Laboratório Mecânica Dos Solos - Apostilas - Engenharia Civil, Notas de estudo de Engenharia Civil. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
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Luiz_Felipe4 de Março de 2013

Laboratório Mecânica Dos Solos - Apostilas - Engenharia Civil, Notas de estudo de Engenharia Civil. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostila de engenharia civil sobre o estudo dos índices físicos que caracterizam a amostra de solo. Os índices a serem determinados são: teor de umidade, massa especifica natural e massa especifica dos sólidos contidos n...
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RESUMO

O experimento realizado no dia 6 de abril de 2011 tinha a finalidade de determinar alguns dos índices físicos de certa amostragem de solo. É indispensável o conhecimento dos solos, bem como os seus índices físicos para a realização de obras de construção civil.

Os índices determinados foram: teor de umidade, massa especifica dos sólidos e massa especifica natural. Os outros índices físicos do solo podem ser determinados a partir de relações matemáticas. O ensaio realizado segue a especificação imposta pela norma NBR 6508/82.

A determinação do teor de umidade pode ser descrita por alguns métodos, dentre eles temos o da frigideira, da estufa, álcool e speedy. A massa especifica natural é determinada pelo conhecimento prévio de massa e volume de solo, contidas na amostragem.

A realização do ensaio de massa especifica dos sólidos é feita em duas etapas, a calibração do picnômetro e a realização do ensaio propriamente dito.

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO........................................................................ 3

2. OBJETIVO.............................................................................. 3

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................... 4

4. MATERIAIS E MÉTODOS....................................................... 6

4.1 DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO SOLO....................... 6

4.2 DETERMINAÇÃO DOS ÍNDICES FÍSICOS....................... 10

4.3 MASSA ESPECÍFICA DOS SÓLIDOS................................ 12

5. RESULTADOS....................................................................... 15

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS..................................................... 16

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA S............................................. 17

ANEXO – TABELAS E GRÁFICOS

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1. INTRODUÇÃO

Nas obras de engenharia o conhecimento prévio do tipo de solo que está empregado na base da construção é indispensável. Assim é necessária a realização de ensaios em laboratório com a finalidade de encontrar os índices físicos do solo utilizado.

Os índices físicos caracterizam o tipo de solo com suas propriedades, e com as características presentes no momento do ensaio. Portanto podemos ter divergências entre o estado atual do solo utilizado na obra de construção civil e seu estado ideal de utilização. Assim as características dos solos relacionadas aos índices físicos são obtidas, para que ocorra o processo de otimização no seu uso.

No laboratório foram determinados alguns índices físicos, dentre esses enuncia-se o teor de umidade, a massa específica natural e a massa especifica dos sólidos ou grãos. Existem vários outros índices físicos do solo, como o índice de vazios, a porosidade entre outros, mas estes podem ser determinados pelas relações matemáticas existentes, essas relações envolvem os índices determinados no ensaio e os outros índices físicos.

Para a determinação da massa especifica dos sólidos ou grãos é necessário um ensaio a parte, e este é realizado em duas etapas, sendo a primeira de calibração do picnômetro e a segunda de realização do ensaio, no qual o procedimento depende do tipo de solo utilizado no experimento.

Na determinação do teor de umidade e da massa especifica dos solos são utilizados procedimentos mais simples, alguns desses procedimentos estão melhor explicitados nos Materiais e métodos do presente relatório.

2. OBJETIVO

O experimento realizado tinha o objetivo de determinar os índices físicos que caracterizavam a amostra de solo. Os índices a serem determinados eram teor de umidade, massa especifica natural e massa especifica dos sólidos contidos na amostragem.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

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Segundo o Professor Edson de Moura da Faculdade de Tecnologia de São Paulo (2009), o método da Estufa, processo normatizado pelo DNIT-ME 213/94 é o mais indicado para a obtenção de teor de umidade. Entretanto, devido à demora para a obtenção do resultado, torna-se um procedimento não muito utilizado. Existem estufas com ventilação forçada que aceleram a

obtenção do resultado mas, mesmo assim não são muito utilizadas, pois demoram em torno de duas horas para secar a amostra, tempo muito grande.

