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1 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos Engenharia Civil - UFT Prof. Yago Isaias da Silva Borges, MSc Palmas - TO Mecânica dos solos AULA 3 2 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Sobre Algumas Grandezas, Suas Unidades e Suas Definições Muitas vezes, em geotecnia, são empregados termos inadequados para se referir a uma grandeza ou fenômeno. Há, por exemplo, uma confusão entre peso específico, peso específico relativo, massa específica e densidade. Tal confusão pode estar ligada ao fato de, no sistema técnico de unidades, a unidade de força (kgf - quilograma-força), ser numericamente igual ao quilograma, unidade de massa do Sistema Internacional (SI). Para esclarecer a questão, faz-se uma breve revisão dos sistemas de unidades e de suas grandezas básicas. 3 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos SISTEMAS DE UNIDADES O sistema técnico de unidades, cujas grandezas básicas são a força, o comprimento e o tempo e cujas unidades são, respectivamente, o quilograma-força (kgf), o metro (m) e o segundo (s). • Sabemos que, neste sistema, a grandeza massa é derivada da força e da aceleração. 4 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos SISTEMAS DE UNIDADES Em 1982, entrou em vigor no Brasil o Sistema Internacional de unidades (SI), cujas grandezas básicas são a massa, o comprimento e o tempo e cujas unidades são o quilograma (kg), o metro (m) e o segundo (s). 5 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos SISTEMAS DE UNIDADES Apesar de o SI ser o sistema legalmente vigente no País, muitos instrumentos de medição apresentam suas escalas no sistema técnico. É o caso das balanças, por exemplo. Em razão disso, é preciso fazer a conversão de unidades do sistema técnico para o Sistema Internacional. As conversões de unidades que mais causam confusão são as daquelas grandezas que fazem uso da grandeza força em sua definição. 6 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos SISTEMAS DE UNIDADES A distinção entre a grandeza força expressa nos sistemas técnico e SI é feita da seguinte forma: No sistema técnico, a força (dada pela unidade quilograma-força) é uma grandeza básica, ao passo que, no SI, a força (dada pela unidade newton) é uma grandeza derivada da combinação da massa (dada em kg) e da aceleração (dada em m/s²). Isto posto, podem ser dadas as seguintes definições: 1 Newton, denotado por N, é a força necessária para imprimir a uma massa de 1 kg uma aceleração de 1 m/s². 1 Quilograma-força, denotado por kgf, é a força exercida. 7 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos SISTEMAS DE UNIDADES Tomando-se o valor da aceleração da gravidade ao nível do mar na latitude 45º, com 3 algarismos significativos, este valor é de 9,81 m/s². 1 kgf = 1 kg x 9,81m/s² e, então, 1 kgf = 9,81 N As expressões revelam que: • O peso de 1 kg massa vale 1 kgf , isto é, que o peso de um corpo no sistema técnico e sua massa no SI são numericamente iguais, o que tem conduzido a uma grande confusão entre peso e massa. 8 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos SISTEMAS DE UNIDADES Na geotecnia as grandezas mais usuais que envolvem força em suas definições são: tensão e peso específico. 9 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos GRANDEZAS Na geotecnia, as grandezas que mais confundem com relação as unidades são a massa específica, peso específico e densidade. A confusão torna-se ainda maior, quando se observam os termos em inglês correspondentes a tais grandezas, a saber: Massa específica = density Peso específico = unit weight Densidade = specific gravity As definições de tais grandezas, encontradas em livros de Física, podem ser estendidas aos solos. 