Notas de Aula: Mecânica dos Solos - Unidade 2: Índices Físicos e Retirada de Amostras

Notas de Aula Mecânica dos Solos 3 UNIDADE 2 ÍNDICES FÍSICOS E RETIRADA DE AMOSTRAS 21 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 21 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 total W peso total Vs volume de sólidos Ws peso dos sólidos Vv volume de vazios Ww peso de água Vw volume de água Wa peso de ar Wa 0 Va volume de ar V Vs Vv onde Vv Vw Va W Ws Ww Figura 21 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 Definese 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 argilominerais 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 21b 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 Vs Vv V Notas de Aula Mecânica dos Solos 4 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 separandoos 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 22 Relação de fases As relações apresentadas a seguir constituem uma parte essencial da Mecânica dos Solos e são básicas para a maioria dos cálculos desta ciência 221 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 21 temse w WwWs 100 O teor de umidade pode assumir o valor de 0 para solos secos Ww 0 até valores superiores a 100 em solos orgânicos 222 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 21 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 temse e VvVs 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 04 a 10 para solos argilosos variam de 03 a 15 Nos solos orgânicos podemos encontrar valores superiores a 15 b Porosidade η É a relação entre o volume dos vazios Vv e o volume total V da amostra temse η VvV 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 21 Classificação da porosidade e do índice de vazios nos solos IAEG 1979 Porosidade Índice de vazios Denominação 50 1 muito alta 45 50 080 100 alta 35 45 055 080 média 30 35 043 055 baixa 30 043 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 situamse entre 1 e 99 Sr VwVv 100 O grau de saturação segundo o IAEG 1979 pode ser classificado em Tabela 22 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 Notas de Aula Mecânica dos Solos 6 223 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 utilizandose a simbologia da Figura 21 será calculado como γ WV unidades gcm3 Kgm3 kNm3 tm3 A magnitude do peso específico natural dependerá da quantidade de água nos vazios e dos grãos minerais predominantes e é utilizado no cálculo de esforços Unidade 7 b Peso específico aparente seco γd É a relação entre o peso dos sólidos Ws e o volume total da amostra V para a condição limite do grau de saturação limite inferior Sr 0 temse γd WsV unidades gcm3 Kgm3 kNm3 tm3 O peso específico aparente seco é empregado para verificar o grau de compactação de bases e subbases de pavimentos e barragens de terra Unidade 10 c Peso específico saturado γsat É a relação entre o peso total W e o volume total V para a condição de grau de saturação igual a 100 temse γ WsatV unidades gcm3 Kgm3 kNm3 tm3 Em nenhuma das condições extremas levouse em consideração a variação do volume do solo devido ao secamento ou saturação d Peso específico real dos grãos ou sólidos γs δ NBR 650884 É a relação entre o peso dos sólidos Ws e o volume dos sólidos Vs dependendo dos minerais formadores do solo temse γs WsVs unidades gcm3 Kgm3 kNm3 tm3 O valor do peso específico dos sólidos representa uma média dos pesos específicos dos minerais que compõem a fase sólida A Tabela 23 apresenta o intervalo de variação do peso específico dos sólidos de diversos tipos de minerais Notas de Aula Mecanica dos Solos 7 Tabela 23 Valores de peso especifico real dos graos de alguns tipos de minerais ys gcm ys gm 265 267 Feldspato K 254 257 261 266 Feldspato Na Ca 262 276 260 286 270 310 274 278 280 320 260 290 490 530 e Peso especifico da agua yw E a razio entre o peso de agua Ww e seu respectivo volume Vw yw WwVw Nos casos praticos adotase 0 peso especifico da 4gua como 1gem 10kNm 1000kgm f Peso especifico submerso ysub y Quando a camada de solo esta abaixo do nivel freatico definese 0 peso especifico submerso o qual é utilizado para o calculo de tensdes Unidade 7 ysub ysat yw g Densidade real dos graos ou solidos G E a razio entre o peso especifico real dos graos ys e 0 peso especifico da agua a 4C G ysyw 23 Formulas de correlacéo As formulas de definiao dos indices fisicos nao sao praticas para a utilizagao em calculos e assim recorrese as formulas de correlagao entre os indices como as apresentadas a seguir Y peso especifico natural y WV vY teor de umidade w