Apost. Solos - 2008

Mecânica dos Solos – João CarlosPágina 1 1. INTRODUÇÃO AO CURSO 1.1 DEFINIÇÃO E OBJETIVOS DA MECÂNICA DOS SOLOS a) Definição: A mecânica dos solos é uma ciência que estuda o comportamento dos solos, através das características físicas e as suas propriedades mecânicas (equilíbrio e deformação) quando submetido a acréscimos ou alívio de tensões. Ou seja, é a ciência que procura descobrir, entender, explicar e correlacionar às propriedades dos solos. Todas as obras de Engenharia Civil se assentam sobre o terreno e inevitavelmente requerem que o comportamento do solo seja devidamente considerado. b) Objetivo: no passado. Além de ter como objetivo principal, oferecer ao profissional de construção civil ferramentas e conceitos teóricos-práticos para conhecimento do comportamento deste material (solo), indispensáveis na atuação de construção de obras de terra e aos aspectos geotécnicos de fundações. Substituir por métodos científicos os métodos empíricos aplicados 1.2 PROBLEMA DA MECÂNICA DOS SOLOS A própria natureza do solo, que é complexa. O solo não possui uma relação linear quanto à relação tensão/deformação; O comportamento do solo depende da pressão, do tempo e do meio físico (tipo de solo); O solo apresenta qualidade muito heterogênea, variando de ponto para ponto; A análise de um solo é feita por amostragem de alguns pontos do terreno. 1.3 SOLO SOB O PONTO DE VISTA DA ENGENHARIA Solo é a denominação que se dá a todo material de construção ou mineração da crosta terrestre escavável por meio de pá, picareta, escavadeira, etc, sem necessidade de explosivos. Esta definição não tem sustentação do ponto de vista científico. Geologicamente, define-se como sendo o material resultante da decomposição das rochas pela ação de agentes de intemperismo. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 2 1.4 EMPREGO DO SOLO NA ENGENHARIA CIVIL (aplicações) Solo como material de construção: Aterros, Barragens de Terra, Base e Subbase de Pavimentos, etc. Solo como suporte de fundação: Valas, Sapatas, Blocos, Estacas, Tubulões, Subleito, etc. 1.5 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA MECÂNICA DOS SOLOS Os primeiros trabalhos sobre o comportamento dos solos datam do século XVII. COULOMB, 1773, RANKINE, 1856 e DARCY, 1856, publicaram importantes trabalhos sobre o comportamento dos solos. O acúmulo de insucessos em obras de Engenharia observados no início do século XX como: - O escorregamento de solo durante a construção do canal do Panamá, 1913; - Rompimento de grandes Barragens de Terra e Recalque em Grandes edifícios, 1913; - Escorregamento de Muro de Cais na Suécia, 1914. O Levou em 1922 a publicação pelos suecos de uma nova teoria para o cálculo e Estabilidade de taludes; - Deslocamento do Muro de cais e escorregamento de solo na construção do canal de Kiev na Alemanha, 1915. Em 1925 o professor Karl Terzaghi publicou seu primeiro livro de Mecânica dos solos, baseado em estudos realizados em vários países, depois do início dos grandes acidentes. A mecânica dos solos nasceu em 1925 e foi batizada em 1936 durante a realização do primeiro Congresso Internacional de Mecânica dos Solos. Em meados de 1938 foi instalado o primeiro Laboratório de Mecânica dos solos em São Paulo. Em novembro de 1938 foi instalado o Laboratório de Solos e Concreto da Inspetoria Nacional de Obras Contra a Seca em Curemas Paraíba. 2. ORIGEM, FORMAÇÃO E ESTRUTURA DOS SOLOS Os solos são materiais que tem sua origem imediata ou remota na deterioração (decomposição) das rochas através do intemperismo (ação das intempéries). Ou seja, todos os solos se originam da decomposição das rochas que constituíam inicialmente a crosta terrestre. A decomposição é decorrente de agentes físicos e químicos (solo = rocha + intemperismo). Mecânica dos Solos – João Carlos Página 3 2.1 ROCHA É um agregado natural formado de um ou mais minerais. E que do ponto de vista da Engenhariam Civil, é impossível de escavar manualmente, necessita de explosivo para o seu desmonte. 2.2 INTEMPERISMO É o conjunto de processos físicos, químicos e biológicos que ocasionam a desintegração e decomposição das rochas e dos minerais, formando os solos. E normalmente esses processos atuam simultaneamente, em determinados locais e condições climáticas, um deles pode ter predominância sobre o outro. Portanto os processos de intemperismos se dividem em: a) Intemperismo Físico - Ou mecânico é o processo de decomposição da rocha sem alteração química dos seus componentes. Os principais agentes são: Variação de temperatura; Congelamento da água; Alívio de pressões e Vegetações. b) Intemperismo Químico - É o processo de decomposição da rocha onde os vários processos químicos alteram, solubilizam e depositam os minerais das rochas transformando-a em solo, ou seja, ocorre à alteração química dos seus componentes (modificação química). Neste caso há modificação na constituição mineralógica da rocha, originando solos com características próprias. Este tipo é mais freqüente em climas quentes e úmidos e, portanto muito comum no Brasil. O principal agente é a água, e os mais importantes mecanismos de ataque são: Hidrólise; Hidratação; Oxidação e Carbonatação. c) Intemperismo Biológico - É processo no qual a decomposição da rocha se dá graças a esforços mecânicos produzidos por vegetais através de raízes, escavação de roedores. Além dos efeitos químicos da vegetação. 2.2.1 Influência do Intemperismo no Tipo de Solo Os vários tipos de intemperismo e a intensidade com que atuam no processo de formação dos solos dão origem a diferentes tipos de solo. Percebe então, que o solo é assim, uma função da rocha de origem e dos diferentes agentes de alteração. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 4 2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS QUANTO A ORIGEM (genética) Com base na origem dos seus constituintes, os solos podem ser divididos em dois grandes grupos: solo residual, se os produtos da rocha intemperizada permanecem ainda no local em que se deu a transformação; solo transportado (sedimentar), quando os produtos de alteração foram transportados por um agente qualquer, para local diferente ao da transformação. 2.3.1 Solos Residuais Os solos residuais são bastantes comuns no Brasil, principalmente na região Centro-Sul , em função do próprio clima. A ação intensa do inpemperismo químico nas áreas de climas quentes e úmidos provoca a decomposição profunda das rochas com a formação de solos residuais, cujas propriedades dependem fundamentalmente da composição do tipo de rocha existente. A rocha que mantém as características originais, ou seja, a rocha sã é a que ocorre em profundidade. Quanto mais próximo da superfície do terreno, maior é o efeito do intemperismo. Sobre a rocha sã encontra-se a rocha alterada, em geral muito fraturada e permitindo grande fluxo de água através das descontinuidades. A rocha alterada é sobreposta pelo solo residual jovem, ou saprolito. O material mais intemperizado ocorre acima do saprófito e é denominado solo residual maduro (figura 2.1). 1. Solo superficial. 2. Solo residual maduro, sem vestígios da estrutura e textura da rocha matriz. 3. Solo residual jovem (saprolito), com vestígios da estrutura e textura da rocha matriz. 4. Rocha alterada. 5. Rocha praticamente sã. Figura 2.1 – Exemplo de um perfil de solo 2.3.2 Solos Sedimentares (transportados) Os solos sedimentares ou transportados são aqueles que foram levados de seu local de origem por algum agente de transporte e lá depositados (figura 2.2). Os solos transportados geralmente depósitos mais inconsolidados e fofos que os residuais e com profundidade variável. Nos solos transportados, distingue-se uma variedade Mecânica dos Solos – João Carlos Página 5 especial que é o solo orgânico, no qual o material transportado está misturado com quantidade variáveis de matéria orgânica decomposta. De um modo geral o solo residual é mais homogêneo que o transportado. As características dos solos transportados são em função do agente de transporte. Os agentes de transporte são: Vento (solos eólicos); Água (solos aluvionares); Geleiras (solos glaciais); Gravidade (solos coluvionares) Figura 2.2 – Local de solos transportados a) Solos Eólicos - Transporte pelo vento. São de destaque, apenas os depósitos ao longo do litoral, onde formam as dunas não sendo comuns no Brasil. O problema desses depósitos existe na sua movimentação. Como exemplos têm os de estado do Ceará, e os de Cabo Frio no Rio de Janeiro. Restringe as areias e siltes. b) Solos Aluvionares - São solos sedimentares que são transportados pela água. A sua textura depende da velocidade de transporte da água. Características: Grãos de diversos tamanhos, mais grossos que os eólicos. Existem aluviões essencialmente arenosos, bem como aluviões argilosos. Embora os solos que constituem os aluviões sejam, via de regra, fonte de materiais de construções, são, por outro lado, péssimos materiais de fundações. c) Solos Glaciais - Formados pelas geleiras. São formados de maneira análoga aos fluviais. Não ocorre no Brasil, e comuns na Europa e América do Norte. d) Solos Coluviais - Formados pela ação da gravidade. Dentre os solos podemos destacar o TALUS, que é solo formado pelo deslizamento de solo do topo das encostas, formando ocorrência ao pé das encostas e elevações (figura 2.3). Mecânica dos Solos – João Carlos Página 6 Apresenta grande variedade de tamanhos, alta porosidade, e inconsolidados, sujeitos a escorregamentos. São comuns ao longo de rodovias na Serra do Mar-SP. Figura 2.3 –Depósito de tálus e) Solos Orgânicos – Impregnação do solo (argila, silte e areia fina) por sedimentos orgânicos preexistentes (húmus), em geral misturados de restos de animais e vegetais. Caracterizam pela cor escura, cheiro forte peculiar e alta plasticidade (alto limite de liquidez). Um teor de 2 a 4% de matéria orgânica já influii danosamente no solo. São problemáticos por serem muito compressíveis. São encontrados no Brasil principalmente nos depósitos litorâneos, em espessuras variadas, e nas várzeas dos rios e córregos. Por sua característica orgânica, apresentam elevados índices de vazios, e por ser de sedimentação recente, possuem baixa capacidade de suporte e considerável compressibilidade. A norma norte americana classifica como solo orgânico aquele que apresenta LL de uma amostra seca em estufa menor do que 75% do LL de amostra natural sem secagem em estufa TURFAS – são solos que incorporam florestas soterradas em estado avançado de decomposição, com grande porcentagem de partículas fibrosas de material carbonoso ao lado de matéria orgânica no estado coloidal. Este tipo de solo pode ser identificado por ser fofo e não plástico e ainda combustível. 2.3.3 Descrição de Termos Usuais de Solos a) Turfa – Solo sem plasticidade, com grande percentagem de partículas fibrosas de material ao lado de matéria orgância coloidal, marron-escuro a preto, muito compressível, e combustível quando seco; Mecânica dos Solos – João Carlos Página 7 b) Cascalho – Solo com grande percentagem de pedregulho, podendo ter diferentes origens – fluvial, glacial e residual; o cascalho de origem fluvial é chamado comumente de seixo rolado; c) Solo laterítico (Solo Tropical Vermelho) – São os solos de evolução pedogênica que sofrem no seu local de formação ou deposição uma série de transformações físicoquímicas. Formados por uma alternância de saturação e secagem do solo original, aumentando a concentração de óxido de ferro e alumina na parte superior. Forma solo de textura fina, pouco ou nada ativo, suas cores varia de amarelo ao vermelho mais ou menos escuro. Diversas designações locais para estes solos, tais como: piçarra, recife, tapioconga e outros. d) Saibro – Solo residual areno-argiloso, podendo conter pedregulhos, proveniente de alteração de rochas graníticas ou gnáissicas; e) Topsoil – Solo areno-siltoso, com pouca ou nenhuma argila, encontrado nas camadas superficiais de terrenos de pequena declividade, ou nas baixas de bacias hidrográficas; f) Massapê – Solo argiloso, de plasticidade, expansibilidade e contratilidade elevadas, encontrado, principalmente, na bacia do Recôncavo Baiano. Suas Características decorrem da presença da montmorilonita. No Paraná, materiais semelhantes são designados sabão-de-caboclo. 2.4 COMPOSIÇÃO QUIMICA E MINERALÓGICA DOS SOLOS Os solos são formados por agregados de um ou mais minerais. Os minerais encontrados nos solos são os mesmos da rocha de origem (minerais primários), além de outros que se formam na decomposição (minerais secundários). a) Mineral: Substância inorgânica e natural, com composição química e estrutura definida. Os minerais encontrados nos solos podem ser primários ou secundários. Os PRIMÁRIOS são os mesmos da rocha de origem, e os SECUNDÁRIOS são formados quando ocorre a decomposição química. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 8 b) Minerais Constituintes dos Solos Grossos (areias e pedregulhos): Os solos grossos são constituídos basicamente de SILICATOS, ÓXIDOS, CARBONATOS E SULFATOS. Nos solos grossos, o comportamento mecânico depende pouco da composição mineralógica. c) Minerais Constituintes dos Solos Argilosos - As argilas são constituídas basicamente por silicatos de alumínio hidratados, podendo apresentar silicatos de magnésio, ferro ou outros metais. Os minerais que formam as frações finas pertencem a três grupos: CAULINITA, ILITA e MONTMORILONITA. Caulinita - São formadas por unidades estruturais de silício e alumínio, que se unem alternadamente, conferindo-lhes uma estrutura rígida. Portanto em face de sua estrutura de camadas duplas são relativamente mais estáveis em presença de água, com menor plasticidade além de apresentar propriedades mecânica melhores. Montmorilonitas - São estruturalmente formadas por unidade de alumínio entre duas unidades de silício. A ligação entre essas unidades, não sendo suficientemente firme para impedir a introduzir de moléculas de água entre as camadas tornando-se as argilas montmoriloníticas muito expansivas e, portanto, instáveis em presença de água. Portanto, em função da presença torna-se esta argila com alta plasticidade, características de expansibilidade e retração além de baixo coeficiente de atrito interno e as piores propriedades mecânicas Ex: BENTONITA1. Ilitas - São estruturalmente semelhantes as Montmorilonitas, sendo, porém com um íon permutável. São menos expansivas que as montmorilonita. A presença de um determinado mineral de argila pode ser determinado por análise TERMODIFERENCIAL, RAIOS-X, MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA e ETC. BETONITAS são argilas ultra-finas, formadas, em sua maioria, pela alteração química de cinzas vulcânicas. Sua composição predomina a montmorilonita, o que explica sua tendência ao inchamento. Graças a esta propriedade, as “injeções de betonitas” são muito usadas para vedação em barragens, perfurações de petróleo, cortinas, fundações profundas, e etc. 1 Mecânica dos Solos – João Carlos Página 9 2.5 SUPERFÍCIE ESPECIFICA É a soma das superfícies de todas as partículas contidas na unidade de volume (ou peso) do solo. Quanto mais fino for o solo maior será a sua superfície especifica, o que constituí uma das razões das diferenças entre as propriedades físicas solos finos e dos solos grossos. As forças de superfície são muito importantes no comportamento de partículas coloidais, sendo a diferença de superfície específica uma indicação da diferença de comportamento entre os solos com distintos minerais argílicos. Imaginando–se uma partícula de forma cúbica, com 1cm de aresta e subdividindo-a decimalmente, em cubos cada vez menores, poderemos organizar a Tabela 2.1 abaixo como ilustração. Aresta Volume total N0 de cubos 1 cm 1cm3 1 -1 cm 3 1 mm= 10 1cm 103 -2 cm 3 0,1 mm =10 1cm 106 -3 cm 3 0,01mm = 10 1cm 109 Tabela 2.1 –Ilustração de superfície especifica Área total 6 cm2 60 cm2 600 cm2 6000 cm2 Superfície específica 6 cm2 /cm3 6 x 10 cm2 /cm3 6 x 102 cm2 /cm3 6 x 103 cm2 /cm3 2.6 ESTRUTURAS DOS SOLOS Refere-se ao modo como as partículas estão dispostas formando o agregado do solo. É o arranjo das partículas e as forças entre elas. A estrutura influencia na resistência ao cisalhamento. Os tipos de estruturas mais comuns são: a) Estrutura granular simples (unigranular)- É característica das areias e pedregulhos, predominam as forças de gravidade na disposição das partículas, que se apóiam diretamente uma sobre as outras, em grãos isolados. b) Estrutura alveolar ou favo de abelha - É o tipo de estrutura comum nos siltes mais finos e em algumas areias. As forças de atração molecular são predominantes face à força da gravidade. A partícula sólida ficará na posição em que se der o primeiro contato, dispondo em forma de arcos. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 10 c) Estrutura floculenta (solos finos)- É o tipo de estrutura que só possível nos solos muito finos (argilas), onde as partículas ao se sedimentarem, dispõem em arcos, os quais, por sua vez, formam outros arcos. Trata-se, portanto de uma estrutura de ordem dupla. Na formação de tais estruturas, desempenham funções importantes as ações elétricas (forças elétricas) que se desenvolvem entre as partículas. Na sedimentação a formação de flocos. d) Estrutura em esqueleto ou mista (granulometria variada) É o tipo de estrutura que além de possuir grãos finos há também grãos mais grossos, e estes se dispõem de maneira tal a formar um esqueleto, cujos interstícios (vazios) são parcialmente ocupados por uma estrutura de grãos mais finos. É o caso das complexas estruturas das argilas marinhas. 3.0 O ESTADO DOS SOLOS 3.1 INTRODUÇÃO Num solo, só parte do volume total é ocupado pelas partículas sólidas, que se encontram formando uma estrutura. O volume restante costuma ser chamado de vazios, embora esteja ocupado por água e ar. Ou seja, solo é um material constituído por um conjunto de partículas sólidas, deixando entre si vazios que poderão estar parcial ou totalmente preenchidos pela água. Deve-se reconhecer, portanto, que o solo é constituído de três fases: sólida, água e ar. O comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma das três fases (sólida, água e ar). Diversas relações são empregadas para expressar as proporções entre elas. Na figura 3.1 estão representadas, simplificadamente, as três fases que normalmente ocorrem nos solos, ainda que, em alguns casos, todos os vazios possam estar ocupados pela água. Solo = sólido + líquido + gases. Vt = Vs + Vv = Vs + Va + Var Figura 3.1 – Amostra de solos Pt = Ps + Pa Mecânica dos Solos – João Carlos Página 11 Em princípio, as quantidades de água e ar podem variar. A evaporação pode fazer diminuir a quantidade de água, substituindo-a por ar, e a compressão do solo pode provocar a saída de água e ar, reduzindo o volume de vazios. O solo, no que se refere às partículas que o constituem, permanece o mesmo, mas o seu estado se altera. As diversas propriedades do solo dependem do estado em se encontra. Quando diminui o volume de vazios, por exemplo, a resistência aumenta. a) Fase Sólida - Caracteriza-se pelo seu tamanho, forma, distribuição e composição mineralógica dos grãos. b) Fase Gasosa - Ar, vapor d’água e carbono combinado. É bem mais compressível que as fases líquida e sólida. c) Fase Líquida - Preenche os vazios dos solos. Pode estar em equilíbrio hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou de outra forma. E os tipos de águas podem ser classificados em: • • Água de constituição - É a que faz parte da estrutura molecular da partícula sólida; Água adesiva ou adsorvida - É a película de água que envolve e adere fortemente às partículas de solos muito finos devido a ação de forças elétricas desbalanceadas na superfície dos argilos-minerais; • • • Água livre - É a que se encontra em uma determinada zona do terreno, enchendo todos os vazios. O seu estudo rege-se pela lei da hidráulica; Água higroscópica - É a que ainda se encontra em um solo seco ao ar livre; Água capilar - É água que nos solos de grãos finos sobe pelos interstícios capilares deixados pelas partículas sólidas, além da superfície livre da água, devido a ação das tensões superficiais. As águas livre, higroscópica e capilar são as que podem ser totalmente evaporadas pelo efeito do calor, a uma temperatura de 1000 C. A sua consideração é de interesse em certos casos especiais de consolidação de aterros, quando então há necessidade de calcular as “pressões neutras” desenvolvidas em função da redução da fase gasosa. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 12 3.2. ÍNDICES FÍSICOS ENTRE AS FASES Os índices e as relações que serão apresentados a seguir desempenham um importante papel no estudo das propriedades dos solos, uma vez que, estas dependem dos seus constituintes e das proporções relativas entre eles, assim como da interação de uma fase sobre as outras. Portanto, serão examinadas as propriedades decorrentes dos solos como eles são encontrados na natureza ou quando depositados e compactados artificialmente. São propriedades referentes à sua maior ou menor compacidade ou consistência e à sua estrutura ou arranjo dos grãos entre si. Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam os pesos, e os volumes das três fases. Estes índices são os seguintes: a) Teor de umidade (h) - Define-se a umidade de um solo como sendo a relação entre o peso da água e o peso da parte sólida existente neste mesmo volume, expressa em porcentagem. Para sua determinação, pesa-se o solo no estado natural, seca-se em estufa a 1050 C até constância de peso e pesa-se novamente. Tendo-se o peso das duas fases, a umidade é calculada. É a operação mais freqüente em um laboratório de solos. Os teores de umidade dependem do tipo de solo e situam-se geralmente entre 10 e 40 %, podendo ocorrer valores muito baixos para solos com aparência de seco de 2 a 3% ou valores muito altos (150 % ou mais). h= Pa . 100 (%) Ps ou h= Pt − Ps . 100 (%) Ps Um outro meio, muito simples e rápido, para determinar a umidade, consiste no emprego do aparelho Speedy. Ele é constituído por um reservatório metálico fechado que se comunica com um manômetro destinado a medir a pressão interna. Dentro deste reservatório são colocadas, em contato, umas certas quantidades de solo úmido e uma determinada porção de carbureto de cálcio (CaC2). A água contida no solo combinando-se com o carbureto de cálcio, gera-se um gás acetileno, e daí, pela variação depressão interna obtém-se a quantidade de água existente no solo. b) Índice de vazios (e) - Relação entre o volume de vazios e o volume das partículas sólidas. Não pode ser determinado diretamente, mas é calculado a partir de outros Mecânica dos Solos – João Carlos Página 13 índices. Costuma se situar entre 0,5 a 1,5, mas nas argilas orgânica podem ocorrer índices de vazios superiores a 3. Por definição: e = Vv Vs ; No laboratório sua determinação é feita em função de γg (peso específico das partículas) e γs (peso específico do solo seco). e= Vv Vt − Vs Vt Vt / Ps = = -1= -1 Vs Vs Vs Vs / Ps → e= γg γs -1 O índice de vazios é uma medida de densidade e, portanto, representa uma das características mais importantes para definição de um solo. Dessa propriedade dependem, por exemplo, a permeabilidade, a compressibilidade e a resistência à ruptura. c) Porosidade de um solo (n) - Relação entre o volume de vazios e o volume total. I Da mesma forma que o índice de vazios, a porosidade é uma medida de densidade do solo. Os valores se situam geralmente entre 30 e 70%. n= Vv . 100 Vt (%) ou através da relação: n = e . 100 (%) 1+ e Entretanto, o índice vazios, que se relaciona ao volume dos sólidos, representa uma medida mais adequada aos estudos de variações volumétricas de solos. d) Grau de saturação (S) - Relação entre o volume de água e o volume de vazios. Corresponde a percentagem do volume de vazios (poros) ocupados pela água. O número indica se o solo está saturado (S=100%), seco (S=0%) ou num estado intermediário (úmido). Quando o solo está saturado S=100% o Va=Vv. Não é determinado diretamente, mas calculado. S= Va . 100 (%) Vv e) Grau de aeração (A) - Relação entre o volume de ar e volume de vazios. Indica o quanto de vazios está ocupado por ar. Não é determinado diretamente em laboratório, mas sim através de outros índices. A= Var . 100 Vv (%) ou A= Vv − Va Vv → A = (1-S) . 100 Mecânica dos Solos – João Carlos Página 14 f) Pesos específicos do solo - Distinguem-se vários pesos específicos para solos in situ. É definido como sendo a razão entre o peso de um determinado componente das três partes físicas do solo, pelo seu volume. Assim pode-se ter: Peso específico aparente (natural) (γnat) - É definido como a relação entre o peso total do solo e seu volume total. A expressão “peso específico natural” é algumas vezes, substituída só por “peso específico” do solo. Tratando-se de compactação do solo, o peso específico natural é denominado peso específico úmido. Para sua determinação, molda-se um cilindro do solo cujas dimensões conhecidas permitem calcular o volume. O peso total dividido pelo volume é o peso específico natural. O peso específico também pode ser determinado a partir de corpos irregulares, obtendo-se o volume por meio do peso imerso n’água. Para tal o corpo deve ser previamente envolto por parafina. Por definição: γnat = P Ps + Pa = V Vs + V (g/cm3) No campo, a determinação de “γ” pode ser feita, entre outros, pelo conhecido “processo do frasco de areia”, utilizando-se um frasco ao qual se adapta um funil munido de um registro (figura 3.2). A areia utilizada tem que ser calibrada entre as peneiras (#) 20 e 30. Figura 3.2 – Frasco de areia Peso específico aparente de um solo seco (γs) - Relação ente 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. Não é determinada diretamente em laboratório, mas calculado a partir do peso específico natural e da umidade. Por definição: γs = Ps (g/cm3) V Mecânica dos Solos – João Carlos Página 15 Peso específico dos sólidos (grãos )(γg) - Relação entre o peso das partículas sólidas e o seu volume. É uma característica dos sólidos. γg = Ps (g/cm3) Vs O peso específico dos grãos dos solos pouco varia de solo para solo e, por si, não permite identificar o solo em questão, mas é necessário para cálculos de outros índices. Os valores situam-se em torno de 2,7 g/cm3, sendo este valor adotado quando não se dispõe de valor específico para o solo em estudo. Grãos de quartzo (areia) costumam apresentar pesos específicos de 2,65 g/cm3. Peso específico da água (γa) - O peso específico da água é dado pela razão entre o peso de uma quantidade de água e o volume da mesma. γa= Pa (g/cm3). O peso específico da água varia com a temperatura e com os Va sais dissolvidos. Entretanto, adota-se comumente o valor de 1 g/cm3, correspondente à densidade da água destilada, à temperatura de 40 C. Densidade relativa das partículas (ou dos grãos) (δ) - É a relação entre o peso da específico dos grãos (γg) e o peso específico da água (γa). Utilizando-se a definição de densidade absoluta de igual volume de água pura a 40 C. δ = γg γa (adimensional), e como o peso específico da água é γa = Pa = Va 1g/cm3, implica que, o “δ” e o “γg” são expressos pelo mesmo número, sendo que δ é adimensional e γg tem dimensão. Por exemplo, a densidade relativa do quartzo é 2,65 e seu peso específico dos grãos é 2,65 g/cm3. Sua determinação, feita pelo clássico método do picnômetro, resume na aplicação da fórmula seguinte. A figura 3.3 representa o esquema de determinação da densidade real. δ= Ps , Ps + P2 − P1 onde : onde: Ps - peso do solo seco P1 – peso do picnômetro + solo + água P2 – peso do picnômetro com água pura Figura 3.3 – Picnômetros Mecânica dos Solos – João Carlos Página 16 Peso específico aparente saturado (γsat) - Peso total da amostra de solo depois de saturada com água, ou seja, quando todos os vazios estão completamente cheios com de água. È de pouca aplicação prática.. Neste caso o grau de saturação S=1. A sua determinação é através da relação abaixo: γ sat = γ g + eγ a 1+ e (g/cm3) ; Peso específico de um solo submerso (γsub.) - É peso específico efetivo do solo quando submerso, submetido ao empuxo de Arquimedes, não sendo sua medida por via direta. Serve para o cálculo de tensões efetivas. Por definição é igual ao peso específico saturado menos o peso específico da água. γ = γ sat − γ a (g/cm3) g) Grau de compacidade (ou compacidade relativa) - O estado de um solo não coesivo (areia) define-se pelo chamado grau de compacidade, que indica a maior ou menor densidade relativa. O estado que se encontra uma areia pode ser expresso pelo seu índice de vazios. Este dado isolado, entretanto, fornece pouca informação sobre o comportamento da areia, pois, com o mesmo índice de vazios, uma areia pode estar compacta e outra fofa. É necessário analisar o índice de vazio natural de uma areia em confronto com os índices de vazios máximo em que ela pode se encontrar. Portanto, tanto o “peso específico aparente seco” como o índice de vazios, poderão dar uma idéia do estado e compacidade de uma areia. Quanto mais compacta for a uma areia maior será seu peso específico seco e menor seu índice de vazios. O estado de uma areia, ou sua compacidade pode ser expresso pelo índice de vazios em que ela se encontra, em relação a estes valores extremos, pelo índice de compacidade. GC = e max − e nat (adimensional) e max − e min Os índices de vazios máximo e mínimo depenem das características da areia. No laboratório emax é obtido vertendo-se simplesmente o material seco num recipiente de volume conhecido e pesando-se, no estado mais fofo possível. Analogamente obtém-se emin, compactando-se o material por vibração ou por socamento dentro do mesmo recipiente. Infelizmente esses dois ensaios não foram Mecânica dos Solos – João Carlos Página 17 ainda padronizados de forma de forma que a definição de emax e emin é ainda imprecisa. e= Vv Vt − Vs Vt = = − 1 , se dividir tudo por Ps, implica em Vs Vs Vs Vt.γ g Ps − 1 (formula geral), e= Vt / Ps −1 Vs / Ps → e= para cada estado só varia o “Vt” na fórmula geral. Quanto maior o grau de compacidade GC, mais compacta é a areia. Terzaghi sugeriu a terminologia apresentada na tabela 3.1. CLASSIFICAÇÃO Areia fofa Areia de compacidade média Areia compacta Tabela 3.1- Grau de compacidade GRAU DE COMPACIDADE (GC) 0 < GC ≤ 0,33 0,33 < GC ≤ 0,66 0,66 < GC ≤ 1,00 Tem sido muito utilizada a correlação de compacidade das areias com o índice de resistência à penetração dinâmica do barrilete amostrador-padrão (SPT), utilizado em sondagens de exploração do subsolo (figura 3.4). A norma de sondagem com SPT (NBR 6484) prevê que o boletim de sondagem forneça, junto com a classificação do solo, sua compacidade (tabela 3.2) ou consistência no caso de solos argilosos. Solo N (golpes) ≤4 5-8 9 - 18 19 - 40 > 40 Compacidade Fofa (o) Pouco compacta (o) Mediamente compacta (o) Compacta (o) Muito compacta (o) Areias e siltes arenosos Tabela 3.2 – Classificação GC e função do N0 de golpes do SPT* *OBS.: SPT (Standart Penetration Test). A sondagem a percussão é um procedimento de geotécnico de campo, capaz de amostrar o subsolo. Quando associada ao ensaio de penetração dinâmica (SPT), mede a resistência do solo ao longo da profundidade perfurada. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 18 Figura 3.4 – Etapas na execução de sondagem a percussão (a) avanço da sondagem por desagregação e lavagem e (b) ensaio de penetração dinâmica (SPT) O grau de compacidade em função dos pesos específicos é expresso pela relação: GC= γ nat − γ min γ max . γ max − γ min γ nat Onde γmax, γnat, γmin são os pesos específicos secos nos estados, respectivamente, mais denso possível, natural e mais solto possível. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 19 h) Correlações diversas Fórmulas gerais que podem ser utilizadas h= pa V P − Ps x100 ; e = v ; x100 = h ps VS Ps n= Vv V x100 ; S = a x100 ; Vt Vv A= Va r x100 Vv γ nat = P V ; γs = Ps ; V Pesos específicos P P + Pa γg = s ; γ sat = s ; Vs V s = Va γ sub = γ sat − γ a ; γ a = Pa Va γ nat = γ g + Seγ a 1+ e Relações entre os índices físicos γ g + eγ a γg γ γ sat = γs = γ s = nat 1+ e 1+ e 1+ h n= e x100 1+ e γ sat = γ s + nγ a γ sub = (1 − n)(γ g − γ a ) γ sub = γ s − (1 − n)γ a S= hγ g eγ a n 1− n γ nat = (1 − n )γ g + Snγ a γ sat = (1 − n )γ g + nγ a γg −γa 1+ e γ s = (1 − n )γ g γg γs e= h= Snγ a (1 − n )γ g γ sat = γ s + nγ a γ sub = e= −1 A = (1 − S )x100 G. C. = emax − enat emax − emin G.C. = γ nat − γ min γ max x γ max − γ min γ nat Vt = Vs + Vv p V P − Ps P = P + P ar t a h = Vva = 100+ Vh = h x a x100 s γ ps Ps g vt × γ g e =p s −1 γ = Ps γ s = 1 + h v s P Pt γ Ps =t 1 + h = Vt Mecânica dos Solos – João Carlos Página 20 LISTA DE EXERCÍCIO 01 01) O que são solos? 02) Como ocorre a desintegração mecânica? 03) Como ocorre a decomposição química? 04) O que são solos residuais? 05) O que são solos sedimentares? 06) O que são solos de formação orgânica? 07) O que é um mineral? 08) Os minerais encontrados no solo são os mesmos das rochas que o originou? 09) Quais os principais minerais que compõe os solos grossos? 10) Como são constituídas as argilas? 11) Quanto à origem e formação dos solos, aqueles que sofreram a ação de agentes transportadores são os chamados; a) residuais b) orgânicos c) colapsíveis d) sedimentares 12) Como são formadas as caolinitas? 13) Qual o comportamento das argilas caolinitas na presença de água? 14) Como são formadas as montmorilonitas? 15) Qual o comportamento das argilas montmorilonitas na presença de água? 16) O que é superfície específica? 17) O que são betonitas? E qual a sua utilidade? 18) Dos três grupos de minerais argilosos, qual deles é o mais ativo? 19) O que é água de constituição? 20) De que é constituído o solo (fases)? 21) O que é água capilar? 22) Quais as águas que podem ser totalmente evaporadas pelo efeito do calor? 23) De que é composto o volume total do solo? 24) De que é composto o peso total de um solo? 25) Como é feita a determinação do teor de umidade de solo? 26) Como é determinado o ter o de umidade do solo através do aparelho “ Speedy”. 27) O que é grau de compacidade? 28) Qual a diferença entre γ e γs? 29) O que é grau de saturação de um solo? 30) Como é feita a determinação de γ (peso específico), no campo? 31) Tálus são solos transportados, tipicamente inconsolidados e sujeitos à instabilidade. Sim ou Não? Mecânica dos Solos – João Carlos Página 21 32) A porosidade de um solo fornece uma medida proporcional de vazios na massa de solo e é definida como o volume de vazios no solo dividido pelo volume de grãos? 33) O ensaio de sedimentação visa à obtenção das dimensões dos grãos da fração fina do solo? 34) Solos colapsíveis são aqueles que apresentam significativas reduções de volume quando umedecidos ou submetidos a mudanças importantes de neveis de tensões. Verdadeiro ou falso? 35) Solos contendo altos teores do argilomineral montmorilonita são recomendáveis na construção de pavimentos urbanos. Verdadeiro ou falso? 36) Todo solo tem sua origem _________ ou _________ na decomposição das rochas pela ação das inpempéries. Assinale a alternativa que melhor preenche as lacunas: a) Física, química; c)Imediata, remota; b) Característica, não característica; d) Metereológica, espacial 36) Quando o solo, produto do processo de decomposição das rochas permanece no próprio local em que se deu o fenômeno, ele se chama ________. Assinale a alternativa que melhor preenche o espaço. a) Transportado; b) Inorgânico; c) Poroso; d) Orgânico; e) Residual. 37) Seja h o teor de umidade de uma amostra de solo, convencionalmente expresso por porcentagem de se peso seco. Considerando-se o teor de umidade como sendo uma porcentagem “P” do peso total da amostra, pode-se dizer que P é igual a: a) h 1+ h b) h 1− h c) h 2+h d) h 2−h LISTA DE EXERCÍCIO 02 01) O peso específico de um solo seco é 1,8 g/cm3 e a densidade das partículas 2,70. Determine o peso específico do solo para S=25 %, S=60 % e S=100 %. 02) Sabendo-se que o peso específico de um solo é 1,6 g/cm3, o teor de umidade é 33% e a densidade das partículas 2,65; pede-se calcular: o índice de vazios, a porosidade e o grau de saturação do solo. Qual a quantidade de água que é necessário adicionar por m3 de solo para satura-lo. 03) Para construir um aterro, dispõe-se de uma quantidade de terra, que é chamada pelos engenheiros de “área de empréstimo”, cujo volume foi estimado em 3000 m3. Ensaios mostraram que o peso específico natural é da ordem de 1,78 t/m3 e que a umidade é de cerca de 15,8 %. O projeto prevê que no aterro o solo seja compactado com uma umidade de 18%, ficando com um peso específico seco de 1,68 t/m3. Que volume de aterro é possível construir com o material disponível e que volume de água deve ser acrescentado? Mecânica dos Solos – João Carlos Página 22 04) O peso específico de um solo é 1,75 g/cm3 e seu teor de umidade 6 %. Qual a quantidade de água a adicionar, por m3 de solo, para que o teor de umidade passe a 13 %? Admitir a constância do índice de vazios. 05) Uma amostra de solo pesa 200 g e seu teor de umidade é 32,5%. Calcule: a) A quantidade de água que se deve retirar da amostra para que o teor de umidade fique reduzido a 24,8%; b) A quantidade de água que se deve adicionar à amostra para que o teor de umidade aumente para 41 %. 06) Um centímetro cúbico de areia seca pesa 1,7 g e a densidade relativa das partículas é 2,65. Determine os pesos específicos do solo para S=30 %, S = 45 % e S=100 %. 07) Uma amostra de argila saturada tem um volume de 162 cm3 e pesa 290 g. Sendo a densidade relativa das partículas é 2,79. Pede-se determinar o índice de vazios, a porosidade, o teor de umidade e o peso específico do material. 08) Uma amostra de areia com volume de 2,9 litros pesou 5,2kg. Os ensaios de laboratório para determinação da umidade natural, do peso especifico das partículas e do grau de compacidade do material forneceram os seguintes resultados: Umidade: Peso úmido = 7,79 g -- 5,04 g Peso seco = 6,68 g -- 4,31 g Peso especifico das partículas: Peso do picnômetro com água = 434,12 g Peso do picnômetro com 35 g de solo e mais água ate o mesmo nível = 456,21 g Grau de compacidade: Índice de vazios no estado solto = 0,85 Índice de vazios no estado compacto = 0,50 Calcular: a)teor de umidade, b)peso especifico da s partículas, c)peso da parte sólida, d)peso da água, e)volume da parte sólida, f)volume de vazios, g)índice de vazios, h)grau de compacidade, i)porosidade, j)grau de saturação, k)peso especifico aparente. 09) Para construção de uma barragem de terra é previsto um volume de 300.000 m3 de terra, com índice de vazios de 0,8. Dispõe-se de três jazidas, designadas de A, B e C. O índice de vazios do solo de cada uma delas, bem como a estimativa do custo do movimento de terra até o local da obra são indicados no quadro abaixo: Jazida Índice de vazios Custo do movimento de terra/m3 A 0,9 R$ 0,20 B 2,0 R$ 9,00 C 1,6 R$ 9,40 Qual das jazidas é economicamente mais favorável? 10) Em uma amostra de solo indeformada2 são fornecidos os seguintes dados: Volume total 1200 cm 3 Peso total úmido mais recipiente 2,90 kg Peso seco mais recipiente (tara da capsula). 2,65 kg Peso do recipiente (tara da cápsula). 0,30 kg Peso específico dos grãos 2,7 g/cm3 Pede-se determinar: o grau de saturação, índice de vazios e porosidade. 2 Amostra Indeformada – é a amostra retirada por processo que procura preservar o volume, a estrutura e a umidade do solo; as tensões são, naturalmente, aliviadas e deverão ser recompostas no laboratório. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 23 11) Em uma determinada amostra de areia seca, verificou-se os seguintes dados: peso da areia seca é de 90g ocupando um volume de 50cm3. Sabendo-se que sua densidade real é de 2,60, calcule os pesos específicos para o grau de saturação igual a 40% e para o grau de saturação igual a 100%. 