O_estado_do_solo

Prévia do material em texto

Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Índices físicos
 Cálculo dos índices físicos
 O estado das areias
 O estado das argilas
 Caracterização dos solos através de ensaios 
1Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
2
 O solo na natureza apresenta-se composto por elementos das três fases 
físicas, em maior ou menor proporção. As relações entre as diversas fases são 
definidas como índices físicos.
 A determinação dos índices aplica-se na classificação e identificação do solo, 
Três fases:
 Partículas sólidas
 Água
 Ar
 Quarta fase:
 Película contráctil
Figura 1: Volume elementar 
representativo de um solo não saturado
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
3
 Solos tropicais:
 Macroporos x microporos
Figura 3 - Representação dos grãos e modos 
porosos com duas escalas de importância (CALLE, 
2016 - Modificado)
Figura 3 - Microscopias Eletrônicas de Varredura
(QUEIROZ, 2015)
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Três fases
 Partículas sólidas – não variam
 Vazios (ar e água) – variam
 Diversas propriedades dependem do estado em que o solo se encontra 
 Ex.: Quando se diminui os vazios aumenta-se a resistência
 E a compressibilidade? módulo de elasticidade? permeabilidade? 
4
aráguav
svt
VVV
VVV


ságuat PPP e
Figura 2: As fases do solo no estado natural e separada em 
volume
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Três fases
5
Figura 3: Tipos de água no solo (Prof.(a) Simone Cristina de 
Jesus)
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
6
s
w
P
P
w 
s
w
M
M
w 
 Teor de umidade (gravimétrica)
 Definimos teor de umidade de uma amostra de solo como a relação entre a 
massa de água contida em um certo volume de solo e a massa da parte 
sólida. É expresso pela letra w ou h. Também pode ser calculado pela relação 
entre os pesos.
ou 
No campo, os processos mais rápidos utilizam métodos nucleares e o que 
utiliza o aparelho “Speedy”
 A umidade não se distribui uniformemente nos solos, nem em amostras. A 
superfície especifica de partículas pequenas é maior que a das maiores. Em 
uma amostra preparada e homogeneizada, a tendência é que a umidade seja 
maior na fração fina do solo.
 Métodos de determinação: método da estufa, método do speedy, método 
do álcool, “método da frigideira”
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Método da estufa:
 Toma-se uma porção de solo (cerca de 50 g), colocando-a numa cápsula de 
alumínio com tampa. O conjunto; solo úmido mais cápsula, é pesado com 
precisão de 0,01g e, em seguida, a cápsula destampada é levada a uma estufa 
até constância de peso. O tempo de permanência da cápsula varia em função 
do tipo de solo; como ordem de grandeza, os solos arenosos necessitam de 
cerca de 6 horas e os solos argilosos, às vezes, até de 24 horas. Pesa-se o 
conjunto solo seco mais cápsula e, com a tara da cápsula, determinada de 
início, pode-se calcular o teor de umidade por meio da seguinte expressão: 
7Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
cápsula da Massa
seco solo de Massa
úmido solo de Massa 
(%)100






c
ss
su
css
sssu
M
M
M
MM
MM
w
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Método da estufa:
8Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
cápsula da Massa
seco solo de Massa
úmido solo de Massa 
(%)100






