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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA DIEGO ARTHUR HARTMANN ALEGRETE MECÂNICA DOS SOLOS I ÍNDICES FÍSICOS - PARTE 1 Sistema particular: Comportamento conforme mecânica das partículas; Espaços entre partículas sólidas são chamados de poros; Poros contém água, ar, ou ambos (sistema multifásico); O conjunto de partículas sólidas é denomina- do esqueleto mineral. INTRODUÇÃO VT VS VW VA Ar Água Sólidos Sólidos Água Ar VS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total Esqueleto mineral de um solo arenoso INTRODUÇÃO Diferença entre partículas de tamanhos e minerais distintos: Areia (quartzo) 2 a 0,42 mm Argila (argilominerais diversos) inferior a 0,005 mm Contato direto Contato pela água INTRODUÇÃO Diferença entre partículas de tamanhos e minerais distintos: Fonte: Evelyne Deibos CaulinitaQuartzo Fonte: Microscopers INTRODUÇÃO VT VS VW VA Ar Água Sólidos Sólidos Água Ar VS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total ÍNDICES FÍSICOS Saturação: Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PA 𝑆(%) = 𝑉𝑊 𝑉𝑉 ⋅ 100 Não pode atingir valores maiores que 100! ÍNDICES FÍSICOS Umidade: Pode atingir valores maiores que 100!𝑤(%) = 𝑃𝑊 𝑃𝑆 ⋅ 100 Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PA ÍNDICES FÍSICOS Índice de vazios: Pode atingir valores maiores que 1!𝑒 = 𝑉𝑉 𝑉𝑆 Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PA ÍNDICES FÍSICOS Porosidade: Não pode atingir valores maiores que 1!𝑛 = 𝑉𝑉 𝑉𝑇 Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PA ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: Qual a diferença entre peso e massa? Massa = Medida da resistência a aceleração de um corpo físico, uma propriedade escalar dos materiais. Peso = Força, devido a gravidade, atuando em um objeto. 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑁 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑘𝑔 ⋅ 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑚 𝑠² ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: E o que são o peso específico e a massa específica? As unidades apresentadas são as mais comumente utilizadas no exercício da geotecnia. 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑘𝑁 𝑚³ = 𝑃𝑒𝑠𝑜 (𝑘𝑁) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝑚3) 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑔 𝑐𝑚³ = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑔) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝑐𝑚3) ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: O peso específico é geralmente representado pela letra grega gama ( γ ) e a massa específica pela letra grega rô ( ρ ) E a densidade? É adimensional e geralmente representada por G. 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑘𝑁 𝑚³ 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 𝑎 4°𝐶 𝑘𝑁 𝑚³ ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: Peso específico = unit weight Densidade = specific gravity Massa específica = density Existe grande confusão entre massa e peso. A confusão é acentuada ainda mais pelo fato da massa específica ser chamada de density, em inglês. ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: Peso específico natural (do solo como se encontra em campo). Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total Peso específico natural PT VT 𝛾𝑛 = 𝑃𝑇 𝑉𝑇 ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: Peso específico dos sólidos. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total PS VS Peso específico sólidos 𝛾𝑠 = 𝑃𝑆 𝑉𝑆 ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: Peso específico aparente seco. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total PS VT Peso específico aparente seco 𝛾𝑑 = 𝑃𝑆 𝑉𝑇 ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: Peso específico saturado. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total PS PW VT Peso específico saturado 𝛾𝑠𝑎𝑡 = 𝑃𝑆 + 𝑃𝑣𝑎𝑧𝑖𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑒𝑒𝑛𝑐ℎ𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑚 á𝑔𝑢𝑎 𝑉𝑇 ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: Peso específico da água. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total PW VW Peso específico da água 𝛾𝑤 = 𝑃𝑊 𝑉𝑊 O peso específico da água destilada a 4°C, geralmente denotado por γ0, vale 10 kN/m³. Este valor pode ser adotado com acurácia suficiente para o peso específico da água (γw) no exercício cotidiano da geotecnia (Martins, 2016). http://portalclubedeengenharia.org.br/arquivo/1491409244.pdf ÍNDICES FÍSICOS Pesos e massas específicas: Peso específico submerso. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total PT VT PW VW Peso específico submerso 𝛾𝑠𝑢𝑏 = 𝛾𝑛- 𝛾𝑤 ENSAIOS Teor de umidade: Como medir a umidade de um solo? Em laboratórioEm campo Frigideira Speedy Balança infraverm. Estufa ENSAIOS Teor de umidade: Secagem em estufa. São feitas 3 ou mais determinações para uma mesma amostra; Temperatura de 105°C por 24 horas. Temperaturas maiores podem queimar a matéria orgânica no solo. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PA EXERCÍCIO ENSAIOS Para a compactação de um aterro de uma obra rodoviária, fez se necessária a determinação da umidade do material de empréstimo. Foram retiradas três amostras deste material e a umidade foi aferida pelo método da estufa. Determinar o teor de umidade do material de empréstimo. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW PA PT Cápsula 𝑤(%) = 𝑃𝑊 𝑃𝑆 ⋅ 100 Tara (g) Cápsula + solo úmido (g) Cápsula +solo seco (g) Massa de água (g) Massa de solo seco (g) Umidade (%) Cápsula 1 28,22 86,53 79,46 Cápsula 2 29,5 85,73 79,11 Cápsula 3 27,53 86,39 79,45 ENSAIOS Teor de umidade: Método Speedy. Medição da umidade através de reação química. Inserir no cilindro 5, 10 ou 20 gramas de solo úmido + duas esferas de aço + uma ampola de carbureto de cálcio. ENSAIOS Teor de umidade: Método Speedy. Agita-se vigorosamente o cilindro por 1 minuto. A pressão formada no interior do cilindro é função da quantidade de água (tabela de correlação). ENSAIOS Teor de umidade: Método da frigideira. Secagem do solo através do calor fornecido por uma frigideira sobre um fogareiro. Desvantagens: Queima da matéria orgânicapresente no solo, resultando em uma umidade maior que a real. Vantagens: Procedimento rápido. ENSAIOS Teor de umidade: Balança de luz infravermelha. O ensaio se dá com a colocação de 10 gramas de solo úmido na balança. A balança digital registra o peso inicial e aciona a luz infravermelha, que seca a amostra. Quando o peso da amostra torna-se constante, a máquina desliga a luz infravermelha, registra o peso final e imprime a umidade da amostra. ENSAIOS Teor de umidade: Balança de luz infravermelha. Vantagens: Método mais sofisticado e rápido (minutos). Desvantagens: Certa imprecisão de medida em solos com baixa umidade, uma vez que o solo perde toda sua umidade antes da lâmpada atingir a temperatura de trabalho (ou seja, o equipamento não registra essa pequena perda). ENSAIOS Peso especifico dos sólidos: É necessário descobrir a relação entre o peso e o volume das partículas sólidas. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total PS VS Peso específico sólidos ENSAIOS Peso especifico dos sólidos: A dificuldade está relacionada a determinação do volume das partículas sólidas; Para o peso, basta utilizar uma balança. Fonte: Oliveira, 2019 ENSAIOS Peso especifico dos sólidos: Picnômetro com água Solo seco Picnômetro com água e solo Água deslocada A = massa da amostra seca ao ar, g; B = massa do recipiente com volume completo com água, g; C = massa do recipiente + amostra submersa em água, g. 