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MECÂNICA DE SOLOS
Prof. Glaucione Feitosa
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MECÂNICA DE SOLOS MÓDULO 1 – CONCEITO, ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS
Conceito, origem, formação e estrutura de solos Conceito de Solos: O solo é constituído por um conjunto de partículas sólidas, formando entre si poros, que poderão estar total ou parcialmente preenchidos pela água. É, pois, no caso mais geral, um sistema disperso formado por três fases: sólida, líquida e gasosa. Partículas Sólidas
Poros preenchidos por água e ar
Amostra de solo
1) Fase Líquida e Gasosa nos Solos: Embora seja difícil separar os diferentes estados em que a água se apresenta nos solos, é de interesse estabelecer uma distinção entre os mesmos. A água contida nos solos pode ser classificada em: a) Água de constituição: Faz parte da estrutura molecular da partícula sólida; b) Água adsorvida: é aquela película de água que envolve e adere fortemente à partícula sólida; c) Água livre: é a que se encontra preenchendo seus vazios, e seu estudo é regido pelas leis da hidráulica; d) Água higroscópica: é a que ainda se encontra em solo seco ao ar livre; e) Água capilar: é a que nos solos finos sobe pelos interstícios capilares deixados pelas partículas sólidas, além da superfície livre da água. Água Adsorvida
Partícula de Argila Água Higroscópica
Água Capilar Água Adsorvida
Água Capilar Água Livre
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Mecânica de Solos – Conceito, Origem e Formação dos Solos Prof. Glaucione Feitosa
As águas livre, higroscópica e capilar são as que podem ser totalmente evaporadas pelo efeito do calor, a uma temperatura maior que 100 oC. Quanto à fase gasosa, que preenche os vazios das demais fases, é constituída por ar, vapor d’água e carbono combinado. 2) Mecânica de Solos: Definição: Ciência que estuda as propriedades e o comportamento dos solos; tais estudos têm aplicação prática na Engenharia de fundações, na construção de barragens, estradas, viadutos, túneis, aeroportos, etc. Constitui requisito prévio para o projeto de qualquer obra, sobretudo se de vulto (barragem, túnel, obra de arte, corte, aterro), o conhecimento da formação geológica local, estudo das rochas, solos, minerais que o compõem, bem como a influência da presença de água sobre ou sob a superfície da crosta. É verdade conhecida que, em se tratando de solos e rochas, a heterogeneidade é a regra, a homogeneidade a exceção. Tais estudos são, de fato, indispensáveis, para se alcançar a “boa engenharia”, isto é, aquela que garante a necessária condição de segurança e, também, de economia. Assim, além da Mecânica dos Solos, tornam-se necessários, para o atendimento desses requisitos básicos, os estudos referentes às demais ciências que compõem as chamadas Ciências da Terra e que são: a) Mineralogia: Estudo dos Minerais. De particular interesse para o engenheiro é o estudo dos minerais argílicos; b) Petrologia: Estuda detalhadamente as Rochas; c) Geologia Estrutural ou Tectônica: Estuda as dobras e falhas da estrutura da crosta terrestre. De fundamental importância nas questões relativas a cortes, túneis e fundações de barragens e obras de terra; d) Geomorfologia: Estuda as formas da superfície terrestre e as forças que as originam; e) Geofísica: Consiste na aplicação dos métodos da Física ao estudo das propriedades dos maciços rochosos e terrosos. São de grande importância os “métodos geofísicos de prospecção” da crosta terrestre; f) Pedologia: Estuda as camadas superficiais da crosta terrestre, em particular sua formação e classificação, levando em conta a ação de agentes climatológicos. Particularmente no que se refere ao estudo da umidade dos solos, os conhecimentos pedológicos vão se mostrando de interesse nos problemas de pavimentação; g) Mecânica das Rochas: Propõe-se a sistematizar o estudo das propriedades tecnológicas das rochas e o comportamento dos maciços rochosos, segundo os métodos da Mecânica dos Solos; h) Hidrologia: Ciência que se ocupa do estudo das águas superficiais e subterrâneas. 3) Origem e Formação dos Solos: Os solos são materiais que resultam do intemperismo ou meteorização das rochas, por desintegração mecânica ou decomposição química. 2
Mecânica de Solos – Conceito, Origem e Formação dos Solos Prof. Glaucione Feitosa
Por desintegração mecânica, através de seus agentes, formam-se os pedregulhos e areias (solos de partículas grossas) e até mesmo os siltes (partículas intermediárias), e, somente em condições especiais, as argilas (partículas finas). a) Agentes da desintegração desintegração mecânica: I. Variação de temperatura: Pelos quais os materiais desintegrados nas regiões áridas, em virtude da absorção do calor dos raios solares, durante o dia, a temperatura das rochas chega a alcançar de 60 o a 70 oC, até a temperatura local entre 35 o a 40oC, essas variações de temperaturas afetam as rochas que tem seus minerais, ora em estado de expansão, ora em estado de contração. Esses fenômenos causam nas rochas pequenas fraturas que vão se alargando por se desintegrar; II. Congelamento de água: A água ao se congelar, aumenta seu volume em 10%, exercendo certa pressão. Assim, se as fendas e as aberturas de uma rocha estiverem preenchidas com água, esta, ao se congelar, forçará suas paredes; III. Cristalização de sais: Certas águas circulantes quem contém em solução sais dissolvidos, podem se infiltrar nas rochas. Com a evaporação, os sais se precipitam formando sólidos, cristalizando-se, ou seja, obtendo sua forma cúbica, hexagonal, etc. Dessa forma, aumenta o seu volume e exerce certa pressão, que pode desagregar as rochas; IV. Ação física de vegetais: Muitas rochas podem desagregar-se pelo crescimento de raízes ao longo de suas fraturas. V. Vento; Por decomposição química entende-se o processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas de origem. O principal agente é a água. As argilas representam o último produto do processo de decomposição. b) Agentes da decomposição química: