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Propriedades Físicas dos Solos

2

Sumário

1. Textura

2. Tamanho de Grão e Distribuição Granulométrica

3. Forma da Partícula

4. Limites de Atterberg

5. Considerações sobre Análise Granulométrica

6. Considerações sobre Sedimentação

3

1. Textura dos Solos

4

1.1 Textura

A textura de um solo é sua aparência ou “sensação ao toque” e depende dos tamanhos relativos e formas das partículas, bem como da faixa ou distribuição desses tamanhos.

Solos granulares:

Pedregulhos Areias

Solos finos:

Siltes Argilas

0.075 mm (USCS)

0.06 mm (BS)

Peneiramento Sedimentação

5

1.2 Características

(Holtz and Kovacs, 1981)

6

2. Tamanho de Grão e Distribuição Granulométrica

7

2.1 Tamanho de Grão

Pedreguho

Arei a

Silt e

Argila

4.75

Unit: mm (Holtz and Kovacs, 1981)

USCS

BS

0.075

2.0 0.06 0.002

USCS: Unified Soil Classification

BS: British Standard

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Nota:

Fração argila

Argilo-minerais

Exemplo:

Caolinita, Ilita, Montmorilonita, etc.

Exemplo:

Uma pequena partícula de quartzo pode ter tamanho similar ao de argilo-minerais.

9

2.2 Distribuição Granulométrica

(Das, 1998)(Head, 1992)

•Peneira

10

2.2 Distribuição Granulométrica (Cont.)

Solos granulares:

Pedregulho Areia

Solos finos:

Silte Argila

0.075 mm (USCS)

0.06 mm (BS) (Hong Kong)

•Ensaios

Peneiramento Sedimentação

(Head, 1992)

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2.2 Distribuição Granulométrica (Cont.)

Escala logarítmica

(Holtz and Kovacs, 1981)

Tamanho efetivo D10: 0.02 mm

D30: D60:

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2.2 Distribuição Granulométrica (Cont.)

• Descreve a formaExempo: Bem graduada

•Critérios

•Pergunta

Qual é o Cu para um solo com um único tamanho de grão?

mmD

mmD

efetivotamanhommD

9

6.0

) (02.0

60

30

10

2)9)(02.0(

)6.0(

))((

)(

45002.0

9

2

6010

230

10

60

DD

DC

curvaturadeeCoeficient

D

DC

deuniformidadeeCoeficient

c

u

mmD

mmD

efetivotamanhommD

9

6.0

) (02.0

60

30

10

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Pergunta

•PerguntaQual é o valor de Cu para um solo com um único tamanho de

grão?

Tamanho de partícula

% a

cum

alad

a pa

ssan

te

Distribuição granulométrica

110

60 D

DC

deuniformidadeeCoeficient

u

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2.2 Distribuição Granulométrica (Cont.)

• Aplicações na Engenharia Auxilia a “sentir” a textura do solo (que solo é esse) e também

será empregada na classificação de solos (próximo assunto).

Pode ser usada para definir a faixa granulométrica especificada para filtro de um dreno (para evitar a colmatação do mesmo)

Pode ser um critério de seleção de materiais de enchimento e aterros de barragens, materiais para sub-base e base de pavimentos e agregados para concreto de CP e misturas asfálticas.

O Diâmetro efetivo, D10, pode ser correlacionado com a condutividade hidráulica (descrevendo a permeabilidade de solos). (Equação de Hazen).(Nota: controlada pelas partículas menores)

A distribuição granulométrica é mais importante para os solos granulares.

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3. Forma da Partícula

Importante para solos granulares Partículas angulares maior atrito Partículas arredondadas menor atrito Notar que as partículas de argila têm formato lamelar.

Arredondada Subarredondada

Subangular Angular

(Holtz and Kovacs, 1981)

Solos granulares

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4. Limites de Atterberge Índices de Consistência

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4.1 Limites de Atterberg

• A presença de água nos solos finos pode afetar significativamente o comportamento de engenharia, portanto, são necessários índices de referência que evidenciem esses efeitos.

(Holtz and Kovacs, 1981)

Em %

18

4.1 Limites de Atterberg (Cont.)

Limite de Liquidez, LL

Estado Líquido

Limite de Plasticidade, LP

Estado Plástico

Limit de Contração, LC

Estado Semi-sólido

Estado Sólido

Solo seco

Mistura fluida solo-água

Teo

r de

um

idad

e cr

esce

nte

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4.2 Limite de Liquidez-LL

Materiais

•Solo passando na peneira No.40 (0,425 mm).

•Água destilada

Método de Casagrande

(ASTM D4318-95a)

•O Professor Casagrande normatizou o ensaio e desenvolveu o aparelho para determinação do limite de liquidez.

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4.2.1 Método de Casagrande

N=25 golpes

Abertura da ranhura = 12,7mm (0.5 in)

(Holtz and Kovacs, 1981)

•Aparelho

O Limite de Liquidez é o teor de umidade para o qual a ranhura de solo se fecha com 25 golpes, no aparelho de Casagrande.

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4.2.1 Método de Casagrande (Cont.)