𝜌𝑠 = 𝐴 𝐴 + 𝐵 − 𝐶 A + B - C é a massa de água deslocada! A equação é, então, adimensional? Não. O que ocorre é que na verdade é (A + B – C) / ρw, assim convertendo a massa de água para volume de água. Porém, como a massa específica da água é de 1 g/cm³ ela não aparece na equação. Ainda, é importante atentar que a equação fornece a massa específica dos sólidos, não o peso específico. ENSAIOS Peso especifico dos sólidos: Densidade dos sólidos ou peso específico relativo dos sólidos. Como anteriormente apresentado, a densidade é a normalização do peso específico do material com o peso específico da água a 4°C. 𝐺𝑠 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜𝑠 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑘𝑁 𝑚³ 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 𝑎 4°𝐶 𝑘𝑁 𝑚³ ENSAIOS Peso especifico dos sólidos: Temperatura da água influencia na determinação do peso específico real dos sólidos. Temp (°C) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 0,99984 0,99985 0,99985 0,99986 0,99987 0,99987 0,99988 0,99988 0,99989 0,9999 1 0,9999 0,99991 0,99991 0,99991 0,99992 0,99992 0,99993 0,99993 0,99993 0,99994 2 0,99994 0,99994 0,99995 0,99995 0,99995 0,99996 0,99996 0,99996 0,99996 0,99996 3 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 4 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 0,99997 5 0,99997 0,99996 0,99996 0,99996 0,99996 0,99996 0,99995 0,99995 0,99995 0,99994 6 0,99994 0,99994 0,99994 0,99993 0,99993 0,99992 0,99992 0,99992 0,99991 0,99991 7 0,9999 0,9999 0,99989 0,99989 0,99988 0,99988 0,99987 0,99987 0,99986 0,99986 8 0,99985 0,99984 0,99984 0,99983 0,99982 0,99982 0,99981 0,9998 0,9998 0,99979 9 0,99978 0,99977 0,99977 0,99976 0,99975 0,99974 0,99973 0,99973 0,99972 0,99971 10 0,9997 0,99969 0,99968 0,99967 0,99966 0,99965 0,99965 0,99964 0,99963 0,99962 11 0,99961 0,9996 0,99959 0,99957 0,99956 0,99955 0,99954 0,99953 0,99952 0,99951 12 0,9995 0,99949 0,99948 0,99946 0,99945 0,99944 0,99943 0,99942 0,9994 0,99939 13 0,99938 0,99936 0,99935 0,99934 0,99933 0,99931 0,9993 0,99929 0,99927 0,99926 14 0,99924 0,99923 0,99922 0,9992 0,99919 0,99917 0,99916 0,99914 0,99913 0,99911 15 0,9991 0,99908 0,99907 0,99905 0,99904 0,99902 0,99901 0,99899 0,99898 0,99896 16 0,99894 0,99893 0,99891 0,99889 0,99888 0,99886 0,99884 0,99883 0,99881 0,99879 17 0,99877 0,99876 0,99874 0,99872 0,9987 0,99869 0,99867 0,99865 0,99863 0,99861 18 0,9986 0,99858 0,99856 0,99854 0,99852 0,9985 0,99848 0,99846 0,99844 0,99842 19 0,99841 0,99839 0,99837 0,99835 0,99833 0,99831 0,99829 0,99827 0,99824 0,99822 20 0,9982 0,99818 0,99816 0,99814 0,99812 0,9981 0,99808 0,99806 0,99804 0,99801 21 0,99799 0,99797 0,99795 0,99793 0,9979 0,99788 0,99786 0,99784 0,99782 0,99779 22 0,99777 0,99775 0,99772 0,9977 0,99768 0,99766 0,99763 0,99761 0,99759 0,99756 23 0,99754 0,99751 0,99749 0,99747 0,99744 0,99742 0,99739 0,99737 0,99735 0,99732 24 0,9973 0,99727 0,99725 0,99722 0,9972 0,99717 0,99715 0,99712 0,9971 0,99707 25 0,99704 0,99702 0,99699 0,99697 0,99694 0,99691 0,99689 0,99686 0,99684 0,99681 26 0,99678 0,99676 0,99673 0,9967 0,99668 0,99665 0,99662 0,99659 0,99657 0,99654 27 0,99651 0,99649 0,99646 0,99643 0,9964 0,99637 0,99635 0,99632 0,99629 0,99626 28 0,99623 0,9962 0,99618 0,99615 0,99612 0,99609 0,99606 0,99603 0,996 0,99597 29 0,99594 0,99591 0,99589 0,99586 0,99583 0,9958 0,99577 0,99574 0,99571 0,99568 30 0,99565 0,99562 0,99559 0,99556 0,99553 0,99549 0,99546 0,99543 0,9954 0,99537 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 𝐺𝑆−20°𝐶 = 𝐺𝑆−𝑇 𝜌𝑤−𝑇 𝜌𝑤−20°𝐶 EXERCÍCIO ENSAIOS Dados os resultados de um ensaios de peso específico dos sólidos através do método do picnômetro, calcular o peso específico dos sólidos. Picnômetro com água Solo seco Picnômetro com água e solo Água deslocada Conjunto Massa (g) Picnômetro 149,62 Picnômetro + Solo seco 199,60 Massa de solo 49,98 Picnômetro + Solo + Água 680,13 Picnômetro + Água 648,59 𝜌𝑠 = 𝐴 𝐴 + 𝐵 − 𝐶 A = massa da amostra seca ao ar, g; B = massa do recipiente com volume completo com água, g; C = massa do recipiente + amostra submersa em água, g. EXERCÍCIO ENSAIOS Dados os resultados de um ensaios de peso específico dos sólidos através do método do picnômetro, calcular o peso específico dos sólidos. Conjunto Massa (g) Picnômetro 149,62 Picnômetro + Solo seco 199,60 Massa de solo 49,98 Picnômetro + Solo + Água 680,13 Picnômetro + Água 648,59 𝜌𝑠 = 𝐴 𝐴 + 𝐵 − 𝐶 E se a massa de solo estivesse úmida? Picnômetro com água Solo seco Picnômetro com água e solo Água deslocada ENSAIOS Peso específico natural: É necessário descobrir a relação entre o peso total e o volume total do solo (incluindo agua e ar). Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW Volumes VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar VV = Volume de vazios VT = Volume total PA PT Pesos PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PT = Peso total Peso específico natural PT VT ENSAIOS Peso específico natural: Mais uma vez, a dificuldade é determinar o volume do material; Aqui a dificuldade é ainda maior, pois o solo precisa manter o volume que tem em campo. Fonte: Flaticon.com Fonte: Flaticon.com ENSAIOS Peso específico natural: Para a retirada da amostra sem variação de volume, algumas opções estão disponíveis e dependem do tipo de solo a ser amostrado; Por enquanto, vamos apenas considerar a retirada de amostras cilíndricas a partir da cravação de um tubo. Fonte: torresgeotecnia.com.brFonte: Notas de aula Martins, 2010 ENSAIOS Peso específico natural: Método da parafina. Corpo de prova com aproximadamente 2 cm de diâmetro. Relação entre os pesos do CP sem parafina, com parafina e submerso. ENSAIOS Peso específico natural: Método da parafina. Parafina Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW PA VP PP PT Amostra envolta de parafina Esquema da amostra envolta de parafina 𝛾𝑛 = 𝑃𝑇 𝑉𝑇 ENSAIOS Peso específico natural: Método da parafina. Onde: Ainda: Parafina Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW PA VP PP PT 𝛾𝑛 = 𝑃𝑇 𝑉𝑇 𝑉𝑇 = 𝑉𝑇+𝑃 − 𝑉𝑃 𝑉𝑇+𝑃 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎𝑆+𝑊+𝐴+𝑃 −𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎_𝑠𝑢𝑏𝑆+𝑊+𝐴+𝑃 𝜌𝑊 𝜌𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑖𝑛𝑎 = 0,912 𝑔/𝑐𝑚³𝜌𝑤 = 1,000 𝑔/𝑐𝑚³ 𝜌 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 EXERCÍCIO ENSAIOS Dados os resultados de um ensaiosde peso específico natural através do método da parafina, calcular o peso específico natural do solo. Conjunto Massa (g) Solo ao ar 116,60 Solo + Parafina ao ar 124,38 Solo + Parafina submerso 60,50 Parafina Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW PA VP PP PT 𝑉𝑇 = 𝑉𝑇+𝑃 − 𝑉𝑃 𝑉𝑇+𝑃 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎𝑆+𝑊+𝐴+𝑃 −𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎_𝑠𝑢𝑏𝑆+𝑊+𝐴+𝑃 𝜌𝑊 𝜌𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑖𝑛𝑎 = 0,912 𝑔/𝑐𝑚³ EXERCÍCIO ENSAIOS Um corpo de prova cilíndrico de solo apresenta as seguintes características: diâmetro=5 cm, altura=10 cm, massa=400 g, peso específico dos grãos=27,8 kN/m³. Foi retirada uma amostra deformada deste corpo de prova. A amostra possuía uma massa de 100 g antes da secagem em estufa, e 79 g após secagem. Calcule: a) massa específica; b) massa específica aparente seca; c) índice de vazios; d) grau de saturação. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PA EXERCÍCIO ENSAIOS Uma amostra de argila saturada tem volume de 17,4 cm³ e massa de 29,8 g. Após a secagem total em estufa seu volume e massa passaram a ser de 10,5 cm³ e 19,6 g respectivamente. Pede-se: Determinar o teor de umidade, a massa específica do solo, a massa especifica dos sólidos , a massa específica aparente seca, bem como o índice de vazios e porosidade antes e depois da secagem. Ar Água SólidosVS VW VA VV VT PS PW VS = Volume dos sólidos VW = Volume da água VA = Volume do ar PW = Peso da água PS = Peso dos sólidos PA = Peso do ar PA
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