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Caracterização e Estado dos solos

Disciplina: Mecânica dos Solos e Fundações

Prof. Caio Rubens

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Caracterização dos solos2) Índices de Consistência (Limites de Atterberg)

Somente a distribuição granulométrica não caracterizabem o comportamento dos solos sob o ponto de vista daengenharia. A fração fina dos solos tem uma importânciamuito grande neste comportamento. Quanto menores aspartículas, maior a superfície específica (superfície daspartículas dividida por seu peso ou por seu volume). Umcubo com 1 cm de aresta tem 6 cm² de área e volume de1 cm³. Um conjunto de cubos com 0,05mm de aresta(siltes) apresentam 125cm² por cm³ de volume. Certostipos de argilas chegam a apresentar 300m² de área porcm³.

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Caracterização dos solos

Solos com maiores superfícies específicasrequerem maior quantidade de água para atingirema saturação.

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Caracterização dos solosO comportamento de partículas com superfíciesespecíficas tão distintas perante a água é muitodiferenciado. Desta forma, para a mesma porcentagemde fração argila, o solo pode ter comportamento muitodiferente dependendo das características dos mineraispresentes.

Todos esses fatores interferem no comportamento dosolo, mas o estudo dos argilo-minerais é muitocomplexo. À procura de uma forma mais prática paraidentificar a influência das partículas argilosas, aengenharia a substituiu por uma análise indireta,baseada no comportamento do solo na presença deágua.

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Caracterização dos solosGeneralizou-se, então, o emprego de ensaios e índicespropostos pelo engenheiro químico Atterberg,pesquisador do comportamento dos solos sob o aspectoagronômico, adaptados e padronizados pelo professorde Mecânica dos Solos Arthur Casagrande.

Os limites se baseiam na constatação de que um soloargiloso ocorre com aspectos bem distintos conforme asua umidade. Quando muito úmido ele se comportacomo um líquido; quando perde parte da água ficaplástico; e quando mais seco, torna-se sólido(quebradiço).

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Caracterização dos solosOs teores de umidade correspondentes às mudanças deestado, são definidos como: Limite de Liquidez (LL) eLimite de Plasticidade (LP) dos solos. A diferença entreesses dois limites é o Índice de Plasticidade (IP) do solo.

Estado Limites

líquido LL = Limite de Liquidez

plástico IP = Índice de Plasticidade

LP = Limite de Plasticidadesólido (quebradiço)

UMIDADE

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Caracterização dos solos

Normalmente são apresentados como índices deconsistência dos solos apenas o LL e o IP, o LP sóé empregado para a determinação do IP. Cabeobservar que os ensaios para determinação doslimites de plasticidade são executados na fração desolo que passa na peneira de malha com abertura0,42 mm (frações silte e argila).

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Caracterização dos solosDeterminação do Limite de Liquidez: é definido como oteor de umidade do solo com o qual uma ranhura nele feitarequer 25 golpes para se fechar numa concha do aparelhode Casagrande. Diversas tentativas são feitas, com solosem diferentes umidades, anotando o número de golpes parase fechar a ranhura, obtendo-se o LL pela interpolação deresultados. O procedimento de ensaio é padronizado noBrasil pela ABNT método NBR 6459.

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Caracterização dos solos

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Caracterização dos solos

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Caracterização dos solos

y = -9,6073Ln(x) + 73,011

35,0

37,0

39,0

41,0

43,0

45,0

47,0

49,0

1 10 100

N.° de golpes

Teor de umidade (%)

LL = 42,08%

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Caracterização dos solosO Limite de Plasticidade é definido como o menor teorde umidade com o qual se consegue moldar um cilindrocom 3 mm de diâmetro rolando-se o solo com a palmada mão sobre uma placa de vidro esmerilhada. Oprocedimento é padronizado no Brasil pela ABNT pelométodo NBR 7180. O valor do limite de plasticidade é aumidade média obtida de três determinações.

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Caracterização dos solos

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Caracterização dos solos

Limite de Plasticidade Cápsula N.° 59 13 18Ph+T (g) 54,77 42,11 59,38Ps+T (g) 54,40 41,47 58,70Pa (g) 0,37 0,64 0,68T (g) 53,105 39,709 56,750Ps (g) 1,30 1,76 1,95w (%) 28,57 36,34 34,87LP (%) 33,26

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Caracterização dos solosConforme mencionado anteriormente, o Índice dePlasticidade (IP) é a diferença entre o Limite de Liquidez(LL) e o Limite de Plasticidade (LP). Assim o IP pode sercalculado pela seguinte expressão:

IP = LL - LP

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Caracterização dos solos3) Atividade das argilas

Os índices de Atterberg indicam a influência dosfinos argilosos no comportamento do solo. Certossolos com teores elevados de argila podem apresentaríndices mais baixos do que aqueles com pequenosteores de argila. Isto pode ocorrer porque a composiçãomineralógica dos argilo-minerais é bastante variável.

