MECANICA DOS SOLOS limites consistencia ppsx

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MSO1 - Mecânica dos Solos I
Estados e Limites de Consistência
Prof.: Flavio A. Crispim
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE
MATO GROSSO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
SINOP - MT
2011
4. Propriedades Índice dos Solos
Paulo Sergio de A. e Barbosa (UFV) e Prof. Flavio A. Crispim (UNEMAT)
Estados de consistência
O comportamento físico dos solos de granulometria fina em relação a propriedades como compressibilidade, resistência ao cisalhamento e permeabilidade, é relacionado à umidade da amostra, assim como a sua consistência 
A variação da consistência do solo com a umidade é tratada em termos de limites ou índices de consistência
Para um dado solo pode-se criar correlações semi-empíricas entre as propriedades do solo e estes limites/índices, de modo a prever estas propriedades de forma simples e rápida e poder utilizá-las em obras, como alternativa preliminar, dependendo do seu estágio e grau de importância
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4. Propriedades Índice dos Solos
Paulo Sergio de A. e Barbosa (UFV) e Prof. Flavio A. Crispim (UNEMAT)
CIV 333 - Mecânica dos Solos II - UFV
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Estados de consistência
Segundo Terzaghi, o termo consistência refere-se ao grau de adesão entre as partículas de solo e à resistência oferecida às forças que possam deformar ou romper a massa do solo
Segundo Milton Vargas, a consistência refere-se sempre aos solos coesivos e é definida como a maior ou menor rigidez com que uma argila (ou solo com alto teor de argila) se apresenta
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Estados de consistência
Sabe-se que a rigidez de um solo argiloso varia inversamente com o seu teor de umidade, isto é, à medida que a umidade de uma massa argilosa diminui, a argila vai se tornando mais dura
Para grandes teores de umidade a argila é mole (como uma lama)
Para pequenos teores, dura como um tijolo
Entretanto, para o teor de umidade zero, ou quase nulo, pode sofrer uma redução brusca em sua resistência a esforços externos
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Estados de consistência
O que é consistência dos solos?
A consistência dos solos fornecem um meio de descrever o grau ou classe de coesão ou aderência entre as suas partículas, assim como relacioná-las à resistência dos solos de se deformarem ou romperem
Visto que a consistência varia com o teor de água no solo (teor de umidade) e a consistência passa de uma condição muito mole a dura, pode-se classificar a consistência no estado saturado, úmido ou seco
A determinação da consistência inclui tanto a resistência à ruptura quanto a rigidez
A resistência à ruptura é uma medida da capacidade, no terreno, do solo resistir a uma pressão aplicada com o polegar e o indicador
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Estados de consistência
O que é consistência dos solos?
A consistência do solo é definida como a facilidade relativa com que um solo pode ser deformado
A consistência depende amplamente da mineralogia dos constituintes do solo, assim como do teor de umidade
Nos solos as partículas finas são geralmente circundadas por água
A quantidade de água no solo determina o estado de consistência do solo
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Estados de consistência
O que é consistência dos solos?
Existem quatro estados de consistência dos solos: 
Sólido, 
Semi-sólido, 
Plástico e 
Líquido
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Estados de consistência
Coesão e Adesão
Coesão é a atração entre constituintes de mesma origem, como exemplo, a coesão de uma molécula de água por outra molécula de água resultante da ponte de hidrogênio (ligação água-água)
Adesão é similar a coesão porém ocorre entre elementos de origem diferentes, como exemplo, a adesão entre uma molécula de água e uma partícula do solo ( ligação água-sólido)
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Estados de Consistência
Para que serve a descrição da consistência dos solos?
 Aplicação ambiental
Resistência - consistência mole à dura
Viscosidade - consistência mole
Plasticidade - consistência mole
Engenharia geotécnica
Tipo de ruptura 
Resistência à penetração
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Consistence is the degree and kind of cohesion and adherence that soil exhibits, and/or the resistance of soil to deformation or rupture under applied stress. Moisture content strongly influences soil’s consistence. There are 5 ways to record consistence in the field; Rupture Resistance, Manner of Failure, Stickiness, Plasticity, and Penetration Resistance. Each type is recorded at specific moisture contents or within given moisture content ranges.
