Aula Mecânica dos solos

Umidade

- Quantidade de água existente no solo

-A resposta do solo para a umidade é muito importante, já que o solo deve suportar a carga durante o ano todo. A chuva, por exemplo, pode transformar o solo em um estado plástico ou até mesmo em um líquido. Neste estado, o solo tem pouca ou nenhuma capacidade de suportar carga.

-O teor de umidade do solo é vital para uma compactação apropriada. A umidade age como um lubrificante dentro do solo, fazendo com que as partículas se junte.

Umidade

- 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 seu estado se altera. As diversas propriedades do solo dependem do estado em que se encontra. Quando diminui o volume de vazios, por exemplo, a resistência aumenta.

Umidade

Para se determinar o estado dos solos, empregam-se índices que correlacionam os pesos e os volumes das três fases:

-Sólido (grãos)-Água-Ar

Umidade

FASE SÓLIDO ÁGUA E AR

- FASE SÓLIDA - Caracterizada pelo seu tamanho, forma, distribuição e composição mineralógica dos grãos.

- FASE GASOSA - Fase composta geralmente pelo ar do solo em contato com a atmosfera, podendo−se também apresentar na forma oclusa (bolhas de ar no interior da fase água). A fase gasosa é importante em problemas de deformação de solos e é bem mais compressível que as fases sólida e líquida.

- FASE LIQUIDA - Preenche os vazios dos solos. Pode estar em equilíbrio hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou de outra forma. Pode−se dizer que a água se apresenta de diferentes formas no solo, sendo contudo extremamente difícil se isolar os estados em que a água se apresenta em seu interior.

Termos mais comumente utilizados para descrever os estados da água no solo:

-ÁGUA LIVRE - Preenche os vazios dos solos. Pode estar em equilíbrio hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou de outros gradientes de energia..

-ÁGUA CAPILAR - Se eleva pelos interstícios capilares formados pelas partículas sólidas, devido a ação das tensões superficiais oriundas a partir da superfície líquida da água.

-ÁGUA ADSORVIDA (ADESIVA) - É uma película de água que adere às partícula de solos muito finos devido a ação de forças elétricas desbalanceadas na superfície dos argilo-minerais.

Termos mais comumente utilizados para descrever os estados da água no solo:

-ÁGUA DE CONSTITUIÇÃO - É a água presente na própria composição química das partículas sólidas. Não é retirada utilizando−se os processos de secagem tradicionais.

-ÁGUA HIGROSCÓPICA - Água que o solo possui quando em equilíbrio com a umidade atmosférica e a temperatura ambiente. Ou seja, a água que ainda se encontra no solo seco ao ar livre.

“As águas livres, Higroscópica e Capilar podem ser totalmente eliminadas em temperatura prática de 100 ºC”.

Índices Físicos

O comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma de suas três fases (sólidos, água e ar). Diversas relações são empregadas para expressar as proporções entre elas. Para se determinar o estado dos solos, empregam-se índices que correlacionam os pesos e os volumes das três fases:

AR

ÁGUA

SÓLIDOS

1. Umidade Higroscópica (W)

Onde: mi = massa inicial mf = massa final

Determinação da Umidade Higroscópica

f

fi

m

mmggW

)/( 100(%)

f

fi

m

mmW

Determinação da Umidade em base de massa

O teor de umidade é obtido por diferença de peso de uma amostra de solo antes e após a secagem em estufa (105°C a 110°C. Os procedimentos adotados no laboratório (ABNT/NBR 6457/86 - Amostras de Solo - Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização) são:

-toma-se uma cápsula com peso conhecido (Wc)

-seleciona-se uma porção de amostra representativa (aproximadamente 50g)

-coloca-se a amostra na cápsula e pesa-se o conjunto (Wc + W)

-seca-se em estufa o conjunto até a constância do peso

-pesa-se novamente o conjunto (Wc + Ws)

Determinação da Umidade em base de massa

As variações no peso da amostra de solo se devem a evaporação da água existente no seu interior. Após o período de secagem em estufa, o peso da amostra é novamente determinado. Deste modo, o peso da água existente no solo é igual a diferença entre os pesos da amostra antes e após esta ser levada à estufa, sendo a umidade do solo a razão entre esta diferença e o peso da amostra determinado após secagem.

