Mecânica dos Solos - Índices Físicos

Mecânica dos Solos - Índices Físicos

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Notas de Aula - Mecânica dos Solos 3

UNIDADE 2 - ÍNDICES FÍSICOS E RETIRADA DE AMOSTRAS

2.1 Introdução

Numa massa de solo, podem ocorrer três fases: a fase sólida, a fase gasosa e a fase líquida. A fase sólida é formada pelas partículas minerais do solo, a fase líquida por água e a fase gasosa compreendem todo o ar existente nos espaços entre as partículas. Portanto, o solo é um sistema trifásico onde a fase sólida é um conjunto discreto de partículas minerais dispostas a formarem uma estrutura porosa que conterá os elementos constituintes das fases líquida e gasosa. A Figura 2.1 apresenta um esquema de uma amostra de solo em que aparecem as três fases tal qual na natureza e esta amostra com suas fases separadas para atender a uma conveniência didática de definição dos índices físicos.

(a)(b)
V = volume totalW = peso total
Vs = volume de sólidosWs = peso dos sólidos
Vv = volume de vaziosWw = peso de água
Vw = volume de águaWa = peso de ar (Wa = 0)

Va = volume de ar

V = Vs + Vv, onde Vv = Vw + Va W = Ws + Ww

Figura 2.1 - Esquema de uma amostra de solo. (a) elemento de solo natural; (b) diagrama de fases.

As partículas sólidas do solo são pequenos grãos de diferentes minerais, cujos vazios podem ser preenchidos por água, ar, ou parcialmente por ambos (ar e água). Define-se mineral como uma substância inorgânica e natural, com uma estrutura interna definida (átomos e íons) e com composição química e propriedades físicas fixas ou variam dentro de limites definidos. As partículas sólidas dos solos grossos são constituídas por silicatos (feldspatos, micas, olivinas, etc.), óxidos (quartzo), carbonatos (calcita, dolomita), sulfatos (limonita, magnetita). Já os solos finos são constituídos por silicatos de alumínio hidratado (argilo-minerais).

Em outras palavras, o volume total da massa de solo (V) consiste do volume de partículas sólidas (Vs) e do volume de vazios (Vv). O volume de vazios é geralmente formado pelo volume de água (Vw) e pelo volume de ar (Va).

A Figura 2.1(b) mostra um diagrama de fase no qual cada uma das três fases é apresentada separadamente. No lado esquerdo, usualmente indicamos o volume das três fases e, no lado direito, os pesos correspondentes às fases.

Wa ≈ 0 Ww

Ws W

Gasosa Líquida

Sólida

Va Vw

Vv V

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Como o peso específico do ar é muito pequeno quando comparada aos pesos específicos da água e dos sólidos, o peso da fase gasosa (Wa) será sempre desprezado no cálculo do peso do solo.

Os índices físicos são definidos como grandezas que expressam as proporções entre pesos e volumes em que ocorrem as três fases presentes numa estrutura de solo. Estes índices possibilitam determinar as propriedades físicas do solo para controle de amostras a serem ensaiadas e nos cálculos de esforços atuantes.

Os índices físicos dos solos são utilizados na caracterização de suas condições, em um dado momento e por isto, podendo ser alterados ao longo do tempo. Seus nomes, simbologia e unidades devem ser aprendidos e incorporados ao vocabulário de uso diário do geotécnico.

Nos itens seguintes, serão definidos os índices físicos, separando-os em três grupos, conforme definição anterior, bem como, apresentadas fórmulas de correlação entre os mesmos e a maneira experimental de obter alguns deles.

Índices físicos, granulometria (Unidade 3) e limites de consistência (Unidade 4) formam as propriedades índices que são aplicadas na classificação e identificação dos solos (Unidade 5), uma vez que elas podem ser correlacionadas, ainda que grosseiramente, com características mais complexas do solo, como por exemplo, a compressibilidade e resistência.

