 4,00 dura IC > 1,00 R > 4,00

Tabela 4.2– Consistência em função da resistência a compressão simples e do índice de consistência

4.5.5 Emprego dos índices de consistência

Os índices de consistência têm se mostrado muito útil para a identificação dos

solos e sua classificação. Desta forma, com o seu conhecimento, pode-se prever

IC = IP

hLL −

Figura 4.7– Resistência a compressão simples de uma amostra indeformada.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 39

muito do comportamento do solo, sob o ponto de vista da engenharia. Uma primeira

correlação foi apresentada por Terzaghi, resultante da observação de que os solos

são tanto mais compressíveis (sujeito a recalques) quanto maior for o seu LL. Tendo-se

a compressibilidade expressa pelo índice de compressão (Cc), estabeleceu-se a

seguinte correlação:

De maneira análoga, diversas correlações empíricas vêm sendo apresentadas,

muitas vezes com uso restrito para solos de uma determinada região ou de uma certa

formação geológica.

Portanto, a granulometria, o limite de liquidez e o índice de plasticidade são as

“propriedades índices”, capazes de identificar qualquer solo quanto ao seu

comportamento como material de construção. Evidentemente, suas propriedades

tecnológicas irão depender, ainda, do estado em que tais materiais se encontram na

natureza, isto é, em estado mais fofo ou mais compacto, ou mais mole ou mais duro.

Cc – Índice de compressão LL – Limite de liquidez

Cc = 0,009 (LL – 10)

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 40

E X E R C I C I O S – sala deaula

01) Na determinação do LL de um determinado solo, obteve-se os seguintes valores:

Pontos A B C D E N0 de golpes Umidade (%)

49 16

31 20

23 21

19 23

8 31

Pergunta-se: se o IP desse solo é 8,5%, qual o seu LP?

02) Na determinação do LL de um determinado solo obteve-se os seguintes valores:

Pontos A B C D N0 de golpes Umidade (%)

44 29

31 35

23 40

12 49

Pergunta-se: Se o LP = 22 % e h = 31 %, pede-separa classificar o solo quanto à

consistência.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 41

5.0 CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS (classificação geotécnica) 5.1 INTRODUÇÃO

A diversidade e a enorme diferença de comportamento apresentada pelos

diversos solos perante as solicitações de interesse da engenharia levou ao seu natural

agrupamento em conjuntos distintos, aos quais podem ser atribuídas algumas

propriedades. Desta tendência racional de organização da experiência acumulada,

surgiram os sistemas de classificação dos solos.

O objetivo da classificação dos solos, sob o ponto de vista de engenharia, é o

de poder estimar o provável comportamento do solo ou, pelo menos, o de orientar o

programa de investigação necessário para permitir a adequada análise de um

problema.

Existem diversas formas de classificar os solos, como pela sua origem

geológica, pela sua evolução, pela presença ou não de matéria orgânica, pela sua

granulometria.

Os sistemas de classificação que se baseiam nas características dos grãos que

constituem os solos têm como objetivo a definição de grupos que apresentam

comportamentos semelhantes sob os aspectos de interesse da engenharia civil.

Nestes sistemas, os índices empregados são geralmente a composição

granulométrica e os índices de Atterberg. Estudaremos os dois sistemas empregados

universalmente, para depois discutir suas vantagens e suas limitações.

5.2 CLASSIFICAÇÃO UNIFICADA (A. C.)

Este sistema de classificação foi elaborado originalmente pelo Prof.

Casagrande para obras de aeroportos, tendo seu emprego sido generalizado.

Atualmente, é utilizado principalmente pelos geotécnicos que trabalham em

barragens de terra.

Neste sistema, todos os solos são identificados pelo conjunto de duas letras: um

prefixo e um sufixo. O prefixo é uma das subdivisões ligada ao tipo; o sufixo às

características granulomérica e a plasticidade. Ou seja, a primeira letra indica o tipo

principal do solo e a segunda letra corresponde a dados complementares dos solos.

Assim, SW, corresponde a areia bem graduada e CH a argila de alta

compressibilidade.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 42

Uma classificação para fins de engenharia deve levar em conta tanto a

granulometria como a plasticidade dos solos. Os dados mínimos necessários são:

curva granulométrica, limite de liquidez (LL) e índice de plasticidade (IP).

Para a classificação, por este sistema, o primeiro aspecto a considerar é a

porcentagem de finos presentes no solo, considerando-se finos o material que passa

na peneira N0 200 (0,074 mm). Se esta porcentagem menor ou igual a 50%, o solo será

considerado como de granulação grosseira, G ou S. se for superior a 50%, o solo será

considerado de granulação fina, M, C ou O.

Os solos são divididos em três classes:

a) Solos grossos (granulares ) - Quando a maioria absoluta dos grãos é maior do

que 0,074 mm (abertura da peneira N0 200) → PEDREGULHOS e AREIAS

b) Solos finos - São aqueles cujo diâmetro da maioria dos grãos é menor do que

0,074 mm → SILTE E ARGILAS

c) Solos altamente orgânicos - Turfas.

