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Aula 6 Plasticidade e Consistência dos Solos

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Plasticidade e Consistência dos Solos
 A consistência é uma propriedade importante dos solos e sua magnitude depende, em alto grau, tanto da proporção da argila, como da natureza dos minerais que intervêm na sua constituição. Esta propriedade mede e/ou descreve o grau e a classe de coesão e de adesão de um solo e sua resistência à deformação e a ruptura sob a influência de um esforço externo.
 Assim, a consistência permite deduzir propriedades como a friabilidade*, a pegajosidade e a resistência do solo a compressão e a ruptura. Ela deriva fundamentalmente de duas características inerentes aos solos: a) a coesão ou atração molecular; e a b) a adesão ou tensão superficial (Gavande, 1972).
* Friabilidade: tendência de uma massa de solo de se desfazer em menores tamanhos de agregados sob aplicação de um estresse ou carga (Watts & Dexter, 1998).
MECÂNICA DOS SOLOS
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Plasticidade e Consistência dos Solos
 A coesão é originada pelas cargas superficiais das partículas de argila e pela atração individual que exercem mutuamente entre si.
 A adesão, ou tensão superficial, é a força que mantém unidas as partículas do solo e depende, principalmente, da quantidade de água e de ar presentes no solo.
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Índices de consistência (Limites de Atterberg) :
 Só a distribuição granulométrica não caracteriza bem o comportamento dos solos sob o ponto de vista da engenharia. A fração fina dos solos tem uma importância muito grande neste comportamento. Quanto menores as partículas, maior a superfície específica (superfície das partículas dividida por seu peso ou por seu volume). Um cubo com 1 cm de aresta tem 6 cm² de área e volume de 1 cm³. Um conjunto de cubos com 0,05 mm (siltes) apresentam 125 cm² por cm³ de volume. Já certos tipos de argilas chegam a apresentar 300 m² de área por cm³ (1 cm³ é suficiente para cobrir uma sala de aula!). 
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Índices de consistência (Limites de Atterberg) :
 O comportamento de partículas com superfícies específicas tão distintas perante a água é muito diferenciado. Por outro lado, as partículas de minerais-argila diferem acentuadamente pela estrutura mineralógica, bem como pelos cátions adsorvidos. Desta forma, para a mesma porcentagem de fração argila, o solo pode ter comportamento muito diferente, dependendo das características dos minerais presentes.
 
 Todos estes fatores interferem no comportamento do solo, mas o estudo dos minerais-argila é muito complexo. À procura de uma forma mais prática de identificar a influência das partículas argilosas, a engenharia a substituiu por uma análise indireta, baseada no comportamento do solo na presença de água. Generalizou-se, para isto, o emprego de ensaios e índices propostos pelo engenheiro químico Atterberg, pesquisador do comportamento dos solos sob o aspecto agronômico, adaptados e padronizados pelo professor de Mecânica dos Solos, Arthur Casagrande. 
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 Os limites se baseiam na constatação de que um solo argiloso ocorre com aspectos bem distintos conforme o seu teor de umidade. Quando muito úmido, ele se comporta como um líquido; quando perde parte de sua água, fica plástico; e quando mais seco, torna-se quebradiço. Este fato é bem ilustrado pelo comportamento do mineral transportado e depositado por rio ou córrego que transborda invadindo as ruas da cidade. Logo que o rio retorna ao seu leito, o barro resultante se comporta como um líquido: quando um automóvel passa, o barro é espirrado lateralmente. No dia seguinte, tendo evaporado parte da água, os veículos deixam moldado o desenho de seus pneus no material plástico em que se transformou o barro. Secando um pouco mais, os pneus dos veículos já não penetram no solo depositado, mas sua passagem provoca o desprendimento de pó. 
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Limite de Liquidez (LL): definido como o limite superior de plasticidade de um solo que ao estar bastante úmido se comporta como se fosse um fluído. Sua magnitude é dada pela percentagem de água (em base ao solo seco 105oC) que este solo é capaz de acumular antes de começar a drenar.
