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LABORATÓRIO DE MECÂNICA DOS SOLOS Primeiro Semestre de 2018

DCC - UFPR Sala 29

Quinta-feira

AULA 2 - O ESTADO DO SOLO

Professora: Larissa De Brum Passini

Num solo, só parte do volume total é ocupado pelas partículas sólidas, que se

acomodam formando a estrutura. O volume restante costuma ser chamado de vazios,

embora seja ocupado por água ou ar. O comportamento depende da quantidade

relativa de cada uma das três fases: sólidos, ar e água.

(desenho)

2

1. ÍNDICES FÍSICOS ENTRE AS TRÊS FASES

3

A evaporação pode fazer diminuir a quantidade de água substituindo por ar, e a

compressão do solo poder provocar a saída de água e ar, reduzindo o volume de

vazios. O solo, no que se refere ao volume de partículas sólidas, permanece o mesmo.

Quando o volume de vazios diminui, a resistência do solo aumenta.

Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam as três

fases, tanto em peso quanto em volume.


4

Umidade (w): relação entre o peso da água e o peso dos sólidos. Utiliza-se estufa em

laboratório para se determinar a umidade, o que situa-se entre 10% e 40%, podendo

ocorrer valores muito baixos (solos secos) ou muito altos (150% ou mais).

Índice de vazios (e): relação entre o volume de vazios e o volume das partículas sólidas.

Situa-se entre 0,5 a 1,5. Argilas orgânicas podem apresentar valores superiores a 3.

w=𝑷

𝒘

𝑷𝒔

𝐱 𝟏𝟎𝟎


e =𝑽

𝒗

𝑽𝒔

5

Porosidade (n): relação entre o volume de vazios e o volume total. Valores geralmente

em torno de 30% e 70%.

Grau de saturação (S): relação entre o volume de água e o volume vazios. Os valores

variam de zero (solo seco) e 100% (solo saturado).


S =𝑽

𝒘

𝑽𝒗 x 100

n =𝑽

𝒗

𝑽 𝐱 𝟏𝟎𝟎

6

Peso específico dos sólidos ou dos grãos (γs): É uma característica dos sólidos, sendo a

relação entre o peso das partículas e o seu volume. Determina-se com o uso de um

picnômetro, água e o solo em questão. Grãos de quartzo (areia) apresentam peso

específico de 26,5 kN/m³ e argilas lateríticas, em virtude da presença de ferro,

apresentam peso específico de 30 kN/m³.

(VÍDEO)

γs =𝑷

𝒔

𝑽𝒔


7


Massa específica real dos grãos

Ensaio do

picnômetro

8

Peso específico da água (γw): Embora varie com a temperatura, adota-se valores de 10kN/m³.

Peso específico natural (γn): Relação entre o peso total do solo e o seu volume. Os valores

variam entre 19 e 20 kN/m³. Podendo ser maior que 21 kN/m³ ou menor que 17 kN/m³.

Argilas orgânicas apresentam valores de 14 kN/m³.

γn =𝑷

𝑽


γw =𝑷𝒘

𝑽𝒘

9

Peso específico aparente seco (γd): Relação entre o peso dos sólidos e o volume total. Os

valores variam entre 13 e 19 kN/m³. Argilas orgânicas apresentam valores de 5 a 7 kN/m³.

γd =𝑷

𝒔

𝑽


10

Peso específico saturado (γsat): Peso específico do solo saturado sem variação de

volume. Valores na ordem 20 kN/m³.

Peso específico submerso (γsub): Peso específico efetivo do solo quando submerso.

Serve para os cálculos de tensões efetivas. Igual ao peso especifico natural (γn) do solo

ou saturado (γsat) menos o peso específico da água.

γsub = γn – γw = γsat – γw


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Apenas três índices são determinados diretamente em laboratório, sendo: umidade

(w), peso específico dos grãos (γs) e peso específico natural (γn). Os demais índices

são obtidos através de correlações.

w=𝑷

𝒘

𝑷𝒔

𝐱 𝟏𝟎𝟎

γs =𝑷

𝒔

𝑽𝒔

γn =𝑷

𝑽

2. CÁLCULO DOS ÍNDICES DE ESTADO

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Massas específicas: relação entre massa e volume (ton/m³; kg/m³; g/cm³).