WwWs Y peso especifico real dos graos ys WsVs Y peso especifico aparente seco yd WsV y1 w v indice de vazios e VvVs ysyd 1 Y porosidade n VvV e1 e Y grau de saturacao S VwVv w yse yw Y peso especifico saturado ysat WsatV 1nys nyw Y peso especifico submerso ysub ysat yw ys yw 1 Notas de Aula Mecânica dos Solos 8 24 Determinação experimental dos índices físicos Os índices físicos são determinados em laboratório ou mediante fórmulas de correlação vistas no item anterior Em laboratório são determinados o peso específico natural através do peso e volume total o teor de umidade e o peso específico real dos grãos 241 Determinação do peso e volume de uma amostra Moldase um corpo de prova cilíndrico de solo indeformado obtêmse várias medidas de diâmetro d e altura h para o cálculo do volume da amostra de solo com os valores médios obtidos Obter o peso total da amostra de solo W com a balança Podese utilizar também para determinar o peso e o volume anéis metálicos de dimensões conhecidas onde são moldados no solo Devese salientar que o peso específico natural é normal mente determinado em corpos de prova já talhados para os ensaios usuais de Mecânica dos Solos No controle de compactação Unidade 10 de camadas de solo in situ utilizase para determinar o peso específico um cilindro cortante Figura 22 com peso e dimensões conhecidas que é cravado no solo ABNTNBR 981387 Determinação da massa específica aparente in situ com o emprego do cilindro de cravação No campo a determinação de γ pode ser feita ainda utilizandose um frasco ao qual se adapta um funil munido de um registro ABNTNBR 718586 Solo Determinação da massa específica aparente in situ com emprego do frasco de areia mostrado na Figura 23 Figura 22 Cilindro cortante Figura 23 Frasco de areia 242 Determinação do teor de umidade w O teor de umidade é obtido por diferença de peso de uma amostra de solo antes e após a secagem em estufa Os procedimentos adotados no laboratório ABNTNBR 645786 Amostras de Solo Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização são tomase uma cápsula com peso conhecido Wc selecionase uma porção de amostra representativa aproximadamente 50g colocase a amostra na cápsula e pesase o conjunto Wc W secase em estufa o conjunto até a constância do peso pesase novamente o conjunto Wc Ws O teor de umidade w é calculado de acordo com a expressão 100 Ws Ww Ws Ws W Wc Ws Wc Ws Wc W Wc w Notas de Aula Mecânica dos Solos 9 onde W peso total da amostra Ws peso seco Ww peso da água Wc peso da cápsula No campo utilizase para a determinação do teor de umidade o processo da frigideira DNERME 08664 o método expedito do álcool DNERME 08894 Determinação da umidade pelo método expedito do álcool ou o método expedito Speed Figura 24 DNERME 05294 Solos e agregados miúdos determinação da umidade pelo método expedito Speedy Figura 24 Umidímetro Speedy 243 Determinação do peso específico real dos grãos γs O peso específico real dos grãos ou sólidos é determinado usualmente empregando um frasco de vidro denominado picnômetro balão volumétrico de acordo com ABNTNBR 650884 Grãos de solo que passam na peneira de 48mm Determinação da massa específica dos sólidos O ensaio compara o peso de um picnômetro contendo água destilada até a marca de calibração W1 com o peso do mesmo picnômetro contendo solo e água W2 até a mesma marca e determinase a temperatura da suspensão e mediante a curva de calibração do picnômetro determinamse o peso do picnômetro e a água para a temperatura do ensaio Esquema explicativo do ensaio está representado na Figura 25 Figura 25 Esquema de cálculo do peso específico real dos grãos Ww Ww W W1 W2 Água Água Solo Marca da calibração Notas de Aula Mecânica dos Solos 10 O peso de água correspondente ao volume deslocado pelos grãos sólidos será W1 Ww Wp água picnômetro W2 Ww Wp Ws água picnômetro solo W1 W2 Ww Wp Ww Wp Ws W1 W2 Ww Ww Ws W1 W2 Ww Ws Portanto o volume dos sólidos corresponde a volume de água deslocada temse Ww Vw γw Vs Vwγw W1 W2 Vs γw Ws Vs W1 W2 Ws γw w Ws W W Ws Vs Ws s γ γ 2 1 Normalmente são realizadas no mínimo três determinações fazendo variar a temperatura e acertando o nível de água na marca de referência com vistas à obtenção de valor médio consistente A determinação do peso específico dos sólidos é muito simples mas às vezes adotase um valor médio para resolução de problemas uma vez que a faixa de variação no caso de solos não é muito grande Em geral para solos arenosos podese tomar γs 267 gcm3 e para solos argilosos γs 275 290 gcm3 25 Retirada de amostras A