Cap02 Identificacao e Classificacao Solos MSI Parte1

Prévia do material em texto

Identificação e Classificação
de Solos.
Mecânica dos Solos I 2008/09 – DEC - FCTUC
Composição granulométrica 
„ A composição granulométrica é definida como a 
distribuição em percentagem ponderal (isto é, em 
percentagem do peso total) das partículas do solo 
de acordo com as suas dimensões.
„ A análise da composição granulométrica de um solo 
é feita a partir da determinação da sua curva 
granulométrica ⇒ ensaio laboratorial.
„ Para as partículas de maiores dimensões o método 
convencional para a determinação da composição 
granulométrica é o de peneiração, segundo o qual, 
o solo é obrigado a passar por uma série de 
peneiros de malha quadrada cada vez mais 
apertada.
Peneiro nº 1 m1 
Peneiro nº ¾” m3/4” 
Peneiro nº 3/8” m3/8” 
Peneiro nº 4 m4 
Peneiro nº 10 m10 
„ Para as partículas de dimensões inferiores a 0,075 
mm (peneiro nº 200) a análise granulométrica é, em 
geral, realizada por sedimentação.
O método de sedimentação consiste em 
misturar o solo (parte da fracção passada no 
peneiro nº 200) com água destilada e observar 
em seguida o processo de sedimentação das 
partículas que se encontram em suspensão.
Segundo a lei de Stokes, a velocidade de sedimentação de 
uma partícula esférica de diâmetro D e peso volúmico γs
num líquido de viscosidade η e peso volúmico γw é dada 
por:
22
18
DvDgv swss αη
γγ =>⋅−⋅=
O ensaio é feito medindo a densidade da suspensão em 
certos intervalos de tempo. A diferença de densidades 
medirá a quantidade de partículas que no tempo t percorreu 
uma certa distância h. As partículas sedimentaram assim 
com uma velocidade v=h/t. Conhecendo v, pode-se calcular 
o respectivo diâmetro pela lei de Stokes.
Críticas: - flocos ⇒ utilizar desfloculantes
- forma das partículas (forma esférica?)
„ Em alternativa ao processo de sedimentação, pode 
recorrer-se a aparelhos designados por 
granulómetros, que procedem à análise 
granulométrica através do varrimento do solo com 
raios laser (Coloca-se no granulómetro a parte do solo 
passada no peneiro nº 40).
Resultados da análise granulométrica
CURVA GRANULOMÉTRICA 
60mm<D≤200mm 
⇒ calhaus
D>200mm⇒pedras
Classificação granulométrica dos solos
TRIÂNGULO DE FERET 
Grandezas retiradas da curva granulométrica
„ Diâmetro efectivo, D10 – um solo com determinado 
diâmetro efectivo tem 10% em peso de partículas com 
dimensões inferiores a D10.
10%
D10
„ Coeficiente de uniformidade, CU – dá uma ideia da 
variedade de dimensões que as partículas de um 
dado solo possuem, sendo determinado por:
10
60
D
D
CU =
• CU elevado (CU> 4 a 6)⇒ solo pode ser bem graduado.
• Se CU baixo ⇒ solo mal graduado.
• Se CU =1 ⇒ solo (totalmente) uniforme.
•Quanto maior for CU, menos uniforme (mais bem graduado) 
é o solo ⇒ melhor comportamento do solo quando 
usado como material de construção (compactado…).
„ Coeficiente de uniformidade, CU – dá uma ideia da 
variedade de dimensões que as partículas de um 
dado solo possuem, sendo determinado por:
10
60
D
D
CU =
„ Coeficiente de curvatura, CC – dá uma ideia do 
andamento (forma) da curva granulométrica entre o 
D10 e o D60, sendo determinado por:
( )
6010
2
30
DD
D
CC ⋅=
• Se a evolução da curva granulométrica entre D10 e D60 for 
suave (1 < CC < 3) ⇒ solo bem graduado (sse CU alto!).
• Se CC estiver fora do intervalo entre 1 e 3 ⇒ solo mal 
graduado.
Exercício 1 
Para a identificação e a classificação de 4 solos (A, B, C e D) realizaram-
se ensaios laboratoriais que incluíram análises granulométricas 
(peneiração e sedimentação), a determinação dos limites de consistência 
ou de Atterberg e a determinação dos principais índices físicos.
A peneiração forneceu os resultados abaixo indicados. 
