Mecanica dos Solos - Craig-51-60

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Figura 1.8
Figura 1.9
influenciada pelo ambiente sedimentar.
Duas formas possíveis de reunião de partículas, as conhecidas como
estruturas de livraria (bookhouse) e turbostrática, estão ilustradas nas Figuras
1.9c e 1.9d. Os ajuntamentos também podem ocorrer na forma de conectores
ou de uma matriz entre partículas maiores. Um exemplo da estrutura de uma
argila natural, na forma de um diagrama, é mostrado na Figura 1.9e.
Minerais de argila: (a) caolinita; (b) ilita; e (c) montmorillonita.
Estruturas da argila: (a) dispersa; (b) floculada; (c) livraria (bookhouse); (d)
turbostrática; (e) exemplo de argila natural.
Se estiverem presentes partículas de minerais de argila, geralmente, elas
exercem uma influência considerável nas propriedades de um solo, influência
superior a toda proporção de sua percentagem em peso no solo. Os solos
cujas propriedades são influenciadas principalmente por partículas com
tamanho de argila e silte são chamados de solos finos (de grãos finos).
Aqueles cujas propriedades são influenciadas principalmente por partículas
do tamanho de areia e pedregulho são chamados de solos grossos (de grãos
grossos).
1.3 Plasticidade de solos finos
A plasticidade é uma característica importante no caso de solos finos, com o
termo plasticidade descrevendo a capacidade de o solo sofrer deformação
irreversível sem se romper ou esfarelar. Em geral, dependendo de sua
quantidade de água ou do teor de umidade (definido como a relação entre
a massa de água no solo e a das partículas sólidas), o solo pode se apresentar
em estado líquido, plástico, semissólido ou sólido. Se a quantidade de água
em um solo, inicialmente líquida, for reduzida gradualmente, seu estado
mudará para plástico e semissólido, acompanhado de uma redução gradual de
volume, até que o estado sólido seja alcançado. O teor de umidade no qual
ocorrem as transições entre os estados difere de um solo para outro. No
terreno, a maioria dos solos finos se apresenta em estado plástico. A
plasticidade se deve à presença de um conteúdo significativo de partículas de
minerais de argila (ou de material orgânico) no solo. O espaço vazio entre
elas geralmente é de tamanho muito pequeno, fazendo com que a água se
mantenha com pressão negativa pelas tensões capilares, permitindo que o
solo seja deformado ou moldado. A adsorção de água devida às forças de
superfície nas partículas de minerais de argila pode contribuir para o
comportamento plástico. Qualquer diminuição na quantidade de água reduz a
espessura da camada de cátions e causa um aumento nas forças líquidas de
atração entre as partículas.
Os limites superior e inferior do intervalo de valores de teor de umidade,
no qual o solo exibe comportamento plástico, são definidos como limite de
liquidez (wL) e limite de plasticidade (wP), respectivamente. Acima do
limite de liquidez, o solo flui como um líquido (pasta ou lama); abaixo do
limite de plasticidade, o solo é frágil e quebradiço. O próprio intervalo de
valores dos teores de umidade é definido como índice de plasticidade (IP),
isto é:
No entanto, as transições entre os diferentes estados são graduais, e os limites
de liquidez e plasticidade devem ser definidos arbitrariamente. O teor de
umidade natural (w) em um solo (ajustado a um teor de umidade equivalente
Figura 1.10
Tabela 1.1
da fração que passa na peneira de 425 μm), em relação aos limites de liquidez
e plasticidade, pode ser representado por meio do índice de liquidez (IL), em
que
A relação entre os diferentes limites de consistência está ilustrada na Figura
1.10.
O grau de plasticidade da fração de tamanho de argila de um solo é
expresso pela relação entre o índice de plasticidade e a porcentagem de
partículas com tamanho de argila (a fração de argila) no solo; essa relação é
chamada atividade. Os solos “normais” têm uma atividade entre 0,75 e 1,25,
isto é, o IP é aproximadamente igual à fração de argila. Os solos com
atividade abaixo de 0,75 são considerados inativos, ao passo que aqueles
acima de 1,25 são considerados ativos. Os que têm grande atividade
apresentam muita variação de volume quando o teor de umidade é alterado
(isto é, apresentam grande expansão quando são molhados e grande contração
quando secos). Dessa forma, os solos com grande atividade (por exemplo,
contendo uma quantidade significativa de montmorillonita) podem ser
particularmente danosos para os trabalhos geotécnicos.
