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1 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida GEOTECNIA APLICADA A PROJETOS DE RODOVIAS MBA EM ENGENHARIA RODOVIÁRIA UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS CURSO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES PROF. DR. JOAO PAULO SOUZA SILVA APOSTILA SOBRE ÍNDICES FÍSICOS, FATORES DE CONVERSÃO DO SOLO, LIMITES DE CONSISTÊNCIA, GRANULOMETRIA E CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS 2 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida /// APRESENTAÇÃO O significado da palavra solo não é o mesmo para todas as ciências que estudam a natureza. Para fins de Engenharia de Transportes, admite-se que os solos são misturas naturais de um ou diversos minerais (às vezes com matéria orgânica) que podem ser separados por processos mecânicos simples, tais como agitação em água ou manuseio. Numa conceituação mais simplista, o solo seria todo material que pudesse ser escavado, sem o emprego de técnicas especiais, como, por exemplo, explosivos. O objetivo desta publicação é colocar ao alcance dos estudantes, uma coletânea de textos originários de notas de aula, normas técnicas brasileiras (ABNT e DNIT), capítulos de livros, manuais técnicos do DNIT e apostilas disponíveis em bancos de dados bibliográficos. A compilação das informações possibilita aos alunos o acompanhamento sobre os assuntos, e serve como fonte bibliográfica para questionar, aprofundar e consolidar os conhecimentos. Além disso, os conteúdos são aplicáveis a estudos mais elaborados que sejam requeridos no exercício de suas atividades profissionais, tais como escolha de material para obras de aterros, fundações de pontes e viadutos, movimentação de terra e técnicas construtivas utilizando solo como fundação ou como material de construção. Bons estudos!!! Prof. Dr. João Paulo Souza 3 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida UNIDADE 1 – O ESTADO DO SOLO O OBJETIVO DESSA UNIDADE É TRAZER UMA COMPILAÇÃO DE INFORMAÇÕES ACERCA DE ÍNDICES FÍSICOS, FATORES DE CONVERSÃO E CONSISTÊNCIA DOS SOLOS. Ao final dos estudos, você deverá ser capaz de: interpretar os principais índices físicos do solo, comparando resultados reais com aqueles tradicionalmente utilizados na conversão de volumes, massas e densidades dos solos. Além disso, compreenderá como a consistência e a granulometria do solo podem influenciar na classificação e no seu desempenho mecânico. 1. ÍNDICES FÍSICOS DO SOLO Numa massa de solo, podem ocorrer três fases: a fase sólida, a fase gasosa e a fase líquida. A fase sólida é formada pelas partículas minerais do solo, a fase líquida por água e a fase gasosa compreendem todo o ar existente nos espaços entre as partículas. Portanto, o solo é um sistema trifásico onde a fase sólida é um conjunto discreto de partículas minerais dispostas a formarem uma estrutura porosa que conterá os elementos constituintes das fases líquida e gasosa. A Figura 1 apresenta um esquema de uma amostra de solo em que aparecem as três fases tal qual na natureza e esta amostra com suas fases separadas para atender a uma conveniência didática de definição dos índices físicos. Figura 1- Esquema de uma amostra de solo: elemento de solo natural 4 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida (a) (b) Figura 2 - Esquema de uma amostra de solo: diagrama de fases. V = volume total M = Massa total Vs = volume de sólidos Ms = Massa dos sólidos Vv = volume de vazios Mw = Massa de água Vw = volume de água Ma = Massa de ar (Ma = 0) Va = volume de ar V = Vs + Vv, onde Vv = Vw + Va Mt = Ms + Mw As partículas sólidas do solo são pequenos grãos de diferentes minerais, cujos vazios podem ser preenchidos por água, ar, ou parcialmente por ambos (ar e água). Define-se mineral como uma substância inorgânica e natural, com uma estrutura interna definida (átomos e íons) e com composição química e propriedades físicas fixas ou variam dentro de limites definidos. As partículas sólidas dos solos grossos são constituídas por silicatos (feldspatos, micas, olivinas, etc.), óxidos (quartzo), carbonatos (calcita, dolomita), sulfatos (limonita, magnetita). Já os solos finos são constituídos por silicatos de alumínio hidratado (argilo-minerais). Em outras palavras, o volume total da massa de solo (V) consiste do volume de partículas sólidas (Vs) e do volume de vazios (Vv). O volume de vazios é geralmente formado pelo volume de água (Vw) e pelo volume de ar (Va). A Figura 2 mostra um diagrama de fase no qual cada uma das três fases é apresentada separadamente. No lado esquerdo, usualmente indicamos o volume das três fases e, no lado direito, os pesos correspondentes às fases. Como o peso específico do ar é muito pequeno quando comparada as massas específicas da água e dos sólidos, a massa da fase gasosa (Ma) será sempre desprezado no cálculo da massa do solo. Os índices físicos são definidos como grandezas que expressam as proporções entre pesos e volumes em que ocorrem as três fases presentes numa estrutura 5 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida de solo. Estes índices possibilitam determinar as propriedades físicas do solo para controle de amostras a serem ensaiadas e nos cálculos de esforços atuantes. Os índices físicos dos solos são utilizados na caracterização de suas condições, 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 vocabulário de uso diário do geotécnico. Nos itens seguintes, serão definidos os índices físicos, separando-os em três grupos, conforme definição anterior, bem como, apresentadas fórmulas de correlação entre os mesmos e a maneira experimental de obter alguns deles. Índices físicos, granulometria e limites de consistência formam as propriedades índices que são aplicadas na classificação e identificação dos solos, uma vez que elas podem ser correlacionadas, ainda que grosseiramente, com características mais complexas do solo, como por exemplo, a compressibilidade e resistência. 1.1 - Relação de fases As relações apresentadas a seguir constituem uma parte essencial da Mecânica dos Solos e são básicas para a maioria dos cálculos desta ciência. 1.1.1 Relação entre pesos ou massas a) Teor de umidade (w %): O teor de umidade de um solo é determinado como a relação entre a massa de água (Mw) e a massa das partículas sólidas (Ms) em um volume de solo. De acordo com a simbologia mostrada na Figura 2, tem-se: w = (Mw/Ms) x100 (%) O teor de umidade pode assumir o valor de 0% para solos secos (Mw = 0) até valores superiores a 100% em solos orgânicos. Entretanto, na natureza é comum e típico encontrarmos valores de umidade até 40% para solos geralmente utilizados como material de construção. Abaixo são mostradas duas situações que comumente causam dúvida nos profissionais da área. 6 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Vamos analisar para uma situação unitária (Vt = 1cm³). Então: Se a água possui densidade = 1g/cm³, então sua massa para 50% do volume unitário (de 0,5 cm³), será 0,5g Se o sólido possui densidade = 2,6g/cm³, então sua massa para 50% do volume unitário será 1,3 g (pois ɣs = Ms/Vs e se Vs = 0,5 e ɣs = 2,6) Obs.: Você deve estar se perguntando o porque ɣs = 2,6 g/cm³. Quando não conhecemos (experimentalmente o resultado de ɣs) podemos adotar valores entre 2,6 até 2,85 g/cm³ pois nossos solos são ricos em Mineral de Quartzo, que por sua vez comumente apresentam ɣs = entre 2,6 e 2,85 g/cm³. Vamos analisar outra situação: 7 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida É importante ressaltar que alguns autores preferem apresentar as relações em forma de peso, donde é necessário atentar-se para a transformação do parâmetro massa-peso,bem como as unidades de medida dos mesmos. Logo temos as seguinte relação: P = m.g (P=peso; m=massa; g = aceleração da gravidade). Por exemplo, uma pessoa com a massa igual a 57 kg possui o seguinte peso na terra: P = m * g → P = 57 * 9,8 → P = 558,6 N ou 0,5586 kN; onde N = Newton 1.1.2 - Relação entre volumes Existem três relações volumétricas que são muito utilizadas na Engenharia Geotécnica e podem ser determinadas diretamente do diagrama de fases da Figura 2. a) Índice de vazios (e) : É a relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume dos sólidos (Vs), existente em igual volume de solo. Este índice tem como finalidade indicar a variação volumétrica do solo ao longo do tempo, tem-se: e = Vv/Vs O índice de vazios será medido por um número natural e deverá ser, obrigatoriamente, maior do que zero em seu limite inferior, enquanto não há um limite superior bem definido, dependendo da estrutura do solo. Exemplo de valores típicos do índice 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 orgânicos, podemos encontrar valores superiores a 1,5. É possível determinar experimentalmente o índice de vazios em três situações: no estado natural (enat), no estado compactado (emín) e no estado fofo (emáx). O método de ensaio recomendado é o preconizado pela NBR 12051/91 – Método B (Figura 3). Figura 3 - Equipamento para execução do ensaio de índice de vazios. 8 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida b) Porosidade (η) É a relação entre o volume dos vazios (Vv) e o volume total (V) da amostra, tem-se: η = (Vv/V) . 