Baixe Fundamentos de mecanica dos solos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! 1 (Frankipile Australia Pty Ltd – GeoEng 2000) FUNDAMENTOS DE MECÂNICA DOS SOLOS IDENTIFICAÇÃO e CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS COMPACTAÇÃO DOS SOLOS HIDRÁULICA DOS SOLOS: CAPILARIDADE, PERMEABILIDADE e PERCOLAÇÃO. DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES NO SUBSOLO RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO UNIDIRECIONAL Belo Horizonte, 2o semestre de 2010. (15a edição) INSTITUTO POLITÉCNICO - IPUC CURSO DE ENGENHARIA CIVIL 2 Apresentação O presente trabalho de compilação tem por objetivo orientar os alunos no estudo dos solos, levando-os a conhecê-los sob o interesse específico da Engenharia Civil, qual seja o de comporem ou interagirem com as obras objetos dela. O conteúdo parte da classificação dos solos, passa pelas principais propriedades mecânicas desses, até alcançar aplicações práticas como estabilização de taludes. Este estudo dos solos prende-se ao aspecto essencialmente geotécnico, ou seja, direcionado às aplicações da Engenharia Civil, tais como fundações (particularmente as prediais), muros de arrimo, escavações, taludes, aterros em geral etc. Enquanto na disciplina Materiais de Construção III o enfoque era o solo como material de construção (abordando caracterização, identificação de jazidas, amostras deformadas, material amolgado, estabilizado, compactado etc.), em Fundamentos da Mecânica dos Solos já abrange também o solo nas condições naturais. Para efeitos didáticos, o comportamento mecânico dos solos perante as obras correntes de Engenharia Civil, é analisado basicamente segundo três principais propriedades interativas, quais sejam a permeabilidade, a resistência ao cisalhamento e a compressibilidade, objetivando-se alcançar ao final, uma visão sistêmica do assunto. Especial importância é atribuída à relação tensão "versus" deformação dos solos, frente à condição limite de ruptura. Os princípios teóricos expostos e as respectivas aplicações práticas poderão ser acompanhados por experiências em laboratório e eventualmente, verificações de campo, nas visitas a obras. A boa assimilação da disciplina exige razoável embasamento matemático, bem como de Mecânica, Fenômenos de Transporte, Hidráulica e Resistência dos Materiais. A abordagem adotada é a da Mecânica dos Solos moderna, a partir da sistematização dos conhecimentos creditada a KARL TERZAGHI. Desta forma, pretende-se apresentar aos estudantes os correspondentes “ensinamentos organizadores”, ou seja, os fundamentos tidos como mais bem consolidados, aceitos e difundidos da referida técnica no contexto mundial, ainda que sob um olhar crítico e confrontado com a nossa realidade próxima. Enfim, visa-se contribuir na habilitação dos futuros Engenheiros nas atribuições que lhe são inerentes, bem como propiciar-lhes condições de prosseguir seus estudos da própria graduação - no mesmo ramo ou não - e em níveis mais avançados, valendo-se da bibliografia indicada. Na oportunidade, não custa salientar que a Matemática - juntamente com a Física - constitui o mais importante embasamento teórico da Engenharia. Ela exerce papel “estruturante do pensamento”, promove o desenvolvimento do raciocínio lógico e proporciona ao estudante competências e habilidades indispensáveis aos estudos posteriores. Portanto, ela permeia todo o curso e referir-se apenas a alguns de seus tópicos pode significar uma visão compartimentada, bitolada, limitante e empobrecedora das ciências da Engenharia. Não obstante, vale destacar alguns assuntos de aplicação mais explícita e rotineira em Mecânica dos Solos, com os quais o aluno deve estar “em dia”, para um melhor aproveitamento da matéria: - Sistema Legal de unidades de medidas, - Elementos de geometria plana, - Funções exponenciais e logarítmicas, - Funções trigonométricas, - Soluções de equações algébricas, - Derivadas. Integrais, - Matrizes, determinantes (resolução de um sistema de equações lineares com o auxílio de matrizes), - Elementos de Geometria Analítica Plana. Cônicas (circunferência, elipse, parábola, hipérbole); - Cálculo Numérico, - Regressão linear simples. Ogiva. Bons estudos ! Prof. MARCUS SOARES NUNES ÍNDICE DE SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS DE MECÂNICA DOS SOLOS 5 SIMBOLO SIGNIFICADO(S) A Área Grau de Aeração Atividade coloidal (de SKEMPTON) Linha “A” do Gráfico de Plasticidade de CASAGRANDE Área da seção transversal da proveta Designação principal do grupo de solo na classificação HRB/AASHTO AASHTO “American Association of State Highway and Transportation Officials” ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AC “Airfield Classification System” ASTM “American Society for Testing Materials” a Área da seção transversal da bureta (tubo de carga do permeâmetro) Termo da fórmula do Índice de Grupo Distância entre duas linhas de fluxo Dimensão linear (comprimento ou largura) Subgrupo do grupo A-1 do método HRB Atto (10-18) av Coeficiente de compressibilidade B Termo da Equação de STOKES, função de η, γg, γa (CAPUTO: A) Largura BPR “Bureau of Public Road” BR “Bureau of Reclamation” (Departamento de Recuperação) b Termo da fórmula do Índice de Grupo Subgrupo do grupo A-1 do método HRB Dimensão linear horizontal (comprimento ou largura) C Argila (“clay”) Teor de argila Correção (da leitura do densímetro) Constante empírica da fórmula de HAZEN (tanto a de k quanto a de hc) Centro do círculo de MOHR CBR “California Bearing Ratio” (ou ISC) CC Carga constante (permeâmetro) CCR Concreto Compactado a Rolo (“Roller Compacted Concrete”) CD Ensaio triaxial adensado-drenado (“consolidated-drained”) CP Corpo-de-prova CPT “Cone Penetration Test” - Ensaio de penetração dinâmica ou “diep sondering” CPTu “Piezocone Penetration Test” CREA Conselho Regional de Engenharia, Arquitetura e Agronomia CS Coeficiente de segurança (ou FS, fator de segurança) CU Ensaio triaxial adensado-não drenado (“consolidated-undrained”) CV Carga variável (permeâmetro) Cc Coeficiente de curvatura (ou Cz) Índice de Compressão (ou K) Ce Índice de expansão (ou Cs) Cr Índice de recompressão ÍNDICE DE SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS DE MECÂNICA DOS SOLOS 6 Cs Índice de expansão (ou Ce) ou descarregamento ou descompressão ou inchamento Cu Coeficiente de Uniformidade (ou D, desuniformidade) Cv Coeficiente de adensamento Coeficiente de viscosidade c Coesão total Coeficiente Termo da fórmula do Índice de Grupo Centi (10-2) c` Coesão efetiva D Coeficiente de Desuniformidade (ou Cu, de Uniformidade) DNIT Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes DPL Penetrômetro Dinâmico Ligeiro d Correção de L (leitura do densímetro) devido ao defloculante Diâmetro (do CP) Distância Diferencial Dia Deci (10-1) Espessura de camada Termo da fórmula do Índice de Grupo da Deca (101) d ef. Diâmetro efetivo (ou d10) dyn Dina (=10-5 N) d10, d30, d60 Diâmetro correspondente a 10, 30 ou 60% que passa E Energia de compactação Empuxo (de ARQUIMEDES) Módulo de Elasticidade Módulo de deformabilidade (ou deformação) Exa (1018) EA Equivalente de Areia EC Energia Cinética Ef Eficiência da compactação e Índice de vazios (ou ε) Espessura Base natural de logaritmo = 2,718281828459045235360287... eo Índice de vazios original, natural (enat.), inicial ou na tensão σ’i ei Índice de vazios num determinado instante ef Índice de vazios final enat. Índice de vazios natural (ou eo) F Fator (ou Relação) de forma (Nf / Nd) da rede de fluxo Dimensão de força Fc Fator de conversão (ou de “correção”) Força geradora da tensão superficial FS Fator de segurança (ou CS, coeficiente de segurança) FHWA “Federal Highway Administration” ÍNDICE DE SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS