Conceitos e cálculos em mecânica de solos: massa, peso, compactação, permeabilidade e comp, Notas de aula de Mecânica dos Solos

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B rasília-DF.

M ecânica dos solos

Elaboração

Blenda Cordeiro Mota Ribeiro

Produção

Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração

• APrESEntAção.................................................................................................................................
• orgAnizAção do CAdErno dE EStudoS E PESquiSA
• introdução....................................................................................................................................
• CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES DOS SOLOS...................................................................................... unidAdE i
  • CAPítulo
  • PLASTICIDADE E CONSISTêNCIA..............................................................................................
  • CAPítulo
  • ÍNDICES fÍSICOS
  • CAPítulo
  • DISTRIbUIÇÃO DE TENSõES
• PERMEAbILIDADE DOS SOLOS unidAdE ii
  • CAPítulo
  • LEI DE DARCy
  • CAPítulo
  • REDES DE fLUxO
• COMPRESSIbILIDADE DOS SOLOS unidAdE iii
  • CAPítulo
  • INTRODUÇÃO AOS ESTUDOS DE COMPRESSIbILIDADE
  • CAPítulo
  • TEORIA DO ADENSAMENTO
  • CAPítulo
  • CáLCULO DOS RECALqUES
• RESISTêNCIA AO CISALHAMENTO unidAdE iV
  • CAPítulo
  • CONDIÇõES DE RUPTURA DOS SOLOS
  • CAPítulo
  • RESISTêNCIA AO CISALHAMENTO DE SOLOS NÃO COESIvOS
  • CAPítulo
  • RESISTêNCIA AO CISALHAMENTO DE SOLOS COESIvOS
• rEfErênCiAS

Apresentação

Caro aluno

A proposta editorial deste Caderno de Estudos e Pesquisa reúne elementos que se entendem necessários para o desenvolvimento do estudo com segurança e qualidade. Caracteriza-se pela atualidade, dinâmica e pertinência de seu conteúdo, bem como pela interatividade e modernidade de sua estrutura formal, adequadas à metodologia da Educação a Distância – EaD.

Pretende-se, com este material, levá-lo à reflexão e à compreensão da pluralidade dos conhecimentos a serem oferecidos, possibilitando-lhe ampliar conceitos específicos da área e atuar de forma competente e conscienciosa, como convém ao profissional que busca a formação continuada para vencer os desafios que a evolução científico-tecnológica impõe ao mundo contemporâneo.

Elaborou-se a presente publicação com a intenção de torná-la subsídio valioso, de modo a facilitar sua caminhada na trajetória a ser percorrida tanto na vida pessoal quanto na profissional. Utilize-a como instrumento para seu sucesso na carreira.

Conselho Editorial

Saiba mais

Informações complementares para elucidar a construção das sínteses/conclusões sobre o assunto abordado.

Sintetizando

Trecho que busca resumir informações relevantes do conteúdo, facilitando o entendimento pelo aluno sobre trechos mais complexos.

Para (não) finalizar

Texto integrador, ao final do módulo, que motiva o aluno a continuar a aprendizagem ou estimula ponderações complementares sobre o módulo estudado.

introdução

A Mecânica dos Solos é um dos ramos mais recentes da Engenharia Civil. Ela trabalha com uma matéria-prima bastante heterogênea e com propriedades complexas, sendo de extrema dificuldade a modelação matemática ou ensaio em modelo que caracterize satisfatoriamente o seu comportamento.

Na primeira unidade, conheceremos a constituição e as propriedades dos solos. O primeiro capítulo traz os limites de consistência por meio de uma abordagem mais prática, pois aprenderemos a calcular os limites de liquidez, plasticidade e contração. O segundo capítulo traz os índices físicos e suas especificidades, como o cálculo de umidade, a relação de volumes e massas, o índice de vazios, a porosidade do solo, entre outros. Finalizando a primeira unidade, temos o terceiro capítulo e as distribuições de tensões.

