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MECÂNICA DOS SOLOS APONTAMENTO DE AULAS ATENÇÃO: estudar para provinha toda teoria e exercícios teóricos de: Classificação dos solos (Unificado, Rodoviário e Regional), compactação do solo e o que for dado até 19/11/14. ESTADO DAS AREIAS – COMPACIDADE (15/10/14) A compacidade da areia representa o estado da areia no campo, comparada com sua condição mais fofa ou mais compacta. Esse estado pode ser expresso pelo seu índice de vazios. Porém, isoladamente fornece pouca informação sobre o comportamento da areia, pois, com o mesmo índice de vazios, uma areia pode estar compactada e outra fofa. Dessa forma, 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. Os índices de vazios máximo e mínimo dependem das características da areia. Os valores são tanto maiores quanto mais angulares são os grãos e quanto mais mal graduadas as areias. Se considerarmos 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, e se as duas estiverem com e= 0,65, a areia A estará compacta e a areia B estará fofa. Como se verifica na figura e tabela abaixo. A areia “A” é mais compacta por ter maior “e min”. O estado de uma areia, ou sua compacidade, pode ser expresso pelo índice de vazios em que ele se encontra, por meio da compacidade relativa: a Onde: CR= compacidade relativa emax= índice de vazios do solo no estado mais fofo. emín= índice de vazios do solo no estado mais compacto. enat= índice no estado natural. Dessa forma, quanto maior a CR, mais compacta é a areia. Em geral, areias compactas apresentam maior resistência e menor deformidade. Estas características, entre as diversas areias, dependem de fatores como: a- Distribuição granulométrica b- Formato dos grãos Segundo a compacidade as areias podem ser classificadas de acordo com o quadro abaixo: ´ É conveniente ressaltar que raramente os solos têm compacidade relativa inferior a 20-30. E que, a compactação de um solo granular com uma compacidade relativa maior que cerca de 85% é rara. Exercício Para um tipo de solo arenoso, emax= 0,75 e emín= 0,4 e “e”=0,67. Determine a compacidade relativa do solo. R= 0,229 = 22, 9%. 1- CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS (20/10/14) Considerações A diversidade e a enorme diferença de comportamento apresentada pelos diversos solos perante as solicitações de interesse da engenharia levaram ao seu natural agrupamento em conjuntos distintos. Desta tendência racional de organização da experiência acumulada, surgiram os sistemas de classificação dos solos. Objetivos da classificação dos solos Sob o ponto de vista de engenharia, é o de poder estimar o provável comportamento do solo ou, pelo menos, orientar o programa de investigação necessário para permitir a adequada análise de um problema. Formas de classificação do solo Existem diversas maneiras de classificar os solos, podendo ser pela sua origem, pela sua evolução pedogenética, por suas características peculiares (presença ou não de matéria orgânica, pela estrutura, pelo preenchimento dos vazios), pelo tipo e comportamento das partículas constituintes dos solos (propriedades-índices: granulometria e plasticidade) que são os mais empregados na engenharia. Sistemas de classificação Baseiam nas características dos grãos que constituem os solos. Têm como objetivo a definição de grupos que apresentam comportamentos semelhantes sob os aspectos de interesse da engenharia civil. Nestes sistemas, os índices empregados são geralmente a composição granulométrica e os índices de Attemberg. Veremos os dois sistemas mais empregados, apresentando as características negativas e positivas. 1.1 Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS) Este sistema de classificação foi elaborado pelo Prof. Arthur Casagrande, em 1942, destinado para obras de aeroportos, tendo seu emprego generalizado. Também chamado de classificação da U. S. Corps of Engineers. Atualmente é utilizado principalmente pelos geotécnicos que trabalham em barragens de terra e outras obras. Essa classificação adota a curva granulométrica e os limites de consistência do solo. Quando nos solos a fração fina não existe em quantidade suficiente para afetar seu comportamento, a classificação é feita por curva granulométrica. Enquanto, que nos solos o comportamento é controlado pelas suas frações finas (silte e argila) a classificação é feita com suas características de plasticidade. Terminologia do sistema Unificado Neste sistema, todos os solos são identificados pelo conjunto de duas letras com origem na língua inglesa, sendo um prefixo que se relaciona ao tipo de solo e um sufixo que corresponde