c
ss
su
css
sssu
M
M
M
MM
MM
w
Figura 4: Método da estufa
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
9Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
 Método da frigideira:
 Método do álcool:
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 “Speedy”
10Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Figura 5: Speedy
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 “Speedy”
11Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Índice de vazios:
 Relação entre o volume de vazios e o volume das partículas sólidas. É 
expresso pela letra e. Não pode ser determinado diretamente, mas é calculado 
a partir dos outros índices. 
 0,5 ≤ e ≤ 1,5, e > 3,0 para argilas orgânicas 
 Porosidade:
 Relação entre o volume de vazios e o volume total. Indica a mesma coisa 
que o índice de vazios. É expresso pela letra n. 
 30% ≤ n ≤ 70%
12Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
s
v
V
V
e 
T
v
V
V
n 
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Porosidade:
13Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Grau de Saturação:
 Relação entre o volume de água e o volume de vazios. É expresso pela letra 
S ou Sr. Não é determinado diretamente, mas calculado.
 0% (seco) ≤ S ≤ 100% (saturado)
14Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
v
w
V
V
S 
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Peso específico da água
 Embora varie um pouco com a temperatura, adota-se como igual a 10 
kN/m3, a não ser em certos procedimentos de laboratório. É expresso pelo 
símbolo γw.
15Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
³/10 mkNW 
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Peso específico dos sólidos
16Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Peso específico dos sólidos
 Normalmente são feitas de três a quatro determinações, fazendo variar a 
temperatura e acertando o nível de água na marca de referência, com vistas à 
obtenção de um valor médio consistente.
 Embora a determinação seja simples, muitas vezes adota-se um valor 
médio para resolução de problemas, uma vez que a faixa de variação no caso 
de solos é bem pequena. Os valores situam-se em torno de 27 kN/m3. Grãos 
de quartzo (areias) costumam apresentar pesos específicos de 26,5 kN/m3 e 
as argilas lateríticas, em virtude da deposição de sais de ferro, valores até 30 
kN/m3.
17Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Peso específico natural
 Relação entre o peso total do solo e o seu volume total. É expresso pelo 
símbolo γ ou γn. Molda-se um cilindro do solo cujas dimensões conhecidas 
permitem calcular o volume. O peso do solo dividido pelo volume, é o peso 
específico natural.
 19 kN/m3 ≤ γ ≤ 20 kN/m3
18Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
V
P

Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Peso específico aparente seco
 Relação entre o peso dos sólidos e o volume total. Corresponde ao peso 
específico que o solo teria se viesse a ficar seco, se isto pudesse ocorrer sem 
que houvesse variação de volume (S = 0%). É expresso pelo símbolo γd. Não 
é determinado diretamente em laboratório. 
 13 kN/m3 ≤ γd ≤ 19 kN/m3
 5 kN/m3 ≤ γd ≤ 7 kN/m3 (argilas orgânicas moles)
19Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
V
Ps
d 
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Peso específico aparente saturado
 Peso específico do solo se viesse a ficar saturado sem que houvesse 
variação de volume (S= 100%). É expresso pelo símbolo γsat. 
 Peso específicosubmerso
 É o peso específico efetivo do solo quando submerso. Serve para cálculos 
de tensões efetivas. É expresso pelo símbolo γsub. 
20Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
³/10 mkNW
wsatsub




³/20 mkNsat 
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
21
s
v
V
V
e 
s
w
P
P
w 
t
v
V
V
n 
s
s
s
V
P

w
w
w
V
P

t
t
nat
V
P

t
s
d
V
P

v
w
V
V
S 
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
 Os índices físicos (definições)
 Umidade (w):
 Índices de vazios (e): 
 Porosidade (n): 
 Grau de Saturação (S):
 Peso específico dos sólidos (γs):
Peso específico da água (γw):
 Peso específico dos natural (γnat):
Peso específico aparente seco (γd):
 Peso específico aparente saturado (γsat): Peso específico se o solo ficasse 
saturado sem variar de volume
Peso específico aparente submerso (γsub): É igual o peso específico 
saturado menos o da água
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Determinação dos índices físicos em laboratório
 Umidade (w): determinado pelo método da estufa
 Peso específico da água (γw): adotado como 10 kN/m³, varia com a 
temperatura
 Peso específico dos sólidos (γs): determinado experimentalmente (NBR 
6508/84 ou NBR 6458/84), variam entre 26 a 30 kN/m³
 Peso específico dos natural (γnat): pode ser determinado sabendo-se o 
peso total e o volume total do corpo de prova
 Índices de vazios (e), grau de saturação (S), porosidade (n), peso 
específico aparente seco (γd), peso específico aparente saturado (γsat), peso 
específico aparente submerso (γsub): são calculados a partir de outros índices 
físicos
22Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Índices físicos
 Relações
 Utilizadas para calcular os índices que não são determinados diretamente 
 Resultam das definições dos índices físicos
23
e
e
n


1 e
ws



1
)1.(

e
s
d


1


w
n
d


1

 1
d
se


w
s
e
w
S


.
.