caracterização de um solo através de parâmetros obtidos em ensaios de laboratório depende simultaneamente da qualidade da amostra e do procedimento dos ensaios Tanto para a amostragem quanto para os ensaios existem normas brasileiras e estrangeiras que regem o assunto e que portanto devem ser obedecidas Em qualquer laboratório de geotecnia dois tipos de amostras são usadas na realização desses ensaios A amostra deformada uma porção de solo desagregado deve ser representativa do solo que está sendo investigado apenas quanto à textura e constituição mineral Ela é usada na identificação visual e táctil nos ensaios de classificação granulometria limites de consistência e massa específica dos sólidos no ensaio de compactação e na preparação de corpos de prova para ensaios de permeabilidade compressibilidade e resistência ao cisalhamento Essas amostras até um metro abaixo da superfície do terreno poderão ser obtidas através de ferramentas simples pás enxadas picaretas e outras mais apropriadas a cada caso enquanto que para profundidade maior terseá necessidade de ferramentas especiais trados ou um amostrador de parede grossa A amostra indeformada geralmente de forma cúbica ou cilíndrica deve ser representativa da estrutura e teor de umidade do solo na data de sua retirada além da textura e composição mineral Ela é usada para se determinar às características do solo in situ como os índices físicos o coeficiente de permeabilidade os parâmetros de compressibilidade e de resistência ao cisalhamento Uma amostra indeformada pode ser obtida de diversas maneiras dependendo da cota da amostragem da densidade do solo e da posição do lençol freático assim para solos moles abaixo do nível dágua será usado um amostrador de parede fina enquanto que para solos acima do nível dágua e mais densos devese abrir um poço até a cota de interesse e retirar um bloco de solo usando uma caixa metálica ou de madeira como fôrma e com dimensões apropriadas ao tipo e Notas de Aula Mecanica dos Solos 11 numero de ensaios a realizar A NBR 960486 rege a abertura de poo e trincheira de inspegao em solo com retirada de amostras deformadas e indeformadas Na retirada no transporte e no manuseio de qualquer um dos dois tipos de amostras devem b ser tomados cuidados extras para que a amostra nao sofra nenhuma avaria Os equipamentos e acessdrios 0 procedimento da amostragem os cuidados e o dimensionamento de cada uma das amostras serao descritos nos itens seguintes 251 Equipamentos e acessorios Equipamentos trados de diversos tipos e didmetros amostrador de parede grossa caixa metalica amostrador de parede fina Y Acessérios sacos de lona ou de plastico de diferentes tamanhos pas enxadas picaretas facas espatulas conchas fogareiro a gas parafina tecido tipo estopa ou similar etiquetas caixas de madeira serragem 252 Procedimentos para a amostragem Para cada um dos tipos de amostras representativas 0 procedimento na amostragem sera diferente A seguir sera descrita a forma de se obter uma amostra deformada e uma amostra indeformada em bloco em uma camada acima do nivel dagua Amostra deformada Para este tipo de amostragem devese inicialmente fazer uma limpeza no local de trabalho retirando a vegetacao superficial raizes e qualquer outra matéria estranha ao solo para sO depois iniciar o processo de coleta de amostra Se a cota de retirada da amostra estiver no maximo um metro da superficie do terreno podese fazer uma escavagao até a cota de interesse com uma das ferramentas indicadas e entao fazer a coleta Entre um e seis metros de profundidade podese usar o trado cavadeira desde que o furo nao precise de revestimento Para profundidade maior do que seis metros ou quando o furo exigir tubo de revestimento devese usar o trado helicoidal Figura 26 Quando o trabalho com o trado helicoidal se tornar dificil ou para amostragem abaixo do nivel dagua quando podera se tornar pouco eficaz podese utilizar um amostrador de parede grossa Figura 27 que é cravado dinamicamente no solo através de energia fornecida pela queda livre de g um martelo A sondagem a trado é regulada pela NBR 960386 a SAPATA a i CORPO ws A qe XTENSAO im a oo CA AMOSTRA Og IB J I Pius aS ci fT 5 i ga JS ge i SE SF SE é ae Ye se Pe Pe i qi ENGATE J ce ae CC Pe o S AP HELIOOUD AL CAVADEIRA ts Figura 26 Tipos de trado Figura 27 Amostrador de parede grossa Notas de Aula Mecânica dos Solos 12 O tipo e o emprego do equipamento de sondagem representado na Figura 28 introduzidos entre nós há mais de 40 anos é o mais adotado por todos os institutos