à granulometria e a plasticidade. As cinco letras superiores indicam o tipo principal do solo e as quatro seguintes correspondem a dados complementares dos solos. Assim, SW corresponde a areia bem graduada e CH a argila de alta compressibilidade. Como mostra a figura abaixo: Passos para classificação no sistema SUCS 1º- Considerar a % de finos presentes no solo Finos: material que passa na peneira Nº 200 (0,075 mm) 2º- Se mais de 50% passar na nº 200 : considerado solos finos São designados pelas letras: M- Silte C- Argila O- orgânico Subgrupos: H- solos com alta compressibilidade – LL ≥ 50 % L- solos com baixa compressibilidade - LL < 50 % Podendo ser: MH; ML, CH, CL, OH, e OL 3º- Se a % de finos for inferior a 50% que passa na peneira nº 200: considera- se solos de granulação grosseira. Principais tipos: G- Pedregulho; S- Areia. Subgrupos: GW, GP, GM, GC, SW, SP, SM, e SC. 4º- Turfas (solos muito orgânicos) Geralmente são identificados visualmente com denominação- pt. Abaixo temos o resumo das denominações para classificação nesse sistema. Classificação dos solos grossos Se: Mais de 50 % da fração grossa ficar retida na # 4 (4,75 mm) se terá um pedregulho (G). Menos de 50 % da fração grossa ficar retida na # 4 (4,75 mm) - Areia (S). Feita a identificação passa-se a conhecer as características secundárias. SE: Menos que 5 % da fração passar na # 200, verificar a composição granulométrica. Que podem ser: bem graduados ou mal graduados. Bem graduados: predomina faixa mais extensa de existência de grãos com diversos diâmetros conferindo ao solo, melhor comportamento para Engenharia. Dessa forma, as partículas menores ocupam os vazios correspondentes às maiores, criando um entrosamento, do qual resulta menor compressibilidade e maior resistência. Enquanto mal graduados há predominância de partículas com certo diâmetro. Esta característica dos solos pode ser expressa pelo “coeficiente de não uniformidade”, definido pela relação: CNU = D60/D10 Onde D60= diâmetro abaixo do qual se situa 60% em peso das partículas. D10 = diâmetro que corresponde % que passa igual a 10%. Obs.: quanto maior o CNU mais bem graduada a areia. CNU < 2= areias. Outro coeficiente, não tão empregado quanto o CNU, é o coeficiente de curvatura (CC), quando material bem graduado o CC é entre 1 a 3. Em resumo: CNU superior a 4 - pedregulho bem graduado; CNU superior a 6 - areia bem graduada. SE: Tem mais de 12% (finos) que passam na # 200, logo: a classificação será feita pelo posicionamento do ponto representativo dos índices de consistência na carta de plasticidade. SE: Temmais de 5 a 12% (finos) recomenda-se: apresentar a uniformidade de granulometria e propriedades dos finos. Representados por símbolos duplos: SP-SC (areia mal graduada, argilosa). Abaixo se encontram um fluxograma para classificação dos solos grossos, bem como a carta de plasticidade de Casa Grande para classificação dos solos finos. Fonte: LODI, P. C. (UNESP- BAURU) Fonte: LODI, P. C. (UNESP- BAURU). Exercício teórico passado no dia 20/10/14 (escrito no caderno) e exercício atividade participativo aplicado dia 03/11/14. ATIVIDADE EM SALA (03/11/14) 1- Abaixo há um fluxograma para e um quadro das denominações para classificação de pelo Sistema Unificado. Se você tem um solo em que mais de 50% da sua fração ficou retida na # 4 e deste valor menos que 5% passaram na # 200 e ainda apresentou Coeficiente de Não Uniformidade (CU) e Coeficiente de Curvatura (CC) igual a 5 e 2 respectivamente. Dê a Classifique desse solo? R: GW 2 Se outro solo, mais de 12% passou na peneira # 200 e apresentou menos que 50% de sua fração grossa retida na peneira # 4. Com Limite de Liquidez de 60,5 % e IP igual a 45%. Consulte a carta de plasticidade abaixo, o fluxograma e o quadro acima para definir a denominação desse solo. R: SC 1.2 Sistema rodoviário de classificação Empregado na engenharia para fins rodoviários, este sistema é muito empregado em todo o mundo, sendo originalmente proposto nos Estados Unidos pela AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). Baseia-se na granulometria e nos limites de Atterberg. Classificação A classificação é feita pela constatação da porcentagem de material que passa na peneira nº 200, só que são considerados solos de graduação grosseira os que têm menos de 35% passando nesta peneira, e não 50% como na Classificação Unificada. Estes são os solos dos grupos: com denominação de A1 a A3 (Grossos); denominação A4 a A7 (Finos) e A8 (altamente orgânicos). Para esses grupos existem subgrupos e o índice de grupo (IG) que é um número inteiro que varia de 0 a 20. O IG deve ser apresentado entre parêntese ao lado da classificação, quanto maior o valor de IG pior será o solo comparado a outro dentro do mesmo grupo. Dessa maneira, um solo A7 (8) será pior que um solo A7 (5). O valor de IG pode ser calculado por: Onde: A e B é a porcentagem que passam na peneira 200. A classificação pode ser feita da seguinte forma: 1º- Verificar quantidade de solo que passa na peneira 200; 2º- Se menos de 35% passar nesta peneira, serão solos grosseiros dos grupos A-1, A-2 e A-3. 