100 (%) A porosidade é expressa em porcentagem, e o seu intervalo de variação é entre 0 e 100%, comumente encontrados valores entre 30 a 70%. Das equações apresentadas mais adiante podemos expressar a porosidade em função do índice de vazios e vice versa, através das equações apresentadas abaixo: η = e / (1 + e) ou e = η / (1 - η) A porosidade e o índice de vazios podem ser classificados segundo a tabela a seguir: Tabela 1 - Classificação da porosidade e do índice de vazios nos solos Porosidade (%) Índice de vazios Denominação >50 > 1 Muito alta 45 – 50 0,80 – 1,00 Alta 35 – 45 0,55 – 0,80 Média 30 – 45 0,43 – 0,55 Baixa < 30 < 0,43 Muito baixa c) Grau de saturação (S ou Sr) O grau de saturação indica que porcentagem do volume total de vazios contém água. Se o solo está completamente seco, então Sr = 0%, se os poros estão cheios de água, então o solo está 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 saturação, pode ser classificado em: Tabela 2 - Classificação do solo quanto ao grau de saturação Grau de saturação (%) Denominação 0 – 25 Naturalmente seco 25 – 50 Úmido 50 – 80 Muito úmido 80 – 95 Saturado 95 - 100 Altamente saturado 9 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Vamos analisar uma situação: Vamos analisar outra situação: 1.1.3 Relação entre massas e volumes a) Massa específica aparente natural ou úmido (γ, γnat , γt) É a relação entre a massa total (M) e o volume total da amostra (V) para um valor qualquer do grau de saturação, diferente dos extremos, e utilizando-se a simbologia da Figura 2, será calculado como: γ = M/V unidades (g/cm³ , Kg/m³ , kN/m³ , t/m³ ) A magnitude da massa específica natural dependerá da quantidade de água nos vazios e dos grãos minerais predominantes, e é utilizado no cálculo de esforços. 10 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida b) Massa específica aparente seca (γd) É a relação entre a massa dos sólidos (Ms) e o volume total da amostra (V), para a condição limite do grau de saturação (limite inferior - Sr = 0%), tem-se: γd = (Ms/V) unidades (g/cm³ , Kg/m³ , kN/m³ , t/m³ ) A massa específica aparente seca é empregada para verificar o grau de compactação de aterros. É obtido experimentalmente por meio do ensaio de compactação do solo, e determinação da umidade a qual foi utilizada para compactar, detalhado melhor no capítulo que trata sobre Compactação. c) Massa específica saturada (γsat) É a relação entre a massa total (M) e o volume total (V), para a condição de grau de saturação igual a 100%, tem-se: γ = (Msat/V) unidades (g/cm³ , Kg/m³ , kN/m³ , t/m³ ) Em nenhuma das condições extremas levou-se em consideração a variação do volume do solo, devido ao secamento ou saturação. É importante ressaltar que nem sempre um material que está submerso estará completamente saturado, principalmente materiais argilosos. Entretanto, na Engenharia Geotécnica, é comum considerar que materiais submersos estejam saturados, estando assim favorável à segurança, pois considerando um material com condição saturada, apresentará ação da água em aproximadamente 100% dos espaços vazios do solo. d) Massa específica real dos grãos ou sólidos (γs ) (NBR 6508/84) É a relação entre a massa dos sólidos (Ms) e o volume dos sólidos (Vs), dependendo dos minerais formadores do solo, tem-se: γs = ms/Vs unidades (g/cm³ , Kg/m³ , kN/m³ , t/m³ ) O valor massa específica dos sólidos representa uma média dos pesos específicos dos minerais que compõem a fase sólida. e) Massa específica da água (γw) É a razão entre a massa de água (Mw) e seu respectivo volume (Vw). γw = Mw/Vw Nos casos práticos adota-se a massa específica da água como: 1g/cm³ = 10kN/m³ = 1000kg/m³. f) Massa específica submerso (γsub ou γ’) Quando a camada de solo está abaixo do nível freático, define-se a massa específica submersa, o qual é utilizado para o cálculo de tensões, principalmente as tensões efetivas. É dado pela equação γsub = γsat – γw 11 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida 1.1.4 Fórmulas de Correlação As fórmulas de definição dos índices físicos não são práticas, para a utilização em cálculos e assim, recorre-se as fórmulas de correlação entre os índices, como as apresentadas a seguir: 12 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Exercícios resolvidos – índices físicos EXERCÍCIO 1: Uma amostra de argila saturada tem um volume de 17,4cm³ e peso de 29,8g. Após a secagem em estufa, o volume passou a 10,5cm³ e o peso a 19,6 g. Pede-se para determinar os seguintes índices físicos: w, γs, ei, ef, γdi, γdf, ηi, ηf Amostra inicialmente saturada Vv=Vw Mw = M - Ms = 29,8 - 19,6 = 10,2g γw = Pw/Vw è 1,0 g/cm³ = 10,2g/Vw è Vw = Vv = 10,2 cm³ Vs = V - Vw = 17,4 - 10,2 = 7,2 cm³ (não apresenta ΔV com o secamento) w = Mw/Ms = 10,2/19,6 = 52% γs = Ms/Vs = 19,6/7,2 = 2,72 g/cm³ ei = 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 γdi = Ms/V = 19,6/17,4 = 1,13 g/cm³ γdf = Ms/Vf = 19,6/10,5 = 1,87 g/cm³ ηi = Vvi/Vi = 10,2/17,4 = 58,6% ηf = Vvf/Vf = 3,3/10,5 = 31,4% EXERCÍCIO 2 - Uma jazida a ser empregada em uma barragem tem solo com Massa específica aparente seca γd médio de 17 kN/m³. Um aterro com 200.000 m³ deverá ser construído com uma massa específica aparente seca médio de 19 KN/m³. Foram determinadas as seguintes características do solo: teor de umidade igual a 10% e ɣs = 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 úmido a ser escavado, em toneladas; (c) A massa seca a ser escavada, em toneladas. Resposta: Considerando que não haverá mudança de umidade do material escavado para o aterro construído, e se na JAZIDA γd = 17 kN/m³ e w = 10% então γn = 18,7kN/m³ Se no ATERRO, γd = 19kN/m³ e o Vtaterro = 200.000m³, então γd = Ms/Vtaterro à Ms = 3.800.000kN ou 380.000t P = 29,0g Ps = 19,6g 13 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Se γdjazida = 17kN/m³ e Ms = 3.800.000kN, então Vtjazida = 223.529,41m³ (material escavado para construir200.000m³ de aterro) Se γn = Mt/Vt e γn = 18,7kN/m³ e Vtjazida = 223.529,41m³, então Mtjazida = 4.180.000 kN ou 418.000 t (essa será a massa escavada para construir o aterro de 200.000m³). EXERCÍCIO 3 - Deseja-se construir um aterro com material argiloso com uma seção de 21m² e 1,0 Km de comprimento, com índice de vazios igual a 0,28 e w=15,0%. Para tanto será explorada uma jazida localizada a 8,6 Km de distância do eixo do aterro, cujos ensaios indicaram: índice de vazios (amostra indeformada, dentro da jazida) = 0,53, índice de vazios (amostra solta após escavação) = 0,802, teor de umidade = 5,0% e ɣs = 2,6 g/cm³ (ou 26,0 kN/m³). Determinar: (a). Quantos metros cúbicos de material deverão ser escavados na jazida para construir o aterro; (b) Quantas viagens de caminhões caçamba de 16m³ de capacidade serão necessárias para executar o aterro. A imagem abaixo ilustra a situação-problema: Resposta: Para começar a resolver o exercício, é preciso analisar os parâmetros REAIS obtidos por meio de investigação geotécnica. A partir daí, note que temos várias informações que devem ser utilizadas. Como é explícito no enunciado que o nosso desafio é encontrar o volume a ser escavado na JAZIDA. Assim, o caminho mais fácil é começar analisar os resultados do ATERRO, pois dele, conhecemos tudo que precisamos. Então: ANALISANDO O ATERRO ecompact = 0,70 ; Vtcompact=21.000m³ (esse será o volume total do aterro após ter sido compactado, ou seja, obra pronta); w = 15,0% γs=2,6g/cm³ (26,0 kN/m³) Partindo da equação e = (γs/ γd)-1, encontramos γd=2,031g/cm³ ou 20,31kN/m³ 14 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Partindo da equação γd=Ms/Vtcompact encontramos Ms = 426.510kN O parâmetro Ms é fundamental numa análise geotécnica. Ms não muda independente do estágio da obra ou se o material foi compactado, escavado, transportado, pois Ms depende exclusivamente do grão do solo, e o grão não muda de tamanho ou volume. A única coisa que muda no Solo é a umidade e ar que pode ser acrescido ou eliminado, fazendo com que Mt sofra alteração, mas nunca o Ms. ANALISANDO A JAZIDA Agora, de posse de Ms = 426.510kN, podemos analisar as condições da jazida. A jazida possui enat 0,53 (esse é o valor de índice de vazios que vamos usar, pois queremos encontrar o volume que vai ser escavado, ou seja, o buraco que será aberto na jazida que está em repouso, produzida e compactada por ação geológica). O índice de vazios e = 0,802 só deve ser usado quando há interesse em calcular qualquer coisa relacionado ao solo solto, esvavado e que será transportado! Temos também na Jazida w=5,0% e γs=2,6g/cm³ (26,0 kN/m³). Note que γs, assim como Ms, não muda!!!! Porque? O grão não sofre alteração! Logo, usando a equação e = (γs/ γd)-1 obtemos γd=1,699g/cm³ (16,99 kN/m³) Partindo da equação γnjazida= γd(1+w),onde w=5%, obtemos γnjazida = 1,784 g/cm³ (17,84 kN/m³) Como Ms = 426.510 kN, obtido no ATERRO, não muda, então podemos determinar o Mt da Jazida, usando o Ms, w=5% (da jazida): Mt = Ms (1+ w) onde encontramos Mt = 447.835,5 kN (jazida) e γnjazida = 1,784 g/cm³ (17,84 kN/m³), então: γnjazida = Mt/Vtjazida Assim temos: Vtjazida = 25.102,88m³ (esse é o volume que deverá ser explorado na jazida, ou seja, o tamanho do buraco que será aberto para fornecer material para executar o aterro). ANALISANDO O SOLO SOLTO QUE FOI ESCAVADO E SERÁ TRANSPORTADO Do enunciado, temos que: esolto=0,802 w=5% (não há indicação no enunciado que o material tenha ganhado ou perdido umidade, então adota-se o valor que estava na jazida). γs=2,6g/cm³ (26,0 kN/m³). Note mais uma vez que γs não mudou! E não muda mesmo, pois o grão não sofreu alteração! 