I. Hidrólise: É o mais importante agente químico. Os minerais são dotados de finíssimos capilares. A água penetra nesses capilares e combinando com íons do mineral, forma novas substâncias; II. Hidratação: Certos minerais podem adicionar moléculas de água a sua composição, formando novos compostos. Na hidratação, os minerais têm seus volumes aumentados, tensionando-se mutuamente, diminuindo a coesão e causando a decomposição das rochas; III. Oxidação: Os minerais de decompõem pela ação oxidante de O 2 e CO2, dissolvidos em água, formando hidratos, óxidos, carbonatos, etc.; IV. Carbonatação: Formação de ácido carbônico pela presença de CO 2 contido na água; V. Ação química dos organismos e matéria orgânica: O produto de decomposição microbiana e química dos detritos orgânicos é o Húmus que se transforma dando ácido húmico que, como outros ácidos, aceleram grandemente a decomposição das rochas e solos. Normalmente esses processos atuam simultaneamente; em determinados locais e condições climáticas, um deles pode ter predominância sobre o outro. O solo é, assim, uma função da rochamater e dos diferentes agentes de alteração. Os que mantêm uma nítida macroestrutura herdada da rocha da origem são designados por solos saprolíticos. 4) Estrutura dos Solos: Chama-se estrutura ao arranjo ou disposição das partículas constituintes do solo. Conquanto, ultimamente, tenham surgido novas concepções acerca dos processos de estruturação dos solos, 3
Mecânica de Solos – Conceito, Origem e Formação dos Solos Prof. Glaucione Feitosa
bem como novos tipos de estrutura tenham sido introduzidos, tradicionalmente consideram-se os seguintes tipos principais: a) Estrutura granular simples: É característica dos pedregulhos e areias, predominando as forças de gravidade na disposição das partículas, que se apóiam diretamente umas sobre as outras; b) Estrutura alveolar ou em favo de abelha: É o tipo de estrutura comum nos siltes mais finos e em algumas areias. Quando da formação de um solo sedimentar, um grão cai sobre o sedimento já formado, devido à predominância da atração molecular sobre o seu peso, ele ficará na posição em que se der o primeiro contato, dispondo-se assim em forma fo rma de arcos;
c) Estrutura Floculenta: Nesse tipo de estrutura, que só é possível em solos cujas partículas componentes sejam todas muito pequenas, as partículas, ao se sedimentarem, dispõem-se em arcos, os quais, por sua vez, formam outros arcos. Trata-se, pois, de uma estrutura de ordem dupla. Na formação de tais estruturas, desempenham uma função importante as ações elétricas que se desenvolvem entre as partículas, as quais, por sua vez, são influenciadas pela natureza dos íons presentes no meio onde se processa a sedimentação. Em geral a estrutura molecular desses solos é aberta, isto é, uma das moléculas tem como que uma carga elétrica ainda disponível, possibilitando, assim, a formação dessas estruturas;
d) Estrutura em esqueleto: Nos solos onde, além de grãos finos, há grãos grossos, estes se dispõem de maneira tal a formar um esqueleto, cujos interstícios são parcialmente ocupados por uma estrutura de grãos mais finos. É o caso das complexas estruturas das argilas marinhas.
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MECÂNICA DE SOLOS MÓDULO 2 – ÍNDICES FÍSICOS
Índices Físicos Num solo, só parte do volume total é ocupado pelas partículas sólidas que se acomodam formando uma estrutura. O volume restante costuma ser chamado de vazios, embora esteja ocupado por água ou ar. Deve-se reconhecer que o solo é constituído de três fases: partículas sólidas, água e ar. O comportamento de um solo depende da quantidade relativa de cada uma das três fases. Diversas relações são empregadas para expressar as proporções entre elas. Na figura abaixo, estão representadas, simplificadamente, as três fases que normalmente ocorrem nos solos, ainda que, em alguns casos, todos os vazios possam estar ocupados pela água. Ainda na figura em questão, as três fases estão separadas proporcionalmente aos volumes que ocupam, facilitando a definição e a determinação das relações entre elas. Os volumes de cada fase são apresentados à esquerda e os pesos à direita. Va
Ar
Pa
Vw
Líquido
Pw
Sólidos
Ps
Vv Vt Vs
Pt
Figura 1 - Solo em seu estado natural e separado em volume e peso
Em princípio, as quantidades de água e ar podem variar. A evaporação pode fazer diminuir a quantidade de água, substituindo-a por ar, e a compressão do solo pode provocar a saída de água e ar, reduzindo o volume de vazios. O solo, no que se refere às partículas que o constituem, permanece o mesmo, mas seu estado se altera. As diversas propriedades do solo dependem do estado em que se encontra. Quando diminui o volume de vazios, por exemplo, a resistência aumenta. Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam os pesos e os volumes das três fases. Estes índices são os seguintes: 1. Umidade – Relação entre o peso da água e o peso dos sólidos, em percentual. É representado pela letra w ou h. Para a sua determinação, pesa-se o solo no seu estado natural, seca-se em estufa a 105 ºC até constância de peso e pesa-se novamente. Tendo-se os pesos nas duas fases, a umidade é calculada. É a operação mais freqüente em um laboratório de solos. Os teores de umidade dependem do tipo de solo e situam-se geralmente entre 10 e 40%, podendo ocorrer valores muito baixos (solos secos) ou muito altos (150% ou mais). P × 100 ; P Onde w (%) =Umidade em percentual; Pw = Peso da água; Ps = Peso dos sólidos; Índice de Vazios – Relação entre o volume de vazios e o volume vo lume das partículas sólidas. É expresso pela letra e. Não pode ser determinado diretamente, diretamente, mas é calculado a partir dos outros índices. w (%) =
w
s
2.
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MECÂNICA DE SOLOS – Índices Físicos Prof. Glaucione Feitosa
Costuma se situar entre 0,5 e 1,5, mas argilas orgânicas podem ocorrer com índices de vazios superiores a 3 (volume de vazios, no caso com água, superior a e vezes o volume de partículas sólidas). V V
v
e=
;
s
3.
