Aula 3 - Propriedades e indices fisicos

Prévia do material em texto

23/08/2015
1
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Propriedades das Partículas
Índices Físicos
Cecília Silva Lins
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
 FASE SÓLIDA: constituída por grãos minerais (tamanho, forma, e distribuição
dos grãos.)
 FASE LÍQUIDA: constituída pela água de constituição, água adsorvida, água
livre, água higroscópica e água capilar;
 FASE GASOSA: constituída por ar e vapor d´água. Importante para os problemas
de deformação dos solos.
Elementos constituintes do solo
23/08/2015
2
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
As propriedades do solo dependem do estado em que ele se encontra:
não saturado
SOLID
GAS LIQUIDar água
partícula 
sólida
saturado
três fases: mais 
complicado para 
estudar
Diagrama 
de fases
Diagrama 
de fases
duas fases
SOLID
GAS LIQUIDar água
partícula 
sólida
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
FASE LÍQUIDA
23/08/2015
3
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
1. A quantidade de água e ar no solo podem variar:
Evaporação – diminui a quantidade de água
Compressão – saída de água e ar
2. O solo permanece o mesmo em relação as partículas que o
constituem, entretanto seu estado se altera.
3. Diversas propriedades do solo dependem do estado em que ele se
encontra:
Resistência – maior para índice de vazios menores
Compressilidade – maior para índice de vazios maiores
OBS.: A fase gasosa é importante em problemas de deformação de
solos porque o gás é bem mais compressível que o sólido e o líquido.
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Para identificar o estado do solo, empregam-se os índices físicos que
correlacionam os pesos e volumes das três fases.
Elementos fundamentais para o cálculo dos índices físicos:
Nomenclatura:
Vs = volume dos sólidos
Vw = Va = volume de água
Var = Var = volume de ar
Vv = volume de vazios
Vt =V= volume total
Vv = Vw + Var
Vt = Vv + Vs = Vw + Var + Vs
Par = peso de ar (Par=0)
Ps = peso de sólidos
Pa = Pw = peso da água
Pt =P = peso total
Pt = Ps + Pa
Relação 
pesos
Relação 
volumes
23/08/2015
4
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Índices físicos:
1.Umidade (w ou h) – laboratório / campo
2.Índice de vazios (e)
3.Porosidade (n)
4.Grau de saturação (S)
5.Peso específico dos sólidos ou dos grãos (g) – laboratório
6.Peso específico natural (n) - laboratório / campo
7.Peso específico da água (a)
8.Peso específico aparente seco (s)
9.Peso específico saturado (sat)
10.Peso específico submerso (sub)
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Peso específico das partículas (ou dos grãos) (g)
a
g

 
 Definição: é a razão entre o peso da substância sólida por unidade de
volume.
Unidades (g/cm3, Kg/m3, KN/m3)
Valores típicos de densidade relativa (ou peso específicos de 
minerais comum nos solos).
s
s
g V
P
23/08/2015
5
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Procedimento:
1.Coloca-se um peso seco
conhecido do solo num
picnômetro, completa-se com
água e pesa-se.
(Peso do picnômetro + água) +
(peso do solo seco) – (peso do
picnômetro + solo + água) = peso
da água substituída pelo solo
2.Deste peso, calcula-se o volume
de água e tem-se o peso
específico.
MÉTODO DO PICNÔMETRO:
Ps
Pt
Pw Vw=Vs
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Unidades (g/cm3, Kg/m3, KN/m3)
21 PPP
P
s
as
g 

MÉTODO DO PICNÔMETRO:
23/08/2015
6
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
TEOR DE UMIDADE (h ou w)
100(%) 
Ps
Pah
 Definição: o teor de umidade de um solo é representado pela razão
entre o peso da água contida num certo volume de solo e o peso da
parte sólida existente neste mesmo volume.
O teor de umidade pode assumir o valor de 0% para solos secos (Pw = 0) até valores
superiores a 100% em solos orgânicos.
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
a) Estufa (ABNT/NBR 6457/87)
•Verificar tara da cápsula (peso da cápsula vazia).
• Toma-se uma porção de solo (aprox. 50,0 g), colocando-a numa
cápsula de alumínio com tampa;
• Pesa-se o solo úmido + cápsula usando balança analítica (precisão de
0,01g);
• Leva-se a cápsula destampada a uma estufa (aprox. 6 horas para solos
arenosos e 24 horas para solos argilosos);
• Pesa-se o conjunto solo seco + cápsula.
Obs: Identificar as cápsulas
23/08/2015
7
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Determinação nº 01 02 03
Cápsula nº 2a
Tara da cápsula (g) 5,3
Cápsula + solo úmido (g) 53,6
Cápsula + solo seco (g) 45,9
Págua (g) 53,6 - 45,9
Pseca (g) 45,9 - 5,3
w (%) Págua / Pseco
Média (W1 + W2 + W3)/3
   