DE MECÂNICA DOS SOLOS 7 f Porcentagem de empolamento Coeficiente de atrito (interno, no caso dos solos) Função Femto (10-15) G Grau de Saturação (ou S) Pedregulho (“gravel”) Densidade (relativa), ou δ Giga (109) GC Grau de Compacidade Gc Grau de Compactação Gs Grau de sensibilidade ou sensitividade (ou Is, índice de estrutura) g Aceleração da gravidade Grama H Altura Carga hidráulica total Horizontal Alta (“high”) compressibilidade Hd Altura de drenagem Hf Altura final (ou H1) no permeâmetro de carga variável Ho Altura inicial (ou Hi) no permeâmetro de carga variável H1 Altura final (ou Hf) no permeâmetro de carga variável Hq Altura de queda HRB “Highway Research Board” Hs Altura de sólidos (ou dos grãos) Hv Altura de vazios h Teor de umidade (ou w) Hora Hecto (102) hc Altura de ascensão capilar hot Umidade ótima I Fator de influência IPR Instituto de Pesquisas Rodoviárias IC Índice de Consistência (ou Ic) Ic Índice de Consistência (ou IC) IF Índice de Fluidez (ou de Fluência) IG Índice de Grupo IP Índice de Plasticidade ISC Índice de Suporte Califórnia (ou CBR) i Gradiente hidráulico (ou J ) Unidade imaginária Subscrito significando condição num determinado instante i c Gradiente hidráulico crítico J Força de percolação Joule (Nm) J Gradiente Hidráulico (ou i) ÍNDICE DE SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS DE MECÂNICA DOS SOLOS 10 P10 Porcentagem que passa na peneira número 10 P40 Porcentagem que passa na peneira número 40 P200 Porcentagem que passa na peneira número 200 p Pressão Tensão resultante da ação conjunta de σ e τ no plano Pico (10-12) patm. Pressão atmosférica pc Pressão corrigida (no ensaio CBR) pp Peso próprio ppm Plano Principal Menor Q Volume Vazão (ou Q/t) Carga (peso, força) Ensaio triaxial rápido (“quick”) Q/t Vazão (ou Q) q Vazão específica q u Resistência à compressão simples ou não confinada (ou RCS ou Rc) R Ensaio triaxial rápido (“rapid”) Peso retido Raio Termo da fórmula de STEINBRENNER REL Regime de escoamento laminar (ou lamelar) RCS Resistência à compressão simples ou não confinada (ou Rc ou q u) Rc Resistência à compressão simples ou não confinada (ou RCS ou q u ) Rm Raio do menisco RN Referência de nível (ou “datum” ) RPA Razão de pré-adensamento (ou OCR ou RSA) ou razão de cedência RSA Razão de sobreadensamento (ou OCR ou RPA) ou razão de cedência r Raio (do círculo de MOHR) Recalque parcial (ou ρ) Coordenada cilíndrica, polar ou esférica. rad Radiano (1 rd = 180°/π) S Grau de saturação (ou G) Ensaio triaxial lento (“slow”) Areia (“sand”) SI Sistema Internacional de Unidades SPT Ensaio de Penetração Padrão (“Standart Penetration Test”) SUCS Sistema Unificado de Classificação de Solos s Superfície específica Segundo sc Sobrecarga T Temperatura Fator tempo Correção de L (leitura do densímetro) devida à temperatura Força tangencial ÍNDICE DE SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS DE MECÂNICA DOS SOLOS 11 Tera (1012) Carga transiente Dimensão de tempo T.E. Tensão efetiva TRB “Transportation Research Board” Ts Tensão superficial T.T. Tensão total t Tempo Tonelada U Porcentagem de adensamento ou Grau de adensamento URL Localizador Uniforme de Recursos (“Uniform Resource Locator”) USBR “United States Bureau of Reclamation” USP Universidade de São Paulo UU Ensaio triaxial não adensado-não drenado (“uncons.-undrained”) u Tensão neutra (ou sobre pressão hidrostática) u/γa Carga piezométrica ou de pressão u o Pressão hidrostática V Volume Velocidade de descarga Vertical Va Volume de água Var Volume de ar Vb Volume do bulbo do densímetro Vp Volume da pastilha (no LC) Vs Volume de sólidos (ou dos grãos) VST Ensaio de palheta ou “vane test” Vt Volume total Vv Volume de vazios v Velocidade Velocidade de sedimentação v2/2g Carga cinética v b Velocidade da água na bureta (ou tubo de carga) no permeâmetro CV v Velocidade de percolação (ou pv ) pv Velocidade de percolação (ou v ) W Peso Bem (“well”) graduado Watt w Teor de umidade (ou h) x Coordenada y Coordenada Z Carga altimétrica ou geométrica ou de posição Porcentagem de água em relação ao peso do solo úmido Distância entre o centro do bulbo do densímetro e uma leitura qualquer da sua escala. Profundidade (ou z) ÍNDICE DE SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS DE MECÂNICA DOS SOLOS 12 z Profundidade (ou Z) Coordenada Δ (delta maiúscula) Desvio Diferença Deslocamento Incremento Determinante da regra de CRAMER Laplaciano ou operador de Laplace (operador diferencial de 2ª ordem) Δe Variação do índice de vazios ΔH Perda de carga hidráulica (entre equipotenciais adjacentes) Deformação absoluta Recalque total (ou recalque a tempo infinito), ou ρ∞ ΔHt Perda de carga total (montante / jusante) Δh Desvio de umidade ΔL Comprimento ΔR Variação de resistência Δt Intervalo de tempo Δσa Diferença de tensões principais (“deviator stress”) Δσa r Resistência à compressão ∇2 Laplaciano ou operador de LAPLACE (operador diferencial de 2ª ordem) (ou Δ) ∑ (sigma maiúscula) Somatório %P Porcentagem que passa (no ensaio de granulometria) %R Porcentagem retida (no ensaio de granulometria) × “Versus” Vezes (multiplicação) ∝ Proporcionalidade ∂ Derivada ϕ (fi maiúsculo) Fator de empolamento Ângulo de atrito interno total ϕ` Ângulo de atrito interno efetivo φ (fi) Diâmetro Diâmetro (equivalente) dos grãos φ10 Diâmetro (equivalente) efetivo (ou φef.) φ30 Diâmetro correspondente a 30% que passa φ60 Diâmetro correspondente a 60% que passa φef. Diâmetro (equivalente) efetivo (ou φ10 ) φmáx. Diâmetro máximo de grãos presentes no solo (da Equação de TALBOT) π (pi) 3,141592653589793238462643... ρ (ro) Massa específica ou Densidade absoluta Recalque parcial (ou r) 15 Unidade 1 IDENTIFICAÇÃO e CLASSIFICAÇÃO de solos O enfrentamento de praticamente todos os problemas de Engenharia Civil envolvendo solos deve partir da identificação e/ou classificação destes, pois só assim ficaremos aptos a equacioná-los e solucioná- los. Tal procedimento procurará enquadrar o solo numa classe com características peculiares e então será possível prever o seu provável comportamento mecânico. Na Engenharia Civil, classificar solos é particularmente importante nos casos de prospecção de jazidas ou sempre que o solo é empregado como material de construção. Frações constituintes dos solos, de acordo com a NBR 6502 da ABNT: A distribuição granulométrica do solo (variação do tamanho dos seus grãos) influi no seu comportamento mecânico e é uma informação importante na sua descrição. A ABNT padronizou a seguinte Escala Granulométrica: Argila Silte Areia fina Areia média Areia grossa Pedregulho 0,005 0,05 0,42 2 4,8 76 Diâmetro equivalente do grão (mm) Outras designações complementares: Pedra (-de-mão) (cobble) Matacão (boulder) Bloco de rocha 7,6 25 100 Tamanho (cm) Identificação granulométrica dos solos Raramente se encontra na natureza as partículas primárias do solo de modo isolado. Em geral são encontradas agrupadas, com seus constituintes individuais independentes porém cimentadas entre si em agregações secundárias ou torrões, por meio de ligantes orgânicos ou inorgânicos. Estes solos assim agrupados são designados pelo nome do tipo da fração predominante seguido do nome daquele de proporção imediatamente inferior. A designação baseia-se nas quantidades percentuais (em peso) das frações presentes no solo, a partir de 10 %, possibilitando as seguintes combinações: Areia Silte Argila Areia siltosa Silte arenoso Argila arenosa Areia argilosa Silte argiloso Argila siltosa Areia silto-argilosa Silte areno-argiloso Argila areno-siltosa Areia argilo-siltosa Silte argilo-arenoso Argila silto-arenosa Caso os percentuais sejam iguais, adota-se a seguinte ordenação: 1º) argila, 2º) areia e 3º) silte. Quando a fração comparecer com menos de 5 %, usa-se o termo “com vestígios de...” e se estiver entre 5 e 10 %, usa-se “com pouco ...”