As relações apresentadas a seguir constituem uma parte essencial da Mecânica dos Solos e são básicas para a maioria dos cálculos desta ciência.

2.2.1 Relação entre pesos a) Teor de umidade (w , h)

O teor de umidade de um solo é determinado como a relação entre o peso de água (Ww) e o peso das partículas sólidas (Ws) em um volume de solo. De acordo com a simbologia mostrada na Figura 2.1, tem-se:

w = (Ww/Ws)100 (%)

O teor de umidade pode assumir o valor de 0% para solos secos (Ww = 0) até valores superiores a 100% em solos orgânicos.

2.2.2 Relação entre volumes

Existem três relações volumétricas que são muito utilizadas na Engenharia Geotécnica e podem ser determinadas diretamente do diagrama de fases da Figura 2.1.

a) Índice de vazios (e)

É a relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume dos sólidos (Vs), existente em igual volume de solo. Este índice tem como finalidade indicar a variação volumétrica do solo ao longo do tempo, tem-se:

e = Vv/Vs

O índice de vazios será medido por um número natural e deverá ser, obrigatoriamente, maior do que zero em seu limite inferior, enquanto não há um limite superior bem definido, dependendo

Notas de Aula - Mecânica dos Solos 5 da estrutura do solo. O volume de sólidos permanecendo constante ao longo do tempo, qualquer variação volumétrica será medida por uma variação do índice de vazios, que assim poderá contar a história das tensões e deformações ocorridas no solo. Exemplo de valores típicos do índice de vazios para solos arenosos podem situar de 0,4 a 1,0; para solos argilosos, variam de 0,3 a 1,5. Nos solos orgânicos, podemos encontrar valores superiores a 1,5.

b) Porosidade (η) É a relação entre o volume dos vazios (Vv) e o volume total (V) da amostra, tem-se:

η = (Vv/V) . 100 (%)

A porosidade é expressa em porcentagem, e o seu intervalo de variação é entre 0 e 100%. Das equações apresentadas mais adiante podemos expressar a porosidade em função do índice de vazios e vice versa, através das equações apresentadas abaixo:

η = e / (1 + e) ou e = η / (1 - η)

Segundo o IAEG (1979), a porosidade e o índice de vazios podem ser classificados segundo a tabela a seguir:

Tabela 2.1 – Classificação da porosidade e do índice de vazios nos solos (IAEG, 1979)

Porosidade (%) Índice de vazios Denominação > 50 > 1 muito alta 45 – 50 0,80 – 1,0 alta 35 – 45 0,5 – 0,80 média 30 – 35 0,43 – 0,5 baixa < 30 < 0,43 muito baixa c) Grau de saturação (S , Sr)

O grau de saturação indica que porcentagem do volume total de vazios contem água. Se o solo está completamente seco, então Sr = 0%, se os poros estão cheios de água, então o solo está saturado e Sr = 100%. Para solos parcialmente saturados, os valores de “Sr” situam-se entre 1 e 9%.

Sr = (Vw/Vv) . 100 (%)

O grau de saturação, segundo o IAEG (1979), pode ser classificado em: Tabela 2.2 – Classificação do solo quanto ao grau de saturação

Grau de saturação (%) Denominação 0 – 25 naturalmente seco 25 – 50 úmido 50 – 80 muito úmido 80 – 95 saturado 95 – 100 altamente saturado

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2.2.3 Relação entre pesos e volumes

Em Mecânica dos Solos se relaciona o peso das diferentes fases com seus volumes correspondentes por meio de pesos específicos.

a) Peso específico aparente natural ou úmido (γ , γnat , γt)

É a relação entre o peso total (W) e o volume total da amostra (V) para um valor qualquer do grau de saturação, diferente dos extremos, e utilizando-se a simbologia da Figura 2.1, será calculado como:

γ = W/V unidades (g/cm3 , Kg/m3 , kN/m3 , t/m3 )

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