Estados de consistência
Limites de Atterberg
Os limites de Atterberg são importantes para descrever a consistência dos solos finos
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Consistência do solo seco
Classe
Descrição
Solto
Não coerente - Símbolo L, LO ou lo
Mole (<8 N)
Solo esfarela sob uma pressão muito baixa
Ligeiramente duro (8 a < 20 N)
Solo esfarela sob uma pequena pressão – baixa resistência
Moderadamente duro (20 a < 40 N)
Solo rompe sob um pressão moderada resistência média
Duro (40 a < 80 N)
Solo rompe sob uma forte pressão
Muito duro (80 a < 160 N)
Não rompe com a pressão de dois dedos
Extremamente duro
Não rompe sob a pressão dos pés
N = 1 Newton
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The Field Book for Describing and Sampling Soils describes the specific force that corresponds with each class. A 2.5 to 3.1 cm cube should be used or a plate 1.0 –1.5 cm long by 0.5 cm thick.
Consistência no estado saturado
Viscosidade e plasticidade
A viscosidade descreve: 
A capacidade do solo se aderir a outros objetos 
A umidade estimada que representa a máxima aderência entre o polegar e o indicador
Plasticidade descreve:
A capacidade de um solo ser moldado ou manuseado produzindo deformações permanentes em ruptura
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The capacity of soil to adhere to other objects such as your fingers. Estimated at moisture content that displays maximum adherence between thumb and fore finger.
Classes de viscosidade
Não viscoso – O solo não adere ou adere pouco aos dedos após a redução da pressão sobre ele
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Non-Sticky – little or no soil adheres to fingers after release of pressure. Sands typically fall in this category
Slightly Sticky – soil adheres to both fingers after release of pressure with little stretching on separation of fingers.
Classes de viscosidade
Ligeiramente viscoso – O solo se separa e adere a ambos os dedos logo após a relaxação da pressão com uma pequena afastamento dos dedos
Moderadamente
viscoso – O solo se adere a ambos os dedos após a relaxação das pressões e um pequeno afastamento dos dedos
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Non-Sticky – little or no soil adheres to fingers after release of pressure. Sands typically fall in this category
Slightly Sticky – soil adheres to both fingers after release of pressure with little stretching on separation of fingers.
Classes de viscosidade
Muito viscoso – O solo se adere firmemente aos dedos após a completa separação dedos rompendo-se somente após um grande afastamento deles
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Non-Sticky – little or no soil adheres to fingers after release of pressure. Sands typically fall in this category
Slightly Sticky – soil adheres to both fingers after release of pressure with little stretching on separation of fingers.
Plasticidade
Pode definir a plasticidade como a propriedade de certos sólidos serem moldados (deformações rápidas) sem apreciável variação de volume (ou ruptura)
A plasticidade está associada aos solos finos, e depende do argilo-mineral que deu origem à fração argila presente nesses solos
A forma lamelar dos grãos da argila permite um deslocamento relativo das partículas sem que haja variação de volume
A plasticidade é muito influenciada quantidade de água no solo, das ligações entre as moléculas de água e grãos, ou seja da dupla camada
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Plasticidade
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Classe de plasticidade
Não Plástico – Não formará um cilindro de 6mm de diâmetro com 4cm de comprimento, e se formar, não será capaz de se manter quando preso por um de seus extremos
6 mm
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Plasticity classes;
Non-Plastic – will not form a 6 mm wire, or if formed , can not support itself if held on end
Slightly Plastic – 6 mm wire supports itself, 4 mm wire does not
Moderately Plastic – 4 mm wire supports itself, 2 mm wire does not
Very Plastic – 2 mm wire supports itself
Classe de plasticidade
Não Plástico – Não formará um cilindro de 6mm de diâmetro com 4cm de comprimento, e se formar, não será capaz de se manter quando preso por um de seus extremos
Ligeiramente Plástico – Um cilindro de 4cm de comprimento e 6mm de diâmetro pode ser suportado por um de seus extremos mas com 4mm de diâmetro não