. Se a presença de pedregulho for de 10 a 30 %, acrescenta-se “com pedregulho”; além disto, acrescenta- se “com muito pedregulho”. Obs.: A NBR 7250 da ABNT recomenda que não se utilize nomenclatura onde aparecem mais do que duas frações (por exemplo: argila silto-arenosa). Porém, quando for o caso, pode-se acrescentar “com pedregulhos”. 16 Alguns exemplos: Argila (%) Areia (%) Silte (%) Pedregulho (%) Identificação 12 61 27 Areia silto-argilosa 22 22 56 Silte argilo-arenoso 03 39 04 54 Areia c/ vestígios de silte, argila e muito pedregulho 18 42 23 17 Areia silto-argilosa com pedregulho Testes de identificação dos solos pela inspeção expedita Consistem na descrição de todos os aspectos perceptíveis da amostra do solo, como a textura, a cor, o odor (solos orgânicos), a presença de minerais evidentes etc., a partir de uma análise simples baseada principalmente nos sentidos (visão, olfato, tato, até mesmo o paladar!) e/ou uso de instrumentos comuns ou rudimentares (lâmina de gilete, folha de papel, água ou saliva!)... e na experiência pessoal. Exemplo: Silte argiloso marrom escuro, com pedregulhos. Procura-se em especial distinguir entre solos grossos e finos, ou melhor, entre solos de comportamento argiloso ou arenoso. Teste visual (exame de granulometria) Consiste na observação visual do tamanho, forma, cor e constituição mineralógica dos grãos do solo. Permite distinguir entre solos grossos e finos. Teste do tato Consiste em apertar e/ou friccionar entre os dedos, a amostra de solo: os solos “ásperos" são de comportamento arenoso e os solos "macios" são de comportamento argiloso. Teste do corte Consiste em cortar a amostra com uma lâmina fina e observar a superfície do corte: sendo "polida" (ou lisa), trata-se de um solo de comportamento argiloso; sendo "fosca" (ou rugosa), trata-se de um solo de comportamento arenoso. Teste da dilatância (ou da mobilidade da água ou ainda, da "sacudidela"). Consiste em colocar na palma da mão uma pasta de solo (em umidade escolhida) e sacudi-la batendo leve e rapidamente uma das mãos contra a outra. A dilatância se manifesta pelo aparecimento de água à superfície da pasta e posterior desaparecimento ao se amassar a amostra entre os dedos: os solos de comportamento arenoso reagem sensível e prontamente ao teste, enquanto que os de comportamento argiloso não reagem. Teste de resistência seca Consiste em tentar desagregar (pressionando com os dedos) uma amostra seca do solo: se a resistência for pequena, trata-se de um solo de comportamento arenoso; se for elevada, de solo de comportamento argiloso. Teste de desagregação do solo submerso Consiste em colocar um torrão de solo em um recipiente contendo água, sem deixar o torrão imerso por completo: desagregação da amostra é rápida quando os solos são siltosos e lenta quando são argilosos. Teste de sujar as mãos Consiste em umedecer uma amostra de solo, amassá-la fazendo uma pasta e esfregá-la na palma da mão, colocando, em seguida, sob água corrente: o solo arenoso lava-se facilmente, isto é, os grãos de areia limpam-se rapidamente das mãos. O solo siltoso só limpa depois que bastante água correu sobre a mão, sendo necessário sempre alguma fricção para limpeza total. Já o solo mais argiloso oferece dificuldade de se desprender da palma da mão, porque os grãos muito finos impregnam-se na pele, sendo necessário friccionar vigorosamente para a palma da mão se ver livre da pasta. Teste de dispersão em água Consiste em desagregar completamente uma amostra de solo e colocar uma porção num recipiente de vidro contendo água. Agita-se o conjunto, em seguida imobiliza-se o recipiente, deixando-o em repouso e observa-se o tempo de deposição da maior parte das partículas do solo: os solos mais 17 arenosos assentam suas partículas em poucos segundos enquanto que os argilosos podem levar horas. Teste de plasticidade (ou da "cobrinha") Consiste em umedecer uma amostra de solo, manipular bastante essa massa entre os dedos e tentar moldar com ela uma “cobrinha": se isto não for possível, o solo é arenoso. Se for possível, mas ela se quebrar ao se tentar dobrá-la, o solo é areno-argiloso. Se a cobrinha se dobrar, mas se quebrar ao se tentar fazer um círculo, o solo é argilo-arenoso. Se a cobrinha for dobrada em forma de círculo sem se quebrar, o solo é argiloso. Identificação trilinear Consiste num diagrama triangular (um gráfico de 3 eixos) – Fig. 1.1-a, artifício atribuído a FERET, em que cada lado corresponde à quantidade percentual (de 0 a 100) das frações areia, silte e argila contidas no solo analisado. As 3 coordenadas (bastam duas) definem um ponto no interior do diagrama, inserido numa área poligonal pre-delimitada empiricamente, correspondente ao tipo de solo, como no exemplo da Fig. 1.1-b, do Bureau of Public Roads. Matriz Fig. 1.1-a Fig. 1.1-b 20 Geralmente os solos granulares apresentam IG menores (até 4), os siltosos valores intermediários (até 12) e os argilosos maiores (até 20). Cálculo do IG (a) analiticamente: IG = 0,2.a + 0,005.a.c + 0,01.b.d Eq. 1.1, onde: a = P200 – 35 Devem variar só de 0 a 40 (se der negativo, coloque zero e se b = P200 – 15 for maior que 40, coloque 40) c = LL – 40 Devem variar só de 0 a 20 (se der negativo, coloque zero e se d = I P – 10 for maior que 20, coloque 20) P200 ≤ 15% ⇒ IG = 0 A Eq. 1.1 pode então ser apresentada da seguinte forma: IG = (P200 - 35)[0,2 + 0,005(LL - 40)] + 0,01(P200 - 15)(IP - 10) Eq. 1.1’ 0 a 40 0 a 20 0 a 40 0 a 20 (b) graficamente: - veja a figura 13-3 do livro Mecânica dos Solos e suas aplicações - Vol. 1 - H. P. CAPUTO – L.T.C., R.J. 88 e também o ábaco Fig. III-24 do livro Pavimentação Rodoviária – M. L. DE SOUZA – 2a ed. – Vol.1 – LTC IPR / DNER / MT – R.J. 80. A classificação neste sistema é feita simplesmente enquadrando-se os dados do solo (P10, P40, P200, LL e IP – obtidos em laboratório) no quadro da Fig. 1.2. A 1a linha de cima para baixo do quadro em que todos os dados se encaixarem, fornece a classificação – grupo, subgrupo (se houver) e sempre se indica, entre parênteses, o valor do IG. Exemplos: A.1-b (0), A.5(10). O livro Prospecção geotécnica do subsolo de M. J. C. P. A. DE LIMA - L.T.C., R.J. 79, apresenta, na Fig. 3.2 – pág. 15, um relatório de sondagem onde os solos foram classificados por estes sistema.[Há um erro na designação de um dos solos (encontre-o) e faltam, em todas, a indicação dos IG`s]. Os campos em branco nas colunas Granulometria e Plasticidade significam que “qualquer valor serve”. No caso dos solos finos (silto-argilosos, P200 > 35%) as condições de plasticidade do quadro podem ser representadas pelo seguinte gráfico LL “versus” IP: 70 A.6 A.7-6 Equação desta linha: IP IP = LL - 30 A.7-5 (Eq. 1.2) 10 A.4 A.5 0 40 100 LL Fig. 1.3 (fora de escala) 21 SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO UNIFICADA – USC / ASTM. Este sistema, chamado originalmente de sistema de classificação para aeroportos (“Airfield Classification System” – AC) foi proposto por ARTHUR CASAGRANDE (em 1942/48) e em 1952 o “US Bureau of Reclamation” e o Corps of Engineers of the United State Army” o apresentaram com ligeiras modificações, como “Unified Soil Classification System” – USC, ou Sistema Unificado de Classificação de Solos – SUCS. Foi homologado pela ASTM – “American Society for Testing Materials”. A Fig. 1.4, apresenta um quadro síntese que permite classificar solos por este sistema, conforme descrição a seguir. As classificações são representadas por combinações de letras (provenientes de termos estrangeiros), sendo que algumas se referem à designação principal do solo e outras às designações complementares ou secundárias. São elas: - designação principal: G = pedregulho (“gravel”) ou S = areia (“sand”) - designação complementar: W = bem graduado (“well graded”) ou P = mal graduado (“poorly graded”). M = silte (“mo” em sueco, já que em ingles é “silt” e o S já foi empregado para areia), C = argila (“clay”). O = orgânico (“organic”). L = baixa (“low”) ou H = alta (“high”) compressibilidade. Pt = turfa (“peat”). O processo de classificação consiste no seguinte: 1) Comece pelo P200. Se ele for menor ou igual a 50 trata-se de solo grosso e então tem-se que definir se ele é G ou S. Para isto basta verificar qual destas frações predomina no solo, calculando: G = 100 – P4 e S = P4 – P200. O que for maior define o tipo de solo. 2) Se o P200 for menor ou igual a 5, deve-se dizer se o solo é W ou P (além de G ou S). Para isto calculam-se os coeficientes de curvatura (Cc = φ302 / φ60.