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ENGENHARIA CIVIL APOSTILA DE ENSAIOS DE LABORATÓRIO MECÂNICA DOS SOLOS E OBRAS DE TERRA Atualizada por: Profª Cíntia Cristiana Schultz Estagiária Tania Vega Huaccha Estagiária Wayra Nara de Sousa Justino Elaborada por: Profª Gisleine Coelho de Campos Laboratorista Roberto C. N. Mendonça São Paulo, 03 de dezembro de 2017. 2 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Sumário 1 TEOR DE UMIDADE ........................................................................................................................ 6 1.1 Dados gerais e procedimento de ensaio ................................................................ 6 1.1.1 Fórmula ............................................................................................................ 6 1.2 Exemplo ................................................................................................................. 7 2 PESO ESPECÍFICO NATURAL DO SOLO ATRAVÉS DO MÉTODO DA BALANÇA HIDROSTÁTICA ..................................................................................................................... 9 2.1 Dados gerais e procedimento de ensaio ................................................................ 9 2.1.1 Fórmula ............................................................................................................ 9 2.2 Exemplo ............................................................................................................... 10 3 ANÁLISE TÁTIL - VISUAL ............................................................................................................. 12 3.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 12 3.2 Exemplo ............................................................................................................... 14 4 GRANULOMETRIA POR SEDIMENTAÇÃO ................................................................................. 20 4.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 20 4.1.1 Fórmulas ........................................................................................................ 22 5 GRANULOMETRIA POR PENEIRAMENTO ................................................................................. 26 5.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 26 5.1.1 Fórmulas ........................................................................................................ 28 5.2 Exemplo ............................................................................................................... 29 6 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) ............................................................................................................. 32 6.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 32 6.1.1 Fórmulas ........................................................................................................ 34 6.2 Exemplo ............................................................................................................... 35 7 LIMITE DE PLASTICIDADE (LP) ................................................................................................... 37 7.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 37 7.1.1 Fórmulas ........................................................................................................ 39 7.2 Exemplo ............................................................................................................... 39 8 DETERMINAÇÃO DO PESO ESPECÍFICO DOS GRÃOS (γs) ..................................................... 42 8.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 42 8.1.1 Fórmula .......................................................................................................... 44 8.2 Exemplo ............................................................................................................... 46 9 PERMEABILIDADE (CARGA CONSTANTE) ................................................................................ 49 9.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 49 3 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 9.1.1 Fórmula .......................................................................................................... 50 9.2 Exemplo ............................................................................................................... 50 10 PERMEABILIDADE (CARGA VARIÁVEL) ..................................................................................... 52 10.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 52 10.1.1 Fórmula .......................................................................................................... 53 10.2 Exemplo ............................................................................................................... 54 11 LIQUEFAÇÃO DA AREIA (AREIA MOVEDIÇA) ............................................................................ 56 11.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 56 12 COMPACTAÇÃO DOS SOLOS ..................................................................................................... 57 12.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 57 12.1.1 Fórmulas ........................................................................................................ 59 12.2 Exemplo ............................................................................................................... 59 13 ENSAIO DE ADENSAMENTO ....................................................................................................... 63 13.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 63 13.1.1 Fórmula e resultados ...................................................................................... 64 13.1.2 Fórmulas auxiliares......................................................................................... 66 13.2 Exemplo ............................................................................................................... 66 14 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO ........................................................................................ 73 14.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 73 14.1.1 Fórmulas ........................................................................................................ 76 14.2 Exemplo ............................................................................................................... 76 15 ENSAIO DE COMPRESSÃO TRIAXIAL ........................................................................................ 81 15.1 Dados gerais e procedimento de ensaio .............................................................. 81 15.1.1 Fórmulas ........................................................................................................ 85 15.2 Exemplo ............................................................................................................... 86 16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................... 89 4 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Lista de Figuras Figura 1 - Demonstraçãosensação ao tato. ........................................................................ 14 Figura 2 - Demonstração da plasticidade. ............................................................................ 15 Figura 3 - Demonstração da resistência do solo seco. ......................................................... 