indices físicos

Notas de Aula - Mecnica dos Solos

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UNIDADE 2 - NDICES FSICOS E RETIRADA DE AMOSTRAS

2.1

Introduo

Numa massa de solo, podem ocorrer trs fases: a fase slida, a fase gasosa e a fase lquida. A fase slida formada pelas partculas minerais do solo, a fase lquida por gua e a fase gasosa compreendem todo o ar existente nos espaos entre as partculas. Portanto, o solo um sistema trifsico onde a fase slida um conjunto discreto de partculas minerais dispostas a formarem uma estrutura porosa que conter os elementos constituintes das fases lquida e gasosa. A Figura 2.1 apresenta um esquema de uma amostra de solo em que aparecem as trs fases tal qual na natureza e esta amostra com suas fases separadas para atender a uma convenincia didtica de definio dos ndices fsicos.

Va Vv Vw V Vs

Gasosa Lquida

Wa 0 Ww W

Slida

Ws

(a) V = volume total Vs = volume de slidos Vv = volume de vazios Vw = volume de gua Va = volume de ar V = Vs + Vv, onde Vv = Vw + Va

(b) W = peso total Ws = peso dos slidos Ww = peso de gua Wa = peso de ar (Wa = 0) W = Ws + Ww

Figura 2.1 - Esquema de uma amostra de solo. (a) elemento de solo natural; (b) diagrama de fases. As partculas slidas do solo so pequenos gros de diferentes minerais, cujos vazios podem ser preenchidos por gua, ar, ou parcialmente por ambos (ar e gua). Define-se mineral como uma substncia inorgnica e natural, com uma estrutura interna definida (tomos e ons) e com composio qumica e propriedades fsicas fixas ou variam dentro de limites definidos. As partculas slidas dos solos grossos so constitudas por silicatos (feldspatos, micas, olivinas, etc.), xidos (quartzo), carbonatos (calcita, dolomita), sulfatos (limonita, magnetita). J os solos finos so constitudos por silicatos de alumnio hidratado (argilo-minerais). Em outras palavras, o volume total da massa de solo (V) consiste do volume de partculas slidas (Vs) e do volume de vazios (Vv). O volume de vazios geralmente formado pelo volume de gua (Vw) e pelo volume de ar (Va). A Figura 2.1(b) mostra um diagrama de fase no qual cada uma das trs fases apresentada separadamente. No lado esquerdo, usualmente indicamos o volume das trs fases e, no lado direito, os pesos correspondentes s fases.


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Como o peso especfico do ar muito pequeno quando comparada aos pesos especficos da gua e dos slidos, o peso da fase gasosa (Wa) ser sempre desprezado no clculo do peso do solo. Os ndices fsicos so definidos como grandezas que expressam as propores entre pesos e volumes em que ocorrem as trs fases presentes numa estrutura de solo. Estes ndices possibilitam determinar as propriedades fsicas do solo para controle de amostras a serem ensaiadas e nos clculos de esforos atuantes. Os ndices fsicos dos solos so utilizados na caracterizao de suas condies, em um dado momento e por isto, podendo ser alterados ao longo do tempo. Seus nomes, simbologia e unidades devem ser aprendidos e incorporados ao vocabulrio de uso dirio do geotcnico. Nos itens seguintes, sero definidos os ndices fsicos, separando-os em trs grupos, conforme definio anterior, bem como, apresentadas frmulas de correlao entre os mesmos e a maneira experimental de obter alguns deles. ndices fsicos, granulometria (Unidade 3) e limites de consistncia (Unidade 4) formam as propriedades ndices que so aplicadas na classificao e identificao dos solos (Unidade 5), uma vez que elas podem ser correlacionadas, ainda que grosseiramente, com caractersticas mais complexas do solo, como por exemplo, a compressibilidade e resistncia.

2.2

Relao de fases

As relaes apresentadas a seguir constituem uma parte essencial da Mecnica dos Solos e so bsicas para a maioria dos clculos desta cincia. 2.2.1 Relao entre pesos a) Teor de umidade (w , h) O teor de umidade de um solo determinado como a relao entre o peso de gua (Ww) e o peso das partculas slidas (Ws) em um volume de solo. De acordo com a simbologia mostrada na Figura 2.1, tem-se: w = (Ww/Ws) . 100 (%) O teor de umidade pode assumir o valor de 0% para solos secos (Ww = 0) at valores superiores a 100% em solos orgnicos. 2.2.2 Relao entre volumes

Existem trs relaes volumtricas que so muito utilizadas na Engenharia Geotcnica e podem ser determinadas diretamente do diagrama de fases da Figura 2.1. a) ndice de vazios (e) a relao entre o volume de vazios (Vv) e o volume dos slidos (Vs), existente em igual volume de solo. Este ndice tem como finalidade indicar a variao volumtrica do solo ao longo do tempo, tem-se: e = Vv/Vs O ndice de vazios ser medido por um nmero natural e dever ser, obrigatoriamente, maior do que zero em seu limite inferior, enquanto no h um limite superior bem definido, dependendo


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da estrutura do solo. O volume de slidos permanecendo constante ao longo do tempo, qualquer variao volumtrica ser medida por uma variao do ndice de vazios, que assim poder contar a histria das tenses e deformaes ocorridas no solo. Exemplo de valores tpicos do ndice de vazios para solos arenosos podem situar de 0,4 a 1,0; para solos argilosos, variam de 0,3 a 1,5. Nos solos orgnicos, podemos encontrar valores superiores a 1,5. b) Porosidade () a relao entre o volume dos vazios (Vv) e o volume total (V) da amostra, tem-se: = (Vv/V) . 100 (%) A porosidade expressa em porcentagem, e o seu intervalo de variao entre 0 e 100%. Das equaes apresentadas mais adiante podemos expressar a porosidade em funo do ndice de vazios e vice versa, atravs das equaes apresentadas abaixo: = e / (1 + e) ou e = / (1 - )