técnicos e oficiais e firmas particulares especializadas O Ensaio SPT obedece os critérios estabelecidos na NBR 648401 O Standard Penetration Test SPT possui a dupla função de medir a resistência à penetração e de coletar amostras que nesse caso são alteradas pelo choque e vibração no momento da cravação do amostrador Este método além de econômico é rápido e pode ser aplicado à maioria dos solos exceto pedregulhos O ensaio basicamente consiste em introduzir o barrilete amostrador que é fixado na extremidade das hastes de cravação e cravado 45 cm no solo por dentro de um tubo de sondagem A cravação é feita por um peso martelo de 65 kg com uma altura de 75 cm de queda Inicialmente se fazem penetrar 15 cm e a seguir se registra o número N de golpes aplicados para cravar outros 30 cm anotandose separadamente cada 15 cm Vários autores relacionam os resultados do N SPT com as propriedades dos diferentes tipos de solos conforme veremos nos capítulos que seguem Figura 28 Ensaio SPT A amostra deverá ser colocada em saco de lona ou plástico resistente identificada através de uma etiqueta amarrada à boca do saco e contendo informações sobre o local número profundidade e data da amostragem Além dessas informações devese fazer uma planta do local indicando os dados necessários a recuperação do ponto amostrado Uma identificação visual táctil da amostra retirada deve ser realizada indicandose o resultado na folha de locação do furo Figura 29 Figura 29 Locação do poço BLOCO B Salas de aulas RN LOCAÇÃO EM PLANTA P1 128 254 LOCAL CAMPUS USP SÃO CARLOS DATA 211078 POÇO Nº P1 Ø 128 cm COTAS RN 81970 BOCA DO POÇO 82040 TOPO DO BLOCO 81620 AMOSTRA DEFORMADA 81800 Notas de Aula Mecânica dos Solos 13 Amostra indeformada A viabilidade técnica e econômica da obtenção de amostras indeformadas é função da natureza do solo a ser amostrado da profundidade em que se encontra e da presença do nível dágua Esses fatores determinam o tipo de amostrador e os recursos a utilizar Algumas formações apresentam maiores dificuldades que outras no processo de extração de amostras indeformadas Assim a retirada de amostras indeformadas pode ser subdividida em duas classes Amostra indeformada de superfície a coleta de amostras é realizada próxima à superfície do terreno natural ou próximas à superfície de uma exploração acessível utilizandose amostradores em que o processo de avanço é por aparamento cilindros e anéis biselados Figura 210 ou escavações blocos Figura 211 Figura 210 Cilindros e anéis biselados Figura 211 Caixa para amostra em bloco Uma amostra indeformada em bloco poderá ser retirada em diversas posições como mostrado na Figura 212 Figura 212 Retirada de amostra Figura 213 Seqüência de amostragem de um bloco indeformada O procedimento de retirada de uma amostra indeformada em bloco no fundo de um poço é semelhante à retirada em qualquer outra posição exceto algumas peculiaridades do próprio poço O poço deverá ser aberto até aproximadamente dez centímetros acima da cota do topo do bloco cota zero pelo poceiro com um diâmetro que permita ao técnico encarregado de continuar TOPO BASE LATERAL 0 10 3 3 3 3 a b c d e f Posição 1 e 2 Talude de um corte 3 Superfície do terreno 4 Fundo do poço 5 Parede do poço 5 NT 4 3 2 1 Notas de Aula Mecânica dos Solos 14 o serviço fazêlo de forma conveniente Figura 213a Caso não seja possível por apresentar o poço um diâmetro pequeno o bloco poderá ser retirado na parede posição 5 lembrando que o fundo do poço deverá atingir uma cota mais baixa Utilizando a caixa metálica o técnico deverá marcar no fundo do poço a área onde a amostra será retirada e com cuidado ir removendo o solo externo a essa área Figura 213b até que se tenha um degrau de mais ou menos sete centímetros A caixa deverá ser ajustada ao solo com a ponta biselada voltada para baixo e iniciar uma escavação em sua volta ao mesmo tempo ir pressionando levemente a caixa provocando sua descida Figura 213c Quando o topo da caixa atingir a cota zero deverá haver um excesso de solo da ordem de 3cm Figura 213d que não deverá ser retirado neste momento O bloco deverá ser cortado próximo a base da caixa para que possa ser separado do terreno mantendose também um excesso de solo como mostrado na Figura 213e Entre o bloco e a caixa haverá sempre uma folga cuja espessura dependerá do tipo de solo amostrado Um solo argiloso permitirá uma folga menor do que um solo arenoso Dependendo da existência de condições favoráveis dentro do poço o excesso de solo na base e no topo do bloco poderá se aí retirado