Percentagem de passados Número do 
Peneiro Solo A Solo B Solo C Solo D 
3/4 90 – – – 
3/8 56 – 100 – 
4 47 – 95 – 
10 44 – 83 – 
20 40 95 74 – 
40 – 80 63 – 
60 29 10 54 – 
80 – 3 – – 
140 – – 42 – 
200 4 1 37 91 
Do ensaio de sedimentação do solo C resultou que 31 % das partículas 
eram menores que 0,05 mm, 22 % menores que 0,025 mm, 20 % menores 
que 0,012 mm e 6 % menores que 0,002 mm.
Do ensaio de sedimentação do solo D concluiu-se que 78 % das 
partículas eram menores que 0,04 mm, 61 % menores que 0,02 mm e 40 % 
menores que 0,002 mm.
Em relação à determinação dos limites de Atterberg ou de consistência, 
verificou-se que:
i) o solo C é não plástico;
ii) o índice de plasticidade (IP) da fracção fina do solo C é igual a 3,5 %; 
iii) o solo D é plástico e inorgânico (ver folha em anexo, que contém os 
resultados obtidos nos ensaios efectuados sobre amostras não secas 
previamente).
Relativamente aos principais índices físicos, os resultados obtidos foram: 
Solo A Solo B Solo C Solo D 
G =2,70 G =2,68 G =2,63 G =2,60 
w =15% w =0 % w =7 % w =40 % 
γ =18,1 kN/m3 γ =17,6 kN/m3 γ =18,4 kN/m3 γ =16,9 kN/m3 
a) Trace as curvas granulométricas dos quatro solos. 
• Solo A
b) Classifique granulometricamente os solos B, C e D. 
% argila = 6%
% silte = 28%
% areia = 49%
% cascalho = 17%
66%
• Solo C
• Solo C
% argila = 6%
% silte = 28%
% areia = 66%
6%
66%
28%
⇒ Areia siltosa
Triângulo de Feret
c) Para os três primeiros solos, determine os valores do diâmetro efectivo, do coeficiente 
de uniformidade e do coeficiente de curvatura. Em relação à extensão da granulometria
ou graduação das partículas, diga como podia classificar estes solos. 
• Solo A
10%
D10
30%
D30
60%
D60
• Solo A
10%
D100,09 mm 0,10 mm
a
b
b ↔ log100,1-log100,09
a ↔ log10(D10)-log100,09
 ⇒ log10(D10) = ……. ⇒ D10 = …….
• Solo A
D10 = 0,093 mm
D30 = 0,28 mm
D60 = 10 mm
5,107
093,0
10
10
60 ===
D
DCU
( ) ( ) 08,0
10093,0
28,0 2
6010
2
30 =⋅=⋅= DD
DCC
 ⇒ Solo mal graduado
• Solo B
D10 = 0,25 mm
D30 = 0,289 mm
D60 = 0,375 mm
5,1
25,0
375,0
10
60 ===
D
DCU
( ) ( ) 89,0
375,025,0
289,0 2
6010
2
30 =⋅=⋅= DD
DCC
 ⇒ Solo mal graduado
• Solo C
D10 = 0,0035 mm
D30 = 0,047 mm
D60 = 0,35 mm
100
0035,0
35,0
10
60 ===
D
DCU
( ) ( ) 82,1
35,00035,0
047,0 2
6010
2
30 =⋅=⋅= DD
DCC
 ⇒ Solo bem graduado
Minerais de argila
As partículas de argila caracterizam-se por:
- terem dimensão muito pequena;
- terem forma tipicamente laminar (ou de placa);
- serem quimicamente muito activas;
- estar sujeitas a forças de natureza predominante/ 
electroquímica. 
Partículas de 
caulinite
partículaMassa
exteriorSuperfícieespecíficaSuperfície =
Partículas forma cúbica:
- quando a dimensão da 
partícula desce três ordens 
de grandeza, a superfície
específica sobe três ordens 
de grandeza.
Fo
rm
a 
cú
bi
ca
Fo
rm
a 
la
m
in
ar Partículas forma laminar:
- a forma laminar tem 
grande influência no 
aumento da superfície 
específica.
Partículas Diâmetro (μm) Espessura/Diâmetro Superfície específica (m2/g)
Montmorilonite 1,0 - 0,1 1/100 800
Ilite 2,0 - 0,1 1/10. 80 - 100
Caulinite 3,0 - 0,3 1/3 - 1/10 10 - 20.
Areia 2000 - 60 ≈ 1 0,001 - 0,04
• Devido às suas características geométricas, uma 
significativa percentagem das moléculas que constituem as 
partículas de argila encontra-se junto da respectiva 
superfície, em contacto com o exterior.