Limites de consistência para solos finos.
Atividade de alguns minerais de argila comuns
Grupo mineral Superfície específica (m2lg)”[ Atividade2
Caolinita 10–20 0,3–0,5
Ilita 65–100 0,5–1,3
Montmorillonita Acima de 840 4–7
Notas: 1- De acordo com Mitchell e Soga (2005); 2- De acordo com Day (2001).
 
A Tabela 1.1 fornece a atividade de alguns minerais de argila comuns, e é
possível observar que ela se correlaciona, em linhas gerais, com a superfície
específica das partículas (isto é, a área da superfície por unidade de massa), já
que isso determina a quantidade de água adsorvida.
A transição entre o estado semissólido e o sólido acontece no limite de
contração, definido como o teor de umidade no qual o volume do solo
alcança seu menor valor ao ser seco.
Os limites de liquidez e plasticidade são determinados por meio de
procedimentos arbitrários de ensaios. No Reino Unido, eles estão
completamente detalhados na BS 1377, Parte 2 (1990). No restante da
Europa, o CEN ISO/TS 17892–12 (2004) é o padrão atual, enquanto, nos
Estados Unidos, é usado o ASTM D4318 (2010).* Todos esses padrões se
relacionam com os mesmos testes básicos descritos a seguir.
A amostra de solo é suficientemente seca, de modo a permitir que seja
esfarelada e partida, usando um almofariz e um pilão de borracha, sem que
sejam esmagadas as partículas individuais; normalmente, é utilizado apenas o
material que passa na peneira de 425 mm. O equipamento para o ensaio de
limite de liquidez consiste em um penetrômetro (ou “cone de penetração”)
adequado a um cone de 30° de aço inoxidável e com 35 mm de comprimento:
o cone e a haste deslizante à qual ele está preso têm uma massa de 80 g. Isso
é mostrado na Figura 1.11a. O solo a ser ensaiado é misturado à água
destilada para formar uma pasta grossa e homogênea e, depois, é armazenado
por 24 h. Uma parte da pasta é, então, colocada em um recipiente cilíndrico
metálico, com diâmetro interno de 55 mm e profundidade de 40 mm, e
nivelada com a borda dele, de modo a formar uma superfície lisa. O cone é
abaixado até tocar a superfície do solo no recipiente, sendo travado em seu
suporte nesse estágio. O cone é, então, liberado por um período de 5 s, e é
medida sua profundidade de penetração no solo. Um pouco mais de pasta de
solo é adicionada ao recipiente, e o teste é repetido até que se obtenha um
valor consistente (é tomada a média de dois valores que apresentem uma
diferença de 0,5 mm ou de três valores compreendidos em um intervalo de
1,0 mm). O procedimento completo do ensaio é repetido, pelo menos, quatro
vezes com a mesma amostra de solo, mas aumentando o teor de umidade em
cada ensaio pela adição de água destilada. Os valores de penetração devem
estar no intervalo de, aproximadamente, 15–25 mm, com os ensaios se
processando do estado mais seco ao mais úmido do solo. São representados
em um gráfico os valores da penetração do cone em relação às quantidades de
água (teores de umidade) correspondentes, e é desenhada a linha reta que
melhor se ajuste aos pontos do gráfico. Isso é demonstrado no Exemplo 1.1.
O limite de liquidez é definido, então, como a percentagem de umidade
(arredondada para o inteiro mais próximo) correspondente a uma penetração
de 20 mm do cone. A determinação do limite de liquidez também pode se
basear em um único ensaio (método de um ponto), contanto que a penetração
do cone esteja entre 15 e 25 mm.
Figura 1.11 Equipamento de laboratório para determinação do limite de liquidez: (a) cone
de penetração; (b) aparelho de Casagrande (as imagens são cortesia da
Impact Test Equipment Ltd).
Um ensaio alternativo para determinaçãodo limite de liquidez usa o
equipamento de Casagrande (Figura 1.11b), que é popular nos Estados
Unidos e em outras partes do mundo (ASTM D4318). Uma pasta de solo é
colocada em uma cuba metálica achatada, presa a um pivô em sua borda e
dividida por uma ranhura (fenda) feita por um cinzel. Um mecanismo permite
que o recipiente seja elevado a uma altura de 10 mm e solto sobre uma base
de borracha dura. As duas metades do solo juntam-se de forma gradual, à
medida que a cuba é solta repetidamente. O teor de umidade (quantidade de
água) no solo da cuba é, então, determinado; ele é representado em um
gráfico em relação ao logaritmo do número de golpes, desenhando-se a reta
que melhor se ajuste aos pontos obtidos. Para esse ensaio, o limite de liquidez
é definido como o teor de umidade para o qual são exigidos 25 golpes para
fechar o fundo da ranhura ao longo de uma extensão de 13 mm. Deve-se
observar que, geralmente, o método de Casagrande é menos confiável do que
o método preferido do penetrômetro, por ser mais dependente do operador e
mais subjetivo.