10 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos MASSA ESPECÍFICA • Representa a relação entre a massa de um determinado solo e o volume ocupado por ele. A massa específica pode ser quantificada através da aplicação da equação a seguir. Onde a letra grega ρ (rho) é a massa específica, m representa a massa do solo determinado em balança e V o volume por ela ocupado. • No Sistema Internacional de Unidades (SI), a massa é quantificada em kg e o volume em m³, assim, a unidade de massa específica é kg/m³. 𝜌 = 𝑚 𝑉 ൗ𝑘𝑔 𝑚3 11 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos PESO ESPECÍFICO (Peso específico natural - 𝛾n) O peso específico (unit weight) de um solo é a razão entre o peso (W) dos grãos sólidos mais água, contidos num dado volume (V) deste solo: Onde a letra grega Υ (gama) é a peso específico. • Como o peso (W) é definido pelo princípio fundamental da dinâmica (2ª Lei de Newton), a equação pode ser reescrita do seguinte modo: A partir da análise das equações é possível verificar que existe uma relação entre a massa específica e o seu peso específico, e assim, pode-se escrever que: 𝛾 = 𝑊 𝑉 𝛾 = 𝜌. 𝑔 𝑉 De acordo com a definição, o peso específico tem dimensão de força por unidade de volume e é expresso em geral em: tf/m³, kN/m³ ou gf/cm³ 12 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos DENSIDADE A densidade (specific gravity), denotada por G, de uma substância é definida como a razão entre o peso específico desta substância e o peso específico da água destilada a 4°C. Peso Específico Relativo Representa a relação entre o peso específico do fluido em estudo e o peso específico da água. Em condições de atmosfera padrão o peso específico da água é 10000N/m³, e como o peso específico relativo é a relação entre dois pesos específicos, o mesmo é um número adimensional, ou seja não contempla unidades. 𝛾𝑟 = 𝛾 𝛾𝑤 13 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos PROPRIEDADES GERAIS DO SOLO 14 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos INTRODUÇÃO Solo: É um sistema trifásico onde a fase sólida é um conjunto discreto de partículas minerais dispostas a formarem uma estrutura porosa que conterá os elementos constituintes das fases líquida e gasosa. Partículas sólidas: são pequenos grãos de diferentes minerais, cujos vazios podem ser preenchidos por água, ar, ou parcialmente por ambos (ar e água); Solos Secos Solos Parcialmente Saturados Solos Saturados • Os índices físicos são relações entre volume e peso das fases sólida, líquida e gasosa (Sistema trifásico) do solo. Sendo o solo composto por um conjunto de partículas sólidas, arranjadas de modo a deixar vazios entre si, que poderão estar preenchidos total ou parcialmente por água (ou outro fluido), temos: ➢ Fase sólida: caracterizada pelo tamanho, distribuição e composição mineralógica dos grãos ➢ Fase gasosa: Ar dissolvido, bolhas oclusas, fase contínua (importante em problemas de deformação de solos e é bem mais compressível que as fases sólida e líquida) ➢ Fase líquida: a água pode apresentar sobre diferentes formas: livre, capilar, adsorvida etc. • São utilizados na definição de propriedades físicas dos solos: Índice de vazios, Porosidade, Teor de umidade, Grau de saturação, Massa específica real (Grãos), Massa específica aparente • O índice de vazios, e consequentemente a densidade aparente, é a propriedade física mais relevante para a permeabilidade, deformabilidade e resistência de solos secos ou saturados. 