Segundo o IAEG (1979), a porosidade e o ndice de vazios podem ser classificados segundo a tabela a seguir: Tabela 2.1 Classificao da porosidade e do ndice de vazios nos solos (IAEG, 1979) Porosidade (%) > 50 45 50 35 45 30 35 < 30 c) Grau de saturao (S , Sr) O grau de saturao indica que porcentagem do volume total de vazios contem gua. Se o solo est completamente seco, ento Sr = 0%, se os poros esto cheios de gua, ento o solo est saturado e Sr = 100%. Para solos parcialmente saturados, os valores de Sr situam-se entre 1 e 99%. Sr = (Vw/Vv) . 100 (%) O grau de saturao, segundo o IAEG (1979), pode ser classificado em: Tabela 2.2 Classificao do solo quanto ao grau de saturao Grau de saturao (%) 0 25 25 50 50 80 80 95 95 100 Denominao naturalmente seco mido muito mido saturado altamente saturado ndice de vazios >1 0,80 1,00 0,55 0,80 0,43 0,55 < 0,43 Denominao muito alta alta mdia baixa muito baixa


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2.2.3

Relao entre pesos e volumes

Em Mecnica dos Solos se relaciona o peso das diferentes fases com seus volumes correspondentes por meio de pesos especficos. a) Peso especfico aparente natural ou mido ( , nat , t) a relao entre o peso total (W) e o volume total da amostra (V) para um valor qualquer do grau de saturao, diferente dos extremos, e utilizando-se a simbologia da Figura 2.1, ser calculado como: = W/V unidades (g/cm3 , Kg/m3 , kN/m3 , t/m3 )

A magnitude do peso especfico natural depender da quantidade de gua nos vazios e dos gros minerais predominantes, e utilizado no clculo de esforos (Unidade 7). b) Peso especfico aparente seco (d) a relao entre o peso dos slidos (Ws) e o volume total da amostra (V), para a condio limite do grau de saturao (limite inferior - Sr = 0%), tem-se: d = (Ws/V) unidades (g/cm3 , Kg/m3 , kN/m3 , t/m3 )

O peso especfico aparente seco empregado para verificar o grau de compactao de bases e sub-bases de pavimentos e barragens de terra (Unidade 10). c) Peso especfico saturado (sat) a relao entre o peso total (W) e o volume total (V), para a condio de grau de saturao igual a 100%, tem-se: = (Wsat/V) unidades (g/cm3 , Kg/m3 , kN/m3 , t/m3 )

Em nenhuma das condies extremas levou-se em considerao a variao do volume do solo, devido ao secamento ou saturao. d) Peso especfico real dos gros ou slidos (s , ) (NBR 6508/84) a relao entre o peso dos slidos (Ws) e o volume dos slidos (Vs), dependendo dos minerais formadores do solo, tem-se: s = Ws/Vs unidades (g/cm3 , Kg/m3 , kN/m3 , t/m3 )

O valor do peso especfico dos slidos representa uma mdia dos pesos especficos dos minerais que compem a fase slida. A Tabela 2.3 apresenta o intervalo de variao do peso especfico dos slidos de diversos tipos de minerais.


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Tabela 2.3 - Valores de peso especfico real dos gros de alguns tipos de minerais. Mineral Quartzo Feldspato K Feldspato Na Ca Muscovita Biotita Calcita s ( g/cm3 ) 2,65 - 2,67 2,54 - 2,57 2,62 - 2,76 2,70 - 3,10 2,80 - 3,20 2,72 Mineral Dolomita Caulinita Ilita Montmorilonita Clorita Hematita s ( g/cm3 ) 2,85 2,61 - 2,66 2,60 - 2,86 2,74 - 2,78 2,60 - 2,90 4,90 - 5,30

e) Peso especfico da gua (w) a razo entre o peso de gua (Ww) e seu respectivo volume (Vw). w = Ww/Vw Nos casos prticos adota-se o peso especfico da gua como: 1g/cm3 = 10kN/m3 = 1000kg/m3. f) Peso especfico submerso (sub , ) Quando a camada de solo est abaixo do nvel fretico, define-se o peso especfico submerso, o qual utilizado para o clculo de tenses (Unidade 7). sub = sat - w g) Densidade real dos gros ou slidos (G) a razo entre o peso especifico real dos gros (s) e o peso especfico da gua a 4C. G = s/w

2.3

Frmulas de correlao

As frmulas de definio dos ndices fsicos no so prticas, para a utilizao em clculos e assim, recorre-se as frmulas de correlao entre os ndices, como as apresentadas a seguir: peso especfico natural: teor de umidade: peso especfico real dos gros: peso especfico aparente seco: ndice de vazios: porosidade: grau de saturao: peso especfico saturado: peso especfico submerso: = W/V w = (Ww/Ws) s = Ws/Vs d = Ws/V = /(1 + w) e = Vv/Vs = (s/d) - 1 = Vv/V = e/(1+ e) S = Vw/Vv = (w . s)/(e . w) sat = Wsat/V = (1 - ) . s + . w sub = sat - w = (s - w) . (1 - )


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2.4

Determinao experimental dos ndices fsicos

Os ndices fsicos so determinados em laboratrio ou mediante frmulas de correlao, vistas no item anterior. Em laboratrio, so determinados o peso especfico natural (atravs do peso e volume total), o teor de umidade e o peso especfico real dos gros. 2.4.1 Determinao do peso e volume de uma amostra

Molda-se um corpo de prova cilndrico de solo indeformado, obtm-se vrias medidas de dimetro (d) e altura (h) para o clculo do volume da amostra de solo com os valores mdios obtidos. Obter o peso total da amostra de solo (W) com a balana. Pode-se utilizar tambm para determinar o peso e o volume anis metlicos de dimenses conhecidas, onde so moldados no solo. Deve-se salientar que o peso especfico natural normalmente determinado em corpos de prova j talhados para os ensaios usuais de Mecnica dos Solos. No controle de compactao (Unidade 10) de camadas de solo, in situ, utiliza-se para determinar o peso especfico um cilindro cortante (Figura 2.2) com peso e dimenses conhecidas que cravado no solo (ABNT/NBR 9813/87 - Determinao da massa especfica aparente in situ com o emprego do cilindro de cravao). No campo a determinao de pode ser feita, ainda, utilizando-se um frasco ao qual se adapta um funil munido de um registro (ABNT/NBR 7185/86 Solo - Determinao da massa especfica aparente, "in situ", com emprego do frasco de areia), mostrado na Figura 2.3.