A classe dos materiais grossos foi dividida em dois grupos: pedregulhos e areias

representados pelos prefixo G (gravel) e S (sand) respectivamente. Cada um desses

dois grupos foi dividido em quatro subgrupos, representados pelos seguintes sufixo:

� Pedregulhos ou solos pedregulhosos: GW, GC, GP e GM

� Areias ou solos arenosos: SW, SC, SP e SM

SIGNIFICADO SÍMBOLO

INGLÊS PORTUGUES G Gravel Cascalho (pedregulho) S Sand Areia C Clay Argila W Well graded Bem graduado P Poor graded Mau graduado F Fines Finos (passando na # 200) M Mo Mó ou limo (areia fina) O Orgânic Matéria orgânica L Low liquid limit LL baixo H Higt liquid limit LL alto Pt Peat Turfa

A classe dos materiais finos foi divida em dois grupos: siltes e argilas

representados pelos prefixo M (mo) e C (Clay) ou O (organic) quando se tratar de

siltes e argilas orgânica. Cada um destes grupos são subdivididos em dois subgrupos

representados pelos sufixos: H (High) → solos com alta compressibilidade, LL > 50 ;

L (Low) → solos com baixa compressibilidade, LL ≤ 50.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 43

5.2.1 Solos granulares (pedregulho e areia)

Sendo de granulação grosseira, o solo será classificado como pedregulho ou

areia, dependendo de qual destas duas frações granulométricas predominar. Por

exemplo, se o solo tem 30% de pedregulho, 40% de areia e 30% de finos, ele será

classificado como areia (S). Identificado que um solo é areia ou pedregulho, importa

conhecer sua característica secundária. Se o material tiver poucos finos, menos de

5% passando na peneira N0 200, deve-se verificar como é a sua composição

granulométrica. Os solos granulares podem ser “bem graduados” ou “mal

graduados”. Nestes, há predominância de partícula com um certo diâmetro,

enquanto que naqueles existem grãos ao longo de uma faixa de diâmetros bem

mais extensa.

A expressão “bem graduado” expressa o fato de que a existência de grãos

com diversos diâmetros confere ao solo, em geral, melhor comportamento sob o

ponto de vista de engenharia. As partículas menores ocupam os vazios

correspondentes às maiores, criando um entrosamento, do qual resulta menor

compressibilidade e maior resistência.

Esta característica dos solos granulares é expressa pelo “coeficiente de

uniformidade”, definido pela relação:

Cu – coeficiente de uniformidade

Onde D60 é o diâmetro abaixo do qual se situam 60% em peso das partículas e

analogamente, D10 é o diâmetro que, na curva granulométrica, corresponde à

porcentagem que passa a 10%. O D10 é também referido como “diâmetro

efetivo do solo”, denominação que se origina da boa correlação entre ele e a

permeabilidade dos solos.

Quanto maior o coeficiente de uniformidade, mais bem graduada é a areia.

As areias com CU menores do que 2 são chamadas de areias uniformes.

Outro coeficiente, não tão empregado quanto o CU, é o coeficiente de

curvatura (CC). Definido como:

CC – coeficiente de curvatura.

Cu = 10

60

D

D

CC = ( )

6010

230

.DD

D

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 44

Se o coeficiente de uniformidade indica a amplitude dos tamanhos de grãos,

o coeficiente de curvatura detecta melhor o formato da curva granulométrica e

permite identificar eventuais descontinuidades ou concentração muito elevada de

grãos mais grossos no conjunto. Considera-se que o material é bem graduado

quando o CC esta entre 1 e 3. Quando o CC é menor que 1, a curva tende a ser

descontínua, há falta de grãos com certo diâmetro.

O sistema unificado considera que um pedregulho é bem graduado quando

seu coeficiente de uniformidade é superior a 4, e que uma areia é bem graduada

quando seu CU é superior a 6. Além disto, é necessário que o coeficiente de

curvatura, CC, esteja entre 1 e 3.,Quando o solo de granulação grosseira tem mais

do que 12% de finos, a uniformidade da granulometria já não aparece como

característica secundária, pois importa mais saber das propriedades destes finos.

Então, os pedregulhos ou areias serão identificados secundariamente como argilosos

(GC ou SC) ou como siltosos (GM ou SM). O que determinará esta classificação será o

posicionamento do ponto representativo dos índices de consistência na Carta de

Plasticidade, conforme se verá adiante.

Quando o solo de granulometria grosseira tem de 5 a 12% de finos, o Sistema

recomenda que se apresentem as duas características secundárias, uniformidade da

granulometria e propriedades de finos. Assim, ter-se-ão classificações intermediárias,

como, por exemplo, SP-SC, areia mal graduada, argilosa.