Onde e = Índice de vazios; Vv = Volume de vazios; Vs = Volume das partículas sólidas; Porosidade – Relação entre o volume de vazios e o volume total, em percentual. Indica a mesma coisa que o índice de vazios. É expresso pela letra n. Valores geralmente entre 30% e 70%. n (%)
= V v × 100
V
;
t
Onde n (%) = Porosidade; Vv = Volume de vazios; Vt = Volume total; 4. Grau de Saturação – Relação entre o volume de água e o volume de vazios. Expresso pela letra S. Não é determinado diretamente, mas calculado. Varia de 0 (solo seco) a 100% (solo saturado) S (%)
= V w × 100
V
;
v
Onde S (%) = Grau de Saturação; Vv = Volume de vazios; Vw = Volume de água; 5. Peso específico natural – Relação entre o peso total do solo e seu volume total. É expresso pelo símbolo γ γn . A expressão “peso específico natural” é, algumas vezes, substituída só por “peso específico” do solo. Tratando-se de compactação do solo, o peso específico natural é denominado peso específico úmido. Para sua determinação, molda-se um cilindro do solo cujas dimensões conhecidas permitem calcular o volume. O peso total dividido pelo volume é o peso específico natural. O peso específico natural não varia muito entre os diferentes d iferentes solos. Situa-se em torno de 19 a 20 kN/m³ e, por isto, quando não conhecido, é estimado como igual a 20 kN/m³. Pode ser um pouco maior (21 kN/m³) ou um pouco menor (17kN/m³). Casos especiais, como as argilas orgânicas moles, podem apresentar pesos específicos de 14kN/ m³.
γ = P
t
n
V
( w ≠ 0)
;
t
Onde γ n = Peso específico natural; Pt = Peso total; Vt = Volume total; 6. Peso específico aparente seco – Relação entre o peso dos sólidos e o volume total. Corresponde ao peso específico que o solo teria se viesse a ficar seco, se isto pudesse ocorrer sem que houvesse variação de volume. Expresso pelo símbolo γ γd . Não é determinado diretamente em laboratório, mas calculado a partir do peso específico natural e da umidade. Situa-se entre 13 a 19 kN/m³ (5 a 7 kN/m³ no caso de argilas orgânicas moles).
γ = P d
s
V
( w = 0)
;
t
7.
Onde γ d = Peso específico aparente seco; Ps = Peso dos sólidos; Vt = Volume total; Peso específico aparente saturado – Peso específico do solo se viesse a ficar saturado e se isto ocorresse sem variação de volume. É de pouca aplicação prática, servindo para a programação de ensaios ou a análise de depósitos de areia que possam vir a se saturar. Expresso pelo símbolo γ s at, é da ordem de 20 kN/m³. γsat,
γ
sat
= Pt ( S = 100%)
V
;
t
Onde γ sat= sat= Peso específico aparente saturado; Pt = Peso total; Vt = Volume total; 2
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8.
Peso específico dos sólidos – É uma característica dos sólidos. Relação entre o peso das partículas sólidas e o seu volume. É expresso pelo símbolo γ γs . É determinado em laboratório para cada solo. O peso específico dos grãos dos solos varia pouco de solo para solo e, por si, não permite identificar o solo em questão, mas é necessário para cálculo e outros índices. Os valores situamse em torno de 27 kN/m³, sendo este valor adotado quando não se dispõe do valor específico para o solo em estudo.
γ = P ; s
V
s
s
Onde γ s = Peso específico dos solos; Ps = Peso dos sólidos; Vs = Volume dos sólidos; 9. Peso específico da água – Embora varie um pouco com a temperatura, adota-se sempre como igual a 10 kN/m³, a não ser em certos procedimentos de laboratório. É expresso pelo símbolo γ w γw. . 10. Densidade relativa dos grãos – Relação entre o peso específico dos sólidos e o peso específico δ. da água. É expresso pelo símbolo δ.
δ =
γ ; γ s
w
Onde δ= Densidade relativa dos grãos; γ w=Peso w=Peso específico da água; γ s = Peso específico dos solos; 11. Peso específico submerso – É o peso específico efetivo do solo quando submerso. Serve para cálculos de tensões efetivas. É igual ao peso específico natural menos o peso específico da água, portanto com valores da ordem de 10 kN/m³. É expresso pelo símbolo γ s ub. γsub. sub
=
− γ
n
w
;
Onde γ sub= sub= Peso específico submerso; γ n=Peso n=Peso específico natural; γ w= w= Peso específico da água; Relação entre os índices físicos Dos índices vistos acima, apenas três deles são determinados diretamente em laboratório: a umidade, o peso específico dos grãos e o peso específico natural. Um é adotado: o peso específico da água. Os demais são calculados a partir dos determinados. Tomando a representação hipotética de um solo e seus elementos constituintes e considerando o volume de sólidos como em uma unidade, unidade , segue abaixo as relações entre os índices físicos listados acima: Conceitualmente, de acordo com a Figura1, tem-se: = + + , ou seja, V = V + V (1) V
t
t
V V V 3 1 4 24 s
w
s
V
ar
V V
Bem como P = P + P + P ,ou seja , P = P + P (2) a) Relação entre o V t (Volume Total) e o e (Índice de Vazios) Se adotar V = 1 , tem-se que e = V = V e = e dessa forma Vt = Vs + Vv ⇒ V V t
s
w
t
ar
v
s
V
s
V
1
s
⇒
w
t
=1+ e
(3)
V
b) Relação entre o P t (Peso Total) e os seguintes índices: S (Grau de Saturação), e (Índice de Vazios), γ w (Peso Específico da Água) e γ s (Peso Específico dos Sólidos). Como P = P + P , podem-se encontrar os valores de P s e Pw pelas seguintes relações: t
s
w
Segundo o conceito do Peso Específico dos Sólidos ( γ s) s) e considerando que V s = 1, tem-se: γ = P ⇒ = γ × ⇒ P = γ (4) s
s
V
P
s
s
V
s
s
s
s
Já para encontrar o P w (Peso de água) usa-se o conceito: Peso=Volume X Peso Específico, ou seja, P
w
= V w × γ
w
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Encontrando Vw : Já que e=V v e S = V , tem-se que w
V
v
S
=
V V
w
⇒
V = S ×V w
v
⇒
V = S × e (5) w
v
Inserindo o valor de V w na fórmula P = V × γ , encontra-se w
w
w
= S × e × γ (6) w P = V × γ ⇒ Pw w
w
w
Enfim, P = P + P ⇒ P = + S × e × (7) c) Relação envolvendo o Índice de Vazios (e) e a Porosidade (n): Segundo o conceito de porosidade, deduz-se a 8ª relação t
Se
n=
s
,
V V
v
t
w
e
= V v ,
V = 1 + e t
s
w
e substituindo na equação de porosidade, tem-se:
n=
e
1+ e
(8)
t
d) Relação envolvendo o Peso Específico Aparente Seco ( γ d), d), Peso Específico dos Sólidos ( γ s) s) e o Índice de Vazios (e): Segundo o conceito do Peso Específico Aparente Seco γ = P . s
d
V
t
Se for substituído na fórmula acima o valor da relação 4, P = γ ,e a relação 3 , V s
s
t
= 1+ e
, tem-
se:
γ = P d
s
V
t
=
γ (9) s
1+ e
e) Outras Relações: Assim como nas relações acima, ou seja, fazendo uso do conceito de índices físicos e algumas deduções, seguem abaixo algumas relações complementares: (10)
γ n
=
γ × (1 + w) s
1+ e
γ + e × γ
(11)
γ
(12)
γ γ = 1 + w
(13)
e
sat
s
=
w
1+ e n
d
=
s
−1
γ γ × w (14) S = e × γ d
s
w
(15) (16)
δ
γ = 1 + e × γ s
sub
w
= γ − γ sat
w
* Relação de medidas: 1KN/m³=100Kgf.