• Por outro lado, devido à sua composição mineralógica e 
ao arranjo molecular, as partículas de argila estão 
carregadas electricamente (cargas eléctricas negativas nas 
faces e cargas eléctricas positivas nos bordos, com 
predominância da carga negativa).
• Devido a estas cargas eléctricas, desenvolvem-se forças
de natureza electroquímica com o meio envolvente às 
partículas de argila.
• Assim, para que uma partícula fique 
neutralizada electricamente,ela vai 
atrair iões positivos (catiões) de sais 
dissolvidos na água, bem como 
moléculas de água (que compreendem 
um ião positivo e outro negativo), 
formando à sua volta uma nuvem de 
água adsorvida (água não libertável
por secagem em estufa). Estas 
moléculas de água estão submetidas a 
tensões elevadíssimas, encontrando-
se praticamente no estado sólido.
• No interior de um solo argiloso as partículas adoptarão um 
arranjo de modo a garantir o equilíbrio entre forças 
atractivas (forças de Van der Waals e forças eléctricas 
entre cargas de sinal contrário), forças repulsivas (forças 
eléctricas entre cargas de sinal igual) e forças gravíticas.
• A quantidade de água na periferia de cada partícula é um 
factor preponderante na arrumação entre as partículas de 
argila e na distância média entre elas, e portanto, na 
grandeza das forças interpartículas.
• Nas partículas de argila desenvolvem-se forças de 
superfície (através das quais se manifesta a actividade 
química das argilas), que, normalmente, ultrapassam em 
importância as forças gravíticas.
• Quanto maior a superfície específica das partículas, maior
é a importância das forças de superfície em relação ao peso 
próprio e maior é a actividade química das argilas.
• Partículas com superfícies específicas superiores a 25 
m2/g têm comportamento coloidal (colóides – partículas 
cujo comportamento é comandado pelas forças de 
superfície e não pelo peso próprio).
• Nas partículas grossas (dimensão areia e cascalho), a 
superfície específica é muito inferior a 25 m2/g, pelo que as 
forças de superfície são desprezáveis, sendo as forças 
interpartículas quase praticamente associadas ao peso 
próprio.
• Do exposto atrás, conclui-se que variações no teor de 
humidade, w, afectarão sobremaneira o comportamento do 
solo argiloso:
¾ Se w baixo ⇒ nuvens de água adsorvida de menor 
espessura ⇒ menor índice de vazios (menor porosidade), 
logo, solo de elevada consistência (menor 
compressibilidade e maior resistência ao corte).
¾ Se w alto ⇒ nuvens de água adsorvida de maior 
espessura ⇒ maior índice de vazios (maior porosidade), 
logo, solo de baixa consistência (maior compressibilidade e 
menor resistência ao corte).
• Outro parâmetro que afecta o comportamento dos solos 
argilosos é o tipo de fracção argilosa predominante no 
solo. Existem 3 tipos fundamentais de minerais de argila: 
caulinites, ilites e montmorilonites.
• Consoante o mineral de argila, diferentes valores tem para 
a superfície específica ⇒ diferente vai ser a capacidade de 
adsorção de água por parte do solo.
• Exemplo: é na montmorilonite que a superfície específica
atinge valores mais elevados ⇒ é nos solos em que 
predomina a montmorilonite que, no estado natural, podem 
aparecer w e e mais elevados.
• Dois solos podem ter a mesma curva granulométrica e ter 
características e comportamentos distintos: isto é possível 
quando nos solos existem partículas de dimensão argila e, 
desde que a composição mineralógica em ambos os solos 
seja diferente.
Dois solos com a mesma curva granulométrica 
têm o mesmo comportamento?
NÃO NECESSARIAMENTE
• Do que se viu atrás, para a caracterização e identificação 
de solos argilosos exigem-se parâmetros que reflictam:
¾ A dependência do comportamento do solo em relação 
ao teor de humidade - dada pelos limites de consistência 
ou de Atterberg.
¾ O tipo de fracção argilosa – “dado” pela actividade da 
argila.
¾ Nota: embora a plasticidade de um solo esteja normal/ 
associada aos minerais argilosos, esta pode também advir 
da matéria orgânica- MO (solos de cor escura e odor típico);
a M.O. elimina-se (e identifica-se) facilmente por secagem!
Limites de consistência ou de Atterberg
• A plasticidade é uma característica de solos (plásticos) com uma % 
significativa de finos. Neste caso, ao adicionar-lhe água, o solo passa 
progressivamente de seco a plástico (moldável) e posterior/ a fluído.