Já o método da Frigideira é bastante empregado e consiste em “fritar” o solo. Uma pequena porção de solo úmido é colocada em uma frigideira, que por sua vez é colocada sobre uma fonte de calor. Revolve-se a amostra suavemente até que a água evapore. Para certificar-se de que a água evaporou, coloca-se uma placa de vidro sobre a frigideira e observa-se se existe vapor formando na placa, caso contrário a amostra esta seca.

O método do Álcool é o procedimento especificado pelo DNIT-ME 088/94. Nesse procedimento, adiciona-se uma determinada quantidade de álcool em uma porção de solo úmido e ateia-se fogo. Após o término da 1ª queima, verifica-se se é necessário colocar mais uma porção de álcool e procede-se da mesma maneira até a secagem total da amostra. O calor da chama faz a água da amostra evaporar. Dois grandes inconvenientes nesse processo são a questão de segurança e o segundo a qualidade do álcool, pois este normalmente apresenta uma grande quantidade de água em sua constituição, assim, sempre haverá um resíduo de água a cada queima, mascarando o resultado. Pode-se utilizar álcool isopropílico PA com 99,9% de pureza, trata-se de um produto não muito fácil de encontrar. O procedimento de determinação do teor de umidade é o mesmo para o anterior, por diferenças de pesos.

O Método do Speedy é padronizado pela PMSP-ME-10 e pelo DER-SP m161, utilizando um equipamento patenteado denominado Speedy.

Dentro do recipiente hermético do Speedy, ocorre uma reação exotérmica entre a água existente na amostra úmida e carbureto de cálcio, acarretando em um aumento da pressão dentro do recipiente. Essa pressão, que é função da quantidade de água existente na amostra, é correlacionada com valores de uma tabela onde se obtém a umidade da referida amostra. O procedimento básico consiste em colocar uma quantidade conhecida de amostra úmida dentro do equipamento Speedy, colocando-se as cápsulas de carbureto de cálcio em função desta quantidade de amostra de solo. Introduzem-se duas esferas de aço, fecha-se o Speedy, agitando-o de maneira que as esferas quebrem as cápsulas de vidro de carbureto, fazendo com que o carbureto das cápsulas reaja com a água contida na amostra.

A NBR 6508/82 prescreve o método de determinação da massa específica dos grãos de solo que passam na peneira número 10 (4.8 mm) por meio de picnômetro.

Na determinação do peso específico real de um solo em laboratório, o peso do picnômetro cheio com água destilada será necessário. Este valor é usualmente tomado de um gráfico (curva

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de calibração) de temperatura versus peso do picnômetro com água. Como o volume do picnômetro e o peso específico da água variam com a temperatura, há necessidade de se calibrar o conjunto a fim de se obter o valor correto de W1. O gráfico da curva de calibração pode ser determinado por meios experimentais ou teóricos.

4. MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 Determinação da Umidade do Solo

4.1.1 Método da Estufa

Materiais

- Torninho de talhagem;

- Balança de capacidade 1g e precisão de 0,01g;

- Berço;

- Paquímetro;

- Estufa;

- Cápsulas de alumínio, facas, espátulas.

Procedimento

De uma amostra de solo indeformada, retira-se um prisma de aproximadamente 7 x 7 x 12cm, que é colocado em um berço, alinhando-se a base e o topo, até obter-se superfícies planas e paralelas, e o prisma fique com altura de 10cm.

Coloca-se esta amostra em um torninho de talhagem e, com o auxílio de facas e espátulas, alisa- se a superfície lateral até obter-se um cilindro com diâmetro próximo de 5cm. Nesta etapa, retira-se ao menos 3 amostras de solo de pelo menos 20g, colocando-as em cápsulas de alumínio, afim de se medir o teor de umidade do solo.

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Utilizando-se o paquímetro, mede-se, pelo menos, 3 vezes e em posições diferentes, o diâmetro e a altura do cilindro, pesando-o em seguida.