Para determinar o limite de plasticidade, a amostra de solo é misturada à
água destilada até tornar-se suficientemente plástica para ser moldada na
forma de uma bola. Parte da amostra (mais ou menos, 2,5 g) é moldada no
formato de um cilindro, com aproximadamente 6 mm de diâmetro, entre o
dedo indicador e o polegar de cada mão. O cilindro é, então, colocado em
uma placa de vidro e rolado com as pontas dos dedos de uma mão até que o
diâmetro seja reduzido a algo em torno de 3 mm: a pressão de rolagem deve
ser uniforme ao longo de todo o teste. O cilindro é, então, moldado mais uma
vez entre os dedos (o teor de umidade diminui em consequência do calor
gerado), e o procedimento é repetido até que o cilindro de solo se frature
tanto longitudinal como transversalmente ao ser rolado até um diâmetro de 3
mm. O procedimento é repetido com mais três partes da mesma amostra, e a
percentagem de umidade de todo o solo esfarelado é determinada de maneira
global. Esse teor de umidade (arredondado para o inteiro mais próximo) é
definido como o limite de plasticidade do solo. Todo o ensaio é repetido com
quatro partes de outra amostra, encontrando-se a média a partir dos dois
valores do limite de plasticidade: deve-se repetir o procedimento caso dois
valores apresentem diferença maior do que 0,5%. Devido à natureza
fortemente subjetiva do ensaio, foram propostas recentemente metodologias
alternativas para determinação de wP, embora elas não estejam incorporadas
aos padrões atuais. Informações adicionais podem ser encontradas em Barnes
(2009) e Sivakumar et al. (2009).
1.4 Análise do tamanho das partículas
A maioria dos solos consiste em uma mistura graduada de partículas de duas
ou mais faixas de valores. Por exemplo, a argila é um tipo de solo que tem
coesão e plasticidade, o que, em geral, consiste em partículas tanto do
intervalo de tamanho de argila como do de silte. Coesão é o termo usado para
descrever a resistência de uma amostra de ar gila quando não está confinada,
o que se deve à pressão negativa na água que preenche os espaços vazios, de
ta manho muito pequeno, entre as partículas. Essa resistência seria perdida se
a argila fosse imersa em um corpo de água. A coesão também pode ser obtida
pela cimentação entre as partículas de solo. Deve-se mencionar que todas as
que têm tamanho de argila não são necessariamente partículas de minerais de
argila; as mais finas de poeira de rocha podem ser do tamanho de argila.
A análise do tamanho das partículas de uma amostra de solo envolve a
determinação da percentagem de massa de partículas em diferentes faixas
(intervalos) de tamanhos. A distribuição de tamanho de partículas de um solo
grosso pode ser determinada pelo método de peneiramento. A amostra de
solo é passada por uma série de peneiras de testes padrão com tamanhos de
malha sucessivamente menores. É determinada a massa de solo retida em
cada peneira, calculando-se a percentagem acumulada de massa que passa em
cada uma. Se houver partículas finas no solo, a amostra deve ser tratada com
um agente defloculante (por exemplo, uma solução de 4% de
hexametafosfato de sódio) e lavada pelas peneiras.
A distribuição do tamanho das partículas (DTP) de um solo fino ou a
fração fina de um solo grosso pode ser determinada pelo método da
sedimentação. Este baseia-se na lei de Stokes, que define a velocidade na
qual as partículas esféricas se depositam em uma suspensão: quanto maiores
forem, maior a velocidade de deposição e vice-versa. A lei não se aplica às
partículas menores do que 0,0002 mm, cuja deposição é influenciada pelo
movimento browniano. O tamanho de uma partícula é definido como o
diâmetro de uma esfera que se depositaria com a mesma velocidade que ela.