Figura 2.2 Cilindro cortante 2.4.2 Determinao do teor de umidade (w)

Figura 2.3 Frasco de areia

O teor de umidade obtido por diferena de peso de uma amostra de solo antes e aps a secagem em estufa. Os procedimentos adotados no laboratrio (ABNT/NBR 6457/86 - Amostras de Solo - Preparao para ensaios de compactao e ensaios de caracterizao) so: - toma-se uma cpsula com peso conhecido (Wc) - seleciona-se uma poro de amostra representativa (aproximadamente 50g) - coloca-se a amostra na cpsula e pesa-se o conjunto (Wc + W) - seca-se em estufa o conjunto at a constncia do peso - pesa-se novamente o conjunto (Wc + Ws) O teor de umidade (w) calculado de acordo com a expresso: w=

(Wc + W ) (Wc + Ws ) = W Ws = Ww 100.(% ) (Wc + Ws ) Wc Ws Ws


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onde: W = peso total da amostra Ws = peso seco Ww = peso da gua Wc = peso da cpsula No campo utiliza-se para a determinao do teor de umidade: o processo da frigideira (DNER-ME 086/64), o mtodo expedito do lcool (DNER-ME 088/94 - Determinao da umidade pelo mtodo expedito do lcool), ou o mtodo expedito Speed (Figura 2.4), (DNER-ME 052/94 Solos e agregados midos - determinao da umidade pelo mtodo expedito "Speedy").

Figura 2.4 Umidmetro Speedy 2.4.3 Determinao do peso especfico real dos gros (s)

O peso especfico real dos gros, ou slidos, determinado, usualmente, empregando um frasco de vidro denominado picnmetro (balo volumtrico), de acordo com ABNT/NBR 6508/84 Gros de solo que passam na peneira de 4,8mm - Determinao da massa especfica dos slidos. O ensaio compara o peso de um picnmetro contendo gua destilada at a marca de calibrao (W1) com o peso do mesmo picnmetro contendo solo e gua (W2) at a mesma marca, e determina-se a temperatura da suspenso e mediante a curva de calibrao do picnmetro, determinam-se o peso do picnmetro e a gua para a temperatura do ensaio. Esquema explicativo do ensaio est representado na Figura 2.5.Marca da calibrao

gua

Ww

gua

Ww W

W1 Figura 2.5 - Esquema de clculo do peso especfico real dos gros.

Solo

W2


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O peso de gua correspondente ao volume deslocado pelos gros (slidos) ser: W1 = Ww + Wp (gua + picnmetro) W2 = Ww + Wp + Ws (gua + picnmetro + solo) W1 - W2 = Ww + Wp - (Ww + Wp + Ws) W1 - W2 = Ww - Ww - Ws W1 - W2 = Ww Ws Portanto, o volume dos slidos corresponde a volume de gua deslocada, tem-se: Ww = Vw . w Vs = Vw/w W1 - W2 = Vs . w - Ws Vs = (W1 - W2 + Ws) / w

s =

Ws Ws = w Vs W1 W2 + Ws

Normalmente so realizadas no mnimo trs determinaes, fazendo variar a temperatura e acertando o nvel de gua na marca de referncia, com vistas obteno de valor mdio consistente. A determinao do peso especfico dos slidos muito simples, mas s vezes adota-se um valor mdio para resoluo de problemas, uma vez que a faixa de variao no caso de solos no muito grande. Em geral para solos arenosos, pode-se tomar s = 2,67 g/cm3 e para solos argilosos, s = 2,75 - 2,90 g/cm3.

2.5

Retirada de amostras

A caracterizao de um solo, atravs de parmetros obtidos em ensaios de laboratrio, depende, simultaneamente, da qualidade da amostra e do procedimento dos ensaios. Tanto para a amostragem quanto para os ensaios existem normas, brasileiras e estrangeiras, que regem o assunto e que, portanto, devem ser obedecidas. Em qualquer laboratrio de geotecnia, dois tipos de amostras so usadas na realizao desses ensaios. A amostra deformada, uma poro de solo desagregado, deve ser representativa do solo que est sendo investigado, apenas, quanto textura e constituio mineral. Ela usada na identificao visual e tctil, nos ensaios de classificao (granulometria, limites de consistncia e massa especfica dos slidos), no ensaio de compactao e na preparao de corpos de prova para ensaios de permeabilidade, compressibilidade e resistncia ao cisalhamento. Essas amostras, at um metro abaixo da superfcie do terreno, podero ser obtidas atravs de ferramentas simples (ps, enxadas, picaretas e outras mais apropriadas a cada caso), enquanto que para profundidade maior ter-se- necessidade de ferramentas especiais (trados ou um amostrador de parede grossa). A amostra indeformada, geralmente de forma cbica ou cilndrica, deve ser representativa da estrutura e teor de umidade do solo, na data de sua retirada, alm da textura e composio mineral. Ela usada para se determinar s caractersticas do solo in situ, como os ndices fsicos, o coeficiente de permeabilidade, os parmetros de compressibilidade e de resistncia ao cisalhamento. Uma amostra indeformada pode ser obtida de diversas maneiras dependendo da cota da amostragem, da densidade do solo e da posio do lenol fretico; assim, para solos moles abaixo do nvel dgua ser usado um amostrador de parede fina, enquanto que, para solos acima do nvel dgua e mais densos, deve-se abrir um poo at a cota de interesse e retirar um bloco de solo usando uma caixa metlica ou de madeira como frma e com dimenses apropriadas ao tipo e