5.2.2 Solos de granulação fina (siltes e argilas)

Quando a fração fina do solo é predominante, ele será classificado como silte

(M), argila (C) ou solo orgânico (O), não em função da porcentagem da frações

granulométricas silte ou argila, pois como foi visto anteriormente, o que determina o

comportamento argiloso do solo na é só o teor de argila, mas também a sua

atividade. São os índices de consistência que melhor indicam o comportamento

argiloso.

Analisando os índices de comportamento de solos, Casagrande notou que

colocando o IP do solo em função do LL num gráfico, como representado na figura

5.1, os solos de comportamento argiloso se faziam representar por um ponto acima

de uma reta inclinada Linha A. Solos orgâncios, ainda que argilosos, e solos siltosos

são representados por ponto localizados abaixo da linha A. A linha “A” tem como

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 45

equação a reta: IP = 0,73 (LL-20). Que, no seu trecho inicial, é substituída por uma

faixa horizontal correspondente a IP de 4 a 7.

Para localização destes solos, basta a localização do ponto correspondente

ao par de valores IP e LL na Carta de Plasticidade (fig. 5.1). Os solos orgânicos se

distinguem dos siltes pelo seu aspecto visual, pois se apresentam com uma coloração

escura típica (marrom escura, cinza escuro ou preto).

Como característica complementar dos solos finos, é indicada sua

compressibilidade. Como já visto, que os solos costumam ser tanto mais compressíveis

quanto maior seu limite de liquidez.

Quando os índices indicam uma posição muito próxima às linhas A ou B (ou

sobre a faixa de IP 4 a 7), é considerada um caso intermediário e as duas

classificações são apresentadas. Exemplos: SC-SM, CL-CH, etc.

Embora a simbologia adotada só considere duas letras, correspondentes às

características principal e secundária do solo, a descrição deverá ser a mais

completa possível. Por exemplo, um solo SW pode ser descrito como areia

(predominatemente) grossa e média, bem graduada, com grãos angulares e cinza.

O sistema considera ainda a classificação de turfa (Pt), que são os solos muito

orgânicos onde a presença de fibras vegetais em decomposição parcial é

predominante.

5.3 CLASSIFICAÇÕES REGIONAIS

No Brasil, o Sistema Rodoviário é bastante empregado pelos engenheiros

rodoviários, e o Sistema Unificado é sempre preferido pelos engenheiros barrageiros.

Já os engenheiros de fundações não empregam diretamente nenhum destes

sistemas. De modo geral, eles seguem uma maneira informal de classificar os solos,

bem regional, que pode ter tido origem nestes sistemas.

A pouca utilização dos sistemas de classificação decorre do fato deles nem

sempre confirmarem a experiência local. Por exemplo, a “argila porosa vermelha”,

que é um solo característico da cidade de São Paulo, seria classificado pelo sistema

Unificado como “silte de alta compressibilidade”, pois seus índices de consistência

indicam um ponto abaixo da linha A. Entretanto, este solo apresenta comportamento

típico de argila, tanto que espontaneamente recebeu a denominação que o

caracteriza.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 46

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 47

E X E R C I C I O S- sala de aula

01) Com base no sistema UNIFICADO de classificação de solos, classifique os seguintes solos:

Número da amostra

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 Diâmetro das

peneiras (mm) % acumulado que passa

4,8mm (#4) 48 58 49 92 99 86 80 58 49 83 0,074mm (#200) 30 34 38 71 56 68 3 10 18 8

L.L. (%) NL 15 14 30 29 52 NL 18 30 20 I.P. (%) NP 5 9 13 8 30 NP 12 25 10

D10 (micro) 52 40 46 32 28 22 280 74 54 99 D30 (micro) 90 68 60 132 97 39 900 150 200 199 D60 (mm) 7 8 6 2 2 3 6 3 6 3

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 48

COMPACTAÇÃO DOS SOLOS

6. INTRODUÇÃO

Muitas vezes na prática da engenharia geotécnica, o solo de um determinado

local não apresenta as condições requeridas pela obra. Ele pode ser pouco

resistente, muito compressível ou apresentar características que deixam a desejar do

ponto de vista econômico. Uma das possibilidades é tentar melhorar as propriedades

de engenharia do solo local.

A compactação é um método de estabilização e melhoria do solo através de

processo manual ou mecânico, visando reduzir o volume de vazios do solo. A

compactação tem em vista estes dois aspectos: aumentar a intimidade de contato

entre os grãos e tornar o aterro mais homogêneo melhorando as suas características

de resistência, deformabilidade e permeabilidade.

A compactação de um solo é a sua densificação por meio de equipamento

mecânico, geralmente um rolo compactador, embora, em alguns casos, como em

pequenas valetas até soquetes manuais podem ser empregados. Um solo, quando

transportado e depositado para a construção de um aterro, fica num estado

relativamente fofo e heterogêneo e, portanto, além de pouco resistente e muito

deformável, apresenta comportamento diferente de local para local.