15 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Assim, é possível calcular: e = (γs/ γd)-1 γd=1,443g/cm³ (14,43 kN/m³). Logo, temos que γnsolto= γd(1+w) γnsolto= 1,443(1+0,05) γnsolto = 1,515g/cm³ (15,15 kN/m³). Como Ms = 426.510 kN, obtido no ATERRO, não muda, então podemos determinar o Mt do material solto que deverá ser igual ao Mt do material no aterro, pois não houve mudança de umidade. Então, usando o Ms, w=5% (da jazida): Mt = Ms (1+ w) è Mt = 426.510 (1+0,05) onde encontramos Mt = 447.835,5 kN (solo solto) e γnsolto = 1,515g/cm³ (15,15 kN/m³), então: γnsolto = Mt/Vtsolto Assim temos: Vtsolto = 29.560,09m³ (esse é o volume solto, que por sua vez será transportado nos caminhões). Viagens = Vtsolto/capacidade veículo Viagens = 29.560,09 / 16 è 1.847,5 viagens, porém não existe viagem com volume quebrado. Na prática, arredondamos para cima, então Nºviagens = 1.848 Ainda continua em dúvida sobre o tema de Índices Físicos do Solo? Uma dica para melhorar seus estudos, é buscar outras fontes bibliográficas ou mesmo alguns vídeos disponíveis no Youtube. Tenho algumas sugestões: 1. Mecânica dos solos 1 - Aula004 - Índices físicos suas propriedades e relações https://www.youtube.com/watch?v=SU9cfzz2kd8 2. Mecânica dos solos 1 - Aula005 - Exercícios relacionando os índices físicos - Parte I https://www.youtube.com/watch?v=XsTjiIn5mko 3. ÍNDICES FÍSICOS - RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIOS PASSO A PASSO https://www.youtube.com/watch?v=DDLmqJr_aX8 16 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida 2. FATORES DE CONVERSÃO DO SOLO Neste tópico vamos abordar os três fatores de conversão do solo que são largamente utilizados em análises geotécnicas de obras rodoviárias. Pessoal, para nós conseguirmos compactar 1 m³ de solo, quantos metros cúbicos são necessários escavar? E, quantos metros cúbicos são necessários transportar? A pergunta pode parecer simples, mas a resposta nem tanto! É importante mencionar que a compilação de informações aqui apresentadas, são baseadas nos seguintes documentos oficiais: 1. SILVA, J.P.S. Mecânica dos Solos – Introdução à Engenharia Geotécnica. Livro Rápido Editora, Recife, 2016. 2. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES - DNIT. Manual de Pavimentação. Publicação IPR 719, 2006. 3. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES - DNIT. Manual de implantação básica de rodovia. 3ª edição. Publicação IPR 742, 2010 4. PEREIRA, D.M; RATTON, E. BLASI, G. F; PEREIRA, M.A;FILHO, W.K; COSTA, R. Introdução à terraplenagem. Apostila do curso de Engenharia Civil, disciplina Infraestrutura viária. Universidade Federal do Paraná – UFPR. 2015. 5. Norma DNIT 106/2009 – ES. Terraplenagem – Cortes. Especificação de Serviço. 2.1 Variações volumétricas do solo Um material a ser terraplenado, possuidor de uma massa “m”, ocupa no corte de origem um volume Vcorte (volume do material compactado em estado natural dentro da jazida). Ao ser escavado, esse material sofre um desarranjo na organização de suas partículas, de forma que a mesma massa passa a ocupar um volume Vsolto. Finalmente, após ser descarregado e submetido a um processo mecânico de compactação, o material ocupará um terceiro volume Vcomp. Para os solos terraplenados, prevalece a seguinte relação: Vsolto > Vcorte > Vcomp Assim, em se tratando da mesma massa “m”, podemos concluir que as densidades: Dcomp>Dcorte>Dsolto As atividades desempenhadas durante os serviços de terraplenagem têm uma importância muito grande no valor do orçamento do projeto de terraplenagem. Assim, por ocorrem variações volumétricas durante a movimentação dos 17 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida materiais escavados é importante que se faça algumas considerações acerca dessas variações, como: • Fator de empolamento (Fe) • Fator de contração (Fc) • Fator de homogeneização (Fh) 2.1.1 Fator de empolamento (Fe) • Se considerarmos uma determinada massa de solo natural, de volume natural (Vn), esta massa de solo apresentará um aumento de volume ou empolamento após o solo ser escavado, com um volume solto (Vs) maior do que (Vn); • A mesma massa de solo apresentará, apóscompactada, um volume compactado (Vc) menor do que volume natural (Vn); • A massa específica natural (γn) será, portanto, maior do que a massa específica aparente solta (γsolto) e menor do que a massa específica aparente seca compactada (γcomp). O Fator de Empolamento (Fe) é um parâmetro adimensional, sistematicamente maior do que a unidade. Permite que, conhecidos o volume a ser cortado e a capacidade volumétrica das unidades transportadoras, se determine o número de veículos a ser empregado para permitir o transporte do material escavado e “empolado”. Por outro lado, propicia a estimativa do volume ocorrente no corte a partir da cubação do material nas unidades transportadoras. onde E(%) é a taxa de empolamento. A figura abaixo ilustra o processo de empolamento do solo. Figura 4 – Representação do Fator de empolamento do solo. 18 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida É comum na literatura encontrarmos valores de Fe da ordem de 1,25 até 1,4. É importante ressaltar que esses valores típicos de conversão só devem ser usados em caráter especial e de urgência! 2.1.2 O Fator de contração (Fc) também de parâmetro adimensional, assumindo, para os solos, valores inferiores à unidade. No entanto, quando a escavação for executada em materiais compactos (rocha sã, p.ex.) de elevada densidade “in situ”, resultará fator de contração superior à unidade. Este parâmetro permite que se faça uma estimativa do material, medido no corte, necessário à confecção de um determinado aterro. Se quiser calcular uma Taxa de Contração (C%) C% = [(Vcorte – Vaterro)/(Vcorte)]*100 A figura abaixo ilustra o processo de contração que o solo sofre ao sair de uma condição solta (fofa) e atingir uma condição compactada (dentro do aterro) após processo de compactação. Figura 5 – Esquema do processo de contração do solo É comum na literatura encontrarmos valores de Fc da ordem de 0,6 até 0,7, ou seja, uma redução de volume de aproximadamente 30 a 40% comparado com o solo solto. É importante ressaltar que esses valores típicos de conversão só devem ser usados em caráter especial e de urgência! 2.1.3 Fator de homogeneização É similar ao do fator de contração, ou seja, estimar o volume de corte necessário à confecção de um determinado aterro. Sua aplicação é voltada 19 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida para a etapa de projeto constituindo-se em subsídio fundamental ao bom desempenho da tarefa de distribuição do material escavado. Sendo o inverso do fator de contração, assume valores superiores à unidade para solos, e inferiores para materiais compactos Taxa de homogeneização (h%) = [(Vcorte/Vaterro)/Vaterro]*100 Na prática, costuma-se trabalhar com valores médios para Dcorte e Dcomp, aplicáveis a um determinado segmento de características geológicas homogêneas, aplicando-se, ainda, um fator de segurança (usualmente 5%), destinado a compensar as inevitáveis perdas ocorrentes durante o transporte dos materiais terraplenados, e possíveis excessos na compactação, já que os graus especificados são mínimos. ou ainda A figura abaixo ilustra o esquema do Fator de homogeneização. Figura 6 – esquema do fator de homogeneização Note que o Fh pode ser > 1 ou < 1, dependendo do sentido de análise de seu problema. Então, vale a pena ter bastante atenção nesta análise! É comum na literatura encontrarmos valores de Fh da ordem de: • Fh = 1,1 = no caso quando conhecemos o volume do aterro e queremos descobrir o volume a ser cortado na Jazida. Isso significa um acréscimo de 10% na expectativa de volume a ser escavado na jazida. 20 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida • Fh = 0,9 no caso quando conhecemos o volume do corte na jazida e queremos descobrir qual volume é possível executar de aterro compactado. Isso significa uma expectativa de redução de 10% no volume quando esse material for compactado. É importante ressaltar que esses valores típicos de conversão só devem ser usados em caráter especial e de urgência! 2.2 - O que dizem as normativas? Segundo o Manual de Implantação básica de rodovia (Publicação IPR-742 do DNIT): Para efeito de lançamento no diagrama de BRÜCKNER, tais volumes geométricos devem ser convertidos, mediante a adoção de fatores (multiplicadores) de conversão. Esses fatores devem ser obtidos a partir de estudos e ensaios geotécnicos com o solo em questão. Entretanto, caso não seja possível determinar de modo algum por meio de ensaios, pode-se adotar usualmente: • No caso de material de 1ª categoria: Fe = 1,15 • No caso de material de 2ª e 3ª categoria: Fe = 1,45 • No caso de aterro (corpo do aterro e camadas finais): Fe = 1,20 (1ª categoria) e Fe = 1,30 para materiais de 2ª e 3ª categoria. É importante ressaltar que esses valores típicos de conversão só devem ser usados em caráter especial e de urgência! 2.2.1 – Definição de categorias, segundo DNIT Segundo Manual de Implantação básica de Rodovia (Publicação IPR-742 do DNIT) e Norma DNIT 106/2009 – ES (Terraplenagem – Cortes: Especificação de Serviço), temos que: É a seguinte a definição das categorias de material escavado, no âmbito do DNIT: a) 1ª categoria: terra em geral, piçarra ou argila, rocha em adiantado estado de decomposição, seixos rolados ou não, com diâmetro máximo inferior de 15 cm, qualquer que seja o teor de umidade, compatíveis com a utilização de ―dozerǁ, ―scraperǁ rebocado ou motorizado. b) 2ª categoria: rocha com resistência à penetração mecânica inferior ao granito, blocos de pedra de volume inferior a 1m³, matacões e pedras de 21 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida diâmetro médio superior a 15 cm, cuja extração se processa com emprego de explosivo ou uso combinado de explosivos, máquinas de terraplenagem e ferramentas manuais comuns. c) 3ª categoria: rocha com resistência à penetração mecânica superior ou igual à do granito e blocos de rocha de volume igual ou superior a 1 m³, cuja extração e redução, para tornar possível o carregamento, se processam com o emprego contínuo de explosivo. O quadro apresentado a seguir resume o disposto nas definições anteriores: Evidentemente, o custo da extração de um material de 3ª categoria supera em muito ao de um material de 2ª categoria. Este, por sua vez, apresenta extração mais cara do que a de material classificado em 1ª categoria. Exercícios resolvidos – Fatores de conversão do solo EXERCÍCIO 1 - Deseja-se construir um aterro com material argiloso com uma seção de 21m² e 1,0 Km de comprimento, com índice de vazios igual a 0,28 e w=15,0%. Para tanto será explorada uma jazida localizada a 8,6 Km de distância do eixo do aterro, cujos ensaios indicaram: índice de vazios (amostra indeformada, dentro da jazida) = 0,53, índice de vazios (amostra solta após escavação) = 0,802, teor de umidade = 5,0% e ɣs = 2,6 g/cm³ (ou 26,0 kN/m³). Determinar: (a). Fatores de conversão do solo para situação REAL, ou seja, usando resultados das investigações geotécnicas; (b) Fatores de conversão do solo para situação HIPOTÉTICA, baseada na literatura. 