Limite de Plasticidade (LP): é definido como o limite inferior de plasticidade sob o qual um solo pode deformar-se sem que se desfaça ou se rompa. Sua magnitude é dada pela percentagem mínima de água (com base ao solo seco 105oC) que o solo é capaz de acumular e no qual ainda é possível formar cilindros de 3 mm de diâmetro sem que se desfaça ou se rompa. é definido como o menor teor de umidade com o qual se consegue moldar um cilindro com 3 mm de diâmetro, rolando-se o solo com a palma da mão. O procedimento é padronizado no Brasil pelo Método NBR 7180.
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 Os teores de umidade correspondentes às mudanças de estado, como se mostra na Figura abaixo, são definidos como: Limite de Liquidez (LL) e limite de Plasticidade (LP) dos solos. A diferença entre estes dois limites, que indica a faixa de valores em que o solo se apresenta plástico, é definida como o índice de Plasticidade (IP) do solo. Em condições normais, só são apresentados os valores do LL e do IP como índices de consistência dos solos. O LP só é empregado para a determinação do IP. 
Limites de Atterberg dos solos
Esquema do aparelho de Casagrande para determinação do LL
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Índice de Plasticidade (IP): é definido como a diferença entre o valor do limite de liquidez (LL) e o do limite de plasticidade (LP). Estes parâmetros ou conceitos, formulados originalmente por Atterberg em 1911 para classificar os solos agrícolas, têm sido susbstancialmente modificados por diferentes investigadores, entre os quais CASAGRANDE em 1932 e TERZAGHI em 1955. 
 Atualmente são utilizados principalmente, para classificar os solos em função de uma série de propriedades físicas de grande importância para a mecânica dos solos e especialmente para a engenharia, propriedades estas que são, por exemplo, a permeabilidade, a resistência e compressão, a consolidação, a expansão, etc.
 Estudos têm demonstrado que o valor destes limites depende da proporção de argila presente nos solos, principalmente, de sua mineralogia e da variabilidade do tamanho de suas partículas.
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 Diversas tentativas são realizadas, com o solo em diferentes umidades, anotando-se o número de golpes para fechar a ranhura, obtendo-se o limite pela interpolação dos resultados. O procedimento de ensaio é padronizado no Brasil pela 
ABNT (Método NBR 6459).
 
 Deve ser notado que a passagem de um estado para outro ocorre de forma gradual, com a variação da umidade. A definição dos limites acima descrita é arbitrária. Isto não diminui seu valor, pois os resultados são índices comparativos. A padronização dos ensaios é que é importante, sendo, de fato, praticamente universal. Na Tabela a seguir, são apresentados resultados típicos de alguns solos brasileiros. 
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Índices de Atterberg de alguns solos brasileiros
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Atividade das Argilas 
 Os Índices de Atterberg indicam a influência dos finos argilosos no comportamento do solo. Certos solos com teores elevados de argila podem apresentar índices mais baixos do que aqueles com pequenos teores de argila. Isso pode ocorrer porque a composição mineralógica dos argilo-minerais é bastante variável. Pequenos teores de argila e altos índices de consistência indicam que a argila á muito ativa. 
 Mas os índices determinados são também função da areia presente. Solos de mesma procedência, com o mesmo mineral-argila, mas com diferentes teores de areia, apresentarão índices diferentes, tanto maiores quanto maior teor de argila, numa razão aproximadamente constante. Quando se quer ter uma idéia sobre a atividade da fração argila, os índices devem ser comparados com a fração argila presente. É isto que mostra o índice de atividade de uma argila, definido
na relação: 
Índice de Atividade = Índice de Plasticidade (IP)
 Fração Argila (menor que 0,002 mm)
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 A argila presente num solo é considerada normal quando seu índice de atividade se situa entre 0,75 e 1,25. Quando o índice é menor que 0,75, considera-se a argila como inativa e, quando o índice é maior que 1,25, ela é considerada ativa. 
