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Compacidade das Areias, Consistência das Argilas e Classificação dos Solos

Disciplina: Mecânica dos Solos e Fundações

Prof. Caio Rubens

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Estado das Areias - Compacidade

O estado em que se encontra uma areia pode serexpresso pelo seu índice de vazios. Este dado isolado,entretanto, fornece pouca informação sobre ocomportamento da areia, pois se considerarmos duasareias diferentes, ambas com o mesmo índice de vazios,uma poderá estar compacta e a outra fofa. Por isso, énecessário analisar o índice de vazios natural de umaareia em confronto com os índices de vazios máximo emínimo em que ela pode se encontrar.

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Se uma areia pura, no estado seco, for colocadacuidadosamente em um recipiente, vertida através deum funil com pequena altura de queda, por exemplo, elaficará no seu estado mais fofo possível. Pode-se, então,determinar seu peso específico e dele calcular o índice

de vazios máximo (emáx).

A metodologia para determinação do índice de vaziosmáximo de uma areia é estabelecida pelo método deensaio NBR 12004 de 1990, da ABNT.

O procedimento de realização do ensaio segue,basicamente, as seguintes etapas:


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1. Tomar um cilindro de massa e volume conhecidos;2. Tomar uma porção seca da amostra a ser ensaiada;3. Preencher o interior do cilindro com a amostra a serensaiada utilizando um funil e deixar a amostra cair dealtura aproximada de 1cm de distância do fundo docilindro no caso da primeira camada; e de 1cm dedistância da superfície da amostra para as camadasseguintes;

4. Após preencher totalmente o cilindro com a amostra,nivelar a superfície com o auxílio de régua metálica;

5. Limpar totalmente a parte externa do cilindro;6. Pesar o conjunto cilindro+areia (massa cilindro+areia).


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Execução do ensaio para determinação do índice de vazios mínimo (emin)


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Para o cálculo do índice de vazios máximo, deve-seinicialmente determinar a massa específica(densidade) aparente seca mínima (ρd mínima),utilizando a seguinte expressão

ρρρρρρρρdd mínimamínima == MMamostraamostra // VVcilindrocilindro

Onde:Mamostra – massa da amostra seca, gVcilindro – volume do cilindro, cm3


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Com o valor de ρd mínima e conhecendo previamente amassa específica (densidade) dos grãos (ρs), calcula-seo emáx utilizando a seguinte expressão:

emáx = (ρs/ρd mínima)-1

Onde:

emáx – índice de vazios máximo

ρs – massa específica (densidade) dos grãos, g/cm3

ρd mínima – massa específica (densidade) aparenteseca mínima, g/cm3


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Vibrando-se uma areia dentro de um molde, ela ficará noseu estado mais compacto possível. A este estadocorresponde o índice de vazios mínimo (emín).

A metodologia para determinação do índice de vaziosmínimo de uma areia é estabelecida pelo método deensaio NBR 12051 de 1991, da ABNT.

O procedimento de realização do ensaio segue,basicamente, as seguintes etapas:


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1. Tomar um cilindro com massa e volume conhecidos;2. Prender o colarinho no topo do cilindro;3. Tomar uma porção seca da amostra de areia a ser ensaiada;

4. Preencher o cilindro com areia até aproximadamente 10 cm acima do nível superior do cilindro;

5. Colocar na parte superior do cilindro a sobrecarga com massa padronizada pelo método de ensaio

6. Colocar o conjunto (cilindro com areia e colarinho), com a sobrecarga no topo do cilindro, em uma mesa vibratória;

7. Ligar a mesa vibratória e agitar todo o conjunto de forma que a sobrecarga desça compactando a amostra;


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7. Após a compactação da amostra, retirar o conjunto da mesa vibratória;

8. Retirar o colarinho do conjunto, nivelar a superfície da amostra utilizando a régua metálica e pesar (massa cilindro+amostra);

9. Pode-se Realizar um ensaio de granulometria,

utilizando a seqüência de peneiras indicada na ABNT

NBR 7181:1984, na amostra antes da execução deste

ensaio e outro depois, para verificar se ocorreu

quebra de material.