φ10) e de Uniformidade (Cu = φ60 / φ10). Para que o solo seja W, é necessário que o Cu seja maior que 4 no caso do G e maior que 6 no caso do S e, simultaneamente, que o Cc esteja compreendido entre 1 e 3, em ambos os casos. Caso uma ou as duas condições não sejam atendidas, ele é P. As alternativas são, portanto: GW, GP, SW ou SP. 3) Se o P200 estiver entre 5 e 12, o solo grosso (G ou S) recebe dupla classificação. Além de dizer se ele é W ou P, tem-se que acrescentar se ele é M ou C. Para isto utiliza-se o Gráfico de Plasticidade de CASAGRANDE ( Fig 1.5) ou apenas a Eq. 1.3. Se o ponto LL x IP cair acima da Linha A é C, se cair abaixo é M. As alternativas são, portanto: GW-GC, GW-GM, GP-GC, GP-GM, SW-SC, SW-SM, SP-SC, SP-SM. 4) Se o P200 for maior que 12 (e menor que 50), não precisa mais dizer nada sobre a granulometria, isto é, se ele é W ou P, mas continua sendo necessário dizer se ele é M ou C. Para isto basta, do mesmo modo anterior, usar o Gráfico de Plasticidade de CASAGRANDE (Fig 1.5). As alternativas são: GC, GM, SC ou SM. 5) Se o P200 for maior que 50 (mas naturalmente menor que 100), ele é fino. Nestes casos basta usar o Gráfico de Plasticidade de CASAGRANDE (Fig 1.5). A região que contiver o ponto LL x IP do solo define a classificação. Acima da Linha A está o C. Abaixo da Linha A estão o M e o O. À esquerda de LL = 50 está o L e à direita o H. As alternativas são, portanto: CH, CL, MH, ML, OH e OL. Existe ainda uma região de transição, acima da Linha A, com IP entre 4 e 7, que é CL-ML. Para distinguir entre solo M ou O, é necessário dispor de mais informações, geralmente fornecidas pelo laboratório, do tipo: cor, odor e outras características que permitam deduzir que o solo seja orgânico (mas não propriamente turfoso, este altamente orgânico). Um dos elementos de diferenciação consiste em comparar os Limites de Liquidez do solo, sob o seguinte critério: 75,0sec < LL LL o ⇒ O onde LL seco = Limite de Liquidez realizado com a amostra previamente seca em estufa. 22 Se a dúvida persistir, indique as duas classificações, assim: ML ou OL, MH ou OH; use OU e não hífen ou barra etc. Agora procure entender o quadro da Fig. 1.4 a partir das instruções acima. - No Brasil não se usam 3 letras juntas, como SMW. Se for o caso, repete-se a designação principal: SM-SW, separadas por hífen. - Também não existe tripla classificação, como SW-SM-SC. - Nunca se usam numa mesma classificação as letras G e S, como GS ou GM-SM. - Para solos grossos (G, S) nunca se usam os complementos L, H ou O, como GL, SO etc. - Observe que tanto o sistema TRB quanto o USC utilizam o percentual passado na peneira número 200 (P200) para distinguir entre solos grossos ou finos. Só que um considera 35% e o outro 50%. Assim, podem ocorrer discrepâncias entre os dois sistemas. Verifique. - Como decidir nos casos duvidosos: (a) quando P200 < 50, a regra é favorecer a classificação menos plástica. Exemplo: um pedregulho com 10% de finos, Cu = 20, Cc = 2 e IP = 6 será classificado com mais razão como GW-GM do que GW-GC. (b) quando P200 > 50, a regra é favorecer a classificação mais plástica. Exemplo: um solo de granulometria fina com LL = 50 e IP = 22 será classificado com mais razão como CH-MH que como CL-ML. (b.1) se o ponto LL x IP cair sobre, ou praticamente sobre a Linha A ou mesmo caindo acima mas tendo IP entre 4 e 7, deverá ser dada ao solo uma classificação intermediária adequada, tal como CL-ML ou CH-OH. (b.2) se o ponto LL x IP cair sobre ou praticamente sobre a linha LL = 50, deverá ser dada ao solo uma classificação intermediária apropriada, tal como CL-CH ou ML-MH. Não deixe de conhecer as tabelas de comparações que Liu (1967) fez entre as classificações obtidas pelos dois sistemas e que podem ser encontradas no item 11 – pág. 71 – Cap. III do livro Pavimentação Rodoviária – M. L. de Souza – 2a ed. – Vol.1 – LTC IPR / DNER / MT – RJ, 80 ou nas Tabelas 4.4 e 4.5 do livro de Braja M. Das, indicado na Bibliografia. 25 CLASSIFICAÇÃO MCT (Noções) É uma proposta brasileira (NOGAMI e VILLIBOR, 1981) de classificação geotécnica ajustada a solos tropicais, originalmente desenvolvida para fins rodoviários. Ela parte do princípio que os sistemas tradicionais, importados, baseados na granulometria e características plásticas dos solos não devem ser aplicados diretamente aos solos tropicais, pois isto leva frequentemente a resultados não condizentes com o desempenho real nas obras, no caso de solos tipicamente tropicais, face às suas peculiaridades. A metodologia baseia-se na obtenção de propriedades de corpos de provas de dimensões reduzidas compactados, daí a sigla MCT – Miniatura, Compactados, Tropicais. A classificação MCT divide os solos tropicais em duas grandes classes, quais sejam, os solos de comportamento laterítico e de comportamento não-laterítico (classe esta na qual se incluem os saprolíticos, os transportados e outros) e então enquadra os solos tropicais em 7 grupos: NA, LA, NS`, NA`, NG` e LG`, onde L significa laterítico, N = não-laterítico, A = areia, A` = arenoso, G`= argiloso e S´= siltoso. A separação nas duas classes não se baseia em critérios geológicos ou pedológicos, mas sim em considerações essencialmente tecnológicas ou geotécnicas. As propriedades dos solos utilizadas na classificação são provenientes de ensaios mecânicos e hidráulicos simplificados, como o método de compactação mini-MCV – Moisture Condition Value, (sem imersão / perda por imersão), expansão / contração, coeficiente de permeabilidade, coeficiente de sorção e algumas correlações. Uma das limitações do método é a ainda baixa representatividade estatística (“... apenas meia centena de solos típicos das rodovias do Estado de São Paulo”). Outra é não se aplicar a solos granulares, por não serem compactáveis. Fontes de consultas: - “Uma nova classificação de solos para finalidades rodoviárias” – JOB SHUJI NOGAMI e DOUGLAS FADUL VILLIBOR. Simpósio Brasileiro de Solos Tropicais em Engenharia – COPPE/UFRJ, CNPq, ABMS. Rio de Janeiro, 21 a 23/09/1981. - “Classificação Geotécnica MCT para solos tropicais” – VERA M. N. COZZOLINO e JOB S.NOGAMI. Solos e Rochas – revista brasileira de Geotecnia, vol. 16, n. 2, agosto de 1993. 26 Prática 1) O que são os “Testes de Identificação pela Inspeção Expedita dos Solos” ? Qual é seu objetivo principal? 2) Em que consiste a Identificação Trilinear dos solos? 3) Quais são as diferenças geotécnicas mais marcantes entre um solo arenoso e um argiloso? 4) Em que consiste a identificação dos solos ? Cite exemplos. 5) Descreva detalhadamente, quais procedimentos você adotaria para identificar amostras de solos no campo, caso não pudesse contar com qualquer apoio de um laboratório no momento. 6) Como são obtidos e para que servem os Limites de ATTERBERG? 7) Qual é a importância e a utilização prática de se fazer a classificação (geotécnica) dos solos e quais são os elementos necessários para tal ? 