A compactação é empregada em diversas obras de engenharia, como: aterros

para diversas utilidades, camadas constitutivas dos pavimentos, construção de

barragens de terra, preenchimento com terra do espaço atrás de muros de arrimo e

reenchimento das inúmeras valetas que se abrem diariamente nas ruas das cidades.

Os tipos de obra e de solo disponíveis vão ditar o processo de compactação a ser

empregado, a umidade em que o solo deve se encontrar na ocasião e a densidade

a ser atingida.

O início da técnica de compactação é atribuída ao engenheiro Ralph Proctor,

que, em 1933, publicou suas observações sobre a compactação de aterros,

mostrando ser a compactação função de quatro variáveis: a) Peso específico seco;

b) Umidade; c) Energia de compactação e d) Tipo de solo. A compactação dos solos

tem uma grande importância para as obras geotécnicas, já que através do processo

de compactação consegue-se promover no solo um aumento de sua resistência e

uma diminuição de sua compressibilidade e permeabilidade.

A tabela abaixo apresenta os vários meios empregados para estabilizar um solo:

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 49

MÉTODOS TIPOS Pré-consolidação (solos finos argilosos)

FÍSICOS Mistura (solo + solo)

Sal Cal

Cimento Asfalto

QUÍMICOS

Etc. MECÂNICOS Compactação

Tabela 6.1: Alguns métodos de estabilização de solos

Aplicando-se certa energia de compactação (um certo número de passadas

de um determinado equipamento no campo ou um certo número de golpes de um

soquete sobre o solo contido num molde), a massa específica resultante é função da

umidade em que o solo estiver. Quando se compacta com umidade baixa, o atrito

as partículas é muito alto e não se consegue uma significativa redução de vazios.

Para umidades mais elevadas, a água provoca um efeito de lubrificação entre as

partículas, que deslizam entre si, acomodando-se num arranjo mais compacto.

Na compactação, as quantidades de partículas e de água permanecem

constantes; o aumento da massa específica corresponde à eliminação de ar dos

vazios. Há, portanto, para a energia aplicada, um certo teor de umidade,

denominado umidade ótima, que conduz a uma massa específica máxima, ou uma

densidade máxima.

6.1 DIFERENÇAS ENTRE COMPACTAÇÃO E ADENSAMENTO

Pelo processo de compactação, a diminuição dos vazios do solo se dá por

expulsão do ar contido nos seus vazios, de forma diferente do processo de

adensamento, onde ocorre a expulsão de água dos interstícios do solo. As cargas

aplicadas quando compactamos o solo são geralmente de natureza dinâmica e o

efeito conseguido é imediato, enquanto que o processo de adensamento é deferido

no tempo (pode levar muitos anos para que ocorra por completo, a depender do

tipo de solo) e as cargas são normalmente estáticas.

6.2 ENSAIO NORMAL DE COMPACTAÇÃO

O ensaio de Proctor foi padronizado no Brasil pela ABNT (NBR 7.182/86). Em

última revisão, esta norma apresenta diversas alternativas para a realização do

ensaio. Descreveremos inicialmente, nos seus aspectos principais, aquela que

corresponde ao ensaio original e que ainda é a mais empregada.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 50

A amostra deve ser previamente seca ao ar e destorroada. Inicia-se o ensaio,

acrescentando-se água até que o solo fique com cerca de 5% de umidade abaixo

da umidade ótima. Não é tão difícil perceber isto, como poderia parecer à primeira

vista. Ao se manusear um solo, percebe-se uma umidade relativa que depende dos

limites de liquidez e de plasticidade.

Uma porção do solo é colocada num cilindro padrão (10 cm de diâmetro,

altura de 12,73 cm, volume de 1.000 cm3) e submetida a 26 golpes de um soquete

com massa de 2,5 Kg e caindo de 30,5 cm, ver Figura 01. Anteriormente, o número

de golpes era de 25; a alteração da norma para 26 foi feita para ajustar a energia de

compactação ao valor de outras normas internacionais. Levando em conta que as

dimensões do cilindro padronizado no Brasil são um pouco diferente das demais. A

porção do solo compactado deve ocupar cerca de um terço da altura do cilindro.

O processo é repetido mais duas vezes, atingindo-se uma altura um pouco superior à

do cilindro, o que é possibilitado por um anel complementar. Acerta-se o volume

raspando o excesso.

Determina-se a massa específica do corpo de prova obtido. Com uma amostra

de seu interior, determina-se a umidade, Com estes dois valores, calcula-se a

densidade seca. A amostra é destorroada, a umidade aumentada (cerca de 2%),

nova compactação é feita, e novo par de valores umidade-densidade seca é

obtido. A operação é repetida até que se perceba que a densidade, depois de ter

subido, já tem caído em duas ou três operações sucessivas. Note-se que, quando a

densidade úmida se mantém constante em duas tentativas sucessivas, a densidade

seca já caiu. Se o ensaio começou, de fato, com umidade 5% abaixo da ótima, e os

acréscimos forem de 2% a cada tentativa, com 5 determinações o ensaio estará

concluído (geralmente não são necessárias mais do que 6 determinações).

