Aula 8 Índices Físicos

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ÍNDICES FÍSICOS DOS SOLOS
Professora: Júlia Righi
Notas de aula: Professor Roberto Ferraz/UFJF
Aula 8
Em termos físicos, o solo pode ser tratado como um material
multifásico constituído por uma fase sólida e uma fase fluida.
Fase sólida: composta por 
partículas sólidas resultantes 
da decomposição de rochas 
da crosta terrestre. Fase fluida: preenche os 
espaços vazios do esqueleto 
sólido e pode ser constituída por 
gás e/ou líquido (geralmente ar 
e água).
Obs.: Alguns autores 
consideram os solos como um 
sistema trifásico compostos 
pelas seguintes fases:
sólida, líquida e gasosa
1. INTRODUÇÃO (FASES FÍSICAS DOS SOLOS)
sólidos
ar
água
Esquema do Solo Elemento real de solo
Exemplo de um elemento real de solo e possíveis estruturas
1.1 Estrutura dos solos
Estrutura: termo usado para designar a forma como as
partículas se arranjam espacialmente na massa de solo.
As partículas do solo podem se aglomerar de diversas formas
originando o que se denomina de estrutura do solo (ou
esqueleto sólido).
Importância da estrutura:
Um mesmo solo, porém com estruturas diferentes 
apresentará comportamentos diferentes
Portanto, quando da execução de ensaios de laboratório ou de
campo para a avaliação das propriedades dos solos é
necessário estar atento para os casos onde a preservação da
estrutura original do solo é importante.
1.2 Amostragem de solos
Objetivo: É executada quando se pretende proceder a um
estudo do solo em laboratório, propiciando ainda, a
obtenção de corpos de prova para diversos ensaios.
Classificação das amostras com relação à preservação ou 
não da estrutura do solo:
(a) Amostras deformadas (b) Amostras indeformadas
Importância da estrutura:
Um mesmo solo, porém com estruturas diferentes 
apresentará comportamentos diferentes
Portanto, quando da execução de ensaios de laboratório ou de
campo para a avaliação das propriedades dos solos é
necessário estar atento para os casos onde a preservação da
estrutura original do solo é importante.
1.2 Amostragem de solos
Objetivo: É executada quando se pretende proceder a um
estudo do solo em laboratório, propiciando ainda, a
obtenção de corpos de prova para diversos ensaios.
Classificação das amostras com relação à preservação ou 
não da estrutura do solo:
(a) Amostras deformadas (b) Amostras indeformadas
AMOSTRAS DEFORMADAS (Ou amolgadas)
Conservam todos os constituintes minerais e se possível
a umidade natural do solo, entretanto, a estrutura é
perturbada pelo processo de extração.
Ex.: - Amostras colhidas com trados.
- Amostras colhidas com ferramentas manuais tais como
pás, enxadas, picaretas.
- Amostra obtidas com amostradores de parede grossa.
Trado concha Trado helicoidal
Amostras deformadas obtidas em sondagens a percussão
A amostragem nesse tipo de sondagem é feita a
cada metro de profundidade.
Amostra deformada em 
furo de sondagem
A amostragem 
é feita com 
cravação do 
amostrador 
num 
comprimento 
de 45 cm.
As amostras deformadas são utilizadas 
principalmente nos ensaios de laboratório 
para os quais não é necessário preservar a 
estrutura do solo (Ex.: Determinação de teor 
de umidade, ensaios de caracterização, 
ensaios de compactação, etc).
Amostras deformadas obtidas com pás, enxadas, picaretas, etc.
AMOSTRAS INDEFORMADAS (ou não amolgadas)
Estas amostras conservam ao máximo a estrutura dos
grãos e, portanto, as características de massa
específica aparente e umidade natural do solo “in situ”.
Podem ser obtidas cuidadosamente através de:
a) talhagem de bloco de solo em trincheiras, poços,
taludes de escavação;
b) utilizando cilindro cortante ou anéis biselados;
c) através de amostradores tubulares especiais e de
parede fina cravados estaticamente (sem pancadas)
em furos de sondagem.
2
4
3
Parafina
Amostra indeformada coletada na forma de Bloco de solo
1
Talhagem cuidadosa 
do bloco de solo.
Envolvimento com 
caixa de madeira
Uso de 
cilindro 
cortante 
ou anel 
biselado
Bloco de solo pré-esculpido 
para colocação do cilindro
Cilindro com a face superior 
parafinada e protegida
Aparamento do bloco de solo 
para introdução no cilindro
Amostra indeformada obtida com amostrador de parede fina
Amostrador shelby – Exemplo de amostrador tubular especial
de parede fina.
Estes amostradores são cravados estaticamente (sem pancadas
e geralmente por prensagem) em furos de sondagem.
Para ser considerado de parede fina deve-se ter:
- Índice de área (Ca)  Ca  10% 
- Relação de folga interna (Ci)  0,5%  Ci  1% 
Amostrador 
de parede 
fina (Shelby)
Amostrador shelby 
após a coleta da 
amostra de solo 
em profundidade
Selagem das extremidades do 
amostrador para envio ao laboratório
