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02/07/2020 1 Índices físicos 02/07/2020 2 Índices físicos 02/07/2020 3 Índices físicos O comportamento de um solo depende das quantidades relativas de cada uma das fases constituintes. Chamamos de índices físicos as relações entre as fases. 02/07/2020 4 Índices físicos Grandezas envolvidas: As principais grandezas de um solo são: • Ps – peso das partículas sólidas; • Pw – peso da água; * o peso do ar é considerado desprezível. • Vs – volume das partículas sólidas; • Vw – volume da água; • Var – volume do ar; • Vv - volume de vazios; • Teremos sempre: • P = Ps + Pw; • Vv = Vw + Var; • V = Vs + Vw + Var = Vs + Vv; 02/07/2020 5 Índices físicos Umidade (w%): É a relação, expressa na forma percentual, entre o peso da água contida num certo volume de solo e o peso da parte sólida existente neste mesmo volume. w%= 𝑃𝑤 𝑃𝑠 . 100 • Os teores de umidade dependem do tipo de solo e situam-se geralmente entre 10 e 40%, podendo ocorrer valores muito baixos (solos secos) ou muito altos (150% ou mais). 02/07/2020 6 Índices físicos Para se determinar o teor de umidade de um solo, em laboratório, pesamos uma amostra do solo no seu estado natural (devemos ter o cuidado na retirada e no transporte para o laboratório de não alterarmos a umidade da amostra) e o peso após a completa secagem em estufa (T = 105oC). Assim teremos P1 e P2. P1 – peso da amostra natural (peso úmido) mais o peso da embalagem (tara); P2- peso da amostra seca mais o peso da embalagem (tara). Pw = P1-P2 e Ps = P2 – Ptara. . 02/07/2020 7 Índices físicos Um outro meio muito simples e rápido é a utilização do aparelho Speedy. Este aparelho consiste num reservatório metálico fechado que se comunica com um manômetro destinado a medir a pressão interna. Dentro do reservatório é colocada uma quantidade determinada da amostra de solo, juntamente com uma porção determinada de carbureto de cálcio (CaC2). A reação da água contida na amostra de solo com o carbureto, resulta em gás acetileno, de acordo com a expressão: CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2 H2. Assim, estabelecemos uma relação entre a variação da pressão interna no reservatório, com o teor de umidade da amostra de solo. 02/07/2020 8 Índices físicos Método Speedy. 02/07/2020 9 Índices físicos Observação :Na natureza não existem solos com teor de umidade igual a zero. Esta condição é apenas obtida em laboratório, mesmo assim, após um determinado período exposto ao tempo, a amostra irá absorver a umidade do ar. 02/07/2020 10 Índices físicos Peso específico natural (γn ): É a relação entre o peso total (P) e o volume total (V). A umidade (w) é diferente de zero. 