Figura 6.1: Equipamento de Compactação

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 51

6.3 CURVA DE COMPACTAÇÃO

Com os dados obtidos, desenha-se a curva de compactação, que consiste na

representação da densidade seca em função da umidade, como se mostra na

Figura 6.2, geralmente, associa-se uma reta aos pontos ascendentes do ramo seco,

outra aos pontos descendentes do ramo úmido e unem-se as duas por uma curva

parabólica. Como se justificou anteriormente, a curva define uma densidade seca

máxima, à qual corresponde uma umidade ótima.

No próprio gráfico do ensaio pode-se traçar a curva de saturação que

corresponde ao lugar geométrico dos valores de umidade e densidade seca,

estando o solo saturado. Da mesma forma, pode-se traçar curvas correspondentes a

igual grau de saturação. A curva de compactação é definida pela equação:

hS

S

ga

ags γγ

γγγ

+=

Para solo saturado, S = 1, tem-se:

hga

ags γγ

γγγ

+=

O ramo da curva de compactação anterior ao valor de umidade ótima é

denominado de “ramo seco” e o trecho posterior de “ramo úmido” da curva de

compactação. No ramo seco, a umidade é baixa, a água contida nos vazios do solo

está sob o efeito capilar e exerce uma função aglutinadora entre as partículas. À

medida que se adiciona água ao solo ocorre a destruição dos benefícios da

capilaridade, tornando-se mais fácil o rearranjo estrutural das partículas. No ramo

úmido, a umidade é elevada e a água se encontra livre na estrutura do solo,

absorvendo grande parte da energia de compactação.

OBS.: Os pontos de umidades ótimas das curvas de compactação se situam em torno de 80 a 90 % de saturação

Figura 6.2: Curva de Compactação

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 52

6.4 VALORES TÍPICOS

De maneira geral, os solo argilosos apresentam densidades secas baixas e

umidade ótimas elevadas. Solos siltosos apresentam também valores baixos de

densidade, freqüentemente com curvas de laboratório bem abatidas. As areias com

pedregulhos, bem graduados e pouco argilosos, apresentam densidades secas

máximas elevadas e umidades ótimas baixas.

6.5 METODOS ALTERNATIVOS DE COMPACTAÇÃO

A norma Brasileira de ensaio de compactação prevê as seguintes alternativas

de ensaio:

a) Ensaio sem reuso do material: é utilizada uma amostra virgem para cada ponto da

curva;

b) Ensaio sem secagem previa do material: dificulta a homogeneização da umidade.

Para alguns solos a influência da pré-secagem é considerável;

c) Ensaio em solo com pedregulho: quando o solo tiver pedregulho a norma NBR

7.182/86 indica que a compactação seja feita num cilindro maior, com 15,24 cm de

diâmetro e 11,43 cm de altura, volume de 2.085 cm3. Neste caso o solo é

compactado em cinco camadas, aplicando-se 12 golpes por camada, com um

soquete mais pesado e com maior altura de queda do que o anterior (massa de

4,536 kg e altura de queda de 47,5 cm).

6.6 ENERGIA DE COMPACTAÇÃO (EC)

A densidade seca máxima e a umidade ótima determinada no ensaio descrito

como Ensaio Normal de Compactação ou Ensaio Proctor Normal não são índices

físicos do solo. Estes valores dependem da energia aplicada na compactação.

Chama-se energia de compactação ou esforço de compactação ao trabalho

executado, referido a unidade de volume de solo após compactação. A energia de

compactação é dada pela seguinte fórmula:

V

NcNgHMEC

...= ; sendo:

M – massa do soquete; H – altura de queda do soquete; Ng – número de golpes por camada; Nc – número de camadas; V – volume de solo compactado.

Valores de Energia de Compactação Usuais:

Proctor Normal ± 6,0 Kg/cm2

Proctor Intermédiário ± 13,0 Kg/cm2

Proctor Modificado ± 25,0 Kg/cm2

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 53

A escolha de energia de compactação para ser usado numa compactação

para um mesmo solo depende da importância técnica da obra. Aumentando-se a

energia de compactação para um mesmo solo, obtém-se uma diminuição da hót e

um maior γs,max.

6.7 INFLUÊNCIA DA ENERGIA DE COMPACTAÇÃO

A medida que se aumenta a energia de compactação, há uma redução do

teor de umidade ótimo e uma elevação do valor do peso específico seco máximo. O

gráfico da figura 6.3 mostra a influência da energia de compactação no teor de

umidade ótimo hótimo e no peso específico seco máximo γs,máx.

Tendo em vista o surgimento de novos equipamentos de campo, de grande

porte, com possibilidade de elevar a energia de compactação e capazes de

implementar uma maior velocidade na construção de aterros, houve a necessidade

de se criar em laboratório ensaios com maiores energias que a do Proctor Normal. As

energias de compactação usuais são: de 6kgf/cm3 para o Proctor Normal, 12,6

kgf/cm3 para o Proctor Intermediário e 25 kgf/cm3 para o Proctor Modificado.