15 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Propriedades gerais dos solos • Água de constituição: encontra-se na composição da partícula sólida (não é possível ser removida por secagem em estufa). Ex.: Montmorilonita (OH)4 Si2 Al4 O20 nH2O • Água higroscópica: água que o solo possui quando em equilíbrio com a umidade atmosférica e a temperatura ambiente • Água capilar: se eleva pelos interstícios capilares formados pelas partículas sólidas, devido a ação das tensões superficiais oriundas a partir da superfície livre da água • Água adsorvida: é uma película de água que adere às partículas de solos muito finos devido a açãode forças elétricas desbalanceadas na superfície dos argilominerais. Está submetida a grande pressões • Água livre: preenche os vazios dos solos. Pode está em equilíbrio hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade 16 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Propriedades gerais dos solos : ESTADO DA ÁGUA NO SOLOS 17 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Água em torno de uma partícula de argila 18 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Água em torno de uma partícula de argila 19 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos O que são ÍNDICES FÍSICOS ??? Grandezas que expressam as proporções entre pesos e volumes em que ocorrem as três fases presentes numa estrutura de solo. Para que servem e onde se aplicam os ÍNDICES FÍSICOS ??? -Possibilitam determinar as propriedades físicas do solo (i) Controle de Amostras a serem ensaiadas; (ii) Aplicar os resultados para os cálculos de esforços atuantes - Caracterização da condição do solo, em um dado momento (pode ser alterados ao longo do tempo). • Índices Físicos: é a relação entre as massas e volumes das fases constituintes do solo. Solo Água Ar Volume total de uma dada amostra de solo: Ar Água Sólido PESO VOLUME Va Vw pt 0 Pw Ps Vv Vt Vs 𝑽𝒕 = 𝑽𝒔 + 𝑽𝒗 = 𝑽𝒔 + 𝑽𝒘 + 𝑽𝒂 20 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Representação esquemática das fases do solo Sistemas trifásicos Assumindo que o peso do ar é insignificante: 𝑷𝒕 = 𝑷𝒔 + 𝑷𝒘 21 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos PRINCIPAIS ÍNDICES FÍSICOS Relações entre Pesos: • Teor de umidade - w ou h Relações entre Volumes: • Índice de vazios – e • Porosidade - • Grau de saturação - Sr Relações entre Pesos e Volumes: • Pesos específicos aparente natural ou úmido - γ, γnat • Peso específico aparente seco - γd • Peso específico saturado - γsat • Peso específico real dos grãos ou sólidos - γs • Peso específico da água - γw • Peso específico submerso - γsub • Densidade real dos grãos ou sólidos - G Relação entre Fases Ar Água Solo PESO W t 0 Ww Ws 22 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE PESO Os termos mais usados para a relações de peso são: • Umidade (w) – teor de umidade % é definido como a proporção entre peso da água e o peso dos sólidos em um dado volume de solo. 𝒘(%) = 𝑾𝒘 𝑾𝒔 . 𝟏𝟎𝟎 Em laboratório Teor de umidade(%) - é determinado como a relação entre a massa de água (Mw) e a massa do solo seco em estufa (Ms). Mw = Msoloúmido – Msoloseco Ms = massa do solo seco em estufa 𝒘(%) = 𝑴𝒘 𝑴𝒔 . 𝟏𝟎𝟎 Índice de vazios (e) Relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume dos sólidos (Vs) existente em igual volume de solo. Este índice tem como finalidade indicar a variação volumétrica do solo ao longo do tempo . - medido por um número natural (SEMPRE e > 0); - se o volume de sólidos é constante ao longo do tempo então qualquer V será medida por e); ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos 23 RELAÇÃO ENTRE VOLUMES 𝒆 = 𝑽𝒗𝒂𝒛𝒊𝒐𝒔 𝑽𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 Ar Água Sólido VOLUME Va Vw Vv Vt Vs Porosidade (η) • Relação entre o volume dos vazios (Vv) e o volume total (V) da amostra; • Seu intervalo de variação é entre 0 e 100% Classificação da porosidade e do índice de vazios nos solos (IAEG, 1979) ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos 24 RELAÇÃO ENTRE VOLUMES 𝒏 = 𝑽𝒗𝒂𝒛𝒊𝒐𝒔 𝑽𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 × 𝟏𝟎𝟎 Ar