Pesa-se as cápsulas com as amostras de solo, obtendo-se assim (Ms+Mw+Mc)=(S+A+T), onde:

Ms=S: Massa de sólidos

Mw=A: Massa de água

Mc=T: Massa da cápsula de alumínio (tara)

Em seguida, coloca-se as cápsulas destampadas em uma estufa à temperatura de 105ºC, até constância de massa.

O tempo que a amostra deverá permanecer na estufa, varia de acordo com o tipo de solo. Em geral, solos arenosos devem permanecer pelo menos 6 horas e solos argilosos um mínimo de 12 horas.

Transcorrido esse tempo de permanência em estufa, as cápsulas são retiradas, tampadas e espera-se que resfriem até a temperatura ambiente, para então pesá-las, obtendo-se (S+T).

4.1.2 Método da Frigideira

Materiais

- Frigideira;

- Balança;

- Colher;

- Fonte de Calor.

Procedimento

Primeiramente, pesa-se a frigideira, obtendo o valor da tara (T). Em seguida, coloca-se certa quantidade de amostra de solo na frigideira e pesa-se, obtendo-se agora a massa da frigideira

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mais a massa de solo úmido (S+A+T), onde S é massa de sólidos, A a massa de água e T a massa da frigideira.

Coloca-se a frigideira sobre a fonte de calor, mexendo o solo em seu interior com uma colher (fig.1), até que este fique totalmente seco.

Figura 1

Para haver certeza de que toda a água evaporou, coloca-se uma placa de vidro em cima da frigideira e observa-se se há formação de vapor d’água.

Após o solo estar seco, pesa-se novamente a frigideira, obtendo-se o valor da tara mais a massa de sólidos (S+T).

Por fim, para se determinar a massa de água faz-se a diferença (S+A+T)-(S+T).

4.1.3 Método do Álcool

Materiais

- Balança com 0,01g de precisão;

- Cápsula metálica de fundo perfurado e suporte(fig.2);

- Espátula de aço com lâmina flexível;

- Pinça metálica;

- Álcool etílico;

- Peneira de 2,0mm.

Procedimento

Toma-se uma amostra de cerca de 50g de solo, passando-a na peneira 2,0mm.

Pesa-se a cápsula metálica e o suporte (fig. 2), obtendo-se a tara (T).

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Figura 2

Coloca-se a amostra na cápsula, espalhando-a em toda a superfície, e em seguida pesa- se, obtendo-se (S+A+T).

Adiciona-se álcool etílico à amostra, revolvendo-a com a espátula e, em seguida, inflama-se o álcool. Repete-se esta operação três vezes, garantindo que a amostra fique seca.

Por fim, pesa-se a cápsula com o solo seco e suporte, obtendo-se (S+T). A massa de água é dada pela diferença (S+A+T)-(S+T).

4.1.4 Método Speedy

Materiais

- Aparelho Speedy;

- Manômetro;

- Carbureto de cálcio;

- Esferas de aço.

Procedimento

Coloca-se certa quantidade de solo dentro do recipiente hermético Speedy, e em seguida introduz-se o carbureto de cálcio e as esferas de aço. Agita-se o recipiente, fazendo com que as esferas quebrem a cápsula de vidro que envolve o carbureto de cálcio, que reagirá com a água presente no solo, resultando em uma reação química exotérmica, provocando aumento de pressão no interior do recipiente hermético, que será medida através do manômetro.

Essa pressão é função da quantidade de água existente no solo, e é correlacionada com valores de uma tabela onde se obtém a umidade da referida amostra.

4.2 Determinação dos Índices Físicos

4.2.1 Massa Específica

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A massa específica do solo é a relação entre a massa e o volume do solo.

ρ=MV=S+AV

Onde:

M: Massa do solo

V: Volume ocupado pelo solo

S: Massa de sólidos

A: Massa de água

As unidades usadas são: gcm3 ou tm3 .

4.2.2 Teor de Umidade

É a relação entre a massa de água e a massa de sólidos, existente em um mesmo volume de solo, expressa em porcentagem.

w=MwMs .100=AS

Onde:

Mw=A: Massa de água

Ms=S: Massa de sólidos

A massa de água é obtida fazendo-se a diferença (S+A+T)-(S+T).