22 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida A imagem abaixo ilustra a situação-problema: Resposta: Note que este exercício é o mesmo exercício feito no capítulo anterior, porém agora temos que verificar os fatores de conversão. Para isso, precisamos calcular as densidades ou volumes do ATERRO, JAZIDA e SOLO SOLTO. Obs.: caso tenha dúvidas sobre como os resultados abaixo foram encontrados, por favor vide Exercício 3 do Capítulo 1, lá encontram-se todos os detalhes dos cálculos. ANALISANDO O ATERRO Encontramos γd=2,031g/cm³ ou 20,31kN/m³ e Ms = 426.510kN ANALISANDO A JAZIDA Obtemos γd=1,699g/cm³ (16,99 kN/m³) e γnjazida = 1,784 g/cm³ (17,84 kN/m³) Encontramos Mt = 447.835,5 kN (jazida) e assimobtivemos Vtjazida = 25.102,88m³ (esse é o volume que deverá ser explorado na jazida, ou seja, o tamanho do buraco que será aberto para fornecer material para executar o aterro). ANALISANDO O SOLO SOLTO QUE FOI ESCAVADO E SERÁ TRANSPORTADO Encontramos γd=1,443g/cm³ (14,43 kN/m³) e γnsolto = 1,515g/cm³ (15,15 kN/m³). Mt = 447.835,5 kN (solo solto) e γnsolto = 1,515g/cm³ (15,15 kN/m³), então: γnsolto = Mt/Vtsolto Assim temos: Vtsolto = 29.560,09m³ (esse é o volume solto, que por sua vez será transportado nos caminhões). 23 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida RESPOSTA DO ÍTEM A): DETERMINANDO OS FATORES DE CONVERSÃO REAIS Só é possível determinar os Fatores de conversão (Fe, Fc e Fh) reais, quando temos resultados de investigação geotécnica, ou seja, resultados experimentais acerca de Densidades ou de Volumes das situações analisadas (Material na jazida, solo solto, material no aterro). Note, que temos esses resultados, obtidos a partir dos cálculos já executados. Então, temos que: Os Fatores de conversão baseados nos Volumes são respectivamente: Fator de Empolamento (Fe) Volume corte = Vtjazida = 25.102,88m³ ; Volume solto = Vtsolto = 29.560,09m³ è Fe = 29.560,09 / 25.102,88 è Fe = 1,177 è Fe = 1,18 è [(29.560,09 – 25.102,88)/ 25.102,88 ]* 100 E (%) = 17,75 % è E (%) = 18% Isso significa que após cortar o material na jazida, o material vai sofrer um acréscimo de 18% no seu volume e ficará solto para ser transportado. Note que que a taxa de empolamento é sempre o excedente a 1,0 do Fe,ou seja se Fe = 1,18 o excedente de 1,0 é igual a 0,18 que equivale a 18% Fator de Contração (Fc) Vcompactado = 21.000 m³ (volume do aterro) ; Vcorte = Vtjazida = 25.102,88m³ èFc = 21.000 / 25.102,88 è Fc = 0,836 è Fc = 0,84 Se quiser calcular uma Taxa de Contração (C%) C% = [(Vcorte – Vaterro)/(Vcorte)]*100 C% = [(25.102,88 – 21.000)/25.102,88]*100 è C% = 16,34% è C% = 16% Isso significa que quando compactar o material que estava solto, este vai sofrer uma redução de 16% do seu volume. Note que a taxa de contração sempre é o que falta para completar um Fc = 1,0, ou seja, nesse caso como Fc=0,84 faltam 0,16 para completar 1,0, e isso representa 16% 24 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Fator de Homogeneização (Fh) Analisando o aterro, encontramos γd=2,031g/cm³ ou 20,31kN/m³ e Vt = 21.000m³ (volume compactado) Analisando a Jazida, encontramos γd=1,699g/cm³ (16,99 kN/m³) e Vt = 25.102,88m³ (volume de corte) Então: è Fh = 25.102,88 / 21.000 è Fh = 1,195 Taxa de homogeneização (h%) = [(Vcorte - Vaterro)/Vaterro]*100 h% = [(25.102,88 – 21.000) / 21.000]* 100 è h% = 19,53% Isso significa que o volume que preciso escavar na jazida é 19,53% maior que o volume do aterro que vai ser executado. Entretanto, segundo o Manual de Implantação básica Rodoviária (Publicação DNIT 742, de 2010), é recomendado aplicar uma taxa de perda ou ineficiência do serviço, na ordem de 5%; logo: è Fh = 1,05 * 1,195 è Fh = 1,255 Os Fatores de conversão baseados nas massas específicas são respectivamente: Aterro à γd=2,031g/cm³ ou 20,31kN/m³ Jazida à γd=1,699g/cm³ (16,99 kN/m³) Solo solto à γd=1,443g/cm³ (14,43 kN/m³) Fator de Empolamento (Fe) è Fe = 16,99/14,43 è Fe = 1,18 (igual ao obtido com volume) A taxa de empolamento será 18% Fator de Contração (Fc) è Fc = 16,99/20,31 = 0,84 (igual ao obtido com o volume) A taxa de contração será de 16% 25 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Fator de Homogeneização (Fh) è Fh = 20,31/16,99 è Fh = 1,19 (igual ao obtido com o volume) A taxa de homogeneização será de 19% Entretanto, segundo o Manual de Implantação básica Rodoviária (Publicação DNIT 742, de 2010), é recomendado aplicar uma taxa de perda ou ineficiência do serviço, na ordem de 5%; logo: è Fh = 1,05 * 1,195 è Fh = 1,255 RESPOSTA DO ÍTEM B): DETERMINANDO OS FATORES DE CONVERSÃO TÍPICOS Caso não fosse possível determinar de modo algum por meio de ensaios, poder-se-ia adotar usualmente: • No caso de material de 1ª categoria: Fe = 1,15 • No caso de material de 2ª e 3ª categoria: Fe = 1,45 • No caso de aterro (corpo do aterro e camadas finais): Fe = 1,20 (1ª categoria) e Fe = 1,30 para materiais de 2ª e 3ª categoria. É importante ressaltar que esses valores típicos de conversão só devem ser usados em caráter especial e de urgência! Fator de empolamento (Fe) Note que poderíamos adotar Fe entre 1,15 até 1,45 para casos extremos. No exercício que estamos resolvendo, estamos nos referindo a material que será usado no corpo de um aterro rodoviário, logo seria adequado adotar Fe = 1,20 para material de 1ª categoria e Fe = 1,3 para 2ª e 3ª categoria. Observe que independente do material que existir na jazida mas que será usado no aterro, o Fe (teórico) = 1,2 ou 1,3 da literatura difere daquele obtido experimentalmente Fe(real) = 1,18, podendo provocar estimativas ruins para nosso projeto, como por exemplo estimar viagens para transporte do material ou mesmo horas de trabalho de escavação completamente fora da realidade. Fator de Contração (Fc) A literatura sugere Fc = 0,6 até 0,7 (estimado), o que significa uma redução entre 30 a 40% de volume quando compactamos um solo. Entretanto, observamos que nosso material para o projeto aqui trabalhado, apresenta Fc = 0,84 ou seja, uma taxa de contração de 16%, extremamente diferente daquilo previsto na literatura. Isso também pode trazer um prejuízo e erros enormes 26 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida nas estimativas e orçamentos realizados, pois estimar que o solo vai reduzir 40% é imaginar que precisarei de muito mais solo a ser extraído da jazida e ainda transportado do que a realidade nos mostra. Então, vale a pena a reflexão. Fator de homogeneização (Fh) A literatura sugere Fh = 1,10 (estimado) para os casos aonde conhecemos o Volume do Aterro, mas queremos encontrar uma estimativa de volume a ser escavado na Jazida. Note que o Fh(real) = 1,19 é muito diferente da literatura. Isso sugere que devemos refletir sobre a seguinte situação: Se estimar Fh = 1,10 é imaginar que terei que abrir um buraco na jazida 10% maior que o aterro, enquanto que um Fh = 1,19 mostra que na realidade terei que abrir um buraco na jazida de 19% maior que o aterro, ou seja, na realidade precisarei de 9% a mais de material do que a estimativa que a literatura sugere. Se eu confiasse simplesmente na literatura, sem qualquer preocupação nesse caso específico, eu teria uma Sub-estimativa de volume a ser extraído da jazida e isso faria com que a obra tivesse uma falta de material quando fosse executada. Além disso, um orçamento baseado nessa sub-estimativa, seria um orçamento abaixo daquilo que na realidade precisamos, ou seja, faltaria recursos financeiros para dar andamento na obra. Conclusão: Note, que sempre é prudente executarmos experimentos de laboratório e campo para determinarmos os padrões e parâmetros físicos do solos que estamos trabalhando. Isso traz maiores garantias nas nossas estimativas de volumes, orçamentos, impactos ambientais e cronograma físico da obra. Ademais, resultados reais nos respaldam enquanto profissionais da área, ou seja, em possíveis casos de fiscalização e auditorias, o profissional terá maior apoio em resultados baseados em medições reais nas etapas dos projetos e obras. Então, fica aqui uma pergunta a você leitor: O que você prefere ou acha mais prudente fazer: usar resultados estimados ou resultados reais em seus projetos e orçamentos? Cabe a cada profissional tomar essa decisão! Espero que esse conteúdo tenha sido proveitoso para sua prática profissional. 27 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida 3. GRANULOMETRIA DOS SOLOS Neste tópico vamos abordar a distribuição granulométrica dos solos, bemcomo parâmetros secundários obtidos a partir da curva granulométrica, que são dados fundamentais para análises geotécnicas de obras rodoviárias. É importante mencionar que a compilação de informações aqui apresentadas, são baseadas nos seguintes documentos oficiais: 1. SILVA, J.P.S. Mecânica dos Solos – Introdução à Engenharia Geotécnica. Livro Rápido Editora, Recife, 2016. 2. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES - DNIT. Manual de Pavimentação. Publicação IPR 719, 2006. 3. NBR 6502 – Solos e Rochas. 1995. 4. NBR 7181 - Solo - Análise granulométrica. 2016 A apresenta a escala granulométrica adotada pela ABNT (NBR 6502 de 1995). Figura 7 - Escala granulométricas (em mm) adotada pela ABNT 3.1 - Solos grossos Os solos grossos possuem uma maior percentagem de partículas visíveis a olho nu (Diâmetro > 0,074 mm) e suas partículas têm formas arredondadas, poliédricas e angulosas. São divididos e Pedregulhos e Areias. Pedregulhos: São classificadas como pedregulho as partículas de solo com dimensões maiores que 2,0mm Areias: Classificamos como areia as partículas com dimensões entre 2,0mm e 0,074mm (DNIT), 2,0mm e 0,05mm (MIT) ou ainda 2,0mm e 0,06mm (ABNT). As areias de acordo com o diâmetro classificam-se em: areia fina (0,06 mm a 0,2 mm), areia média (0,2 mm a 0,6 mm) e areia grossa (0,6 mm a 2,0 mm). 3.2 - Solos finos Quando as partículas que constituem o solo possuem dimensões menores que 0,074mm (DNIT), ou 0,06mm (ABNT), o solo é considerado fino e, neste caso, será classificado como argila ou como silte. 28 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Siltes: Estes possuem granulação fina, pouca ou nenhuma plasticidade e baixa resistência quando seco. Possuem diâmetro entre 0,002mm e 0,06mm Argilas: A fração granulométrica do solo classificada como argila (diâmetro inferior a 0,002mm) se caracteriza pela sua plasticidade marcante (capacidade de se deformar sem apresentar variações volumétricas) e elevada resistência quando seca. É a fração mais ativa dos solos. De forma resumida, os materiais são divididos da seguinte forma: Tabela 3 – Divisão granulométrica dos solos segundo NBR 6502/95 Frações Diâmetro das partículas Argila < 0,002 mm Silte 0,002 a 0,06 mm Areia Fina 0,06 a 0,20 mm Areio Média 0,20 a 0,60 mm Areia Grossa 0,60 a 2,00 mm Pedregulhos > 2 mm 3.3 - Análise Granulométrica A análise da distribuição das dimensões dos grãos, denominada análise granulométrica, objetiva determinar os tamanhos dos diâmetros equivalentes das partículas sólidas em conjunto com a proporção de cada fração constituinte do solo em relação ao peso de solo seco. A representação gráfica das medidas realizadas é denominada de curva granulométrica. Para determinar a granulometria, é necessário realizar o ensaio com base na NBR 7181/2016. A Figura 8 ilustra o procedimento de determinação de granulometria utilizando processo de peneiramento. Além do processo de peneiramento, é sempre recomendado executar a granulometria pelo processo de sedimentação, de modo a determinar com exatidão os diâmetros e porcentagens das partículas que são maiores que a menor peneira granulométrica (peneira nº200, cuja abertura é de 0,074mm). Para os solos finos, siltes e argilas, com partículas menores que 0,075mm (#200), o cálculo dos diâmetros equivalentes será feito a partir dos resultados obtidos durante a sedimentação de certa quantidade de sólidos em um meio líquido. A base teórica para o cálculo do diâmetro equivalente vem da lei de Stokes, que afirma que a velocidade de queda de uma partícula esférica, de peso específico conhecido, em um meio líquido rapidamente atinge um valor constante que é proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula 29 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Figura 8 – Ilustração do processo de peneiramento dos solos em laboratório. Após obtenção dos diâmetros das partículas e também das porcentagens referentes a cada diâmetro, é possível construir a curva granulométrica. A figura a seguir ilustra uma curva granulométrica que contém resultados de peneiramento e sedimentação. Da curva granulométrica apresentada, é possível fazer uma leitura das porcentagens de cada fração granulométrica. Figura 9 – Exemplo de uma curva granulométrica Da curva granulométrica acima, temos que: Pedregulho = 3% ; Areia = 55% ; Silte = 40% ; Argila = 2% è Soma = 100% Apesar de possuir pedregulho e argila, note que predomina Areia (55%) e Silte (40%), então o material predominantemente é uma Areia Siltosa. 30 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida 3.4 - Propriedades que auxiliam na identificação dos solos Os solos são identificados por sua textura, composição granulométrica, plasticidade, consistência ou compacidade, citando-se outras propriedades que auxiliam sua identificação, como estrutura, forma dos grãos, cor, cheiro, friabilidade, presença de outros materiais. 3.4.1 Textura Quanto à textura (distribuição granulométrica) os solos são classificados em grossos e finos. Os solos grossos são aqueles nos quais mais do que 50% dos grãos são visíveis a olho nu; são as areias e os pedregulhos. Os solos finos são aqueles nos quais mais do que 50 % das partículas são de tal dimensão, que não são visíveis a olho nu; são as argilas e os siltes. A experiência indica que a textura, ou seja, a distribuição granulométrica é muito importante nos solos grossos (granulares). Nestes solos a distribuição granulométrica pode revelar o comportamento referente às propriedades físicas do material. Para solos com grãos menores que a abertura da peneira de nº 200 (0,075mm), a granulometria é de pouca importância para a solução dos problemas de engenharia geotécnica. Em função da distribuição granulométrica os solos podem ser bem ou mal graduados. Os solos que tem seus grãos variando, preponderantemente, dentro de pequenos intervalos, são, portanto, solos mal graduados. Os solos que tem várias frações de diâmetro diferentes misturadas; são, portanto, solos bem graduados. Três parâmetros são utilizados para dar uma informação sobre a curva granulométrica: - Diâmetro efetivo (D10): É o ponto característico da curva granulométrica para medir a finura do solo, que corresponde ao ponto de 10%, tal que 10% das partículas do solo possuem diâmetro inferiores a ele. - Coeficiente de uniformidade (Cu): Também conhecido como CNU – Coeficiente de não uniformidade. Dá uma ideia da distribuição do tamanho das partículas do solo; valores próximos de um indicam curva granulométrica quase vertical, com os diâmetros variando em um intervalo pequeno, enquanto que, para valores maiores a curva granulométrica irá se abatendo e aumentando o intervalo de variação dos diâmetros. Da mesma foram que foi definido D10 , define-se D30 e D60 . 31 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida A representação da curva granulométrica em papel semilogaritmo apresenta vantagens, pois os solos com Cu, aproximadamente iguais, serão representados por curvas paralelas. - Coeficiente de curvatura (Cc): Dá uma medida da forma e da simetria da curva granulométrica e é igual a: Para um solo bem graduado, o valor do coeficiente de curvatura, deverá estar entre 1 e 3. Portanto, a distribuição do tamanho de partículas é proporcional, de forma que os espaços deixados pelas partículas maiores sejam ocupados pelas menores. Para solos granulares há maior interesse no conhecimento do tamanho das partículas, visto que, algumas de suas propriedades estão relacionadas com os mesmos, o que não ocorre com os solos finos. O gráfico abaixo mostra como é possível fazer a leitura de D10, D30 e D60 diretamente no gráfico de granulometria do solo. Figura 10 – Exemplo de como fazer leitura de D10, D30 e D60 na curva granulométrica. 10 60 D DCu = 1060 2 30 DD DCc = 32Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Note, que do gráfico é possível determinar que o material possui D10 = 0,0045mm; D30 = 0,028mm e D60 = 0,075. Podemos então calcular: è 0,075/0,0045 è CNU ou Cu = 16,67, portanto um matéria NÃO UNIFORME è 0,028² / (0,075 * 0,0045) è 232,29, portanto um material MAL GRADUADO Segundo a forma da curva podemos distinguir os diferentes tipos de granulometria conforme pode ser observado na Figura 11. Figura 11 –Representação de diferentes curvas granulométricas. Solos de graduação contínua costumam ser mais permeáveis e com menores resistências mecânicas, e portanto com menor indicação para aterros rodoviários por exemplo. Solos bem graduados, possem uma excelente distribuição granulométrica, com vários tamanhos de maneira equilibrada. Isso traz um benefício enorme sob o ponto de vista de trabalhabilidade e custo de movimentação e compactação. Além disso, solos bem graduados costumam apresentar as melhores resistências mecânicas após processo de compactação, bem como menores valores de permeabilidade, parâmetros desejáveis para aterros rodoviários. Solos de graduação uniforme, apresentam espaços vazios consideráveis mesmo após processo de compactação, o que desencadeia maior permeabilidade e maior possibilidade de fluxo de água. Não é muito 10 60 D DCu = 1060 2 30 DD DCc = 33 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida recomendado para aterros rodoviários, mas sim para locais aonde desejamos implantar sistemas de drenagem. Note então que as informações de granulometria nos fornece parâmetros fundamentais para o processo decisório de uso do solo, ou seja, é importante saber se o material é predominantemente pedregulho, areia, silte ou argila, pois o desempenho da obra geotécnica depende diretamente da qualidade e do tamanho das partículas existentes. Exercícios resolvidos – GRANULOMETRIA EXERCÍCIO 1 - Na figura abaixo, estão mostradas curvas granulométricas de solos e materiais granulares. a) Determine que tipo de material é respectivo a cada uma das curvas b) Determinar os coeficientes de Uniformidade (CNU) e Coeficiente de Curvatura (Cc) de cada uma da curvas. RESPOSTAS A) Para determinar os tipos de material, é importante relembrar os tamanhos granulométricos dos materiais (pedregulho, areia, silte e argila), apresentados na tabela abaixo. 