12) Conhecidos o peso específico úmido igual a 1,7 g/cm3, e teor de umidade e o teor de umidade igual a 9%, pede-se determinar γs, S, e, sabendo-se que δ=2,65. 13) São conhecidos, para um determinado solo: γ=1,8 g/cm3, h=12 % e γg=2,7 g/cm3. Pede-se determinar: γs, S, A, e, n. 14) Uma argila saturada tem umidade h=39,3 % e um peso específico γsat=1,84 g/cm3. Determine a densidade das partículas e o índice de vazios. 15) Uma amostra de areia no estado natural pesa 875 g e o seu volume é igual a 512 cm3. O seu peso seco é 803 g e a densidade relativa dos grãos 2,66 Determine o índice de vazios, porosidade teor de umidade e grau de saturação da areia. 16) Uma amostra de areia foi ensaiada em laboratório, obtendo-se: Solo no estado natural: V = 700 cm3 , P = 1260 g Solo no estado seco compacto: V = 644 cm3 Ps = 1095 g Solo no estado seco fofo: V = 755 cm3, Ps = 1095 g Peso específico das partículas: 2,7 g/cm3 Determinar: a) h=? no estado natural b) GC = ? 17) De uma amostra de solo saturado são conhecidos: e γsat = 1,85 g/cm3 e h =38,7 %. Pedese determinar o peso específico das partículas. 18) Um corpo de prova cilíndrico de um solo argiloso apresenta altura H=12,5 cm, diâmetro Ǿ=5,0 cm e peso de 478,25 g o qual, após secagem, reduziu à 418,32 g. sabendo-se que o peso específico dos sólidos é 27,00 KN/m3, determinar: a) O peso específico aparente seco (γs); γs = 1,70 g/cm3 b) O índice de vazios (e); e=0,58 c) A porosidade (n); n=93,69% d) O grau de saturação (S); S=26,06% e) O teor de umidade (h). h= 14,33% 19) Calcular a porosidade (n) para um solo que apresenta S = 68 %, γs = 26,5 KN/m3; e h = 15 %. Qual é o peso específico desse solo? γ = 19,04 KN/m3 20) Um caminhão basculante com capacidade de 6,0 m3 está cheio com um solo cujo teor de umidade médio é de 13 %, γg = 26,75 KN/m3 e γ = 14,5 KN/m3. Calcular a quantidade de água que é necessário adicionar a este volume de solo para que o seu teor de umidade seja elevado para 18 %. ∆Va= 392,546 litros 21) Deseja-se construir um aterro com volume de 100.000 m3, γ = 1,8 g/cm3 e h = 15 %. A área de empréstimo apresenta um solo com γg = 2,70 g/cm3 e n = 58 %. Qual o volume a ser escavado para se construir o citado aterro. Vempr= 1,38x105 m3 22) De um corte são removidos 180.000 m3 de solo, com índice de vazios 1,22. Quantos m3 de aterro com 0,76 de índice de vazios poderão ser construídos? V` = 143.000 m3 23) De um solo saturado são conhecidos: γsat = 1,85 g/cm3 e h = 38,7 %. Pede-se determinar o peso específico das partículas. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 24 Considere a figura abaixo, representativa de uma certa porção de solo, onde se mostram separadas esquematicamente as três fases, para responder às questões 24 e 25. 24) O teor de umidade do solo apresentado é, em porcentagem (h%), igual a: a) V4 x100 P2 b) P3 x100 V3 c) P3 x100 P2 d) P3 P 1 e) V1 P 1 25) O índice físico representativo da equação V2 x100 é, em percentagem, o(a): V1 c) Grau de saturação do solo; a) Índice de vazios; b) Grau de compacidade; d) Grau de aeração; e) Porosidade do solo. 26) Considere as afirmativas abaixo, todas referentes aos índices físicos de um solo. I – É a razão entre o volume de vazios e o volume total de uma amostra de um solo. II – É a porcentagem de água contida nos seus vazios. III – É a razão entre o volume de vazios e o volume da parte sólida de um solo. Os índices físicos correspondentes às afirmativas I, II e III, respectivamente, são: a) Índice de Vazios, Índice de Umidade e Permeabilidade. b) Índice de vazios, Higroscopia e Porosidade. c) Índice de Secos, Grau de saturação e Porosidade. d) Porosidade, Grau de Saturação e Índice de Vazios. e) Porosidade, Umidade Absoluta e Permeabilidade. 26) julgue os itens abaixo, se verdadeiro ou falso: a) Solos contendo altos teores de argilomineral montimorilonita são recomendáveis na construção de pavimentos urbanos. b) Solos colapsíveis são aqueles que apresentam significativas reduções de volume quando umedecidos ou submetidos a mudanças importantes de níveis de tensões. c) Tálus são solos transportados, tipicamente inconsolidados e sujeito a instabilidade. d) A porosidade de um solo fornece uma medida proporcional de vazios na massa de solo e é definida como o volume de vazios no solo dividido pelo volume dos grãos. e) O ensaio de sedimentação visa a obtenção das dimensões dos grãos da fração fina do solo. 27) De uma amostra indeformada de solo são fornecidos os seguintes dados: • Volume total = 1000 cm3 • Peso total úmido = 2,1 Kg • Peso total seco = 2,0 Kg • Densidade relativa das partículas = 2,50 Kg • Peso específico da água = 1,0 Kg/cm3 O grau de saturação da amostra é igual a: a) 0,45 b) 0,50 c) 0,65 d) 0,80 4. PROPREIEDADES FÍSICAS DOS SOLOS Mecânica dos Solos – João Carlos Página 25 Uma massa de solo pode ser descrita através de suas propriedades físicas, como peso específico, teor de umidade, índice de vazios, entre outras, e suas propriedades mecânicas, com ângulo de atrito interno, resistência ao cisalhamento, coesão, etc. A interação das características do esqulelto sólido do solo – os componentes, tamanhos e arranjo de seus grãos, teor de água e do ar nos seus vazios, conferem-lhe características distintas. O entendimento do comportamento do solo depende, portanto do estudo dos componentes, distribuição granulométirca e arranjo dos grãos da fase sólida, e sua interação com a água e ar que lhe ocupa os espaços inter-granulares. Essa interação sólido-água-ar é profundamente estudada pela física dos solos, cujos resultados são aproveitados pela engenharia civil. O geólogo deve ter em mente que as propriedades físicas podem sert medidas com relativa facilidade em laboratório e que pequena variação de seus valores não modifica o equilíbrio dos solos. Entretanto, podem varia muito com as condições externa, como por exemplo as chuvas. Os solos são identificados por sua textura, composição granulométrica, plasticidade, consistência ou compacidade, além de outras propriedades que auxiliam na sua identificação como: estrutura, forma dos grãos, cor, cheiro e friabilidade. 4.1 TEXTURA A TEXTURA de um solo é o tamanho relativo dos grãos, portanto refere-se ao grau de finura e uniformidade do solo. Por exemplo: pedregulho, areia, silte e argila. O estudo da textura dos solos é realizado por intermédio do ensaio de granulometria. Pela sua textura os solos podem ser classificados em solos grossos e solos finos. a) Solos Grossos - Solos com φ ≥ 0,074 mm e suas partículas tem forma arredondada poliédrica, e angulosa. Os solos grossos são os PEDREGULHOS e as AREIAS. b) Solos Finos - Solos com φ < 0,074 mm. Os solos finos são os SILTES e ARGILAS. A fração granulométrica classificada como ARGILA possui diâmetro inferior a 0,005mm e se caracteriza pela sua plasticidade marcante elevada resistência quando seca. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 26 ]Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) os limites das frações de solo pelo tamanho são os da tabela 4.1: FRAÇÃO Matacão Pedra Pedregulho Areia Grossa Areia média Areia fina Silte Argila LIMITES (ABNT) de 25cm a 1m de 7,6cm a 25cm de 4,8mm a 76 mm de 2,0mm a 4,8mm de 0,42mm a 2,0mm de 0,05mm a 0,42mm de 0,005mm a 0,05mm Inferior a 0,005 Tabela 4.1 - Classificação dos solos em função dos diâmetros (ABNT). Pedregulhos – solos cujas propriedades dominantes são devidas à sua parte constituída pelos grãos minerais de diâmetro máximo superior a 4,8 mm e inferior a 76 mm. São caracterizados pela sua textura, compacidade e forma dos grãos. Areias – solos cujas propriedades dominantes são devias á sua parte constituída pelos minerais de diâmetro máximo superior a 0,05 mm, e inferior a 4,8 mm. São caracterizados pela sua textura, compacidade e forma dos grãos. • Grossa: • Média: quando os grãos acima referidos têm diâmetro máximo compreendido entre 2,00 mm e 4,8 mm. quando os grãos acima referidos têm diâmetro máximo compreendido entre 0,42 mm e 2,00mm. • Fina: quando os grão acima referidos têm diâmetro máximo compreendido entre 0,05 mm e 0,42 mm. Silte – solo que apresenta apenas a coesão necessária para formar, quando seco, torrões facilmente desagregáveis pela presença dos dedos. Suas propriedades dominantes são devidas à parte constituída pelos grãos de diâmetro máximo superior a 0,005 mm, e inferior a 0,05 mm. Caracteriza-se pela sua textura e compacidade. Argila – Solo que apresenta características marcantes de plasticidade; quando suficientemente úmido, molda-se facilmente em diferentes formas, e quando seco, apresenta coesão bastante para constituir torrões dificilmente desagregáveis por pressão dos dedos; suas propriedades dominantes são devidas á parte constituída pelos grãos de diâmetro máximo inferior a 0,005 mm. Caracteriza-se pela sua plasticidade, textura e consistência em seu estado e umidade naturais. Quanto á textura, são as argilas identificadas qualitativamente pela sua distribuição granulométrica. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 27 4.2 FORMA DOS GRÃOS Tem grande influência sobre o seu comportamento e outras propriedades como consistência, compacidade, etc. Principais formas encontradas: a) Partículas arredondadas (poliédrica) - Predominam nos pedregulhos, areia e siltes; b) Partículas lamelares (semelhantes a lamelas ou escamas) - Encontradas nas argilas (solos finos). Esta forma de partículas das argilas responde por algumas de suas propriedades,como, por exemplo, a compressibilidade e a plasticidade. c) Partículas fibrilares - Característica dos solos turfosos (orgânico) 4.3 COMPORTAMENTO DOS SOLOS O comportamento dos solos finos é em função da composição mineralógica, que é governado pelas forças de atração moleculares e elétricas e pela presença de água; O comportamento dos solos grossos é função da sua granulometria que é governado pelas forças gravitacionais. Os SILTES apesar de serem classificados como finos, o seu comportamento é governado pelas forças gravitacionais (mesmas dos solos grossos). 4.4 IDENTIFICAÇÃO DOS SOLOS POR MEIO DE ENSAIOS Para identificação dos solos a partir das partículas que os constituem, são empregados correntemente dois tipos de ensaio, a ánalise granulomética e os índices de consistência. 4.4.1 Análise Granulométrica Análise granulométrica é a determinação das dimensões dos grãos que constituem o solo e a percentagem (proporções) da massa total dos grãos nos diversos intervalos e tamanhos. Esta análise consiste, em geral, de duas fases: peneiramento e sedimentação. O peso do material que passa em cada peneira, referido ao peso seco da amostra, é considerada como a “percentagem que passa” e é representada graficamente por uma “curva granulométrica”, como se mostra à figura 4.1. Curva esta, que é traçada por pontos em um diagrama semi-logarítmo, no qual sobre o eixo das abscissas, são marcados os logarítmos das dimensões das partículas e sobre o eixo das ordenadas as porcentagens, em peso das partículas que têm dimensões consideradas. A abertura nominal da peneira é considerada como o “diâmetro efetivo” das partículas. Trata-se evidentemente de um “diâmetro equivalente”. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 28 A análise por peneiramento tem como limitação a abertura da malha das peneiras. A menor peneira comercialmente empregada é a de N0 200, cuja abertura é de 0,074 mm. Uma amostra de solo pode ser analisada, granulometricamente, por secagem e peneiramento ou, então submetendo-a a um ensaio de sedimentação. Ela é realizada em um laboratório de solos e é realizada em três etapas: a) Peneiramento grosso - Análise granulométrica da fração grossa da amostra de solo – grãos > que 2,0 mm; b) Peneiramento fino - Análise granulométrica da fração média da amostra de solo – grãos > que 0,074 mm e < que 2,0 mm; c) Sedimentação - Análise granulométrica da fração fina da mostra de solo – grãos < que 0,074 mm. Quando há interesse no conhecimento da distribuição granulométrica da porção mais fina dos solos, emprega-se a técnica da sedimentação contínua em meio líquido, que se baseia na lei de Stokes, a qual estabelece uma relação entre o diâmetro da partícula e sua velocidade de sedimentação em um meio líquido de viscosidade e peso específico conhecidos. Para se fazer uma análise granulométrica de solos é necessário adotar uma escala granulométrica. Existem várias, tais como as escalas: Internacional, ABNT, ABCP, AASHO, ASTM, USCS e MIT. Para fim deste estudo a escala adotada é ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnica Escala da ABNT: Pedregulho 76 mm 4,8 mm Areia grossa 2,0 mm Areia média Areia fina 0,05 mm Silte Argila 0,005 mm 0,42 mm Os pedregulhos e areias bem graduados e compactados são minerais estáveis. Quando não apresentam teores de partículas finas, são fáceis de compactar e pouco afetados pela umidade. Uma areia fina e uniforme aproxima-se das característicaas de um silte com diminuição da permeabilidade e redução da estabilidade em presença de água. Areias finas são difíceis de distinguir visualmente dos siltes. Os siltes são relativamente impermeáveis difíceis de compactar e podem ser facilmente pulverizadas (converter em pó) quando secos. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 29 As argilas são os finos plásticos e têm resistência variável com a umidade. São impermeáveis e difíceis de compactar, quando úmidas, e quase impossível de drenar por métodos comuns. Grande expansibilidade e contração podem ocorrer com variações de umidade. Quando maior for o limite de liquidez, maior a sua compressibilidade. Os finos siltes e argilas influenciam consideravelmente nas propriedades dos solos. Cerca de 10% de finos presentes em areias e pedregulhos bem graduados tornam-se impermeáveis. A análise granulométrica dos solos permite definir coeficientes e características granulometria, são eles: Figura 4.1 – Exemplo de uma curva de distribuição granulométrica do solo b) Diâmetro efetivo (D10) - É o diâmetro de uma partícula de solo que em 10% da massa total deste solo têm diâmetro menor que o valor (D10). c) Coeficiente de uniformidade (Cu) - É a razão entre os diâmetros correspondentes a 60% e 10% da massa total de um solo que tem diâmetros menores. Tomados na curva granulométrica; d Cu = 60 d10 d60 – corresponde ao diâmetro que possui 60% da massa total menores que ele. d10 – corresponde ao diâmetro que possui 10% da massa total menores que ele. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 30 d) Solos bem graduados ou contínuos - A amostra apresenta diversos tamanhos dos grãos, cobrindo proporcionalmente toda a faixa granulométrica; e) Solos de graduação uniforme - A amostra de solo apresenta características de que todas as partículas têm o mesmo diâmetro, e não há grande variação de tamanho de grãos; f) Solos de graduação aberta ou descontínua - Contêm na amostra de solo grãos maiores e grãos menores, observando-se uma descontinuidade na granulometria. Cosideram-se a granulometria dos solos quanto à uniformidade em: Muito uniforme quando Cu < 5; Uniformidade média quando 5 < Cu < 15; Desuniforme quando Cu >15 O tamanho dos grãos de solo e a porção que eles ocorrem são importantes na seleção de material para a construção de barragens de terra, estradas e aterros e geral, onde o solo usado deve satisfazer as especificações definidas. Em fundações de estruturas, os dados granulométricos, em geral, são apenas ilustrativos e têm maior importância outras propriedades, como a compressibilidade e a resistência ao cisalhamento do solo. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 31 E X E R C Í C I O S – sala de aula 01) Para os solos A, B e C, cujas curvas granulométricas são indicadas na figura abaixo, pede-se: a) calcular coeficiente de uniformidade de cada solo; b) qual o solo de maior diâmetro efetivo? c) classificar os solos quanto a sua uniformidade. 02)Determinar as percentagens de areia, silte e argila de um solo, de acordo com a escala granulométrica da ABNT, sabendo-se que: Peneiras (mm) 25,0 9,60 4,80 2,00 0,42 % que Passa 100 80 72 67 56 Peneiras (mm) 0,25 0,074 0,05 0,005 0,001 % que passa 44 24 21 11 4 03) A análise granulométrica de um solo revelou o seguinte resultado: N0 da peneira 10 40 60 140 200 Pede-se traçar a Abertura em Porcentagem mm passando 2,00 100 0,42 95 0,25 88 0,105 74 0,074 65 0,05 59 0,005 18 0,001 6 curva granulométrica e determinar o diâmetro efetivo (def) e o coeficiente de uniformidade (Cu). Mecânica dos Solos – João Carlos Página 32 4.5 PLASTICIDADE E CONSISTÊNCIA DOS SOLOS A plasticidade é uma das mais importantes propriedades dos solos, sendo essa característica pertencente aos solos finos, ou seja, as argilas. Essa propriedade é associada à umidade dos solos. A experiência mostrou que, para os solos em cuja textura haja uma certa porcentagem de fração fina, não basta a granulometria para caracterizá-los sob o ponto de vista da engenharia, pois suas propriedades plásticas dependem do teor de umidade, além da forma das partículas e da sua composição química e mineralógica. Enquanto que, os solos arenosos são perfeitamente identificáveis por meio de suas curvas granulométricas. Isto é, areias ou pedregulhos de iguais curvas granulométricas comportam-se, na prática de forma semelhante. 4.5.1 Plasticidade A plasticidade é normalmente definida como uma propriedade dos solos, que consiste na maior ou menor capacidade de serem eles moldados, sob certas condições de umidade, sem variação de volume. É essa uma propriedade das argilas, muito útil à cerâmica onde se necessita que o material seja moldado sem variações de volume. Em outras ciências da engenharia, o comportamento plástico dos materiais fundamenta-se nas características tensão-deformação. Assim é que um corpo diz-se elástico quando recupera a forma e o volume primitivo, ao cessar a ação das forças externas que o deformava; ao contrário, diz-se plástico quando não recupera seu estado original ao cessar a ação deformante. Na prática os corpos não correspondem rigorosamente a nenhum dos tipos citados, posto que todos eles apresentam uma fase elástica e outra plástica, com predominância em geral de uma sobre a outra. 4.5.2 Ìndices de consistência (limites de Atterberg) A CONSISTÊNCIA refere-se ao grau de coesão entre as partículas de solo e a resistência oferecida às forças que tendem a deformar ou romper a massa de solo. Portanto é definida como sendo a maior ou menor dureza em que os solos coesivos são encontrados na natureza. A sua obtenção em laboratório é através do ensaio de resistência a compressão simples, e a sua obtenção no campo por meio da resistência à penetração dinâmica (SPT). Mecânica dos Solos – João Carlos Página 33 Como foi visto no item anterior, o comportamento dos solos com fração fina não dependem somente da sua granulometria. Portanto, o seu comportamento depende além da granulometria de outros fatores como: superfície específica, teor de umidade, estrutura, forma das partículas e composição mineralógica, ou seja estes solos apresentam um comportamento complexo. Veja, solos que possuem a mesma porcentagem da fração argila, pode ter comportamentos muito diferentes, dependendo das características dos minerais presentes. Todos esses fatores interferem no comportamento do solo, mas o estudo dos minerais-argilas é muito complexo. À procura de uma forma mais prática de identificar a influência das partículas argilosas, a engenharia a substituiu por uma análise indireta, baseada no comportamento do solo na presença de água. Generalizou-se, para isto, o emprego de ensaios e índices proposto pelo engenheiro químico Atterberg, pesquisador do comportamento dos solos sob o aspecto agronômico, adaptado e padronizado pelo Professor de Mecânica dos Solos Arthur Casagrande. Os limites se baseiam na construção de que um solo argiloso ocorre com aspectos bem distintos conforme o seu teor de umidade. Quando o solo está muito úmido, ele se comporta como um líquido (fluido denso) e se diz no estado líquido; quando perde parte de sua água, ele endurece e perde sua capacidade de fluir, porém pode ser moldado facilmente e conservar sua forma, o solo agora se encontra no estado plástico. E quando mais seco, torna-se quebradiço (se desmancha ao ser trabalhado), encontram-se nos estados semi-sólido e sólido. Os teores de umidade correspondentes às mudanças de estado, como se mostra à figura 4.2, são definidos como: Limite de Liquidez (LL) e Limite de Plasticidade (LP) dos solos. A diferença entre estes dois limites, que indica a faixa de valores em que o solo se apresenta plástico, é definida como o Índice de Plasticidade (IP) do solo. Em condições normais, só são apresentados os valores do LL e do IP como índices de consistência dos solos. O LP só é empregado para a determinação do IP. Figura 4.2 – Estados físicos Umidade(%) - crescendo → Mecânica dos Solos – João Carlos Página 34 Limite de Liquidez - é definido como o teor de umidade do solo para a qual a ranhura se fecha com 25 golpes, no ensaio em laboratório pelo aparelho de Casagrande como ilustrado na figura 4.3. Traça-se o gráfico semilogarítmo por meio de diversas tentativas realizadas, com o solo em diferentes umidades, anotando-se o número de golpes para fechar a ranhura, obtendo-se o limite pela interpolação dos resultados correspondente a 25 golpes. O procedimento de ensaio é padronizado no Brasil pela ABNT (Método NBR 6459). Antes do ensaio Depois do ensaio Figura 4.3 – Ensaio para determinação do limite de liquidez Com os valores obtidos (número de golpes para fechar a ranhura feita na amostra, e as umidades correspondentes) traça-se a linha de escoamento do material, a qual no intervalo compreendido entre 6 e 35 golpes, pode considerar-se como uma reta conforme ilustra figura 4.4. Recomenda-se a determinação de, pelo menos, 5 pontos. Figura 4.4 – Linha de escoamento do material Mecânica dos Solos – João Carlos Página 35 De acordo com os estudos do Federal Highway Administration (órgão Americano na área de Estradas), o LL pode também ser determinado, conhecido “um só ponto”, por meio da fórmula: LL = h 1,419 − 0,3 log n Onde h é a umidade, em porcentagem, correspondente a n golpes A resistência que o solo oferece ao fechamento do sulco, medida pelo número de golpes requerido, provém da sua “resistência ao cisalhamento” correspondente à umidade que apresenta. O limite de liquidez também pode ser determinado pelo método do cone de penetração. Este método apresenta algumas vantagens, a saber: o ensaio é fácil de executar, os resultados não são tão dependentes do julgamento do operador e é aplicável para uma maior variedade de solos. Limite de Plasticidade – É definido como o menor teor de umidade com o qual se consegue moldar um cilindro com 3 mm de diâmetro e cerca de 10 cm e comprimento, rolando-se o solo com a palma da mão (figura 4.5) sobre uma placa de vidro fosco. O procedimento é padronizado no Brasil pelo método NBR 7180. Nota-se que a passagem de um estado para outro ocorre de forma gradual, com a variação da umidade. A definição dos limites acima descrita é arbitrária (convencional). Isto não diminui seu valor, pois os resultados são índices comparativos, e que permitem, de maneira simples e rápida, dar uma idéia bastante clara do tipo de solo e suas propriedades. A padronização dos ensaios é que é importante, sendo de fato, praticamente universal e rotineiras nos laboratórios de Mecânica dos Solos. Figura 4.5 – Procedimento manual para determinação do limite de plasticidade. Em b, está fora das condições requisitadas Mecânica dos Solos – João Carlos Página 36 Índice de Plasticidade - Representa a zona em que o solo se acha no estado plástico, por ser máximo para as argilas e mínimo, ou melhor, nulo para as areias, fornece um critério para se ajuizar do caráter argiloso de um solo; assim quanto maior o IP, tanto mais plástico será o solo. É definido pela diferença entre os limites de liquidez e o de plasticidade: IP =LL-LP Quando um material não tem plasticidade (areia, por exemplo), considera-se o índice de plasticidade nulo e escreve-se IP =NP (não plástico). Para uma pequena porcentagem de matéria orgânica eleva o valor o LP, sem elevar simultaneamente o do LL; tais solos apresentam, pois, baixo valor de IP. Segundo Jenkins, os solos poderão ser classificados em: Fracamente plásticos: ................... Mediamente plásticos: ................... Altamente plásticos: ...................... 1 < IP < 7 7 < IP < 15 IP > 15 Obs.: Nas argilas para tijolos, são indicados os seguintes valores de plasticidade: LL= 42; LP = 21; IP = 21 4.5.3 Propriedades da fração argilosa dos solos a) Troca catiônica - As investigações sobre as propriedades das frações muito finas dos solos mostram que a superfície da partícula sólida possui uma carga elétrica negativa, cuja intensidade depende primordialmente de suas características mineralógicas; as atividades físicas e químicas decorrentes dessa carga superficial constituem a chamada atividade da superfície do mineral. Portanto, os grãos de argila, pelo menos quando dispersos em água, têm uma carga elétrica negativa. E como as partículas estão presas entre si no solo, e impedidas de migrar, movimenta-se a água intersticial (na forma polarizada H+ , OH-), ou seja, as partículas sólidas atraem seus íons positivos H+ , formando uma película de água adsorvida (Figura 4.6), além de outros cátions adsorvidos como, por exemplo, dos mais comuns: Na+, K+ e Ca++. A natureza desses cátions determina muitas propriedades das argilas. As argilas têm a propriedade de trocar os íons adsorvidos. Figura 4.6 – Partícula de argila Mecânica dos Solos – João Carlos Página 37 b) Atividade das Argilas - Os índices de Atterberg indicam a influência dos finos argilosos no comportamento do solo. Certos solos com teores elevados de argila podem apresentar índices mais baixos do que aqueles com pequenos teores de argila. Isto pode ocorrer porque a composição mineralógica dos argilo-minerais é bastante variável. Pequenos teores de argila e altos índices de consistência indicam que a argila é muito ativa (no popular é uma argila gorda). Dos três grupos mais comuns de minerais argílicos, as caolinitas são as menos ativas e as montmorilonitas as mais ativas. Solos de mesma procedência, com o mesmo mineral-argila, mas com diferentes teores de argila, apresentarão índices diferentes, tanto maiores quanto maior o teor de argila, numa razão aproximadamente constante. Quando se quer ter uma idéia sobre a atividade da fração argila, os índices devem ser comparados com a fração argila presente. Segundo Skempton, é isto que mostra o índice de atividade de uma argila, e que pode ser definido pela relação: Índice de Atividade (IA) = IP fração − arg ila (% < 0,002mm) A argila presente num solo é considerada normal quando seu índice de atividade se situa entre 0,75 e 1,25. Quando o índice é menor que 0,75 considera-se como inativa e, quando o índice é maior que 1,25, ela é considerada ativa. Este índice pode servir, então, como indicação da maior ou menor influência das propriedades mineralógicas e químico-coloidal, da fração argila, nas propriedades geotécnicas de um solo argiloso. É um índice que tem grande valor na caracterização dos solos para fins de engenharia. c) Coesão - De uma forma intuitiva, a coesão é aquela resistência que a fração argilosa empresta ao solo, pela qual ele se torna capaz de se manter coeso, em forma de torrões ou blocos, ou pode ser cortados em forma diversas e manter essa forma. De uma forma geral, poder-se-ia definir coesão como a resistência ao cisalhamento de um solo quando, sobre ele, não atua pressão externa alguma. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 38 4.5.4 Índice de consistência (IC) É a medida de consistência de um solo em função do seu teor de umidade natural. IC = LL − h IP A consistência das argilas pode ser quantificada por meio de um ensaio de compressão simples, que consiste na ruptura por compressão de um corpo de prova de argila, geralmente cilíndrico. A carga que leva o corpo de prova à ruptura, dividida pela área deste corpo é denominada resistência à compressão simples da argila (a expressão “simples” expressa que o corpo não é confinado), conforme ilustra a figura. 4.7. Em função do índice de consistência e da resistência à compressão simples, a consistência das argilas é expressa pelos termos apresentados na tabela 4.2. Consistência muito mole mole média rija dura Índice de consistência (IC) IC < 0 0 a 0,50 0,50 a 0,75 0,75 a 1,00 IC > 1,00 Resistência a compressão simples (Kg/cm2) R < 0,25 0,25 a 0,50 0,50 a 1,00 1 a 4,00 R > 4,00 Tabela 4.2– Consistência em função da resistência a compressão simples e do índice de consistência Figura 4.7– Resistência a compressão simples de uma amostra indeformada. 4.5.5 Emprego dos índices de consistência Os índices de consistência têm se mostrado muito útil para a identificação dos solos e sua classificação. Desta forma, com o seu conhecimento, pode-se prever Mecânica dos Solos – João Carlos Página 39 muito do comportamento do solo, sob o ponto de vista da engenharia. Uma primeira correlação foi apresentada por Terzaghi, resultante da observação de que os solos são tanto mais compressíveis (sujeito a recalques) quanto maior for o seu LL. Tendo-se a compressibilidade expressa pelo índice de compressão (Cc), estabeleceu-se a seguinte correlação: Cc = 0,009 (LL – 10) Cc – Índice de compressão LL – Limite de liquidez De maneira análoga, diversas correlações empíricas vêm sendo apresentadas, muitas vezes com uso restrito para solos de uma determinada região ou de uma certa formação geológica. Portanto, a granulometria, o limite de liquidez e o índice de plasticidade são as “propriedades índices”, capazes de identificar qualquer solo quanto ao seu comportamento como material de construção. Evidentemente, suas propriedades tecnológicas irão depender, ainda, do estado em que tais materiais se encontram na natureza, isto é, em estado mais fofo ou mais compacto, ou mais mole ou mais duro. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 40 E X E R C I C I O S – sala deaula 01) Na determinação do LL de um determinado solo, obteve-se os seguintes valores: Pontos N0 de golpes Umidade (%) A 49 16 B 31 20 C 23 21 D 19 23 E 8 31 Pergunta-se: se o IP desse solo é 8,5%, qual o seu LP? 02) Na determinação do LL de um determinado solo obteve-se os seguintes valores: Pontos N0 de golpes Umidade (%) A 44 29 B 31 35 C 23 40 D 12 49 Pergunta-se: Se o LP = 22 % e h = 31 %, pede-separa classificar o solo quanto à consistência. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 41 5.0 5.1 CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS (classificação geotécnica) INTRODUÇÃO A diversidade e a enorme diferença de comportamento apresentada pelos diversos solos perante as solicitações de interesse da engenharia levou ao seu natural agrupamento em conjuntos distintos, aos quais podem ser atribuídas algumas propriedades. Desta tendência racional de organização da experiência acumulada, surgiram os sistemas de classificação dos solos. O objetivo da classificação dos solos, sob o ponto de vista de engenharia, é o de poder estimar o provável comportamento do solo ou, pelo menos, o de orientar o programa de investigação necessário para permitir a adequada análise de um problema. Existem diversas formas de classificar os solos, como pela sua origem geológica, pela sua evolução, pela presença ou não de matéria orgânica, pela sua granulometria. Os sistemas de classificação que se baseiam nas características dos grãos que constituem os solos têm como objetivo a definição de grupos que apresentam comportamentos semelhantes sob os aspectos de interesse da engenharia civil. Nestes sistemas, os índices empregados são geralmente a composição granulométrica e os índices de Atterberg. Estudaremos os dois sistemas empregados universalmente, para depois discutir suas vantagens e suas limitações. 5.2 CLASSIFICAÇÃO UNIFICADA (A. C.) Este sistema de classificação foi elaborado originalmente pelo Prof. Casagrande para obras de aeroportos, tendo seu emprego sido generalizado. Atualmente, é utilizado principalmente pelos geotécnicos que trabalham em barragens de terra. Neste sistema, todos os solos são identificados pelo conjunto de duas letras: um prefixo e um sufixo. O prefixo é uma das subdivisões ligada ao tipo; o sufixo às características granulomérica e a plasticidade. Ou seja, a primeira letra indica o tipo principal do solo e a segunda letra corresponde a dados complementares dos solos. Assim, SW, corresponde a areia bem graduada e CH a argila de alta compressibilidade. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 42 Uma classificação para fins de engenharia deve levar em conta tanto a granulometria como a plasticidade dos solos. Os dados mínimos necessários são: curva granulométrica, limite de liquidez (LL) e índice de plasticidade (IP). Para a classificação, por este sistema, o primeiro aspecto a considerar é a porcentagem de finos presentes no solo, considerando-se finos o material que passa na peneira N0 200 (0,074 mm). Se esta porcentagem menor ou igual a 50%, o solo será considerado como de granulação grosseira, G ou S. se for superior a 50%, o solo será considerado de granulação fina, M, C ou O. Os solos são divididos em três classes: a) Solos grossos (granulares ) - Quando a maioria absoluta dos grãos é maior do que 0,074 mm (abertura da peneira N0 200) → PEDREGULHOS e AREIAS b) Solos finos - São aqueles cujo diâmetro da maioria dos grãos é menor do que 0,074 mm → SILTE E ARGILAS c) Solos altamente orgânicos - Turfas. A classe dos materiais grossos foi dividida em dois grupos: pedregulhos e areias representados pelos prefixo G (gravel) e S (sand) respectivamente. Cada um desses dois grupos foi dividido em quatro subgrupos, representados pelos seguintes sufixo: Pedregulhos ou solos pedregulhosos: GW, GC, GP e GM Areias ou solos arenosos: SW, SC, SP e SM SÍMBOLO G S C W P F M O L H Pt SIGNIFICADO INGLÊS Gravel Sand Clay Well graded Poor graded Fines Mo Orgânic Low liquid limit Higt liquid limit Peat PORTUGUES Cascalho (pedregulho) Areia Argila Bem graduado Mau graduado Finos (passando na # 200) Mó ou limo (areia fina) Matéria orgânica LL baixo LL alto Turfa A classe dos materiais finos foi divida em dois grupos: siltes e argilas representados pelos prefixo M (mo) e C (Clay) ou O (organic) quando se tratar de siltes e argilas orgânica. Cada um destes grupos são subdivididos em dois subgrupos representados pelos sufixos: H (High) → solos com alta compressibilidade, LL > 50 ; L (Low) → solos com baixa compressibilidade, LL ≤ 50. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 43 5.2.1 Solos granulares (pedregulho e areia) Sendo de granulação grosseira, o solo será classificado como pedregulho ou areia, dependendo de qual destas duas frações granulométricas predominar. Por exemplo, se o solo tem 30% de pedregulho, 40% de areia e 30% de finos, ele será classificado como areia (S). Identificado que um solo é areia ou pedregulho, importa conhecer sua característica secundária. Se o material tiver poucos finos, menos de 5% passando na peneira N0 200, deve-se verificar como é a sua composição granulométrica. Os solos granulares podem ser “bem graduados” ou “mal graduados”. Nestes, há predominância de partícula com um certo diâmetro, enquanto que naqueles existem grãos ao longo de uma faixa de diâmetros bem mais extensa. A expressão “bem graduado” expressa o fato de que a existência de grãos com diversos diâmetros confere ao solo, em geral, melhor comportamento sob o ponto de vista de engenharia. As partículas menores ocupam os vazios correspondentes às maiores, criando um entrosamento, do qual resulta menor compressibilidade e maior resistência. Esta característica dos solos granulares é expressa pelo “coeficiente de uniformidade”, definido pela relação: Cu = D60 D10 Cu – coeficiente de uniformidade Onde D60 é o diâmetro abaixo do qual se situam 60% em peso das partículas e analogamente, D10 é o diâmetro que, na curva granulométrica, corresponde à porcentagem que passa a 10%. O D10 é também referido como “diâmetro efetivo do solo”, denominação que se origina da boa correlação entre ele e a permeabilidade dos solos. Quanto maior o coeficiente de uniformidade, mais bem graduada é a areia. As areias com CU menores do que 2 são chamadas de areias uniformes. Outro coeficiente, não tão empregado quanto o CU, é o coeficiente de curvatura (CC). Definido como: CC = (D30 )2 D10 .D60 CC – coeficiente de curvatura. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 44 Se o coeficiente de uniformidade indica a amplitude dos tamanhos de grãos, o coeficiente de curvatura detecta melhor o formato da curva granulométrica e permite identificar eventuais descontinuidades ou concentração muito elevada de grãos mais grossos no conjunto. Considera-se que o material é bem graduado quando o CC esta entre 1 e 3. Quando o CC é menor que 1, a curva tende a ser descontínua, há falta de grãos com certo diâmetro. O sistema unificado considera que um pedregulho é bem graduado quando seu coeficiente de uniformidade é superior a 4, e que uma areia é bem graduada quando seu CU é superior a 6. Além disto, é necessário que o coeficiente de curvatura, CC, esteja entre 1 e 3.,Quando o solo de granulação grosseira tem mais do que 12% de finos, a uniformidade da granulometria já não aparece como característica secundária, pois importa mais saber das propriedades destes finos. Então, os pedregulhos ou areias serão identificados secundariamente como argilosos (GC ou SC) ou como siltosos (GM ou SM). O que determinará esta classificação será o posicionamento do ponto representativo dos índices de consistência na Carta de Plasticidade, conforme se verá adiante. Quando o solo de granulometria grosseira tem de 5 a 12% de finos, o Sistema recomenda que se apresentem as duas características secundárias, uniformidade da granulometria e propriedades de finos. Assim, ter-se-ão classificações intermediárias, como, por exemplo, SP-SC, areia mal graduada, argilosa. 5.2.2 Solos de granulação fina (siltes e argilas) Quando a fração fina do solo é predominante, ele será classificado como silte (M), argila (C) ou solo orgânico (O), não em função da porcentagem da frações granulométricas silte ou argila, pois como foi visto anteriormente, o que determina o comportamento argiloso do solo na é só o teor de argila, mas também a sua atividade. São os índices de consistência que melhor indicam o comportamento argiloso. Analisando os índices de comportamento de solos, Casagrande notou que colocando o IP do solo em função do LL num gráfico, como representado na figura 5.1, os solos de comportamento argiloso se faziam representar por um ponto acima de uma reta inclinada Linha A. Solos orgâncios, ainda que argilosos, e solos siltosos são representados por ponto localizados abaixo da linha A. A linha “A” tem como Mecânica dos Solos – João Carlos Página 45 equação a reta: IP = 0,73 (LL-20). Que, no seu trecho inicial, é substituída por uma faixa horizontal correspondente a IP de 4 a 7. Para localização destes solos, basta a localização do ponto correspondente ao par de valores IP e LL na Carta de Plasticidade (fig. 5.1). Os solos orgânicos se distinguem dos siltes pelo seu aspecto visual, pois se apresentam com uma coloração escura típica (marrom escura, cinza escuro ou preto). Como característica complementar dos solos finos, é indicada sua compressibilidade. Como já visto, que os solos costumam ser tanto mais compressíveis quanto maior seu limite de liquidez. Quando os índices indicam uma posição muito próxima às linhas A ou B (ou sobre a faixa de IP 4 a 7), é considerada um caso intermediário e as duas classificações são apresentadas. Exemplos: SC-SM, CL-CH, etc. Embora a simbologia adotada só considere duas letras, correspondentes às características principal e secundária do solo, a descrição deverá ser a mais completa possível. Por exemplo, um solo SW pode ser descrito como areia (predominatemente) grossa e média, bem graduada, com grãos angulares e cinza. O sistema considera ainda a classificação de turfa (Pt), que são os solos muito orgânicos onde a presença de fibras vegetais em decomposição parcial é predominante. 