Inicialmente, a amostra de solo é submetida a um tratamento preliminar com
peróxido de hidrogênio para remover qualquer material orgânico. Ela, então,
é transformada em uma suspensão em água destilada, à qual foi adicionado
um agente defloculante para assegurar que todas as partículas seriam
depositadas individualmente, e colocada em um tubo de sedimentação. Pela
lei de Stokes, é possível calcular o tempo t para que partículas de um
determinado “tamanho”, D (o diâmetro equivalente de deposição), se
depositem em uma profundidade especificada da suspensão. Se, depois de um
tempo calculado (t), a amostra da suspensão for retirada com uma pipeta a
uma profundidade especificada abaixo da superfície, conterá apenas
partículas menores do que o tamanho D, a uma concentração igual àquela do
início da sedimentação. Se as amostras de pipeta forem retiradas das
profundidades especificadas em tempos correspondentes a outros tamanhos
de partículas escolhidos, a distribuição do tamanho das partículas pode ser
determinada a partir das massas dos resíduos. Um procedimento alternativo é
a medição, por meio de um hidrômetro especial, da densidade dos grãos da
suspensão, a qual depende da massa das partículas de solo na suspensão
durante a tomada da medida. Detalhes completos da distribuição do tamanho
das partículas por esses métodos são dados na BS 1377–2 (Reino Unido),
CEN ISO/TS 17892–4 (restante da Europa) e ASTM D6913 (EUA).*
Também podem ser usadas técnicas ópticas modernas para determinar a DTP
de um solo grosso. A técnica Single Particle Optical Sizing (SPOS) funciona
desenhando um fluxo de partículas secas por meio do feixe de um diodo
laser. Quando cada partícula isolada passa por esse feixe, ela cria uma sombra
em um sensor de luz que é proporcional ao seu tamanho (e, portanto, ao seu
volume). O dimensionador óptico analisa automaticamente a saída do sensor
para determinar a DTP pelo volume. Foi verificado que os métodos ópticos
superestimam os tamanhos das partículas quando comparados ao
peneiramento (White, 2003), embora apresentem as vantagens de poder
repetir os resultados, que são menos dependentes do operador em
comparação com o peneiramento, e realizar o ensaio exigindo um volume
muito menor de solo.
A distribuição do tamanho das partículas de um solo é apresentada como
uma curva em um gráfico semilogarítmico,** com as ordenadas indicando a
porcentagem de massa das partículas menores do que o tamanho especificado
pela abscissa. Quanto mais achatada for a curva de distribuição, maior será a
faixa de tamanhos de partículas no solo; quanto mais íngreme, menor a faixa.
Um solo grosso é descrito como bem graduado, se não houver excesso de
partículas em nenhuma faixa de tamanho e se não faltar nenhum tamanho
intermediário. Em geral, um solo bem graduado é representado por uma
curva de distribuição côncava e suave. Um solo grosso é descrito como mal
graduado (a) se uma proporção alta de partículas tiver tamanhos dentro de
limites estreitos (um solo uniforme) ou (b) se estiverem presentes tanto
partículas de tamanhos grandes quanto de tamanhos pequenos, mas com uma
proporção relativamente baixa daquelas de tamanho intermediário (um solo
de graduação aberta ou graduação descontínua). O tamanho das partículasé
representado em uma escala logarítmica, de forma que dois solos com o
mesmo grau de uniformidade sejam representados por curvas de mesmo
formato, independentemente de suas posições no gráfico de distribuição
granulométrica. Na Figura 1.4, aparecem exemplos desse tipo de distribuição
(também chamada de distribuição de tamanhos das partículas). O tamanho de
partícula correspondente a qualquer valor especificado de percentagem (na
escala “porcentagem que passa”) pode ser lido a partir da curva de
distribuição granulométrica. O tamanho para o qual 10% das partículas são
menores do que ele é indicado por D10. Outros tamanhos, como D30 e D60,
podem ser definidos de maneira similar. O D10 é definido como tamanho
efetivo. A inclinação e o formato da curva de distribuição podem ser
descritos por intermédio do coeficiente de uniformidade (Cu) e do
coeficiente de curvatura (Cz), definidos da seguinte maneira:
Quanto maior o valor do coeficiente de uniformidade, maior o intervalo de
tamanho das partículas do solo. Um solo bem graduado tem coeficiente de
curvatura entre 1 e 3. Os tamanhos D15 e D85 são usados normalmente para
selecionar o material adequado para os drenos granulares usados em serviços
geotécnicos de drenagem (ver Capítulo 2).
	Parte 1 - Desenvolvimento de um modelo mecânico para o solo
	1 Características básicas dos solos
	1.3 Plasticidade de solos finos
	1.4 Análise do tamanho das partículas