e colocadas em seguida a tampa e o fundo da caixa Figura 213f É sempre preferível realizar essa operação após a subida do bloco para superfície do terreno O bloco deverá ser elevado a superfície do terreno com todo o cuidado a fim de se evitar qualquer alteração estrutural no solo O excesso de solo do topo e da base ou a tampa e o fundo da caixa deverá ser retirado e uma primeira camada de parafina com espessura mínima de dez milímetros aplicada Logo em seguida colocar uma etiqueta no topo do bloco indicando os dados necessários à sua identificação As laterais da caixa só então devem ser retiradas e aplicada uma camada de parafina sobre as faces do bloco reforçando os cantos e arestas para garantir uma boa ligação com a camada aplicada no topo e na base Com essa primeira camada de parafina estará garantida a manutenção do teor de umidade da amostra mas não a preservação da sua estrutura representativa da estrutura do solo in situ Para a preservação da estrutura o bloco deverá ser envolvido com um tecido poroso e em seguida aplicada uma segunda camada de parafina Uma segunda etiqueta deverá ser colocada preferencialmente sobre o topo do bloco com as informações necessárias a sua localização Finalmente desenhar a planta de localização do poço tendo como referência algum ponto imutável com o tempo e indicando todos os demais dados necessários bem como o nome do solo a partir dos testes de identificação visual e táctil Figura 29 Amostra indeformada em profundidade os métodos de perfuração para atingiremse as profundidades desejadas são os mesmos das sondagens de reconhecimento A diferença essencial entre as sondagens mais simples e das sondagens em questão está nos amostradores sendo os mais usuais os amostradores de parede fina o amostrador de pistão o amostrador de pistão estacionário o amostrador de pistão Osterberg e o amostrador Denison ou barrilete triplo O amostrador de parede fina mais empregado o tipo Shelby é composto basicamente de um tubo de latão ou de aço inoxidável de espessura reduzida ligado a um cabeçote provido de uma válvula de esfera que permite ao ar e a água escaparem à medida que há a penetração da amostra Figura 214 Figura 214 Amostrador de parede fina Notas de Aula Mecânica dos Solos 15 O amostrador é introduzido no solo por pressão estática e constante e retirado quando estiver cheio A camisa é então liberada do cabeçote selada e enviada ao laboratório Este tipo de amostrador é usado para extração de amostras em solos moles 253 Cuidados a serem tomados Amostra deformada Toda e qualquer matéria orgânica ou não estranha ao solo deverá ser excluída da amostra Se esta operação for difícil de ser realizada no campo devese informar sobre a existência dessa matéria para que no laboratório sejam tomadas as providências necessárias Amostra indeformada Os cuidados a serem tomados com essas amostras devem ser maiores do que aqueles com uma amostra deformada indo desde a abertura do poço até sua utilização em laboratório Estes cuidados com a amostra permitem a manutenção do teor de umidade e da estrutura do solo in situ A seguir serão descritos os cuidados necessários durante as fases da retirada tratamento com parafina e tecido transporte para o laboratório armazenamento e utilização da amostra Durante a abertura do poço e a retira do bloco devese tomar cuidado para que a em amostra retirada à superfície do terreno o sol não incida diretamente sobre o bloco provocando um secamento superficial do solo b o poceiro não leve a escavação até a cota do topo do bloco c a caixa não seja cravada no solo e com isso podendo provocar uma alteração na estrutura do solo principalmente se for um solo arenoso fofo A caixa deve descer justa sem cortar o solo e sem um grande esforço do operador d a caixa envolva completamente a amostra não permitindo folgas se isto não for possível preencher a folga com o solo solto com um mesmo teor de umidade e a amostra não sofra nenhuma vibração principalmente para solos arenosos finos f a amostra não tombe bruscamente quando da sua separação do terreno natural g o transporte da amostra até a superfície do terreno seja rápido Durante o tratamento do bloco com parafina e tecido devese cuidar para que h este tratamento não seja feito no fundo do poço ou em lugar fechado pois a parafina ao derreter emana gases que podem provocar mal estar i a parafina da primeira camada não esteja muito quente principalmente em solos com grandes vazios evitandose com isso a sua penetração no interior do bloco j a primeira etiqueta