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MECÂNICA DE SOLOS MÓDULO 3 – CARACTERIZAÇÃO DOS SOLOS Caracterização dos Solos: 1) Composição química e mineralógica dos solos Os minerais encontrados nos solos são os mesmos das rochas de origem (minerais primários), além de outros que se formam da decomposição (minerais secundários). Quanto à composição química dos principais minerais componentes dos solos grossos, grupamo-los em: a. Silicatos: Feldspato, Mica, Quartzo, Serpentina, Clorita, Talco; b. Óxidos: Hematita, Magnetita, Limonita; c. Carbonatos: Calcita, Dolomita; d. Sulfatos: Gesso, Anidrita. Nos solos grossos predominam fragmentos dos minerais sublinhados acima, ou seja, Feldspato, Mica e Quartzo, conferindo aos solos características c aracterísticas específicas: a. Quartzo – São facilmente identificáveis macroscopicamente. Devido a sua estabilidade química e dureza, é um dos minerais mais resistentes aos habituais agentes de intemperismo, tais como água e a variação de temperaturas; por isso, passa quase incólume da rocha aos solos; b. Feldspato – Sofre decomposição relativamente acentuada pelos agentes da natureza; pela ação da água carregada de CO2 é característica a alteração em argila branca, denominada caulim. c. Mica – Distinguem-se imediatamente por suas delgadas lâminas flexíveis e por sua clivagem (propriedade vetorial dos minerais, que consiste na sua capacidade de se fragmentar segundo planos paralelos entre si) extremamente fácil. Entre os solos finos, as argilas apresentam uma complexa constituição química, envolvendo a Sílica, Alumínio e Ferro. As argilas são formadas de pequeníssimos minerais cristalinos, chamados de minerais argílicos, dentre os quais se distinguem três grupos principais: caolinitas, montmorilonitas e ilitas. As estruturas dos minerais argílicos compõem-se do agrupamento de duas unidades cristalográficas fundamentais: a primeira composta por um átomo de Silício eqüidistante de 04 átomos de Oxigênio e a segunda com um átomo de Alumínio no centro envolvido por seis de Oxigênio. A forma de associação dessas 02 unidades cristalográficas é que dá origem as espécies de minerais argílicos. a. Caolinitas: São formadas por unidades de Silício e Alumínio, que se unem alternadamente, conferindolhes uma estrutura rígida. Em conseqüência, as argilas caoliníticas são relativamente estáveis em presença de água. b. Montmorilonitas: São formadas por uma unidade de Alumínio entre duas unidades de Silício. A ligação entre essas unidades, não sendo suficientemente firme para impedir a passagem de moléculas de água, torna as argilas montmoriloníticas muito expansivas e, portanto, instáveis em presença de água. c. Ilitas: São estruturalmente análogas as Montmorilonitas, sendo, porém menos expansivas. Superfície Específica: Específica: É a soma das superfícies de todas as partículas contidas na unidade de volume (ou de peso) do solo. Desse modo, pode-se concluir que quanto mais fino o solo, maior a sua superfície específica, o que constitui uma das razões da diferença entre as propriedades físicas dos solos arenosos e argilosos. 2) Estado das Areias – Compacidade: O estado em que se encontra uma areia pode ser expresso pelo seu índice de vazios. Este dado isolado, entretanto, fornece pouca informação sobre o comportamento da areia, pois, com o mesmo índice de vazios, uma areia pode estar compacta e outra fofa. É necessário analisar o índice de vazios natural de uma areia em confronto com os índices de vazios máximo e mínimo em que ela pode se encontrar.
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Se uma areia pura, no estado seco, for colocada cuidadosamente em um recipiente, vertida através de um funil com pequena altura de queda, por exemplo, ela ficará no seu estado mais fofo possível. Pode-se, então, determinar seu peso específico e dele calcular o índice de vazios máximo. Vibrando-se uma areia dentro de um molde, ela ficará no seu estado mais compacto possível. A ele corresponde o índice de vazios mínimo. Os índices de vazios máximos e mínimos dependem das características da areia. Valores típicos estão indicados na tabela abaixo. Tabela 1-Valores típicos de índices de vazios de areias. Descrição da Areia Areia uniforme de grãos angulares Areia bem graduada de grãos angulares Areia uniforme de grãos arredondados Areia bem graduada de grãos arredondados
emin 0,70 0,45 0,45 0,35
emax 1,10 0,75 0,75 0,65
O estado de uma areia, ou sua compacidade, pode ser expresso pelo índice de vazios em que ela se encontra, em relação a estes valores extremos, pelo índice de compacidade relativa
e e ; e e Onde CR= CR= Índice de compacidade relativa; emax=Índice de vazios máximo; emin=Índice de vazios mínimo; enatural=Índice de vazios natural; CR
=
max
−
max
natural
−
min
Tabela 2-Classificação das areias segundo a compacidade. Classificação Areia fofa Areia de compacidade média Areia compacta
CR Abaixo de 0,33 Entre 0,33 e 0,66 Acima de 0,66
Em geral, as areias compactas apresentam maior resistência e menor deformabilidade. Estas características, entre as diversas areias, dependem também de outros fatores, como a distribuição granulométrica e o formato dos grãos. Entretanto, a compacidade é um fator importante. 3) Estado das Argilas – Consistência: O comportamento de uma argila pode variar muito em função de seu teor de umidade. Uma argila extremamente seca não é moldável; se, entretanto, for adicionado pequenas quantidades de água, ela vai se tornando mais suscetível à deformação. A partir de certo teor de umidade h1, o material torna-se plástico, permitindo a moldagem sob formas diversas, sem variação de volume. Se continuar a adicionar água, o corpo vai se tornando cada vez mais mole, até que ao atingir um teor de umidade h 2, passará a atuar como líquido viscoso. Esses são, portanto, os estados de consistência do solo e que podem ser representados em um sistema linear, como mostra a figura abaixo. Tensão
Ideal Real
Deformação
Tensão
Ideal Real
Deformação
Tensão
Ideal Real
Deformação
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Os limites h1 e h 2 que indicam justamente as mudanças dos estados de consistência foram introduzidos na Mecânica dos Solos por Atterberg, onde h 1 é o Limite de Plasticidade e h2, o Limite de Liquidez. Liquidez. Estados de Consistência: a. Estado Líquido: O solo tem aparência e propriedades de uma suspensão ou de um fluido viscoso; b. Estado Plástico: O solo se comporta plasticamente; c. Estado Semi-Sólido: O solo tem uma aparência de um sólido, mas ainda diminui de volume ao perder umidade; d. Estado Sólido: O solo não diminui de volume ao perder umidade.