A massa de sólidos é obtida fazendo-se a diferença (S+T)-(T).

O teor de umidade do solo será a média aritmética das determinações realizadas.

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4.2.3 Massa Específica Seca

Calculada a partir da fórmula de correlação:

ρd=ρ1+w

As unidades usadas são as mesmas que para massa específica.

4.2.4 Índice de Vazios

Calculado através das seguintes fórmulas de correlação, conhecendo-se o valor da massa específica dos sólidos:

e=ρsρd-1 ou e=ρs1+w-ρρ

É um número puro, maior do que zero.

4.2.5 Porosidade

Calculada através das seguintes fórmulas de correlação:

n=e1+e ou n= ρs1+w-ρρs(1+w)

É expresso em porcentagem, sendo maior do que zero e menor do que 100%.

4.2.6 Grau de Saturação

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Calculado através das seguintes fórmulas de correlação:

Sr=ρs.we.ρw ou Sr=ρs.w.ρ(ρs1+w-ρ)ρw

Pode variar de 0 a 100%.

4.3 Massa Específica dos Sólidos (ou grãos)

4.3.1 Materiais

- Picnômetro, com volume útil de 500 ou 1000 cm³, para a temperatura de 20°C;

- Dispensor, com hélices metálicas e copo com chicanas;

- Balança, que permita determinação de massa até 1500g com resolução de 0,01g;

- Bomba de vácuo, com capacidade de aplicação de pressão até 100 KPa;

- Estufa capaz de manter a temperatura entre 105 - 110°C;

- Termômetro, com leitura até 35°C e resolução de 0,1°C;

- Cápsulas de alumínio;

- Espátulas;

- Funil, com haste que atinja até a metade da altura do bojo do picnômetro, e suporte;

- Recipientes de evaporação;

- Dessecador.

4.3.2 Procedimento

O ensaio será dividido em duas partes sendo material granular e solo; o primeiro para partículas menores que 4,8mm e com menos de 5% de partículas menores que 0,075mm, e o segundo para partículas menores que 4,8mm.

Material Granular

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Após secagem em estufa da amostra reduzida, colocar em um dessecador até atingir temperatura ambiente determinando a massa de sólidos que deverá estar entre 100 e 120g.

Transferir essa amostra ao picnômetro utilizando um funil para evitar a perda de partículas e adicionar 250 cm³ de água destilada. O ar existente nos vazios do material será removido pela bomba de vácuo até se observar que não há aparecimento de bolhas na superfície. Em seguida, deixar o picnômetro resfriar até a temperatura dentro do seu intervalo de calibração, entre 15 e 25°C. Terminado este processo, completar, lentamente, o volume útil do picnômetro com água destilada de forma a evitar a formação de vazios.

Com o auxílio de um termômetro, homogeneizar a temperatura da água com movimentos lentos até que se encontre temperaturas variando de 0,5°C em três alturas diferentes. Alcançada a temperatura desejada, secar a superfície externa do picnômetro e a parte interna da haste acima do menisco, e então determina-se a massa do conjunto picnômetro, sólido e água na balança.

Levar o material na estufa e retirar para colocá-lo no dessecador até temperatura ambiente. Determinar a massa de sólidos após ensaio, que deverá ser da mesma ordem de grandeza da inicialmente determinada.

Solo

Após homogeneização da amostra, retirar três porções de solo para a determinação do teor de umidade e uma porção, com massa seca mínima de 60g para solos arenosos e 50g para solos argilosos. Determinar a massa dessa porção de solo, colocando em uma vasilha e acrescentando água destilada para a formação de uma pasta homogênea. Mais água destilada deverá ser acrescentada até completa imersão da pasta, deixando repousar por 12 horas. Transferir o conteúdo da vasilha para o copo do dispensor, segundo figura 3, e adicionar mais um pouco de água destilada para diminuir a concentração e deixar bater por 10 minutos.

Figura [ 3 ]

Com o auxilio de um funil, transferir a suspensão para o picnômetro. O volume da suspensão, nesse instante, não deverá ser maior que a metade do volume útil do picnômetro.