seja colocada no topo do bloco indicando a posição correta em campo k o tecido poroso colocado sobre a primeira camada de parafina envolva o bloco sem folga porém sem pressionálo l a parafina colocada sobre o tecido esteja a uma temperatura mais alta permitindo uma aderência maior entre essas camadas e criando uma casca parafinatecidoparafina rígida e impermeável m a segunda etiqueta esteja também sobre o topo do bloco onde foi colocada a primeira etiqueta e de fácil visualização no laboratório Notas de Aula Mecânica dos Solos 16 Durante o transporte da amostra para o laboratório principalmente se forem usados diferentes meios de transporte devese cuidar para que n o bloco seja colocado dentro de uma caixa de madeira e protegida por serragem ou outro material qualquer o a caixa de madeira seja identificada como contendo material frágil e indicando a posição na qual deverá permanecer durante o transporte Durante o período de armazenamento no laboratório em que deverá ficar aguardando a realização dos ensaios tomar cuidado para que p a amostra permaneça em câmara úmida saturada em local seguro e que não seja movimentada sem necessidade q a etiqueta esteja visível e legível Durante a retirada de corpos de prova para a realização dos ensaios tomar cuidado para que r a retirada da parafina e do tecido não provoquem uma alteração na estrutura do solo Use uma tesoura para cortar o tecido se necessário s a amostra não fique exposta ao ar por um período longo após a retirada de uma parte dela Coloque um pano úmido sobre essa região da amostra se for continuar a usála em seguida t antes de retornar o bloco à câmara úmida coloque parafina nas partes onde ela foi retirada fazendo uma boa ligação entre a parafina existente e a recolocada u um plano de utilização do bloco deve ser feito antes de se iniciar o corte indicando os locais de onde serão retirados os corpos de prova para a realização de cada ensaio Lembrese que este poderá ser o único bloco disponível para a caracterização do solo amostrado 254 Dimensionamento da amostra O dimensionamento da amostra a ser retirada é função do tipo e do número de ensaios que serão realizados bem como da condição atual e futura do local da amostragem Para o dimensionamento de uma amostra deformada devese partir da massa de sólidos estimada para cada ensaio e calcular o total necessário Para se chegar na massa de solo que deverá ser retirada será preciso conhecer o teor de umidade da jazida o que poderá ser feito por uma estimativa visual e táctil ou através de um processo rápido Para uma amostra indeformada devese partir das dimensões dos corpos de prova e assim chegarse ao número e às dimensões necessárias de cada bloco Será preciso levar em consideração que durante a realização dos ensaios poderá ocorrer uma perda de material e que alguns ensaios deverão ser repetidos Além disso a condição do local após a amostragem poderá não permitir a retirada de novas amostras bem como a sua distância até o laboratório e a movimentação do pessoal e equipamento para a amostragem trarão custos adicionais a obra Assim uma sobra de material no laboratório desde que não excessiva é sempre preferível a uma falta de material Notas de Aula Mecânica dos Solos 17 Amostra deformada A NBR 645786 Preparação de amostras para ensaios de compactação e ensaios de caracterização indica as quantidades apresentadas na Tabela 24 para preparação de amostras para os ensaios de compactação e de caracterização para solos que tenham partículas menores que 48mm 4 Tabela 24 Quantidade de solo para os ensaios de compactação e caracterização Limites de consistência 200 g Granulometria 1 Kg Ensaios de classificação 2 Kg Massa específica dos solos 500g cilindro pequeno 3 Com reuso do solo cilindro grande 7 cilindro pequeno 15 Ensaios de compactação EC 585 kJm³ Sem reuso do solo cilindro grande 35 CP ø 5 cm e h 125 cm 1 kg CP Compactação de corpos de prova CP ø 65 cm e h 120 cm 07 kg CP Amostra indeformada Para amostras indeformadas o dimensionamento está diretamente relacionado ao tipo e a dimensão do amostrador a ser usado no momento da coleta de amostra Na amostragem de bloco este deve ter forma cúbica com lados variando entre 20 e 30cm o que permitirá a retirada de 9 a 18 C P corpos de prova com 50 cm de diâmetro e 125 cm de altura desde que o solo esteja em boas condições O bloco não deverá ter lado menor do que 200 cm pois isso diminuirá e muito o número de corpos de prova com as dimensões já citadas nem deverá ter dimensão maior do que 300 cm pois isso