ESTADO LÍ LÍQUIDO h (%)
ESTADO PL PLÁSTICO
LL (LIMI (LIMITE TE DE LIQU LIQUID IDEZ EZ))
ESTADO SE SEMI-SÓLIDO
LP (LIMI (LIMITE TE DE PLAS PLASTIC TICID IDAD ADE) E)
ESTADO SÓ SÓLIDO
IC (LIMI (LIMITE TE DE CONS CONSIS ISTÊ TÊNC NCIA IA))
Consistência das Argilas: Quando se manuseia uma argila, percebe-se certa consistência, ao contrário das areias que se desmancham facilmente. Por esta razão, o estado em que se encontra uma argila costuma ser indicado pela resistência que ela apresenta. A consistência das argilas pode ser quantificada por meio de um ensaio a compressão simples, que consiste na ruptura por compressão de um corpo de prova de argila, geralmente cilíndrico. A carga que leva o corpo de prova à ruptura, dividida pela área deste corpo é denominada resistência à compressão simples da argila. Em função da resistência à compressão simples, a consistência das argilas é expressa pelos termos apresentados na tabela abaixo. Tabela 3-Consistência em função da resistência à compressão Consistência Resistência, em kPa Muito Mole < 25 Mole 25 a 50 Média 50 a 100 Rija 100 a 200 Muito rija 200 a 400 Dura > 400 Índice de Consistência: Quando uma argila se encontra remoldada, o seu estado pode ser expresso por seu índice de vazios. Entretanto, como é muito comum que as argilas se encontrem saturadas, e neste caso o índice de vazios depende diretamente da umidade, o estado em que a argila se encontra costuma ser expresso pelo teor de umidade. Até porque a umidade da argila é determinada diretamente e o seu índice de vazios é calculado a partir desta, variando linearmente com ela. Da mesma maneira como o índice de vazios, por si só, não indica a compacidade das areias, o teor de umidade, por si só, não indica o estado das argilas. É necessário analisá-lo em relação aos teores de umidade correspondentes a comportamentos semelhantes. Estes teores são os limites de co nsistência. Quando se manuseia uma argila e se avalia sua umidade, o que se percebe não é propriamente o teor de umidade, mas a umidade relativa. Para indicar a posição relativa da umidade aos limites de mudança de estado, Terzaghi propôs o índice de consistência, consistência, com a seguinte expressão: IC
LL
−
w
=
LL
−
LP
;
Onde IC= IC= Índice de consistência; LL=Limite LL=Limite de Liquidez; w=umidade; LP=Limite LP=Limite de Plasticidade; Quando o teor de umidade é igual ao LL, IC=0. IC=0. À medida que o teor de umidade diminui, o IC aumenta, ficando maior do que 1 quando a umidade fica menor do que o L P. 3
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O índice de consistência é especialmente representativo do comportamento de solos sedimentares. Quando estes solos se formam, o teor de umidade é muito elevado e a resistência é muito reduzida. À medida que novas camadas se depositam sobre as primeiras, o peso deste material provoca a expulsão da água dos vazios do solo, com a conseqüente redução do índice de vazios e o ganho de resistência. Da mesma forma, quando uma amostra de argila é seca lentamente, nota-se que ela ganha resistência progressivamente. Tem sido proposto que a consistência das argilas seja estimada por meio do índice de consistência, conforme tabela abaixo. Esta tabela apresenta valores aproximados e é aplicável a solos remoldados e saturados. Tabela 4-Estimativa da consistência pelo índice de consistência Consistência Índice de Consistência Mole < 0,5 Média 0,5 a 0,75 Rija 0,75 a 1,0 Dura > 1,0 O índice de consistência não tem significado quando aplicado a solos não saturados, pois eles podem estar com elevado índice de vazios e baixa resistência e sua umidade se baixa, o que indicaria um índice de consistência alto. 4) Identificação tátil-visual dos solos: Com muita freqüência, seja porque o projeto não justifica economicamente a realização de ensaios de laboratório, seja porque se está em fase preliminar de estudo, em que ensaios de laboratório não são disponíveis, é necessário descrever um solo sem dispor de resultados de ensaios. O tipo de solo e o seu estado têm de ser estimados. Isto é feito por meio de uma identificação tátil-visual, manuseando-se o solo e sentindo sua reação ao manuseio. Cada profissional deve desenvolver sua própria habilidade para identificar os solos. Só a experiência pessoal e o confronto com resultados de laboratório permitirão o desenvolvimento desta habilidade. O primeiro aspecto a considerar é a provável quantidade de grossos (areia e pedregulho) existente no solo. Grãos de pedregulho são bem distintos, mas grãos de areia, ainda que visíveis individualmente a olho nu, pois têm diâmetros superiores a cerca de um décimo de milímetro, podem se encontrar envoltos por partículas mais finas. Neste caso, podem ser confundidos com agregações de partículas argilo-siltosas. Para que se possa sentir nos dedos a existência de grãos de areia, é necessário que o solo seja umedecido, de forma que os torrões de argila se desmanchem. Os grãos de areia, mesmo que menores, podem ser sentidos pelo tato no manuseio. Se a amostra de solo estiver seca, a proporção de finos e grossos pode se estimada esfregando-se uma pequena porção do solo sobre a folha de papel. As partículas finas (siltes e argilas) se impregnam no papel, ficando isoladas as partículas arenosas. Definido se o solo é uma areia ou um solo fino, resta estimar se os finos apresentam características de siltes ou de argilas. Alguns procedimentos para esta estimativa são descritos a seguir: a. Resistência a seco: Umedecendo-se uma argila, moldando-se uma pequena pelota irregular (dimensões da ordem de 2 cm) e deixando-a secar ao ar, esta pelota ficará muito dura e, quando quebrada, se dividirá em pedaços bem distintos. Ao contrário, pelotas semelhantes de siltes são menos resistentes e se pulverizam quando quebradas; b. “Sharking Test”: Formando-se uma pasta úmida (saturada) de silte na palma da mão, quando se bate esta mão contra a outra, nota-se o surgimento de água na superfície. Apertando-se o torrão com os dedos polegar e indicador da outra mão, a água reflue para o interior da pasta (é semelhante à aparente secagem da areia da praia, no entorno do pé, quando nela se pisa no trecho saturado bem junto ao mar). No caso de argilas, o impacto das mãos não provoca o aparecimento de água; c. Ductilidade: Tentando moldar um solo com umidade em torno do limite de plasticidade nas próprias mãos, nota-se que as argilas apresentam-se mais resistentes quando nesta umidade do que nos siltes;