8) O que é e para que serve o Gráfico de Plasticidade de A. CASAGRANDE adotada no SUCS? 9) Um mesmo solo pode ser classificado como grosso pelo sistema TRB / AASHTO e fino pelo sistema USC / ASTM? E o contrário? Por quê? 10) Pesquise e forneça o significado dos seguintes termos da Geotecnia: Solos tropicais, solos saprolíticos e solos lateríticos. Pesquise também e apresente uma breve síntese sobre a Classificação Resiliente (Pinto, Preussler, Medina, COPPE/UFRJ 1976). 11) Recolha com cuidado uma pequena amostra de solo; anote a localização precisa de onde foi extraída (num mapa) e identifique-a. Faça um relatório descrevendo todos os procedimentos adotados para tal. Recorra a profissionais mais experientes. Acondicione a amostra num saquinho plástico ou vidro de boca larga, bem fechado e etiquetado e leve para a sala de aula. 12) Identifique, usando o diagrama trilinear do FHWA , o do BPR e mais um outro geotécnico (a seu critério), um solo que apresentou em laboratório, a seguinte composição granulométrica: Areia = _ _ _ %, Silte = _ _ _ % e Argila = _ _ _% (Atribua valores a seu critério, lembrando que a soma dos 3 deve totalizar 100). Agora responda: - você acha que os 3 resultados são coerentes entre si? 13) Classifique todos os 16 solos (Mi) abaixo, pelos Sistemas TRB / AASHTO e USC / ASTM, cujas características geotécnicas determinadas em laboratório, estão informadas nos quadros. % ≤ Ø Solo M1 Solo M2 Solo M3 Solo M4 Peneira nº 4 97 98 85 100 Peneira nº 10 96 94 80 93 Peneira nº 40 93 80 60 69 Peneira nº 200 87 57 28 32 Peneira nº 270 84 50 27 26 0,005 mm 50 20 9 9 Granulometria 0,001 mm 25 15 3 3 Limite de Liquidez 32 47 21 42 Plasticidade Limite de Plasticidade 23 35 16 34 27 Solo P4 (%) P10 (%) P40 (%) P200 (%) ≤ 2μ (%) LL (%) LP (%) M5 100 40 10 2 0 - - M6 72 62 55 48 10 36 26 M7 100 100 95 86 39 50 22 M8 48 32 8 0 0 - - M9 100 98 80 62 27 64 38 M10 81 60 32 10 01 26 16 M11 90 82 65 50 31 25 22 ≤ 2μ (%) significa porcentagem de grãos do solo com tamanho inferior a dois microns. 1μ = 10-6m = 10-3 mm Granulometria Plasticidade Solo P4 (%) P10 (%) P40 (%) P200(%) Ø10(mm) Ø30(mm) Ø60(mm) LL (%) LP (%) M12 82,5 52,8 23,8 10 0,075 0,66 2,57 50 30 M13 100 100 78 43 25,5 20,5 M14 66 44 21 09 0,1 0,9 4,0 75 67 M15 47 37 23 14 0,03 1,0 10 15 10 M16 100 100 100 86 0,005 0,01 0,022 80 55 Legenda: P = porcentagem que passa. Ø = diâmetro equivalente do grão. LL = Limite de Liquidez. LP = Limite de Plasticidade. 14) Classifique, pelos sistemas USC / ASTM e TRB / AASHTO o solo M17 que apresentou os seguintes resultados em laboratório: - Equação da Curva Granulométrica: onde P = porcentagem que passa (em %) φ = diâmetro equivalente do grão do solo (em mm) φmáx.= diâmetro equivalente da maior partícula presente no solo = 1,1.N° - 0,6 = _ _ _ mm n = expoente empírico = (N° + 14)/100 = _ _ _ (adimensional). - Plasticidade: Limite de Liquidez, LL = 93 - 2 N° = _ _ _ % Limite de Plasticidade, LP = 10%. Apresente todos os passos da sua resolução. 15) Classifique, pelos sistemas USC e TRB, os 2 solos que apresentaram os resultados de laboratório expostos a seguir. Apresente todos os passos necessários à resolução, inclusive marque no gráfico os pontos usados. 100 . xP n máx ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = φ φ GRANULOMETRIA 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Diâmetro (mm) % P as sa Solo M18 Solo M19 PLASTICIDADE Solo LL IP M18 71 61 M19 NP 30 - Amostrador padrão de diâmetro externo de 50,8 mm e interno 34,9 mm. O corpo do amostrador é bipartido. A cabeça tem dois orifícios laterais para saída da água e ar e contém interiormente uma válvula de bola - Bomba de água motorizada para circulação de água no avanço da perfuração - Trépano ou peça de lavagem (peça de aço terminada em bisel e dotada de duas saídas laterais para a água) - Trado concha com 100 mm de diâmetro e trado espiral de diâmetro mínimo de 56 mm e máximo de 62 mm Descrição da técnica de execução da sondagem. a) Perfuração A perfuração é iniciada com o trado cavadeira até a profundidade de 1 (um) metro, instalando-se o primeiro segmento do tubo de revestimento. Nas operações subsequentes de perfuração utiliza-se o trado espiral, até que se torne inoperante ou até encontrar o nível de água . Passa-se então ao processo de perfuração por circulação de água no qual, usando-se o trépano de lavagem como ferramenta de escavação, a remoção do material escavado se faz por meio de circulação de água, realizada pela bomba de água motorizada. Durante as operações de perfuração, caso a parede do furo se mostre instável procede-se a descida do tubo de revestimento até onde se fizer necessário, alternadamente com a operação de perfuração. O tubo de revestimento deve ficar no mínimo a 50 cm do fundo do furo, quando da operação de amostragem. Em sondagens profundas, onde a descida e a posterior remoção dos tubos de revestimentos for problemática, poderá ser empregada lama de estabilização em lugar do tubo de revestimento. Durante a operação de perfuração são anotadas as profundidades das transições de camadas detectadas por exame táctil-visual e da mudança de coloração dos materiais trazidos à boca do furo pelo trado espiral ou pela água de lavagem. Durante a sondagem o nível de água no interior do furo é mantido em cota igual ou superior ao nível lençol freático. b) Amostragem Será coletada, para exame posterior, uma parte representativa do solo colhido pelo trado concha durante a perfuração até um metro de profundidade. Posteriormente, a cada metro de perfuração, a contar de um metro de profundidade, são colhidas amostras dos solos por meio do amostrador padrão. Obtêm-se amostras cilíndricas, adequadas para a classificação porem evidentemente comprimidas. Este processo de extração de amostras oferece entretanto a vantagem de possibilitar a medida da consistência ou compacidade do solo por meio de sua resistência à penetração no terreno. Os recipientes das amostras devem ser providos de uma etiqueta, na qual, escrito com tinta indelével, devem constar: - designação ou número do trabalho - local da obra - número da sondagem - profundidade da amostra - número de golpes do ensaio de penetração. c) Ensaio de Penetração Dinâmica O amostrador padrão conectado à extremidade da haste de perfuração, é descido no interior do furo de sondagem e posicionado na profundidade atingida pela perfuração. A seguir, a cabeça de bater é 31 colocada no topo da haste, o martelo apoiado suavemente sobre a cabeça de bater e anotada a eventual penetração do amostrador no solo. Utilizando-se o topo do tubo de revestimento como referência, marca-se na haste de perfuração, com giz, um segmento de 45 cm dividido em três trechos iguais de 15 cm. Para efetuar a cravação do amostrador padrão, o martelo deve ser erguido até a altura de 75 cm , marcada na haste-guia, por meio de corda flexível que se encaixa com folga no sulco da roldana. Não tendo ocorrido penetração igual ou maior do que 45 cm no procedimento descrito, inicia-se a cravação do barrilete por meio de impactos sucessivos do martelo, até a cravação de 45 cm do amostrador . Devem ser anotados, separadamente, os números de golpes necessários à cravação de cada 15 cm do amostrador. Boletim de campo Nas folhas de anotações de campo devem ser registrados: - nome da obra e interessado - identificação e localização do furo - diâmetro de sondagem - data de execução - descrição e profundidade das amostras coletadas - medidas de nível de água com data, hora e profundidade do furo por ocasião da medida - ferramenta utilizada na perfuração e respectiva profundidade . Considerações sobre o lençol freático Durante a perfuração o operador deve estar atento a qualquer aumento aparente da umidade do solo, indicativo da presença próxima do nível de