15 Figura 4 - Demonstração da mobilidade de agua intersticial. ............................................... 16 Figura 5 - Demonstração da dispersão em água. ................................................................ 17 Figura 6 - Demonstração da dispersão em água em um béquer e uma proveta. ................. 17 Figura 7 - Equipamentos para granulometria por sedimentação. ......................................... 21 Figura 8 - Experimento de Granulometria por Sedimentação. .............................................. 21 Figura 9 - Analise granulométrico por peneiramento de solos. ............................................. 27 Figura 10 - Curva modelo da granulometria (sedimentação e peneiramento) ...................... 27 Figura 11 - Instrumentação para determinar o limite de liquidez .......................................... 33 Figura 12 - Análise de limite de liquidez. .............................................................................. 34 Figura 13 - Procedimento para ensaio do limite de Plasticidade. ......................................... 38 Figura 14 - Roteiro do experimento. ..................................................................................... 43 Figura 15 - Deaeração do picnômetro .................................................................................. 43 Figura 16 - Procedimento da experiência. ............................................................................ 49 Figura 17 - Procedimento do experimento ........................................................................... 52 Figura 18 - Procedimento do experimento ........................................................................... 56 Figura 19 - Equipamento da experiência.............................................................................. 57 Figura 20 - Amostrador ........................................................................................................ 63 Figura 21 - Curva de adensamento ...................................................................................... 65 Figura 22 - Representação dos resultados em gráfico ......................................................... 68 Figura 23 - Amostrador ........................................................................................................ 73 Figura 24 - Forças aplicadas (T e N) .................................................................................... 74 Figura 25 - Resultados do ensaio ........................................................................................ 74 Figura 26 - Envoltória da resistência .................................................................................... 75 Figura 27 - Círculo de Mohr ................................................................................................. 75 Figura 28 - 1ª Fase do ensaio .............................................................................................. 82 Figura 29 - 1ª Fase do ensaio .............................................................................................. 82 Figura 30 - 2ª Fase do ensaio .............................................................................................. 82 Figura 31 - 1ªFase do ensaio ............................................................................................... 83 Figura 32 - 1ªFase do ensaio ............................................................................................... 84 Figura 33 - Diagrama de Mohr ............................................................................................. 86 5 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Lista de tabelas Tabela 1 - Dados coletados de 5 ensaios para obtenção da umidade de um solo ................. 7 Tabela 2 - Demonstração da obtenção do peso especifico natural. ..................................... 10 Tabela 3 - Viscosidade da água (valores em milipoise) ....................................................... 22 Tabela 4 - Variação do peso específico da água em função da temperatura ....................... 23 Tabela 5 - Dados coletados durante o teste de Granulometria por Peneiramento. .............. 29 Tabela 6 - Dados coletados durante o teste de Limite de Liquidez. ..................................... 35 Tabela 7 - Dados coletados durante o teste de Limite de Plasticidade. ............................... 39 Tabela 8 - Razão entre a densidade relativa da água à temperatura (t) e a densidade relativa da água a 20ºC. ................................................................................................................... 45 Tabela 9 - Ensaio de umidade ............................................................................................. 61 Tabela 10 - Ensaio de compactação .................................................................................... 61 6 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 1 TEOR DE UMIDADE 1.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Determinar o teor de umidade do solo Norma Técnica: NBR - 6457 Equipamentos: Cápsulas de Alumínio Estufa Elétrica Espátula de Alumínio Balança com precisão de 0,01 g Pinça tipo Tesoura Procedimento: • Pesar uma cápsula de alumínio (P3). Este peso pode estar tabelado (tara) em função do número da cápsula. • Colocar a amostra de solo úmido dentro da cápsula e pesar o conjunto (P1). • Levar o conjunto à estufa para secar até obter-se constância de peso (em geral, deixa-se na estufa durante 24 horas, tempo suficiente para secagem de quase todos os tipos de solo). • Pesar o conjunto cápsula + solo seco (P2). 1.1.1 Fórmula Do procedimento, temos: P1 = peso do solo úmido + peso da cápsula; P2 = peso do solo seco + peso da cápsula; P3 =peso da cápsula; Da fórmula de cálculo da umidade, temos: w = umidade; Pw = peso da água; Ps = peso seco do solo. 𝑤 = 𝑃𝑤 𝑃𝑠 = 𝑃1 − 𝑃2 𝑃2 − 𝑃3 ∗ 100 7 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 1.2 Exemplo Para a obtenção da umidade de um solo foram feitos 5 ensaios, os dados coletados estão na tabela1 a seguir: Pede-se: Tabela 1-Dados coletados de 5 ensaios para obtenção da umidade de um solo Fonte: Autor (2017) 𝑤𝑓 = ∑ 𝑤i i = 21,64 + 28,70 + 25,32 + 26,62 + 31,27 5 = 26,71% 𝑤𝑓 = 26,71% Número da cápsula Peso da cápsula (g) P3 Peso da cápsula + solo úmido (g) P1 Peso da cápsula + solo seco (g) P2 Umidade (w em %) 03 8,01 28,81 25,11 21,64 07 8,40 28,35 23,90 28,70 12 8,25 29,68 25,35 25,32 40 8,15 29,17 24,75 26.62 24 8,31 29,51 24,46 31,27 Umidade média (%) 26,71 8 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE UMIDADE (w) Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:____________________________________________________________________RA:______________________ Preencher os dados referentes ao experimento. Amostra Unidade 1 2 3 Cápsula no Solo+Tara+ Água g Solo+ Tara g Tara g Água g Solo seco g Umidade % Conclusão / Observação: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 9 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 2 PESO ESPECÍFICO NATURAL DO SOLO ATRAVÉS DO MÉTODO DA BALANÇA HIDROSTÁTICA 2.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Determinar o peso específico natural do solo. Equipamentos: Balança com precisão de 0,01g Becker com água Parafina Fio de nylon, ou linha comum Material para talhagem da amostra Fogareiro ou Aquecedor Procedimento: • Após talhar a amostra, amarrá-la a um fio de nylon. • Pesar o conjunto amostra + fio (P1). Mergulhar a amostra em um banho de parafina aquecida. Após seca a parafina, esta envolverá toda a amostra, tornando-a impermeável. • Pesar o conjunto amostra + fio + parafina (P2). • Pesar novamente o conjunto amostra + fio+ parafina, só que imerso dentro d’água (P3). 