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Para o cálculo do índice de vazios mínimo, deve-se inicialmente determinar a massa específica (densidade) aparente seca máxima (ρd máxima), utilizando a seguinte expressão

ρρρρρρρρd máxima d máxima = M= Mamostraamostra / V/ Vcilindrocilindro

Onde:Mamostra – massa da amostra seca, gVcilindro – volume do cilindro, cm3


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Com o valor de ρd máxima e conhecendo previamente a massa específica (densidade) dos grãos (ρs), calcula-se o emín utilizando a seguinte expressão:

emín = (ρρρρs/ρρρρd)-1

Onde:emín – índice de vazios mínimoρs – massa específica (densidade) dos grãos, g/cm3

ρdmáxima – massa específica (densidade) aparente seca máxima, g/ cm3


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Os valores dos índices de vazios máximos e mínimosdependem das características da areia.

Descrição da areia emín emáx

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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Os valores são tão maiores quanto mais angulares são os grãos e quanto mais mal graduadas as areias.

Consideremos uma areia A com emin de 0,6 e emax de 0,9; e uma areia B com emin de 0,4 e emax de 0,7.

Se as duas areias estiveremcom e = 0,65, a areia Aestará compacta e aareia B estará fofa.


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O estado de uma areia, ou sua compacidade, pode serexpresso pelo índice de vazios no qual ela seencontra, em relação aos valores extremos (emax,emin), pelo Índice de Compacidade Relativa (CR):

ee

ee

mínmáx

natmáxCR

−

−=

Onde:

emax – índice de vazios máximo

emin – índice de vazios mínimo

enat – índice de vazios natural (no qual o solo se encontra)


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Quanto maior a CR mais compacta é a areia. Terzaghisugere a seguinte terminologia:

Classificação CR

Areia fofa Abaixo de 0,33

Areia de compacidade média Entre 0,33 e 0,66

Areia compacta Acima de 0,66

Em geral, areias compactas apresentam maiorresistência e menor deformabilidade. Estascaracterísticas, entre as diversas areias, dependemtambém de outros fatores, como a distribuiçãogranulométrica e o formato dos grãos. Entretanto acompacidade é um fator importante.


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Estado das Argilas - ConsistênciaQuando se manuseia uma argila, percebe-se uma certaconsistência, ao contrário das areias que se desmanchamfacilmente. Por esta razão, o estado em que uma argila seencontra costuma ser indicado pela resistência que elaapresenta.

A consistência das argilas pode ser quantificada por meio deum ensaio de compressão simples, que consiste naruptura de um corpo-de-prova de argila, geralmentecilíndrico.

A carga que leva o corpo-de-prova a ruptura, dividida pelaárea da seção deste corpo-de-prova (tensão decompressão) é denominada a resistência à compressão

simples da argila (a expressão simples indica que o corpo-de-prova não é confinado durante o ensaio).

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Estado das Argilas - ConsistênciaDe acordo com o valor da Resistência à compressãosimples, a consistência das argilas pode serclassificado de acordo com a tabela a seguir:

Consistência Resistência, em kPa

Muito mole < 25

Mole 25 a 50

Média 50 a 100

Rija 100 a 200

Muito rija 200 a 400

Dura >400

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Estado das Argilas - ConsistênciaSensitividade das argilas

A resistência das argilas depende do arranjo entre osgrãos e do índice de vazios em que se encontra.Certas argilas, quando submetidas ao manuseio, temsua resistência diminuída, ainda que o índice devazios seja mantido constante.

Sua consistência após o manuseio (amolgada) serámenor que em seu estado natural (indeformada). Essefenômeno que ocorre de maneira diferente conforme aformação argilosa, é chamado de sensitividade da

argila.

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Estado das Argilas - ConsistênciaA sensitividade da argila é bem observada quando sãocomparados os valores de resistência à compressãosimples quando o ensaio é realizado com a amostrade argila em seu estado natural e com a amostracompletamente remoldada, mas com mesmo índicede vazios.

Resistência a compressão da amostra indeformada

Resistência a compressão da amostra amolgada

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Estado das Argilas - ConsistênciaA relação entre a resistência no estado natural e aresistência no estado amolgado é definida com asensitividade da argila (S):

Ra

RiS =

Onde:

Ri - resistência no estado natural (indeformada)

Ra - resistência no estado amolgado

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Estado das Argilas - ConsistênciaDe acordo com a sensitividade as argilas sãoclassificadas da seguinte forma:

Sensitividade Classificação

1 Insensitiva

1 a 2 Baixa sensitividade

2 a 4 Média sensitividade

4 a 8 Sensitiva

> 8 Ultra sensitiva (quick clay)

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Estado das Argilas - ConsistênciaA sensitividade pode ser atribuída ao arranjo estruturaldas partículas, estabelecido durante o processo desedimentação. Rompida essa estrutura, a resistênciadesse solo será menor, ainda que o índice de vaziosseja o mesmo. Por esta razão, a sensitividade étambém referida com índice de estrutura.