água (NA), bem como um indício mais forte, tal como de estar molhado um determinado trecho inferior do trado . Durante a execução da sondagem à percussão são efetuadas observações sobre o nível de água, registrando-se a sua cota, a pressão que se encontra e as condições de permeabilidade e drenagem das camadas atravessadas . Ao se atingir o nível de água interrompe-se a operação de perfuração, anota-se a profundidade e passa- se a observar a elevação do nível de água no furo, efetuando-se leituras a cada 5 minutos, durante 30 minutos. Deve ser medida, caso ocorra, a vazão de água ao nível do terreno. O nível de água também deverá ser medido 24 horas após a conclusão do furo. Composição do relatório final Os resultados das sondagens devem ser apresentados em relatórios, numerados, datados e assinados por responsável técnico pelo trabalho perante o Conselho Regional de Engenharia, Arquitetura e Agronomia - CREA . O relatório deve ser apresentado em formato A4 . Devem constar do relatório: - nome do interessado - local e natureza da obra - descrição sumária do método e dos equipamentos empregados na realização das sondagens - total perfurado, em metros - declaração de que foram obedecidas as Normas Brasileiras relativas ao assunto - outras observações e comentários, se julgados importantes - referências aos desenhos constantes do relatório. 32 Anexo ao relatório deve constar desenho contendo: - planta do local da obra, cotada e amarrada a referências facilmente encontradas e pouco mutáveis, de forma a não deixar dúvidas quanto a sua localização - nesta planta deve constar a localização das sondagens cotadas e amarradas a elementos fixos e bem definidos no terreno . A planta deve conter , ainda, a posição da referência de nível (RN) tomada para o nivelamento das bocas das sondagens, bem como a descrição sumária do elemento físico tomado como RN . Os resultados das sondagens devem ser apresentados em desenhos contendo o perfil individual de cada sondagem e seções do subsolo, nos quais devem constar, obrigatoriamente: - o nome da firma executora das sondagens, o nome do interessado, local da obra, indicação do número do trabalho e os vistos do desenhista, do engenheiro ou geólogo responsável pelo trabalho - diâmetro do tubo de revestimento e do amostrador empregados na execução das sondagens - número(s) da(s) sondagem(ns) - cota(s) da(s) boca(s) dos furos de sondagem, com precisão de 1 cm - linhas horizontais cotadas a cada 5 m em relação à referência de nível - posição das amostras colhidas - os índices de resistência à penetração (N), calculados como sendo a soma do número de golpes necessários à penetração no solo dos 30 cm finais do amostrador - identificação dos solos amostrados - a posição do nível de água encontrado e a respectiva data de observação - convenção gráfica dos solos que compõem as camadas do subsolo - datas de início e término de cada sondagem - indicação dos processos de perfuração empregados e respectivos trechos, bem como as posições sucessivas do tubo de revestimento. Fatores que influem no valor de N - O estado de conservação do barrilete amostrador e das hastes; uso de hastes de diferentes pesos. - A maneira com que são contados os golpes (desde o início da cravação do amostrador ou após certa penetração) - Variação na energia de cravação. A calibração do peso de bater e a sua altura de queda, além da natureza da superfície do impacto (ferro sobre ferro, ou adoção de uma superfície amortecedora - coxim de madeira). Não é lícito variar o peso e a altura de queda mantendo a mesma energia por golpe. - O uso de martelo automático e hastes AW (no lugar de tubos Schedule 80), mais rígidas, conduz a resultados mais confiáveis. - Má limpeza do furo ou não alargado suficientemente, para a livre passagem do amostrador. - Emprego de técnica de avanço por circulação de água acima do NA. Programação das sondagens Quantidade de furos Lotes de terrenos urbanos: mínimo de 3, não alinhados Edifícios, pontes, barragens, portos: mais próximos, mais profundos. Estradas, canais, galerias: mais distanciados, mais rasos. Distância entre sondagens: de 15 a 20 m (V. MELLO). Próximas aos limites. Distanciamento entre furos não deve ultrapassar 25 m (MARCELLO e BAPTISTA) 35 Estimativa da capacidade de carga ou tensão admissível (σadm.) em função do N Em solos coesivos aplicam-se na prática, para fins estimativos, as seguintes correlações empíricas: - Argila ........................................... σadm. ≤ N / 4 kg/cm2 - Argila siltosa ................................ σadm. ≤ N / 5 kg/cm2 - Argila arenosa .............................. σadm. ≤ N / 7,5 kg/cm2 É comum adotar σadm. ≤ N /5 kg/cm2 ou N /50 MPa (tal que 6 ≤N ≤ 20), para fundações superficiais acima do NA, onde N é a média dos Ns na vizinhança da base da sapata, sendo mais relevante a região situada a uma profundidade cuja ordem de grandeza é igual a duas vezes o lado menor da base da sapata (no caso de base circular toma-se o diâmetro), contando a partir da cota de apoio (ALONSO, U.R.). Já que não se tem a dimensão da sapata, é necessário arbitrar uma primeira medida, estimar o SPT médio e calcular a base. Este cálculo deve ser repetido até a convergência entre o valor arbitrado para base da sapata e o valor obtido aplicando-se a fórmula empírica. (GeoFast). (Se N > 20 ⇒ σadm. = 4 kg/cm2) Também é usual a relação: σadm. = N -1 kg/cm2 (conf. Eng. Mauro Hernandez Lozano, Dynamis Engenharia Geotécnica) Tabelas úteis SPT CARACTERÍSTICA 3 Mínimo trabalhável 4 Mínimo para uso de fundação direta 8 Alta resistência para perfuração a trado manual (limite) 15 Mínimo recomendável para assentamento de fundações profundas 20 Máximo para aplicação da estimativa N/50 MPa para fundações diretas 25 Começam a surgir dificuldades em cravar estacas (franki, pré-moldadas) 50 Máximo trabalhável (“impenetrável”) 36 ESTIMATIVA DOS PARÂMETROS DO SOLO A PARTIR DO SPT Tipo de solo Classificação N° de golpes N SPT Peso específico γ (kN/m3) Ângulo de atrito ϕ ( ° ) Coesão c (kPa) Módulo de Elasticidade E (103 kPa) Pressão admissível Fund. direta (kg/cm2) Coeficiente de Poisson ν Fofa < 4 16 25 a 30 1 a 5 Pouco compacta 4 – 10 18 30 a 35 5 a 14 0,8 Medianamente compacta 10 – 30 19 35 a 40 14 a 40 0,8 a 3,0 Compacta 30 – 50 20 40 a 45 40 a 70 3,0 a 5,0 Areias e solos arenosos Compacidade Muito compacta > 50 > 20 > 45 > 70 > 5,0 0,3 a 0,4 Muito mole < 2 13 < 12 0,3 a 1,2 < 0,45 Mole 2 – 4 15 12 a 25 1,2 a 2,8 0,45 a 0,90 Média 4 – 8 17 25 a 50 2,8 a 5 0,90 a 1,80 Rija 8 – 15 19 50 a 100 5 a 10 1,80 a 3,60 Dura 15 – 30 20 100 a 200 10 a 20 3,60 a 7,20 Argilas e solos argilosos Consistência Muito dura > 30 > 20 > 200 > 20 > 7,20 0,4 a 0,5 ESTIMATIVA DA CAPACIDADE DE CARGA DOS SOLOS DE FUNDAÇÕES (kg/cm2) Tipo de solo Resistência à penetração N SPT Pedregulhos Areias grossas Areias médias Areias finas Siltes Argilas puras Misturas de areias e argilas Argilas arenosas coesivas ≤ 2 0 0 0 0 0 ≤ 4 0,3 0 0,3 0,3 0 ≤ 8 1,0 0,5 0,3 0,5 0,5 1,2 ≤ 15 1,5 1,0 0,6 0,9 1,0 2,0 ≤ 25 5,0 3,0 2,5 2,0 1,8 2,0 3,0 ≤ 30 7,0 5,0 2,5 2,0 3,6 4,0 5,0 Fonte: Anexo IV – Resolução 26 de 19/12/50 da Prefeitura do D.F. (D.O. de 23/12/50) 37 Prática 1) Cite 5 dos principais componentes ou peças de um equipamento de sondagem à percussão SPT. 2) Quais são as 3 etapas básicas de uma sondagem a percussão SPT ? 3) Como se obtém o índice de resistência SPT (cuja notação é NSTP), segundo a norma da ABNT ? 4) Cite 4 informações sobre o subsolo prospectado que um relatório final de sondagem SPT deve conter. 5) A partir de um relatório de sondagem SPT, como você pode estimar a cota de fundação? 6) Qual deve ser a profundidade a ser atingida pela sondagem a percussão SPT ? (Cite pelo menos 2 critérios). 