Estados de Consistência - Mecânica dos Solos - UFMG

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Estados de Consistência
Os solos grosso, como areias e pedregulhos, podem ser caracterizados a partir unicamente da curva granulométrica. Areias ou pedregulhos de iguais curvas granulométricas comportam-se, na prática, semelhantemente. Porém, para os solos finos isto não é suficiente, porque os minerais constituintes dos mesmos interagem com a água, alterando seu comportamento.
Os solos finos tem como comportamento característico a compressibilidade, a resistência ao cisalhamento e a permeabilidade. Estes comportamentos estão relacionados ao teor de umidade da amostra, que afeta a sua consistência. A variação da consistência com a umidade é tratada, assim como outros itens do solo, através de índices, denominados: Índices de Consistência.
Plasticidade dos solos: (a) classificação dos solos a partir da plasticidade característica dos solos finos, que ocorre devido a natureza coesiva causada pela água absorvida ao redor das partículas desse tipo de solos, especialmente argila. (b) Propriedade que um material apresenta de suportar deformações rápidas, sem variação volumétrica apreciável e sem haver fissurações.
A plasticidade de um solo é devida é devida à água adsorvida pelas partículas de argilo-minerais ou materiais orgânicos presentes no solo. 
A plasticidade de um solo dependerá fundamentalmente e principalmente de dois fatores: umidade e tipo de argilo-mineral (sua forma, costituição mineralógica, tamanho, superfície específica, etc. influi na capacidade do solo de se comportar de maneira plástica). Quanto maior sua superfície específica, maior a plasticidade do solo.
Quando o teor de umidade é muito baixo, o solo se comporta como um sólido.
Quando o teor de umidade é muito alto, o solo pode fluir como um líquido. 
Dependendo do teor de umidade, o comportamento do solo pode ser classificado em quatro estados básicos:
Sólido: não há variação de volume com a secagem;
Semi-sólido: há variação de volume com a secagem;
Plástico: moldável (sem fissurar-se ao ser trabalhado);
Líquido: fluido denso, ausência de resistência ao cisalhamento;
Figura 1 – Variação da consistência do solo com a umidade.
As respectivas umidades que definem a passagem de um estado de consistência para outro, são chamados de limites de consistência.
Teores de umidade correspondentes às mudanças dos estados do solo:
Limite de plasticidade (LP): entre estado semissólido e plástico.
Limite de liquidez (LL): entre plástico e líquido.
O limite de plasticidade e o limite de liquidez são conhecidos como limites de Atterberg.
Limite de contração (LC): teor de umidade no qual o volume da massa de solo se mantém constante. É importante para determinar a capacidade de contração e dilatação dos solos.
Figura 2 – Limites de Consistência
Esses limites permitem de uma maneira simples e rápida, dar uma ideia bastante clara do tipo de solo e de suas propriedades. Por isso mesmo constituem, hoje, determinações rotineiras nos laboratórios de Mecânica dos Solos.
Figura 3 – Limites de Consistência
Figura 4 – Relação entre tensão, deformação e teor de umidade 
Os índices de consistência visam fornecer um meio de descrever qual é a coesão ou a aderência entre as partículas, podendo, assim, correlacionar com a capacidade de um solo ser resistente a deformação ou rompimento. Sabe-se que o teor de umidade está atrelado a esta consistência, podendo um solo passar de uma condição de “muito mole” a “muito duro”, com base nessa quantidade de adição de água, podendo assim correlacionar com o a situação saturada, úmida e/ou seca.
Sendo assim, a consistência de um solo pode ser definida como a facilidade que um solo pode ser deformado. ( ou sua resistência a isto)
É importante ressaltar que é a quantidade de água que define a consistência de um sol
Limite de Liquidez (LL)
Definições:
É o menor teor de umidade com que uma amostra de um solo pode ser capaz de fluir.
Teor de umidade na qual a medida do espaçamento entre as partículas de solo para qual as forças atrativas são reduzidas a um valor tal que a resistência ao cisalhamento é de aproximadamente 2,5 kPa.
Teor de umidade de uma pasta de solo que colocada na concha do aparelho de Casagrande e submetida a golpes com energia padronizada requer 25 golpes para fechar uma ranhura também padronizada.
Embora tal capacidade seja mais relacionada com o grau de saturação do solo do que com o teor de umidade, os ensaios para determinar o limite de liquidez de solos finos têm o teor de umidade como parâmetro, por causa da dificuldade de medir e controlar o grau de saturação.