5.3 CLASSIFICAÇÕES REGIONAIS No Brasil, o Sistema Rodoviário é bastante empregado pelos engenheiros rodoviários, e o Sistema Unificado é sempre preferido pelos engenheiros barrageiros. Já os engenheiros de fundações não empregam diretamente nenhum destes sistemas. De modo geral, eles seguem uma maneira informal de classificar os solos, bem regional, que pode ter tido origem nestes sistemas. A pouca utilização dos sistemas de classificação decorre do fato deles nem sempre confirmarem a experiência local. Por exemplo, a “argila porosa vermelha”, que é um solo característico da cidade de São Paulo, seria classificado pelo sistema Unificado como “silte de alta compressibilidade”, pois seus índices de consistência indicam um ponto abaixo da linha A. Entretanto, este solo apresenta comportamento típico de argila, tanto que espontaneamente recebeu a denominação que o caracteriza. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 46 Mecânica dos Solos – João Carlos Página 47 E X E R C I C I O S- sala de aula 01) Com base no sistema UNIFICADO de classificação de solos, classifique os seguintes solos: Diâmetro das peneiras (mm) 4,8mm (#4) 0,074mm (#200) L.L. (%) I.P. (%) D10 (micro) D30 (micro) D60 (mm) 01 48 30 NL NP 52 90 7 02 58 34 15 5 40 68 8 03 49 38 14 9 46 60 6 Número da amostra 04 05 06 07 % acumulado que passa 92 99 86 80 71 56 68 3 30 29 52 NL 13 8 30 NP 32 28 22 280 132 97 39 900 2 2 3 6 08 58 10 18 12 74 150 3 09 49 18 30 25 54 200 6 10 83 8 20 10 99 199 3 Mecânica dos Solos – João Carlos Página 48 COMPACTAÇÃO DOS SOLOS 6. INTRODUÇÃO Muitas vezes na prática da engenharia geotécnica, o solo de um determinado local não apresenta as condições requeridas pela obra. Ele pode ser pouco resistente, muito compressível ou apresentar características que deixam a desejar do ponto de vista econômico. Uma das possibilidades é tentar melhorar as propriedades de engenharia do solo local. A compactação é um método de estabilização e melhoria do solo através de processo manual ou mecânico, visando reduzir o volume de vazios do solo. A compactação tem em vista estes dois aspectos: aumentar a intimidade de contato entre os grãos e tornar o aterro mais homogêneo melhorando as suas características de resistência, deformabilidade e permeabilidade. A compactação de um solo é a sua densificação por meio de equipamento mecânico, geralmente um rolo compactador, embora, em alguns casos, como em pequenas valetas até soquetes manuais podem ser empregados. Um solo, quando transportado e depositado para a construção de um aterro, fica num estado relativamente fofo e heterogêneo e, portanto, além de pouco resistente e muito deformável, apresenta comportamento diferente de local para local. A compactação é empregada em diversas obras de engenharia, como: aterros para diversas utilidades, camadas constitutivas dos pavimentos, construção de barragens de terra, preenchimento com terra do espaço atrás de muros de arrimo e reenchimento das inúmeras valetas que se abrem diariamente nas ruas das cidades. Os tipos de obra e de solo disponíveis vão ditar o processo de compactação a ser empregado, a umidade em que o solo deve se encontrar na ocasião e a densidade a ser atingida. O início da técnica de compactação é atribuída ao engenheiro Ralph Proctor, que, em 1933, publicou suas observações sobre a compactação de aterros, mostrando ser a compactação função de quatro variáveis: a) Peso específico seco; b) Umidade; c) Energia de compactação e d) Tipo de solo. A compactação dos solos tem uma grande importância para as obras geotécnicas, já que através do processo de compactação consegue-se promover no solo um aumento de sua resistência e uma diminuição de sua compressibilidade e permeabilidade. A tabela abaixo apresenta os vários meios empregados para estabilizar um solo: Mecânica dos Solos – João Carlos Página 49 TIPOS Pré-consolidação (solos finos argilosos) FÍSICOS Mistura (solo + solo) Sal Cal QUÍMICOS Cimento Asfalto Etc. MECÂNICOS Compactação Tabela 6.1: Alguns métodos de estabilização de solos MÉTODOS Aplicando-se certa energia de compactação (um certo número de passadas de um determinado equipamento no campo ou um certo número de golpes de um soquete sobre o solo contido num molde), a massa específica resultante é função da umidade em que o solo estiver. Quando se compacta com umidade baixa, o atrito as partículas é muito alto e não se consegue uma significativa redução de vazios. Para umidades mais elevadas, a água provoca um efeito de lubrificação entre as partículas, que deslizam entre si, acomodando-se num arranjo mais compacto. Na compactação, as quantidades de partículas e de água permanecem constantes; o aumento da massa específica corresponde à eliminação de ar dos vazios. Há, portanto, para a energia aplicada, um certo teor de umidade, denominado umidade ótima, que conduz a uma massa específica máxima, ou uma densidade máxima. 6.1 DIFERENÇAS ENTRE COMPACTAÇÃO E ADENSAMENTO Pelo processo de compactação, a diminuição dos vazios do solo se dá por expulsão do ar contido nos seus vazios, de forma diferente do processo de adensamento, onde ocorre a expulsão de água dos interstícios do solo. As cargas aplicadas quando compactamos o solo são geralmente de natureza dinâmica e o efeito conseguido é imediato, enquanto que o processo de adensamento é deferido no tempo (pode levar muitos anos para que ocorra por completo, a depender do tipo de solo) e as cargas são normalmente estáticas. 6.2 ENSAIO NORMAL DE COMPACTAÇÃO O ensaio de Proctor foi padronizado no Brasil pela ABNT (NBR 7.182/86). Em última revisão, esta norma apresenta diversas alternativas para a realização do ensaio. Descreveremos inicialmente, nos seus aspectos principais, aquela que corresponde ao ensaio original e que ainda é a mais empregada. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 50 A amostra deve ser previamente seca ao ar e destorroada. Inicia-se o ensaio, acrescentando-se água até que o solo fique com cerca de 5% de umidade abaixo da umidade ótima. Não é tão difícil perceber isto, como poderia parecer à primeira vista. Ao se manusear um solo, percebe-se uma umidade relativa que depende dos limites de liquidez e de plasticidade. Uma porção do solo é colocada num cilindro padrão (10 cm de diâmetro, altura de 12,73 cm, volume de 1.000 cm3) e submetida a 26 golpes de um soquete com massa de 2,5 Kg e caindo de 30,5 cm, ver Figura 01. Anteriormente, o número de golpes era de 25; a alteração da norma para 26 foi feita para ajustar a energia de compactação ao valor de outras normas internacionais. Levando em conta que as dimensões do cilindro padronizado no Brasil são um pouco diferente das demais. A porção do solo compactado deve ocupar cerca de um terço da altura do cilindro. O processo é repetido mais duas vezes, atingindo-se uma altura um pouco superior à do cilindro, o que é possibilitado por um anel complementar. Acerta-se o volume raspando o excesso. Determina-se a massa específica do corpo de prova obtido. Com uma amostra de seu interior, determina-se a umidade, Com estes dois valores, calcula-se a densidade seca. A amostra é destorroada, a umidade aumentada (cerca de 2%), nova compactação é feita, e novo par de valores umidade-densidade seca é obtido. A operação é repetida até que se perceba que a densidade, depois de ter subido, já tem caído em duas ou três operações sucessivas. Note-se que, quando a densidade úmida se mantém constante em duas tentativas sucessivas, a densidade seca já caiu. Se o ensaio começou, de fato, com umidade 5% abaixo da ótima, e os acréscimos forem de 2% a cada tentativa, com 5 determinações o ensaio estará concluído (geralmente não são necessárias mais do que 6 determinações). Figura 6.1: Equipamento de Compactação Mecânica dos Solos – João Carlos Página 51 6.3 CURVA DE COMPACTAÇÃO Com os dados obtidos, desenha-se a curva de compactação, que consiste na representação da densidade seca em função da umidade, como se mostra na Figura 6.2, geralmente, associa-se uma reta aos pontos ascendentes do ramo seco, outra aos pontos descendentes do ramo úmido e unem-se as duas por uma curva parabólica. Como se justificou anteriormente, a curva define uma densidade seca máxima, à qual corresponde uma umidade ótima. No próprio gráfico do ensaio pode-se traçar a curva de saturação que corresponde ao lugar geométrico dos valores de umidade e densidade seca, estando o solo saturado. Da mesma forma, pode-se traçar curvas correspondentes a igual grau de saturação. A curva de compactação é definida pela equação: γs = Sγ g γ a Sγ a + γ g h Para solo saturado, S = 1, tem-se: γs = γ gγ a γ a + γ gh OBS.: Os pontos de umidades ótimas das curvas de compactação se situam em torno de 80 a 90 % de saturação Figura 6.2: Curva de Compactação O ramo da curva de compactação anterior ao valor de umidade ótima é denominado de “ramo seco” e o trecho posterior de “ramo úmido” da curva de compactação. No ramo seco, a umidade é baixa, a água contida nos vazios do solo está sob o efeito capilar e exerce uma função aglutinadora entre as partículas. À medida que se adiciona água ao solo ocorre a destruição dos benefícios da capilaridade, tornando-se mais fácil o rearranjo estrutural das partículas. No ramo úmido, a umidade é elevada e a água se encontra livre na estrutura do solo, absorvendo grande parte da energia de compactação. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 52 6.4 VALORES TÍPICOS De maneira geral, os solo argilosos apresentam densidades secas baixas e umidade ótimas elevadas. Solos siltosos apresentam também valores baixos de densidade, freqüentemente com curvas de laboratório bem abatidas. As areias com pedregulhos, bem graduados e pouco argilosos, apresentam densidades secas máximas elevadas e umidades ótimas baixas. 6.5 METODOS ALTERNATIVOS DE COMPACTAÇÃO A norma Brasileira de ensaio de compactação prevê as seguintes alternativas de ensaio: a) Ensaio sem reuso do material: é utilizada uma amostra virgem para cada ponto da curva; b)Ensaio sem secagem previa do material: dificulta a homogeneização da umidade. Para alguns solos a influência da pré-secagem é considerável; c) Ensaio em solo com pedregulho: quando o solo tiver pedregulho a norma NBR 7.182/86 indica que a compactação seja feita num cilindro maior, com 15,24 cm de diâmetro e 11,43 cm de altura, volume de 2.085 cm3. Neste caso o solo é compactado em cinco camadas, aplicando-se 12 golpes por camada, com um soquete mais pesado e com maior altura de queda do que o anterior (massa de 4,536 kg e altura de queda de 47,5 cm). 6.6 ENERGIA DE COMPACTAÇÃO (EC) A densidade seca máxima e a umidade ótima determinada no ensaio descrito como Ensaio Normal de Compactação ou Ensaio Proctor Normal não são índices físicos do solo. Estes valores dependem da energia aplicada na compactação. Chama-se energia de compactação ou esforço de compactação ao trabalho executado, referido a unidade de volume de solo após compactação. A energia de compactação é dada pela seguinte fórmula: EC = M .H . Ng . Nc V ; sendo: Valores de Energia de Compactação Usuais: M – massa do soquete; H – altura de queda do soquete; Ng – número de golpes por camada; Nc – número de camadas; V – volume de solo compactado. Proctor Normal Proctor Intermédiário Proctor Modificado ± 6,0 Kg/cm2 ± 13,0 Kg/cm2 ± 25,0 Kg/cm2 Mecânica dos Solos – João Carlos Página 53 A escolha de energia de compactação para ser usado numa compactação para um mesmo solo depende da importância técnica da obra. Aumentando-se a energia de compactação para um mesmo solo, obtém-se uma diminuição da hót e um maior γs,max. 6.7 INFLUÊNCIA DA ENERGIA DE COMPACTAÇÃO A medida que se aumenta a energia de compactação, há uma redução do teor de umidade ótimo e uma elevação do valor do peso específico seco máximo. O gráfico da figura 6.3 mostra a influência da energia de compactação no teor de umidade ótimo hótimo e no peso específico seco máximo γs,máx. Tendo em vista o surgimento de novos equipamentos de campo, de grande porte, com possibilidade de elevar a energia de compactação e capazes de implementar uma maior velocidade na construção de aterros, houve a necessidade de se criar em laboratório ensaios com maiores energias que a do Proctor Normal. As energias de compactação usuais são: de 6kgf/cm3 para o Proctor Normal, 12,6 kgf/cm3 para o Proctor Intermediário e 25 kgf/cm3 para o Proctor Modificado. h1 h2 h3 h Figura 6.3: Influência da energia de compactação γs,máx e hótimo a) Ensaio Proctor Normal O ensaio Proctor Normal utiliza o cilindro de 10 cm de diâmetro, altura de 12,73 cm e volume de 1.000 cm3 é submetida a 26 golpes de um soquete com massa de 2,5 Kg e caindo de 30,5 cm. Corresponde ao efeito de compactação com os equipamentos convencionais de campo. b) Ensaio Modificado O ensaio Modificado utiliza o cilindro de 15,24 cm de diâmetro, 11,43 cm de altura, 2.085 cm3 de volume, peso do soquete de 4,536 kg e altura de queda de 45,7 Mecânica dos Solos – João Carlos Página 54 cm aplicando-se 55 golpes por camada. É utilizado nas camadas mais importantes do pavimento, para os quais a melhoria das propriedades do solo, justifica o emprego de uma maior energia de compactação. c) Ensaio Intermediário O ensaio denominado Intermediário difere do modificado só pelo número de golpes por camada que corresponde a 26 golpes por camada, sendo aplicado nas camadas intermediárias do pavimento. 