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d. Velocidade de secagem: A umidade que se sente de um solo é uma indicação relativa ao LL e LP do solo. Secar um solo na mão do LL até o LP, por exemplo, é tanto mais rápido quanto menor o intervalo entre os dois limites, ou seja, o IP do solo. À informação relativa ao tipo de solo deve-se acrescentar a estimativa de seu estado. A consistência de argilas é mais fácil de ser avaliada pela resistência que uma porção do solo apresenta ao manuseio. A compacidade das areias e de mais difícil avaliação, pois as amostras mudam de compacidade com o manuseio. É necessário que se desenvolva uma maneira indireta de estimar a resistência da areia no seu estado natural. Estes parâmetros geralmente são determinados pela resistência que o solo apresenta ao ser amostrado pelo procedimento padronizado nas sondagens.
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MECÂNICA DE SOLOS MÓDULO 4 – CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS Classificação dos Solos: Como material da natureza que é, o solo necessita de ser identificado e classificado a fim de ser objeto de pesquisa e aplicação em projetos. Todo problema de solos inicia-se, portanto, com o enquadramento, dentro de uma classificação escolhida do solo ou solos em questão. Após isso é que o problema se define, e então é possível levar-se adiante a sua formulação e solução. Os cálculos de qualquer projeto de engenharia envolvendo solos serão baseados nas propriedades específicas da classe a que pertence. Compreende-se daí a importância da classificação do material em Mecânica dos Solos. Até 1950, o problema da classificação dos solos era muito controvertido devido a diferenças de métodos utilizados, existindo por isso várias classificações. Isto motivou a reunião da ASTM e nela foram confrontados os diferentes métodos, sugerindo a partir desta data uma tendência de uso de um sistema americano (Bureau of Public Roads) e a classificação de Casagrande que atualmente já é mais conhecida como classificação unificada (Bureau of Reclamation). O conhecimento das classificações de solos, incluindo as propriedades típicas dos diversos grupos, é fundamental para os responsáveis pela prospecção, quer de fundações de estruturas, quer de empréstimos de terras para a construção. Sendo a classificação de solos baseada em alguns coeficientes, ela será útil nos problemas em que aqueles coeficientes assumam importância especial para o projeto, o importante é conhecer o comportamento do solo, não devendo uma classificação pretender, por si só substituir os estudos que indicarão aquele comportamento. São abordadas algumas classificações e suas aplicações a seguir. 1) Classificação quanto à estrutura a. Estrutura Granular Simples: É característica das areias e pedregulhos, predominância das forças de gravidade na disposição das partículas, que se apóiam diretamente uma sobre as outras; b. Alveolar ou Em Favo de Abelha: É o tipo da estrutura comum a siltes mais finos e em algumas areias, predominância da atração molecular, dispondo-se em forma de arco; c. Floculenta: Nesse tipo de estrutura, que só é possível em solos cujas partículas componentes sejam todas muito pequenas, as partículas ao sedimentarem tomam forma de arcos; d. Em esqueleto: Nos solos onde, além de grãos finos, há grãos grossos, estes se dispõem de tal maneira a formar um esqueleto, cujos interstícios são parcialmente ocupados por uma estrutura de grãos mais finos. 2) Classificação Granulométrica Com várias finalidades, inclusive as de agricultura, costuma-se classificar o solo simplesmente por granulometria, o que é insuficiente para Mecânica dos Solos. Ela é suficiente somente para aqueles solos cujo tamanho de grãos é tão grande que impede o aparecimento de propriedades correlacionadas com a plasticidade (solos grossos). Para a classificação granulométrica utilizam-se as próprias curvas granulométricas indicando a finura do solo e a forma da curva ou então se recorre aos diagramas triangulares, muito úteis para fins de agricultura, mas pouco útil para Mecânica dos Solos. A classificação granulométrica requer o conhecimento das escalas granulométricas. As mais utilizadas são a da ABNT e a escala internacional. ABNT Pedregulho – Conjunto de partículas cujas dimensões (diâmetros equivalentes) estão compreendidos entre 76 e 4,8 mm; Areia - Conjunto de partículas cujas dimensões (diâmetros equivalentes) estão compreendidos entre 4,8 e 0,05 mm;
