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Mecânica dos Solos

Aula 2 – Identificação e Classificação dos Solos por meio de Ensaios

Prof. Msc. Pedro Silveira Gonçalves Neto

 2. 1. Introdução (LOLLO, 2008 )  Do ponto de vista da Engenharia, a classificação de um solo assume um papel extremamente importante no entendimento de seu comportamento frente às solicitações que este poderá experimentar nas obras. Nesse particular, muitas classificações surgiram e procuram enquadrar o solo dentro do contexto próprio de interesse.  Os principais tipos de classificação dos solos são: classificação por tipo de solos, classificação genética geral, classificação textural (granulométrica), classificação unificada (SUCS ou USCS – Unified Soil Classification System ) e o sistema de classificação dos solos proposto pela AASHTO ( American Association of State Highway and Transportation Officials ) conhecido como HRB ( Highway Research Board ).  Classificações USCS e HRB são classificações específicas para solos de clima tipicamente temperado, portanto, não incluem os solos lateríticos (solos de clima tropical). Para esses solos é comum a utilização da classificação MCT.  Os solos podem ser identificados e descritos por meio de análises simples e diretas com base em seu manuseio em campo ou em laboratório. Esse tipo de análise é denominada de táctil-visual e é apenas uma análise primária do tipo de solo. Aula 2

 2. 2. Ensaios Simples de Caracterização dos Solos  Teste de Plasticidade : partículas mais finas, tem maiores superfícies específicas e, portanto, maiores plasticidades na presença de água. A plasticidade pode ser associada com o quando uma amostra de um material pode deformar tendo assim, uma relação direta com a resistência mecânica do solo.  Teste de Resistência do Solo Seco: propriedade que está associada com a capacidade de resistência que um torrão possui mediante a um esforço de compressão pelos dedos. Intrinsicamente associada com o teste de plasticidade, a resistência do solo seco é maior para solos finos.  Teste de Dispersão em Água: coloca-se uma quantidade de solo em uma proveta com água e após agitação, é possível perceber que as partículas constituintes de solos arenosos depositam-se mais rapidamente do que as partículas mais finas como silte ou argila.  Teste de Sujar as Mãos: Com uma pasta de solo e água, esfrega-se as mãos para espalhar a mistura e depois, em água corrente, observa-se a lavagem do material. Solos arenosos se desprendem facilmente das mãos. Aula 2

 2. 3. Análise Granulométrica do Solo Recomenda-se a leitura da NBR 7181 / 84 para melhor entendimento este tópico.  A análise granulométrica é um procedimento técnico que consiste em dividir uma amostra de solo com 1 kg de massa, previamente seca, em frações com tamanhos de grãos específicos determinados pela NBR 7181 e para tanto, podem ser tomados os procedimentos de peneiramento, para a parte grosseira do solo (diâmetros maiores do que 0 , 075 mm) e sedimentação, para a parte fina do solo (diâmetros menores do que 0 , 075 mm).  O principal objetivo é conhecer a distribuição granulométrica do agregado e representá-la através de uma curva, possibilitando assim, a determinação de suas características físicas. A curva granulométrica é um instrumento extremamente importante tanto para a caracterização da distribuição dos grãos quanto para o dimensionamento de filtros de barragens.  A constatação do tipo de granulometria existente no solo (mal graduado ou bem graduado) contribui para tomada de decisões do engenheiro quando há necessidade de aplicar técnicas de melhoria de solo para fins construtivos em barragens e em construção de pavimentos, por exemplo. Aula 2