2.1.1 Fórmula Do procedimento, temos: P1 = peso do solo úmido+ fio P2 = peso do solo úmido+ fio + parafina P3 =peso do solo úmido + fio + parafina imerso em água 10 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Da fórmula de cálculo do peso especifico natural, temos: Peso da Parafina: P2- P1 Volume da Parafina: 𝑃2− 𝑃1 𝛾𝑝𝑎𝑟 Volume do solo +parafina: 𝑃2−𝑃3 𝛾𝑤 (𝛾 𝑤 = 1𝑔/𝑐𝑚 3) Volume do solo: 𝑉𝑠 = ( 𝑃2− 𝑃3 𝛾𝑤 ) - ( 𝑃2− 𝑃1 𝛾𝑝𝑎𝑟 ) Peso especifico natural: 𝛾𝑛 = 𝑃1 𝑉𝑠 (𝑔/𝑐𝑚3) Peso especifico seco: 𝛾𝑠 = 𝛾𝑛. ( 100 100+𝑤 ) 2.2 Exemplo Para a obtenção do peso especifico natural de um solo foi feito o ensaio, os dados coletados resultados estão na tabela 2 a seguir: Tabela 2-Demonstração da obtenção do peso especifico natural. unidade valor Densidade da parafina g/cm3 0,92 Peso do solo úmido (P1) g 115,10 Peso de solo úmido+ Parafina (P2) g 117,90 Peso da parafina g 2,80 Peso de solo úmido+ Parafina imersa (P3) g 60,10 Volume do solo + parafina cm3 57,80 Volume da parafina cm3 3,04 Volume do solo cm3 54,75 Densidade úmida (𝛾𝑛) g/cm 3 2,10 11 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE PESO ESPECÍFICO NATURAL DO SOLO ATRAVÉS DO MÉTODO DA BALANÇA HIDROSTÁTICA Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ Preencher os dados referentes ao experimento. AMOSTRA unidade 1 2 3 Densidade da parafina g/cm3 Peso do solo úmido(P1) g Peso de solo úmido + Parafina (P2) g Peso da parafina g Peso de solo úmido + Parafina imersa (P3) g Volume do solo + parafina cm3 Volume da parafina cm3 Volume do solo cm3 Densidade úmida (𝛾𝑛) g/cm 3 Conclusão / Observação: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 12 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 3 ANÁLISE TÁTIL - VISUAL 3.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Identificar o tipo de solo e sua reação visualmente, através do manuseio. Norma Técnica: NBR - 7250 Equipamentos: Água corrente Bisnaga de borracha Recipiente de vidro (béquer) Recipiente de porcelana Procedimento: Inicialmente, através de olho nu, podemos identificar algumas características dos solos, que são: - Cor (depende da umidade, não é permanente); - Odor; - Origem geológica; - Minerais presentes; - Presença de matéria orgânica; - Estrutura; - > 50% da amostra distinguível a olho nu = areia ou pedregulho; - > 50% tiver diâmetro maior que 5 mm = pedregulho (peneira 4). Algumas características podem ser obtidas através de verificações simples, que são: a) Sensação ao tacto: O objetivo é determinar a aspereza ou não do solo. Misturando-se uma pequena quantidade de solo com água, sabe-se que: • As areias são ásperas ao contato, apresentam partículas visíveis a olho nu e permitem muitas vezes o reconhecimento de minerais. • Silte é menos áspero que areia, mas perceptível ao tato. Entre os siltes grossos e areia fina, a distinção é praticamente impossível, a não ser com auxílio de outros testes. • As argilas, quando misturadas com água e trabalhadas entre os dedos, apresentam uma semelhança com pasta de sabão (escorregadia); quando seca, os grãos finos da argila, proporcionam ao tato, a sensação de farinha. 13 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados • O solo mais arenoso lava-se facilmente, isto é, os grãos de areia limpam-se rapidamente das mãos. • O solo mais siltoso se limpa depois que bastante água correu sobre as mãos, sendo necessária sempre alguma fricção para a limpeza total. • O solo mais argiloso distingue-se pela dificuldade de se desprender da palma da mão, porque os grãos muito finos, impregnam-se na pele, sendo necessário friccionar vigorosamente para a palma da mão se ver livre da pasta. b) Plasticidade: O objetivo é verificar a deformação do solo na presença de água. Misturando-se uma pequena quantidade de solo com água, sabe-se que: • O solo mais argiloso forma um material moldável; • O solo mais siltoso tem dificuldade de ser moldado. • O solo mais arenoso não é possível de sermoldado. c) Resistência do solo seco: O objetivo é verificar a resistência a compressão de um corpo de prova.Molda-se uma pequena esfera de cada tipo de solo e deixa secar ao ar, após um dia faz-se pressão na esfera utilizando o polegar o indicador com o objetivo de romper as amostras, sabe-se que: • O solo mais argiloso é difícil de romper com a compressão dos dedos; • O solo mais siltoso é fácil de romper com a compressão dos dedos; • O solo mais arenoso é difícil moldar a esfera. d) Mobilidade de água intersticial: O objetivo é verificar o comportamentodo solo em meio aquoso. Mistura-se uma parte da amostra com água e pressiona-a na palma da mão, os resultados podem ser: • O solo mais argiloso tem maior saída de água e brilho; • O solo mais siltoso tem pouca saída de água e brilho. • O solo mais arenoso, praticamente, não há saída de água e brilho. e) Dispersão em água: O objetivo é verificar a velocidade das partículas do solo em meio aquoso. Enche-se um béquer com água e solta parte da amostra na água, os resultados possíveis são: • O solo mais argiloso tem maior velocidade de queda; • O solo mais siltoso tem velocidade moderada de queda. • O solo mais arenoso tem velocidade lenta de queda. 14 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 3.2 Exemplo A sensação ao tato será exemplificada pela Figura 1. Inicialmente, prepara-se uma pasta (solo e água) e uma porção da amostra é colocada na palma de uma das mãos, o solo é esfregado na palma e, em seguida, lava-se a mão, colocando - a embaixo de uma torneira aberta com uma vazão moderada, retirando o solo da mão, temos três possibilidades: - Com a remoção completa identifico o solo arenoso; -Se ainda impregnado na mão, uma pequena quantidade, o solo é siltoso; -Se demora muito tempo para remoção por lavagem e necessita de fricção é solo argiloso. Figura 1- Demonstração sensação ao tato. Solo argiloso Fonte: Autor (2017). A Plasticidade será exemplificada pela Figura 2. Inicialmente, mistura-se uma pequena quantidade de solo com água formando uma pasta, em seguida, começar a moldar a pasta com as mãos, assim temos três possibilidades: - Se a pasta consegue ser moldada à forma que nós queremos o solo é argiloso: -Se a pasta mostra fissuras e dificuldades ao ser moldado o solo é siltoso; -Se a pasta não consegue ser moldado o solo é arenoso. Solo siltoso Solo arenoso 15 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Figura 2- Demonstração da plasticidade. Solo arenoso solo siltoso solo argiloso Fonte: Autor (2017). A Figura 3 exemplifica a Resistência do solo seco. Inicialmente, mistura-se uma pequena quantidade de solo com água formando uma pasta, em seguida, começar a moldar a pasta a uma pequena esfera de cada tipo de solo, depois deixa-se secar ao ar por um dia, após um dia faz-se pressão na esfera utilizando o polegar o indicador até romper as amostras, assim temos três possibilidades: - Se a esfera de solo é difícil de romper o solo é argiloso: -Se a esfera do solo é fácil de romper o solo é siltoso; -Se não consegue formar a esfera o solo é arenoso. Figura 3-Demonstração da resistência do solo seco. Solo argiloso Solo siltoso Solo arenoso Fonte: Autor (2017). 