No ensaio para determinação do limite de liquidez mede-se, indiretamente, a resistência ao cisalhamento do solo para um dado teor de umidade, através do número de golpes necessários ao deslizamento dos taludes da mostra.
Procedimento para obtenção do Limite de Liquidez utilizando o aparelho de Casagrande (NBR 6459/82):
1) Pegue seis vasilhas com capacidade para segurar a umidade do solo, meça e anote suas massas individuais. Serão usados três ou quatro vasilhas no teste de limite de liquidez e duas para o teste de limite de plasticidade.
2) Quebre os agregados do solo. Posteriormente, jogue o material na peneira nº 40. Colete o material passante por essa peneira. 
3) Pegue 20 g do material coletado e separe-o para o teste. Coloque, aproximadamente, 250 g de solo seco em uma tigela e misture com água (começar com teor de umidade w = 20%) mexendo, amassando e cortando o conteúdo com uma espátula. 
4) Coloque uma porção do solo a ser testado no aparelho de Casagrande. Suavize e nivele o solo com uma espátula. Tente remover as bolhas de ar. 
5) Deve-se realizar uma ranhura no centro da amostra de solo. Verificar se não há partículas de solo na parte inferior da ranhura. 
 
Figura 1 – Antes do teste.
6) Levantar e soltar a concha girando a manivela, em uma taxa de 2 golpes por segundo, até a ranhura se fechar ao longo de uma distância de 13 mm. Registre o número de golpes dados. 
 
Figura 2 – Depois do teste.
7) Remova uma porção de solo (10 a 20 g) e determine o seu teor de umidade.
8) Se o número de golpes for superior a 25, adicione mais água. Se o número de golpes tiver sido inferior a 25, adicione mais solo à amostra, misture-i completamente e repita a experiência. 
9) Repita o experimento até que o teste tenha resultado em um número de golpes entre 15 e 40. Pelo menos um teste deve obter número de golpes inferiores a 25 e um teste deve ter um número de golpes superior a 25.
10) Plote o número de golpes versus a umidade. Desenhe uma reta entre os pontos. O limite líquido é a umidade equivalente a 25 golpes. 
Relatório:
1) Curva de liquidez: desenhe um gráfico relacionando o teor de umidade (eixo-y) e o logaritmo do número de golpes (eixo-x). Obtem-se, assim, o limite de liquidez: umidade correspondente a um número de golpes iguais a 25.
Figura 3 – Curva de fluidez
2) Determine a porcentagem de argila.
3) Determine o limite plástico, o índice de plasticidade e a atividade do solo de acordo com os dados.
4) Usando a “atividade”, avalie os minerais que formam a fração argila.
5) Classifique o solo de acordo com a classificação unificada (use também os dados das curvas granulométricas).
Cálculos para determinação do limite de liquidez:
Tabela 1 – Cálculo do limite de liquidez
	Massa de solo úmida, Ms (g)
	Massa de solo seca, Md (g)
	Número de golpes, N
	Umidade, w (%)
	43,32
	32,34
	19
	33,95
	50,97
	38,75
	38
	31,54
	64,37
	47,8
	10
	34,67
Figura 4 – Exemplo de terminação do limite de liquidez
Exemplo de determinação do limite de liquidez:
Dados:
Figura 5 – Dados do ensaio para determinação do limite de liquidez
Processo gráfico:
Figura 6 – Curva de fluidez.
Processo analítico:
Limite de Plasticidade (LP)
Definições:
Teor de umidade a partir do qual a água livre começa a existir em excesso, ou seja, é uma quantidade maior que aquela necessária para fazer a adsorção forte.
Teor de umidade limite abaixo do qual osolo perde a plasticidade, ou seja, deforma-se com mudança de volume com trincamento.
Teor de umidade no qual o solo colapsa quando moldado em um cilindro de 3 mm de diâmetro. 
É o teor de umidade mínimo, no qual a coesão é pequena para permitir deformação, porém suficientemente alta para garantir a manutenção da forma adquirida. 
Procedimento (NBR 7180/82): 
1) Pegar o solo separado anteriormente (aproximadamente 20 g) e colocá-lo em cima de uma placa de vidro com uma face esmerilhada. 
2) Rolar a amostra, sobre a face esmerilhada da placa, com um teor de umidade próximo do limite de liquidez, até que, duas condições sejam, simultaneamente, alcançadas: o rolinho tenha um diâmetro de 3 mm – igual ao do cilindro padrão -, e tenha aparecido fissuras (inicio da fragmentação).
Figura 1 – Rolagem da massa de solo em uma placa de vidro para determinação do limite de plasticidade
Figura 2 - Rolagem da massa de solo
3) Determinar a umidade.