34 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Tabela 4 – Divisão granulométrica dos solos segundo NBR 6502/95 Frações Diâmetro das partículas Argila < 0,002 mm Silte 0,002 a 0,06 mm Areia Fina 0,06 a 0,20 mm Areio Média 0,20 a 0,60 mm Areia Grossa 0,60 a 2,00 mm Pedregulhos > 2 mm A partir daí, é só executar as leituras no gráfico e determinar as porcentagens de cada fração e anotar. Perceba que sempre haverá uma fração dominante e isso é primordial para determinar que material é predominante no dado solo. Após leitura no gráfico, foi possível determinar que: Curva granulométrica nº Tipo de Solo 1 argila siltosa 2 argila siltosa 3 argila siltosa 4 argila siltosa com areia 5 Areia siltosa 6 areia fina a média 7 areia média 8 areia média a grossa 9 areia grossa B) Para determinar CNU e Cc, é só usar as curvas granulométricas do gráfico já apresentado e fazer as leituras, cujos dados são apresentados abaixo. Quadro 1 - Diâmetros específicos e coeficientes de curvatura e uniformidade. De acordo com os valores indicados, a curva 5 é de solo desuniforme; enquanto que as demais curvas são de solos uniformes. Os solos das curvas 5 e 6 são bem graduados, os demais são mal graduados. 35 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida EXERCÍCIO 2 - (IFG/Professor Mec.Solos/2011) A Tabela 1, apresentada a seguir, é proveniente do ensaio de granulometria realizado com uma amostra de solo. *Demonstre sua resposta Resposta: De acordo com a ABNT, as partículas de silte estão compreendidas entre 0,002 e 0,06 mm Assim, basta usar as %Passantes de cada diâmetro correspondente e calcular a % 0,002 mm à 37,0% 0,06 mm à 57,4% Silte = 57,4 – 37 à 20,4% Com base na tabela e na escala granulométrica da ABNT, o percentual de silte do solo é igual a: a) 37,0% b) 41,5% c) 22,6% d) 20,4% e) 49,5% EXERCÍCIO 3 - Dados os resultados na planilha e do gráfico abaixo, determinar: a) Classificação textural Argila: 18%, Silte: 38% (56-18), Areia: 40% (96-56), Pedregulho: 4% Portanto, trata-se de uma Areia silto argilosa Abertura(mm) % passante 50,8 99,4% 38,1 99,0% 25,4 98,8% 19,1 98,6% 12,5 98,3% 9,5 98,2% 4,76 97,8% 2 96,8% 0,087006 62,86% 0,061362 56,39% 0,043458 49,72% 0,030153 44,37% 0,021322 43,76% 0,015571 37,62% 0,011027 34,63% 0,007786 31,49% 0,005505 26,58% 0,003895 26,40% 0,002757 18,67% 0,001591 18,85% 36 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida b) Coeficiente de Uniformidade c) Coeficiente de Curvatura D10= tende a zero, D30=0,007, D60=0,07 Tentativa de cálculo: CNU= = 0,07/0,0002>15, portanto, NÃO UNIFOMRE CC= (0,007)2/0,07.0,0002 > 3, portanto, MAL GRADUADO Portanto, qualquer que seja a curvatura do solo, quando apresentando alto teor de finos, segundo estes parâmetros, serão classificados como não uniformes e mal graduados. O que não é verdade. Evidenciando que tais parâmetros não são aplicáveis a solos finos, apenas aos granulares, uma vez que o rearranjo estrutural que ditará o comportamento do material. Solos finos, por sua vez, são influenciados sobretudo pela presença de água, como será esclarecido ao longo da disciplina. EXERCÍCIO 4 - Após realização do ensaio de granulometria, foram plotados os resultados no gráfico abaixo. Classificar o material conforme parâmetros de uniformidade e curvatura obtidos pela curva granulométrica. Indique também a melhor aplicação e limitações para obras geotécnicas. D10= 0,002, D30=0,15, D60=4,5 CNU= 4,5/0,002 = 2.250 = NÃO UNIFOMRE CC= (O,15)2/4,5.0,002 = 2,5 = BEM GRADUADO 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 100,000 % q ue p as sa Diâmetro das partículas (mm) Curva Granulométrica Argila 10% Silte 7% (17-10) Areia 30% (47-17) Pedregulho 53% (100-47) 37 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Os valores de CC e CNU indicam que o material seria melhor aproveitado em locais com necessidade de resistência, alta densidade e, portanto, baixa permeabilidade. Porem, em função da classificação granulométrica, se tratando de um pedregulho arenoso, comporta-se melhor para maciços com alta permeabilidade. Assim, poderia ser indicado para camadas granulares de pavimentos ou filtros de barragens, sendo necessários demais estudos mecânicos ou de permeabilidade e mesmo avaliação entre a granulometria do maciço da barragem (estudo de caso para definição do(s) material(s) propício(s) aos filtros) Ainda continua em dúvida sobre o tema de Granulometria? Uma dica para melhorar seus estudos, é buscar outras fontes bibliográficas ou mesmo alguns vídeos disponíveis no Youtube. Tenho algumas sugestões: 1. Mecânica dos solos 1 - Aula003 - Granulometria e análise granulométrica https://www.youtube.com/watch?v=ulZ4ylaYXGk 2. Aula 2 - Análise granulométrica https://www.youtube.com/watch?v=m-FZqDr_8TE 3. Classificação - Granulometria https://www.youtube.com/watch?v=9HG8H38ftdU 4. Como fazer Curva Granulométrica no Excel. https://www.youtube.com/watch?v=YgUE-iX8nXU&t=243s 38 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida 4. CONSISTÊNCIA DOS SOLOS Neste tópico vamos abordar como a consistência dos solos podem influenciar no desempenho de um solo que será utilizado em obras de rodovias com interesse geotécnico. É importantemencionar que a compilação de informações aqui apresentadas, são baseadas nos seguintes documentos oficiais: 1. SILVA, J.P.S. Mecânica dos Solos – Introdução à Engenharia Geotécnica. Livro Rápido Editora, Recife, 2016. 2. PINTO, Carlos de Sousa. Curso básico de mecânica dos solos em 16 aulas. 3ªedição. São Paulo: Oficina de Textos, 2006. 3. NBR 6459 – Solo – Determinação do limite de liquidez. 2016. 4. NBR 7180 - Solo – Determinação do limite de plasticidade. 2016 5. PEREIRA, D.M; RATTON, E. BLASI, G. F; PEREIRA, M.A;FILHO, W.K; COSTA, R. Introdução à terraplenagem. Apostila do curso de Engenharia Civil, disciplina Infraestrutura viária. Universidade Federal do Paraná – UFPR. 2015. Define-se plasticidade como sendo a propriedade dos solos finos que consiste na maior ou menor capacidade de serem moldados sob certas condições de umidade. Segundo a ABNT, a plasticidade é a propriedade de solos finos, entre largos limites de umidade, de se submeterem a grandes deformações permanentes, sem sofrer ruptura, fissuramento ou variação de volume apreciável. A figura abaixo ilustra como a umidade alteara o estado de plasticidade de um material fino. Figura 12 – Teores de umidade correspondentes às mudanças de consistência dos solos 4.1 - Determinação Experimental dos Limites de Consistência Ainda que, os limites de liquidez e de plasticidade possam ser obtidos através de ensaios bastante simples, a interpretação física e o relacionamento quantitativo dos seus valores, com os fatores de composição do solo, tipo e quantidade dos minerais, tipo de cátion adsorvido, forma e tamanho das partículas, composição da água é difícil e complexo. 39 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida 4.1.1 Limite de Liquidez (LL) ou (WL) O limite de liquidez (LL ou WL) de um solo é o teor de umidade que separa o estado de consistência líquido do plástico e para o qual o solo apresenta uma pequena resistência ao cisalhamento. Então, o resultado sempre é apresentado em porcentagem %. O ensaio utiliza o aparelho de Casagrande, onde tanto o equipamento quanto o procedimento são normalizados (ABNT/NBR 6459). A figura abaixo ilustra o equipamento e o processo de execução do experimento. Figura 13 – Ensaio de limite de liquidez usando equipamento de Casagrande. Convencionou-se, que no ensaio de Casagrande, o teor de umidade correspondente a 25 golpes, necessários para fechar a ranhura, é o limite de liquidez. A imagem abaixo ilustra como devem ser utilizados os resultados do ensaio de Limite de Liquidez, obtidos com o uso do equipamento de Casagrande. Figura 14 – Exemplo de um gráfico de Limite de Liquidez. Observe no gráfico que o valor do LL % = 45%, pois refere-se à 25 golpes, lido diretamente no gráfico. 40 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida É importante ressaltar que nem apesar de todo material apresentar liquidez, esse poderá ser extremamente baixo (por exemplo areias), impossibilitando a determinação da umidade para 25 golpes. Assim, faz-se necessário uma avaliação do material quanto sua textura antes da execução do mesmo, para que análises conjuntas possam caracterizar melhor o material em questão. 