Figura 6.3: Influência da energia de compactação γγγγs,máx e hótimo

a) Ensaio Proctor Normal

O ensaio Proctor Normal utiliza o cilindro de 10 cm de diâmetro, altura de 12,73

cm e volume de 1.000 cm3 é submetida a 26 golpes de um soquete com massa de

2,5 Kg e caindo de 30,5 cm. Corresponde ao efeito de compactação com os

equipamentos convencionais de campo.

b) Ensaio Modificado

O ensaio Modificado utiliza o cilindro de 15,24 cm de diâmetro, 11,43 cm de

altura, 2.085 cm3 de volume, peso do soquete de 4,536 kg e altura de queda de 45,7

h1 h2 h3 h

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 54

cm aplicando-se 55 golpes por camada. É utilizado nas camadas mais importantes

do pavimento, para os quais a melhoria das propriedades do solo, justifica o

emprego de uma maior energia de compactação.

c) Ensaio Intermediário

O ensaio denominado Intermediário difere do modificado só pelo número de

golpes por camada que corresponde a 26 golpes por camada, sendo aplicado nas

camadas intermediárias do pavimento.

6.8 CURVA DE RESISTÊNCIA

A compactação do solo deve proporcionar a este, para a energia de

compactação adotada, a maior resistência estável possível. O gráfico da figura 04

apresenta a variação da resistência do solo, obtida por meio de um ensaio de

penetração realizado com uma agulha Proctor, em função de sua umidade de

compactação. Conforme se pode observar, quanto maior a umidade menor a

resistência do solo.

Os solos não devem ser compactados abaixo da umidade ótima, por que ela

corresponde a umidade que fornece instabilidade ao solo. Não basta que o solo

adquira boas propriedades de resistência e deformação, elas devem permanecer

estável durante todo o tempo de vida útil da obra.

Conforme se pode notar do gráfico, caso o solo fosse compactado com

umidade inferior a ótima ele iria apresentar resistência superior àquela obtida quando

da compactação no teor de umidade ótimo, contudo este solo poderia vir a saturar

em campo (em virtude do período de fortes chuvas) vindo alcançar uma umidade

correspondente a curva de saturação do solo, para o qual o solo apresenta valor de

resistência praticamente nulo. No caso do solo ser compactado na umidade ótima, o

valor de sua resistência cairia um pouco, estando o mesmo ainda a apresentar

características de resistência razoáveis.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 55

Figura 6.4: Curva de Resistência, compactação e índice de vazios

6.9 COMPACTAÇÃO NO CAMPO (Obra)

Na construção de obra de terra (barragens de terra, aterros rodoviários, etc.)

deve-se levar em consideração a seguinte metodologia:

Estudar as possíveis zonas de solos de empréstimos, locais onde se pode obter

solos de empréstimo em quantidade e qualidade adequadas, disponíveis nas

proximidades do local da obra a executar. Portanto, a escolha da área de

empréstimo, é um problema técnico-econômico.

Escolher os solos mais indicados, devendo ser executas ensaios de

compactação em laboratório.

Devem ser executados aterros experimentais que permitam a escolha do

equipamento de compactação mais adequado.

Após espalhar o solo em camadas uniforme de 20 a 30 cm de espessura, a

compactação é feita empregando-se os rolos compressores, pilões e vibradores,

além de carros pipas para fazer a irrigação, grades para escarificar e hogeneizar o

solo, patrol para espalhar e uniformizar as camadas.

6.9.1 Controle da compactação

No controle de compactação no campo, é regra geral tomar-se um ensaio de

laboratório como referência e verificar o que é obtido no campo, com equipamento,

comparando estes resultados com os de laboratório, para comprovar se os mesmos

atingiram a densidade e a umidade ótima dentro de certas especificações.

h

h

h

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 56

Controla-se a execução do serviço; controlando o equipamento, o número de

passadas no rolo, a espessura da camada,o,teor de umidade e outras condições;

Controla-se certos parâmetros do solo após compactado, como grau de

compactação, índice de campacidade, percentagens de vazios, etc. o ideal no

entanto, é que seja feita uma combinação dos dois tipos de controle citados.

Portanto, em resumo, para que se possa efetuar um bom controle de

compactação do solo em campo, temos nos seguintes aspectos: Tipo de solo,

espessura da camada, entrosamento entre as camadas, número de passadas, tipo

de equipamento, umidade do solo e grau de compactação.

Assim alguns cuidados devem ser tomados:

A espessura da camada lançada não deve exceder a 30 cm, sendo que a

espessura da camada compactada deverá ser menor que 20 cm.

Deve-se realizar a manutenção da umidade do solo o mais próximo possível da

umidade ótima.

Deve-se garantir a homogeneização do solo a ser lançado, tanto no que se

refere à umidade quanto ao material.