A sensitividade das argilas é uma característica degrande importância, pois indica que, se a argila vier asofrer uma ruptura, sua resistência após estaocorrência será menor, além de estimar o quantomenor esta resistência será.

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Estado das Argilas - ConsistênciaÍndice de Consistência

Quando uma argila se encontra remoldada o seu estadopode ser expresso pelo seu índice de vazios. Porémcomo as argilas comumente encontram-se saturadas,e neste caso o índice de vazios depende diretamenteda umidade, o estado em que a argila se encontracostuma ser expresso pelo teor de umidade.

Como o teor de umidade por si só não indica o estadoda argila, é necessário analisá-lo com relação aosteores de umidade correspondentes acomportamentos semelhantes, esses teores são oslimites de consistência.

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Estado das Argilas - ConsistênciaQuando se manuseia uma argila e se avalia a suaumidade, o que se percebe não é o teor de umidade,mas sim a umidade relativa.

Considerando 2 argilas diferentes,uma argila A que tenha LL=80%e LP=30%, e uma argila B quetenha LL=50% e LP=25%.Quando a argila A estiver comumidade de 80% e a argila Bcom umidade de 50%, as duasestarão com comportamentosemelhante, com a consistênciaque corresponde ao limite deliquidez.

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Estado das Argilas - ConsistênciaAssim, pode-se dizer que ao se manusear duas argilasdiferentes, porém ambas com umidadecorrespondente ao limite de plasticidade (LP), éprovável que se tenha a “impressão” de que as duasestão com o mesmo teor de umidade.

Para indicar a posição relativa da umidade aos limites demudança de estado, Terzaghi propôs a seguinteexpressão para a determinação do índice deconsistência (IC):

LPLL

wLLIC

−

−=

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Estado das Argilas - ConsistênciaDe acordo com o valor do índice de consistência (IC), aconsistência da argila pode ser estimada de acordocom a tabela a seguir:

Consistência Índice de consistência

Mole < 0,5

Média 0,5 a 0,75

Rija 0,75 a 1,0

Dura > 1,0

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Estado das Argilas - ConsistênciaComo os índices de consistência (LL e LP) sãodeterminados com a fração do solo que passa napeneira com malha de abertura 0,42mm, a expressãodo índice de consistência só é aplicável diretamentepara solos que passam integralmente nesta peneira.Havendo grãos retidos deve-se considerar que grãosmaiores requerem menos água para o seurecobrimento.

O índice de consistência (IC) não tem significado quandoaplicado a solos não saturados, pois esses solospodem estar com elevado índice de vazios e baixaresistência e sua umidade ser baixa, o que indicariaum índice de consistência alto.

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Classificação dos solosSOLO

(denominação)

Propriedades Índices (Fácil

determinação em laboratório)

• granulometria

• LL, LP, IP

Propriedades do solo

• Resistência

• Deformabilidade

• Permeabilidade

Estimativa

Relação biunívoca

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Classificação dos solosTipos de classificação usuais:

Classificação Unificada: Considera o tamanho dos grãos eos índices de consistência do solo quando trata-se de solopredominantemente fino.

Classificação Rodoviária (HRB): Mais utilizada naengenharia rodoviária, também considera o tamanho dosgrãos e os índices de consistência do solo.

Classificação pela origem do solo: Considera a origempedológica do solo (rocha que lhe deu origem).

Classificações regionais: Classificação MCT para solostropicais, solos que tem peculiaridades de comportamentosomente encontrados em regiões de clima tropical.

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Classificação dos solosClassificação Unificada

Originalmente elaborada por Casagrande para obras deaeroportos, tendo seu emprego sido generalizado. Hoje emdia é utilizada principalmente pelos geotécnicos quetrabalham com barragens de terra.

Nesse sistema de classificação os solos são identificadospor 2 letras, sendo a primeira relativa ao tipo principal dosolo e a segunda corresponde aos seus dadoscomplementares.

