RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS - ufjf.br

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Mecânica dos Solos II

Prof. M. Marangon

RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

Unidade 5 – RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

Como visto na unidade 04, um carregamento externo aplicado na superfície, ou a própria geometria da superfície da massa de solo, contribui para o desenvolvimento de tensões tangenciais ou de cisalhamento, que podem chegar a valores próximos a máxima tensão cisalhante que o solo suporte sem haver ruptura do material. Esta é a tensão cisalhante de resistência do solo, a ser estudada nesta unidade do curso. A figura abaixo ilustra o aspecto da distribuição de tensões e a intensidade destas tensões, como exemplo, seja a componente vertical, seja a cisalhante máxima que ocorrem no subsolo de um terreno (mostrada a meia seção), que tem aplicado na superfície um carregamento externo de 100kPa. Observa-se que os maiores valores ocorrem nas proximidades do carregamento, região em que se tem as maiores deformações e que há a possibilidade de haver ruptura, dependendo da resistência ao cisalhamento do solo 3m

20

20

18

18

8 6

14 12

6

10 8 6

4

4

2

2

2

4

6

8

10

10

2

7

10

0

24

4

21

12

0

32

14

28

14

Elevation (metres)

42

Footing 100 kPa

30 32

16

35 14

16

Elevation (metres)

3m

Footing 100 kPa

0

12

0

2

4

6

8

10

12

Distribuição das máximas tensões cisalhantes Distribuição de tensões verticais devidas ao peso próprio e ao carregamento externo E = 5000 kPa ν = 0,334 Fig. 5. 01 - Aspecto das tensões que ocorrem no subsolo de um terreno carregado 101


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Como visto, as tensões principais nos interessam particularmente para o estudo de resistência ao cisalhamento dos solos, uma vez que obtidos estes valores poderemos calcular as máximas tensões cisalhantes que irão atuar no projeto em estudo. Para ilustrar, é mostrada na figura 5. 02, o estado de tensões atuantes em um ponto no interior da massa de solo, e também os valores e a direção em que atuam as tensões principais maior e menor, como estudado. Neste exemplo ilustrativo foi usado um software de análise de tensões, desenvolvido aplicando a técnica numérica do “Método dos Elementos Finitos” (M. E. F.). O ponto destacado (de no 760) situa-se à 2,0m de profundidade (cota 18) e à 1,5m de distância do eixo da carga de 6,0m aplicada, ou seja, o meio da faixa de 3,0m apresentada.

3m

20

Footing 100 kPa

841842 843844845 846847848 849850851 852853854 855856857 830

831

832

833

834

835

836

837

838

799800 801802803 804805806 807808809 810811812 813814815 788

18

789

790

791

792

793

794

795

796

757758 759760761 762763764 765766767 768769770 771772773 746

747

748

749

750

751

752

753

754

715716 717718719 720721722 723724725 726727728 729730731 704

16

705

706

707

708

709

710

711

712

673674 675676677 678679680 681682683 684685686 687688689 662

663

664

665

666

667

668

669

670

631632 633634635 636637638 639640641 642643644 645646647 620

14

621

622

623

624

625

626

627

628

589590 591592593 594595596 597598599 600601602 603604605 578

579

580

581

582

583

584

585

586

547548 549550551 552553554 555556557 558559560 561562563

Effective Stress at Node 760

40

73.242

30

-14.811 14.318

20

sx

Shear

10 0

76.756 -10

sy 10.805

-20 -30 -40 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Normal

Figura 5. 02 - Estado de tensões atuantes em um ponto no interior da massa de solo, e valores e direção em que atuam as tensões principais maior e menor. 102