7) Cite 3 informações sobre o subsolo que um relatório final de sondagem SPT deve conter. 8) Em um terreno com 20 x 60 m vai ser construído um prédio cuja projeção em planta é de 15 m × 40 m, com 12 pavimentos, cada pavimento com 3m de pé direito. Determine: a) o número de furos de sondagem b) a disposição e profundidade dos furos. 9) Qual o preço mínimo (em reais) que poderia ser cobrado para se executar o serviço de sondagem SPT no terreno da figura abaixo (fora de escala), o qual vai ser ocupado por um prédio, na RMBH – Região Metropolitana de Belo Horizonte. Apresente a planilha de composição de custos, eventuais explicações e indique na mesma figura, a locação dos furos. Solução: Área do terreno = 750 m2 NBR 8036: Terreno de 200 a 1200 m2 ⇒ 1 sondagem para cada 200 m2 ∴3,75 ≅ 4 “furos”. Profundidade mínima = 8 m (fundações rasas) Preço por metro de perfuração = R$ 50,00 (mínimo de 30 m, ou seja, R$ 1.500,00) 15 m 15 m 30 m 35 m 40 Curvas de Compactação, Saturação e Resistência a) Curva de Compactação Compactando-se um determinado solo (δ) com uma energia de compactação (E) constante, à medida que o teor de umidade (h) aumenta o peso específico aparente seco (γs) também aumenta, até atingir um valor máximo (γs,máx.) e daí, passa a cair, dando origem à chamada Curva de Compactação (Fig. 3.2), a qual só pode ser obtida através de procedimentos práticos, em laboratório ou campo. A abscissa correspondente ao ponto γs,máx. é chamada de (teor de) umidade ótima – hot., que é a melhor umidade para se compactar aquele solo, com aquela energia. Fig. 3.2 A compactação se processa principalmente pela redução do ar existente no solo. Com o aumento da quantidade de água, a saída do ar vai ficando cada vez mais difícil, provocando a geração de ar ocluso. A partir desta umidade, a adição de água ao sistema só tende a aumentar o volume de vazios saturados e em consequência diminuir o peso específico seco. (GEOFAST) b) Curva de Saturação É uma curva traçada no mesmo sistema de eixos (h versus γs) que a de Compactação e representa um limite da posição da Curva de Compactação no gráfico. Ela correlaciona γ e h quando o solo se encontra saturado. Sua equação é: (Eq. 3.1) que vem daquela conhecida fórmula de correlação de Índices Físicos dos solos: 1−= s ge γ γ , onde γg = δ.γa e e = h.δ/S, sendo S o Grau de Saturação, em %. δ γδ γ .1 . h a s + = O formato desta curva é um trecho de uma “hipérbole equilátera” (Fig. 3.3). Para traçá-la basta conhecer o valor da densidade (δ) das partículas do solo, considerar γa = 10 kN/m3, atribuir valores para uma das variáveis (γs ou h) e calcular a outra pela Eq. 3.1 Fig. 3.3: h h s + = 1 γ γ 41 c) Curva de Resistência (ou de Estabilidade) Representa a variação do valor da resistência do solo compactado em função do seu teor de umidade de compactação. Esta resistência (R) pode ser o CBR – California Bearing Ratio, a Resistência à Compressão não-confinada – qu, a Resistência à Compressão Triaxial, a resistência da Agulha Proctor ou outras. A resistência cai com o aumento da umidade de moldagem (Fig. 3.4). Esta curva só pode ser traçada a partir de ensaios de laboratório ou de campo. Fig. 3.4 As 3 curvas em conjunto explicam porque se deve compactar o solo na chamada “condições ótimas”, ou seja, na hot., até se atingir γs,máx. Acompanhe na Fig. 3.5 o seguinte raciocínio : - compactar o solo numa umidade baixa (ponto 1) parece vantajoso, pois a resistência inicial é alta (ponto 2); - porém o peso específico é baixo (ponto 3), o que significa elevado índice de vazios (solo muito poroso) e assim, em época de chuvas, absorve muita água e alcança uma umidade elevada (ponto 4), saturando-se. Então a resistência cai muito (ponto 5), ΔR1. - Compactar o solo numa umidade alta (ponto 4) já fica descartado pois a resistência inicial é baixa (ponto 5). - Agora, compactar na hot. (ponto 6) a princípio não leva a nenhum valor notável de resistência (ponto 7) (nem muito alto, nem muito baixo). Porém, o peso específico é máximo (ponto 8), o que significa que o índice de vazios é mínimo, levando a absorver pouca água ao se saturar (ponto 9). A resistência não deixa de cair um pouco (ponto 10), mas esta é a menor variação de resistência possível, ΔR2. ΔR2 << ΔR1 ! Fig. 3.5 Portanto, as “condições ótimas” não levam propriamente à maior resistência, mas sim à condição mais estável, ou seja, aquela seria, na verdade, a “maior resistência-estável”. 42 Influência do tipo de solo na compactação Quanto mais arenoso for o solo, menor a hot. e maior o γs,máx. (Como se a curva fosse deslocando para a esquerda e para cima): Fig. 3.6-a Influência do valor da energia da compactação Quanto maior for a energia de compactação, menor a hot. e maior o γs,máx. (idem): Fig. 3.6-b. Fig. 3.6-a Fig. 3.6-b Métodos de Compactação (Formas de transferencia da energia para o solo) a) Dinâmico vibração impacto (ou percussão) Caracteriza-se pela ação da energia cinética; o solo é compactado por intermédio de um peso (soquete) que cai de uma certa altura. É ainda o mais empregado em laboratório. Exemplos: - Proctor (Normal – PN, Intermediário – PI, Modificado – PM); - CSP – Carlos Sousa Pinto - Iowa State University - Mini-CBR / DER-SP P Hq Fig. 3.7-a EC = P. Hq b) Estático (compressão) Consiste na aplicação de uma carga F que cresce gradativamente desde zero até seu valor máximo, no qual é mantido durante certo tempo, após o que é aliviada. Não há ação da energia cinética (EC).De modo geral, ensaios estáticos de laboratório, o pistão que comprime o solo tem área igual à da seção transversal do cilíndro. F Fig. 3.7-b 0 → F → 0 ( num tempo t) EC = 0 Solo (CP) Solo (CP) 45 No quadro a seguir, adaptado de “Earth Compactation” – M.D. MORRIS – McGraw-Hill Co. Inc., encontram-se os tipos mais apropriados de equipamentos para vários solos (em caráter meramente indicativo). Tipo de rolo Peso (t) Espessura da camada após a compactação (cm) Tipo de solo Pé de carneiro estático 20 40 Argilas e siltes Pé de carneiro vibratório 30 40 Pneumático leve 15 15 Misturas: areia com silte e argilas Pneumático pesado 35 35 Praticamente todos Vibratório com rodas metálicas lisas 30 50 Areias, cascalhos, materiais granulares Liso metálico (3 rodas) 20 10 Materiais granulares, brita Grade (malhas) 20 20 Materiais granulares ou em blocos Combinados 20 20 Praticamente todos Controle da compactação Realizado o ensaio e traçada a curva de compactação, determina-se, a partir do ponto culminante, os valores da umidade ótima (hot.) a ser compactado na obra e o valor do peso específico aparente seco máximo (γs,máx.) a ser alcançado. No campo o valor deve ser próximo àquele de laboratório, ou seja, deve ser alcançado um certo Grau de Compactação (GC), expresso genericamente pela relação: (Eq. 3.2) Normalmente o valor mínimo admissível para o GC é especificado à empreiteira pelo projetista e fica sujeito à fiscalização. A tolerância no valor do γs,máx. reflete-se no da hot., sendo admissível um correspondente desvio de umidade - Δh, dado por: (Eq. 3.3) onde h é o teor de umidade da obra. O controle da compactação consiste em verificar, através de determinações “in loco”, se o GC e o Δh estão respeitando as especificações de projeto. 100 .).(, )( labmáxs obrasGC γ γ = Δh = h – hot. 46 Prática 1) Por quê a curva de compactação apresenta aquele formato característico (semelhante a uma parábola com a concavidade voltada para baixo)? 2) Por quê deve-se compactar o solo na obra nas denominadas condições ótimas ? 3) Por quê não é vantajoso compactar o solo com uma umidade baixa, onde ele apresenta maior resistência inicial? 4) O que acontece com os valores da umidade ótima e do peso específico seco máximo, para um mesmo solo, à medida que aumenta a energia de compactação? 