16 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados A Mobilidade de água intersticial será exemplificada pela Figura 4. Inicialmente, mistura-se uma pequena quantidade de solo com água, em seguida, colocar na mão a mistura e pressiona-a na palma da mão, observa-se a saída da água e o brilho do solo, assim temos três possibilidades: - Se ao pressionar a mistura tem maior saída de água e brilho o solo é arenoso; -Se ao pressionar a mistura tem pouca saída de água e brilho o solo é siltoso; -Se ao pressionar a mistura não tem saída de água e brilho o solo é argiloso. Figura 4-Demonstração damobilidade de agua intersticial. Solo arenoso Solo siltoso Solo argiloso Fonte: Autor (2017). A Dispersão em água será exemplificada pela Figura 5. Inicialmente, enche-se um béquer com água, em seguida soltar uma pequena quantidade de solo e observa-se a queda das partículas, assim temos três possibilidades: - Se aqueda das partículas do solo tem maior velocidade o solo é argiloso: -Se aqueda das partículas do solo tem moderada velocidade o solo é siltoso; -Se a queda das partículas do solo tem lenta velocidade o solo é arenoso. A Figura 6 mostra a caída das partículas na água de acordo a seu tamanho, o bequer tem um solo com maior tamanho e a caída foi muito rápido, pelo contrário a proveta tem um solo com partículas muito pequenas o que a queda é um pouco lenta 17 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Figura 5 - Demonstração da dispersão em água. Solo argiloso Solo siltoso Solo arenoso Fonte: Autor (2017). Figura 6 - Demonstração da dispersão em água em um béquer e uma proveta. Fonte: Autor (2017). 18 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE ANÁLISE TÁTIL - VISUAL Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ Preencher os dados referentes ao experimento. - Observações a olho nu: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ - Sensação ao tacto: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ - Plasticidade: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 19 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados - Resistência do solo seco: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ - Mobilidade de água intersticial: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________- Dispersão em água: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ Conclusão / Observação: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 20 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 4 GRANULOMETRIA POR SEDIMENTAÇÃO 4.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Determinar a granulometria do solo e tipo da fração fina das partículas Norma Técnica: NBR - 7181 Equipamentos: Proveta de 1000 ml Dispersor de amostra elétrico Defloculante (hexametafosfato) Densímetro Termômetro Cronômetro Espátula de alumínio Estufa Convencional Balança Procedimento: • Pesar a parte da amostra que passa pela peneira n°10 (2,0 mm), que será a fração utilizada neste ensaio. Na verdade, este ensaio só consegue detectar diâmetros menores que 0,15 mm (peneira n°100). • Depois de pesada, a amostra é saturada em uma mistura de água e defloculante (substância que tem a propriedade de separar as partículas do solo, uma vez que os grãos de menores dimensões tendem a se aglutinarem entre si). • Homogeneizar essa mistura em um dispersor durante 5 minutos (Figura 3). • Transferir a suspensão (dispersão) para uma proveta de 1.000ml, agitar bem durante 1 minuto para manter a mistura homogênea e deixar a proveta em repouso numa bancada, para que haja sedimentação da mistura. • Fazer leituras de densidade da suspensão, com o auxílio do densímetro. Essas leituras são feitas em intervalos de tempo pré-determinados (15 seg, 30 seg, 1min, 2 min, 4 min, 8 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h, 8 h, 16 h, e até a leitura correspondente a 24 horas, quando se finaliza o ensaio). • As primeiras leituras (até 4 min.) são feitas duas vezes: após a 1a vez, agitar a proveta novamente e reiniciar as leituras até o final do ensaio. Nas leituras até 4 min, o densímetro fica dentro da suspensão; após isso deve-se retirá-lo para evitar interferência com as quedas das partículas em queda. Durante todo o ensaio, a proveta deve ser colocada em um banho de água, com temperatura constante. 21 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados • Através dessas leituras de densidade da suspensão ao longo do tempo, é possível a obtenção da curva granulométrica da fração fina do solo (diâmetro dos grãos menor que 0,150 mm). Figura 7-Equipamentos para granulometria por sedimentação. Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) Figura 8-Experimento de Granulometria por Sedimentação. Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) Importante: no ensaio granulometria por peneiramento, são utilizadas as peneiras de # 40 (2,0 mm) até a peneira #200 (0,074 mm). O material utilizado para o ensaio de sedimentação é aquele que passa pela # 200, fica retido na bandeja. 22 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 4.1.1 Fórmulas Para t ≠ 0, o cálculo do diâmetro da partícula, tem-se: v = 𝛾𝑠 − 𝛾𝑤 18. 𝜇 . 𝐷2 Isolando D, temos: 𝐷 = √ 18. µ 𝛾𝑠 − 𝛾𝑤 . 𝐿 𝑡 Dasfórmulas, temos: v = L / t = velocidade limite; L = altura de queda; t = tempo; s = peso específica do solo; w = peso específico da água; = viscosidade da água. Tabela 3-Viscosidade da água (valores em milipoise) °C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 13,10 12,74 12,39 12,06 11,75 11,45 11,16 10,88 10,60 10,34 20 10,09 9,84 9,61 9,38 9,16 8,95 8,75 8,55 8,36 8,18 30 8,00 7,83 7,67 7,51 7,36 7,21 7,06 6,92 6,79 6,66 Fonte: Massad, (2002). 23 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Tabela 4-Variaçãodo peso específico da água em função da temperatura Temperatura °C Peso especifico g/cm3 Temperatura °C Peso especifico g/cm3 10 0,9997 25 0,9971 15 0,9991 26 0,9968 18 0,9986 27 0,9965 19 0,9984 28 0,9963 20 0,9982 29 0,9960 21 0,9980 30 0,9957 22 0,9978 35 0,9941 23 0,9976 40 0,9922 24 0,9973 45 0,9902 Fonte: Massad, (2002). Para t= 0, o cálculo da densidade em qualquer ponto da suspensão (i), utiliza-se a seguinte fórmula: 𝛾𝑖 = ( 𝛾𝑠 − 1 𝛾𝑠 ) . ( 𝑃𝑠 𝑉 ) + 𝛾𝑤 Ps = peso seco do solo; s = peso específica do solo; w = peso específico da água; V = volume de suspensão água e solo. Para t ≠ 0, o cálculo da densidade da suspensão no elemento,tem-se: 𝛾 = ( 𝛾𝑠 − 1 𝛾𝑠 ) . ( 𝑃𝑆 𝐷 𝑉𝑒 ) + 𝛾𝑤 Portanto, observando as equações acima, pode-se concluir que: 𝑄. ( 𝑃𝑠 𝑉 ) = ( 𝑃𝑆 𝐷 𝑉𝑒 ) Onde: 𝑃𝑆 𝐷 =Peso das partículas com diâmetro menor ou igual a D; Ve = Volume após certo tempo. Para o cálculo da porcentagem, utiliza-se a seguinte fórmula: 24 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 𝑄 = ( 𝛾𝑠 − 1 𝛾𝑠 ) . ( 𝑉 𝑃𝑠 ) . (𝛾 − 𝛾𝑤) Onde: = densidade em qualquer ponto da suspensão (t ≠ 0); Ps = peso seco do solo; s = peso específica do solo; w = peso específico da água; V = volume de suspensão água e solo. Os valores Q e D fornecem um ponto da curva granulométrica. 25 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE GRANULOMETRIA POR SEDIMENTAÇÃO Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ Preencher os dados referentes ao experimento. Tempo Leituras Temp. (ºC) % Passa φ dos Grãos 15 seg 30 seg 1 min 2 min 4 min 8 min 15min 30min 1h 2h 4h 8h 24h Conclusão / Observação: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 26 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 5 GRANULOMETRIA POR PENEIRAMENTO 5.