As amostras indeformadas são 
utilizadas nos ensaios de 
laboratório onde existe 
influência da estrutura do solo 
(Ex.: Ensaios de resistência, 
ensaios de adensamento, etc).
PROPRIEDADES ÍNDICES DOS SOLOS:
São determinadas características, tanto da fase sólida como
das três fases em conjunto, passíveis de mensuração e
expressas por meio de ...
2 PROPRIEDADES ÍNDICES DO SOLO
Propriedades índices: - Índices físicos
- Granulometria
- Estados de consistência
Para a avaliação quantitativa do comportamento do solo,
há necessidade de considerar e mensurar as ocorrências
de suas três fases físicas.
... relações entre as três fases ou por
meio da avaliação do comportamento do
solo, ante algum ensaio convencional.
Para fins de estudo 
dos índices físicos, um 
elemento real de solo 
pode ser representado 
esquematicamente 
com as três fases 
separadas 
sólidos
ar
água
Esquema de um 
elemento real de solo
Elemento de solo com as 
fases separadas
sólidos
ar
água
Vazios do 
solo
Parte sólida 
do solo
São relações entre as diversas fases do solo que procuram
caracterizar as condições físicas em que este se encontra.
2.1 Índices físicos do solo
Principais relações utilizadas nas definições dos índices físicos:
- Relações entre massas (ou pesos).
- Relações entre volumes.
- Relações entre massas e volumes (ou pesos e volumes)
sólidos
ar
água
Elemento real de solo
sólidos
ar
água
Vv
Vs
Volumes
Vw
Var
V
Ms
Mw
Mar  0
M
Massas
Ps
Pw
Par  0
Pesos (P = M.g)
P
a) Relação entre massas (ou pesos) mais utilizada:
- Teor de umidade (w): É a relação entre a massa de água (Mw)
e a massa de sólidos (Ms) presente na amostra de solo.
S
W
S
W
P
Pwou
M
Mw 
O teor de umidade 
é expresso em 
porcentagem (%)
PW = MW.g (peso de água)
PS = MS.g (peso de sólidos)
g = aceleração da gravidade
Apesar do teor de umidade ser expresso em porcentagem, ele não é uma
relação percentual exata, pois seu valor máximo não está limitado a 100%.
Assim, por exemplo, um solo com w = 200% significa que este possui o
dobro de massa de água em relação à massa de sólidos.
Va
zi
os
S
ól
id
os
b) Relações entre volumes mais utilizadas:
* Porosidade (n) * Índice de vazios (e) * Grau de saturação (Sr)
b.1) Porosidade (n): É a relação entre o volume de vazios (Vv)
e o volume total (V) da amostra de solo.
b.2) Índice de vazios (e): Relação entre o volume de
vazios (Vv) e o volume de sólidos (Vs) da amostra.
b.3) Grau de saturação (Sr): Relação entre o volume de
água (Vw) e o volume de vazios (Vv) da amostra.
A porosidade (n) é expressa em porcentagem (%)
V
Vn V
S
V
V
Ve 
O grau de saturação (Sr) é expresso em porcentagem (%)
V
W
r V
VS 
Solo saturado Vazios completamente preenchidos por água  Sr = 1
(ou Sr = 100%)
Solo parcialmente saturado presença de ar e água nos vazios  0 < Sr < 1
(ou 0% < Sr < 100%)
Soloseco Vazios preenchidos somente por ar  Sr = 0 (ou Sr = 0%)
c) Relações entre massas e volumes mais utilizadas:
- Massa específica natural ()
- Massa específica aparente seca (d)
- Massa específica dos sólidos (ou dos grãos) (s)
- Massa específica da água (w)
c.1) Massa específica natural (): É a relação entre a
massa do elemento de solo (M) e seu volume
total (V).
As massas específicas do solo podem ser expressas em g/cm3, kg/m3, t/m3
V
M
ρ 
c.2) Massa específica aparente seca (d): É a relação
entre a massa de sólidos (Ms) e o volume total
(V) do elemento de solo. V
M
ρ Sd 
c.3) Massa específica dos sólidos (ou dos grãos)
(s): É a relação entre a massa dos sólidos (Ms)
e o volume ocupado por esses sólidos (Vs). S
S
S V
M
ρ 
c.4) Massa específica da água (w): É a relação entre a
massa de água e o volume ocupado pela mesma.
Se, ao invés de massas, forem utilizados os pesos das diversas
fases, os índices físicos também podem ser definidos em
termos de pesos e volumes:
d) Relações entre pesos e volumes:
- Peso específico natural ()
- Peso específico aparente seco (d)
- Peso específico dos sólidos (ou dos grãos) (s)
- Peso específico da água (w)
w
w
w V
M
ρ  Em aplicações onde não seja necessário considerar a influência da temperatura, adota-se: 
w = 1 g/cm3 = 1000 kg/m3 = 1 t/m3
d.1) Peso específico natural (): É a relação entre o peso e o
volume total do elemento de solo.
d.2) Peso específico aparente seco (d): É a relação entre o
peso de sólidos e o volume total do elemento de solo.
d.3) Peso específico dos sólidos (ou dos grãos) (s): É a
relação entre o peso dos sólidos e o volume ocupado por
esses sólidos.
d.4) Peso específico da água (w): É a relação entre o peso da
água e o volume ocupado pela mesma.
Relações entre massas específicas () e pesos específicos ():
Considerando que: P = M.g
g  9,81 m/s2 (aceleração da gravidade)
ρ.g.g
V
M
V
M.g
V
P