(γ) Peso específico = (ρ) massa específica x (g) aceleração da gravidade

Aceleração da gravidade = 9,81 m/s² ≈ 10 m/s²

Ex: γ de 18 kN/m³ = ρ de 1,8 kg/m³ x g de 10 m/s²

Sistema Internacional de unidades (SI): massa 1 kg de água = 10 N (peso)

Sistema técnico de unidade: massa 1kg de água = 1kgf (peso)

Densidade: um número adimensional (sem dimensão). Relação de pesos, sendo o

peso específico de um material e o peso específico da água.

𝟏𝐍 = 𝒌𝒈𝒇. 𝒎

𝒔²

2. CÁLCULO DOS ÍNDICES DE ESTADO

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• O índice de vazios fornece informações sobre o comportamento das areias.

Se uma areia pura, no estado seco, for colocada cuidadosamente em um recipiente,

vertida através de um funil com pequena altura de queda, por exemplo, ela ficará no

estado mais fofo possível. Determina-se o seu peso específico e, a partir dele, o índice

de vazios máximo.

3. ESTADO DAS AREIAS - COMPACIDADE

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Vibrando uma areia dentro de um molde, ela ficará no seu estado mais compacto

possível. A ele corresponde o índice de vazios mínimo.

• O índices de vazios mínimo e máximo dependem das características da areia.

Descrição da areia emin emax

Areia uniforme de grãos angulares 0,70 1,10

Areia bem graduada de grãos angulares 0,45 0,75

Areia uniforme de grãos arredondados 0,45 0,75

Areia bem graduada de grãos arredondados 0,35 0,65


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A compacidade também pode ser chamada de densidade relativa da areia.

Classificação Densidade relativa (%)

Areia fofa Abaixo de 33%

Areia media Entre 33% e 66%

Areia compacta Acima de 66%

Dr = 𝒆

𝒎𝒂𝒙 − 𝒆

𝒆𝒎𝒂𝒙

−𝒆𝒎𝒊𝒏

x 100


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A consistência das argilas é uma medida de resistência e pode ser determinada através

de um ensaio de compressão simples (será abordado em aulas futuras), sendo simples

porque o corpo de prova não é confinado (procedimento muito utilizado em mecânica

dos solos).

Consistência Resistencia (kPa)

Muito mole < 25

Mole 25 a 50

Média 50 a 100

Rija 100 a 200

Muito rija 200 a 400

Dura > 400

4. ESTADO DAS ARGILAS - CONSISTÊNCIA

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A resistência das argilas depende do arranjo entre os grãos e do índice de vazios.

Certas argilas após o manuseio (amolgado) mudam sua resistência, sendo inferior ao

estado original (indeformado). Este fenômeno é chamado de sensitividade da argila. A

sensitividade pode ser bem observada em dois ensaios de compressão simples, sendo

o primeiro ensaio com a amostra natural e o segundo com a amostra remoldada,

mantendo o mesmo índice de vazios. A sensitividade da argila é uma característica

importante, pois indica que, se a argila vier a sofrer ruptura, sua resistência após esta

ocorrência é bem menor.

SENSITIVIDADE DAS ARGILAS

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𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒊𝒏𝒅𝒆𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂𝒅𝒂

𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒎𝒐𝒍𝒈𝒂𝒅𝒂

Sensitividade Classificação

1 Insensitiva

1 a 2 Baixa sensitividade

2 a 4 Média sensitividade

4 a 8 Sensitiva

> 8 Ultra sensitiva Solos sedimentares e residuais.

SENSITIVIDADE DAS ARGILAS

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Proposto por Terzaghi, relaciona o índice de vazios e o teor de umidade da argila.

Aplicado apenas a solos saturados – solos sedimentares.

𝐈𝐂 =𝐋𝐋 − 𝐰

𝐋𝐋 − 𝐋𝐏

Consistência IC

Mole < 0,5

Média 0,5 a 0,75

Rija 0,75 a 1,0

dura > 1,0

ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA

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O objetivo da classificação do solo é poder estimar o provável comportamento do solo

e orientar para o programa de investigação necessário para permitir a adequada

analise de um problema.