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Como pode ser observado no traçado do círculo de Mohr, assim como se verifica o valor na figura 5. 01, a máxima tensão de cisalhamento atuante no ponto é da ordem de 32 kPa, correspondente a um σ1 de 76,76 kPa e σ3 de 10, 81 kPa. A questão que se coloca nesta análise é: Este nível de tensão de cisalhamento está aquém do valor correspondente à da resistência do material ? Este último valor, a ser obtido a partir do traçado da sua envoltória de resistência é que será estudado nesta unidade. O problema da determinação da resistência aos esforços cortantes nos solos constitui um dos pontos fundamentais de toda a mecânica dos solos. Uma avaliação correta deste conceito é um passo indispensável para qualquer análise da estabilidade das obras civis. 5.1 – Considerações preliminares sobre resistência ao cisalhamento A capacidade dos solos em suportar cargas, depende de sua resistência ao cisalhamento, isto é, da tensão τ r que é a máxima tensão que pode atuar no solo sem que haja ruptura. Terzaghi (conhecido como o “pai” da Mecânica dos Solos) conseguiu conceituar essa resistência como conseqüência imediata da pressão normal ao plano de rutura correspondente a pressão grão a grão ou pressão efetiva. Isto é, anteriormente considerava-se a pressão total o que não correspondia ao real fenômeno de desenvolvimento de resistência interna, mas, na nova conceituação, amplamente constatada, conclui-se que somente as pressões efetivas mobilizam resistência ao cisalhamento, (por atrito de contato grão a grão) donde escrevemos: τ 'r = c + σ ,tgϕ = c + (σ − u )tgϕ Hvorslev, ao analisar argilas saturadas, concluiu que nessa situação a coesão (representada na equação por “c”) é função essencial do teor de umidade donde se escreve: c = f ( h) Logo temos para a máxima tensão de cisalhamento (poderá ser representado simplesmente por τr) : τ 'r = f (h ) + (σ − u )tgϕ

Em outras palavras, a expressão acima traduz a situação já afirmada de que os parâmetros c e ϕ não são características simples dos materiais, mas, dependem, essencialmente, das condições de ocorrência/utilização dos materiais. Como as condições de utilização são variáveis, partiu-se para se sofisticar os ensaios de laboratório na tentativa de criar as situações de ocorrência/utilização, procurando considerar o fato da amostra ter sido retirada do todo e, logicamente perdendo algumas características originais de comportamento ao natural. Da expressão matemática temos: 103


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c = f ( h) = σ i tgϕ tensão interna de resistência por atrito fictício ou proveniente do entrosamento de suas partículas traduzida pela força de coesão (que pode ser verdadeira e/ou aparente - em areias). Depende da ocorrência de água nos vazios e suas condições de arrumação estrutural. Em engenharia, só consideramos válida a coesão verdadeira. (σ − u ) tgϕ tensão interna de resistência por atrito de contato grão a grão. Dependente da arrumação estrutural (maior ou menor contato grão a grão) e da ocorrência da pressão neutra que refletirá diretamente no valor de σ , . Os parâmetros c e ϕ, definidores da resistência interna ao cisalhamento dos solos terão que ser determinados, na maioria dos casos, em laboratório nas condições mais desfavoráveis previstas para o período de utilização de cada projeto específico. Os ensaios buscarão representar o rompimento de uma seção em relação a uma outra contígua, medindo as tensões de rutura capazes de identificar, nas condições do projeto, sua resistência ao corte. 5.2 - Ensaios de resistência ao cisalhamento 5.2.1 - Ensaios de Campo Como a retirada de amostras indeformadas implica, apesar de todos os cuidados e expedientes sofisticados, numa possível deformação da amostra, procura-se, mais modernamente, executar ensaios “in situ” capazes de traduzir as reais características de resistências das camadas. Dentre os ensaios “in situ” mais empregados no Brasil para determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento e de deformabilidade no campo destacam-se: • • •

Ensaio de palheta ou "Vane Shear Test"; Ensaio de penetração estática do cone (CPT) ou "Deepsoundering"; Ensaio pressiométrico (câmara de pressão no furo de sondagem).

Além desses, no caso de fundações são executadas para provas de carga que, traduzirão, especificamente, as resistências do solo frente às características do elemento estrutural na transmissão de carga. O ensaio de CPT e “Vane test” têm por objetivo a determinação da resistência ao cisalhamento do solo, enquanto o ensaio pressiométrico visa estabelecer uma espécie de curva de tensão-deformação para o solo investigado, conforme pode ser visto na tabela a seguir. A seguir será detalhado cada um desses ensaios. Ensaio de penetração estática do cone – CPT. O ensaio de penetração estática do cone, também conhecido como deepsounding, foi desenvolvido na Holanda com o propósito de simular a cravação de estacas e está normalizado pela ABNT através da norma NBR 3406. 104


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Ensaios Disponíveis x Parâmetros obtidos

