Propriedades Físicas dos Solos

1. Propriedades Físicas dos Solos

2. Sumário • Textura • Tamanho de Grão e Distribuição Granulométrica • Forma da Partícula • Limites de Atterberg • Considerações sobre Análise Granulométrica • Considerações sobre Sedimentação

3. 1. Textura dos Solos

4. Solos granulares: Pedregulhos Areias Solos finos: Siltes Argilas 0.075 mm (USCS) 0.06 mm (BS) 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. 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 Argila Areia Silte USCS 4.75 0.075 2.0 0.06 0.002 BS USCS: Unified Soil Classification BS: British Standard Unit: mm (Holtz and Kovacs, 1981)

8. Nota: Fração argila Exemplo: Uma pequena partícula de quartzo pode ter tamanho similar ao de argilo-minerais. Argilo-minerais Exemplo: Caolinita, Ilita, Montmorilonita, etc.

9. 2.2 Distribuição Granulométrica • Peneira (Das, 1998) (Head, 1992)

10. Solos granulares: Pedregulho Areia Solos finos: Silte Argila 0.075 mm (USCS) 0.06 mm (BS) (Hong Kong) 2.2 Distribuição Granulométrica (Cont.) • Ensaios (Head, 1992) Peneiramento Sedimentação

11. 2.2 Distribuição Granulométrica (Cont.) Escala logarítmica Tamanho efetivo D10: 0.02 mm D30: D60: (Holtz and Kovacs, 1981)

12. Descreve a forma Exempo: Bem graduada Critérios Pergunta Qual é o Cu para um solo com um único tamanho de grão? 2.2 Distribuição Granulométrica (Cont.)

13. Pergunta • Pergunta • Qual é o valor de Cu para um solo com um único tamanho de grão? % acumalada passante Tamanho de partícula Distribuição granulométrica

14. 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.

15. 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. Solos granulares Subarredondada Arredondada Subangular Angular (Holtz and Kovacs, 1981)

16. 4. Limites de Atterberge Índices de Consistência

17. 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. Em % (Holtz and Kovacs, 1981)

18. Estado Líquido Limite de Liquidez, LL Estado Plástico Limite de Plasticidade, LP Estado Semi-sólido Limit de Contração, LC Estado Sólido 4.1 Limites de Atterberg (Cont.) Mistura fluida solo-água Teor de umidade crescente Solo seco

19. 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. 4.2 Limite de Liquidez-LL

20. 4.2.1 Método de Casagrande • Aparelho N=25 golpes Abertura da ranhura = 12,7mm (0.5 in) 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. (Holtz and Kovacs, 1981)

21. w N 4.2.1 Método de Casagrande (Cont.) Das, 1998

22. 4.3 Limite de Plasticidade - LP (Holtz and Kovacs, 1981) 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

23. 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 SL (Das, 1998)

24. 4.4 Limite de Contração - LC (Cont.) Volume de solo: Vi Massa de solo: M1 Volume de Solo: Vf Massa do solo: M2 (Das, 1998)

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)

26. 4.5 Típicos Valores dos Limites de Atterberg (Mitchell, 1993)

27. 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 Estado Líquido LL Estado Plástico LP Estado Semi-sólido LC Estado Sólido 4.6 Índices C B PI LC <0 (A), fratura frágil se cisalhado 0<LC<1 (B), sólido plástico se cisalhado LC >1 (C), líquido viscoso se cisalhado A

28. 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) 4.6 Indices (Cont.) Mitchell, 1993 • Propósito • Tanto otipo quanto a quantidade de argila nos solos afetarão os limites de Atterberg limits. Este índice destina-se a separar os tipos de argilas.

29. 4.7 Engineering Applications • 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. • The Atterberg limit enable clay soils to be classified.

30. 5. Some Thoughts about the Sieve Analysis • 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.

31. Assumption Reality Sphere particle Platy 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 6. Some Thoughts about the Hydrometer Analysis • Stokes’ law (Compiled from Lambe, 1991)

32. 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.