Pequenos teores de argila e altos índices deconsistência indicam que a argila é muito ativa.Quando se quer ter uma idéia sobre a atividade dafração argila, os índices devem ser comparados com afração argila presente no solo.

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Caracterização dos solos

Onde:IA – índice de atividade da argilaIP – índice de plasticidade do solo

IA = IPfração argila (<0,002mm)

Se 0,75 ≤ IA ≤ 1,25 – ARGILA NORMAL

Se IA < 0,75 – ARGILA INATIVA

Se IA > 1,25 – ARGILA ATIVA

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Caracterização dos solos4) Emprego dos índices de consistência

Com o conhecimento dos índices de consistência pode-se prever muito do comportamento dos solos, sob oponto de vista da engenharia. Uma primeira correlaçãofoi apresentada por Therzaghi, resultante da observaçãode que os solos são tanto mais compressíveis(sujeitos a recalque) quanto maior for o seu LL.Sendo a compressibilidade expressa pelo índice decompressão (Cc), estabeleceu-se a seguinte correlação:

Cc = 0,009 x (LLCc = 0,009 x (LL--10)10)

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Estado do solo

sólidos

sólidos

ar e água

1) Índices físicos entre as três fases

O solo é um sistema trifásico, composto das seguintesfases: sólida, líquida e gasosa.

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Estado do soloO comportamento de um solo depende da quantidaderelativa de cada uma das três fases. Diversas relaçõessão empregadas para expressar a proporção entre elas.

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Estado do soloAs quantidades de água e de ar podem variar. Aevaporação pode fazer diminuir a quantidade de água,substituindo-a por ar, e a compressão do solo podeprovocar a saída de água e ar, reduzindo o volume devazios. O solo, no que se refere às partículas que oconstituem, permanece o mesmo, mas seu estado sealtera. As diversas propriedades do solo dependem doestado em que se encontra. Quando diminui o volumede vazios, por exemplo, a resistência aumenta.

Para identificar o estado do solo, empregam-se índicesque correlacionam os pesos e os volumes das três fasesdo solo.

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Estado do soloUmidade (w): Relação entre massa (ou peso) de água emassa (ou peso) de sólidos. Para sua determinação édeterminada a massa do solo em seu estado natural(úmido), em seguida o solo é seco em estufa até aconstância de peso e, após isso, determina-se a massado solo seco. Com a massa das duas fases (líquida esólida) a umidade é calculada. Os teores de umidadedependem do tipo de solo, geralmente situam-se entre10% e 40%, podendo ocorrer em valores muito baixos(solos secos) ou muito altos (150% ou superior).

100×=Ms

Maw

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Estado do soloÍndice de vazios (e): Relação entre o volume de vazios eo volume de partículas sólidas. Não pode serdeterminado diretamente, mas é calculado a partir dosoutros índices. Seus valores normalmente situam-seentre 0,5 e 1,5; mas argilas orgânicas podem ocorrercom índices de vazios superiores a 3 (volume vazios, nocaso com água, superiores a 3 vezes o volume departículas sólidas).

Vs

Vve =

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Estado do soloPorosidade (n): Relação entre o volume de vazios e ovolume total. Apresenta valores geralmente entre 30 e70%.

V

Vvn =

Grau de saturação (S): Relação entre o volume de águae o volume de vazios. Não é determinado diretamente,mas sim calculado pelos outros índices. Varia de zero(solo seco) a 100% (solo saturado).

Vv

VwS =

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Densidade (massa específica) dos grãos ou dos sólidos (ρs): Éuma característica dos sólidos. Expressa a relação entre amassa das partículas sólidas e o seu volume.

Vs

Mss =ρρρρ

É determinado em laboratório para cada solo. Coloca-se umamassa seca conhecida do solo num picnômetro e, completando-se com água, determina-se a massa total. A massa dopicnômetro completado só com água, mais a massa do solo,menos a massa do picnômetro com solo e água, é o peso daágua que foi substituída pelo solo e que é o volume do solo. Coma massa e o volume dos sólidos e a densidade da água àtemperatura de ensaio, tem-se a densidade dos grãos.