Emprego dos índices de consistência 
 Os índices de consistência têm se mostrado muito úteis para a identificação dos solos e suas classificações. Desta forma, com o seu conhecimento, pode-se prever muito do comportamento do solo, sob o ponto de vista da engenharia, com base em experiência anterior. Uma primeira correlação foi apresentada por Terzaghi, resultante de observação de que os solos são tanto mais compressíveis (sujeitos a recalques) quanto maior for o seu LL. Tendo-se a compressibilidade expressa pelo índice de compressão (Cc), estabeleceu-se a seguinte correlação: 
Cc = 0, 009(LL – 10)
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 De maneira análoga, diversas correlações empíricas vêm sendo apresentadas, muitas vezes com uso restrito para solos de uma mesma região ou de uma certa formação geológica. 
 Deve ser notado que os Índices de Atterberg são uma indicação do tipo de partículas existentes no solo. Desta forma, eles representam bem os solos em que as partículas ocorrem isoladamente, como é o caso dos solos transportados. 
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 Solos saprolíticos apresentam significativa influência da estrutura da rocha mater. Solos lateríticos, por sua vez, apresentam aglomeração de partículas envoltas por deposições de sais de ferro ou de alumínio. Os ensaios de limites são feitos com a amostra previamente seca ao ar e destorroada e amassada energicamente com uma espátula durante a incorporação de água. Tais procedimentos alteram a estrutura original do solo. Desta maneira, é de se esperar que as correlações estabelecidas com base em comportamento de solos transportados não se apliquem adequadamente a solos saprolíticos e lateríticos, que ocorrem em regiões tropicais. Correlações específicas a estes solos devem ser estabelecidas. 
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ESTADO DAS AREIAS – COMPACIDADE 
 O estado em que se encontra uma areia pode ser expresso pelo seu índice de vazios. Este dado isolado, entretanto, fornece pouca informação sobre o comportamento da areia, pois, com o mesmo índice de vazios, uma areia pode estar compactada e outra fofa. É necessário analisar o índice de vazios natural de uma areia em confronto com os índices de vazios máximo e mínimo em que ela pode se encontrar. 
 Se uma areia pura, no estado seco, for colocada cuidadosamente em um recipiente, vertida através de um funil com pequena altura de queda, por exemplo, ficará no seu estado mais fofo possível. Pode-se, então, determinar seu peso específico e dele calcular o índice de vazios máximo. 
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 Vibrando-se uma areia dentro de um molde, ela ficará no seu estado mais compacto possível. A ele corresponde o índice de vazios mínimo. 
 As areias se distinguem também pelo formato dos grãos. Embora as dimensões dos grãos não sejam muito diferentes segundo três eixos perpendiculares, como ocorre com as argilas, a rugosidade superficial é bem distinta. Formatos distintos são ilustrados na Figura a seguir, que mostra projeções de grãos naturais de areias de diferentes procedências. Os grãos da areia de Ottawa são bem esféricos (dimensões segundo os três eixos semelhantes) e arredondados (cantos bem suaves), enquanto os grãos de areia do rio Tietê são menos esféricos e muito angulares. 
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E - esfericidade
A – arredondamento
Exemplos de formato de grãos de areia
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 O formato dos grãos de areia tem muita importância no seu comportamento mecânico, pois determina como eles se encaixam e se entrosam, e, em contrapartida, como eles deslizam entre si, quando solicitados por forças externas. Por outro lado, como as forças se transmitem pelo contato entre as partículas as de formato mais angulares são mais suscetíveis a se quebrarem. 
 Os índices de vazios máximo e mínimo dependem das características da areia. Valores típicos estão indicados na Tabela abaixo. Os valores são tanto maiores quanto mais angulares são os grãos e quanto mais mal graduadas as areias. 