Portanto:  = .g d = d.g
s = s.g w = w.g
Unidades de pesos específicos: kN/m3, kgf/m3, tf/m3
Unidades de força geralmente utilizadas na prática:
(a) Newton  1N = 1 kg.m/s2
(b) Quilo Newton  1 kN = 103 N = 1000 N
(b) Quilograma força  1kgf = 9,81 kg.m/s2 (1 kgf = 9,81 N)
(c) Tonelada força  1tf = 1000 kgf (1 tf = 9810 N = 9,81 kN)
Para fins de aplicações práticas, é comum adotar 1 tf  10 kN
Obtenção de pesos específicos a partir de massas especificas
() expressas em g/cm3.
Exemplo para w = 1 g/cm3 (w = 103 kg/m3 = 1 t/m3)
Como 1 kgf = 9,81 N  w = 103 kgf/m3 = 1 tf/m3
Logo: w = 9,81x103 N/m3 = 9,81 kN/m3
w = w .g = (103 kg/m3).(9,81 m/s2) = 9,81x103 (kg.m/s2)/m3
sólidos
ar
água
Elemento real de solo
sólidos
ar
água
Vv
Vs
Volumes
Vw
Var
V
Ms
Mw
Mar  0
M
Massas
Ps
Pw
Par  0
Pesos (P = M.g)
PV
az
io
s
S
ól
id
os
S
W
S
W
P
Pwou
M
Mw 
V
W
r
S
VV
V
VS
V
Ve
V
Vn 
W
W
w
S
S
s
S
d V
M
ρ
V
M
ρ
V
M
ρ
V
M
ρ 
W
W
w
S
S
s
S
d V
P
V
P
V
P
V
P
 
Variação dos 
índices físicos:
Geralmente os 
índices físicos variam 
dentro dos seguintes 
intervalos:
- Teor de umidade: 0  w  1500%
- Porosidade: 0 < n < 100%
- Índice de vazios: 0 < e < 20
- Grau de saturação: 0  Sr  100%
- Massa específica natural: 1,0    2,5 g/cm3
- Massa específica dos sólidos: 2,5  s  3,5 g/cm3
2.2 Determinação dos índices físicos
Dos oito índices físicos definidos anteriormente (w, n, e, Sr, ,
d, s, w) somente os três abaixo são determinados
diretamente em laboratório:
- Teor de umidade (w)
- Massa específica natural ()
- Massa específica dos sólidos (s)
Os demais são obtidos a partir destes por meio de correlações.
Geralmente para a água assume-se que:
- Massa específica: w = 1 g/cm3 = 1000 kg/m3 = 1 t/m3
- Peso específico: w = 9,81 kN/m3 ou w  10 kN/m3  1 tf/m3
2.2.1 Determinação do teor de umidade (w)  Estufa
Tomar uma certa 
quantidade de solo 
úmido.
Destorroar o solo, 
colocá-lo na cápsula e 
determinar a massa da 
cápsula + solo úmido 
(Mcap_U)
Colocar a cápsula em 
estufa à temperatura de 
105oC a 110o C, até 
constância de massa 
(normalmente de 16 a 24 
horas).
Depois de seco, pesar 
novamente a cápsula + 
solo seco e anotar como 
MCap_S
Pegar uma cápsula 
metálica e obter sua 
massa (MCap).
(%)100x
MM
MM
M
Mw 
CapCap_S
Cap_SCap_U
S
w