4.1.2 Limite de Plasticidade (LP) ou (Wp) Uma explicação para o limite de plasticidade não é tão simples, como a do limite de liquidez, podendo-se citar, entre outras, a que sugere que o limite de plasticidade corresponde a um teor de umidade do solo que para valores menores do que ele. As propriedades físicas da água não mais se igualam às da água livre ou de que o limite de plasticidade é o teor de umidade mínimo, no qual a coesão é pequena para permitir deformação, porém, suficientemente alta para garantir a manutenção da forma adquirida. Independentemente, das explicações sugeridas, o limite de plasticidade é o extremo inferior do intervalo de variação do teor de umidade no qual o solo apresenta comportamento plástico. O equipamento necessário à realização do ensaio é muito simples tendo-se, apenas, uma placa de vidro com uma face esmerilhada e um cilindro padrão com 3mm de diâmetro, conforme está representado na Figura 15. Figura 15 – exemplo de como é executado o ensaio de LP É importante ressaltar que o ensaio deve ser repetido no mínimo 3 vezes, mas é recomendado que sejam cinco, para que possa ser feita análise dos dados e verificação da confiabilidade dos mesmos. Assim, o procedimento deverá seguir as seguintes etapas: • Calcula-se a média dos valores; 41 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida • Verificamos se existe algum valor que se afasta mais que 5% da média calculada. Obs.: você poderia adotar outro critério de aceitação, por exemplo, ter um erro máximo de 10%. Aqui é apresentada uma sugestão de 5% de erro, ou seja, 5% para cima e 5% para baixo. Sim: O valor é retirado e calculada um novo valor de LP; Não: O valor de LP é mantido Exemplo: W1 = 22,3% W2 = 24,2% W3=21,8% W4= 22,5% LP = (22,3+24,2+21,8+22,5)/4 = 22,7% Wmínimo = LP*0,95 = 22,7 *0,95 = 21,56% Wmáximo = LP*1,05 = 22,7 * 1,05 = 23,83% Nota-se que o valor de W2 se afasta 6,6% da média calculada (portanto > 5%) este deve ser retirado e calculado um novo LP. Assim, um novo LP deverá ser calculado com os demais valores de umidade, ou seja; (W1+W3+W4)/3 à LP = 22,2% 4.1.3 Índice de Plasticidade (IP) Dos diversos índices, relacionando os limites de liquidez, de plasticidade e às vezes o teor de umidade do solo, o mais utilizado atualmente é o índice de plasticidade. Fisicamente representaria a quantidade de água que seria necessário a acrescentar a um solo, para que ele passasse do estado plástico ao líquido. Sendo definido como a diferença entre o limite de liquidez e o limite de plasticidade, portanto, temos: IP = LL – LP Este índice determina o caráter de plasticidade de um solo, assim, quando maior o “IP”, tanto mais plástico será o solo. Sabe-se, ainda, que as argilas são tanto mais compressíveis quando maior for o “IP”, podendo ser classificados em: - Fracamente plásticos 1 < IP ≤ 7 - Medianamente plásticos 7 < IP ≤ 15 - Altamente plásticos IP > 15 42 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Exercícios resolvidos – CONSISTÊNCIA DOS SOLOS EXERCÍCIO 1 - (Adaptado: FCC - 2012 - TCE-AP - Analista de Controle Externo – Engenharia) Para uma amostra de solo argiloso obtiveram-se os seguintes valores: limite de liquidez = 110%, limite de plasticidade = 50% e teor de umidade = 134%. Como a porcentagem de argila da amostra é de 40%, determine os valores do índice de plasticidade. Resolução: Índice de Plasticidade IP = LL-LP IP = 110% - 50% IP = 60% EXERCÍCIO 2 - (Adaptado. Prefeitura do Rio de Janeiro - RJ - 2011 - TCM-RJ - Engenheiro) A classificação de um solo fino pode ser feita de maneira muito simples, por meio do gráfico de plasticidade proposto por Casagrande. Os dados da tabela que segue representam os valores obtidos na realização do ensaio de plasticidade de uma amostra de solo. Resposta: Sabendo-se que, para a referida amostra, o valor do limite de liquidez (LL) obtido foi de 62,0%, qual o valor correspondente ao índice de plasticidade (IP)? Ensaio de Limite de Plasticidade Número da Cápsula P1 P2 P3 P4 P5 Peso Total Úmido (g) 11,24 7,19 8,51 8,55 7,50 Peso Total Seco (g) 10,94 6,88 8,20 8,25 7,20 Peso da Cápsula (g) 9,94 5,88 7,20 7,25 6,20 Peso Solo Úmido (g) 1,30 1,31 1,31 1,30 1,30 Peso Solo Seco (g) 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Peso Água 0,30 0,31 0,31 0,30 0,30 Umidade 30,0% 31,0% 31,0% 30,0% 30,0% Média (Valor de LP) 30,4% LL 62,0% IP 31,6% EXERCÍCIO 3 - (Adaptado. ESAF - 2012 - CGU - Analista de Finanças e Controle - prova 3 - Auditoria e Fiscalização - Infraestrutura) Considerando o gráfico (ensaio de Limite de Liquidez) e a tabela (ensaio de Limite de Plasticidade) abaixo, determine os valoresdo LL, LP e IP para o solo analisado. 43 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida RESPOSTA: No gráfico: Nº de golpes de 25 equivale ao ponto 53% de umidade. Este é o valor de LL. Ensaio de Limite de Plasticidade Número da Cápsula 15 24 33 32 29 Tara (g) 7,79 7,70 7,59 7,74 7,63 Tara + solo úmido (g) 10,15 10,02 10,30 9,86 9,62 Tara + solo seco (g) 9,47 9,38 9,52 9,27 9,06 Solo Úmido (g) 2,36 2,32 2,71 2,12 1,99 Solo Seco (g) 1,68 1,68 1,93 1,53 1,43 Água 0,68 0,64 0,78 0,59 0,56 Umidade 40,5% 38,1% 40,4% 38,6% 39,2% Média (Valor de LP) 39,3% LL 53,0% IP 13,7% Gabarito: LL = 53,0%; LP = 39,3% e IP = 13,7% 44 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Ainda continua em dúvida sobre o tema de Limites de consistência dos solos? Uma dica para melhorar seus estudos, é buscar outras fontes bibliográficas ou mesmo alguns vídeos disponíveis no Youtube. Tenho algumas sugestões: 1. Aula 3 - Limites de consistência (limites de Atterberg) https://www.youtube.com/watch?v=I2aTHL8v2uA 2. AULA LIMITES DE ATTERBERG ENSAIOS E APLICAÇÃO NA PRÁTICA https://www.youtube.com/watch?v=Gf1dzJS0IP0 45 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida UNIDADE 2 – CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS O OBJETIVO DESSA UNIDADE É TRAZER UMA COMPILAÇÃO DE INFORMAÇÕES ACERCA DE GRANULOMETRIA E LIMITES DE CONSISTÊNCIA, DE MODO A CLASSIFICAR O SOLO COM BASE EM DUAS PRINCIPAIS VERTENTES: CLASSIFICAÇÃO UNIFICADA (SUCS) E HRB (RODOVIÁRIA). Ao final dos estudos, você deverá ser capaz de: interpretar resultados de Granulometria juntamente com os parâmetros de consistência dos solos de forma conjunta e assim classificar o solo baseado numa dada normativa de classificação. Após classificar, é possível analisar onde e porque o solo pode ou não pode ser utilizado, com devidas justificativas geotécnicas. 1. CLASSIFICAÇÃO UNIFICADA É importante mencionar que a compilação de informações aqui apresentadas, são baseadas nos seguintes documentos oficiais: 1. SILVA, J.P.S. Mecânica dos Solos – Introdução à Engenharia Geotécnica. Livro Rápido Editora, Recife, 2016. 2. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES - DNIT. Manual de Pavimentação. Publicação IPR 719, 2006. 3. NBR 6502 – Solos e Rochas. 1995. 4. NBR 7181 - Solo - Análise granulométrica. 2016 5. PINTO, Carlos de Sousa. Curso básico de mecânica dos solos em 16 aulas. 3ªedição. São Paulo: Oficina de Textos, 2006. 6. NBR 6459 – Solo – Determinação do limite de liquidez. 2016. 7. NBR 7180 - Solo – Determinação do limite de plasticidade. 2016 8. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES - DNIT. Manual de Pavimentação. Publicação IPR 719, 2006. Dada a infinidade de solos que existem na natureza é necessário um sistema de classificação que indique características geotécnicas comuns de um determinado grupo de solos a partir de ensaios simples de identificação. A classificação dos solos permite resolver alguns problemas simples e serve de apoio na seleção de um dado solo quando se podem escolher vários materiais a serem utilizados. 46 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida O Sistema Unificado de Classificação dos Solos (S.U.C.S.), é oriundo do Airfield Classification System idealizado por Arthur Casagrande, e inicialmente utilizado para classificação de solos para construção de aeroportos, e depois expandido para outras aplicações, e normalizado pela American Society for Testing and Materials (ASTM). Os solos neste sistema são classificados em solos grossos, solos finos e altamente orgânicos. A figura abaixo mostra como é feita a separação e análise inicial: todo o material testado precisa ser passado na peneira nº200, caso mais de 50% do material passe na peneira, este é então considerado FINO. Caso menos de 50% passe na peneira nº200, este é então considerado GROSSO. Para a fração grossa, foram mantidas as características granulométricas como parâmetros mais representativos para a sua classificação, enquanto que para fração fina, Casagrande optou por usar os limites de consistência, por serem parâmetros mais importantes do que o tamanho das partículas. Figura 16 –Divisão da graduação a partir do sistema unificado. Cada tipo de solo terá um símbolo e um nome, conforme mostra a tabela abaixo. Letra Definição G Gravel (pedregulho) S Sand (areia) C Clay (argila) W Well graded (bem graduado) P Poorly graded (mal graduado) M Palavra sueca mo, refere-se ao silte O Organic (orgânico) L Low (baixa) H High (alta) 47 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Os nomes dos grupos serão simbolizados por um par de letras. Onde o prefixo é uma das subdivisões ligada ao tipo de solo, e o sufixo, às características granulométricas e à plasticidade. A figura a seguir mostra a classificação pelo método unificado. Figura 17 –Simbologia utilizada para classificação pelo sistema unificado. Na tabela, é possível ver nas duas últimas colunas, os símbolos de cada grupo e seus respectivos nomes, bem como uma série de observações necessárias a classificação do solo. 1.1 – Solos Grossos Sendo de granulação grosseira, então o material é um Pedregulho (G) ou Areia (S), mas qual é o nome que devemos apresentar? Resposta: Dependerá de qual das duas frações estiver em maior proporção, ou seja, qual o material que predomina? Avalie sempre isso! São exemplos de simbologia de solos classificados de acordo com a metodologia S.U.C.S: � SW – Areia bem graduada ; CH – Argila de alta compressibilidade A tabela abaixo mostra todas as possibilidades de classificação dos materiais ditos GRANULARES, ou seja, Pedregulhos (G) e Areias (S), de acordo com a metodologia S.U.C.S. 48 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Figura 18 – Quadro de classificação dos solos Granulares – método S.U.C.S Os solos grossos ou granulares são os que tenham mais do que 50% de partículas com tamanhos maiores do que 0,075mm (nº 200). Uma subdivisão separa os solos grossos em pedregulhos, quando mais do que 50% da fração grossa tem partículas com tamanho maior do que 4,8mm (retido na peneira nº4), e areias, quando uma porcentagem maior ou igual, destas partículas, tem tamanho menor que 4,8mm (passa na nº 4). Sempre que as porcentagens de finos estiver entre 5 e 12%, o solo deverá ser representado por um símbolo duplo, sendo o primeiro o do solo grosso (GW, GP, SW, SP), enquanto que o segundo símbolo dependerá da região onde se localizar o ponto representativo dos finos desse solo. Para porcentagens de finos, maior do que 12%, e classificados como CL-ML resultará em um símbolo duplo para o solo grosso, GC-GM se for pedregulho ou SC-SM se for areia. A Erro! Fonte de referência não encontrada. e a Tabela 6.5, mostram os fluxogramas necessários à classificação dos solos grossos. 