Valores típicos de índices de vazios de areias
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 Consideremos uma areia A com “e mínimo” igual a 0,6 e “e máximo” igual a 0,9 e uma areia B com “e mínimo” igual a 0,4 e “e máximo” igual a 0,7 . Se as duas estiverem com e= 0,65, a areia A estará compacta e a areia B estará fofa. 
Comparação de compacidades de duas areias com e=0,65
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 O estado de uma areia, ou sua compacidade, pode ser expresso pelo índice de vazios em que ele se encontra, em relação a estes valores externos, pelo índice de compacidade relativa: 
CR = emax - enat
 emax – emin
 Quanto maior a CR, mais compacta é a areia. Terzaghi sugeriu a terminologia apresentada na Tabela abaixo. Em geral, areias compactas apresentam maior resistência e menor deformidade. Estas características, entre as diversas areias, dependem também de outros fatores, como a distribuição granulométrica e o formato dos grãos. Entretanto, a compacidade é um fator importante. 
Classificação das areias segundo a compacidade
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ESTADO DAS ARGILAS – CONSISTÊNCIA 
 Quando se manuseia uma argila, percebe-se uma certa consistência, ao contrário das areias que se desmancham facilmente. Por esta razão, o estado em que se encontra uma argila costuma ser indicado pela resistência que ela apresenta. 
 A consistência das argilas pode ser quantificada por meio de um ensaio de compressão simples, que consiste na ruptura por compressão de um corpo de prova de argila, geralmente cilíndrico. A carga que leva o corpo de prova a ruptura, dividida pela área deste corpo é denominada resistência à compressão simples da argila (a expressão simples expressa que o corpo de prova não é confinado, procedimento muito empregado em Mecânica dos Solos). Em função da resistência à compressão simples, a consistência das argilas é expressa pelos termos apresentados na Tabela a seguir. 
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Consistência em função da resistência à compressão
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Sensitividade das argilas 
 A resistência das argilas depende do arranjo entre os grãos e do índice de vazios em que se encontra. Foi observado que quando se submetem certas argilas ao manuseio, a sua resistência diminui, ainda que o índice de vazios seja mantido constante. Sua consistência após o manuseio (amolgada) pode ser menor do que no estado natural (indeformado). Este fenômeno, que ocorre de maneira diferente conforme a formação argilosa, foi chamado de sensitividade da argila. 
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 A sensitividade pode ser bem visualizada por meio de dois ensaios de compressão simples. O primeiro com a amostra no seu estado natural. O segundo com um corpo de prova feito com o mesmo solo após completo remoldamento, mas com o mesmo índice de vazios. Exemplo de resultados destes dois ensaios está mostrado na Figura a seguir. A relação entre a resistência no estado natural e a resistência no estado amolgado foi definida como sensitividade da argila: 
S = resistência no estado indeformado
 resistência no estado amolgado
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Resistência de argila sensitiva, indeformada e amolgada
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As argilas são classificadas conforme a Tabela a seguir.
Classificação das argilas quanto a sensitividade
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 A sensitividade pode ser atribuída ao arranjo estrutural das partículas, estabelecido durante o processo de sedimentação, arranjo este que pode evoluir ao longo do tempo pela interrelação química das
partículas ou pela remoção de sais existentes na água em que o solo se firmou pela percolação de águas límpidas. As forças eletroquímicas entre as partículas podem provocar um verdadeiro “castelo de cartas”. Rompida esta estrutura, a resistência será muito menor, ainda que o índice de vazios seja o mesmo. Por esta razão, a sensitividade é também referida como índice de estrutura. 
 A sensitividade das argilas é uma característica de grande importância, pois indica que, se a argila vier a sofrer uma ruptura, sua resistência após esta ocorrência é bem menor. 