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo:Obtenção da curva característica do solo, ou seja, a distribuição dos diversos tamanhos ou diâmetros dos grãos do solo em porcentuais acumulado. Norma: NBR - 7181 Equipamentos: Jogo de Peneiras n° 10, 16, 30, 50, 100, 200, e prato. Conjunto para vibração das peneiras Balança Escova para limpeza de peneira Procedimento: • Retirar e lavar o material proveniente do ensaio de sedimentação (diâmetro menor que 2,0 mm), na peneira n° 200 (0,074 mm). • Secar em estufa convencional e pesar toda a amostra • Passar esse material nas peneiras de 1,20; 0,60; 0,42; 0,30; 0,15; e 0,074 mm de abertura de malha, vibrando-se o conjunto de peneiras durante 10 minutos em equipamento especial de vibração. • O material coletado em cada peneira é pesado separadamente. Desta forma pode-se obter o peso de solo acumulado até cada peneira, ou seja, o peso da fração da amostra cujo diâmetro dos grãos é maior que uma determinada dimensão (representada pela abertura da malha quadrada da peneira). Assim tem-se a porcentagem em peso seco de grãos do solo com diâmetros maiores que a abertura da peneira (porcentagem retida). Analogamente, para cada peneira tem-se a porcentagem em peso seco de grãos com diâmetro menor que a abertura da peneira (porcentagem que passa). 27 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Figura 9-Analise granulométrico por peneiramento de solos. Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) Figura 10 - Curva modelo da granulometria (sedimentação e peneiramento) Fonte: PINTO, (2006). 28 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 5.1.1 Fórmulas Para o cálculo da porcentagem de material retidoem cada peneira, utiliza-se a seguinte fórmula: 𝑄𝑅 = ( 𝑃2 − 𝑃1 𝑃𝑆 ) . 100 𝑄𝑅 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑅 # 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 + 𝑄𝑅 # 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑄𝑃 = 100 − 𝑄𝑅 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 P1 = Peso da peneira (tara); P2 = Peso da peneira e solo retido; Ps = peso total da amostra seca; P3 = Peso do solo retido (sem a peneira); QR = percentual retido em cada peneira; QRanterior = percentual retido acumulado da peneira anterior; QRcalculada = percentual retido da peneira calculada. 29 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 5.2 Exemplo A Tabela 5, determina os cálculos do ensaio de Granulometria por Peneiramento. Tabela 5 - Dados coletados durante o teste de Granulometria por Peneiramento. Peneiras Diâmetro (mm) P1 (g) P2 (g) P3 (g) QR (%) QR acumulado (%) QP (%) 10 2,4 488,69 785,75 297,06 29,69 29,69 70,31 16 1,2 421,85 570,05 148,2 14,8 44,49 55,51 30 0,60 403,54 520,23 116,69 11,69 56,18 43,82 50 0,30 370,69 460,92 90,23 9,02 65,2 34,8 100 0,15 355,62 440,57 84,95 8,46 73,66 26,34 200 0,074 378,77 613,55 234,78 23,46 97,12 2,88 Prato 381,02 409,9 28,88 2,88 100 0 TOTAL 1000,79 100 - - Fonte: Autor (2017). Após os cálculos, elabora-se a curva granulométrica da amostra peneirada. 30 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE GRANULOMETRIA POR PENEIRAMENTO Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ Preencher os dados referentes ao experimento. Peneiras Diâmetro (mm) P1 (g) P2 (g) P3 (g) QR (%) QR acumulado (%) QP (%) 10 2,4 16 1,2 30 0,6 50 0,30 100 0,15 200 0,074 Prato TOTAL - - Após o cálculo dos percentuais passantes, traçar a curva no gráfico da página seguinte: 31 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Conclusão / Observação: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 32 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 6 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) 6.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Determinar o teor de umidade que está entre os limites dos estados líquidos e plásticos do solo. Norma: NBR - 6459 Equipamentos: Aparelho de Casagrande Cinzel chato ou curvo padronizado Espátula alumínio Recipiente de porcelana Bisnaga de borracha Balança Peneira n° 40 Pinça tipo tesoura Cápsula pequena de alumínio Estufa convencional Procedimento: • Secar ao ar livre cerca de 1,5 Kg de solo. • Abandonar a fração retida na peneira n° 10 (2,0 mm ), que corresponde a areia grossa e pedregulho. • Destorroar o restante, utilizando o almofariz e a mão de gral, numa determinada quantidade que, após passar na peneira n° 40 (0,42 mm), resulte numa massa de cerca de 200g. Ou seja, a parte da amostra de solo efetivamente utilizada no ensaio corresponde às frações argila, silte e areia fina. • Separar então cerca de 150g para o ensaio (o restante, 50g, será utilizado na determinação do limite de plasticidade). • Para a determinação do limite de liquidez, tem-se a seguinte sequência: • Colocar a 150g da amostra na cápsula de porcelana. • Adicionar pequena quantidade de água vagarosamente, com a bisnaga de borracha, procurando-se homogeneíza pasta com a espátula. • Transferir uma porção dessa pasta para a concha do aparelho de Casagrande, utilizando- se a espátula. 33 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados • Arrasar a superfície da pasta dentro da concha, de forma que na parte central sua espessura seja de aproximadamente 1 cm. • Dividir a pasta ao meio, com cinzel apropriado e padronizado (chato para solos muito plástico e curvo para solos pouco plásticos), de forma que seja aberto um sulco trapezoidal (2,0 mm na parte inferior) e normal à articulação da concha. • Golpear a concha contra a base do aparelho (normalmente de ebonite), girando a manivela na frequência de 2 volta por minuto. • Cessar o movimento da manivela quando as bordas inferiores do sulco se unirem em cerca de 1 cm de comprimento. • Anotar o número de golpes 9 (N) ocorridos. • Retirar uma porção do solo (pasta) em local próximo à união do sulco, para secagem em estufa e posterior determinação do teor de umidade (w). • Repor o restante da pasta da concha na cápsula de porcelana e limpar cuidadosamente a concha do aparelho de Casagrande. • Adicionar um pouco mais de água na pasta contida na cápsula, homogeneizando-a com espátula. • Repetir todo o procedimento descrito por mais 4 vezes, de modo que sejam obtidos 5 pares de valores (w e N). De vê-se observar que o número de golpes obtidos deve estar entre 50(1° par) e 15 (5° par). Figura 11-Instrumentação para determinar o limite de liquidez Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) 34 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Figura 12-Análise de limite de liquidez. Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) 6.1.1 Fórmulas Do procedimento, temos: P1 = peso do solo úmido + peso da cápsula; P2 = peso do solo seco + peso da cápsula; P3 =peso da cápsula; Da fórmula de cálculo da umidade, temos: w = umidade; Pw = peso da água; Ps = peso seco do solo. 𝑤 = 𝑃𝑤 𝑃𝑠 = 𝑃1 − 𝑃2 𝑃2 − 𝑃3 ∗ 100 35 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 6.2 Exemplo Os quadros abaixo exemplificam os passos do cálculo: Tabela 6-Dados coletados durante o teste de Limite de Liquidez. Ensaio N (golpes) No da cápsula P3 (g) P1 (g) P2 (g) w (%) 1 46 05 8,05 16,1 13,60 45,04 2 30 23 7,17 17,50 14,1 47,88 3 15 42 7,28 16,58 13,38 52,45 4 12 58 7,1 14,70 11,90 58,33 5 9 70 8,1 14,53 12,1 60,75 Fonte: Autor (2017) O limite de liquidez do solo será de umidade correspondente a 25 golpes, obtido com base na reta ajustada. O resultado final deve ser expresso como um número inteiro. LL= 51,3 % 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Limite de Liquidez Número de golpes Umidade 36 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ Preencher os dados referentes ao experimento. Ensaio N (golpes) No da cápsula P3 (g) P1 (g) P2 (g) w (%) 1 2 3 4 5 Qual o limite de liquidez do solo? (w para 25 golpes). Apresente o gráfico. Conclusão: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 37 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 7 LIMITE DE PLASTICIDADE (LP) 7.