Moderadamente plástico – Um cilindro de 4cm de comprimento e 4mm de diâmetro pode ser suportado por um de seus extremos mas com 2mm de diâmetro não
Muito Plástico – Um cilindro de 4cm de comprimento e com 2mm de diâmetro é capaz de se suportar sem ruptura
2 mm
4 mm
6 mm
4 cm
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Plasticity classes;
Non-Plastic – will not form a 6 mm wire, or if formed , can not support itself if held on end
Slightly Plastic – 6 mm wire supports itself, 4 mm wire does not
Moderately Plastic – 4 mm wire supports itself, 2 mm wire does not
Very Plastic – 2 mm wire supports itself
Classe de plasticidade
Não Plástico – Não formará um cilindro de 6mm de diâmetro com 4cm de comprimento, e se formar, não será capaz de se manter quando preso por um de seus extremos
Ligeiramente Plástico – Um cilindro de 4cm de comprimento e 6mm de diâmetro pode ser suportado por um de seus extremos mas com 4mm de diâmetro não
Moderadamente plástico – Um cilindro de 4cm de comprimento e 4mm de diâmetro pode ser suportado por um de seus extremos mas com 2mm de diâmetro não
Muito Plástico – Um cilindro de 4cm de comprimento e com 2mm de diâmetro é capaz de se suportar sem ruptura
2 mm
2 mm
4 mm
6 mm
4 cm
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Plasticity classes;
Non-Plastic – will not form a 6 mm wire, or if formed , can not support itself if held on end
Slightly Plastic – 6 mm wire supports itself, 4 mm wire does not
Moderately Plastic – 4 mm wire supports itself, 2 mm wire does not
Very Plastic – 2 mm wire supports itself
Estados de consistência
Para que serve o conhecimento da Plasticidade? 
O teor de umidade afeta significativamente a propriedade dos siltes e das argilas mas não tem efeito sobre o comportamento das areias ou pedregulhos
As propriedades da plasticidade descreve a resposta do solo sob mudança do teor de umidade 
A resistência diminui com o aumento do teor de umidade
O solo expande com o aumento do teor de umidade 
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Estados de consistência
Para que serve o conhecimento da Plasticidade? 
Solos finos com alto teor de umidade comporta-se com um líquido 
Quando o teor de umidade é reduzido o volume diminui e o solo torna-se plástico 
Se o teor de umidade for ainda reduzido, o solo se torna semi-sólido, e neste ponto o solo não re contrai mais 
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Estados de consistência
A plasticidade de um solo dependerá fundamentalmente e principalmente de dois fatores:
Umidade: existe uma faixa de umidade dentro da qual o solo se comporta de maneira plástica. Valores de umidade inferiores aos valores contidos nesta faixa farão o solo se comportar como semi-sólido ou sólido, enquanto que para maiores valores de umidade o solo se comportará preferencialmente como líquido
Tipo de argilo-mineral: o tipo de argilo-mineral (sua forma, constituição mineralógica, tamanho, superfície específica, etc.) influi na capacidade do solo de se comportar de maneira plástica. Quanto menor o argilo-mineral (ou quanto maior sua superfície específica), maior a plasticidade do solo
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Estados de consistência
Considere uma lama de solo, que vai perdendo sua água gradativamente
				
					Com a saída da água seu volume 					também se reduz, até um valor limite					
					A partir desse limite, toda perda de 					água só ocorre com a entrada de ar na 					amostra
LL
LP
LC
Líquido
Plástico
Semi-sólido
Sólido
SÓLIDA
LÍQUIDA
GASOSA
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Limites de consistência
Um solo argiloso pode se apresentar em um estado líquido, plástico, semi-sólido ou sólido, dependendo de sua umidade. A este estado físico do solo dá-se o nome de consistência
Os limites inferiores e superiores de umidade para cada estado do solo são denominados de limites de consistência. Dependendo da quantidade de água presente no solo, teremos os seguintes estados de consistência:
SÓLIDO
SEMI-SÓLIDO
PLÁSTICO
LÍQUIDO
Teor de umidade
Variação de volume
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Limites de consistência
Os limites entre um estado de consistência e outro são determinados empiricamente, sendo denominados de limite de contração, LC, limite de plasticidade, LP, e limite de liquidez, LL
SÓLIDO
SEMI-SÓLIDO
PLÁSTICO
LÍQUIDO
Teor de umidade