Tipo de Ensaio

Tipo de Solo Melhor Não Aplicável Aplicável

Principais características que podem ser determinadas

Avaliação qualitativa do estado de compacidade ou consistência. 1 - Ensaio Padronizado Comparação qualitativa da estratigrafia de Penetração (SPT)* Granulares do subsolo. Avaliação contínua da compacidade e 2 - Ensaio de resistência de solos granulares. Penetração Estática do Avaliação contínua de resistência não Granulares Cone (CPT) drenada de solos argilosos. 3 - Ensaio de Palheta Coesivos Granulares Resistência não drenada de solos argilosos. 4 - Ensaio Coeficiente de empuxo no repouso; Pressiométrico Granulares compressibilidade e resistência ao cisalhamento. * Sem interesse direto na determinação dos parâmetros de resistência O ensaio de CPT permite medidas quase contínuas da resistência de ponta e lateral devido à cravação de um penetrômetro no solo, as quais por relações, permitem identificar o tipo de solo, destacando a uniformidade e continuidade das camadas. Permite, também, determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento e a capacidade de carga dos materiais investigados. É um ensaio de custo relativamente baixo, rápido de ser executado, sendo portanto, indicado para a prospecção de grandes áreas. Apresenta como desvantagens a não obtenção de amostras para inspeção visual, a não penetração em camadas muito densas e com a presença de pedregulhos e matacões, as quais podem tornar os resultados extremamente variáveis e causar problemas operacionais como deflexão das hastes e estragos na ponteira. O equipamento para execução do ensaio CPT consta de um cone de aço, móvel, com um ângulo no vértice de 600 e área transversal de 10 cm2. O ensaio consiste em cravar o cone solidário a uma haste e medir o esforço necessário à penetração. São feitas medidas de resistência de ponta e total. Os dados permitem obter, ainda, boas indicações das propriedades do solo, ângulo de atrito interno de areias, e coesão e consistência das argilas. Ensaio de palheta – “Vane test”. O “Vane test” foi desenvolvido na Suécia, com o objetivo de medir a resistência ao cisalhamento não drenada de solos coesivos moles saturados. Hoje o ensaio é normalizado no Brasil pela ABNT (NBR 10905). O equipamento para realização do ensaio é constituído de uma palheta de aço, formada por quatro aletas finas retangulares, hastes, tubos de revestimentos, mesa, dispositivo de aplicação do momento torçor e acessórios para medida do momento e das deformações. O equipamento está apresentado na figura 5. 04. O diâmetro e a altura da palheta devem manter uma relação constante 1:2 e, sendo os diâmetros mais usuais de 55, 105


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65, e 88mm. A medida do momento é feito através de anéis dinamométricos e vários tipos de instrumentos com molas, capazes de registrar o momento máximo aplicado.

Figura 5. 03 – Resultado de um ensaio de penetração contínua – CPT. O ensaio consiste em cravar a palheta e em medir o torque necessário para cisalhar o solo, segundo uma superfície cilíndrica de ruptura, que se desenvolve no entorno da palheta, quando se aplica ao aparelho um movimento de rotação. A instalação da palheta na cota de ensaio pode ser feita ou por cravação estática ou utilizando furos abertos a trado e/ou por circulação de água. No caso de cravação estática, é necessário que não haja camadas resistentes sobrejacentes à argila a ser ensaiada a que a palheta seja munida de uma sapata de proteção durante a cravação. Tanto o processo de cravação da sapata, quanto o de perfuração devem ser paralisados a 50cm acima da cota de ensaio, a fim de evitar o amolgamento do terreno a ser ensaiado. A partir daí, desce apenas a palheta de realização do ensaio. Com a palheta na posição desejada, deve-se girar a manivela a uma velocidade constante de 6º/min, fazendo-se as leituras da deformação no anel dinamométrico de meio em meio minuto, até rapidamente, com um mínimo de 10 rotações a fim de amolgar a argila e com isto, determinar a sensibilidade da argila (resistência da argila indeformada/ resistência da argila amolgada). Para o cálculo da resistência não drenada da argila deve-se adotar as seguintes hipóteses: • • • • •