4) Obtem-se a massa de solo seca. A umidade obtida é o limite plástico do solo.
5) O ensaio será repetido, no mínimo, 3 vezes e o LP será a média das 3 umidades obtidas.
Cálculos para determinação do limite de plasticidade: 
	Massa de solo úmida, Ms (g)
	Massa de solo seca, Md (g)
	Umidade, w (%)
	10
	8,03
	24,5
	12,46
	9,95
	25,2
LP = WLP = 24,9%
Tabela 1 – Cálculos do limite de plasticidade da amostra
Limite de contração (LC)
Definições:
O solo se contrai com a perda gradativa de sua umidade. No entanto, com a continuação da perda da umidade, é alcançado um estado de equilíbrio no qual uma perda ainda maior de umidade não resultara em mais alterações no volume do solo. O teor de umidade, em termos percentuais, no qual o volume da massa de solo se mantém constante, é definido como o limite de contração.
É o teor de umidade que separa o estado semi-sólido do sólido.
O limite de contração, devido à sua pouca utilidade, é raramente determinado.
Busca-se determinar o teor de umidade que ainda ocuparia os vazios de um solo colocado a secar em uma estufa até não mais contrais.
Procedimento: 
Utiliza-se os equipamentos a seguir na determinação do limite de contração:
Figura 1 – Ensaio de contração
Inicialmente deverá ser preparada uma pasta, com teor de umidade próximo do limite de liquidez e que será colocada em um recipiente próprio e extraído o ar contido na amostra. 
A seguir esta é deixada secar, no inicio ao ar e depois em estufa.
O volume da pastilha seca é obtido imergindo-a em mercúrio e determinando o peso do mercúrio extravasado.
Com referência a figura a seguir, o limite de contração pode ser determinado como:
Wi = teor de umidade inicial quando o solo é inserido na capsula de limite de contração.
diferença no teor de umidade (isto é, o teor de umidade inicial e o teor de umidade no limite de contração).
Porém:
M1 = massa da amostra de solo úmido na cápsula no início do ensaio (g);
M2 = massa da amostra de solos seco (g);
Além disso:
Vi = volume inicial da amostra de solo úmido (volume interno da capsula, cm³);
Vf = volume da amostra de solo seca em estufa;
 = massa específica de água;
Combinando as equações:
Figura 2 – Definição do limite de contração
Índice de Plasticidade (IP)
Através dos valores dos limites de consistência é comum proceder-se ao cálculo de outros índice, como o IP.
É um índice muito importante para a classificação de solos finos.
É a diferença entre o limite de liquidez e o limite de plasticidade de um solo:
O índice de plasticidade procura medir a plasticidade do solo e, fisicamente, representa a quantidade de água necessária a acrescentar ao solo para que este passe do estado plástico para o líquido. Ou: intervalo de teor de umidade no qual o solo deforma-se de maneira plástica.
Este índice determina o caráter de plasticidade de um solo, assim, quanto maior o IP, tanto mais plástico será o solo.
Sabe-se, ainda, que as argilas são tanto mais compressíveis quanto maior for o IP.
Quando um material não tem plasticidade (areia, por exemplo), considera-se o índice de plasticidade nulo e escreve-se IP = NP (não plástico).
Sabe-se que uma pequena porcentagem de matéria orgânica eleva o valor do LP, sem elevar simultaneamente o do LL; tais solos apresentam, pois, baixos valores para IP.
Os solos poderão ser classificados em:
Fracamente plásticos: 1 < IP ≤ 7
Medianamente plásticos: 7 < IP ≤ 15
Altamente plásticos: IP > 15
Índice de consistência (IC)
A consistência de um solo no seu estado natural, com teor de umidade w, é expressa numericamente pela relação:
Relaciona o índice de vazios e o teor de umidade da argila.
Segundo o valor de IC, as argilas classificam-se em:
	Consistência
	IC
	Resistência (R)
	Qualitativamente
	Muito moles
	IC < 0
	R < 0,25 Kg/cm²
	As argilas escorrem com facilidade entre os dedos, se apertadas nas mãos.
	Moles
	0 < IC <= 0,5
	0,25 < R < 0,5
	As que são facilmente moldadas pelos dedos.
	Médias
	0,50 < IC <= 0,75
	0,5 < R < 1
	As que podem ser moldadas pelos dedos.
	Rijas
	0,75 < IC < =1,00
	1 <R < 4
	As que requerem grande esforço para serem moldadas pelos dedos.