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nmero de ensaios a realizar. A NBR 9604/86 rege a abertura de poo e trincheira de inspeo em solo, com retirada de amostras deformadas e indeformadas. Na retirada, no transporte e no manuseio, de qualquer um dos dois tipos de amostras, devem ser tomados cuidados extras para que a amostra no sofra nenhuma avaria. Os equipamentos e acessrios, o procedimento da amostragem, os cuidados e o dimensionamento de cada uma das amostras sero descritos nos itens seguintes. 2.5.1 Equipamentos e acessrios

Equipamentos: trados de diversos tipos e dimetros; amostrador de parede grossa; caixa metlica; amostrador de parede fina; Acessrios: sacos de lona ou de plstico de diferentes tamanhos, ps, enxadas, picaretas, facas, esptulas, conchas; fogareiro a gs; parafina; tecido (tipo estopa ou similar); etiquetas; caixas de madeira, serragem.2.5.2 Procedimentos para a amostragem

Para cada um dos tipos de amostras representativas o procedimento na amostragem ser diferente. A seguir ser descrita a forma de se obter uma amostra deformada e uma amostra indeformada em bloco, em uma camada acima do nvel dgua.

Amostra deformadaPara este tipo de amostragem deve-se inicialmente, fazer uma limpeza no local de trabalho, retirando a vegetao superficial, razes e qualquer outra matria estranha ao solo, para s depois iniciar o processo de coleta de amostra. Se a cota de retirada da amostra estiver, no mximo, um metro da superfcie do terreno pode-se fazer uma escavao, at a cota de interesse, com uma das ferramentas indicadas e, ento fazer a coleta. Entre um e seis metros de profundidade pode-se usar o trado cavadeira, desde que, o furo no precise de revestimento. Para profundidade maior do que seis metros, ou quando o furo exigir tubo de revestimento deve-se usar o trado helicoidal, Figura 2.6. Quando o trabalho com o trado helicoidal se tornar difcil ou para amostragem abaixo do nvel dgua, quando poder se tornar pouco eficaz, pode-se utilizar um amostrador de parede grossa (Figura 2.7), que cravado dinamicamente no solo atravs de energia fornecida pela queda livre de um martelo. A sondagem a trado regulada pela NBR 9603/86.

Figura 2.6 - Tipos de trado

Figura 2.7 Amostrador de parede grossa


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O tipo e o emprego do equipamento de sondagem representado na Figura 2.8, introduzidos entre ns h mais de 40 anos, o mais adotado por todos os institutos tcnicos e oficiais, e firmas particulares especializadas. O Ensaio SPT obedece os critrios estabelecidos na NBR 6484/01. O Standard Penetration Test (SPT), possui a dupla funo: de medir a resistncia penetrao e de coletar amostras que nesse caso so alteradas pelo choque e vibrao no momento da cravao do amostrador. Este mtodo alm de econmico rpido e pode ser aplicado maioria dos solos, exceto pedregulhos. O ensaio basicamente consiste em introduzir o barrilete amostrador, que fixado na extremidade das hastes de cravao e cravado 45 cm no solo, por dentro de um tubo de sondagem. A cravao feita por um peso (martelo) de 65 kg, com uma altura de 75 cm de queda. Inicialmente se fazem penetrar 15 cm e, a seguir, se registra o nmero N de golpes aplicados para cravar outros 30 cm, anotando-se separadamente cada 15 cm. Vrios autores relacionam os resultados do N SPT, com as propriedades dos diferentes tipos de solos, conforme veremos nos captulos que seguem.

Figura 2.8 Ensaio SPT A amostra dever ser colocada em saco de lona ou plstico resistente, identificada atravs de uma etiqueta amarrada boca do saco e contendo informaes sobre o local, nmero, profundidade e data da amostragem. Alm dessas informaes deve-se fazer uma planta do local indicando os dados necessrios a recuperao do ponto amostrado. Uma identificao visual tctil da amostra retirada deve ser realizada indicando-se o resultado na folha de locao do furo, Figura 2.9. LOCAO EM PLANTALOCAL: CAMPUS CARLOS DATA : 21/10/78 POO N: P1 COTAS:RN - 819,70 BOCA DO POO - 820,40 TOPO DO BLOCO - 816,20 AMOSTRA DEFORMADA - 818,00

USP

-

SO

12,8

BLOCO B Salas de aulas RN

= 12,8 cm

P125,4

Figura 2.9 - Locao do poo


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Amostra indeformadaA viabilidade tcnica e econmica da obteno de amostras indeformadas funo da natureza do solo a ser amostrado, da profundidade em que se encontra e da presena do nvel dgua. Esses fatores determinam o tipo de amostrador e os recursos a utilizar. Algumas formaes apresentam maiores dificuldades que outras no processo de extrao de amostras indeformadas. Assim, a retirada de amostras indeformadas pode ser subdividida em duas classes:

Amostra indeformada de superfcie: a coleta de amostras realizada prxima superfcie do terreno natural, ou prximas superfcie de uma explorao acessvel, utilizando-se amostradores em que o processo de avano por aparamento (cilindros e anis biselados Figura 2.10) ou escavaes (blocos Figura 2.11).TOPO

LATERAL

BASE

Figura 2.10 Cilindros e anis biselados

Figura 2.11 - Caixa para amostra em bloco

Uma amostra indeformada, em bloco, poder ser retirada em diversas posies como mostrado na Figura 2.12. (a) (b) (c)+10 1 2 3 NT 5 +3 +3