aumentará o seu peso dificultando o manuseio em campo e no laboratório com um risco maior de alteração estrutural O solo que é retirado do bloco durante a moldagem dos corpos de prova é suficiente para se realizar os ensaios de classificação do solo A seguir têmse dois exemplos de determinação de índices físicos No primeiro exemplo apresentamse os cálculos dos índices físicos de uma amostra de argila saturada retirada com cilindro de cravação No segundo exemplo estão dispostos em uma planilha os resultados e cálculos do ensaio de peso específico do solo residual das minas de calcáreo de Caçapava do Sul Notas de Aula Mecânica dos Solos 18 Exemplo 1 Uma amostra de argila saturada tem um volume de 174 cm3 e peso de 298 g Após a secagem em estufa o volume passou a 105 cm3 e o peso a 196 g Pedese para determinar os seguintes índices físicos w γs ei ef γdi γdf ηi ηf Amostra inicialmente saturada VvVw Ww W Ws 298 196 102g γw WwVw 10 gcm3 102gVw Vw Vv 102 cm3 Vs V Vw 174 102 72 cm3 não apresenta V com o secamento w WwWs 102196 52 γs WsVs 19672 272 gcm3 ei VviVs 10272 142 Vvf Vf Vs 105 72 33 cm3 ef VvfVs 3372 046 γdi WsV 196174 113 gcm3 γdf WsVf 196105 187 gcm3 ηi VviVi 102174 586 ηf VvfVf 33105 314 ÁGUA SÓLIDOS V174 cm3 W290 g SÓLIDOS AR Vf 105 cm3 Ws196 g V Notas de Aula Mecânica dos Solos 19 Exemplo 2 Uma amostra com peso úmido de 1000g de solo passante na peneira 48mm 4 foi preparada para o ensaio de peso específico Desta amostra foi determinado o teor de umidade e a seguir foram realizadas três determinações para diferentes temperaturas para determinação do peso específico real dos grãos conforme pode ser observado na planilha a seguir Interessado Amostra Data Peso úmido cáp g 6214 8095 Peso seco cáp g 6182 8052 Peso cápsula g 1083 1057 Umidade 0628 0615 Umidade média 1 2 3 4 5 10000 10000 10000 73500 73660 73710 3850 2650 2200 671008 672748 673400 99383 99383 99383 09926 09966 09978 2788 2788 2779 Peso específico dos sólidos médio gcm³ 2785 Peso Específico dos Sólidos NBR 650884 3 Determinação do peso específico dos solos Picnômetro água g Peso solo seco g Peso esp dos sólidos gcm³ 09 de setembro 2001 Determinação Peso solo úmido g Temperatura ºC Picnômetrosoloágua g UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA LABORATÓRIO DE MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL 0621 Certificado Nº 1A7 Minas de cálcáreo Caçapava do Sul Cerâmica Desconsi Umidade higroscópica Picnômetro Peso esp água á T ºC gcm³ Cálculo do teor de umidade Peso da cápsula solo úmido Wc W1 6214g e Wc W2 8095g Peso da cáspula solo seco Wc Ws1 6182g e Wc Ws2 8052g Peso da cápsula Wc1 1083g e Wc1 1057g teor de umidade w 100 Wc Ws Wc Ws Wc W Wc w 0 628 1083 6182 6182 14 62 1 w 0 615 1057 8052 8052 95 80 2 w 0 621 0 615 2 0 628 w Notas de Aula Mecânica dos Solos 20 Cálculo do peso específico real dos grãos Peso de solo úmido Wh 1000g Peso da água picnômetro W1 Ww Wp Wp 67659 0145 T Equação determinada através da calibração do picnômetro em laboratório Cada picnômetro possui uma equação em função da temperatura Neste caso foi usado o picnômetro nº 3 W1 67659 0145 385 671008g W2 67659 0145 265 672748g W3 67659 0145 220 673400g Peso da água picnômetro solo W2 Ww Wp Ws 73500g 73660g 73710g Peso de solo seco g w Wh Ws 383 99 100 0 621 1 100 100 1 Peso específico da água p T ºC γw 000000004 T3 0000008 T2 000006 T 09999 Equação utilizada para determinar o peso específico da água em função da temperatura γw1 000000004 3853 0000008 3852 000006 385 09999 09926gcm3 γw2 000000004 2653 0000008 2652 000006 265 09999 09966gcm3 γw3 000000004 2203 0000008 2202 000006 220 09999 09978gcm3 Peso específico real dos grãos w Ws W W Ws Vs Ws s γ γ 2 1 0 9926 99383 73500 671008 383 99 1 sγ 2788 gcm3 0 9966 99383 73660 672748 383 99 2 sγ 2788 gcm3 0 9978 99383 73710 673400 383 99 3 sγ 2779 gcm3 Observar para que cada valor de peso específico determinado não difira da média em mais que 002 gcm3 Caso isso ocorra desprezar esta leitura e fazer à média das demais 2788 2785 0003 002 Ok e 2779 2785 0006 002 Ok γs γs1 γs2 γs1 3 2788 2788 2779 3 2785 gcm3 Notas de Aula Mecânica dos Solos 21 26 Exercícios 1 Uma amostra de solo seco tem índice de vazios e 065 e peso específico real dos grãos γS 25 kNm3 a Determine seu peso específico natural γ b em seguida foi adicionada água a amostra até atingir o grau de saturação S 60 O valor do índice de vazios não mudou Determinar o teor de umidade w e o peso específico natural γ 2 Uma amostra de argila saturada da cidade do México tem o teor de umidade