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Determinar o teor de umidade que se situa no limite entre os estados plásticos e semi-sólidos. Norma: NBR - 7181 Equipamentos: Placa de vidro esmerilhado Gabarito cilíndrico com diâmetro se 3,0 mm Bisnaga de Borracha Cápsula de porcelana de 500 ml Estufa convencional Cápsula pequena de alumínio Balança Espátula de alumínio Peneira n°40 Pinça tipo tesoura Procedimento: • Colocar a amostra (50 g) na cápsula de porcelana (Figura 7). • Adicionar pequena quantidade de água vagarosamente, com a seringa de borracha, procurando-se homogeneizar a pasta com a espátula. • Observa-se que a pasta deve conter uma quantidade de água semelhante àquela do início do ensaio de determinação do limite de liquidez (umidade correspondente a cerca de 50 golpes). • Retirar a pasta da cápsula e espalhá-la, com o auxílio da espátula, sobre um dos cantos da placa de vidro esmerilhado. • Golpear a pasta com lâmina da espátula deitada várias vezes, até que a pasta do solo tenha cerca de 5,0 mm de espessura. • Aparar as arestas da parta achatada, de forma que tenham 6 x 8 de dimensões horizontais. • Cortar uma fatia de 5,0 mm de largura ao longo da menor dimensão. • Rolar essa fatia, com as pontas dos dedos, sobre a placa de vidro. No início, rolar lentamente até adquirir uma formação cilíndrica (bastonete) e a seguir mais rapidamente. • Prosseguir com essa operação até que o bastonete atinja um diâmetro de 3,00 mm (utilizar o gabarito cilíndrico). • Se nessa etapa o bastonete apresentar pequenas trincas ou rachaduras, retirar uma porção dele para determinação do teor de umidade, através de secagem em estufa. 38 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados • Se o bastonete atingir 3,0 mm de diâmetro sem apresentar trincas, misturá-lo com a pasta restante, homogeneizá-la e repetir as operações anteriores até que o bastonete trinque ao atingir 3,0 mm de diâmetro. Ou seja, o teor de umidade estava elevado e com a repetição das operações a umidade do solo vai diminuindo. • Se o bastonete apresentar trincas com diâmetro maior que 3,0 mm. O teor de umidade está muito baixo: acrescentar água à pasta e reiniciar a sequência do ensaio. • O teor de umidade correspondente ao aparecimento de trincas quando o bastonete atinge 3,0 mm de diâmetro é o limite de plasticidade do solo (LP). Devem ser realizadas 3 determinações e o LP corresponderá ao valor médio entre elas. Figura 13-Procedimento para ensaio do limite de Plasticidade. Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) 39 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 7.1.1 Fórmulas Do procedimento, temos: P1 = peso do solo úmido + peso da cápsula; P2 = peso do solo seco + peso da cápsula; P3 =peso da cápsula; Da fórmula de cálculo da umidade, temos: w = umidade; Pw = peso da água; Ps = peso seco do solo. 𝑤 = 𝑃𝑤 𝑃𝑠 = 𝑃1 − 𝑃2 𝑃2 − 𝑃3 ∗ 100 Cálculo do limite de plasticidade 𝐿𝑃 = ∑ 𝑤𝑖 𝑖 onde: LP = limite de plasticidade ∑ 𝑤𝑖 = somatório das umidades obtidas i = número de amostras Após o cálculo deverão ser descartados os valores que não atendem o seguinte pré-requisito: LP ± (5% x LP) 7.2 Exemplo Tabela 7-Dados coletados durante o teste de Limite de Plasticidade. Ensaio No da cápsula P3 (g) P1 (g) P2 (g) w (%) 1 05 7,01 10,23 9,56 26, 27 2 08 6,90 10,39 9,64 27,37 3 17 7,25 10,00 9,39 28,50 4 45 7,00 10,90 10,10 25,80 5 22 6,81 10,6 9,90 22,63 Fonte: Autor (2017) 40 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Para o cálculo do Limite de Plasticidade (LP), faz-se a média: 𝐿𝑃 = 26,27 + 27,37 + 28,50 + 25,80 + 22,63 5 = 26,11% Após a média calculada, é feita a verificação dos valores: LP + 5% x LP = 26,11 x 1,05 = 27,4% LP - 5% x LP = 26,11 x 0,95 = 24,8%As umidades devem estar entre 26,7 e 29,5%. Neste exemplo, as medidas das cápsulas 17 e 22 não se enquadram nessa faixa. Portanto é necessário, recalcular o limite de plasticidade, 𝐿𝑃 = 26,27 + 27,37 + 25,80 3 = 26,48% LP26,5 % Observações: A norma prescreve que pelo menos três valores de umidade sejam utilizados no cálculo do valor final do LP. 41 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE LIMITE DE PLASTICIDADE (LP) Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ ______________________________________________RA:______________________ Preencher os dados referentes ao experimento. Ensaio N (golpes) No da cápsula P3 (g) P1 (g) P2 (g) w (%) 1 2 3 4 5 Média das umidades (%) Após a média calculada, é feita a verificação dos valores: LP + 5% x LP = _____ x 1,05 = _____% LP - 5% x LP = _____ x 0,95 = _____% OBS: Os valores acima ou abaixo dos valores calculados na verificação devem ser descartados e nova média deverá ser calculada. Para isto, são necessários no mínimo 3 resultados. Caso contrário, refazer o ensaio. LP = _______________ Conclusão / Observação: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 42 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 8 DETERMINAÇÃO DO PESO ESPECÍFICO DOS GRÃOS (γs) 8.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Determinar o peso específico dos grãos Norma Técnica: MB -28 NBR 6508 Equipamentos: Balança com precisão de 0,01g Picnômetro Bomba de vácuo Termômetro Dispersor de amostra elétrico Recipiente de alumínio Estufa elétrica Procedimento: • Colocar a amostra de solo seco (Ps) num recipiente de alumínio e deixar repousar durante 24 horas para completa saturação do solo em uma solução de água e defloculante (hexametafosfato de sódio) (Figura 1). • Colocar o conteúdo do recipiente de alumínio no dispersor e deixar agitar por 10 minutos. Em seguida colocar a amostra dentro do picnômetro com o auxílio de água deaerada(sem ar), sem preencher totalmente o recipiente (até aproximadamente o início do gargalo). • Aplicar a bomba de vácuo ao picnômetro, durante 15 minutos, para retirar o ar ainda contido na amostra, (durante este processo pode-se observar saída de bolhas de ar). Não se deve preencher totalmente o picnômetro com água, pois a bomba de vácuo poderá succionar parte da amostra de solo (Figura 2). • Após a retirada da bomba de vácuo, completar o picnômetro com água deaerada até a linha de controle existente próximo ao término do gargalo. • Pesar o conjunto picnômetro+ água + amostra (P2). • Determinar a temperatura da água no picnômetro e, através da curva de calibração do mesmo, obter o peso do picnômetro totalmente preenchido só com água a esta temperatura (P1). • Retirar a amostra mais água do picnômetro, colocando-a num recipiente cilíndrico metálico, e a seguir em estufa para secagem por 24 horas, ou seja, para determinação do peso da amostra seca (Ps). 43 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Figura 14-Roteiro do experimento. Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) Figura 15-Deaeração do picnômetro Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) 44 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 8.1.1 Fórmula Do procedimento, temos: P1 = peso do picnometro + água P2 = peso do picnometro + água + solo Ps =peso do solo seco Da fórmula de cálculo da densidade dos grãos, temos: s = peso específico dos grãos (g/cm3) Ps = peso seco do solo Vs = volume do solo s = peso específico da água (g/cm3) 𝛾𝑠 = 𝑃𝑠 𝑉𝑠 = 𝑃𝑠 (𝑃1 − 𝑃2 + 𝑃𝑠) . 