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O ar existente na suspensão deverá ser retirado e então aplica-se pressão de -88KPa durante 15 minutos ou até que não observe bolhas de ar na superfície. Colocar água destilada até no picnômetro até um centímetro abaixo da marca de referência da haste e aplicar novamente a pressão anterior até a retirada total do ar da suspensão.

A temperatura da suspensão deverá ser medida e estar no intervalo de calibração do picnômetro. Então adicionar água destilada até a base do menisco tangenciar a marca de referência da haste. Homogeneizar a temperatura da suspensão com o auxilio de um termômetro até encontrar valores com 0,5°C de diferença em três alturas diferentes. Calcular o valor médio das três medidas, sendo esta a temperatura do ensaio.

Enxugar a parte interna da haste acima da marca de referência e a superfície externa do picnômetro, determinando a massa do conjunto picnômetro, sólidos e água. Repetir as operações, para no mínimo 5 determinações da massa do conjunto com 5 diferentes temperaturas.

Após secagem na estufa recolhida num recipiente de evaporação, a amostra seca será colocada em um dessecador para determinar a massa de sólidos que deverá ser igual à obtida inicialmente.

Cálculo da massa específica dos sólidos

A massa específica dos sólidos, média representativa das massas específicas dos minerais componentes do solo, será calculada pela equação abaixo:

ρS=MSMS-M1+M2×ρW

Onde: MS equivale à massa de sólidos determinada no final do ensaio; M1 à massa do conjunto água, picnômetro e sólidos para uma temperatura; M2 à massa do conjunto água e picnômetro obtida através da curva de calibração do picnômetro; e ρS à massa específica da água.

5. RESULTADOS

Após a realização dos ensaios foram obtidos todos os valores de massa, altura, diâmetro e temperatura e estes valores foram anotados nas tabelas em anexo.

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Através das equações citadas anteriormente calculou-se os índices físicos e para cada método utilizado obteve-se os seguintes resultados:

Teor de Umidade: Argila Arenosa Marrom Avermelhada

-Método da Estufa: w=12,79%

-Método da Frigideira: w=18,66%

-Método do Álcool: w=16,4%

Índices Físicos e Massa Específica Natural: Areia Fina Silto Argilosa Marrom Claro

-Método das Medidas Diretas: ρnat=1,83 g/cm3; ρd=1,62 g/cm3; e=0,66; n=39,76%; Sr=51,94%

-Método por Imersão: ρnat=1,78 g/cm3; ρd=1,58 g/cm3; e=0,70; n=41,18%; Sr=49,07%

Massa Específica Natural “In Situ”: Areia Fina Pouco Argilosa Marrom Avermelhado

-Método do Frasco de Areia: ρnat=2,06 g/cm3

-Método do Cilindro de Cravação: ρnat=2,08 g/cm3

Determinação da Massa Específica dos Sólidos: Silte Argilo Arenoso Bege Claro

-Método do Picnômetro: ρs=2,691 g/cm3

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Através dos resultados obtidos foi possível verificar discrepâncias entre eles. Em alguns dos experimentos a discrepância foi considerável, como no caso da determinação do Teor de Umidade, os três resultados não tiveram valores próximos, podendo ter sido cometidos erros durante a realização do ensaio através do tempo de contato da amostra com o calor.

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Para os outros resultados, a discrepância foi pequena podendo ser desconsiderada, concluindo que os experimentos foram bem realizados.

No entanto, apesar das diferenças dos resultados todos os métodos realizados são aceitáveis, porém alguns são mais precisos que outros e para a escolha deles deve ser levado em consideração as condições da situação.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Notas de aula;

NOGUEIRA, J. B. Mecânica dos Solos – Ensaios de Laboratório. São Carlos, 1995;

Moura, E. Transportes e obras de terra. Universidade Tecnológica de São Paulo(2009). Disponível em: http://professoredmoura.com.br/download/Controle_de_Campo.pdf. Acessado em: 09/04/2011;

NBR 6508/1984 – Massa Específica Real dos Grãos;

DNER-ME 088/94 – Solos-determinação da umidade pelo método expedito do álcool;

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