3º- Se mais de 35% passar nesta peneira, serão solos finos dos grupos A-4, A-5, A-6 e A-7. Assim esses grupos terão as seguintes características: A-1a – Correspondem, aproximadamente, aos pedregulhos bem graduados, GW, do Sistema Unificado. A-1b – Corresponde à areia bem graduada, SW. A-2 – São areias em que os finos presentes constituem a característica secundária. São subdivididos em A-2-4, A-2-5, A-2-6 e A-2-7, em função dos índices de consistência, A – 3 – Areias finas mal graduadas, SP, do Sistema Unificado. A – 4 – Solos siltosos com pequena quantidade de material grosso e de argila A – 5 – Solos siltoso com pequena quantidade de material grosso e de argila rico em mica. A – 6 – Argilas siltosas medianamente plásticas com pouco ou nenhum material grosso. A – 7 – Argilas plásticas com presença de matéria orgânica. Obs.: Os solos finos, a exemplo do Sistema Unificado, são subdivididos só em função dos índices. O que distingue um solo A-4 de um solo A-2-4 é só a porcentagem de finos. Abaixo temos fluxogramas que podem ser usados para classificação do sistema rodoviário, observando-os da esquerda para a direita chega-se a classificação desejada. Fonte: LODI, P. C. (UNESP- BAURU). EXERCÍCIO ATIVIDADE (levar respondido para aula do dia 17/11/14) 1- Um solo apresentou porcentagem maior que 35% passando na peneira 200 com IP= 14% e LL entre 30% e 40%. Diga a denominação e características desse solo, consultando os fluxogramas acima. 2- Qual a diferença entre o sistema de classificação unificado e rodoviário para classificação dos solos grosseiros e finos? 3- Em uma sondagem em região onde serão construídas as vias de acesso para empreendimentos foram constatados solos com a denominação A-1b e solos A-3. Quais dos dois solos presente na área você indicaria para aplicação da via de acesso? Justifique sua resposta. 1.3 CLASSIFICAÇÃO REGIONAIS Como comentado nos outros itens no Brasil, o Sistema Unificado usado pelos engenheiros de construção de barragens e o Sistema Rodoviário é bastante empregado pelos engenheiros rodoviários. No entanto, os engenheiros de fundações não empregam diretamente nenhum destes sistemas. Eles seguem uma maneira informal de classificação dos solos, regional, que pode ter tido origem nestes sistemas. As discrepâncias entre as classificações clássicas e o comportamento observado de alguns solos nacionais se devem, certamente, ao fato destes serem frequentemente solos residuais ou solos lateríticos, para os quais os índices de consistência não podem ser interpretados da mesma maneira como o são para os solos transportados, de ocorrência nos países de clima temperado, onde os sistemas vistos foram elaborados. Um exemplo pode ser verificado na cidade de São Paulo - uma argila porosa vermelha característica do espigão da Av. Paulista, no Sistema Unificado é tida - como silte de alta compressibilidade, esse tipo de solo apresenta comportamento típico de argila. Dessa forma, surgiu à proposta de sistema de classificação dos solos tropicais que vem sendo desenvolvida pelo Prof. Nogami, da escola politécnica da USP. Classificação São classificados primariamente em areias, siltes e argilas. Secundariamente em lateríticos e saprolíticos. NA classificação não são empregados os índices de consistência - mas parâmetros obtidos em ensaios de compactação com energias diferentes. O sistema é voltado para prática rodoviária e se baseia apenas em solos do Estado de São Paulo. Esse sistema serve de exemplo para aplicação em outras regiões. 2- COMPACTAÇÃO DO SOLO (10/11/14) Generalidades Processo mecânico ou manual através do qual se reduz o índice de vazios do solo num tempo relativamente rápido, pela expulsão ou redução do ar dos vazios. Com este processo a área de contato das partículas sólidas aumenta, aumentando a resistência do solo e diminuindo a sua deformabilidade. Vale ressaltar a diferença entre compactação e adensamento (compressão). Neste último ocorre à expulsão da água dos interstícios do solo e seu efeito leva tempo e as cargas aplicadas são estáticas. Enquanto na compactação as cargas aplicadas são dinâmicas de efeito imediato. Objetivo da compactação Homogeneizar o solo, melhorando suas propriedades de engenharia. Aumenta a resistência ao cisalhamento, reduz os recalques e a permeabilidade e melhora a resistência à erosão. Uso A compactação é utilizada para a execução de aterros (estradas, barragens, loteamentos), para melhorar o solo de apoio das fundações diretas. 