6.8 CURVA DE RESISTÊNCIA A compactação do solo deve proporcionar a este, para a energia de compactação adotada, a maior resistência estável possível. O gráfico da figura 04 apresenta a variação da resistência do solo, obtida por meio de um ensaio de penetração realizado com uma agulha Proctor, em função de sua umidade de compactação. Conforme se pode observar, quanto maior a umidade menor a resistência do solo. Os solos não devem ser compactados abaixo da umidade ótima, por que ela corresponde a umidade que fornece instabilidade ao solo. Não basta que o solo adquira boas propriedades de resistência e deformação, elas devem permanecer estável durante todo o tempo de vida útil da obra. Conforme se pode notar do gráfico, caso o solo fosse compactado com umidade inferior a ótima ele iria apresentar resistência superior àquela obtida quando da compactação no teor de umidade ótimo, contudo este solo poderia vir a saturar em campo (em virtude do período de fortes chuvas) vindo alcançar uma umidade correspondente a curva de saturação do solo, para o qual o solo apresenta valor de resistência praticamente nulo. No caso do solo ser compactado na umidade ótima, o valor de sua resistência cairia um pouco, estando o mesmo ainda a apresentar características de resistência razoáveis. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 55 h h h Figura 6.4: Curva de Resistência, compactação e índice de vazios 6.9 COMPACTAÇÃO NO CAMPO (Obra) Na construção de obra de terra (barragens de terra, aterros rodoviários, etc.) deve-se levar em consideração a seguinte metodologia: Estudar as possíveis zonas de solos de empréstimos, locais onde se pode obter solos de empréstimo em quantidade e qualidade adequadas, disponíveis nas proximidades do local da obra a executar. Portanto, a escolha da área de empréstimo, é um problema técnico-econômico. Escolher os solos mais indicados, devendo ser executas ensaios de compactação em laboratório. Devem ser executados aterros experimentais que permitam a escolha do equipamento de compactação mais adequado. Após espalhar o solo em camadas uniforme de 20 a 30 cm de espessura, a compactação é feita empregando-se os rolos compressores, pilões e vibradores, além de carros pipas para fazer a irrigação, grades para escarificar e hogeneizar o solo, patrol para espalhar e uniformizar as camadas. 6.9.1 Controle da compactação No controle de compactação no campo, é regra geral tomar-se um ensaio de laboratório como referência e verificar o que é obtido no campo, com equipamento, comparando estes resultados com os de laboratório, para comprovar se os mesmos atingiram a densidade e a umidade ótima dentro de certas especificações. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 56 Controla-se a execução do serviço; controlando o equipamento, o número de passadas no rolo, a espessura da camada,o,teor de umidade e outras condições; Controla-se certos parâmetros do solo após compactado, como grau de compactação, índice de campacidade, percentagens de vazios, etc. o ideal no entanto, é que seja feita uma combinação dos dois tipos de controle citados. Portanto, em resumo, para que se possa efetuar um bom controle de compactação do solo em campo, temos nos seguintes aspectos: Tipo de solo, espessura da camada, entrosamento entre as camadas, número de passadas, tipo de equipamento, umidade do solo e grau de compactação. Assim alguns cuidados devem ser tomados: A espessura da camada lançada não deve exceder a 30 cm, sendo que a espessura da camada compactada deverá ser menor que 20 cm. Deve-se realizar a manutenção da umidade do solo o mais próximo possível da umidade ótima. Deve-se garantir a homogeneização do solo a ser lançado, tanto no que se refere à umidade quanto ao material. Na prática, o procedimento usual de controle de compactação é o seguinte: Coletam-se amostras de solo da área de empréstimo e efetua-se em laboratório o ensaio de compactação. Obtêm-se a curva de compactação e daí os valores de peso específico seco máximo e o teor de umidade ótimo do solo. No campo, à proporção em que o aterro for sendo executado, deve-se verificar, para cada camada compactada, qual o teor de umidade empregado e compará-lo com a umidade ótima determinada em laboratório. Este valor deve atender a seguinte especificação: hcampo – 2%< hótima < hcampo + 2%. < Determina-se também o peso específico seco do solo no campo, comparando-o com o obtido no laboratório. Define-se então o grau de compactação do solo, dado pela razão entre os pesos específicos secos de campo e de laboratório (GC = γs campo/ γs,máx) x100. Devem-se obter sempre valores de grau de compactação superiores a 95%. Caso estas especificações não sejam atendidas, o solo terá de ser revolvido, e uma nova compactação deverá ser efetuada. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 57 Métodos Empregados para Controle da Densidade no Campo (IN Situ): Para comprovar se a compactação está sendo feita devidamente, deve-se determinar sistematicamente a umidade e o peso específico aparente do material. Para este controle pode ser utilizado o “speedy” na determinação da umidade, e o processo do “fraco de areia” na determinação do peso específico. Chama-se porcentagem ou grau de compactação ao quociente do peso específico aparente seco obtido no campo, pelo peso específico seco máximo obtido no laboratório. GC = γ s ,max (laboratório ) γ S (campo ) x100 Portanto o GC é um parâmetro que serve para verificar se a compactação de campo está atendendo as exigências do projeto. Para cada camada de solo compactado calcula-se o GC com o maior no possível de ensaios ou de acordo coma especificação da obra, adotando de preferência resultados de método estatístico. Não sendo atingida a compactação desejada, a qual não deverá ser inferior a determinado valor do grau de compactação, nunca inferior a 95% (ou valor especificado na obra), o material será revolvido (homogeneizado) e recompactado. Portando, GC =100±5 %. 6.9.2 Aterros experimentais É um método utilizado por empreiteiros quando se executa obras de grande vulto, cujo objetivo principal, é saber quantas vezes (n0 de passadas) deve passar o rolo compressor especificado. Consiste na execução de aterros experimentais prévios à obra, obedecendo a seguinte seqüência: a) Prepara-se no local da obra uma área experimental aplainada e compactada; b) Sobre esta área serão lançadas as camadas de aterro experimental (máximo de 25 cm de espessura-fofa), em faixas com o dobro da largura do rolo compressor, para que ele possa ir de um lado e retornar pelo outro. O comprimento em extensão deste trecho é de ± 50m. c) Cada camada é compactada na umidade ótima, e determina-se o peso específico aparente ao fim de 2, 4, 8, 16 e 32 passadas. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 58 d) Com os resultados obtidos, traça-s um gráfico no qual, escolhemos o número de passadas para atingir o γs,max do laboratório. 6.9.3 Equipamentos de campo (compactação de campo) Os princípios que estabelecem a compactação dos solos no campo são essencialmente os mesmos discutidos anteriormente para os ensaios em laboratórios. Assim, os valores de peso específico seco máximo obtidos são fundamentalmente função do tipo do solo, da quantidade de água utilizada e da energia específica aplicada pelo equipamento que será utilizado, a qual depende do tipo e peso do equipamento e do número de passadas sucessivas aplicadas. A energia de compactação no campo pode ser aplicada, como em laboratório, de três maneiras diferentes: por meios de esforços de pressão, impacto, vibração ou por uma combinação destes. Os processos de compactação de campo geralmente combinam a vibração com a pressão, já que a vibração utilizada isoladamente se mostra pouco eficiente, sendo a pressão necessária para diminuir, com maior eficácia, o volume de vazios interpartículas do solo. Os equipamentos de compactação são divididos em três categorias: os soquetes mecânicos; os rolos estáticos e os rolos vibratórios. a) Soquetes São compactadores de impacto utilizados em locais de difícil acesso para os rolos compressores, como em valas, trincheiras, etc. Possuem peso mínimo de 15 Kgf, podendo ser manuais ou mecânicos (sapos). A camada compactada deve ter 10 a 15 cm para o caso dos solos finos e em torno de 15 cm para o caso dos solos grossos. b) Rolos Estáticos Os rolos estáticos compreendem os rolos pé-de-carneiro, os rolos lisos de roda de aço e os rolos pneumáticos. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 59 Pé-de-Carneiro Os rolos pé-de-carneiro são constituídos por cilindros metálicos com protuberâncias (patas) solidarizadas, em forma tronco-cônica e com altura de aproximadamente de 20 cm. Podem ser alto propulsivos ou arrastados por trator. É indicado na compactação de outros tipos de solo que não a areia e promove um grande entrosamento entre as camadas compactadas. A camada compactada possui geralmente 15 cm, com número de passadas variando entre 4 e 6 para solos finos e de 6 e 8 para solos grossos. A Figura 05 ilustra um rolo compactador do tipo pé-de-carneiro. As características que afetam a performance dos rolos pé-de-carneiro são a pressão de contato, a área de contato de cada pé, o número de passadas por cobertura e estes elementos dependem do peso total do rolo, o número de pés em contato com o solo e do número de pés por tambor. Figura 6.5: Rolo Pé-de-Carneiro Rolo Liso Trata-se de um cilindro oco de aço, podendo ser preenchido por areia úmida ou água, a fim de que seja aumentada a pressão aplicada. São usados em bases de estradas, em capeamentos e são indicados para solos arenosos, pedregulhos e pedra britada, lançados em espessuras inferiores a 15 cm. Este tipo de rolo compacta bem camadas finas de 5 a 15cm com 4 a 5 passadas. Os rolos lisos possuem pesos de 1 a 20 t e freqüentemente são utilizados para o acabamento superficial das camadas compactadas. Para a compactação de solos finos utilizam-se rolos com três rodas com pesos em torno de 7t para materiais de baixa plasticidade e 10t, para materiais de alta plasticidade. A Figura 6.6 ilustra um rolo compactador do tipo liso. Os rolos lisos possuem certas desvantagens como, pequena área de contato e em solos mole afunda demasiadamente dificultando a tração. Mecânica dos Solos – João Carlos Página 60 Figura 6.6: Rolo Liso Rolo Pneumático Os rolos pneumáticos são eficientes na compactação de capas asfálticas, bases e sub-bases de estradas e indicados para solos de granulação fina e arenosa. Os rolos pneumáticos podem ser utilizados em camadas de até 40 cm e possuem área de contato variável, função da pressão nos pneus e do peso do equipamento. Pode-se usar rolos com cargas elevadas obtendo-se bons resultados. Neste caso, muito cuidado deve ser tomado no sentido de se evitar a ruptura do solo. A Figura 6.7 ilustra um rolo pneumático Figura 6.7: Rolo Pneumático c) Rolos Vibratórios Nos rolos vibratórios, a freqüência da vibração influi de maneira extraordinária no processo de compactação do solo. São utilizados eficientemente na compactação de solos granulares (areias), onde os rolos pneumáticos ou pé-de-carneiro não atuam com eficiência. Este tipo de rolo quando não são usados corretamente produzem super compactação. A espessura máxima da camada é de 15cm. O rolo vibratório pode ser visto na figura 6.8. Figura 6.8: Rolo Vibratório Mecânica dos Solos – João Carlos Página 61 6.9.4 ESCOLHA DOS EQUIPAMENTOS DE COMPACTAÇÃO a) Solos Coesivos Nos solos coesivos há uma parcela preponderante de partículas finas e muito finas (silte e argila), nas quais as forças de coesão desempenham papel muito importante, sendo indicado a utilização de rolos pé-de-carneiro e os rolos conjugados. b) Solos Granulares Nos solos granulares há pouca ou nenhuma coesão entre os grãos existindo, entretanto atrito interno entre os grãos existindo, entretanto atrito interno entre eles, sendo indicado a utilização rolo liso vibratório. c) Mistura de Solos Nos solos misturados encontra-se materiais coesivos e granulares em porções diversas, não apresenta característica típica nem de solo coesivo nem de solo granular, sendo indicado a utilização de pé-de-carneiro vibratório. d) Mistura de argila, silte e areia Rolo pneumático com rodas oscilantes. e) Qualquer tipo de solo Rolo pneumático pesado, com pneus de grande diâmetro e largura. f) Resumo com características de rolos TIPO DE ROLO Pé de carneiro (estático) Pé de carneiro (vibratório) Pneumático (leve) Pneumático (pesado) Vibratório (rodas metálicas lisas) Liso métálico (estático) Rolo de grade ou malha Combinados PESO MÁXIM O (t) 20 30 15 35 30 20 20 20 ESP. MÁXIMA APÓS A COMPACTAÇÃO (cm) 40 40 15 35 50 10 20 20 UNIFORMIDADE DA CAMADA Boa Boa Boa Muita Boa Muita Boa Regular Boa Boa TIPO DE SOLO Argilas e siltes Misturas de areia com silte e argila Misturas de areia com silte e argila Praticamente todos Areias, cascalhos, material granular Materiais granulares, brita Materiais granulares ou em blocos Praticamente tosos Tabela 6.1: Características do Rolo Compactador