5) Como se classifica o ensaio Proctor quanto a forma de transferência da energia para o solo? Quais são os 3 níveis de energia Proctor adotados no Brasil (pelo DNIT, por exemplo). 6) Em que consiste o Controle da Compactação no campo? 7) Existe alguma tolerância no controle da compactação no campo, em relação às condições ótimas obtidas em laboratório? Se houver, quais são? 8) Um solo foi ensaiado em laboratório e sua Curva de Compactação apresentou um formato cujo trecho principal pode ser assimilado a uma parábola com a seguinte equação: 10γs = 88h – 2h2 – 808, sendo γs (peso específico seco) em kN/m3 e h (teor de umidade) em %. Na obra, o ensaio “frasco-de-areia” revelou que o mesmo solo foi compactado (com energia equivalente à de laboratório) até atingir γs = 15,2 kN/m3. Calcule: a) o valor do Grau de Compactação alcançado e b) o valor do Desvio de Umidade correspondente. 9) A curva de compactação de um solo usado na construção do pavimento de uma rodovia pode ser expressa com suficiente aproximação pela equação 9γs = 40h – h2 – 265, sendo γs (peso específico seco) em kN/m3 e h (teor de umidade) em %. O projeto geotécnico exigia GC ≥ 92 % e Δh = ± 2 %. Na obra a fiscalização constatou que o peso específico seco “in situ” obtido pelo frasco-de-areia alcançou 14 kN.m-3. Então o trecho pode ser liberado? Por quê? (Justifique devidamente sua resposta). 10) Um ensaio de Compactação Proctor Normal executado em laboratório forneceu os pontos abaixo informados, para um certo solo cujo peso específico (real) dos grãos foi determinado como sendo igual a 27 kN.m-3. Ponto → 1 2 3 4 5 6 7 h (%) 10 13 16 18 20 22 25 γh (kN.m-3) 15,55 16,80 18,75 19,70 20,35 20,20 19,40 Baseando-se nesses dados, faça a resolução dos seguintes itens: (a) Traçar a curva de compactação e obter o peso específico aparente seco máximo e a umidade ótima. (b) Traçar um trecho da curva de saturação total. (c) Se for exigido do empreiteiro que obtenha 93 % de compactação, qual seria o desvio de umidade mais aconselhável? (d) Qual é o Grau de Saturação médio alcançado pelo ramo úmido da curva de compactação. 47 Unidade 4 HIDRÁULICA DOS SOLOS 4.1) CAPILARIDADE NOS SOLOS Fenômenos Capilares - Teoria do tubo capilar Ao introduzirmos um tubo de pequeníssimo diâmetro, digamos “tubo capilar” (por ser comparável a um fio de cabelo), com os extremos abertos, verticalmente em um recipiente com água, esta, por “ação capilar” subirá pelo tubo até uma determinada altura hc. Na extremidade exposta ao ar, assume a forma de um “menisco”, com a cavidade voltada para cima, formando, no contato com as paredes do tubo, um “angulo de tensão capilar” ou “angulo de contato” - α, cujo valor depende do material do tubo e das impurezas químicas que o cobrem (Fig. 4.1). Fig. 4.1 Para a água pura (destilada) e o vidro limpo e úmido, este angulo é nulo, α ≅ 0° (Fig. 4.2) e se as paredes do tubo contiverem uma película de graxa por exemplo, α poderá superar 90° (as moléculas se repelem). Normalmente 0°< α< 80°. Fig. 4.2 R = Rm.cos α Para α = 0° ⇒ R = Rm Outros exemplos: - Mercúrio e vidro: α ≅ 140°; - Prata limpa e água: α ≅ 90°. 50 TEMPERATURA °C TENSÃO SUPERFICIAL Ts (g/cm) -5 0,07791 0 0,07713 5 0,07640 10 0,07567 15 0,07494 20 0,07418 25 0,07339 30 0,07258 35 0,07177 40 0,07091 100 0,06001 (J.J.Tuma & M. Abdel-Hady) “Quanto menor a tensão superficial, maior a facilidade para um líquido se espalhar” CAPILARIDADE NOS SOLOS Como os solos possuem uma estrutura porosa, a interligação entre seus vazios pode ser considerada como que formando um conjunto de tubos capilares e assim estarem sujeitos à ação dos fenômenos capilares. Isto explica, por exemplo, a ocorrência de zonas saturadas na massa de solo situada acima do lençol freático (Fig. 4.6). Fig. 4.6 S (%) = Grau de Saturação Acima do lençol freático ocorre a chamada “franja capilar”, de espessura variável, onde o solo se encontra saturado, mas a água não participa do movimento gravitacional. A altura de ascensão capilar nos solos depende da natureza do solo, da sua granulometria e outros fatores. Nos solos finos, como as argilas e siltes, os canalículos possuem pequeno diâmetro, provocando elevada ascensão, ao contrário do que ocorre nos solos grossos (areias e pedregulhos). Teoricamente, teríamos os seguintes valores aproximados: Solo hc Areias grossas Siltes Argilas 3 cm 60 cm 30 m (Fonte: Victor F.B. Mello e A. H. Teixeira, 1971) A rigor não se pode dizer que existe uma determinada altura de ascensão capilar (hc) para um solo, devido à variação de diâmetros dos vazios num mesmo solo (com a máxima ascensão possível correspondendo aos diâmetros dos menores vazios), como é óbvio. Existem sim, limites para tais valores. A altura capilar média dos solos pode também ser estimada através de fórmulas empíricas, como por exemplo: (Eq. 4.2 ) – A. HAZEN 10.φe Chc = 51 sendo C um coeficiente variando entre 0,1 e 0,5 cm2, e o índice de vazios do solo e φ10 o seu diâmetro efetivo (aquele correspondente a 10 % que passa, na curva granulométrica), em cm. Efeitos da capilaridade nos solos Em tubos capilares, à força que puxa a água no tubo capilar corresponde uma reação que comprime as paredes do tubo. Nos pontos de contato dos meniscos com os grãos, evidentemente agirão pressões de contato, tendendo a comprimir os grãos (Fig. 4.7). Fig. 4.7 Tal fato explica a “contração” de um solo fino durante o processo de secagem. Como a água capilar está com pressão neutra negativa, há o aumento da pressão efetiva (intergranular) e consequentemente provoca um acréscimo de resistência dos solos, denominada “coesão aparente”, a qual desaparece com a secagem ou saturação. Em construções de pavimentos e aterros em geral, deve-se atentar bem para o aspecto da capilaridade dos terrenos de fundação, que pode comprometer a estabilidade da obra. Em regiões de clima frio, por exemplo, a capilaridade pode causar o empolamento do solo a partir do congelamento da água absorvida do lençol subterrâneo. Dentre outros efeitos da capilaridade, citam-se também aqueles que ocorrem em barragens de terra, como o “sifonamento capilar” na crista (Fig. 4.8-a) e a zona adicional de saturação acima da linha prevista (Fig. 4.8-b), ambos podendo alterar (prejudicando) consideravelmente as condições de projeto. Fig. 4.8-a Fig. 4.8-b Bibliografia adicional - LAMBE, T.W. – “Soil Testing for Engineers” – John Wiley & Sons, Inc. – New York, 1951. - TAYLOR, D. W. – “Fundamentals of Soil Mechanics” - John Wiley & Sons, Inc. - TERZAGHI, K. – “Theoretical Soil Mechanics” - John Wiley & Sons, Inc. - RODAS, R. VALLE – “Carreteras, Calles y Aeropistas” - Editorial El Ateneo – Buenos Aires. - BADILLO,J. & RODRÍGUEZ, R. – “Mecánica de Suelos” – Tomo I, Cap. VIII – Ed. Limusa, 77. 52 Prática 1) Qual é o efeito da capilaridade na pressão neutra desenvolvida nos solos? 2) Teoricamente, qual tipo de solo proporciona maiores alturas de ascensão capilar, o arenoso fino ou o siltoso? Por quê? 3) Sabendo-se que hc é máximo, quanto vale α2, na fig. 4-9? Fig.4-9 4) Calcule o valor do “diâmetro” aproximado dos “canalículos” (ou vazios ou interstícios) de um solo siltoso no qual a água do lençol freático sobe por capilaridade e no ponto de máxima ascensão produz uma tensão de 6 kPa (medida por instrumentos devidamente instalados). 5) No perfil de subsolo da figura 4-10, a água do lençol freático subterrâneo ascende por capilaridade e satura certa faixa (hc) acima do nível de água (NA). A partir da Equação de JURIN e conhecendo-se o gráfico de variação das tensões neutras (u) com a profundidade (h), calcule o valor aproximado do diâmetro médio (em mm) dos “canalículos” (ou vazios ou interstícios) do solo. NT (No + 44)/10 0 2(No + 44) u (kPa) hc h (m) Obs.: Considere γw = 10 kN.m-3 No = número do(a) aluno(a). Fig. 4-10 Solução