Existem diversas formas de classificar um solo, como pela sua origem, evolução,

presença ou não de matéria orgânica, pela estrutura, pelos vazios, etc. Os sistemas

baseados no tipo e no comportamento das partículas que constituem o solo são os

mais adequados para engenharia (granulometria e limites de Atterberg).

A IMPORTÂNCIA DA CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS

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Solo com menos de 50% passante na peneira #200 (0,075 mm) é considerado solo granular grosseiro G ou S.

Solo com mais de 50 % passante na peneira #200 (0,075 mm) é considerado solo fino M, C, ou O.

-50%

+ 50%

CLASSIFICAÇÃO UNIFICADA

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Solos granulares: menos de 50% passante na peneira #200 (0,075 mm) G ou S.

#4

#200

???

Cc= coeficiente de curvatura

Cu = coeficiente de uniformidade


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Um solo granular pode ser bem graduado (grãos de diversos diâmetros – melhor comportamento no ponto de vista de engenharia) ou mal graduado (predomínio de grãos de um certo diâmetro).

𝐶𝑢 =𝐷60

𝐷10

D10 e D60 são diâmetros correspondentes a porcentagem passante da curva granulométrica.

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Solo granular Cc = coeficiente de curvatura Cu = coeficiente de uniformidade Um pedregulho é bem graduado quando Cu é maior que 4. Uma areia é bem graduada quando Cu é superior a 6 e Cc está entre 1 e 3.

𝐶𝑐 =𝐷30²

𝐷10. 𝐷60

𝐶𝑢 =𝐷60

𝐷10

CC menor que 1 curva descontínua (falta de grãos de certo diâmetro).

CC maior que 3 curva uniforme na parte central.

Cc = 0,5 Cu = 6

Cc = 5 Cu = 6

Cc = 2 Cu = 6

CC entre 1 e 3 indica material bem graduado.

D10, D30 e D60 são diâmetros correspondentes a porcentagem passante da curva granulométrica.


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Solo fino (siltes e argilas): com mais de 50 % passante na peneira #200 (0,075 mm) é considerado solo fino M, C, ou O.

𝑙𝐼𝑁

𝐻𝐴

𝐵

Solo argiloso (Clay)

Solo siltoso (Mo) ou

orgânico (Organic)

High

Low


26


PONTES, A. 2017. AVALIAÇÃO DA VARIABILIDADE ESPACIAL DE UM TALUDE ATRAVÉS DE INVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO-GEOTÉCNICAS DIRETAS E INDIRETAS. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Paraná

27


28

Originalmente proposto pelos EUA.

Baseado na granulometria e nos limites de Atterberg.

Solo com menos de 35% passante na peneira #200

são do grupo A1, A2 e A3.

SISTEMA RODOVIÁRIO DE CLASSIFICAÇÃO

29


29 Solos grossos Areias finas Areias com finos

30

Solo com mais de 35% passante na peneira #200 são do grupo A4, A5, A6 e A7.


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CLASSIFICAÇÃO DO SOLO

Engenheiros de rodovias fazem uso do sistema rodoviário de classificação.

Engenheiros de barragens fazem uso do sistema unificado de classificação.

Engenheiros de fundações não fazem uso de nenhum destes sistemas.

Muitas vezes ocorre discrepância entre o comportamento observado de um solo com a as classificação clássica, devido ao fato de serem solos residuais ou lateríticos, não podendo ser interpretados como os solos transportados, sendo que os sistemas foram elaborados para solos transportados de clima temperado.

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Os solos podem ser divididos em dois grandes grupos: residuais ou transportados (sedimentar). • Os solos residuais são oriundos da decomposição da rocha mãe no próprio local que se formaram. Os

solos residuais apresentam-se em horizontes com grau de intemperismo decrescente com a profundidade, podendo ser divido em solos residual maduro, solo saprolítico, e rocha alterada.

• Solo residual maduro: Não apresenta a estrutura da rocha mãe, sendo um solo relativamente homogêneo.

• Solo saprolítico: Mantem a estrutura original da rocha mãe, incluindo veios intrusivos, fissuras, xistosidade, mas perdeu a consistência de rocha. Pode ser confundido com rocha alterada visualmente. Porém apresenta pequena resistência ao manuseio. Podendo ser chamado de solo residual jovem ou alteração de rocha.