Variação de volume
LC
LP
LL
Sr = 100% 
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Limites de Consistência
Limites de Atterberg
Limite de Liquidez (LL) - teor de umidade no qual o solo começa a se comportar como um líquido, ou seja flui
(No limite de liquidez, um solo fino tem uma resistência ao cisalhamento aproximadamente igual a 2,5 kN/m2)
Limite de Plasticidade (LP) - teor de umidade no qual o solo começa a comportar como um material plástico
Limite de contração (LC) - teor de umidade a partir do qual reduções da umidade não acarretam redução de volume da amostra
(LC representa a quantidade de água requerida para saturar o solo - Sr=100%)
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Determinação dos limites de consistência
A delimitação entre os diversos estados de consistência é feita de forma empírica. Inicialmente foi realizada por Atterberg, sendo a padronização dos ensaios para a determinação dos limites de consistência foi realizada por Arthur Casagrande
A determinação dos limites de consistência são normalizados pela ABNT como se segue:
NBR – 6459 – limite de liquidez 
NBR – 7180 - limite de plasticidade
NBR – 7183 - limite de contração 
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Limite de liquidez (NBR - 6459)
Casagrande
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Limite de liquidez (NBR - 6459)
Coloca-se na concha do aparelho de Casagrande uma pasta de solo passante na peneira #40 e com umidade próxima de seu limite de plasticidade
Faz-se um sulco na pasta com um cinzel padronizado
10mm
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Limite de liquidez (NBR - 6459)
Aplicam-se golpes à massa de solo posta na concha do aparelho de Casagrande, girando-se uma manivela, a uma velocidade padrão de 2 golpes por segundo
	Esta manivela é solidária a um eixo, que possui um excêntrico, e faz com que a concha do aparelho de Casagrande caia de uma altura padrão de aproximadamente 1cm
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Limite de liquidez (NBR - 6459)
Conta-se o número de golpes necessário para que a ranhura de solo se feche em uma extensão em torno de 1cm (13mm)
Antes do ensaio
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Limite de liquidez (NBR - 6459)
Conta-se o número de golpes necessário para que a ranhura de solo se feche em uma extensão em torno de 1cm (13mm)
Repete-se este processo ao menos 5 vezes, geralmente empregando-se valores de umidade crescentes;
Depois do ensaio
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Limite de liquidez (NBR - 6459)
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Limite de liquidez (NBR - 6459)
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Limite de Liquidez (NBR - 6459)
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Limite de plasticidade (NBR -7180)
Lançam-se os pontos experimentais obtidos, num gráfico teor de umidade versus log n°de golpes
Ajusta-se uma reta passando por esses pontos. O limite de liquidez corresponde à umidade para a qual foram necessários 25 golpes para fechar a ranhura de solo
70
90
10
20
30
40
50
60
80
100
43
44
45
46
47
48
49
50
51
Teor de umidade (%)
n° golpes
25
LL
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Limite de plasticidade (NBR -7180)
Prepara-se uma pasta com o solo que passa na peneira #40, fazendo-a rolar com a palma da mão sobre uma placa de vidro esmerilhado, formando um pequeno cilindro
Quando o cilindro de solo atingir o diâmetro de 3 mm e apresentar fissuras, mede-se a umidade do solo
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Limite de plasticidade (NBR -7180)
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Limite de plasticidade (NBR -7180)
Esta operação é repetida pelo menos 5 vezes. Os valores obtidos de umidade serão considerados satisfatórios quando, de pelo menos três, nenhum deles diferir da respectiva média de mais de 5%
	O limite de plasticidade será o valor médio de pelo menos três valores considerados satisfatórios
	Se não for possível obter o cilindro com 3 mm de diâmetro, a amostra deve ser considerada como não apresentando limite de plasticidade (NP)
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Limite de contração
Molda-se uma amostra de solo passando na peneira #40, na forma de pastilha, em uma cápsula metálica com teor de umidade entre 10 e 25 golpes no aparelho de Casagrande