  100taraosecsolo.cáp
osecsolo.cápúmidosolo.cápw 

105 -110º C (laboratório)
estufa a 60ºC (em caso de
solo orgânico)
precisão de 0,01g
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
b) Aparelho Speedy
• Reservatório metálico fechado, com um
manômetro, destinado a medir a pressão
interna.
• Pesa-se a amostra.
• Coloca-a dentro do reservatório.
• Introduz na câmara, duas esferas de aço,
seguida da ampola de 6,5g carbureto de cálcio
(CaC2).
• Pela combinação da água do solo com o
carbureto gera acetileno (ler pressão no
manômetro.
23/08/2015
8
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
c) Fogareiro a álcool
• Pesa o solo úmido
• Seca o solo utilizando álcool etílico não hidratado (porque outro tipo
deixa resíduos influenciando na medida)
• Pesa o solo seco
Obs.: Restrições são devidas à falta de controle da temperatura, que
causa queima de matéria orgânica e pode provocar “cracking” em
partículas de argila por perda de água de constituição.
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
ÍNDICE DE VAZIOS (e)
Vs
Vve 
 Definição: O índice de vazios de um solo é representado pela razão
entre o volume de vazios e o volume da parte sólida de um solo.
Valores típicos do índice de vazios:
Solos arenosos podem situar de 0,4 a 1,0;
Solos argilosos, variam de 0,3 a 1,5;
Solos orgânicos, podemos encontrar valores superiores a 1,5.
23/08/2015
9
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
POROSIDADE (n)
 Definição: A porosidade de um solo é representada pela razão entre o
volume de vazios e o volume total de uma amostra de solo.
100(%) 
Vt
Vvn
A porosidade é expressa em porcentagem ou não, e o seu intervalo de
variação é entre 30 a 70%.
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Classificação da porosidade e do índice de vazios nos solos 
23/08/2015
10
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Peso específico do solo no estado natural (nat = )
Vt
Pt
 Definição: Peso específico do solo no estado natural é representado
pela razão entre o peso total de solo e o volume total de solo.
A magnitude do peso específico natural dependerá da quantidade de água
nos vazios e dos grãos minerais predominantes.
Varia entre 19 a 20 kN/m3. Casos de argilas orgânicas podem apresentar
valores de 14 kN/m3.
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Determinação em campo e laboratório:
23/08/2015
11
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Cilindro cortante - no controle de compactação de camadas de solo,
onde um cilindro com peso e dimensões conhecidas é cravado no
solo;
Determinação em campo:
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Frasco de areia
Determinação em campo :

mV
V
m • Determinar volume no
terreno
• P1 = peso do frasco de
areia
• P2 = peso do frasco de
areia depois de coloca a
areia no furo em campo
• P3 = areia que fica no
funil (lab)
• Pareia = (P1-P3)-P2
Volume do furo em
campo
furodoadoerV
furosoloP
V
P
t
t
n mindet

23/08/2015
12
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Peso específico do solo no estado seco (s)
 Definição: Peso específico do solo no estado seco é representado pela
razão entre o peso seco de solo e o volume total de solo.
Vt
Pss 
Corresponde ao peso específico que o solo teria se ficasse
completamente seco sem que houvesse variação do volume.
Não é determinado em laboratório, mas calculado a partir do peso natural
e da umidade.
Varia entre 13 a 19 kN/m3. No casos de argilas orgânicas moles valores
entre 5 a 7 kN/m3.
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
ÍNDICES FÍSICOS – PESO ESPECÍFICO APARENTE SATURADO ( sat)
Razão entre o peso do solo saturado (Ptsat) e o volume total do solo (Vt)
Peso específico que o solo teria se ficasse saturado sem que houvesse
variação do volume.
Da ordem de 20 kN/m3.
t
as
t
t
sat V
PP
V
P  na condição saturada: Vv = Vw
23/08/2015
13
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
ÍNDICES FÍSICOS – PESO ESPECÍFICO APARENTE SUBMERSO ( sub)
Quando o solo é submerso, as partículas sólidas sofrem o empuxo da
água, e então:
Serve para cálculos das pressões efetivas.
Da ordem de 10 kN/m3.
asatsub  
NA
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Peso específico do solo ()
Vt
Pt Peso específico do solo no estado natural (nat ):
Vt
Pss  Peso específico do solo no estado seco (s):
Vt
PaPssat 
asatsub  
 Peso específico do solo saturado (sat):
 Peso específico do solo submerso (sub):
26
23/08/2015
14
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Grau de Compacidade (GC)
This image cannot currently be displayed.
 Definição: Compacidade é a característica da maior ou menor densidade
(compactação) dos solos granulares (não coesivos).
A compacidade ou densidade relativa é determinada pelo grau de
compacidade através da expressão:
Índice de vazios máximo (emax): estado
mais fofo possível.
Índice de vazios mínimo (emin): estado
mais compacto possível.
Em geral, areias compactadas apresentam maior resistência e menor
deformabilidade.
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Grau de Compacidade (GC)
)//()/(max
/)(/max
ygPsygPsVe
VsVsVVsVve