Na prática, o procedimento usual de controle de compactação é o seguinte:

Coletam-se amostras de solo da área de empréstimo e efetua-se em laboratório

o ensaio de compactação. Obtêm-se a curva de compactação e daí os valores

de peso específico seco máximo e o teor de umidade ótimo do solo.

No campo, à proporção em que o aterro for sendo executado, deve-se verificar,

para cada camada compactada, qual o teor de umidade empregado e

compará-lo com a umidade ótima determinada em laboratório. Este valor deve

atender a seguinte especificação: hcampo – 2%<<<< hótima <<<< hcampo + 2%.

Determina-se também o peso específico seco do solo no campo, comparando-o

com o obtido no laboratório. Define-se então o grau de compactação do solo,

dado pela razão entre os pesos específicos secos de campo e de laboratório

(GC = γγγγs campo/ γγγγs,máx) x100. Devem-se obter sempre valores de grau de

compactação superiores a 95%.

Caso estas especificações não sejam atendidas, o solo terá de ser revolvido, e

uma nova compactação deverá ser efetuada.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 57

Métodos Empregados para Controle da Densidade no Campo (IN Situ):

Para comprovar se a compactação está sendo feita devidamente, deve-se

determinar sistematicamente a umidade e o peso específico aparente do material.

Para este controle pode ser utilizado o “speedy” na determinação da

umidade, e o processo do “fraco de areia” na determinação do peso específico.

Chama-se porcentagem ou grau de compactação ao quociente do peso

específico aparente seco obtido no campo, pelo peso específico seco máximo

obtido no laboratório.

GC =( )

( ) 100max,

xolaboratóri

campo

s

S

γγ

Portanto o GC é um parâmetro que serve para verificar se a compactação de

campo está atendendo as exigências do projeto.

Para cada camada de solo compactado calcula-se o GC com o maior no

possível de ensaios ou de acordo coma especificação da obra, adotando de

preferência resultados de método estatístico. Não sendo atingida a compactação

desejada, a qual não deverá ser inferior a determinado valor do grau de

compactação, nunca inferior a 95% (ou valor especificado na obra), o material será

revolvido (homogeneizado) e recompactado. Portando, GC =100±5 %.

6.9.2 Aterros experimentais

É um método utilizado por empreiteiros quando se executa obras de grande

vulto, cujo objetivo principal, é saber quantas vezes (n0 de passadas) deve passar o

rolo compressor especificado.

Consiste na execução de aterros experimentais prévios à obra, obedecendo a

seguinte seqüência:

a) Prepara-se no local da obra uma área experimental aplainada e

compactada;

b) Sobre esta área serão lançadas as camadas de aterro experimental (máximo

de 25 cm de espessura-fofa), em faixas com o dobro da largura do rolo

compressor, para que ele possa ir de um lado e retornar pelo outro. O

comprimento em extensão deste trecho é de ± 50m.

c) Cada camada é compactada na umidade ótima, e determina-se o peso

específico aparente ao fim de 2, 4, 8, 16 e 32 passadas.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 58

d) Com os resultados obtidos, traça-s um gráfico no qual, escolhemos o número

de passadas para atingir o γs,max do laboratório.

6.9.3 Equipamentos de campo (compactação de campo)

Os princípios que estabelecem a compactação dos solos no campo são

essencialmente os mesmos discutidos anteriormente para os ensaios em laboratórios.

Assim, os valores de peso específico seco máximo obtidos são fundamentalmente

função do tipo do solo, da quantidade de água utilizada e da energia específica

aplicada pelo equipamento que será utilizado, a qual depende do tipo e peso do

equipamento e do número de passadas sucessivas aplicadas.

A energia de compactação no campo pode ser aplicada, como em

laboratório, de três maneiras diferentes: por meios de esforços de pressão, impacto,

vibração ou por uma combinação destes. Os processos de compactação de campo

geralmente combinam a vibração com a pressão, já que a vibração utilizada

isoladamente se mostra pouco eficiente, sendo a pressão necessária para diminuir,

com maior eficácia, o volume de vazios interpartículas do solo.

Os equipamentos de compactação são divididos em três categorias: os

soquetes mecânicos; os rolos estáticos e os rolos vibratórios.

a) Soquetes

São compactadores de impacto utilizados em locais de difícil acesso para os rolos

compressores, como em valas, trincheiras, etc. Possuem peso mínimo de 15 Kgf,

podendo ser manuais ou mecânicos (sapos). A camada compactada deve ter 10 a

15 cm para o caso dos solos finos e em torno de 15 cm para o caso dos solos grossos.

b) Rolos Estáticos

Os rolos estáticos compreendem os rolos pé-de-carneiro, os rolos lisos de roda de

aço e os rolos pneumáticos.