Seca-se a amostra à sombra e depois em estufa, pesando-a em seguida
Utiliza-se um recipiente adequado (cápsula de vidro) para medir o volume do solo seco, através do deslocamento de mercúrio provocado pelo solo quando imerso no recipiente
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Limite de contração
O limite de contração é determinado pela equação
V = Volume da amostra seca
P = Peso da amostra seca
γw = Peso específico da água
γs = Peso específico das partículas sólidas
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Limite de contração 
(Das, 1998)
Soil volume: Vi
Soil mass: M1
Soil volume: Vf
Soil mass: M2
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Limite de contração 
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Limite de contração 
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Limite de contração
“Embora o limite de contração tenha sido amplamente usado durante anos 1920s, muitas incertezas na sua determinação o levaram a não ser mais comumente usado”
“Um dos maiores problemas na determinação do limite de contração do solo reside no fato de que a contração sofrida pelo solo não depende exclusivamente do tamanho dos grãos e do tipo do constituinte mineralógico, mas também da estrutura inicial da amostra”
(Holtz e Kovacs, 1981) 
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Limite de contração
O procedimento padrão é iniciar o ensaio com o teor de umidade da amostra próximo ao limite de liquidez
Contudo, especialmente nas argilas arenosas ou siltosas, muitas vezes resulta em um limite de contração maior que o limite de plasticidade, o que não tem sentido. Casagrande sugeriu que, se possível, o teor de umidade inicial seja ligeiramente maior que o limite de plasticidade, embora seja reconhecido a dificuldade de se evitar o aprisionamento de bolhas de ar durante o preparo da amostra” 
(Holtz e Kovacs, 1981) 
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Índice de plasticidade
O Índice de Plasticidade, IP, é uma maneira de se avaliar a plasticidade de um solo
O IP corresponde à faixa de valores de umidade do solo na qual ele se comporta de maneira plástica
Uma vez conhecidos os limites de consistência de um solo, pode-se definir o IP como a diferença numérica entre os valores do limite de liquidez e do limite de plasticidade
					IP = LL–LP
Indica a quantidade de água que deve ser acrescentada ao solo (com consistência inicial no Limite de Plasticidade) para levá-lo ao estado líquido (Limite de Liquidez)
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Índice de plasticidade
De acordo com o índice de plasticidade, o solo pode ser classificado como:
IP = 0 → não plástico
1 < IP < 7 → pouco plástico
7 < IP < 15 → plasticidade média
IP > 15 → muito plástico
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Índice de consistência
É uma forma de medirmos a consistência do solo no estado em que se encontra em campo
LL = Limite de liquidez
IP = Índice de plasticidade
w = Umidade
É um meio de situar a umidade do solo entre os limites de liquidez e de plasticidade, com o objetivo de utilização prática
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Índice de consistência
De acordo com o IC pode definir o estado de consistência do solo no campo em:
IC < 0 → fluído - denso
0 < IC < 1 → estado plástico
IC > 1 → estado semi -sólido ou sólido
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Valores Típicos
Argila
LL (%)
LP (%)
IP (%)
Montmorilonita
290 - 710
54 - 75
215 - 656
Ilita
95 - 120
45 - 53
49 - 67
Caulinita
38 - 59
27 - 37
11 - 23
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Solos
LL (%)
IP (%)
Residuais de arenito (arenosos finos)
29-44
11-20
Residual de gnaisse
45-55
20-25
Residual de basalto
45-70
20-30
Residual de granito
45-55
14-18
Argilas orgânicas de várzeas quaternárias
70
30
Argila orgânicas de baixadas litorâneas
120
80
Argila porosa vermelha de São Paulo
65 a 85
25 a 40
Argila variegadas de São Paulo
40 a 80
15 a 45
Areia argilosas variegadas de São Paulo
20 a 40
5 a 15
Argilas duras, cinzas, de São Paulo
64
42
Valores Típicos
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IP = wL – wP é o índice de plasticidade
é o índice de consistência (IC)
Consistência
IC
Mole
<0,5
Média
0,5 a 0,75
Rija
0,75 a 1,0
dura
> 1,0
Resistência (kPa)
25 a 50
50 a 100
100 a 200
200 a 400
Índice
Valores Típicos
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