 2. 3. Análise Granulométrica do Solo  É a medida da textura dos materiais (tamanho relativo dos grãos que formam as partículas sólidas do solo)  Materiais Granulares: peneiramento de amostra seca em estufa e utilização de peneiras padronizadas. O material retido possui diâmetro equivalente maior ou igual ao da peneira.  Materiais Finos: sedimentação das partículas sólidas em solução Aula 2 Fração Limites definidos pela Norma da ABNT Matacão De 25cm a 1m Pedra De 7,6cm a 25cm Pedregulho De 4,8mm a 7,6cm Areia Grossa De 2,0mm a 4,8mm Areia Média De 0,42mm a 2,0mm Areia Fina De 0,05mm a 0,42mm Silte De 0,005mm a 0,05mm Argila Inferior a 0,005mm Tabela 1. Limites das frações do solo pelo tamanho dos grãos. Fonte: Pinto (2006)

 2. 3. Análise Granulométrica do Solo  Peneiramento  Conjunto de 52 peneiras normatizado pela NBR 5734 de malhas quadradas e intervalos de abertura entre 0 , 037 mm e 108 mm.  A amostra seca é colocada na peneira de maior abertura de uma série previamente selecionada e o procedimento segue em mesa vibratória durante 15 min com frequência de 60 hz.  São registradas as porcentagens de massa retida e acumulada para cada peneira.  Sedimentação  Procedimento específicos para a fração fina do solo (diâmetro eq. = 0 , 075 mm)  O cálculo do diâmetro equivalente é feito através do resultado obtido no ensaio de sedimentação de uma massa de sólidos em solução com defloculante. O diâmetro da matéria pode ser obtido pela lei de Stokes (refere-se à força de fricção experimentada por objectos esféricos que se movem no seio de um fluido viscoso, num regime laminar de números de Reynolds de valores baixos). Aula 2

 2. 3. Análise Granulométrica do Solo  Sedimentação  Após um tempo t, admitindo-se a uniformidade da suspensão, as partículas com diâmetros maiores que D, estarão abaixo de z. A percentagem de partículas com diâmetros equivalentes menores que o valor calculado pela expressão anterior, após um tempo t qualquer, é obtida pela expressão (LOLLO, 2008 ): 𝑃 < 𝐷𝑖 = 100 𝑚𝑠 . 𝜌𝑠 𝜌𝑠− 100

. 𝑟 𝐻 − 𝑟𝑤(𝐻) ( 2 )  Onde  P(<Di) = Porcentagem de partículas com diâmetros menores que Di; r(H) = leitura na suspensão a uma temperatura T e, rW(H) = leitura na solução (água destilada + defloculante) à mesma temperatura T. Aula 2

 2. 3. Análise Granulométrica do Solo  Como os solos são constituídos por diferentes tamanhos de partículas, é comum adotar-se o processo de peneiramento em conjunto com o processo de sedimentação para a medida da textura dos solos. Tal processo é denominado análise granulomérica conjunta. A fim de separar partículas que possam estar agrupadas, são usadas substâncias defloculantes (como hexametafosfato de sódio, silicato de sódio, e outros). Aula 2 Figura 2. Exemplo de curva granulométrica. Fonte: Fortes (2011).

 2. 3. Análise Granulométrica do Solo  O CNU pode ser calculado através da seguinte equação: 𝐶𝑁𝑈 = 𝐷 60 𝐷 10

 D 60 – diâmetro que representa 60 % da amostra passante;  D 10 – diâmetro que representa 10 % da amostra passante, também conhecido como diâmetro efetivo.  O CC pode ser calculado através da seguinte equação: 𝐶𝐶 = 𝐷 30 ² 𝐷 60. 𝐷 10

 D 60 – diâmetro que representa 60 % da amostra passante;  D 30 – diâmetro que representa 30 % da amostra passante;  D 10 – diâmetro que representa 10 % da amostra passante, também conhecido como diâmetro efetivo. Aula 2