Na segunda unidade, veremos as propriedades hidráulicas do solo, iniciando com algumas definições introdutórias de permeabilidade. Em seguida, será vista a adaptação geotécnica da Lei de Darcy e suas influências. Finalizando a unidade, estudaremos as redes de fluxo e suas particularidades.

A terceira unidade estudará a compressibilidade dos solos. O primeiro capítulo traz a introdução à compressibilidade, abordando a relação tensão-deformação do solo. O segundo capítulo explana a teoria do adensamento, contemplando suas hipóteses e equações, bem como os ensaios e a representação de seus resultados. Por fim, o terceiro capítulo trata dos recalques e suas características, junto com um apanhado de algumas situações práticas.

A quarta unidade tratará da resistência ao cisalhamento. O primeiro capítulo traz as condições de ruptura dos solos, explicadas pelo diagrama de ruptura de Mohr e da equação de Coulomb. O segundo capítulo trata da resistência ao cisalhamento de solos não coesivos e o terceiro capítulo, último da disciplina, aborda a resistência ao cisalhamento dos solos coesivos.

Esperamos que as unidades sejam de grande valia para a compreensão do comportamento mecânico dos solos, bem como mais um passo na caminhada eterna rumo ao conhecimento.

Bons estudos!

unidAdE i

ConStituição E ProPriEdAdES doS SoloS

Nessa primeira unidade, conheceremos a constituição e as propriedades dos solos.

O primeiro capítulo traz os limites de consistência por meio de uma abordagem mais prática, pois aprenderemos a calcular os limites de liquidez, plasticidade e contração, necessários para conhecermos a consistência dos solos.

O segundo capítulo traz os índices físicos e suas especificidades, como o cálculo de umidade, a relação de volumes e massas, o índice de vazios, a porosidade do solo, entre outros.

Finalizando a primeira unidade, temos o terceiro capítulo e as distribuições de tensões. Esse capítulo contempla as tensões próprias do solo e as tensões geradas pelas cargas aplicadas nele. É um capítulo bem prático e permeado de exercícios.

Então, agora que já temos uma ideia do que virá pela frente, vamos iniciar? Não deixem de comentar quaisquer questionamentos no fórum tira-dúvidas. É muito importante que interajamos e cresçamos juntos! Mãos à obra?

CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES D O S S O L O S │ UNIDADE I

Ultrapassando o limite plástico, o material rompe. A capacidade de se deformar antes de romper é nomeada de ductilidade. Um exemplo básico e prático de material dúctil é a sacolinha plástica de supermercado. Ao aplicar uma força crescente de tração, é possível perceber que o material se deforma, tornando-se cada vez mais fino, até que a força aplicada seja superior à sua capacidade de deformação, ou seja, sua plasticidade, e o material se rompe. Outro exemplo muito utilizado na construção é o aço. Ao contrário dos materiais dúcteis, temos os materiais frágeis, que não têm grande resistência à tração e, portanto, não se deformam significativamente antes de romper. Esses materiais têm baixíssimos limites elásticos e plásticos. Exemplos de fácil compreensão podem ser a folha de papel e o grafite. Ambos se rompem praticamente sem deformação. Na construção, o melhor exemplo para material frágil é o concreto.

limites de consistência

Antes de iniciarmos os estudos de consistência, é muito importante que saibamos o conceito de umidade em Mecânica dos Solos. A umidade é o percentual da relação entre a água e a massa sólida presentes no solo ou em sua amostra.

Os limites de consistência são os valores de umidade de um solo (representada pela letra h ou pela letra w) que se encontram no ponto de mudança de estado. Os solos podem ser encontrados no estado líquido, plástico, semissólido ou sólido.

Quando o solo tem grande valor de umidade e se encontra com aparência bastante fluida, pode-se dizer que ele se encontra no estado líquido ou fluido denso.