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Silte - Conjunto de partículas cujas dimensões (diâmetros equivalentes) estão compreendidos entre 0,05 e 0,005 mm; Argila - Conjunto de partículas cujas dimensões (diâmetros equivalentes) são inferiores a 0,005; A análise granulométrica, ou seja, a determinação das dimensões das partículas do solo e das proporções relativas em que elas se encontram, é representada, graficamente, pela curva granulométrica. Esta curva é traçada por pontos em um diagrama semi-logarítmico, no qual, sobre o eixo das abscissas, são marcados os logaritmos das dimensões das partículas e sobre o eixo das ordenadas as porcentagens, em peso, de material que tem dimensão média menor que a dimensão considerada. O diagrama adotado, além de representar melhor a parte do solo de granulação fina, é tal que a forma da curva é a mesma para os solos que têm composição granulométrica semelhante, ainda que as dimensões das partículas difiram. Segundo a forma da curva podemos distinguir os diferentes tipos de granulometria. Assim, tem-se granulometria contínua (CURVA A) ou descontínua (CURVA B); uniforme (CURVA C); bem graduada (CURVA A) ou mal graduada, conforme apresente, ou não, o predomínio das frações grossas e suficiente porcentagem das frações finas. 3) Classificação Unificada dos Solos Em 1952, o “Bureau of Reclamation” e o “Corps of Engineers”, com o professor A. Casagrande como consultor, elaboraram uma classificação de solos, baseada numa anterior de autoria de A. Casagrande, a que chamaram “Classificação Unificada dos Solos”. Esta classificação é bastante utilizada. É uma classificação descritiva e de fácil aplicação, leva em consideração as propriedades dos solos, e tem a flexibilidade de poder ser adaptável quer ensaios de campo quer a de laboratório. A sua grande vantagem reside no fato de ser um exame visual e manual simples e poder permitir a classificação com eventual colaboração da análise laboratorial. A Classificação Unificada dos Solos é baseada no tamanho das partículas e suas quantidades, e nas características da fração fina. Em linhas gerais, os solos são classificados neste sistema em três grandes grupos: a. SOLOS GROSSOS: Aqueles cujo diâmetro da maioria absoluta dos grãos é maior que 0,05 mm (mais que 50% em peso dos grãos são retidos na peneira n o 200); b. SOLOS FINOS: Aqueles cujo diâmetro da maioria absoluta dos grãos é menor que 0,05 mm; c. TURFAS: Solos altamente orgânicos geralmente fibrilares e extremamente compressíveis. Neste sistema, todos os solos são identificados pelo conjunto de duas letras, como apresentado na tabela abaixo: A primeira letra indica o tipo principal do solo e a segunda corresponde a dados complementares dos solos. Ex: SW – Areia bem graduada; CH – Argila de alta compressibilidade. Encontra-se os Pedregulhos, as areias e os solos pedregulhosos ou arenosos com pequenas quantidades de finos (silte ou argila) SOLOS G – Pedregulho GROSSOS S – Areia W – Bem Graduado P – Mal Graduado Encontram-se os solos finos: siltosos ou argilosos de baixa compressibilidade (LL<50) ou alta compressibilidade (LL>50) A C – Argila C I T SOLOS M – Silte S Í R FINOS O – Orgânico E T C L – Baixa Compressibilidade A R H – Alta Compressibilidade A C Solos altamente orgânicos TURFAS Pt - Turfas Como roteiro para classificar o solo dessa forma, segue esquema em anexo. 2
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4) Classificação do HRB A classificação do HRB (Highway Research Board), originária da classificação do Public Administration muito usada pelos engenheiros rodoviários, classifica os solos em oito grupos com alguns subgrupos, em função da granulometria, plasticidade e do índice de Grupo IG. Os solos são designados pelos símbolos A-1 a A8. a. Solos Grossos – Quando P 200 <35% CLASSES A-1 a A-3; b. Solos Finos – Quando P 200 >35% CLASSES A-4 a A-7; c. Solos Orgânicos ou Turfosos – Constituídos de solos finos com matéria orgânica, cor preta ou fibrosa, constituídas por matérias carbonosas e combustíveis quando secos CLASSE A-8. A-1 → Solo grosso com uma ligeira proporção de finos, suficiente apenas para preencher parcialmente os vazios entre os grãos de areia e cimentar os grãos entre si, porém muito pequena para induzir mudança de volume na massa do solo, como conseqüência das variações do teor de umidade; A-2 → São semelhantes aos solos A-1, porém menos granulados, de modo que ou não são tão bem cimentados, ou são mais suscetíveis as variações de volume decorrentes de mudanças no teor de umidade; A-3 → Solos constituídos de areias e pedregulhos sem finos, capazes de cimentá-los; A-4 → Solos formados por siltes e argilas com graus variáveis de plasticidade; A-8 → São formados por turfas altamente compressíveis e argilas com um alto teor de matéria orgânica. PONTOS CHAVES PARA A CLASSIFICAÇÃO P10 – Porcentagem passando na peneira no 10; P40 – Porcentagem passando na peneira no 40; P200 – Porcentagem passando na peneira n o 200; LL – Limite de Liquidez; IP – Índice de Plasticidade; IG – Índice de Grupo (número inteiro variando de 0 a 20, definidor da capacidade de suporte do terreno de fundação de um pavimento. SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO DO H.R.B Classificação Geral Grupos Subgrupos P10 P40 P200 LL IP Índice de Grupo (IG) Tipos de Material
Classificação como subleito
A-1
Solos Granulares (P200 < 35%) A-3 A-2 A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7
A-1-a < 50 < 30 < 15
A-1-b < 50 < 25
>50 < 10
<6 0
<6 0
NP 0
Fragmentos de pedras, pedregulho e areia
Areia Fina
< 35 < 40 < 10 0
< 35 > 40 < 10 0
< 35 < 40 > 10 <4
< 35 > 40 > 10 <4
Pedregulhos e areias siltosas ou argilosas
EXCELENTE A BOM
Solos Silto-Argilosos (P200 > 35%) A-5 A-6 A-7 A-7-5; A-7-6
A-4
> 35 < 40 < 10 <8
> 35 > 40 < 10 < 12
Solos siltosos
> 35 < 40 > 10 < 16
> 35 > 40 > 10 < 20
Solos argilosos
REGULAR A MAU