𝛾𝑊 O valor da densidade real deverá ser referido à água à temperatura de 20ºC, calculado do valor referido à água à temperatura (t), como segue: D20 = k20 x Dt onde: D20 é a densidade rela do solo a 20ºC; K20 é a razão entre a densidade relativa da água à temperatura (t) e a densidade relativa da água a 20C, obtida na tabela a seguir; t é a densidade real do solo à temperatura (t). A tabela 5 apresenta a razão entre a densidade relativa da água à temperatura (t) e a densidade relativa da água a 20ºC. 45 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Tabela 8- Razão entre a densidade relativa da água à temperatura (t) e a densidade relativa da água a 20ºC. Temperaturas t (ºC) Densidade relativa da água Fator de correção k20 Temperaturas t em ºC Densidade relativa da água Fator de correção k20 4 1,0000 1,0018 19 0,9984 1,0002 5 1,0000 1,0018 20 0,9982 1,0000 6 0,9999 1,0017 12 0,9980 0,9998 7 0,9999 1,0017 22 0,9978 0,9996 8 0,9999 1,0017 23 0,9976 0,9993 9 0,9998 1,0016 24 0,9973 0,9991 10 0,9997 1,0015 25 0,9971 0,9989 11 0,9996 1,0014 26 0,9968 0,9986 12 0,9995 1,0013 27 0,9965 0,9983 13 0,9994 1,0012 28 0,9963 0,9980 14 0,9993 1,0011 29 0,9960 0,9977 15 0,9991 1,0009 30 0,9957 0,9974 16 0,9990 1,0008 31 0,9954 0,9972 17 0,9998 1,0006 32 0,9951 0,9969 18 0,9986 1,0004 33 0,9947 0,9965 Fonte: MT - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem - DNER-ME 093/94 Obs.: Os resultados são considerados satisfatórios quando os mesmos não diferem entre si mais de 0,02g/cm³. O resultado final devrá ter pelo menos 2 determinações, segundo a norma. Valor com 3 algarismos significativos. 46 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 8.2 Exemplo 1) As leituras para a determinação da massa específica dos sólidos para um solo arenoso são apresentadas a seguir. Efetuar os cálculos necessários para determinar a massa específica dos grãos sólidos (s). Dados Unidade Valor Peso da amostra úmida (g) 119,73 Umidade (w) (%) 15 Ps - Peso do Solo Seco (g) 103,98 AMOSTRA 1 2 3 Picnômetro nº 8 8 8 P2 (Pic. + solo + água) (g) 725,22 724,24 723,24 P1 (Pic. + água) (g) 660,14 659,15 657,82 Temperatura (º C) 18 27 34 w a T (ºC) (g/cm³) 0,9989 0,9969 0,9945 s (g/cm³) 2,671 2,666 2,682 Das três determinações pode-se obter o valor médio, pois as determinações não variam mais que 0,02 g/cm³ entre si: 𝛾𝑠 = 2,671 + 2,666 + 2,682 3 = 2,673𝑔/𝑐𝑚³ 2) Uma amostra de solo foi coletada em campo. Verificou-se que as amostras, juntamente com seu recipiente, pesavam 120,45g. Após permanecer em estufa a 105°C, até estabilizar o peso, o conjunto pesava 110,92g. Sendo a massa do recipiente de coleta da amostrade 28,72g, qual a umidade deste solo? Resolução: 𝑚𝐶+𝑆+𝐴 = 120,45𝑔 ∴ 𝑚𝑢 = 120,45 − 28,72 = 91,73𝑔 𝑚𝐶+𝑆 = 110,92𝑔 ∴ 𝑚𝑠 = 110,92− 28,72 = 82,20𝑔 𝑚𝐶 = 28,72𝑔 𝑤 = (𝑚𝑤/ 𝑚𝑠) × 100 = ((𝑚𝑢 – 𝑚𝑠)/ 𝑚𝑠) × 100 47 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 𝑤 = ((91,73 − 82,20) / 82,20) × 100 = 11,59% 3) O teor de umidade de uma amostra é de 25% e o peso inicial da amostra é de 300g. Qual a quantidade de água existente na amostra? Resolução: 𝑤 = 𝑚𝑤/ 𝑚𝑠 × 100 = ((𝑚𝑢 – 𝑚𝑠)/ 𝑚𝑠) × 100 0,25 = ((300 – 𝑚𝑠)/ 𝑚𝑠) ∴ 𝑚𝑠 = 300/ 1,25 = 240g 𝑚𝑤 = 𝑚𝑢 − 𝑚𝑠 = 300 − 240 = 60g. 48 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE DETERMINAÇÃO DO PESO ESPECÍFICO DOS GRÃOS (s) Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ Preencher os dados referentes ao experimento. Determinação do Peso Específico dos Solos Dados / AMOSTRA Unidades 1 2 3 Picnômetro (nº) Peso do picnômetro (g) P1 (Peso do picnômetro+ água (aferido) (g) P2 (Peso do picnômetro+ líquido + solo) (g) Temperatura (ºC) Teor de umidade Dados / AMOSTRA Unidades 1 2 3 Cápsula (nº) Peso bruto úmido (g) Peso bruto seco (g) Tara (g) Peso água (g) Peso do solo seco (g) Umidade (%) Peso Específico dos Grãos Dados / AMOSTRA Unidades 1 2 3 Peso específico dos sólidos (g/cm³) Peso específico dos sólidos (MÉDIA) (g/cm³) Conclusão / Observação: ________________________________________________ 49 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 9 PERMEABILIDADE (CARGA CONSTANTE) 9.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Definir o coeficiente de permeabilidade para solos arenosos. Norma Técnica: NBR 13292 Equipamentos: Permeâmetro de carga constante Sistema de alimentação de água Cronômetro Termômetro Procedimento: • Colocar a amostra de solo dentro do cilindro de lucite do permeâmetro, impermeabilidade a lateral da amostra com parafina ou betonita, para impedir escoamento de água entre a parede do permeâmetro e a amostra. • Deixar a amostra em percolação permanente durante 24 horas para completa saturação. • Regular a vazão do sistema alimentador de forma que ela fique constante. • Zerar o cronômetro e medir o intervalo de tempo para que a água que percola pela amostra seja coletada em um recipiente graduado (por exemplo: para completar 200 cm³ de volume). • Repetir a operação anterior mais duas vezes. • Medir a altura e a seção transversal da amostra. Figura 16- Procedimento da experiência. Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) 50 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 9.1.1 Fórmula Q = k.i.A Q = V / t i = H / L k = Q / (i . A) k = (V.L) / (t. H. A) Da fórmula de cálculo da permeabilidade (carga constante), temos: k = Permeabilidade do solo ∆t = Intervalo de tempo ∆V = Volume de água percolado pelo solo no intervalo de tempo ∆H = Perda de carga estabelecida no ensaio L = Altura da amostra de solo A = Área da seção transversal da amostra do solo 9.2 Exemplo Em um permeâmetro de nível constante, 6x10−5m³ de água percola através de uma amostra cilíndrica de 0,13m de altura e 0,07m de diâmetro, durante um período de 1,5 minutos, com um nível efetivo de 0,30m. Qual é o coeficiente de permeabilidade da amostra, em cm/s, na temperatura do ensaio? Resolução: L = 13 cm = 0,13m = 0,07m h = 0,3m V = 6x10−5m³ = 60cm³ Dt = 1,5min = 90s 𝑄 = 𝑉 ∆𝑡 = 60/90 = 2/3 𝑖 = ℎ 𝐿 = 0,30/0,13 = 2,3 𝐴 = 𝜋𝑟² = 𝜋𝑥0,035² = 3,848x10−3 = 38,48cm² 𝑄 = 𝐾. 𝑖. 𝐴 𝑘 = 𝑄 𝑖.𝐴 = 𝑘 = ( 2 3 ) 2,3𝑥38,4 = 7,6cm/s 51 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE DETERMINAÇÃO DA PERMEABILIDADE - CARGA CONTANTE (k) Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ Preencher os dados referentes ao experimento. Dados / Amostra Unidade 1 2 3 Ø (cm) ∆H (cm) L (cm) A (cm²) ∆V (cm3) ∆t (s) Média ∆t = (s) k (cm/s) = Conclusão / Observação: _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 52 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 10 PERMEABILIDADE (CARGA VARIÁVEL) 10.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo : Determinar o volume de água percolado no tempo em centímetro cúbico. Norma Técnica: NBR 14545 Equipamento: Permeâmetro de carga variável com tubo graduado Sistema de alimentação de água Cronômetro Bentonita Areia (Filtro de percolação) Procedimento: • Colocar a amostra de solo dentro do cilindro de lucite do permeâmetro, impermeabilidade a lateral da amostra com parafina ou bentonita, para impedir escoamento de água entre a parede do permeâmetro e a amostra. • Medir a altura e a seção transversal da amostra. • Zerar o cronômetro e anotar a leitura inicial, em seguida começar a medir as leituras de altura com tempo, em que a água que percola pelo tubo graduado, e anotado os tempos correspondentes (h1 e h2). Figura 17 - Procedimento do experimento Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) 53 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 10.1.1 Fórmula 𝑘 = 2,3 . 