O limite de liquidez (LL ou WL) é o valor de umidade em que o solo deixa de ser fluido e passa a ser facilmente moldável, conseguindo conservar o formato dado.

Com umidade menor do que o LL, o solo se encontra no estado plástico e nele permanece até que não suporte ser manejado sem desmanchar. Esse ponto é o limite de plasticidade (LP ou WP).

Com umidade ainda menor do que o LP, o solo se encontra no estado semissólido, quando não pode ser trabalhado sem manter a forma, uma vez que está muito seco e tende a se partir em torrões.

Ao diminuir ainda mais a umidade do solo, ele passa pelo limite de contração (LC ou WC) e fica no estado sólido.

UNIDADE I │ CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES DOS SOLOS

Nesse estado, o solo não é moldável e tende a contrair por causa do poder de retração da argila.

A figura 1 demonstra os limites, os estados e a relação entre a umidade e a consistência. É possível perceber que quanto maior a umidade, menor a consistência do solo.

figura 1. Limites de consistência.

fonte: elaborado pela autora, 2016.

Executar os ensaios necessários para a obtenção dos limites de liquidez, de plasticidade e de contração é uma prática comum e necessária para a análise das amostras de solos e o conhecimento das suas propriedades e do seu comportamento.

O limite de liquidez e o limite de plasticidade foram estabelecidos em 1911 pelo cientista sueco Albert Atterberg. Por sua vez, o limite de contração foi estabelecido em 1923 pelo cientista norte-americano W. B. Haines.

determinação do limite de liquidez

A NBR 6459 (ABNT, 2016) define o procedimento de determinação do limite de liquidez. A norma foi originalmente publicada em outubro de 1984 e revista em abril de 2016. As diferenças são, basicamente, de formatação. O processo do ensaio continua o mesmo.

figura 2. Aparelho de Casagrande e cinzéis.

fonte: Site da LAGETEC^1 , 2016. 1 Disponível em: <http://www.lagetec.ufc.br/wp-content/uploads/2016/03/Ensaios-de-limites-de-liquidez-e-plasticidade-de- material-granular.pdf>. Acesso em: 29 dez. 2016.

UNIDADE I │ CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES DOS SOLOS

Tabela 1. Golpes e umidades correspondentes. Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Umidade (%) 27,4 26,2 25,5 24 22, Nº de golpes 15 19 28 40 56 fonte: elaborado pela autora, 2016.

Depois de obtidos os cinco números de golpes e suas respectivas umidades, se marcam os pontos correspondentes em um gráfico contendo: valores de umidade em escala aritmética no eixo das ordenadas e no^ de golpes em escala logarítmica no eixo das abscissas (Figura 4a).

Após marcar os cinco pontos, deve-se traçar uma reta que melhor se ajuste entre os cinco pontos (Figura 4b).

Do ponto n o^ de golpes igual a 25, traça-se uma reta vertical até atingir a reta dos pontos (Figura 4c).

Do ponto que atingiu a reta, segue horizontalmente até alcançar o valor de umidade correspondente ao limite de liquidez (Figura 4d).

figura 4. Gráfico para determinação do LL.

fonte: elaborado pela autora, 2016.

CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES D O S S O L O S │ UNIDADE I

Depois de feitos os passos, encontra-se o limite de liquidez, que, neste caso, é de LL = 26%, uma vez que a NBR 6459 exige que se arredonde o valor para o inteiro mais próximo.

Caputo (1996, p. 55) define o limite de liquidez do solo como sendo o “teor de umidade para o qual o sulco se fecha com 25 golpes”.

Assim como a NBR 6459 se utiliza do padrão de cinco pontos para determinação do limite de liquidez, Caputo (1996) também demonstra a possibilidade de determinar o LL conhecendo apenas um ponto, ou seja, fazendo o procedimento do aparelho de Casagrande com apenas uma amostra.

A equação 1, a seguir, elucida:

LL = (^) ��������� � ��� �� (eq. 1)

Utilizando essa equação, vamos calcular o limite de liquidez encontrado para cada uma das amostras da tabela 2.