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Classificação dos solosPrimeira letra –

Tipo principal do solo

G – pedregulho

S – areia

M – silte

C – argila

O – solo orgânico

Segunda letra –

Informação complementar

W – bem graduado

P – mal graduado

H – alta compressibilidade

L – Baixa compressibilidade

Pt – Turfa

Primeiro passo: Identificar se o solo é grosseiro ou fino

Se a % que passa na peneira de abertura 0,0075 (n°200) < 50% -Solo de graduação grosseira: G ou S

Se a % que passa na peneira de abertura 0,0075 (n°200) > 50% -Solo fino: M, C ou O

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Classificação dos solos

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Classificação dos solosSe o solo for de graduação grosseira:

Segundo passo: Será classificado como pedregulho (G) ou areia (S) dependendo de qual destas duas frações predominar na granulometria do solo (curva granulométrica do ensaio de granulometria).

Terceiro passo: Determinar as características secundárias do solo

Solo de graduação predominantemente grosseira: quando a porcentagem de finos (< 0,075 mm) for menor que 5%: Interessa saber somente se é “bem graduado” ou “mal graduado”.

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60

D

DCNU =

Coeficientes que indicam se o solo é bem ou mal graduado

6010

2

30)(

DD

DCC

×=

Onde:

CNU – coeficiente de não uniformidade

D60 – diâmetro na curva granulométrica que a % que passa é igual a 60


Onde:

CC – coeficiente de curvatura


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Classificação dos solosO CNU indica a amplitude dos tamanhos dos grãos.

O CC detecta melhor o formato da curva granulométrica e permiteidentificar descontinuidades ou concentração de grãos maisgrossos no conjunto.

Exemplo de classificações: GW (pedregulho bem graduado), SP(areia mal graduada)

Terceiro passo: Determinar as características secundárias dosolo

Solo de graduação grosseira quando a porcentagem de finos(<0,075 mm) for maior que 12%: Já não importa a uniformidadegranulométrica mas sim as propriedades desses finos. O quedeterminará a característica secundária será o posicionamento doponto representativo dos índices de consistência na carta deplasticidade.

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Exemplos de classificações: GC (pedregulho argiloso), SM (areia siltosa)

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Classificação dos solosTerceiro passo: Determinar as características secundárias do solo

Solo de graduação grosseira quando a porcentagem de finos (<0,075 mm) estiver entre 5% e 12%: A classificação pede que sejam apresentadas as duas características secundárias: uniformidade da granulometria e propriedades dos finos.

Determinar os coeficientes CNU e CC e verificar, ainda, a posição do ponto representativo dos índices de consistência na carta de plasticidade.

Exemplo de classificação: SP-SC (areia mal graduada, argilosa)

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Classificação dos solosSe o solo for fino:

Segundo passo: Será classificado como silte (M), argila (C) ousolo orgânico (O), não em função da quantidade de cada fração(granulometria), pois como vimos anteriormente o que determinao comportamento argiloso do solo não é só a quantidade deargila, mas também a sua atividade. Os índices de consistênciasão o que melhor indicam o comportamento argiloso do solo.

Na concepção do sistema da Classificação Unificada,Casagrande notou que colocando o IP do solo em função do LLnum gráfico, os solos de comportamento argiloso se faziamrepresentar por um ponto localizado acima de uma linhainclinada, denominada Linha A. Solos orgânicos, ainda queargilosos, e solos siltosos são representados por pontos abaixoda linha A.

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Classificação dos solosOs solos orgânicos se distinguem dos solos siltosos pelo seuaspecto visual, pois se apresentam com uma coloração escuratípica (marrom escuro, cinza escuro ou preto).

Característica complementar: é indicada a compressibilidade dosolo. Como já visto anteriormente o solo é tão mais compressivoquanto maior o seu LL, então o sistema classifica com de altacompressibilidade (H), o solo cujo LL é maior que 50% e de baixacompressibilidade o solo cujo LL é menor que 50%, como semostra na carta de plasticidade (linha B).

Exceção: Quando os índices indicam uma posição muito próximaàs linhas A ou B (ou sobre a faixa de IP de 4 a 7), é consideradoum caso intermediário e as duas classificações são apresentadas.Exemplos: CL-ML (argila siltosa de baixa compressibilidade).

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Classificação dos solosO sistema ainda considera a classificação de turfa (Pt), quesão solos muito orgânicos onde a presença de fibrasvegetais em decomposição parcial é preponderante.

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Esquema para classificação pelo Sistema Unificado

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Classificação dos solosClassificação Unificada – Resumo Solos de graduação grosseira

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Classificação dos solosClassificação Unificada – Resumo Solos de graduação grosseira

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Classificação dos solosClassificação Unificada – Resumo Solos Finos

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compacidade das areias, consistência das argilas e ... · 7.ligar a mesa vibratória e agitar todo...

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