Drenagem impedida: ensaio rápido; Ausência de amolgamento do solo, em virtude do processo de cravação da palheta; Coincidência de superfície de ruptura com a geratriz do cilindro, formado pela rotação da palheta; Uniformidade da distribuição de tensões, ao longo de toda a superfície de ruptura, quando o torque atingir o seu valor máximo; Solo isotrópico. 106


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Figura 5. 04 – Equipamento para ensaio de palheta – vane test, de campo e em tamanho reduzido para laboratório – este do LaEsp – Laboratório de Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos da UFJF. No instante da ruptura o torque máximo (T) aplicado se iguala à resistência ao cisalhamento da argila, representadas pelos momentos resistentes do topo e da base do cilindro de ruptura e pelo momento resistente desenvolvido, ao longo de sua superfície lateral, dado pela expressão: T = ML + 2MB Onde: T = torque máximo aplicado à palheta; ML=momento resistente desenvolvido ao longo da superfície lateral de ruptura; MB=momento resistente desenvolvido no topo e na base do cilindro de ruptura, dados por: 1 M L = πD 2 .H .c u 2 π 3 MB = D cu 12 Onde: D = diâmetro do cilindro de ruptura; H = altura do cilindro de ruptura; Cu = resistência não drenada da argila. Substituindo as duas últimas equações na anterior e fazendo-se H = 2D, tem-se o valor da coesão não drenada da argila, expresso pela fórmula: cu =

6 T . 7 πD 3

Ensaio pressiométrico Este ensaio é usado para determinação “in situ” principalmente do módulo de elasticidade (e da resistência ao cisalhamento de solos e rochas), sendo desenvolvido na França por Menard.

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O ensaio pressiométrico consiste em efetuar uma prova de carga horizontal no terreno, graças a uma sonda que se introduz por um furo de sondagem de mesmo diâmetro e realizado previamente com grande cuidado para não modificar-se as características do solo. O equipamento destinado a execução do ensaio, chamado pressiométrico, é constituído por três partes: sonda, unidade de controle de medida pressão-volume e tubulações de conexão. A sonda pressiométrica é constituída por uma célula central ou de medida e duas células extremas, chamadas de células guardas, cuja finalidade é estabelecer um campo de tensões radiais em torno da célula de medida. Após a instalação da sonda na posição de ensaio, as células guardas são infladas com gás carbônico, a uma pressão igual a da célula central. Na célula central é injetada água sob pressão, com o objetivo de produzir uma pressão radial nas paredes do furo. Em seguida, são feitas medidas de variação de volume em tempos padronizados, 15, 30 e 60 segundos após a aplicação da pressão do estágio. O ensaio é finalizado quando o volume de água injetada atingir 700 a 750 cm³. Com as interpretações dos resultados de pares de valores (pressão x ∆ volume) obtidos no ensaio, se determina o módulo pressiométrico entre outros valores de pressão. 5.2.2 - Ensaios de laboratório São diversos os tipos de ensaios de laboratório que buscam, com maior grau de sofisticação, representar as condições, com fidelidade e exatidão, possíveis de ocorrências, dentre as principais temos: • • •

Ensaio de Compressão Simples; Ensaio de Cisalhamento Direto; Ensaio de Compressão Triaxial;

Dependendo da importância da obra a realizar, das características dos solos e das condições de ocorrência justifica a realização de ensaios com a finalidade específica de obter os parâmetros de resistência ao cisalhamento ( c e ϕ ) Faremos nos itens seguintes (itens 5. 4, 5.5 e 5. 6) uma descrição conceitual dos ensaios, e uma análise referente a determinação de c e ϕ, deixando o detalhamento dos mesmos para as aulas práticas específicas. As descrições serão genéricas e sucintas. 5.3 – Ensaio de compressão simples Este ensaio consiste em se ensaiar os corpos de provas em uma prensa aberta em que só se tem condição de aplicar a pressão axial σ1 , uma vez que, sendo a prensa aberta não há condição de aplicar pressões laterais, isto é, σ 3 = 0. Tem-se assim um só círculo e ϕ =0. Logo só é aplicável a solos puramente coesivos. Os valores desses ensaios são extremamente limitados na sua interpretação e utilização prática em geotecnia.aplicados para identificar as consistências das argilas e,

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quando ensaiadas em amostras naturais e amolgadas nos dão condição de determinar a sensibilidade das argilas. A foto da figura 5.5 abaixo ilustra o ensaio após sua execução, onde se vê a prensa de compressão simples em que temos um corpo de prova que mesmo após o cisalhamento (quando resultou em tensão cisalhante máxima) foi levado a uma deformação excessiva. Como no ensaio não se tem condição de aplicar σ3, o gráfico resultante será:

P = Carga na ruptura medida na prensa; A = Área do corpo de prova (conhecida); A velocidade de aplicação da carga é controlada e padronizada.