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 Exemplo disto se tem nos solos argilosos orgânicos das baixadas litorâneas brasileiras, como na região de mangue da Baixada Santista. A argila orgânica presente é de tão baixa resistência que só pode suportar aterros com altura máxima de cerca de 1,5 m. Tentando-se colocar aterros com maiores alturas, ocorrerá ruptura. A argila, ao longo da superfície de ruptura, ficará amolgada. Como esta argila tem uma sensitividade da ordem de 3 a 4, sua resistência cai a um terço ou um quarto da inicial. O terreno, depois de rompido, não suporta mais do que 0,5 m de aterro. 
 Uma argila amolgada, quando deixada em repouso, volta a ganhar resistência, devido à interrelação química das partículas, sem que atinja, entretanto, a resistência original. 
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Índice de consistência
 
 Quando uma argila se encontra remoldada, o seu estado pode ser expresso por seu índice de vazios. Entretanto, como é muito comum que as argilas se encontrem saturadas, e neste caso o índice de vazios depende diretamente da umidade, o estado em que a argila se encontra costuma ser expresso pelo teor de umidade. Até porque a umidade da argila é determinada diretamente e o seu índice de vazios é calculado a partir desta, variando linearmente com ela. 
 Da mesma maneira como o índice de vazios, por si só, não indica a compacidade das areias, o teor de umidade, por si só, não indica o estado das argilas. É necessário analisá-lo em relação aos teores de umidade correspondentes a comportamentos semelhantes. Estes teores são os limites de consistência. 
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 Considere-se uma argila A que tenha LL= 80% e LP= 30%, e uma argila B que tenha LL= 50% e LP= 25%. Quando a argila A estiver com h= 80% e a argila B estiver com h= 50%, as duas estarão com aspectos semelhantes, com a consistência que corresponde ao limite de liquidez (ver Figura). 
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Comparação de consistências de duas argilas
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 Da mesma forma, quando argilas diferentes se apresentam com umidade correspondente aos seus limites de plasticidade (h=30% para a argila A e h=20% para a argila B), elas apresentam comportamentos semelhantes, ainda que suas umidades sejam diferentes. 
 Quando se manuseia uma argila e se avalia sua umidade, o que se percebe não é propriamente o teor de umidade, mas a umidade relativa. No caso do exemplo da Figura anterior, quando “sentimos” que a argila A está tão úmida quanto a argila B, é possível que a argila A esteja com 60% de umidade e a argila B com 40%. 
 Para indicar a posição relativa da umidade aos limites de mudança de estado, Terzaghi propôs o índice de consistência, com a seguinte expressão:
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IC = LL – h
 LL - LP
 Quando o teor de umidade é igual ao LL, IC=0. À medida que o teor de umidade diminui, o IC aumenta, ficando maior do que 1 quando a umidade fica menor do que o LP. 
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 O índice de consistência é especialmente representativo do comportamento de solos sedimentares. Quando estes solos se formam, o teor de umidade é muito elevado e a resistência é muito reduzida. À medida que novas camadas se depositam sobre as primeiras, o peso deste material provoca a expulsão da água dos vazios do solo, com a consequente redução do índice de vazios e o ganho de resistência. Da mesma forma, quando uma amostra de argila é seca lentamente, nota-se que ela ganha resistência progressivamente. 
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 Tem sido proposto que a consistência das argilas seja estimada por meio do índice de consistência, conforme a Tabela a seguir. Esta tabela apresenta valores aproximados e é aplicável a solos remoldados e saturados. Seu valor é primordialmente didático, no sentido de realçar a dependência da resistência ao teor de umidade e, consequentemente, ao adensamento que a argila sofre pela sobrecarga que ela suporta.
Estimativa da consistência pelo índice de consistência
 O índice de consistência não tem significado quando aplicado a solos não saturados, pois eles podem estar com elevado índice de vazios e baixa resistência e sua umidade ser baixa, o que indicaria um índice de consistência alto. 
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IDENTIFICAÇÃO TÁTIL-VISUAL DOS SOLOS 
 Foi visto como os solos são classificados em função das partículas que os constituem. Em geral, importa conhecer o estado em que o solo se encontra. À classificação inicial, se acrescenta a informação correspondente à compacidade (das areias) ou à consistência (das argilas). 