 2. 3. Análise Granulométrica do Solo  Somente o diâmetro efetivo (D 10 ) e o CNU não são suficientes para representar por si só a curva granulométrica, uma vez que solos distintos podem apresentar os mesmos valores de D 10 e CNU. Dessa forma, somente a curva granulométrica pode identificar um solo quanto à sua classificação textural (LOLLO, 2008 ).  Do ponto de vista de engenharia, a análise granulométrica por si só não consegue retratar o comportamento do solo. A fração de finos presente exerce papel fundamental. O comportamento dos solos finos irá depender de diversos fatores como sua composição mineralógica, sua umidade, sua estrutura e até seu grau de saturação (LOLLO, 2008 ).  Quanto menor a partícula de um solo, menor será sua superfície específica e, portanto, maior será sua plasticidade. As partículas de argilominerais presentes num solo diferem grandemente em sua estrutura mineralógica. Isso faz com que solos com a mesma quantidade da fração argila, apresentem comportamentos completamente diversos em função do argilomineral presente (LOLLO, 2008 ). Aula 2

 2. 4. Índices de Consistência (Limites de Atterberg)  O estado líquido é caracterizado pela ausência de resistência ao cisalhamento e o solo assume as características de um líquido. Quando o solo começa a perder umidade, passa a apresentar o comportamento plástico, ou seja, deforma-se sem variação volumétrica. Na seqüência, com a perda de mais água, o material torna-se quebradiço (estado semi-sólido). No estado sólido (menor quantidade de água), não ocorrem mais variações volumétricas pela secagem do solo (LOLLO, 2008 ).  Os teores de umidade correspondentes às mudanças de estado são denominados de Limite de Liquidez (LL), Limite de Plasticidade (LP), e Limite de Contração (LC). O LL é o teor de umidade que delimita a fronteira entre o estado líquido e plástico. O LP delimita o estado plástico do semi-sólido e, o LC, o estado semi-sólido do sólido (LOLLO, 2008 ).  Os valores de LL e LP são de uso mais corriqueiro na engenharia geotécnica. Os ensaios para caracterização dos limites de consistência são padronizados pela ABNT (NBR 6459 – Limite de Liquidez; NBR 7180 – Limite de Plasticidade) (LOLLO, 2008 ). Aula 2

 2. 4. Índices de Consistência (Limites de Atterberg)  Com base nos valores dos limites de consistência é possível obter outros dois índices, a saber: o índice de plasticidade (IP) e o índice de consistência (IC). Esses índices são chamados de índices de consistência e são de utilização muito comum na prática. No entanto, o IC, por não acompanhar com fidelidade as variações de consistência de um solo, tem caído em desuso (LOLLO, 2008 ). : 𝐼𝑃 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ( 5 ) 𝐼𝐶 = 𝐿𝐿−𝑤 𝐼𝑃

 O índice de plasticidade procura medir a plasticidade do solo e representa a quantidade de água necessária a acrescentar ao solo para que este passe do estado plástico para o líquido. A seguir, são apresentados alguns intervalos do IP para a classificação do solo quanto à plasticidade: IP = 0 → Não Plástico; 1 < IP < 7 → Pouco Plástico; 7 < IP < 15 → Plasticidade Média; IP > 15 → Muito Plástico (LOLLO, 2008 ). Aula 2

 2. 4. Índices de Consistência (Limites de Atterberg) Recomenda-se a leitura das Normas NBR 6459 / 84 e NBR 7180 / 84 para melhor entendimento do tema.  2. 4. 1. Ensaio de Limite de Liquidez  O Limite de Liquidez foi 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. 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. Aula 2 Figura 4. Aparelho de Casagrande. Fonte: Schultz (2017) Figura 5. Resultados de ensaios de limites de liquidez. Fonte: Fortes (2011).

 2. 4. Índices de Consistência (Limites de Atterberg)  2. 4. 2. Ensaio de Limite de Plasticidade  O Limite de Plasticidade foi 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 de comprimento, rolando-se o solo com a palma da mão sobre uma placa de vidro fosco. O procedimento é padronizado no Brasil pela norma NBR 7180 - Solo - Determinação do limite de plasticidade. Aula 2 Figura 6. Ferramentas para a execução do ensaio de LP. Fonte: Fortes (2011) Figura 7. Execução do ensaio de LP. Fonte: Fortes (2011).