σ1 =

P A

σ ϕ = 0, temos: σ1 = 2c ∴ c = 1 = r 2 Figura 5.5 – Foto da prensa utilizada nos ensaio de compressão simples e gráfico resultante no ensaio de compressão simples Análise do ensaio de compressão simples com o corpo de prova rompido Como no ensaio temos um só círculo, precisamos, de uma direção para traçar a linha de rutura. Logo, conclui-se que a condição exigível é que se tenha a direção horizontal, isto é, o ensaio só é aplicável em solos puramente coesivos, onde ϕ = 0 . Os dados da interpretação do gráfico finais podem ser visto na figura 5.6:

Figura 5.6 – Interpretação do gráfico final do ensaio de compressão simples 109


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Em função de seus resultados temos uma classificação válida para qualquer ocorrência de estrutura de argila (ligante) onde o valor Rc é dado como resistência à compressão simples. Tabela 5.1 – Dados de resistência à compressão simples Obs: Argilas Faixa valor Rc 2 Muito mole Rc < 2,5 t/m 1 kPa = 1 kN/m2 2 Mole 2,5 < Rc < 5,0 t/m 1 t/m2 = 10 kPa (kN/m2) Média 5,0 < Rc < 10,0 t/m2 1 kg/cm2 = 10 t/m2 2 Rija 10,0 < Rc < 20,0 t/m 1 kg/cm2 = 100 kPa Muito rija 20,0 < Rc < 40,0 t/m2 1 t/m2 = 0,1 kg/cm2 Dura Rc > 40,0 t/m2 Face a limitação deste ensaio temos dois tipos de ensaios costumeiramente empregados para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos: o ensaio de cisalhamento direto e o ensaio de compressão triaxial 5.4 – Ensaio de cisalhamento direto O ensaio de cisalhamento direto é o mais antigo procedimento para a determinação da resistência ao cisalhamento e se baseia diretamente no critério de Mohr-Coulomb. Aplica-se uma tensão normal num plano e verifica-se a tensão cisalhante que provoca a ruptura. Para o ensaio, um corpo de prova do solo é colocado parcialmente numa caixa de cisalhamento, ficando com sua metade superior dentro de um anel, como se mostra esquematicamente na figura 5. 7a, publicada por PINTO (2000). Aplica-se inicialmente uma força vertical N. Uma força tangencial T é aplicada ao anel que contém a parte superior do corpo de prova, provocando seu deslocamento, ou um deslocamento é provocado, medindo-se a força suportada pelo solo. As forças T e N, divididas pela área da seção transversal do corpo de prova, indicam as tensões σ e τ que nele estão ocorrendo. A tensão τ pode ser representada em função do deslocamento no sentido do cisalhamento, como se mostra na Figura 5. 7b, onde se identificam a tensão de ruptura, τmax, e a tensão residual, que o corpo de prova ainda sustenta, após ultrapassada a situação de ruptura, τres. O deslocamento vertical durante o ensaio também e registrado, indicando se houve diminuição ou aumento de volume durante o cisalhamento. Realizando-se ensaios com diversas tensões normais, obtém-se a envoltória de resistência, como apresentado na Unidade 04. Figura 5. 7 110