1.2 – Solos Finos Sendo de granulação grosseira, então o material é um Silte (M) ou Argila (C), mas qual é o nome que devemos apresentar? Resposta: Dependerá de qual das duas frações estiver em maior proporção, ou seja, qual o material que predomina? Avalie sempre isso! Nesta divisão, foram colocados os solos que tem uma porcentagem maior ou igual a 50%, de partículas com tamanho menor do que 0,075mm (passando na 49 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida peneira nº200). Estes solos, siltes e argilas, foram inicialmente separados em função do limite de liquidez: menor que 50% e maior ou igual a 50%. Para classificação do material considerado predominantemente FINO, é necessário utilizar a Carta de Plasticidade proposta por Arthur Casagrande, mostrada na figura abaixo. Figura 19 – Gráfico de Casagrande Note que é possível utilizar os resultados previamente determinados de LL e LP, além de IP, para verificar em qual região do gráfico o material estudado encontra-se. Por exemplo, se um material dito fino, e quepossui LL = 45% e LP = 20%, possui por sua vez um IP = 25%. Então, vamos observar no gráfico onde esse ponto se encontra. A figura abaixo mostra como isso é representado. Figura 20 – Material fino com LL = 45% e IP = 25%, classificado como CL (C = argila e L = baixa plasticidade). 50 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Talvez você esteja em dúvida de porque a argila foi classificada como de baixa plasticidade e não como MEDIANA plasticidade, como indicado no gráfico. Note que no Gráfico existe uma linha divisória no eixo X, vermelha, com LL=50%. Essa linha divide em materiais de ALTA plasticidade todos os materiais com LL>50% e de BAIXA plasticidade todos os materiais com LL < 50%. • Tudo que tiver LL > 50% são considerados de ALTA plasticidade e com ALTA compressibilidade, portanto “H”(high)à alta compressibilidade. • Tudo que tiver LL < 50% são considerados de BAIXA plasticidade e com BAIXA compressibilidade, portanto “L” (low)à baixa compressibilidade. A tabela a seguir, traz todas as possiblidades de classificação do solo, com base na metodologia SUCS. Figura 21 – Quadro de possibilidades de classificação SUCS. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS SOBRE CLASSIFICAÇÃO SUCS EXERCÍCIO 1 - Comente como é realizada a classificação e como é possível prever o comportamento e aplicação de um material, a partir da classificação SUCS. Resposta: Os solos neste sistema são classificados em solos grossos, solos finos e altamente orgânicos. Os nomes dos grupos são simbolizados 51 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida por um par de letras, em que o prefixo é uma das subdivisões ligada ao tipo de solo, de acordo com sua granulometria, e o sufixo, às características granulométricas e/ou plasticidade. Deste modo, leva em consideração as características granulométricas, bem como comportamento hidro-mecânico, possibilitando melhor identificar o comportamento e, assim, melhor aplicação do mesmo. EXERCÍCIO 2 - Caso os índices IP e LL indiquem uma posição muito próxima das Linhas A ou B, ou mesmo entre as faixas de IP 4 a 7, na carta de plasticidade, como o solo é classificado? Ainda, como é realizada a classificação de um solo orgânico? Resposta: O solo será considerado de comportamento secundário, apresentando ambas classificações (SC-SM, CL-CH, CL-ML, MH-CH, etc). Solos orgânicos são definidos visualmente, com base na presença de fibras vegetais, coloração, odor, textura, etc. EXERCÍCIO 3 - (CESPE - 2004 - Polícia Federal - Perito Criminal - Engenharia Civil) Um solo classificado como CH pela classificação unificada de solos é especialmente indicado para utilização como material drenante em obras geotécnicas. Discuta se tal afirmativa é correta ou não, por quê? Resposta: C= Argila, H= Alta compressibilidade, portanto, não indicado ao uso de drenos, em que o material indicado é granular. EXERCÍCIO 4 - (FCC - 2012 - TRF - 2ª REGIÃO - Analista Judiciário - Engenharia Civil) Os solos são classificados segundo sua granulometria, ou seja, o tamanho dos grãos que compõem a mistura determina o tipo de solo. Segundo a SUCS, é correto afirmar que o solo com a distribuição granulométrica indicada no desenho abaixo é: 52 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida D10 D30 D60 CNU CC 0,06 0,65 0,85 14,17 8,28 %Pedregulho: 0, % Areia: 90%, SILTE: 8%, Argila:2%. SP-SM: Areia siltosa uniforme EXERCÍCIO 4 - Na análise de quatro solos diferentes, foram obtidas suas curvas, conforme figura a baixo e dados ainda: A fração de finos do solo C tem: LL=26 e IP=9; E os dados dos ensaios de limites do solo D são dados a baixo: Limite de Liquidez: Penetração do cone (mm) 15,5 18,0 19,4 22,2 24,9 Teor de Umidade (%) 39,3 40,8 42,1 44,6 45,6 Limite de Plasticidade: Teor de Umidade (%) 23,9 24,3 Determine o IP do material Com os resultados da tabela acima, foi plotado um gráfico mostrado abaixo. 53 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Com o gráfico, pois possível determinar, para a penetração de 20mm, a umidade w (%) mais próximo, que é 42%, sendo, portanto, o LL. Logo, LL = 42%, com LP= 24% (obtido como sendo uma média dos dois valores que foram apresentados no enunciado da questão), determina-se IP=18% EXERCÍCIO 5 – Baseado no exercício anterior, determine a classificação SUCS destes solos e qual seria, assim, a melhor nomenclatura para cada. Resposta: A partir do gráfico, foram obtidos os seguintes parâmetros: Solo D10 D30 D60 CNU CC A 0,47 3,5 16 34 1,6 B 0,23 0,30 0,41 1,8 0,95 C 0,003 0,042 2,4 800 0,25 Solo % Graúdo % Finos SUCS A 100 76 % Pedregulho W 0 GW 24% Areia B 97 95 % Pedregulho P 3 SP 2 % Areia C 66 41 % Pedregulho %P#200>12 34 CL GC 25 % Areia D 5 - 95 ML-CL ML-CL A partir dos dados acima, os materiais foram classificados da seguinte forma: 54 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida A: Pedregulho bem graduado B: Areia média uniforme C: Pedregulho argiloso D: Silte argiloso de baixa compressibilidade (95-30=65% silte, 30% argila) Ainda continua em dúvida sobre o tema de Classificação S.U.C.S? Uma dica para melhorar seus estudos, é buscar outras fontes bibliográficas ou mesmo alguns vídeos disponíveis no Youtube. Tenho uma sugestão: 1. Aula 6 - Classificação dos solos – SUCS https://www.youtube.com/watch?v=vviZo0hZg8M 55 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida 2. CLASSIFICAÇÃO TRB (antigo HRB) É importante mencionar que a compilação de informações aqui apresentadas, são baseadas nos seguintes documentos oficiais: 1. SILVA, J.P.S. Mecânica dos Solos – Introdução à Engenharia Geotécnica. Livro Rápido Editora, Recife, 2016. 2. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES - DNIT. Manual de Pavimentação. Publicação IPR 719, 2006. 3. NBR 6502 – Solos e Rochas. 1995. 4. NBR 7181 - Solo - Análise granulométrica. 2016 5. PINTO, Carlos de Sousa. Curso básico de mecânica dos solos em 16 aulas. 3ªedição. São Paulo: Oficina de Textos, 2006. 6. NBR 6459 – Solo – Determinação do limite de liquidez. 2016. 7. NBR 7180 - Solo – Determinação do limite de plasticidade. 2016 8. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES - DNIT. Manual de Pavimentação. Publicação IPR 719, 2006. 9. SOUZA, Murilo Lopes de. Método de projeto de pavimentos flexíveis. 3ª edição. Rio de Janeiro, IPR, 1981. Publicação IPR 667 A Classificação H.R.B (Highway Research Board) ou A.A.S.H.O. (American Association State Highway Officials) fundamenta-se na granulometria, limite de liquidez e índice de plasticidade dos solos, sendo proposta para ser utilizada na área de estradas. A Figura abaixo apresenta esta classificação, onde os solos estão reunidos por grupos e subgrupos. Figura 22 – Divisão da classificação HRB. 56 Apostila prof João Paulo Souza Silva – reprodução proibida Um parâmetro adicionado nesta classificação é o índice de grupo (IG), que é um número inteiro variando de 0 a 20. O índice de grupo define a capacidade de suporte do terreno de fundação de um pavimento. Os valores extremos do “IG” representam solos ótimos para IG = 0 e solos péssimos para IG = 20. Portanto, este índice estabelece uma ordenação dos solos dentro de um grupo, conforme suas aptidões, sendo pior o solo que apresentar maior “IG”. A determinação do índice de grupo baseia-se nos limites de Atterberg (LL e IP) do solo e na porcentagem de material fino que passa na peneira número 200 (0,075mm). Seu valor é obtido utilizando a seguinte expressão: IG = 0,2 . a + 0,005 . a . c + 0,01 . b . d onde: a = porcentagem do solo que passa na peneira nº 200 menos 35%. Se o valor de “a” for negativo adota-se zero, e se for superior 40, adota-se este valor como limite máximo. a = Pp,200 - 35% (0 - 40). b = porcentagem do solo que passa na peneira nº 200 menos 15%. %. Se o valor de
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