𝛾𝑛 = 𝑃 𝑉 O peso específico natural tem valores em torno de 19 a 20 kN/m³. Pode ser um pouco maior (21 kN/m³) ou um pouco menor (17 kN/m³). Casos especiais, como as argilas orgânicas moles, podem apresentar pesos específicos de 14 kN/m³. 02/07/2020 11 Índices físicos Peso específico natural (γn ): A unidade padrão é o kN/m3, mas as mais usadas são: g/cm3; kg/dm3; t/m3. OBS: se o solo estiver saturado, ou seja, com todos os seus vazios preenchidos pela água, teremos o peso específico saturado γsat, se o solo, além de saturado, estiver submerso, as partículas sólidas sofrerão o empuxo da água, e o peso específico efetivo do solo será o γsat menos o γw. Assim, γsub = γsat - γw 02/07/2020 12 Índices físicos Peso específico seco ( γd): É a relação entre o peso das partículas sólidas (Ps) e o volume total (V). 𝛾𝑑 = 𝑃𝑠 𝑉 A sua determinação é feita a partir do peso especifico do solo natural (γn ) e da umidade (w). A unidade padrão é o kN/m³, mas as mais usadas são: g/cm3; kg/dm3; t/m3. O peso específico seco tem valores em torno de 13 a 19 kN/m³ ( 5 a 7 kN/m³ no caso de argilas orgânicas moles). 02/07/2020 13 Índices físicos Peso específico dos sólidos ( γs): É a relação entre o peso das partículas sólidas (Ps) e o volume das partículas sólidas (Vs). Varia pouco de um solo a outro, oscilando entre 25 e 29 kN/m3, tendo valor menor para um solo com elevado teor de matéria orgânica, e valor maior para solo rico em óxido de ferro. 𝛾𝑠 = 𝑃𝑠 𝑉𝑠 A sua determinação é feita em laboratório. A unidade padrão é o kN/m3, mas as mais usadas são: g/cm3; kg/dm3; t/m3. Os valores situam-se em torno de 27 kN/m³. 02/07/2020 14 Índices físicos Peso específico da água ( γw): É a relação entre o peso da água (Pw) e o volume da água (Vw). 𝛾𝑤 = 𝑃𝑤 𝑉𝑤 = = 1 g/cm³ = 1 kg/dm³ = 1 t/m³ = 10 kN/m3 02/07/2020 15 Índices físicos Índice de vazios (e ): É a relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume das partículas sólidas(Vs). 𝑒 = 𝑉𝑣 𝑉𝑠 É adimensional e expresso em percentagem. É calculado a partir dos outros índices. Costuma ter valores entre 0,5 e 1,5. 02/07/2020 16 Índices físicos Porosidade ( n ): É a relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume total (V). η = 𝑉𝑣 𝑉 É adimensional e expresso em percentagem. Valores geralmente entre 30 e 70%. 02/07/2020 17 Índices físicos Grau de saturação (S%): É a porcentagem de água que preenche os vazios do solo 𝑆 = 𝑉𝑤 𝑉𝑣 É adimensional e expresso em percentagem. O valor varia de 0 a 100%. 02/07/2020 18 Índices físicos 02/07/2020 19 Cálculo dos índices físicos • Dos índices vistos, só três são determinados diretamente em laboratório: a umidade, o peso específico dos grãos e o peso específico natural. O peso específico da água é adotado; os outros são calculados a partir dos determinados. 