2.1 Ensaio de Compactação Em laboratório Determina a umidade na qual o solo deve ser compactado para que o solo fique com o máximo peso específico seco (Ƴd). Estes valores são função do tipo de solo e da energia de compactação empregada. O ensaio de compactação é chamado Ensaio de Proctor porque foi padronizado porRalph Proctor em 1933. No Brasil a ABNT padronizou o ensaio. Etapas do ensaio - Colocar a amostra de solo em bandeja; até adquirir umidade higroscópica (secagem ao ar); - Destorroar e passar na peneira # 4; - Adicionar água na amostra para obter o primeiro ponto da curva de compactação; deixar por 24 horas em repouso para haver homogeneidade de toda massa do solo; - após preparo da amostra, colocar em recipiente cilíndrico com volume igual a 1000 mL; - Compactar com soquete de 2,5Kg; caindo de uma altura de 30,5 cm em três camadas por 26 vezes ou golpes do soquete por camada; - Após destorroa-se a amostra aumenta a umidade em cerca de 2% e, se efetua novo processo de compactação; - repete-se este processo até obter-se média de 5 a 6 pontos e constrói-se a curva de variação do peso específico seco em função da umidade de compactação. OBS - Os ensaios são padronizados para tentar reproduzir a energia de compactação que será utilizada no campo. Material e etapa de ensaio em laboratório Proctor Normal. Fonte: Profª Drª GONÇALVES, H.H.S.; et al. (2014) Curva típica de compactação Fonte: SANTOS, J. A. (2008) Nesta curva, o valor de máximo peso específico (Ƴd máx), corresponde à umidade ótima (W ót). O ramo da curva anterior ao valor de umidade ótima é denominado ramo seco e o trecho posterior, lado direito, ramo úmido da curva de compactação. Os solos apresentam uma variação entre 80% e 90% (linha vermelha da curva) do grau de saturação, quando, umidade ótima e peso específico máximo. A compactação em campo é feita na umidade ótima ou próxima desta para que se obtenha o peso específico seco máximo ou um valor pouco abaixo deste. Quanto mais arenosos os solos, menores as umidades ótimas e maiores os pesos específicos secos máximos. Energia de compactação O ensaio de compactação poderá ser feito empregando-se diferentes energias. A energia de compactação empregada em laboratório pode ser definida de acordo com a equação: EC= (P.H.N.n)/ V Onde: P= peso do soquete (pilão) H= altura de queda N= número de golpes por camada n= número de camadas de solos no molde V= volume do corpo de prova (molde) Influencia da energia de compactação Ao se verificar que a umidade do solo está abaixo da ótima, uma aplicação de maior energia de compactação provocará aumento de peso específico seco, entretanto, quando a umidade encontra-se acima da ótima, empregar um esforço maior de compactação não irá ocorrer aumento do peso específico seco, visto que não se conseguirá expulsar o ar dos vazios. Esse comportamento pode ser visto também em campo. Ao insistir na passagem de equipamento quando o solo encontra-se com teor de umidade elevado a energia de compactação é transferida para a água que devolve como um material elástico, dificultando a diminuição dos vazios, ocorrendo o efeito conhecido por “borrachudo”. Solo borrachudo apresenta-se laminado com uma parte destacando-se da outra ao longo de planos horizontais. Por outro lado, umidade do solo muito baixa haverá maior atrito entre os grãos, não se consegue boa compactação. Portanto, à medida que se aumenta a energia de compactação reduz-se o teor de umidade ótimo e há uma elevação do valor específico seco máximo. Ensaios com maiores energias de compactação em laboratório O objetivo de se criar em laboratório ensaios com maiores energias que a do Proctor Normal, partiu do surgimento de novos equipamentos em campo, de grande porte, que possibilita elevar a energia de compactação com maior velocidade na construção de aterro. Foi assim que surgiu o Proctor Modificado e Intermediário, com energias superiores ao citado acima. As energias usuais para o Proctor Modificado é de 28,3 Kg.cm cm3; para o Proctor Intermediário 13,4 Kg.cm cm3 e de 5,9 Kg.cm cm3 para Proctor Normal. O quadro abaixo representa características de ensaio de compactação. A diferença observada é no número de golpes. As curvas determinadas variando-se a energia de compactação, para um mesmo solo, estão apresentadas abaixo na qual pode ser observado que quanto maior a energia de compactação menor a umidade ótima e maior o peso específico seco determinado. Características de ensaio Energia de compactação num mesmo solo. Influencia do tipo de solo na compactação. Exercício aplicativo (12/12/14) Levar para aula do dia (19/11/14 respondido) 1- Defina com suas palavras compactação do solo? 2- Cite os objetivos da compactação do solo e onde pode ser usado? 