Apesar do teor de umidade ser expresso em porcentagem, o
mesmo não caracteriza uma relação percentual exata, ou seja
seu valor máximo não está limitado a 100%.
Assim, por ex., um solo com w = 200%
significa que este possui o dobro de massa
de água em relação à massa de sólidos.S
W
S
W
P
Pwou
M
Mw 
2.2.1 Determinação do teor de umidade (w)  Estufa
2.2.2 Determinação da massa específica natural ()
Geralmente a massa específica natural do solo () é
determinada em corpos de prova talhados para a realização de
algum outro ensaio de interesse.
Se o corpo de prova for talhado na forma cilíndrica, basta obter
a massa e suas dimensões geométricas para que seja possível
calcular seu volume, e dessa forma obter  = M/V.
Medições dos diâmetros
d1, d2
d3, d4
d5, d6
6
6
1

 i
i
m
d
d
Medições das alturas
h1 h3h2
120o
3
3
1

 i
i
m
h
h
Valores 
médios:
Obs.: Durante a talhagem dos corpos-de-prova (cilíndrico ou com anel)
toma-se um pouco do solo para a determinação do teor de umidade
natural do solo (w).
Caso o corpo de prova seja talhado
dentro de um anel, seu volume será
igual ao volume interno do anel.
Se: VCP = Volume do corpo de prova
MCP = Massa do corpo de prova
Massa específica natural:
m
2
mCP h.d.4
V 






CP
CP
V
M

Dimensões do anel
a
2
aAnelCP h.d.4
VV 






ha
da
Solo + AnelCP
CP
V
M

Determinação da massa específica no campo com o 
emprego do cilindro de cravação
cilindro
cilindrototal
V
MM 

V
M umidosoloMassa específica “in situ” (no campo):
Solo úmido
2) Cravação do 
cilindro no solo
1) Det. dos dados 
do cilindro
3) Pesagem e det. 
do teor de umidade
Um dos métodos de campo, que pode ser usado para a determinação da
massa específica natural, é o método do cilindro de cravação (vide figura)
2.2.3 Determinação da massa específica dos sólidos (s)
Feita geralmente empregando-se um “picnômetro” (ou balão
volumétrico)  “Método do picnômetro”.
Exemplos picnômetros ou balões
volumétricos.
Princípio do ensaio: Conhecida a massa de sólidos (Ms), utiliza-se o
picnômetro para determinar o volume ocupado por esses sólidos (Vs), com
base no volume de água deslocado pelos mesmos.
S
S
S V
M
ρ 
Definição de 
massa 
específica 
dos grãos
Procedimentos básicos do ensaio do picnômetro
1) Encher o picnômetro com água (temperatura T) até a marca de
calibração e obter a massa de água no mesmo (M1 = MwT).
2) Colocar a massa de sólidos (Ms) no picnômetro, preencher com água até
a marca de calibração e determinar a massa total, compreendida pela
água + sólidos (M2 = M”wT + Ms).
Além disso, obter a temperatura da água (T) no momento do ensaio.
M1 = MwT
V = VwT
M2 = M”wT + Ms
V = V”wT + Vs
(1) (2)
V = VwT = V”wT + VS VS = VwT – V”wT
w
w
w V
M
ρComo 
wT
wT
wT ρ
MV 
wT
wT
wT ρ
M"V" 
wT
wT
wT
wT
S ρ
M"
ρ
MVLogo,  MwT = M1 e M”wT = M2 - MS
Conclusão:
)M(MM
ρ.M
V
M
ρ
s21
wT
s
S
S
S 

Objetivo do uso do 
picnômetro:
obter o volume dos sólidos 
(Vs).M1 = MwT
V = VwT
M2 = M”wT + Ms
V = V”wT + Vs
MwT
M”wT
Ms
V
(1) (2)
Corte esquemático dos picnômentros
21S
wTS
S MMM
ρ.M
ρ


wTρ
M
SV
)2(1 sMM 

Massa específica da água (w) de 0o a 29,9o
Massa específica da água (w) de 30o a 40o
Observação:
Nos ensaios de laboratório onde o valor da massa
específica da água (w) tem grande influência nos seus
resultados, é necessário recorrer à tabela apresentada para
obter corretamente o valor a ser utilizado nos cálculos.
Massas específicas dos sólidos de alguns minerais típicos dos solos
s s
Como os solos são constituídos por uma mistura de diversos
minerais, a massa específica encontrada através do método do
picnômetro pode ser interpretada como uma média ponderada
das massas específicas dos minerais presentes.
Assim, aquele mineral que estiver presente em maior
quantidade terá maior influência no valor da massa específica
dos sólidos (s) obtida para o solo.