Limite de liquidez, wLLimite de 
plasticidade, wP
Limite de 
retracção, wS
• A determinação dos limites de consistência só é aplicável
a solos com ≥ 30% em massa de partículas de dimensão 
inferior a 0,05 mm.
• Limite de liquidez, wL:
¾ Método da Concha de 
Casagrande (Método 
standard em Pt e US)
¾ Método do Cone Penetrómetro
(Método standard no UK: fall-
cone test)
Limite de liquidez – Concha de casagrande
• Uma pasta do solo (amassado com água destilada) é
colocada na concha de Casagrande.
• Com uma peça apropriada (riscador) é executado um 
sulco, separando o solo em duas metades.
• Acciona-se em seguida a manivela, à razão de 2 voltas por 
segundo, até que as duas porções do provete, devido às 
pancadas da concha sobre a base, entrem em contacto pela 
parte inferior do sulco numa extensão de cerca de 1 cm, e 
anota-se o número de pancadas correspondente.
• Determina-se o teor de humidade do solo, recolhendo uma 
amostra da zona do sulco onde se deu a união.
LIMITE DE LIQUIDEZ - MÉTODO DE CASAGRANDE
y = -3,1368Ln(x) + 39,005
R2 = 0,9681
27,0
28,0
29,0
30,0
31,0
1 10 100
Nº de Pancadas 
w
 (%
)
25
w L = 29%
Limite de plasticidade, wP
• Prepara-se uma pasta de solo, moldando a partir dela 4 
amostras.
• Rola-se cada uma das amostras 
entre a palma da mão e uma placa 
de vidro de modo a formar um 
filamento cilíndrico com cerca de 3 
mm de diâmetro, voltando-se a 
formar uma esfera quando se 
atinge este diâmetro.
• Vão-se repetindo estas operações até
que o filamento se quebre em pedaços 
quando atingir 3 mm de diâmetro. O 
teor de humidade do solo nesse 
instante é considerado o limite de 
plasticidade do solo.
Índice de plasticidade, IP
PLP wwI −=
Exercício 1 
d) Explique como pôde ser verificado que o solo D é
inorgânico. 
75,0
)sec(
)(sec ≥
agemsemL
estufaemoL
w
w
Se
Solo inorgânico
(caso contrário seria orgânico-
critério ASTM)
e) Determine os limites de Atterberg ou de consistência (wL, wP, 
IP) do solo D. 
Limite de Liquidez 
Cápsula (n.º) 1 2 3 4 
Amostra hum. + cápsula (g) 26,10 21,25 21,19 22,23 
Amostra seca + cápsula (g) 22,10 18,74 18,82 19,45 
Peso da cápsula (g) 13,28 13,06 13,23 12,75 
Peso da água (g) 
Amostra seca (g) 
Teor de humidade (%) 
N.º de golpes 13 17 26 28 
10035
N.º de golpes
w
(%)
10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90
Cápsula (n.º) 1 2 3 4 
Amostra hum. + cápsula (g) 26,10 21,25 21,19 22,23 
Amostra seca + cápsula (g) 22,10 18,74 18,82 19,45 
Peso da cápsula (g) 13,28 13,06 13,23 12,75 
Peso da água (g) 4,00 2,51 2,37 2,78 
Amostra seca (g) 8,82 5,68 5,59 6,70 
Teor de humidade (%) 45,40 44,20 42,40 41,50 
N.º de golpes 13 17 26 28 
 
wL = 42% ⇐
Limite de Plasticidade
Cápsula (n.º) 5 6 7 8 
Amostra hum. + cápsula (g) 17,44 17,96 17,18 17,23 
Amostra seca + cápsula (g) 16,56 16,94 16,36 16,36 
Peso da cápsula (g) 13,05 13,18 13,01 12,95 
Peso da água (g) 
Amostra seca (g) 
Teor de humidade (%) 
Teor de humidade médio (%) 
 
Cápsula (n.º) 5 6 7 8 
Amostra hum. + cápsula (g) 17,44 17,96 17,18 17,23 
Amostra seca + cápsula (g) 16,56 16,94 16,36 16,36 
Peso da cápsula (g) 13,05 13,18 13,01 12,95 
Peso da água (g) 0,88 1,02 0,82 0,87 
Amostra seca (g) 3,51 3,76 3,35 3,41 
Teor de humidade (%) 25,07 27,13 24,48 25,51 
Teor de humidade médio (%) 25,6 ⇒ wP = 26%
Índice de Plasticidade
%162642 =−=−= PLP wwI