3- Qual a função do ensaio de compactação em laboratório e o que determina? 4- Faça um resumo do ensaio em laboratório. 5- Porque se padroniza os ensaios em laboratório? 6- Após o ensaio qual curva é obtida? 7- Qual umidade de compactação em campo? 8- Quando há umidade ótima e peso específico máximo, qual o grau de saturação obtido nos solos? 9- Porque a umidade do solo não pode ser muito baixa? 10- Porque a umidade do solo não pode ser muito alta? 11- Dos solos (arenosos e argilosos) qual conseguiria menores umidades ótimas e peso específico seco máximo. 12- Como foram normalizadas as energias de compactação? 2.2 Compactação de campo O primeiro fator a ser definido é a área de empréstimo que é função do tipo de solo de interesse e da distância até a o local do aterro. O tipo de solo varia de acordo com as características de engenharia que se procura obter do aterro. A compactação se dá por meio de esforços de pressão, impacto, vibração ou por uma combinação destes. A combinação entre a vibração com a pressão, é feita devido à vibração isolada se mostrar pouco eficiente, sendo a pressão necessária, para diminuir o volume de vazios nas partículas de solos. A compactação é feita em camadas cuja altura média é em torno de 25 cm. As especificações para a compactação são fornecidas pela projetista e devem ser função das propriedades de engenharia que o aterro deve ter, para o projeto. São especificados o grau de compactação mínimo e o desvio de umidade máximo: O grau de compactação é a relação entre o peso específico seco de campo e o peso específico seco máximo obtido em laboratório: GC= Ƴdcampo/Ƴdmáx O desvio de umidade máximo permitido é a máxima diferença de umidade que o solo compactado no campo pode ter em relação à umidade ótima determinada em laboratório: ∆w = w - wót wót ± ∆wót Equipamentos de compactação Vários são os tipos de equipamentos para executar a compactação propriamente dita. As escolhas do tipo de equipamento e das suas características dependem do tipo de solo e das características da obra. A tabela abaixo indica o equipamento mais adequado para cada tipo de solo. Tipo de rolo compactador para diferentes solos Principais equipamentos de compactação: a) De compressão ou estáticos; b) De impacto c) De vibração Equipamentos estáticos: a compressão é aplicada na superfície e as tensões induzidas pelo rolo diminuem com a profundidade, por isso há limitação da espessura da camada. A velocidade do equipamento deve ser baixa para garantir a eficiência da compactação. Alguns exemplos são o rolo pé-de- carneiro e o rolo pneumático. Equipamentos de impacto: podem ser extremamente simples, como soquetes manuais e sapos mecânicos. Também podem ser usados pesos lançados por guindastes. Equipamentos vibratórios: são utilizados para solos granulares (areia, pedregulho, enrocamento). O equipamento mais comum é o rolo liso vibratório. O tipo de solo é utilizado na escolha das características do rolo. Por exemplo, rolos mais pesadose com baixa vibração são utilizados para pedregulhos e enrocamentos, ao contrário, para areias são usados rolos mais leves e com freqüência de vibração maior. Estático Estático Vibratório Procedimento da compactação em campo - Coletam-se amostras de solo na área de empréstimo; - Em laboratório efetua-se o ensaio de compactação; - Constrói-se a curva de compactação (valores de peso específico máximo e o teor de umidade ótima do solo); - Em campo, à medida que for fazendo o aterro, verificar, para cada camada compactada, qual o teor de umidade empregado e comparar com a umidade ótima obtida em laboratório. O valor deve atender o seguinte: Wcampo - 2% ≤ Wót ≤ Wcampo + 1% - Determinar o peso específico seco do solo em campo e, comparar com o obtido em laboratório. Com isso define-se o grau de compactação, GC, do solo, por meio da razão entre pesos específicos secos de campo e de laboratório: GC= (γd campo/γd máx.) x 100 Os valores de grau de compactação devem ser superiores a 95% e menores que 103%. Se essas especificações não forem atendidas, deve-se revolver o solo e efetuar uma nova compactação. 95% ≤ GC ≤ 103%
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