	Duras
	IC > 1,00
	R > 4 Kg/cm²
	As que não podem ser moldadas pelos dedos e que, ao serem submetidas o grande esforço, desagregam-se ou perdem sua estrutura original.
De acordo com a ABNT/NBR 7250/82, a consistência das argilas e siltes argilosos é correlacionada com o índice de resistência à penetração obtido no ensaio de SPT:
	Índice de resistência à penetração N (SPT)
	Designação
	< = 2
	Muito mole
	3 a 5
	Mole
	6 a 10
	Média
	11 a 19
	Rija
	> 19
	Dura
É especialmente representativo do comportamento de solos sedimentares. Quando esses 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 desse 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.
O índice de consistência não tem significado quando aplicado a solos não saturados, pois eles podem estar com elevado índice de vazios, baixa resistência e baixa umidade, o que indicaria um índice de consistência alto.
Índice de Liquidez (IL)
Avalia a consistência relativa de um solo coesivo em seu estado natural.
É expresso por:
Esse índice é unitário para solos com teor de umidade natural igual ao limite de liquidez, e zero para solos que tem umidade natural igual ao limite de plasticidade.
O índice de liquidez é indicativo das tensões vividas pelo solo ao longo de sua história geológica. Argilas normalmente adensadas (têm índices de liquidez próximos da unidade ao passo que argilas pré-adensadas têm índices próximos de zero. Valores intermediários para o índice de liquidez são frequentemente encontrados. Excepcionalmente pode exceder a unidade, como no caso das argilas extra-sensíveis ou pode ser negativo, como no caso das argilas excessivamente pré-adensadas.
Atividade das Argilas
Como a plasticidade do solo é causada pela água adsorvida que envolve as partículas de argila, espera-se que o tipo de argilomineral e as quantidades proporcionais em um solo afetem os limites de liquidez e de plasticidade. 
Observou-se que o índice de plasticidade de um solo aumenta linearmente com a porcentagem da fração argila presente. 
Como a constituição mineralógica dos argilo-minerais é bastante variada, pode acontecer que em determinado tipo de solo os valores dos índices de consistência sejam elevados enquanto o teor de argila presente é baixo. Quando isso ocorre, diz-se que a argila é muito ativa.
Essa pequena fração da argila presente no solo consegue transmitir a este um comportamento argiloso. A esse fenômeno, Skempton chamou de atividade da fraçãoargilosa.
A atividade das argilas serve como indicação da maior ou menor influência das propriedades mineralógicas e químico-coloidal, da fração argila, nas propriedades geotécnicas de um solo argiloso.
A medida da fração argilosa no solo pode ser feita pela seguinte expressão:
PI = Índice de Plasticidade;
% da fração de partículas < 0,002 mm
De acordo com Skempton, a argila presente no solo poderá ser classificada conforme a sua atividade:
Argila inativa ou atividade baixa: A < 0,75;
Argila normal: 0,75 < A < 1,25;
Argila ativa ou atividade alta: A > 1,25
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 compacta e outra fofa. 
Solos arenosos podem ser classificados através da compacidade relativa (grau de compacidade). Indica o estado mais fofo ou compacto do solo através da comparação do índice de vazios natural e dos índices de vazios máximo e mínimo. Esses dois últimos dependem das características da areia, tais como: formato e tamanho dos grãos, distribuição granulométrica e teor de finos.
Tabela 1 – Valores típicos de índices de vazios de areias
	Descrição da areia
	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
A compacidade relativa pode ser expressa da seguinte forma:
Quanto maior a CR, mais compacta é a areia.
Tabela 2 – Terminologia sugerida para as areia
	Classificação
	CR
	Areia fofa
	Abaixo de 0,33
	Areia de compacidade média
	Entre 0,33 e 0,66
	Areia compacta
	Acima de 0,66
Em geral, areias compactas apresentam maior resistência e menor deformabilidade. Essas 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.
Estado das argilas – Consistência
O estado em que se encontra uma argila é caracterizado por sua consistência, sendo indicado pela resistência que ela apresenta. A consistência pode ser quantificada por meio do ensaio de compressão simples, que consiste na ruptura por compressão de um corpo de prova de argila, geralmente cilíndrico.
Considerando o material saturado, o estado das argilas pode ser expresso pelo teor de umidade. O teor de umidade pode ser analisado com relação ao LL e ao LP através do índice de consistência:
Tabela 1 – Consistência em função da resistência à compressão
	Consistência
	Resistência, em kPa
	Muito mole
	< 25
	Mole
	25 a 50
	Média
	50 a 100
	Rija
	100 a 200
	Muito rija
	200 a 400
	Dura
	> 400