 Determina-se o índice de vazios máximo vertendo-se simplesmente o
material seco em um recipiente de volume conhecido e pesando-se.
onde:
V = volume do recipiente
Ps = peso do solo seco
g = peso específico real dos grãos (p. esp. partículas)
•Obtém-se o índice de vazios mínimo, compactando-se o material por
vibração ou por socamento dentro de um recipiente de volume (V)
(ABNT/NBR 12051/91).
onde:
Psc = peso do solo compactado
)//()/(min ygPscygPscVe 
23/08/2015
15
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
ESTADO DAS AREIAS: COMPACIDADE
Valores típicos emín emáx
Areia uniforme de grãos angulares 0,70 1,10
Areia bem graduada de grãos angulares 0,45 0,75
Areia uniforme de grãos arredondados 0,45 0,75
Areia bem graduada de grãos arredondados 0,35 0,65
Areia fofa: GC < 0,33 
Areia de compacidade média: 0,33 < GC < 0,66 
Areia compacta: GC > 0,66 
Classificação das areias:
O estado em que se encontra uma areia pode ser expresso pelo seu
índice de vazios, sendo importante analisar o índice de vazios máximo
e mínimo.
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Grau de saturação
Vv
VaS (%)
 Definição: O grau de saturação de um solo é dado pela razão do volume
de água pelo volume de vazios; ou seja é a percentagem de água contida
nos vazios do solo.
%1000  S
O grau de saturação é expresso em porcentagem, e o seu intervalo de variação é
entre 0 (solos secos) a 100% (solos saturados).
Classificação do grau de saturação nos solos:
23/08/2015
16
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
Grau de aeração
Vv
VarA (%)
 Definição: O grau de aeração de um solo é dado pela razão do volume
de ar pelo volume de vazios.
Var = Vv - Va S
Vv
VaVvA  1(%)
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
PRINCIPAIS RELAÇÕES ENTRE OS ÍNDICES FÍSICOS
1. Peso específico do solo no estado seco (s), peso
específico do solo no estado natural (nat) e umidade
(h):
Vt
Pss 
Dividindo por 
Pt = Ps + Pa
h
Pt
Vt
PaPs
Ps
s nat

1

23/08/2015
17
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
2. Índice de vazios, peso específico do solo no estado
seco (s), peso específico dos sólidos (g):
Vs
Vve  11
/
/1 
s
g
PsVs
PsVt
Vs
Vt
Vs
VsVte 

3. Índice de vazios, peso específico dos sólidos (g),
umidade (h) e grau de saturação (S):
Vv
VaS (%) 


 eS
V
SV
V
V
Ps
Pah
sa
va
gs
aa 
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
t
v
V
Vn
sv
v
VV
V

s
s
s
v
sv
V
V
V
V
VV

sV 1 e
e
e
en 1
4. Porosidade (n) com relação ao Índice de vazios (e).
23/08/2015
18
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
RESUMO 
ÍNDICES 
FÍSICOS
Mecânica dos Solos 
Aula 3 – Propriedades e Índices Físicos
APLICAÇÃO
2. Uma amostra de areia, no estado natural, pesa 875g e seu volume
é igual a 512 cm3. O seu peso seco é 803g e a densidade relativa dos
grãos é 2,65. Determine o seu índice de vazios, a porosidade, o teor
de umidade e o grau de saturação da areia.
1. Moldou-se um corpo de prova cilíndrico, com 3,57cm de diâmetro
e 9cm de altura, que apresentou uma massa de 173,74g. Determine a
massa específica natural do solo.
3. Uma amostra de solo pesa 30,2kg e seu volume é de 0,0179m3.
Após secagem em estufa o seu peso se reduz a 26,8kg. A
densidade das partículas é de 2,65.
Determine o seu índice físicos.