(d)+3

(e)+3

(f)+0

Posio: 4 1 e 2 : Talude de um corte 3: Superfcie do terreno 4: Fundo do poo 5: Parede do poo Figura 2.12 - Retirada de amostra indeformada

Figura 2.13 - Seqncia de amostragem de um bloco

O procedimento de retirada de uma amostra indeformada, em bloco, no fundo de um poo semelhante retirada em qualquer outra posio, exceto algumas peculiaridades do prprio poo. O poo dever ser aberto at, aproximadamente, dez centmetros acima da cota do topo do bloco (cota zero), pelo poceiro, com um dimetro que permita ao tcnico, encarregado de continuar


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o servio, faz-lo de forma conveniente, Figura 2.13a. Caso no seja possvel por apresentar o poo um dimetro pequeno o bloco poder ser retirado na parede (posio 5) lembrando que o fundo do poo dever atingir uma cota mais baixa. Utilizando a caixa metlica o tcnico dever marcar no fundo do poo a rea onde a amostra ser retirada e com cuidado ir removendo o solo externo a essa rea, Figura 2.13b, at que se tenha um degrau de, mais ou menos, sete centmetros. A caixa dever ser ajustada ao solo, com a ponta biselada voltada para baixo e iniciar uma escavao em sua volta, ao mesmo tempo, ir pressionando, levemente, a caixa provocando sua descida, Figura 2.13c. Quando o topo da caixa atingir a cota zero dever haver um excesso de solo, da ordem de 3cm, Figura 2.13d, que no dever ser retirado neste momento. O bloco dever ser cortado prximo a base da caixa para que possa ser separado do terreno, mantendo-se tambm um excesso de solo, como mostrado na Figura 2.13e. Entre o bloco e a caixa haver sempre uma folga cuja espessura depender do tipo de solo amostrado. Um solo argiloso permitir uma folga menor do que um solo arenoso. Dependendo da existncia de condies favorveis dentro do poo o excesso de solo na base e no topo do bloco poder se a retirado e colocadas, em seguida, a tampa e o fundo da caixa, Figura 2.13f. sempre prefervel realizar essa operao, aps a subida do bloco para superfcie do terreno. O bloco dever ser elevado a superfcie do terreno com todo o cuidado a fim de se evitar qualquer alterao estrutural no solo. O excesso de solo, do topo e da base ou a tampa e o fundo da caixa, dever ser retirado e uma primeira camada de parafina, com espessura mnima de dez milmetros, aplicada. Logo em seguida, colocar uma etiqueta no topo do bloco indicando os dados necessrios sua identificao. As laterais da caixa s, ento, devem ser retiradas e aplicada uma camada de parafina sobre as faces do bloco, reforando os cantos e arestas, para garantir uma boa ligao com a camada aplicada no topo e na base. Com essa primeira camada de parafina estar garantida a manuteno do teor de umidade da amostra, mas no a preservao da sua estrutura, representativa da estrutura do solo in situ. Para a preservao da estrutura, o bloco dever ser envolvido com um tecido poroso e, em seguida, aplicada uma segunda camada de parafina. Uma segunda etiqueta dever ser colocada, preferencialmente sobre o topo do bloco com as informaes necessrias a sua localizao. Finalmente, desenhar a planta de localizao do poo tendo como referncia algum ponto imutvel com o tempo e indicando todos os demais dados necessrios, bem como, o nome do solo a partir dos testes de identificao visual e tctil, Figura 2.9.

Amostra indeformada em profundidade: os mtodos de perfurao para atingirem-se as profundidades desejadas so os mesmos das sondagens de reconhecimento. A diferena essencial entre as sondagens mais simples e das sondagens em questo est nos amostradores, sendo os mais usuais, os amostradores de parede fina, o amostrador de pisto, o amostrador de pisto estacionrio, o amostrador de pisto Osterberg e o amostrador Denison ou barrilete triplo. O amostrador de parede fina mais empregado, o tipo Shelby, composto basicamente de um tubo de lato ou de ao inoxidvel de espessura reduzida, ligado a um cabeote provido de uma vlvula de esfera que permite ao ar e a gua escaparem medida que h a penetrao da amostra (Figura 2.14).

Figura 2.14 - Amostrador de parede fina


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O amostrador introduzido no solo por presso esttica e constante e retirado quando estiver cheio. A camisa ento liberada do cabeote, selada e enviada ao laboratrio. Este tipo de amostrador usado para extrao de amostras em solos moles. 2.5.3 Cuidados a serem tomados

Amostra deformada Toda e qualquer matria, orgnica ou no, estranha ao solo dever ser excluda da amostra. Se esta operao for difcil de ser realizada no campo deve-se informar sobre a existncia dessa matria, para que no laboratrio sejam tomadas as providncias necessrias. Amostra indeformada Os cuidados a serem tomados com essas amostras devem ser maiores do que aqueles com uma amostra deformada indo desde a abertura do poo at sua utilizao em laboratrio. Estes cuidados com a amostra permitem a manuteno do teor de umidade e da estrutura do solo in situ. A seguir sero descritos os cuidados necessrios durante as fases da retirada, tratamento com parafina e tecido, transporte para o laboratrio, armazenamento e utilizao da amostra.Durante a abertura do poo e a retira do bloco deve-se tomar cuidado para que: a) em amostra retirada superfcie do terreno, o sol no incida diretamente sobre o bloco provocando um secamento superficial do solo; b) o poceiro no leve a escavao at a cota do topo do bloco; c) a caixa no seja cravada no solo e, com isso, podendo provocar uma alterao na estrutura do solo, principalmente se for um solo arenoso fofo. A caixa deve descer justa sem cortar o solo e sem um grande esforo do operador; d) a caixa envolva, completamente, a amostra no permitindo folgas; se isto, no for possvel preencher a folga com o solo solto, com um mesmo teor de umidade; e) a amostra no sofra nenhuma vibrao, principalmente, para solos arenosos finos; f) a amostra no tombe bruscamente quando da sua separao do terreno natural; g) o transporte da amostra at a superfcie do terreno seja rpido. Durante o tratamento do bloco com parafina e tecido deve-se cuidar para que: h) este tratamento no seja feito no fundo do poo ou em lugar fechado, pois a parafina ao derreter emana gases que podem provocar mal estar; i) a parafina, da primeira camada, no esteja muito quente, principalmente, em solos com grandes vazios evitando-se com isso a sua penetrao no interior do bloco; j) a primeira etiqueta seja colocada no topo do bloco indicando a posio correta em campo; k) o tecido poroso colocado, sobre a primeira camada de parafina, envolva o bloco sem folga, porm, sem pression-lo; l) a parafina colocada sobre o tecido esteja a uma temperatura mais alta permitindo uma aderncia maior entre essas camadas e criando uma casca, parafina-tecido-parafina, rgida e impermevel; m) a segunda etiqueta esteja tambm sobre o topo do bloco onde foi colocada a primeira etiqueta e de fcil visualizao no laboratrio.