Determinação da Umidade em base de massa

Estufa

Regular temperatura entre 105°C e 110°C

Retirada das Amostras

Amostrador de solo

Ferramentas para retirada de solos indeformados

Trado tipo Uhland

Retirada das Amostras

Ferramentas para retirada de solos indeformados

Trado tipo Uhland

Ferramentas para retirada de solos deformados (determinação da umidade)

Tipos de trados

Retirada das Amostras

Umidade em base de massa

Onde: mu = massa do solo úmido ms = massa do solo seco

100(%)

s

su

m

mmW

s

su

m

mmggW

)/(

Índices Físicos

2. Massa das Partículas Sólidas (ms)

Onde:W= Teor de umidademt = massa Total

W

mm ts 1

Índices Físicos

3. Massa da Água (mw)

Onde:mt= Massa totalms = Massa das partículas sólidas

stw mmm

Índices Físicos

4. Volume das Partículas Sólidas (Vs)

Onde:ms = massa das partículas sólidasρs = massa específica

s

ss

mV

s

ss V

m

Índices Físicos

5. Volume de Vazios (Vv)

Onde:Vt= Volume totalVs = Volume dos sólidos

stv VVV

Índices Físicos

6. Índice de vazios (e)

Onde:Vv= Volume dos vaziosVs = Volume dos sólidos

s

v

V

Ve

Índices Físicos

7. Porosidade (η)

Onde:Vv= Volume dos vaziosVt= Volume total

t

v

V

V

Classificação Índice de vazios e Porosidade

Índices Físicos

8. Grau de Stauração (Sr)

Onde:Vw= Volume da águaVv= Volume de vazios

v

wr V

VS

Classificação do Grau de Saturação

Índices Físicos

9. Peso Específico [γ(N/m3)] e Massa Específica [p(kg/m3)]

Onde:Pt= Peso totalVt= Volume totalmt= massa total

t

t

V

P

t

t

V

m g

Índices Físicos

10. Densidade do solo (Ds)

Onde:ms= massa do solo secoVT= volume total do solo

T

sS V

mD

A densidade é definida como a relação entre a massa de sólidos secos do solo e seu volume total

Índices Físicos

11. Umidade Volumétrica (θ)

Onde:Vw = Volume da águaVt =Volume total

t

w

V

V

Em alguns ramos da mecânica do solo utiliza-se a umidade volumétrica

Exercício Resolvido

Tem se 1900g de solo úmido, o qual será compactado num molde, cujo volume é de 1000 cm3. O solo seco em estufa apresentou um peso de 1705g. Sabendo-se que o peso específico dos grãos (partículas) é de 2,66g/cm3 determine:

a) Teor de umidadeb) Porosidade

a) (1900 – 1705) / 1705 = 0,11437 x 100 = 11,44%

b) ys = Ps / Vst

v

V

V

ys = 2,66 g/cm3

Vs = 1705 g / 2,66 g/cm3

Vs = 640,98 cm3

Vv = 1000 cm3 – 640,98 cm3 = 359,02 cm3

stv VVV

n = [359,02 cm3 / 1000 cm3] x 100 = 35,9%

Exercícios

1.Na determinação do teor de umidade numa amostra de solo silto-argilosa, foram encontrados os seguintes parâmetros:

• Massa do solo úmido mais a tara – 17,53g• Massa do solo seco mais a tara – 14,84 g• Massa da tara – 7,84 g

Determinar o teor de umidade do solo

Exercícios

2. A massa de uma amostra de solo totalmente saturada é de 1350 gramas e após a secagem é de 975 gramas. Sabendo que a massa específica do solo é 2650 kg/m3. Determinar:

• Teor de umidade

Exercícios

3. Determinar a umidade, baseada em dados laboratoriais abaixo:

Peso da cápsula + areia úmida = 258,7gPeso da cápsula + areia seca = 241,3gPeso da cápsula = 73,8gVolume da cápsula = 100 cm3

Densidade do solo

t

t

V

M

Consequências de uma compactação deficiente

Umidade x densidade do solo

O teor de umidade do solo é vital para uma compactação apropriada. A umidade age como um lubrificante dentro do solo,fazendo as partículas se ajuntarem.

Muito pouca umidade significa compactação inadequada. As partículas não podem se mover entre si para alcançar maior densidade.

Excesso de umidade deixa água preenchendo espaços vazios e subseqüentemente diminui a capacidade de suportar carga.

A densidade mais alta para a maioria dos solos está em um certo teor de água para um determinado esforço de compactação. O mais resistente secador do solo é a compactação.

Teste de mão para verificar umidade ideal

Um método rápido para determinar o teor de umidade é conhecido como o “Teste da Mão.”

Apanhe um punhado de terra. Aperte em sua mão. Abra a sua mão.

Teste de mão para verificar umidade ideal

• Se a terra está pulverulenta e não retiver a forma feita por sua mão, ela é muito seca. Se ela se fragmenta quando derrubada, é muito seca.

• Se a terra é moldável e se fragmenta em apenas dois pedaços quando derrubada, tem a quantidade certa de umidade para uma compactação adequada.