Água Sólido VOLUME Va Vw Vv Vt Vs • Índice de vazios (e) 𝒆 = 𝑽𝒗𝒂𝒛𝒊𝒐𝒔 𝑽𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 = 𝑽𝒗𝒂𝒛𝒊𝒐𝒔 𝑽𝒕 − 𝑽𝒗 = 𝑽𝒗 𝑽𝒕 𝟏 − 𝑽𝒗 𝑽𝒕 = 𝒏 𝟏 − 𝒏 25 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE ÍNDICE DE VAZIOS E POROSIDADE Grau de Saturação (S ou Sr) • Porcentagem volumétrica de água existente nos vazios desse solo; • Relação entre o volume de água e o volume de vazios % ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos 26 RELAÇÃO ENTRE VOLUMES Ar Água Sólido VOLUME Va Vw Vv Vt Vs 1. Pesos específicos aparente natural ou úmido (γ, γnat) • Relação entre o peso total (W) e o volume total da amostra (V) para um valor qualquer do grau de saturação, diferente dos extremos. 2. Pesos específico aparente seco (γd) • Relação entre o peso dos sólidos (Ws) e o volume total da amostra (V), para a condição limite do grau de saturação (limite inferior - Sr = próximo a 0%), OBS: Usado para verificar o grau de compactação de bases e subbases de pavimentos, aterros e barragens de terra. ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE PESOS E VOLUMES 3. Pesos específico saturado (γsat) • Relação entre o peso total (W) e o volume total (V), para grau de saturação (Sr) igual a 100%. 4. Pesos específico real dos grãos ou sólidos (γS) • Relação entre o peso dos sólidos (Ws) e o volume dos sólidos (Vs), dependendo dos minerais formadores do solo; • É uma média dos pesos específicos dos minerais que compõem a fase sólida; ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE PESOS E VOLUMES Em Laboratório: Massa específica real dos grãos ou sólidos (ρS) ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE PESOS E VOLUMES 5. Pesos específico da água (γw) • É a razão entre o peso de água (Ww) e seu respectivo volume (Vw) • Nos casos práticos adota-se : 1g/cm³ = 10kN/m³ = 1000kg/m³ 6. Pesos específico submerso (γSub) • Quando a camada de solo está abaixo do nível freático, define-se o peso específico submerso, o qual é utilizado para o cálculo de tensões. 7. Densidade Real dos grãos ou sólidos (G ou Gs) • É a razão entre o peso especifico real dos grãos (γs) e o peso específico da água a 4°C. ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE PESOS E VOLUMES • Peso específico do solo (γ) ou massa específica (ρ)do solo: (inclui o peso da água existente nos vazios do solo e Vv ). 𝜸 = 𝑷𝒕 𝑽𝒕 , 𝝆 = 𝑴𝒕 𝑽𝒕 Onde 𝛄 = 𝝆 ∙ 𝒈 • Peso específico das partículas sólidas (γs): 𝜸𝒔 = 𝑷𝒔 𝑽𝒔 • Peso específico do solo seco (γd): 𝜸𝒅 = 𝑷𝒔 𝑽𝒕 , 𝒒𝒖𝒂𝒏𝒅𝒐 , 𝑺𝒓 = 𝟎 • Peso específico do solo saturado (γsat): 𝜸𝒔𝒂𝒕 = 𝑷𝒕 𝑽𝒕 , 𝒒𝒖𝒂𝒏𝒅𝒐 , 𝑺𝒓 = 𝟏 • Peso específico do solo submerso (γsub): 𝜸𝒔𝒖𝒃 = 𝜸𝒔𝒂𝒕 - 𝜸𝒘 31 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Relações entre pesos e volumes (pesos específicos) ou massas e volumes (massas específicas): - unidade Kg/m³ • Adotando →Vsol = 1 Ar Água Sólido PESO VOLUME Sre γs+γwSre 0 γs e 1+e 1 γsSre 𝒏 = 𝑽𝒗𝒂𝒛𝒊𝒐𝒔 𝑽𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒆 = 𝑽𝒗𝒂𝒛𝒊𝒐𝒔 𝑽𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 𝑺𝒓 = 𝑽𝒘 𝑽𝒗𝒂𝒛𝒊𝒐𝒔 𝒏 = 𝒆 𝟏 + 𝒆 32 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE DIVERSOS ÍNDICES Relação entre os volumes e entre pesos e volumes adotando-se um volume total de solo unitário: • Adotando →Vtotal = 1 Ar Água Sólido PESO VOLUME n γs(1-n) 0 γs Srn 1 1-n γwSrn 𝒆 = 𝒏 𝟏 − 𝒏 33 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE VOLUME E PESO Umidade gravimétrica (W): 𝒘 = 𝑷á𝒈𝒖𝒂 𝑷𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐 = 𝜸𝒘∙𝑺𝒓∙𝒆 𝜸𝒔 Umidade volumétrica (θ): 𝜽 = 𝑽á𝒈𝒖𝒂 𝑽𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝑺𝒓∙𝒆 𝟏 + 𝒆 Peso específico seco (γd): 𝜸𝒅 = 𝜸𝒔 𝟏 + 𝒆 Peso específico natural (γnat): 𝜸𝒏𝒂𝒕 = 𝜸𝒔 + 𝜸𝒘∙𝑺𝒓∙𝒆 𝟏 + 𝒆 = 𝟏 +𝒘 𝜸𝒅 Relação entre γs, w, Sr, e: 𝑾 = 𝑷𝒘 𝑷𝒔 = 𝜸𝒘∙𝑽𝒘 𝜸𝒔∙𝑽𝒔 = 𝜸𝒘 𝜸𝒔 ∙ 