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Durante o transporte da amostra para o laboratrio, principalmente, se forem usados diferentes meios de transporte deve-se cuidar para que: n) o bloco seja colocado dentro de uma caixa de madeira e protegida por serragem ou outro material qualquer; o) a caixa de madeira seja identificada como contendo material frgil e indicando a posio na qual dever permanecer durante o transporte. Durante o perodo de armazenamento no laboratrio, em que dever ficar aguardando a realizao dos ensaios, tomar cuidado para que: p) a amostra permanea em cmara mida saturada, em local seguro e que no seja movimentada sem necessidade; q) a etiqueta esteja visvel e legvel. Durante a retirada de corpos de prova, para a realizao dos ensaios, tomar cuidado para que: r) a retirada da parafina e do tecido no provoquem uma alterao na estrutura do solo. Use uma tesoura para cortar o tecido se necessrio; s) a amostra no fique exposta ao ar, por um perodo longo, aps a retirada de uma parte dela. Coloque um pano mido sobre essa regio da amostra se for continuar a us-la, em seguida; t) antes de retornar o bloco cmara mida coloque parafina, nas partes onde ela foi retirada, fazendo uma boa ligao entre a parafina existente e a recolocada; u) um plano de utilizao do bloco deve ser feito, antes de se iniciar o corte, indicando os locais de onde sero retirados os corpos de prova para a realizao de cada ensaio. Lembre-se que este poder ser o nico bloco disponvel para a caracterizao do solo amostrado. 2.5.4 Dimensionamento da amostra

O dimensionamento da amostra a ser retirada funo do tipo e do nmero de ensaios que sero realizados, bem como, da condio atual e futura do local da amostragem. Para o dimensionamento de uma amostra deformada deve-se partir da massa de slidos estimada para cada ensaio e calcular o total necessrio. Para se chegar na massa de solo que dever ser retirada, ser preciso conhecer o teor de umidade da jazida, o que poder ser feito por uma estimativa visual e tctil ou atravs de um processo rpido. Para uma amostra indeformada deve-se partir das dimenses dos corpos de prova e assim chegar-se ao nmero e s dimenses necessrias de cada bloco. Ser preciso levar em considerao que durante a realizao dos ensaios poder ocorrer uma perda de material e que alguns ensaios devero ser repetidos. Alm disso, a condio do local aps a amostragem poder no permitir a retirada de novas amostras, bem como, a sua distncia at o laboratrio e a movimentao do pessoal e equipamento para a amostragem traro custos adicionais a obra. Assim uma sobra de material no laboratrio, desde que, no excessiva sempre prefervel a uma falta de material.


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Amostra deformadaA NBR 6457/86 Preparao de amostras para ensaios de compactao e ensaios de caracterizao, indica as quantidades apresentadas na Tabela 2.4, para preparao de amostras para os ensaios de compactao e de caracterizao, para solos que tenham partculas menores que 4,8mm (# 4). Tabela 2.4 Quantidade de solo para os ensaios de compactao e caracterizaoEnsaios de classificao (2 Kg) Limites de consistncia Granulometria Massa especfica dos solos Com reuso do solo Sem reuso do solo cilindro pequeno cilindro grande cilindro pequeno cilindro grande 200 g 1 Kg 500g 3 7 15 35 1 kg / CP 0,7 kg / CP

Ensaios de compactao (EC = 585 kJ/m)

Compactao de corpos de prova

CP ( = 5 cm e h = 12,5 cm) CP ( = 6,5 cm e h = 12,0 cm)

Amostra indeformadaPara amostras indeformadas o dimensionamento est diretamente relacionado ao tipo e a dimenso do amostrador a ser usado no momento da coleta de amostra. Na amostragem de bloco, este deve ter forma cbica com lados variando entre 20 e 30cm, o que permitir a retirada de 9 a 18 C. P. (corpos de prova), com 5,0 cm de dimetro e 12,5 cm de altura, desde que o solo esteja em boas condies. O bloco no dever ter lado menor do que 20,0 cm, pois isso diminuir e muito o nmero de corpos de prova com as dimenses j citadas, nem dever ter dimenso maior do que 30,0 cm, pois isso aumentar o seu peso, dificultando o manuseio em campo e no laboratrio, com um risco maior de alterao estrutural. O solo que retirado do bloco durante a moldagem dos corpos de prova suficiente para se realizar os ensaios de classificao do solo. A seguir tm-se dois exemplos de determinao de ndices fsicos. No primeiro exemplo apresentam-se os clculos dos ndices fsicos de uma amostra de argila saturada retirada com cilindro de cravao. No segundo exemplo esto dispostos em uma planilha os resultados e clculos do ensaio de peso especfico do solo residual das minas de calcreo de Caapava do Sul.