• Rocha alterada: A alteração progrediu ao longo de fissuras ou zonas de menor resistência, deixando intactos grandes blocos de rocha original.

CLASSIFICAÇÃO DO SOLO - ORIGEM

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Solos residuais


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• Quando o resíduo intemperizado de uma rocha é transportado para outro local.

• Formam geralmente depósitos mais inconsolidados e fofos que os residuais e com profundidade variável.

Solos transportados

Solo coluvionares: transportados pela ação da gravidade. Muito sujeitos a movimentos de rastejo.

Depositados superficiais depositados sobre solos residuais.

Solos aluvionares: transportados pela água. Localizados mas várzeas de rios.

Solos eólicos: transportados pelo vento. Provoca o arredondamento das partículas.

Solos glaciais: transportados pelas gelerias.


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Solos transportados orgânicos

• Formados em bacias e depressões continentais, baixadas marginais dos rios e baixadas litorâneas.

• Mistura de material transportado + matéria orgânica decomposta.

• Características: cor escura, cheiro forte e granulometria fina.

• Provavelmente este é o pior tipo de solo para os propósitos da engenharia geotécnica.

Turfa: Material fibroso, com alto teor de C, baixíssima resistência e alta compressibilidade, cuja matéria orgânica provém da decomposição de folhas, caules e troncos.


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Solos lateríticos

• É uma classificação da pedologia. Solos típicos de climas quentes e úmidos.

• Caracteriza-se pela ocorrência de lixiviação, que ocorre pelo excesso de chuvas ou irrigação.

• Fração argila predominantemente de minerais cauliníticos com elevada concentração de ferro (Fe) e

alumínio (Al) na forma de óxidos e hidróxidos, com coloração avermelhada.

• Geralmente são solos não saturados com índice de vazios elevado, resultando em pequena capacidade de

suporte.

• Quando compactados apresentam elevada capacidade de suporte devido a redução do índice de vazios.

Sendo muito empregando em aterros e em pavimentação.

• Origem: solo residual ou transportado.

CLASSIFICAÇÃO DO SOLO – ESTRUTURA & ORIGEM

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Solos saprolíticos

• Solo residual jovem ou solo de alteração de rocha.

• Solo que mantem a estrutura origina da rocha que lhe deu origem.

• Geralmente corresponde a camada mais profunda do perfil de solo tropical.

• Podem predominar argilominerais como Ilita, montmorilonita entre outros minerais primários na

zona menos intemperizada.

• Estes solos não apresentam argilominerais recobertos por óxidos de ferro (Fe) e alumínio (Al).


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SOLOS SAPROLÍTICOS SOLOS LATERÍTICOS X

39

SOLOS SAPROLÍTICOS SOLOS LATERÍTICOS X

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Solos colapsíveis

• Solos não saturados, com estrutura porosa ou instável, com partículas ligadas por argila, óxido de ferro,

alumínio ou carbonatos.

• Origem recente e de fácil drenagem, de regiões tropicais úmidas com lixiviação dos horizontes

superficiais.

• Em regiões de alternância de estações secas e chuvas intensas e concentradas. Onde a

evapotranspiração excede a precipitação.

• Apresentam uma considerável e rápida compressão quando submetidos a um aumento de umidade se

que varie a tensão total a que estejam submetidos.


Solos expansívos

• Solos não saturados;

• Solos com minerais argílicos – montmorilonita ou vermiculita;

• Apresentam contração ou expansão – quantidade de água;

• Baixa drenagem e alta atividade;

• Derivamos de rochas ígneas (basalto, diabásio e gabros) e rochas sedimentares (folhelhos, margas e calcários);

• Em regiões onde a evapotranspiração excede a precipitação – regiões semi-áridas de clima tropical e

temperado.


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LEITURA E EXERCÍCIOS PARA CASA

Livro: Curso Básico de Mecânica dos Solos, Carlos de Sousa Pinto

• Capítulo 1 – ORIGEM E NATUREZA DO SOLO 1.3; 1.5;1.6;1.7;1.8;1.9

• Capítulo 2 – O ESTADO DO SOLO 2.1; 2.2; 2.3; 2.4; 2.5;2.6; 2.8; 2.12; 2.13

• Capítulo 3 – CLASSIFICAÇÃO DO SOLO 3.1

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