02/07/2020 20 Índices físicos 02/07/2020 21 Relação entre os índices • 𝒏 = 𝒆 𝟏+𝒆 𝜸𝒏 = 𝜸𝒔 (𝟏+𝒘) 𝟏+𝒆 • 𝜸𝒅 = 𝜸𝒔 𝟏+𝒆 𝜸𝒔𝒂𝒕 = 𝜸𝒔+𝒆 𝜸𝒘 𝟏+𝒆 • 𝜸𝒅 = 𝜸𝒏 𝟏+𝒘 𝒆 = 𝜸𝒔 γ𝒅 -1 • 𝑺 = 𝜸𝒔 . 𝒘 𝒆 .γ𝒘 02/07/2020 22 Relação entre os índices • Todas as equações podem ser escritas em termos de massa específica (𝝆) 𝒏 = 𝒆 𝟏+𝒆 𝝆𝒏 = 𝝆𝒔 (𝟏+𝒘) 𝟏+𝒆 𝝆𝒅 = 𝝆𝒔 𝟏+𝒆 𝝆𝒔𝒂𝒕 = 𝝆𝒔+𝒆 𝝆𝒘 𝟏+𝒆 𝝆𝒅 = 𝝆𝒏 𝟏+𝒘 𝒆 = 𝝆𝒔 𝝆𝒅 -1 𝑺 = 𝝆𝒔 . 𝒘 𝒆 . 𝝆𝒘 02/07/2020 23 ATENÇÃO!!! Massa específica (𝝆) → g/cm³ Peso específico (γ) → kN/m³ X 10 Peso = massa . Gravidade P=m.g, sendo g=9,81 m/s² ~ 10 m/s² 02/07/2020 24 Exercício 1)O peso específico natural de um solo é 16,5 kN/m³. Sabendo que w=15% e γs= 27 kN/m³, determine: a) Peso específico seco (γd); b) Porosidade (n); c) Grau de saturação (S); 02/07/2020 25 Exercício 2)Uma amostra de solo úmido, com volume de 598 cm³ tem uma massa de 1010 g. Depois de seca em estufa, a massa da amostra passou para 918 g. Sabendo que o peso específico dos sólidos (γs) é 26,7 kN/m³, calcular: a) Teor de umidade (w); b) Peso específico natural (γn); c) Índice de vazios (e); d) Grau de saturação (S); e) Porosidade (n). 02/07/2020 26 Exercício 3)Um bloco indeformado de argila, com peso específico natural de 19,1 kN/m³ e teor de umidade de 29% apresenta um peso específico dos sólidos igual a 26,9 kN/m³. Para esse solo determinar: a) Peso específico seco (γd); b) Índice de vazios (e); c) Porosidade (n); d) Grau de saturação (S). 02/07/2020 27 Exercício 4) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: a) Peso específico natural b) Peso específico seco c) Peso específico saturado d) Índice de vazios e) Peso específico dos sólidos 02/07/2020 28 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1)é 805g. O volume correspondente é 500 cm3. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: a) Teor de umidade (w%); b) Massa de água (Mw); c) Volume de sólidos (Vs); d) Volume de vazios (Vv); e) Índice de vazios (e); f) Porosidade (η%); g) Peso específico natural (𝛾𝑛); h) Peso específico dos sólidos (γs); 02/07/2020 29 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: a) Teor de umidade (w%); Massa úmida/ Massa total (g) Massa seca(g) 𝑤 = 𝑀𝑤( 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎) 𝑀𝑠 ( 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠) = 𝑀ℎ−𝑀𝑠 𝑀𝑠 = 𝟖𝟎𝟓−𝟕𝟐𝟎 𝟕𝟐𝟎 𝑤 = 85 720 = 0,1180 . 