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Exemplo 1: Uma amostra de argila saturada tem um volume de 17,4 cm3 e peso de 29,8 g. Aps a secagem em estufa, o volume passou a 10,5 cm3 e o peso a 19,6 g. Pede-se para determinar os seguintes ndices fsicos: w, s, ei, ef, di, df, i, fVGUA AR

V=17,4 cm

3

W=29,0 gSLIDOS

Vf =10,5 cm3SLIDOS

Ws=19,6 g

Amostra inicialmente saturada Vv=Vw Ww = W - Ws = 29,8 - 19,6 = 10,2g

w = Ww/Vw 1,0 g/cm3 = 10,2g/Vw Vw = Vv = 10,2 cm3Vs = V - Vw = 17,4 - 10,2 = 7,2 cm3 (no apresenta V com o secamento) w = Ww/Ws = 10,2/19,6 = 52%

s = Ws/Vs = 19,6/7,2 = 2,72 g/cm3ei = Vvi/Vs = 10,2/7,2 = 1,42 Vvf = Vf - Vs = 10,5 - 7,2 = 3,3 cm3 ef = Vvf/Vs = 3,3/7,2 = 0,46

di = Ws/V = 19,6/17,4 = 1,13 g/cm3 df = Ws/Vf = 19,6/10,5 = 1,87 g/cm3 i = Vvi/Vi = 10,2/17,4 = 58,6% f = Vvf/Vf = 3,3/10,5 = 31,4%


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Exemplo 2: Uma amostra com peso mido de 100,0g de solo passante na peneira 4,8mm (# 4) foi preparada para o ensaio de peso especfico. Desta amostra foi determinado o teor de umidade e a seguir foram realizadas trs determinaes para diferentes temperaturas, para determinao do peso especfico real dos gros, conforme pode ser observado na planilha a seguir.UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA LABORATRIO DE MATERIAIS DE CONSTRUO CIVIL

Peso Especfico dos Slidos (NBR 6508/84)Interessado: Amostra: Cermica Desconsi 1A7 - Minas de clcreo - Caapava do Sul Certificado N: 09 de setembro 2001 Data:

Umidade higroscpica Peso mido + cp (g): 62,14 Peso seco + cp (g): 61,82 Peso cpsula (g) : 10,83 Umidade (%): 0,628 Umidade mdia (%): 0,621

80,95 80,52 10,57 0,615

Picnmetro: 3

Determinao do peso especfico dos solos 1 2 3 Determinao: 100,00 100,00 100,00 Peso solo mido (g): 735,00 736,60 737,10 Picnmetro+solo+gua (g): 38,50 26,50 22,00 Temperatura (C): 671,008 672,748 673,400 Picnmetro + gua (g): 99,383 99,383 99,383 Peso solo seco (g): 0,9926 0,9966 0,9978 Peso esp. gua T C (g/cm): 2,788 2,788 2,779 Peso esp. dos slidos (g/cm): Peso especfico dos slidos mdio (g/cm): 2,785

4

5

Clculo do teor de umidade: - Peso da cpsula + solo mido: (Wc + W)1 = 62,14g e (Wc + W)2 = 80,95g - Peso da cspula + solo seco: (Wc + Ws)1 = 61,82g e (Wc + Ws)2 = 80,52g - Peso da cpsula: (Wc)1 = 10,83g e (Wc)1 = 10,57g - teor de umidade - w (%):

w=

(Wc + W ) (Wc + Ws ) 100.(% ) (Wc + Ws ) Wcw2 =

w1 =

(62,14) (61,82) = 0,628% (61,82) 10,83

(80,95) (80,52) = 0,615%(80,52) 10,57

w = (0,628 + 0,615) / 2 = 0,621%


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Clculo do peso especfico real dos gros: - Peso de solo mido: Wh = 100,0g - Peso da gua + picnmetro: W1 = Ww + Wp Wp = 676,59 - 0,145 T (Equao determinada atravs da calibrao do picnmetro em laboratrio). Cada picnmetro possui uma equao em funo da temperatura. Neste caso foi usado o picnmetro n 3. W1 = 676,59 0,145 (38,5) = 671,008g W2 = 676,59 0,145 (26,5) = 672,748g W3 = 676,59 0,145 (22,0) = 673,400g - Peso da gua + picnmetro + solo: W2 = Ww + Wp + Ws = 735,00g; 736,60g; 737,10g - Peso de solo seco: Ws =Wh 100 = = 99,383 g w(%) 0,621 1+ 1+ 100 100

- Peso especfico da gua (p/ T C): w = 0,00000004 T3 - 0,000008 T2 + 0,00006 T + 0,9999 (Equao utilizada para determinar o peso especfico da gua em funo da temperatura) w1 = 0,00000004 (38,5)3 - 0,000008 (38,5)2 + 0,00006 (38,5) + 0,9999 = 0,9926g/cm3 w2 = 0,00000004 (26,5)3 - 0,000008 (26,5)2 + 0,00006 (26,5) + 0,9999 = 0,9966g/cm3 w3 = 0,00000004 (22,0)3 - 0,000008 (22,0)2 + 0,00006 (22,0) + 0,9999 = 0,9978g/cm3 - Peso especfico real dos gros:

s =

Ws Ws = w Vs W1 W2 + Ws

99,383 0,9926 = 2,788 g/cm3 671,008 735,00 + 99,383 99,383 s 2 = 0,9966 = 2,788 g/cm3 672,748 736,60 + 99,383 99,383 s 3 = 0,9978 = 2,779 g/cm3 673,400 737,10 + 99,383

s1 =

Observar para que cada valor de peso especfico determinado no difira da mdia em mais que 0,02 g/cm3. Caso isso ocorra desprezar esta leitura e fazer mdia das demais. (2,788 2,785) = 0,003 < 0,02 Ok e (2,779 2,785) = - 0,006 < 0,02 Ok