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MECÂNICA DE SOLOS MÓDULO 5– PROSPECÇÃO DE SUBSOLO Prospecção de Subsolo: Para os projetos de engenharia, deve ser feito um reconhecimento dos solos envolvidos para a sua identificação, avaliação de seu estado e, eventualmente, para amostragem visando à realização de ensaios especiais. 1. Sondagem de Simples Reconhecimento O método mais comum de reconhecimento do subsolo é a Sondagem de Simples Reconhecimento, que é objeto de uma Norma Brasileira, a NBR-6484. A sondagem consiste essencialmente em dois tipos de operação: perfuração e amostragem. a. Perfuração acima do nível d’água A perfuração do terreno é iniciada com trado tipo cavadeira, com 10 cm de diâmetro. Repetidas operações vão aprofundando o furo e o material recolhido vai sendo classificado quanto à sua composição. O esforço requerido para a penetração do trado dá uma primeira indicação da consistência ou compacidade do solo, mas uma melhor informação sobre este aspecto será obtida com a amostragem que costuma ser feita de metro em metro de perfuração, ou sempre que ocorre mudança de material. Atingida certa profundidade, introduz-se um tubo de revestimento, com duas e meia polegadas de diâmetro, que é cravado com o martelo que será também usado para a amostragem. Por dentro deste tubo, a penetração progride com trado espiral. b. Determinação do nível d’água A perfuração com trado é mantida até ser atingido o nível d’água, ou seja, até que se perceba o surgimento de água no interior da perfuração ou no tubo de revestimento. Quando isto ocorre, registrase a cota do nível d’água e interrompe-se a operação, aguardando-se para determinar se o nível se mantém na cota atingida ou se ele se eleva no tubo de revestimento. Se isto ocorrer, é indicação de que a água estava sob pressão. Aguarda-se o nível d’água ficar em equilíbrio e registra-se nova cota. A diferença entre esta e a cota em que foi encontrada a água indica a pressão a que está submetido o lençol. c. Perfuração abaixo do nível d’água Depois de atingido o nível d’água, a perfuração pode prosseguir com a técnica de circulação de água, também conhecida como percussão e lavagem. Uma bomba d’água motorizada injeta a água na extremidade inferior do furo, através de uma haste de menor diâmetro, por dentro do tubo de revestimento. Na extremidade deste, existe um trépano com ponta afiada e com dois orifícios pelos quais a água sai com pressão. A haste interna é repetidamente levantada e deixada cair de cerca de 30 cm. A sua queda é acompanhada de um movimento de rotação imprimido manualmente pelo operador. Estas ações provocam o destorroamento do solo no fundo da perfuração. Simultaneamente, a água injetada pelos orifícios do trépano ajuda a desagregação e, ao retornar à superfície, pelo espaço entre a haste interna e o tubo de revestimento, transporta as partículas do solo que foram desagregadas. De metro em metro, ou sempre que se detectar alteração do solo pelos detritos carreados pela água de circulação, a operação é suspensa e realiza-se uma amostragem. O material em suspensão trazido pela lavagem não permite boa classificação do solo, mas mudanças acentuadas do tipo de solos são detectáveis. A perfuração por lavagem é mais rápida do que pelo trado. Ela só pode ser empregada abaixo do nível d’água porque acima dele estaria alterando a umidade do solo e, conseqüentemente, as condições de amostragem.
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d. Amostragem Para amostragem, utiliza-se um amostrador padrão, que é constituído de um tudo com 50,8 mm (duas polegadas) de diâmetro externo e 34,9 mm de diâmetro interno, com a extremidade cortante biselada. A outra extremidade, que é fixada à haste que a leva até o fundo da perfuração, deve ter dois orifícios laterais para a saída de água e ar, e uma válvula constituída c onstituída por uma esfera de aço. O amostrador é conectado à haste e apoiado no fundo da perfuração. A seguir, é cravado pela ação de uma massa de ferro fundido (martelo) de 65 kg. Para a cravação, o martelo é elevado a uma altura de 75 cm e deixado cair livremente. O alteamento do martelo é feito manualmente ou por meio de equipamento mecânico, através de uma corda flexível que passa por uma roldana existente na parte superior do tripé. A cravação do amostrador no solo é obtida por quedas sucessivas do martelo, até a penetração de 45 cm. A amostra colhida é submetida a exame tátil-visual e suas características principais são anotadas. Estas amostras são, então, guardadas em recipientes impermeáveis para análises posteriores.
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e. Resistência a penetração – SPT Durante a amostragem, são anotados os números de golpes do martelo necessários para cravar cada trecho de 15 cm do amostrador. Desprezam-se os dados referentes ao primeiro trecho de 15 cm e defini-se a resistência à penetração como sendo o número de golpes necessários para cravar 30 cm do amostrador, após aqueles primeiros 15 cm. A resistência à penetração é também referida como o número N do SPT ou simplesmente, como SPT do solo, sendo SPT as iniciais de “Standard Penetration Test”. Quando o solo é tão fraco que a aplicação do primeiro golpe do martelo leva a uma penetração superior a 45 cm, o resultado da cravação deve ser expresso pela relação deste golpe com a respectiva penetração. Em função da resistência à penetração, o estado do solo é classificado pela compacidade, quando areia ou silte arenoso, ou pela consistência, quando argila ou silte argiloso. As classificações, fruto da experiência acumulada, dependem da energia efetivamente aplicada ao barrilete amostrador, conseqüente da maneira como o martelo é acionado.
Resistência à penetração (SPT) 0a4 5a8 9 a 18 18 a 40 Acima de 40
Compacidade da areia Muito fofa Fofa Compacidade média Compacta Muito compacta
Resistência a penetração (SPT) <2 3a5 6 a 10 11 19 >19
Consistência da argila Muito mole Mole Consistência média Rija Dura
f. Apresentação de resultados Os resultados são apresentados em perfis do subsolo, onde são apresentadas as descrições de cada solo encontrado, as cotas correspondentes a cada camada, a posição do nível d’água (ou níveis) e sua eventual pressão, a data em que foi determinado o nível d’água e os valores da resistência à penetração do amostrador. Quando não ocorre penetração de todo o amostrador, registra-se o SPT em forma de fração (ex.: 30/14 – para cada 30 golpes houve penetração de 14 cm). Sondagens feitas com proximidade permitem o traçado de seções do subsolo, em que se ligam as cotas de materiais semelhantes na hipótese de que as camadas sejam contínuas.
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