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 59

Pé-de-Carneiro

Os rolos pé-de-carneiro são constituídos por cilindros metálicos com

protuberâncias (patas) solidarizadas, em forma tronco-cônica e com altura de

aproximadamente de 20 cm. Podem ser alto propulsivos ou arrastados por trator. É

indicado na compactação de outros tipos de solo que não a areia e promove um

grande entrosamento entre as camadas compactadas.

A camada compactada possui geralmente 15 cm, com número de passadas

variando entre 4 e 6 para solos finos e de 6 e 8 para solos grossos. A Figura 05 ilustra

um rolo compactador do tipo pé-de-carneiro.

As características que afetam a performance dos rolos pé-de-carneiro são a

pressão de contato, a área de contato de cada pé, o número de passadas por

cobertura e estes elementos dependem do peso total do rolo, o número de pés em

contato com o solo e do número de pés por tambor.

Rolo Liso

Trata-se de um cilindro oco de aço, podendo ser preenchido por areia úmida

ou água, a fim de que seja aumentada a pressão aplicada. São usados em bases de

estradas, em capeamentos e são indicados para solos arenosos, pedregulhos e

pedra britada, lançados em espessuras inferiores a 15 cm.

Este tipo de rolo compacta bem camadas finas de 5 a 15cm com 4 a 5

passadas. Os rolos lisos possuem pesos de 1 a 20 t e freqüentemente são utilizados

para o acabamento superficial das camadas compactadas. Para a compactação

de solos

finos utilizam-se rolos com três rodas com pesos em torno de 7t para materiais de

baixa plasticidade e 10t, para materiais de alta plasticidade. A Figura 6.6 ilustra um

rolo compactador do tipo liso.

Os rolos lisos possuem certas desvantagens como, pequena área de contato e

em solos mole afunda demasiadamente dificultando a tração.

Figura 6.5: Rolo Pé-de-Carneiro

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 60

Rolo Pneumático

Os rolos pneumáticos são eficientes na compactação de capas asfálticas,

bases e sub-bases de estradas e indicados para solos de granulação fina e arenosa.

Os rolos pneumáticos podem ser utilizados em camadas de até 40 cm e possuem

área de contato variável, função da pressão nos pneus e do peso do equipamento.

Pode-se usar rolos com cargas elevadas obtendo-se bons resultados. Neste

caso, muito cuidado deve ser tomado no sentido de se evitar a ruptura do solo. A

Figura 6.7 ilustra um rolo pneumático

c) Rolos Vibratórios

Nos rolos vibratórios, a freqüência da vibração influi de maneira extraordinária no

processo de compactação do solo. São utilizados eficientemente na compactação

de solos granulares (areias), onde os rolos pneumáticos ou pé-de-carneiro não atuam

com eficiência. Este tipo de rolo quando não são usados corretamente produzem

super compactação. A espessura máxima da camada é de 15cm. O rolo vibratório

pode ser visto na figura 6.8.

Figura 6.7: Rolo Pneumático

Figura 6.8: Rolo Vibratório

Figura 6.6: Rolo Liso

Mecânica dos Solos – João Carlos Página 61

6.9.4 ESCOLHA DOS EQUIPAMENTOS DE COMPACTAÇÃO

a) Solos Coesivos

Nos solos coesivos há uma parcela preponderante de partículas finas e muito

finas (silte e argila), nas quais as forças de coesão desempenham papel muito

importante, sendo indicado a utilização de rolos pé-de-carneiro e os rolos

conjugados.

b) Solos Granulares

Nos solos granulares há pouca ou nenhuma coesão entre os grãos existindo,

entretanto atrito interno entre os grãos existindo, entretanto atrito interno entre eles,

sendo indicado a utilização rolo liso vibratório.

c) Mistura de Solos

Nos solos misturados encontra-se materiais coesivos e granulares em porções

diversas, não apresenta característica típica nem de solo coesivo nem de solo

granular, sendo indicado a utilização de pé-de-carneiro vibratório.

d) Mistura de argila, silte e areia

Rolo pneumático com rodas oscilantes.

e) Qualquer tipo de solo

Rolo pneumático pesado, com pneus de grande diâmetro e largura.

f) Resumo com características de rolos

TIPO DE ROLO PESO

MÁXIMO (t)

ESP. MÁXIMA APÓS A COMPACTAÇÃO (cm)

UNIFORMIDADE DA CAMADA

TIPO DE SOLO

Pé de carneiro (estático)

20 40 Boa Argilas e siltes

Pé de carneiro (vibratório)

30 40 Boa Misturas de areia com silte e argila

Pneumático (leve)

15 15 Boa Misturas de areia com silte e argila

Pneumático (pesado)

35 35 Muita Boa Praticamente todos

Vibratório (rodas metálicas

lisas) 30 50 Muita Boa

Areias, cascalhos, material granular

Liso métálico (estático)

20 10 Regular Materiais granulares,

brita Rolo de grade

ou malha 20 20 Boa

Materiais granulares ou em blocos

Combinados

20 20 Boa Praticamente tosos

Tabela 6.1: Características do Rolo Compactador