s = (s1 + s2 + s1) / 3 = (2,788 + 2,788 + 2,779) / 3 = 2,785 g/cm3


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2.6

Exerccios

1) Uma amostra de solo seco tem ndice de vazios e = 0,65 e peso especfico real dos gros S = 25 kN/m3. (a) Determine seu peso especfico natural (). (b) em seguida foi adicionada gua a amostra at atingir o grau de saturao S = 60%. O valor do ndice de vazios no mudou. Determinar o teor de umidade (w) e o peso especfico natural (). 2) Uma amostra de argila saturada, da cidade do Mxico, tem o teor de umidade inicial de 300%. Depois de adensada seu teor de umidade passa a ser 100%. Sabendo-se que peso especfico real dos gros de 26,5 kN/m3, determinar seu peso especfico aparente seco (d) antes e depois do adensamento, e a variao de volume total da amostra de 28,137 cm3. 3) Uma amostra de areia seca tendo um peso especfico natural de 18,8 kN/m3 e uma densidade real dos gros G = 2,7, colocada na chuva. Durante a chuva o volume permaneceu constante, mas o grau de saturao cresceu 40%. Calcule o peso especfico aparente mido e o teor de umidade do solo aps ter estado na chuva. 4) Um solo saturado tem peso especfico aparente natural igual a 19,2 kN/m3, e um teor de umidade de 32,5%. Determine o ndice de vazios e a densidade real dos gros. 5) Uma jazida a ser empregada em uma barragem tem solo com peso especfico seco d mdio de 17 KN/m3. Um aterro com 200.000 m3 dever ser construdo com um peso especfico seco mdio de 19 KN/m3. Foram determinadas as seguintes caractersticas do solo: teor de umidade igual a 10% e peso especfico real dos gros igual a 26,5 kN/m3. Determinar: (a) O volume do solo a ser escavado na jazida para se obter os 200.000 m3 para o aterro; (b) O peso do solo mido a ser escavado, em toneladas; (c) O peso do solo seco a ser escavado, em toneladas. 6) Deseja-se construir um aterro com material argiloso com uma seo de 21m2 e 10 Km de comprimento, com ndice de vazios igual a 0,70. Para tanto ser explorada uma jazida localizada a 8,6 Km de distncia do eixo do aterro, cujos ensaios indicaram: ndice de vazios (amostra indeformada) = 0,398, ndice de vazios (amostra amolgada) = 0,802, teor de umidade = 30% e densidade real dos gros = 2,6. Determinar: (a). Quantos metros cbicos de material devero ser escavados na jazida para construir o aterro; (b) Quantas viagens de caminhes caamba de 6m3 de capacidade sero necessrias para executar o aterro. 7) Sero removidos 220.000 m3 de solo de uma jazida. O solo seco tem in situ, dice de vazios igual a 1,2. Solicita-se determinar: (a) Quantos m3 de aterro com ndice de vazios = 0,72 podero ser construdos; (b) Qual o peso total do solo transportado, sabendo-se que a densidade dos gros de 2.7. 8) Uma amostra de argila colhida em um amostrador de parede fina apresentou peso de 158,3g, depois de seca em estufa a 105C durante 24 horas, seu peso passou de 108,3g. O volume da amostra era de 95,3 cm3 e o peso especfico real dos gros de 27,5 kN/m3. Determinar o teor de umidade, o volume da fase slida, o volume da gua, o grau de saturao e o peso especfico aparente seco e submerso dessa argila. 9) Uma amostra de areia no estado natural apresenta um teor de umidade igual a 12%, tem um ndice de vazios de 0,29, pesa 900 g e o seu volume igual a 450 cm3. Determinar o peso especfico aparente seco e a densidade das partculas slidas.


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10) De uma quantidade de solo W = 22 Kg e volume respectivo V = 12,2 litros, extrai-se uma pequena amostra, para qual determina-se: peso mido de 70g, peso seco de 58g e peso especfico real dos gros de 2,67 g/cm3. Calcule: teor de umidade, peso dos slidos, peso de gua, volume dos slidos, volume de vazios, ndice de vazios, porosidade, grau de saturao, peso especfico aparente natural, e agora admitindo-se que o solo esteja saturado, determine o teor de umidade e o peso especfico saturado. 11) Uma amostra de areia com volume de 2,9 litros, pesou 5,2 kg, Os ensaios de laboratrio para a determinao da umidade natural, do peso especfico real dos gros forneceram os seguintes resultados: Umidade: - peso mido = 7,79 g - peso seco = 6,68 g Peso especfico real dos gros: - peso do picnmetro com gua = 434,12 - peso do picnmetro com 35 g de solo e gua at o mesmo nvel = 456,21 g. Calcule para esta amostra: teor de umidade, peso especfico real dos gros, peso dos slidos, peso de gua, volume dos slidos, volume de vazios, ndice de vazios, porosidade e grau de saturao. 12) O peso especfico aparente natural de um solo 1,75 g/cm3 e seu teor de umidade 6%. Qual a quantidade de gua a adicionar, por metro cbico de solo para que o teor de umidade passe a 13% (admitir constncia do ndice de vazios)? 13) De um corte so removidos 180.000 m3 de solo, com um ndice de vazios e = 1,22. Quantos metros cbicos de aterro com 0,76 de ndice de vazios podero ser construdos? Respostas: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) = d = 15,15 kN/m3; w = 15,6%; = 17,51 kN di = 2,96 kN/m3; df = 7,26 kN/m3; V = -16,665 cm3 SAT = 18,5 kN/m3; w = 14,8% e = 0,89; G = 2,74 VJazida = 223.530 m3; W = 428.001 t; Ws = 380.001 t VJazida = 172.694 m3; VAmolgada = 222.600 m3; NViagens = 18.550 VAterro = 172.000 m3; W = 270.000 t w = 45,36%; Vs = 39,6 cm3; Vw = 49,4 cm3; S = 88,68%; d = 11,427 kN/m3; SUB = 7,27 kN/m3 9) d = 17,857 kN/m3; Gs = 2,3036 10) 11) 12) 13)

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