100 = 11,8 % ≅ 𝟏𝟐% Transformar em porcentagem 02/07/2020 30 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: b) Massa de água (Mw); Mw = Mh( Massa úmida) – Ms (Massa seca) Mw = 805 – 720 = 85 g 02/07/2020 31 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: c) Volume de sólidos (Vs); V = VV+ Vs Vv=Vw Mw V M Vs Ms sólidos água 02/07/2020 32 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: c) Volume de sólidos (Vs); V = VV+ Vs Vv=Vw 85 𝝆𝒘 = 𝑴𝒘 𝑽𝒘 𝑽𝒘 = 𝑴𝒘 𝝆𝒘 500 805 Vs 720 𝑽𝒘 = 𝟖𝟓 𝟏 = 85 cm³ sólidos água 𝝆𝒘 = 1g/cm³ 02/07/2020 33 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: c) Volume de sólidos (Vs); V = Vv+ Vs 85 85 V = Vv+ Vs 500 805 500 = 85+ Vs Vs 720 500 – 85= Vs Vs = 415 cm³ sólidos água Vv = Vw VOLUME MASSA 02/07/2020 34 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: d) Volume de Vazios (Vv); V = Vv+ Vs 85 85 Vv = 85 cm³ 500 805 415 720 sólidos água Vv = Vw VOLUME MASSA 02/07/2020 35 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: e) Índice de Vazios (e); 85 85 e= 𝑉𝑣 𝑉𝑠 = 𝟖𝟓 𝟒𝟏𝟓 = 0,2 500 805 e= 0,2 415 720 sólidos água e= 𝑽𝒗 𝑽𝒔 VOLUME MASSA 02/07/2020 36 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: f) Porosidade(n); 85 85 n= 𝑉𝑣 𝑉 = 𝟖𝟓 𝟓𝟎𝟎 = 0,17 500 805 n= 𝑒 1+𝑒 = 𝟎,𝟐 𝟏+𝟎,𝟐 = 0,167 415 720 n= 16,7 % ≅ 𝟏𝟕% sólidos água n= 𝑽𝒗 𝑽 ou n= 𝒆 𝟏+𝒆 MASSA VOLUME 02/07/2020 37 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: g) Peso específico natural(γn); 85 85 𝜌n= 𝑀 𝑉 = 𝟖𝟎𝟓 𝟓𝟎𝟎 = 1,61g/cm³ 500 805 𝛾n=16,1 kN/m³ 415 720 sólidos água 𝜸n= 𝑷 𝑽 𝒐𝒖 𝜸𝒏 = 𝜸𝒔(𝟏+𝒘) 𝟏+𝒆 MASSA VOLUME 02/07/2020 38 1ª Lista de exercícios 1)A massa total de uma amostra saturada (S = 1) é 805g. O volume correspondente é 500 cm³. Esta amostra depois de seca passou a pesar 720g. Pede-se calcular: h) Peso específico dos sólidos(γs); 85 85 𝜌s= 𝑀𝑠 𝑉𝑠 = 𝟕𝟐𝟎 𝟒𝟏𝟓 = 1,73g/cm³ 500 805 𝛾s=17,3 kN/m³ 415 720 sólidos água 𝜸𝐬= 𝑷𝒔 𝑽𝒔 MASSA VOLUME 02/07/2020 39 1ª Lista de exercícios 2) Uma determinada amostra de solo tem massa específica natural de 1,80g/cm3 e teor de umidade de 30%. Qual o peso específico aparente seco (ɣd) ? • 𝝆n= 1,8 g/cm³ ɣn= 18 kN/m³ • w= 30%=0,3 𝜸𝒅 = 𝜸𝒏 𝟏+𝒘 = 𝟏𝟖 𝟏+𝟎,𝟑 = 𝟏𝟑, 𝟖𝟓 𝒌𝑵/𝒎³ 𝜸𝒅 = 𝜸𝒏 𝟏 + 𝒘 02/07/2020 40 1ª Lista de exercícios 3) Uma determinada amostra de um solo tem massa específica aparente seca de 1,7g/cm3 e teor de umidade de 23%. Qual o peso específico natural(ɣn)? • Ɣn= 20,91 kN/m³ 02/07/2020 41 1ª Lista de exercícios 4) Uma determinada amostra de um solo tem massa específica natural de 1,80g/cm3 e massa específica seca de 1,60g/cm3. Qual o teor de umidade(w) da amostra? • W= 12,5% 02/07/2020 42 1ª Lista de exercícios 5) O teor de umidade de uma amostra é de 25% e a massa inicial da amostra é de 300 g. Qual a quantidade de água(Mw) existente na amostra? • Mw=60g 02/07/2020 43 1ª Lista de exercícios 6)Para um dado solo, são conhecidos: 𝛾𝑠 = 26,8 𝑘𝑁/𝑚³, peso específico natural (𝛾𝑛 = 20,6 𝑘𝑁/𝑚³ e teor de umidade (w) = 16,6%. Determine: a) Peso específico seco (𝛾𝑑); (𝜸𝒅=17,67 kN/m³) b) índice de vazios (e); (e=0,52) c) Porosidade (n); (n=34,07%) d) Grau de saturação (S); (S= 85,55%) 02/07/2020 44 1ª Lista de exercícios 7) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: a) Peso específico natural b) Peso específico seco c) Índice de vazios d) Peso específico dos sólidose) Peso específico saturado 02/07/2020 45 1ª Lista de exercícios 7) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: a) Peso específico natural (𝛾𝑛); 𝜌𝑛 = 𝑀 𝑉 = 36 19 =1,895 g/cm³ 𝛾𝑛 = 18,95 kN/m³ 𝛾𝑛 = 𝑃 𝑉 𝜌𝑛 = 𝑀 𝑉 02/07/2020 46 1ª Lista de exercícios 7) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: b) Peso específico seco (𝛾𝑑); 𝛾𝑑 = 𝛾𝑛 1 + 𝑤 w= 𝑀ℎ−𝑀𝑠 𝑀𝑠 = 36−31 31 = 0,1613 𝑜𝑢 16,13% 𝛾𝑑 = 𝛾𝑛 1+𝑤 = 18,95 1+0,1613 =16,32 kN/m³ 𝜸𝒅 = 𝜸𝒏 𝟏 + 𝒘 02/07/2020 47 1ª Lista de exercícios 7) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: c) Índice de vazios (e); • Tenho que 𝛾𝑑 = 𝛾𝑠 1+𝑒 e 𝑆 = 𝛾𝑠.𝒘 𝑒.𝜸𝒘 ∗ 𝛾𝑑 = 16,32 𝑘𝑁 𝑚³ (determinado no item b) * w=16,13% ( determinado no item b) e= 𝜸𝒔 𝜸𝒅 -1 𝜸𝒘 = 𝟏𝟎 𝒌𝑵 𝒎³ 02/07/2020 48 1ª Lista de exercícios 8) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: c) Índice de vazios (e); • Isolar γ𝑠 → 𝛾𝑑 = 𝛾𝑠 1+𝑒 e, substituir em→ 𝑆 = 𝛾𝑠.𝒘 𝑒.𝜸𝒘 𝛾𝑑 = 𝛾𝑠 1+𝑒 → 𝛾𝑑.(1+e)= 𝛾𝑠 → 16,32 1 + 𝑒 = 𝛾𝑠 16,32+16,32e = 𝛾𝑠 Substituir a equação acima na fórmula da Saturação e= 𝜸𝒔 𝜸𝒅 -1 02/07/2020 49 1ª Lista de exercícios 8) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: c) Índice de vazios (e) 𝑆 = 𝛾𝑠.𝒘 𝑒.𝜸𝒘 = 𝟏𝟔,𝟑𝟐+𝟏𝟔,𝟑𝟐𝒆 .0,1613 𝑒.10 = 0,745 (16,32+16,32e).0,1613=7,45e 2,63+2,63e=7,45e 2,63=7,45e-2,63e 2,63=4,82e 2,63 4,82 =e → 𝑒 ≅ 0,55 e= 𝜸𝒔 𝜸𝒅 -1 02/07/2020 50 1ª Lista de exercícios 7) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: d) Peso específico dos sólidos(𝛾𝑠) e= 𝜸𝒔 𝜸𝒅 -1 → 𝒆 + 𝟏 = 𝜸𝒔 𝜸𝒅 → (e+1). 𝜸𝒅 = 𝜸𝒔 𝛾𝑠 =(e+1) . 𝛾𝑑=(0,55+1).16,32 𝛾𝑠 =8,976 + 16,32 𝛾𝑠 =25,29 kN/m³ 𝜸𝒔 ≅25,3 kN/m³ e= 𝜸𝒔 𝜸𝒅 -1 02/07/2020 51 1ª Lista de exercícios 7) 36 g de uma amostra de areia, confinada num recipiente, tem 74,5% de grau de saturação e ocupa um volume de 19 cm³. Após a secagem do solo em estufa a sua massa passou para 31 g. Obter: e) Peso específico saturado(𝛾𝑠at) 𝜸𝒔𝒂𝒕= 𝜸𝒔+𝒆.𝜸𝒘 𝟏+𝒆 = 𝟐𝟓,𝟑+𝟎,𝟓𝟓.𝟏𝟎 𝟏+𝟎,𝟓𝟓 = 19,87 kN/m³ 𝜸𝒔𝒂𝒕= 𝜸𝒔+𝒆.𝜸𝒘 𝟏+𝒆 02/07/2020 52 1ª Lista de exercícios • 8)Uma amostra de argila foi retirada de 2m de profundidade num terreno de várzea nas margens do rio Tietê, abaixo do nível d’água. Sua umidade é de 95%. Estime, só com este dado, seu índice de vazios e seu peso específico natural. (𝛾𝑠 = 26,5 𝑘𝑁/𝑚³) • S=1, pois o solo esta saturado • 𝑺 = 𝜸𝒔 . 𝒘 𝒆 .γ𝒘 = 𝟏 𝒆. 𝜸𝒘 = 𝜸𝒔 . 𝒘 𝒆 = 𝜸𝒔 .𝒘 𝜸𝒘 • 𝒆 = 𝟐𝟔,𝟓 . 0,95 𝟏𝟎 = 𝟐, 𝟓𝟐 • 𝜸𝒏 == 𝜸𝒔 (𝟏+𝒘) 𝟏+𝒆 = 𝟐𝟔,𝟓 (𝟏+𝟎,𝟗𝟓) 𝟏+𝟐,𝟓𝟐 = 𝟏𝟒, 𝟔𝟖 𝒌𝑵/𝒎³
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