Tabela 2. Determinação do LL pelo método de um só ponto. h (%) n eq. 1 LL Amostra 1 27,4 15 27,4/(1,419-0,3.log15) 25,7% Amostra 2 26,2 19 26,2/(1,419-0,3.log19) 25,3% Amostra 3 25,5 28 25,5/(1,419-0,3.log28) 25,9% Amostra 4 24,0 40 24,0/(1,419-0,3.log40) 25,6% Amostra 5 22,7 56 22,7/(1,419-0,3.log56) 25,4% fonte: elaborado pela autora, 2016.

Percebe-se que todos os valores encontrados foram próximos ao LL encontrado com o método dos cinco pontos. A média de LL calculados acima é de 25,58%. Apenas 0,02% de diferença do calculado pelos cinco pontos. Logo, o LL considerado para esse método de um só ponto é de 26%.

determinação do limite de plasticidade

O limite de plasticidade é caracterizado pelo valor de umidade correspondente à divisão entre o estado semissólido e o estado plástico. Terzaghi e Peck (1976) definem o limite de plasticidade como o limite inferior do estado plástico.

A NBR 7180 (ABNT, 2016) define o procedimento de determinação do limite de plasticidade.

CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES D O S S O L O S │ UNIDADE I

figura 6. Procedimento de determinação do LP.

fonte: adaptado de Pires, 2011.

Caputo (1996) afirma que o processo de determinação do LP ainda não foi mecanizado satisfatoriamente, como o LL.

determinação do limite de contração

O limite de contração é o marco de divisão entre os estados semissólido e sólido. É o valor do teor de umidade que o solo deixa de contrair, embora continue perdendo peso.

O ensaio para calcular o limite de contração costumava ser normalizado pela NBR 7183 (ABNT, 1982). Essa norma foi cancelada em setembro de 2014 por desuso do setor, de acordo com o site da ABNT.

A norma previa a seguinte aparelhagem: cápsula de porcelana, espátula, cápsula de contração (figura 7) para secagem da amostra.

figura 7. Cápsula de contração.

fonte: UNISINOS, 2002.

UNIDADE I │ CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES DOS SOLOS

Além disso, também é necessário o uso de: régua de aço e cuba de vidro, placa de vidro com pinos de metal (figura 8, para mergulhar a pastilha de solo no mercúrio), proveta, balança sensível a 0,1g, mercúrio suficiente para encher a cuba de vidro e estufa.

figura 8. Ensaio de contração.

fonte: UNISINOS, 2002.

Utiliza-se, para esse ensaio, 50g da amostra coletada.

Para calcular o volume da cápsula de contração, deve-se enchê-la com mercúrio e medir essa quantidade de Hg na proveta.

Na cápsula de porcelana, mistura-se o solo e a água, com a espátula, até o ponto de deixar a massa fluida e homogênea, não havendo formação de bolhas.

A cápsula de contração deve ser lubrificada para evitar aderência do solo nas suas paredes.

Após passar óleo, coloca-se uma média de um terço do total do solo no fundo da cápsula e comprime a massa para que não haja formação de bolhas de ar.

Esse procedimento é repetido mais duas vezes, até atingir a superfície da cápsula. A massa deve estar plana.

É necessário deixar o solo secar, ao natural, até que mude de cor. Depois disso, inicia a secagem em estufa, até que o peso esteja constante, momento em que o peso do solo seco é determinado (P).

Para tanto, é necessário mergulhar a pastilha de solo (já retirada cuidadosamente da cápsula de contração) no mercúrio contido na cuba de vidro.

Para remover o excesso de mercúrio, utiliza-se a placa de vidro. Os pinos de metal servem para mergulhar inteiramente a pastilha no mercúrio (Figura 8).

O volume de mercúrio deslocado deve ser considerado como o volume do solo seco (V).