𝐿. 𝑎 ∆𝑡. 𝐴 . 𝑙𝑜𝑔 ℎ1 ℎ2 Da fórmula de cálculo da permeabilidade (carga variável), temos: k = Permeabilidade do solo Dt = Intervalo de tempo h1 = altura inicial h2 = altura final L = comprimento da amostra de solo A = Área da seção transversal da amostra do solo a = área da seção transversal da bureta Correção para a temperatura de 20º C, pela fórmula: k20 = k. ( / 20) k20 = permeabilidade na temperatura de 20ºC k = permeabilidade obtida no ensaio à temperatura “t” = viscosidade da água à temperatura “t” 20 = viscosidade da água à temperatura de 20º C 54 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 10.2 ExemploRealizou-se um ensaio de permeabilidade numa amostra de areia em que obtiveram os seguintes resultados: Dados Valores Altura d'água inicial (h1) 160 cm Altura d'água final (h2) 60 cm Tempo decorrido (t) 2 min Área da seção transversal do tubo de carga (a) 2cm² Área da seção transversal do corpo de prova (A) 60 cm² Altura do corpo de prova (L) 10 cm Resolução: 𝑘 = 2,3 . 𝐿. 𝑎 ∆𝑡. 𝐴 . 𝑙𝑜𝑔 ℎ1 ℎ2 𝑘 = 2,3 .10.2 60.120 . 𝑙𝑜𝑔 160 60 = 2,72. 10−3 𝑐𝑚/𝑠 55 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados ENSAIO DE DETERMINAÇÃO DA PERMEABILIDADE - CARGA VARIÁVEL (k) Professor: ____________________________________ Data:______________ Turma: 1ª ( ) 2ª ( ) Turno: Matutino ( ) Noturno ( ) Dia: 2f ( ) 3f ( ) 4f ( ) 5f ( ) 6f ( ) Alunos: ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ ______________________________________________________RA:_______________ Preencher os dados referentes ao experimento. Dado Unidade Valor A (cm2) a (cm2) h1 (cm) h2 (cm L (cm) t1 (s) t2 (s) t3 (s) tmédio (s) k (cm/s) Temperatura (o C) k20 (cm/s) Conclusão / Observação: _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 56 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 11 LIQUEFAÇÃO DA AREIA (AREIA MOVEDIÇA) 11.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo: Demonstrar na prática a ocorrência de liquefação em uma amostra de areia. Equipamento: Consiste basicamente numa grande caixa com paredes transparentes (lucite) e com um sistema de alimentação de água que a faz percolar de baixo para cima. Procedimento: • No início provoca-se percolação no sentido descendente (pode haver alimentação de água pelo topo da amostra). Pode-se observar a indicação dos piezômetros (Recordar as definições das cargas total, altimétrica e piezométrica). • A vazão é aumentada, ou seja, o gradiente hidráulico é crescente, não ocorrendo qualquer problema com a areia. Prestar atenção na variação das leituras (colunas) dos piezômetros, à medida que a vazão é aumentada. • A seguir é invertida a alimentação de água, provocando-se percolação no sentido ascendente pela amostra. Novamente a vazão é aumentada (prestar atenção nas leituras dos piezômetros). • A vazão é aumentada continuamente, até que se perceba que os grãos da areia tendem a se movimentar, sem contato entre si. Ou seja, está ocorrendo liquefação da areia (pressão efetiva nula). Para que isto seja melhor percebido, pede-se crava um pequeno bastão de ferro no topo da areia, penetrando-o alguns centímetros, no início do ensaio. Quando a areia estiver em liquefação, o bastão afunda, pois, a areia não tem resistência alguma nessa situação (σ=o). Figura 18 - Procedimento do experimento Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) 57 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 12 COMPACTAÇÃO DOS SOLOS 12.1 Dados gerais e procedimento de ensaio Objetivo:Aumentar a resistência ao cisalhamento, diminuir futuros recalques e determinar a permeabilidade. Com esse ensaio obtemos peso especifico seco máximo e a umidade ótima. Norma Técnica: NBR 7182 Acesso na biblioteca: https://www.gedweb.com.br/aplicacao/usuario/asp/resultado_avancado.asp Equipamento: Bandeja metálica Recipiente com água Peneira nº04 Escova metálica Proctor (soquete, molde, entre outros) Figura 19 - Equipamento da experiência Fonte: Apostila de laboratório de mecânica dos solos (versão anterior) 58 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados Procedimento: • Separar uma amostra de solo com massa de cerca de 12,5kg (ensaio sem reuso). Secar ao ar somente se a umidade natural for maior que a umidade ótima (neste caso secar cerca de 5,0 kg). • Passar pela peneira n° 04 (4,8 mm) cerca de 2,5 kg de solo e utilizar o material nela retido. • Misturar o material que passou pela peneira n° 04 com água, até que se obtenha um teor de umidade que permita a compactação. • Dividir a amostra em porções iguais ao número de camadas previsto para o ensaio (no caso3). • Transferir uma dessas porções para o cilindro metálico (já com colar removível) e compactá- la com número de golpes requerido (no caso, 25 golpes com o soquete pequeno). • Em seguida, repetir este procedimento para a 2ª e 3ª porções da amostra, preenchendo desta forma o cilindro. • Retirar cuidadosamente o colar removível e, com o auxílio da régua metálica biselada, nivelar a superfície da amostra no topo do cilindro. • Pesar o conjunto (molde cilíndrico + solo compactado). O peso do cilindro (tara) é previamente conhecido tabelado • Retirar o solo do cilindro, com o extrator de amostra, e separar 2 pequenas amostras para secagem em estufa e posterior determinação do teor de umidade. O restante do solo já compactado não deverá mais ser utilizado no ensaio. • Todo o procedimento até aqui descrito refere-se a um ponto da curva de compactação. É necessária a obtenção de 5 pontos da curva (3 do lado seco e 2 do lado úmido). Portanto deve-se repetir todo o procedimento mais 4 vezes, sempre utilizando amostra de solo ainda não compactadas anteriormente. • Plotar em um gráfico com os teores de umidade (h) em abcissas e os pesos específicos secos (y s) em ordenadas. O ponto máximo da parábola resultante fornecerá a umidade ótima (hot) e o peso específico seco máximo (ys máx.). • Conforme comentado, o procedimento em questão destina-se ao ensaio de compactação com energia normal. Existem outras combinações para o ensaio com energia modificada, onde o procedimento é análogo, a menos do número de camadas, número de golpes por camada, peso e altura de queda do soquete e volume do molde cilíndrico. 59 Material Didático Registrado Direitos autorais reservados 12.1.1 Fórmulas 𝑒 = ( 𝛾𝑠 𝛾𝑑 ) − 1 𝑆 = ( 𝛾𝑠. 𝑤 𝑒. 𝛾𝑤 ) − 1 𝛾𝑑 = 𝑆. 𝛾𝑠. 𝛾𝑤 𝑆. 𝛾𝑤 + 𝛾𝑠. 𝑤 onde: e = índice de vazios; 𝛾𝑠 = peso específico dos grãos; 𝛾𝑑 = peso aparente seco do solo; 𝛾𝑤 = peso específico da água; S = grau de saturação; w = umidade. 12.2 Exemplo O exemplo apresentado foi extraído do livro do Professor Carlos Souza Pinto da USP, intitulado de Curso Básico de Mecânica dos Solo, páginas 88 a 90 (2006). Com uma amostra de solo argiloso, com areia fina, a ser utilizada num aterro, foi feito o ensaio de Proctor Normal de compactação. Na tabela abaixo estão as massas dos corpos de prova, determinadas nas cinco moldagens de corpo de prova, no cilindro que tinha 992cm³ (a norma recomenda 1dm³). Também estão indicadas as umidades correspondentes a cada moldagem, obtidas por meio de amostras pesadas antes e após a secagem em estufa. A massa específica dos grãos é 2,65 kg/dm³. a) Desenhar a curva de compactação e determinar a densidade máxima