• Se a terra é plástica em sua mão, deixa poucos vestígios de umidade em seus dedos e permanece em um pedaço quando derrubada, tem muita umidade para compactação.

Compactação do Solo

Dois aspectos:

- aumentar a intimidade de contato entre os grãos-tornar o aterro mais homogêneo melhorando as suas características de resistência

Compactação → densificação do solo

-aumentar a densidade do solo

-melhorar as características de resistência

Trilhos vs Pneus

TrilhoPneu

TrilhoPneu

Influência da largura dos pneus

Compactação do Solo

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.

- 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.

Importância

- Pavimentos- Barragens de terra- Aterros

Compactação do Solo

Engenheiro Ralph Proctor (1933)

- Compactação função de quatro variáveis:

a) Densidade do solo; b) Umidade; c) Energia de compactação;d) Tipo de solo.

Diferença na utilização dos termos Compactação e Adensamento

•Compactação → diminuição dos vazios do solo se dá por expulsão do ar.

- efeito imediato

•Adensamento → expulsão de água.

- ao longo do tempo (pode levar muitos anos para que ocorra por completo, a depender do tipo de

solo)

- as cargas são normalmente estáticas.

Curva de Compactação

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.

Curva de Compactação

- A densidade seca máxima e a umidade ótima determinada (Ensaio Proctor) dependem da energia aplicada na compactação.

- Energia de compactação - trabalho executado, referido a unidade de volume de solo após compactação.

V

Nc.Ng.H.MEC

M – massa do soquete (N)H – altura de queda do soquete (cm)Ng – o número de golpes por camadaNc – número de camadasV – volume de solo compactado (cm3)

Curva de Compactação

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.

Equipamentos de campo

- A energia específica aplicada pelo equipamento que será utilizado depende do tipo e peso do equipamento e do número de passadas sucessivas aplicadas.

- A energia de compactação no campo pode ser aplicada das seguintes maneiras:

-Pressão-Impacto-Vibração-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 do solo.

Aplicação dos equipamentos de compactação

Equipamentos de campo

Os equipamentos de compactação são divididos em três categorias:

1) Soquetes

2) Rolos estáticos

3) Rolos vibratórios

Equipamentos de campo

1) Soquetes

Equipamentos de campo

2) Rolos Estáticos

- Rolos pé-de-carneiro

- Rolos lisos

- Rolos pneumáticos.

Equipamentos de campo

• Rolos Pé-de-carneiro

- São constituídos por cilindros metálicos com protuberâncias (patas).

- Podem ser auto propulsivos ou arrastados por trator.

- Performance depende:

- pressão de contato - área de contato de cada pé - número de pés em contato com o solo - número de pés por rolo - número de passadas - peso total do rolo

Rolos Pé-de-carneiro

Equipamentos de campo

• Rolos lisos

- Acabamento superficial de áreas compactadas

Rolos lisos

Equipamentos de campo• Rolos pneumáticos

Equipamentos de campo

3) Rolos vibratórios

- Frequência de vibração influi no processo

Exercícios

4. Um cilindro de solo de 0,1 m de diâmetro e 0,12 m de altura tem uma massa de 1,7 kg, dos quais 0,26 kg são água. Assumindo que o valor da massa específica da água ρw = 1000 kg/m3 e a massa específica dos sólidos ρs = 2650 kg/m3, calcular:

a) Umidade (%) base em massa

b) Umidade (%) base em volume

c) Altura de água

d) Densidade do solo

e) Porosidade (%)

Resp: a)18,05%; b) 27,6%; c) 33,12mm; d) 1,528; e) 42,31%

Exercícios

5. Coletou-se uma amostra de solo à profundidade de 60 cm, com anel volumétrico de diâmetro e altura de 7,5 cm. O peso úmido do solo foi de 560 g e após 48 horas em estufa a 105 °C, seu peso permaneceu constante e igual a 458 g. Qual a densidade do solo? Qual a sua umidade com base em massa e com base em volume?

Resp: D=1,38; W=22,27%; θ = 30,78%

Exercícios adicionais

I. Coletaram-se 220 kg de solo úmido. O valor da umidade do solo foi de 0,18 kg/kg. Calcular o valor da massa de sólidos e o da massa de água.

Resp: mu=39,6 kg; ms=180,4kg

Exercícios adicionais

II. Coletou-se uma amostra de solo com anel volumétrico de 200 cm3, a uma profundidade de 10 cm. Obteve-se: m=332 g e ms = 281 g. Após a coleta, fez-se um teste de compactação do solo, passando sobre ele um rolo compressor. Nova amostra coletada com o mesmo anel e a mesma profundidade apresentou: m = 360 g e ms = 305 g. Determine antes e depois a densidade do solo, a umidade em base de massa e a umidade em base de volume.