Estado do solo

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Estado do solo

ρρρρs = [A/(A+B-C)]* ρρρρw

ρs – densidade dos grãos do solo, g/cm3

A – massa do solo seco, gB – massa do picnômetro cheio de água na temperatura de ensaio, gC – massa do picnômetro+solo+água na temperatura de ensaio, gρW – massa específica da água na temperatura de ensaio, g/cm3

A

B C

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Peso específico dos sólidos (γs): Expressa a relaçãoentre o peso das partículas sólidas e o seu volume.Representa o mesmo que a densidade dos sólidos (ρd),porém considerando-se o peso das partículas e não amassa como no caso da densidade dos sólidos.

Vs

Pss =γγγγ

Peso específico da água (γw): Embora varie com atemperatura pode-se adotar como igual a 10 kN/m3,exceto em certos procedimentos de laboratório quandodeve ser considerada a temperatura de ensaio para adeterminação de seu valor.

Estado do solo

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Densidade (massa específica) da água (ρw): Da mesmaforma que o peso específico, a massa específica daágua varia de acordo com a temperatura, mas pode-seadotar o valor de 1,0 g/cm3.

Densidade (massa específica) natural do solo (ρn): É arelação entre a massa total e o volume total do solo.Pode simplesmente ser chamado como densidade dosolo. Esse índice pode ser determinado em laboratóriopor meio da moldagem de um corpo-de-prova cilíndrico,cujas dimensões permitam calcular o volume destecorpo-de-prova. A massa total dividida pelo volume é adensidade natural do solo.

Estado do solo

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Também pode ser determinada a partir de corpos-de-prova irregulares, obtendo-se o volume por meio dopeso imerso em água. Para isso o corpo-de-prova deveser previamente envolto em parafina.

Vt

Mtn =ρρρρ

Peso específico natural do solo (γn): É a relação entre opeso total e o volume total do solo. O peso específiconão varia muito entre os diferentes solos. Situa-se emtorno de 19 a 20 kN/m3 e, por esse motivo, quando nãoé conhecido pode ser estimado como igual a 20 kN/m3.

Estado do solo

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Vt

Ptn =γγγγ

Peso específico aparente seco (γd): É a relação entre opeso dos sólidos e o volume total. Corresponde ao pesoespecífico que o solo teria se viesse a ficar seco, se istopudesse ocorrer sem que houvesse variação de volume.Não é determinado em laboratório, deve ser calculado apartir do peso específico natural e da umidade.

Em alguns casos especiais, como o das argilasorgânicas moles, o peso específico pode chegar a14 kN/m3.

Estado do solo

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Estado do solo

w

nd

+=1

γγγγγγγγ

Densidade (massa específica) aparente seca (ρd): É arelação entre a massa dos sólidos e o volume total dosolo. Corresponde a densidade que o solo teria seviesse a ficar seco, se isto pudesse ocorrer sem quehouvesse variação de volume. Não é determinada emlaboratório, deve ser calculada a partir da densidadenatural e da umidade.

w

nd

+=1

ρρρρρρρρ

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Peso específico aparente saturado (γsat): É o pesoespecífico que o solo apresentaria se viesse a ficarsaturado e se isto ocorresse sem variação de volume. Éde pouca aplicação na prática, servindo paraprogramação de ensaios ou a análise de depósitos deareia que possam vir a se saturar.

Peso específico submerso (γsub): É o peso específicoefetivo do solo quando submerso. Serve para cálculosde tensões efetivas. É igual ao peso específico naturalmenos o peso específico da água.

Estado do solo

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Estado do solo2) Cálculo dos índices físicos

Índices físicos determinados diretamente emlaboratório: umidade (w), peso específico e densidadedos grãos (γs; ρs), peso específico e massa específicanatural do solo (γn; ρn).

Índices físicos adotados: peso específico e densidadeda água (γw; ρw).

Todos os outros índices físicos são calculados pormeio de correlações efetuadas a partir dos índicesque podemos determinar.

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Estado do solo

1)1(−

+=

n

wse

ρρρρ

ρρρρ

e

en

+=1

e

wessat

+

×+=

1

γγγγγγγγγγγγ

Principais correlações

1)1(−

+=

n

wse

γ

γ

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Estado do solo

e

sd

+=1

γγγγγγγγ

Principais correlações

1−=d

se

γγγγ

γγγγ

e

sd

+=1

ρρρρρρρρ

1−=d

se

ρρρρ

ρρρρ

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Estado do solo

e

wsn

+

+=

1

)1(γγγγγγγγ

w

nd

+=1

γγγγγγγγ

Principais correlações

we

wsS

γγγγ

γγγγ

×

×=

we

wsS

ρρρρ

ρρρρ

×

×=

e

wsn

+

+=

1

)1(ρρρρρρρρ

w

nd

+=1

ρρρρρρρρ

19

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Exercícios