𝑽𝒘 𝑽𝒔 ∙ 𝑽𝑽 𝑽𝑽 = 𝑾 = 𝜸𝒘 𝜸𝒔 ∙ 𝑺𝒓 ∙ 𝒆 𝑾 ∙ 𝜸𝒔= 𝜸𝒘 ∙ 𝑺𝒓 ∙ 𝒆 34 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos RELAÇÃO ENTRE VOLUME E PESO 35 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos DIVERSASRELAÇÕES PARA γ , γd e γsat (DAS, 2007) 36 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Exemplo 1 37 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Exemplo 2 Um solo de uma área de empréstimo tem porosidade igual a 58% e massa específica dos grãos igual a 2,7 g/cm³. Deseja-se utilizar esse solo para construir um aterro com volume igual a 100.000 m³. Que volume deverá ser escavado se o aterro deverá ser construído com peso específico natural de 18 kN/m³ e umidade igual a 15%? Resposta: 137.971 m³ • Usado para indicar o estado de compacidade dos solos de granulação grossa, (definição do comportamento) emáx = índice de vazios no estado mais fofo ou solto emin= índice de vazios no estado mais compacto ou denso e = índice de vazios no estado natural Determinação do emáx (γdmin) e emin (γdmáx) = laboratório emin (γdmáx) = vibração emáx (γdmin) = evitar qualquer vibração 𝐷𝑟 = 𝑒𝑚á𝑥 − 𝑒 𝑒𝑚𝑎𝑥 − 𝑒𝑚𝑖𝑛 Dr > 0,7 – Areias compactas 0.3 < Dr < 0,7 – Areias médias Dr < 0,3 – Areias fofas 38 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Compacidade relativa (Dr) As relações para compacidade relativa também podem ser definidas em termos de: POROSIDADE 39 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Exemplo 3 • Para estimativa de todos os índices físicos de um determinado solo normalmente efetuam-se as seguintes determinações: ➢ Umidade: Estufa a 105 - 110°C (laboratório); Speedy (campo); Fogareiro à Álcool (campo); Estufa a 60°C. (laboratório, no caso da suspeita de existência de matéria orgânica); Sonda de nêutrons (campo) e TDR - Time Domain Reflectometry (campo). ➢ Peso especifico do solo (γ): Cravação de cilindro biselado em amostras indeformadas (laboratório); Cilindro de compactação (laboratório); Imersão em mercúrio (amostra indeformada, pequena) (laboratório); Balança hidrostática (laboratório), solo parafinado - NBR 10838 (laboratório); Cravação do cilindro de Hilf (campo); Método do cone de areia (campo); Método do balão de borracha (campo); Sonda de nêutrons (campo). ➢ Peso especifico das partículas solidas (γs): Esta determinação e efetuada exclusivamente em laboratório, utilizando-se o picnômetro e os detalhes de sua execução são apresentados na NBR 6508. 40 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Ensaios para determinação de Índices físicos: 41 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos CONSISTÊNCIA DO SOLO Limites de Atterberg O que é Consistência dos Solos? • Meio de descrever o grau ou classe de coesão ou aderência entre as suas partículas, assim como relacioná-las à resistência dos solos de se deformarem ou romperem. Terzaghi → grau de adesão entre partículas de solo e a resistência oferecida às forças que possam deformar ou romper a massa de solo. Milton Vargas→ refere-se sempre aos solos coesivos e é definida como a maior ou menor rigidez com que uma argila (ou solo com alto teor de argila) se apresenta. • A consistência varia com o teor de água no solo e passa de uma condição muito mole a dura. Pode ser classificada em estado saturado, úmido ou seco. Coesão: atração entre constituintes de mesma origem → coesão de uma molécula de água com outra resultando ponte de hidrogênio. Adesão: ocorre entre elementos de origem diferentes → adesão de uma molécula de água com uma partícula de solo. Diferenças LIMITES DE CONSISTÊNCIA ou de Atterberg ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos 1 – Introdução • A determinação da consistência inclui a Resistência à Ruptura e Rigidez. Resistência à ruptura → medida da capacidade do solo de resistir