N

w

Das, 1998

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4.3 Limite de Plasticidade - LP

O limite de plasticidade, LP, é o teor de umidade no qual um cilindro de solo com 3,2 mm de diâmetro começa a trincar quando moldado.

ASTM D4318-95a, BS1377: Part 2:1990:5.3

(Holtz and Kovacs, 1981)

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4.4 Limite de Contração - LC

Definição do LC:

Teor de umidade abaixo do qual o solo não mais muda de volume ao variar seu teor de umidade

(Das, 1998)

SL

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4.4 Limite de Contração - LC (Cont.)

(Das, 1998)

Volume de solo: Vi

Massa de solo: M1

Volume de Solo: Vf

Massa do solo: M2

)100)(()100(

(%)(%)

22

21w

fi

i

M

VV

M

MM

wwLC

25

4.4 Limite de Contração - LC (Cont.)

• “Embora o limite de contração fosse bastante usado durante os anos 1920s, é atualmente considerado como sujeito a elevada incerteza e portanto sua determinação não é mais comum.”

• “Um dos maiores problemas do ensaio de limite de contração é que a magnitude da contração depende não apenas do tamanho do grão mas também da estrutura inicial do solo. O procedimento padrão consiste em iniciar o ensaio com um teor de umidade próximo (mas inferior) ao LL. Entretanto, especialmente nas argilas siltosas e arenosas, isto resulta em valores de LC superiores ao LP, o que não tem sentido. Casagrande sugere que o teor inicial de umidade seja ligeiramente maior do que o LP, se possível, mas reconhece-se que nesta condição é difícil evitar a aprisionamento de bolhas de ar no solo moldados.” (Holtz and Kovacs, 1981)

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4.5 Típicos Valores dos Limites de Atterberg

(Mitchell, 1993)

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4.6 Índices

•Indice de Plasticidade IP

Para descrever o intervalo de teor de umidade em que um solo é plástico

IP = LL – LPL

•Índice de Consistência IC

LC <0 (A), fratura frágil se cisalhado

0<LC<1 (B), sólido plástico se cisalhado

LC >1 (C), líquido viscoso se cisalhado

LL

Estado Líquido

LP

Estado Plástico

LC

Estado Semi-sólido

Estado Sólido

PI

A

B

Cumidade de teor o éw

LPLL

LPw

IP

LPwLC

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4.6 Indices (Cont.)

•Atividade A

(Skempton, 1953)

Argilas de atividade normal: 0,75<A<1,25

Argilas inativas: A<0,75

Argilas ativas: A> 1.25

Elevada atividade:

•Expandem muito ao serem umedecidas

•Apresentam elevada contração quando secas

•Muito reativas (quimicamente)

•Propósito

Tanto o tipo quanto a quantidade de argila nos solos afetarão os limites de Atterberg limits. Este índice destina-se a separar os tipos de argilas.

Mitchell, 1993

mm0,002argila fração

(peso)argila fração%

IP

A

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• Soil classification (the next topic)

• The Atterberg limits are usually correlated with some engineering properties such as the permeability, compressibility, shear strength, and others. In general, clays with high plasticity have lower permeability, and they are

difficult to be compacted. The values of SL can be used as a criterion to assess and prevent the

excessive cracking of clay liners in the reservoir embankment or canal.

4.7 Engineering Applications

The Atterberg limit enable clay soils to be classified.

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5. Análise Granulométrica

• The representative particle size of residual soils The particles of residual soils are susceptible to severe breakdown

during sieve analysis, so the measured grain size distribution is sensitive to the test procedures (Irfan, 1996).

• Wet analysis For “clean” sands and gravels dry sieve analysis can be used. If soils contain silts and clays, the wet sieving is usually used to

preserve the fine content.

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6. Some Thoughts about the Hydrometer Analysis

Stokes’ law

18

D)(v

2ws

Assumption Reality

Sphere particlePlaty particle (clay particle) as D 0.005mm

Single particle(No interference between particles)

Many particles in the suspension

Known specific gravity of particles

Average results of all the minerals in the particles, including the adsorbed water films.Note: the adsorbed water films also can increase the resistance during particle settling.

Terminal velocity Brownian motion as D 0.0002 mm(Compiled from Lambe, 1991)

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8. References

Main References:

Das, B.M. (1998). Principles of Geotechnical Engineering, 4th edition, PWS Publishing Company. (Chapter 2)

Holtz, R.D. and Kovacs, W.D. (1981). An Introduction to Geotechnical Engineering, Prentice Hall. (Chapter 1 and 2)

Others:

Head, K. H. (1992). Manual of Soil Laboratory Testing, Volume 1: Soil Classification and Compaction Test, 2nd edition, John Wiley and Sons.

Ifran, T. Y. (1996). Mineralogy, Fabric Properties and Classification of Weathered Granites in Hong Kong, Quarterly Journal of Engineering Geology, vol. 29, pp. 5-35.

Lambe, T.W. (1991). Soil Testing for Engineers, BiTech Publishers Ltd.

Mitchell, J.K. (1993). Fundamentals of Soil Behavior, 2nd edition, John Wiley & Sons.