 Com muita frequência, seja porque o projeto não justifica economicamente a realização de ensaio de laboratório, seja porque se está em fase preliminar de estudo, em que ensaios de laboratório não são disponíveis, é necessário descrever um solo sem dispor de resultados de ensaios. O tipo de solo e o seu estado têm de ser estimado. Isto é feito por meio de uma identificação tátil-visual, manuseando-se o solo e sentindo sua reação ao manuseio. 
 Cada profissional deve desenvolver sua própria habilidade para identificar os solos. Só a experiência pessoal e o confronto com resultados de laboratório permitirá o desenvolvimento desta habilidade. Algumas indicações, como as que se seguem, podem ajudar. 
 O primeiro aspecto a considerar é a provável quantidade de grossos (areia e pedregulho) existente no solo. Grãos de pedregulho são bem distintos, mas grãos de areia, ainda que visíveis individualmente a olho nu, pois têm diâmetros superiores a cerca de um decímetro de milímetro, podem se encontrar envoltos por partículas mais finas. Neste caso, podem ser confundidos com agregações de partículas argilo-siltosa.
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 Para que se possa sentir nos dedos a existência de grãos de areia, é necessário que o solo seja umedecido, de forma que os torrões de argila se desmanchem. Os grãos de areia, mesmo os menores, podem ser sentidos pelo tato no manuseio. 
 Se a amostra de solo estiver seca, a proporção de finos e grossos pode ser estimada esfregando-se uma pequena porção do solo sobre uma folha de papel. As partículas finas (siltes e argilas) se impregnam no papel, ficando isoladas as partículas arenosas. 
Definido se o solo é uma areia ou um solo fino, resta estimar se os finos apresentam características de siltes ou de argilas. Alguns procedimentos para esta estimativa são descritos a seguir. 
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a) Resistência ao seco – Umedecendo-se uma argila, moldando-se uma pequena pelota ficará muito dura e, quando quebrada, dividir-se-á em pedaços bem distintos. Ao contrário, pelotas semelhantes de siltes são menos resistentes e se pulverizam quando quebradas. 
 b) “Shaking Test” – Formando-se uma pasta única (saturada) de silte na palma da mão, quando se bate esta mão contra a outra, nota-se o surgimento de água na superfície. Apertando-se o torrão com os dedos polegar e indicador da outra mão, a água reflue para o interior da pasta. No caso de argilas, o impacto das mãos não provoca o aparecimento de água.
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c) Ductilidade – Tentando moldar um solo com umidade em torno do limite de plasticidade nas próprias mãos, nota-se que as argilas apresentam-se mais resistentes quando nesta umidade do que os siltes. 
d) Velocidade de secagem – A umidade que se sente de um solo é uma indicação relativa ao LL e LP do
solo. Secar um solo na mão do LL até o LP, por exemplo, é tanto mais rápido quanto menor o intervalo entre os dois limites, ou seja, o IP do solo. 
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 À informação relativa ao tipo de solo deve-se acrescentar a estimativa de seu estado. A consistência de argilas é mais fácil de ser avaliada pela resistência que uma porção do solo apresenta ao manuseio. A compacidade das areias é de mais difícil avaliação, pois as amostras mudam de compacidade com o manuseio. É necessário que se desenvolva uma maneira indireta de estimar a resistência da areia no seu estado natural. Estes parâmetros geralmente são determinados pela resistência que o solo apresenta ao ser amostrado pelo procedimento padronizado as sondagens. 
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REFERÊNCIA 
PINTO, Carlos de Souza. Curso Básico de Mecânica dos Solos, em 16 Aulas. 1 ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2000. 247 p.
Vaz, L. F. - Classificação genética dos solos e dos horizontes de alteração de rochas em regiões tropicais. In: Rev. Solos e Rochas, v.19, n. 2, p. 117-136, ABMS/ABGE, São Paulo, SP, 1996.

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