a uma pressão aplicada com o polegar e o indicador Rigidez→ varia inversamente com o teor de umidade (> w + mole / < w + dura) Sintetizando: Consistência dos solos → facilidade relativa com que um solo pode ser deformado. Depende da mineralogia dos constituintes do solo e do teor de umidade Existem 4 estados de consistência dos solos: Sólido Semi-Sólido Plástico Liquido LIMITES DE CONSISTÊNCIA ou de Atterberg ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Consistência do Solo Seco Consistência do Solo Saturado Viscosidade→ capacidade do solo de aderir a outros objetos Plasticidade → capacidade do solo ser moldado produzindo deformações permanentes em ruptura. LIMITES DE CONSISTÊNCIA ou de Atterberg ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Não Viscoso → solo não adere ou adere pouco aos dedos após a redução da pressão sobre ele. Moderadamente Viscoso → solo se adere a ambos os dedos após a relaxação das pressões e um pequeno afastamento dos dedos. Ligeiramente Viscoso→ solo se separa e adere a ambos os dedos logo após a relaxação da pressão com um pequeno afastamento dos dedos. MuitoViscoso → solo se adere firmemente aos dedos após a completa separação dos dedos, rompendo-se somente após um grande afastamento deles LIMITES DE CONSISTÊNCIA ou de Atterberg ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos • Um solo argiloso, dependendo do teor de umidade, pode apresentar características iguais às de um líquido ou de um sólido • Consistência: estado físico em que o solo se encontra: ➢ Líquido (lama): não tem forma própria e resistência nula ➢ Plástico: moldável, solo se deforma sem apresentar variação volume ➢ Semi-sólido: apresenta trincas e fraturas ao ser trabalhado ➢ Sólido: volume do solo não varia com as variações na umidade • Limites de consistência ou de ATTERBERG: limites inferiores e superiores de valor de umidade para cada estado do solo Estados de consistência do solo 46 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Principais ensaios classificatórios – LIMITES DE CONSISTÊNCIA: LL (%) - Teor de umidade que o solo passa do estado plástico para o fluido • Determinação: ensaio de laboratório ➢ Tomar uma amostra de solo passando na #0,42 mm, acrescentar água destilada até obter uma pasta com umidade próxima a seu limite de plasticidade e homogeneizar bem (entre 15 e 30 minutos). ➢ Colocar uma parte da pasta na concha do aparelho de Casa Grande de forma bem distribuída e deixar a superfície lisa . A espessura máxima da camada: 10mm e largura= 2/3 do diâmetro da concha 47 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) – ABNT NBR 6459: ➢ Fazer uma ranhura na pasta com um cinzel padronizado (ranhura deve ser normal ao sistema de fixação, as duas parte devem ter massa ± iguais). ➢ Com a concha presa no sistema de fixação girar a manivela a uma velocidade de 2 golpes por segundo. A manivela é ligada a um excêntrico faz com que a concha caia de uma altura padrão de 1cm. ➢ Contar o número de golpes necessário para que a ranhura se feche em uma extensão de 1cm. Obs: 1o. pto ≈ 35 golpes (umedecimento ) 1o. pto ≈ 15 golpes (secando) Três fases do ensaio de Casagrande 48 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) – ABNT NBR 6459: ➢ No local onde as borda se uniram, retirar uma amostra de solo (15g) para determinação do teor de umidade ➢ O solo restante deverá ser homogeneizado novamente, e no caso do ensaio ser realizado partido de um teor de umidade mais baixo, adicionar água, para obtenção dos próximos pontos. ➢ Fazer no mínimo 5 determinações dos pares de valores ( no. De golpes - teor de umidade ). Os valores devem estar uniformemente distribuídos no intervalo de 15-35, recomenda ainda que estejam 2 abaixo ou acima de 25 golpes ➢ Traçar o gráfico com os