inicial de 300 Depois de adensada seu teor de umidade passa a ser 100 Sabendose que peso específico real dos grãos é de 265 kNm3 determinar seu peso específico aparente seco γd antes e depois do adensamento e a variação de volume total da amostra de 28137 cm3 3 Uma amostra de areia seca tendo um peso específico natural de 188 kNm3 e uma densidade real dos grãos G 27 é colocada na chuva Durante a chuva o volume permaneceu constante mas o grau de saturação cresceu 40 Calcule o peso específico aparente úmido e o teor de umidade do solo após ter estado na chuva 4 Um solo saturado tem peso específico aparente natural igual a 192 kNm3 e um teor de umidade de 325 Determine o índice de vazios e a densidade real dos grãos 5 Uma jazida a ser empregada em uma barragem tem solo com peso específico seco γd médio de 17 KNm3 Um aterro com 200000 m3 deverá ser construído com um peso específico seco médio de 19 KNm3 Foram determinadas as seguintes características do solo teor de umidade igual a 10 e peso específico real dos grãos igual a 265 kNm3 Determinar a O volume do solo a ser escavado na jazida para se obter os 200000 m3 para o aterro b O peso do solo úmido a ser escavado em toneladas c O peso do solo seco a ser escavado em toneladas 6 Desejase construir um aterro com material argiloso com uma seção de 21m2 e 10 Km de comprimento com índice de vazios igual a 070 Para tanto será explorada uma jazida localizada a 86 Km de distância do eixo do aterro cujos ensaios indicaram índice de vazios amostra indeformada 0398 índice de vazios amostra amolgada 0802 teor de umidade 30 e densidade real dos grãos 26 Determinar a Quantos metros cúbicos de material deverão ser escavados na jazida para construir o aterro b Quantas viagens de caminhões caçamba de 6m3 de capacidade serão necessárias para executar o aterro 7 Serão removidos 220000 m3 de solo de uma jazida O solo seco tem in situ ídice de vazios igual a 12 Solicitase determinar a Quantos m3 de aterro com índice de vazios 072 poderão ser construídos b Qual o peso total do solo transportado sabendose que a densidade dos grãos é de 27 8 Uma amostra de argila colhida em um amostrador de parede fina apresentou peso de 1583g depois de seca em estufa a 105ºC durante 24 horas seu peso passou de 1083g O volume da amostra era de 953 cm3 e o peso específico real dos grãos de 275 kNm3 Determinar o teor de umidade o volume da fase sólida o volume da água o grau de saturação e o peso específico aparente seco e submerso dessa argila 9 Uma amostra de areia no estado natural apresenta um teor de umidade igual a 12 tem um índice de vazios de 029 pesa 900 g e o seu volume é igual a 450 cm3 Determinar o peso específico aparente seco e a densidade das partículas sólidas Notas de Aula Mecânica dos Solos 22 10 De uma quantidade de solo W 22 Kg e volume respectivo V 122 litros extraise uma pequena amostra para qual determinase peso úmido de 70g peso seco de 58g e peso específico real dos grãos de 267 gcm3 Calcule teor de umidade peso dos sólidos peso de água volume dos sólidos volume de vazios índice de vazios porosidade grau de saturação peso específico aparente natural e agora admitindose que o solo esteja saturado determine o teor de umidade e o peso específico saturado 11 Uma amostra de areia com volume de 29 litros pesou 52 kg Os ensaios de laboratório para a determinação da umidade natural do peso específico real dos grãos forneceram os seguintes resultados Umidade peso úmido 779 g peso seco 668 g Peso específico real dos grãos peso do picnômetro com água 43412 peso do picnômetro com 35 g de solo e água até o mesmo nível 45621 g Calcule para esta amostra teor de umidade peso específico real dos grãos peso dos sólidos peso de água volume dos sólidos volume de vazios índice de vazios porosidade e grau de saturação 12 O peso específico aparente natural de um solo é 175 gcm3 e seu teor de umidade 6 Qual a quantidade de água a adicionar por metro cúbico de solo para que o teor de umidade passe a 13 admitir constância do índice de vazios 13 De um corte são removidos 180000 m3 de solo com um índice de vazios e 122 Quantos metros cúbicos de aterro com 076 de índice de vazios poderão ser construídos Respostas 1 γ γd 1515 kNm3 w 156 γ 1751 kN 2 γdi 296 kNm3 γdf 726 kNm3 V 16665 cm3 3 γSAT 185 kNm3 w 148 4 e 089 G 274 5 VJazida 223530 m3 W 428001 t Ws 380001 t 6 VJazida 172694 m3 VAmolgada 222600 m3 NViagens 18550 7 VAterro 172000 m3 W 270000 t 8 w 4536 Vs 396 cm3 Vw 494 cm3 S 8868 γd 11427 kNm3 γSUB 727 kNm3 9 γd 17857 kNm3 Gs 23036 10 11 12 13