Figura 7: As fases do solo em função do volume dos sólidos
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Deduzir todas as relações
e
e ws
sat



1
.

Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Estado das areias
 Compacidade das areias
 O índice de vazios somente fornece pouca informação
 É importante analisar o índice de vazios máximo e mínimo
 emax – colocação cuidadosa com funil
 emin – vibração
24
minmax
max
ee
ee
CR nat



Tabela 2: Classificação das areias segundo a compacidade
Tabela 1: Valores típicos de índice de vazios de areias
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Estado das areias
 Compacidade das areias
 Compacidade (densidade) relativa
25
Figura 8: Estrutura do solo
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Estado das areias
 Compacidade das areias
 Exemplo:
 Areia A: emin=0,6, emax=0,9
 Areia b: emin=0,4, emax=0,7
 Se as duas areias estiverem com e=0,65, qual será a compacidade das 
areias?
 R.: A areias A estará compacta e a areia
B estará fofa.
26
Figura 9: Comparação de compacidade de duas 
areias com e=0,65
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Estado das argilas
27
Tabela 3: Consistência em função da resistência à compressão
 Consistência
 Quando se manuseia uma argila se percebe uma certa consistência, ao 
contrário das areias que se desmancham facilmente
 Pode ser quantificada por ensaio de compressão simples
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Estado das argilas
 Sensitividade das argilas
 Resistência depende do arranjo entre os grãos e do índice de vazios
 Resistência após o manuseia (amolgada) pode ser menor que no estado 
natural (indeformado)
𝐒 =
𝐑𝐞𝐬𝐢𝐬𝐭ê𝐧𝐜𝐢𝐚 𝐧𝐨 𝐞𝐬𝐭𝐚𝐝𝐨 𝐢𝐧𝐝𝐞𝐟𝐨𝐫𝐦𝐚𝐝𝐨
𝐑𝐞𝐬𝐢𝐬𝐭ê𝐧𝐜𝐢𝐚 𝐧𝐨 𝐞𝐬𝐭𝐚𝐝𝐨 𝐚𝐦𝐨𝐥𝐠𝐚𝐝𝐨
28
Tabela 4: Classificação das argilas quanto a 
sensitividade
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Figura 10: Resistência da argila sensitiva, 
indeformada e amolgada(Sousa Pinto, 2006)
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Caracterização dos solos
 Ensaios laboratoriais 
 Peso específico dos Grãos (NBR 6508/84 ou NBR 6458/84)
 Explicado anteriormente
 Análise granulométrica (NBR 7181/84)
 Peneiramento e sedimentação
 Índices de consistência (Limites de Atterberg)
 Limite de liquidez (NBR 6459/84) e Limite de plasticidade (NBR 
7180/84)
29Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Caracterização dos solos
 Análise granulométrica (NBR 7181/84)
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Figura 12: Exemplo de curva granulométrica 30
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Caracterização dos solos
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
31
 Índices de consistência (Limites de Atterberg)
 Só a distribuição granulométrica não caracteriza bem o comportamento 
dos solos. A fração fina quem uma importância muito grande no 
comportamento.
 O limites baseiam-se na constatação de que um solo argiloso ocorre com 
aspectos distintos conforme o teor de umidade
Figura 15: Limites de Atterberg dos solos (Sousa Pinto, 2006)
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Caracterização dos solos
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
32
Figura 15: Limites de Atterberg dos solos
 Índices de consistência (Limites de Atterberg)
 Estado líquido - o solo apresenta as propriedades e a aparência de uma 
suspensão. Não possui forma própria e não apresenta nenhuma resistência 
ao cisalhamento.
 Estado plástico - o solo apresenta a propriedade de plasticidade. Pode 
sofrer deformações rápidas, sem que ocorra variação volumétrica 
apreciável, ruptura ou fissuramento.
 Estado semi-sólido - o solo tem a aparência de um sólido, entretanto 
ainda passa por variações de volume ao ser secado 
 Estado sólido - o solo não sofre mais variações volumétricas por 
secagem. 
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Caracterização dos solos
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
33
Figura 16: Esquema do aparelho Casagrande
 Limite de liquidez
 Teor de umidade do solo com o qual uma ranhura requer 25 golpes para 
fechar, numa concha.
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Caracterização dos solos
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
34
 Limite de Plasticidade 
 Menor teor de umidade com o qual se consegue moldar um cilindro com 3 
mm de diâmetro, rolando-se com a palma da mão.
 Quanto maior o IP mais compressível é o solo
 Fracamente plásticos 1 < IP ≤ 7
 Medianamente plásticos 7 < IP ≤ 15
 Altamente plásticos IP > 15
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Estado das argilas
 Índice de consistência
 Assim como o índice de vazios 
por si só não determina o estado 
das areias, a umidade não 
determina o estado das argilas
 Ex.: Argila B, LL=80% e 
LP=30%
Argila A, LL=50% e 
LP=25%
Quando a argila A estiver com 
80% e B com 50% estarão com 
aspectos semelhantes, com a 
consistência do limite de liquidez
35
Figura 18: Comparação de consistência 
de duas argilas
Mecânica dos solos I
Prof. ViniciusKühn
LPLL
wLL
IC



Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Caracterização dos solos
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
36
 Atividade das argilas
 Identificar o potencial de expansão de solos argilosos;
 Pequenos teores de argila e elevados índices de consistência indicam 
que a argila é muito ativa;
 Depende dos argilominerais presentes no solo;
 0,75 a 1,25 – normal
 Menor que 0,75 – inativa
 Maior que 1,25 - Ativa
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Estado das argilas
 Atividade das argilas
37
Figura 19: Skempton (1953)
Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Exercícios
38Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
𝑪𝒐𝒏𝒔𝒊𝒅𝒆𝒓𝒆: 𝜸𝒔 = 𝟐𝟔, 𝟓 𝒌𝑵/𝒎³
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Exercícios
39Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
𝒆 = 𝟐, 𝟓𝟐
𝜸𝒏 = 𝟏𝟒, 𝟔𝟖 𝒌𝑵/𝒎³
𝑪𝒐𝒏𝒔𝒊𝒅𝒆𝒓𝒆: 𝜸𝒔 = 𝟐𝟔, 𝟓 𝒌𝑵/𝒎³
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Exercícios
40Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
𝑪𝒐𝒏𝒔𝒊𝒅𝒆𝒓𝒆: 𝜸𝒔 = 𝟐, 𝟔𝟓 𝒌𝒈/𝒅𝒎³
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Exercícios
41Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
𝑪𝑹 = 𝟕𝟗%𝑪𝒐𝒏𝒔𝒊𝒅𝒆𝒓𝒆: 𝜸𝒔 = 𝟐, 𝟔𝟓 𝒌𝒈/𝒅𝒎³
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Exercícios
42Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
Mecânica dos Solos II
Prof. Gilson Gitirana Jr.
Exercícios
43Mecânica dos solos I
Prof. Vinicius Kühn
𝜸𝒅 = 𝟏𝟒, 𝟑𝟓𝒌𝑵/𝒎
𝒏 = 𝟎, 𝟒𝟓𝟖
𝑺 = 𝟒𝟕, 𝟗%
𝑴𝒘 = 𝟐𝟑𝟖, 𝟓 kg/m³