dado obtidos: umidade x N0. de golpes (escala semi- logarítmica) ➢ Ajustar uma reta e obter o teor de umidade do WL corresponde a 25 golpes 49 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) – ABNT NBR 6459: ➢ Representação dos resultados: O LL mede o teor de umidade para que foram necessários 25 golpespara fechar uma ranhura de 1cm de solo. 50 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) – ABNT NBR 6459: Limite de Liquidez – ENSAIO DE CONE PLASTICIDADE * Propriedade de certos sólidos serem moldados s/ apreciável volume (ou ruptura) * Associada a solos finos e, dependente do argilo-mineral que originou à fração argila presente no solo. A forma lamelar dos grãos da argila permite um deslocamento relativo das partículas sem que ocorra volume. No entanto, a plasticidade é influenciada pela quantidade de água no solo e pelas ligações entre as moléculas de água e grãos. *A forma dos grãos possibilita que eles deslizem uns sobre os outros, desde que a água intersticial funcione como uma partícula lubrificante. Entretanto, se existir água em demasia, as partículas como que estarão em suspensão e o corpo não será mais plástico e sim um líquido viscoso. Por outro lado, se existir pouca água, as forças capilares serão muito grandes e os grãos se aglutinarão, formando torrões quase sólidos, que não poderão ser moldados e, ao sofrerem esforços de deformação, se quebrarão. LIMITES DE CONSISTÊNCIA ou de Atterberg ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos A presença de água nos solos finos pode afetar significativamente o comportamento de engenharia, portanto, são necessários índices de referência que evidenciem esses efeitos. LIMITES DE CONSISTÊNCIA ou de Atterberg ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos 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. Estes limites dependem principalmente da: - Espécie mineralógica da fração argilosa; - Estrutura; - Forma e tamanho dos grãos; - Umidade. • Teor de umidade em que o solo passa do estado semi-sólido para estado plástico Determinação de laboratório: ➢ Tomar uma porção do solo passando na #0,42 mm e preparar uma pasta homogênea e plástica ➢ Tomar cerca de 10g dessa pasta e fazer uma bola e em seguida , colocá-la sobre uma placa de vidro esmerilhada e fazendo-a rolar com a mão transformá-la em um cilindro. O cilindro deve ter diâmetro de 3mm (comparar com o gabarito) e não apresentar fissuras 55 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE PLASTICIDADE (LP) – ABNT NBR 7180 ➢ Determinar o teor de umidade do cilindro ➢ Repetir essa operação no mínimo de 5 vezes e determinar WP (valor médio dos valores de umidade obtidos, com desvio de ± 5% da média) Obs: ф do rolinho > 3mm e ocorrer fissuras → estado semi-sólido (acrescentar água) ф do rolinho < 3mm sem fissurar → estado plástico (refazer o ponto) 56 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE PLASTICIDADE (LP) – ABNT NBR 7180 Teor de umidade em que o solo passa do estado semi-sólido para sólido, ou seja, teor de umidade abaixo do qual o solo não mais muda de volume ao variar a umidade. • Determinação: Ensaio de laboratório ➢ Tomar cerca de 50g de solo passando na #0,42 (ou utilizar a sobra dos ensaios de LL e LP) e acrescentar água até que atinja uma umidade correspondente a cerca de 10golpes ➢ Untar a cápsula metálica com óleo ou vaselina (impedir a aderência) e colocar a pasta de solo na cápsula e dar uns pequenos impactos para retirar o ar, ➢ Completar o volume da cápsula repetindo o procedimento descrito ➢ Retirar o excesso de solo para que o volume inicial da amostra seja = ao da cápsula e determinar a massa do conjunto (cáp + amostra) 57 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE CONTRAÇÃO (LC) – ABNT NBR 7183 ➢ Deixar a amostra secar em lugar ventilado e á sombra ( deve sofrer contração, mas não deve apresentar fissuras). C = LC ➢ Secar a amostra na estufa (det. Massa do solo seco) ➢ Obter o volume da pastilha em um recipiente adequado (cápsula de vidro). Colocar o mercúrio no recipiente, retirar o excesso com o auxílio da placa de pinos. ➢ Colocar a pastilha sobre o mercúrio e com a placa forçar a pastilha para dentro do recipiente ➢ (v pastilha = vol de mercúrio deslocado pelo solo quando imerso no recipiente). Para determinar o volume basta determinar a massa de mercúrio extravasado e dividí-la por sua massa específica. ➢ Determinar o WC 𝐿𝐶 = 𝑉𝑓 𝑀𝑠 − 1 𝜌𝑠 ∙ 𝜌𝑤 Vf = volume da pastilha = [Mextravasado(hg)/ ρ(Hg)] Ms = massa da pastilha seca ρs, ρw = massa específica dos sólidos e da água 58 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE CONTRAÇÃO (LC) – ABNT NBR 7183 59 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE CONTRAÇÃO (LC) – ABNT NBR 7183 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência – LIMITE DE CONTRAÇÃO (LC) – ABNT NBR 7183 Índice de Plasticidade: • Define o intervalo de variação de umidade no qual o solo se encontra no estado plástico • Muito usado em alguns sistemas de classificação do solo Índice de Consistência: • Mede a consistência do solo no estado em que se encontra em campo IP = 0 - Não Plástico 1 < IP < 7 - Solos pouco plásticos 7 < IP < 15 - Solos medianamente plásticos IP > 15 - Solos altamente plásticos Ic ≤ 0 - Argilas muito moles 0< Ic ≤ 0,5 - Argilas moles 0,5 < Ic ≤ 0,75 - Argilas médias 0,75 < Ic ≤ 1,00 - Argilas rijas Ic >1,0 - Argilas duras 𝐼𝑃 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 𝐼𝐶 = 𝐿𝐿 − 𝑤 𝐼𝑃 61 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência Atividade das Argilas mmilafraçãodapesoem ilafração IP A 002.0:arg% arg% = • argilas normais: 0,75 < A < 1,75 • argilas inativas: A < 0.75 • argilas ativas: A > 1.25 Elevada atividade: • Expandem muito ao serem umedecidas • Apresentam elevada contração quando secas • Muito reativas (quimicamente) ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência Índice de Compressão: • Terzaghi, observando que os solos são tanto mais compressíveis, quanto maior for seu LL, propôs a seguinte expressão: 63 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência ( )10.009,0 −= LLCc Cc Compressib. Recalques 64 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos Solos Limites de consistência RESUMO • O Limite de Liquidez (LL) é definido como a umidade abaixo da qual o solo se comporta como material líquido; é a umidade de transição entre os estados plástico e líquido do solo. Experimentalmente corresponde ao teor de umidade com que o solo fecha uma certa ranhura sob o impacto de 25 golpes do aparelho de Casagrande. • O Limite de Plasticidade (LP) é tido como o teor de umidade em que o solo deixa de ser plástico, tornando-se quebradiço; é a umidade de transição entre os estados semi-sólido e plástico do solo. Em laboratório o LP é obtido determinando-se o teor de umidade no qual um cilindro de um solo com 3mm de diâmetro apresenta-se fissuras. A obtenção dos limites de consistência (ou limites de Atterberg) do solo permite estimar, através da Carta de Plasticidade, suas propriedades, principalmente no tocante a granulometria e compressibilidade. Os limites de Atterberg e os índices associados são empregados na identificação e classificação dos solos. Os limites não fornecem características referentes a estrutura do solo, pois esta é destruída no preparo da amostra para a determinação destes valores. ENGENHARIA CIVIL Mecânicados Solos Limites de consistência RESUMO 66 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS Mecânica dos solos PRÓXIMA AULA
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