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O ensaio é muito prático, porém o ensaio não permite a determinação de parâmetros de deformabilidade do solo e o controle de condições de drenagem é difícil, pois não há como impedi-la, assim não permite a obtenção dos valores da pressão neutra. Ensaios em areias são feitos sempre de forma a que as pressões neutras se dissipem, e os resultados são considerados em termos de tensões efetivas. No caso de argilas, pode-se realizar ensaios drenados, que são lentos, ou não drenados. Neste caso, os carregamentos devem ser muito rápidos, para impossibilitar a saída de água. Pelas restrições acima, o ensaio de cisalhamento direto é considerado menos interessante que o ensaio de compressão triaxial. Entretanto, pela sua simplicidade, ele é muito útil quando se deseja medir simplesmente a resistência, e, principalmente, quando se deseja conhecer a resistência residual. O sentido do deslocamento da parte superior do corpo de prova pode se inverter até que a tensão cisalhante se estabilize num valor aproximadamente constante (residual). Neste ensaio consegue-se provocar um deslocamento relativo de uma parte do solo sobre a outra muito maior do que se pode atingir em ensaios de compressão triaxial. Durante muitos anos o ensaio de cisalhamento direto foi, praticamente o único para determinação da resistência dos solos devido a sua simplicidade. A necessidade de maiores sofisticações para representar as ocorrências de campo, tem sido, em muitos casos, substituídos pelos ensaios de compressão triaxial. O ensaio de cisalhamento direto Como abordado, o ensaio consiste, em uma caixa bi-partida onde colocamos a amostra, fixamos a parte inferior e movimentamos a superior no sentido de se fazer o corte da amostra, medindo o esforço necessário para tal. A tampa da parte superior é falsa, isto é, sobre ela pode-se aplicar a carga vertical P distribuída em sua área A. Na Figura 5. 8 vemos o esquema completo com a amostra em condição de ensaio, onde se nota que pode-se executa-lo com drenagem, pelas pedras porosas, ou sem drenagem (com a ressalva de que é impossível impermeabilizar totalmente o sistema). As saídas de drenagens são para melhorar o processo da garantia desse expediente e não para medir a pressão neutra, pois, isso não será possível.

Figura 5.8 – Esquema do ensaio de cisalhamento direto 111


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As fotos abaixo mostram a moldagem de um CP (corpo de prova - seção quadrada) para ser ensaiado no equipamento de cisalhamento direto, como o do LaEsp - Laboratório de Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos abaixo.

Foto 1 – Detalhe de um CP sendo talhado em um bloco de amostra indeformado Foto 2 – Aspecto do equipamento durante a realização de um ensaio Foto 3 – Detalhe da caixa de cisalhamento com o extensômetro para medição da deformação vertical do CP durante o ensaio. Curvas tensão x deformação As curvas de ruptura (tensão x deformação) obtidas nos ensaios de resistência têm uma das formas mostrada na Figura 5. 9. Na rutura frágil depois de atingir a τR, a resistência cai acentuadamente ao se aumentar a deformação. Na rutura plástica o esforço máximo é mantido com a continuidade da deformação. Pode-se obter assim a chamada resistência “residual”. 112

Figura 5. 9 – Aspecto das curvas tensão x deformação


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A ruptura “Frágil” é típica de ocorrência em argilas rijas e duras ou areias compactas enquanto que a ruptura “Plástica” é típica de ocorrência em argilas moles ou médias ou areias fofas ou pouco compactas.

Os dados obtidos a partir dos gráficos da figura 5. 10, por exemplo, correspondentes às tensões no plano de rutura, que somados a várias outras amostras ensaiadas da mesma estrutura, nos darão vários outros pares de tensão que, possibilitam o traçado da envoltória de resistência do solo e a obtenção dos parâmetros c e ϕ (figura 5.11).

Planilha de Resultados Leitura Leitura Anel de Desloc. Extens. Extens. Horiz. Vert. 0 8 10 20

1208,0 1207,8 1207,5 1204,2

Desloc.

100

σv (kPa)

90

114

Tensão cisalhante - τ (kPa)

80 70 60 50 42

40 30

27

20 17 10 0 Deslocamento vertical (mm)

A figura 5. 10 ao lado, apresenta, como exemplo, as curvas de um ensaio de cisalhamento direto (parte da planilha de ensaio do CP01, abaixo). Observa-se que se trata de uma amostra de argila, e de baixa consistência (mole ou média) tendo em vista o aspecto das curvas apresentadas. Nota-se que o valor da resistência (valor máximo) não é pronunciada.

0

5

10

15

σv (kPa)

0,8

27

0,6

114

0,4 42

0,2 17

0,0 0

5

10

15

Deslocamento horizontal (mm)

Figura 5. 11 – Curvas tensão x deformação Folha: 01 de 03 Área Força

Tensão

Tensão

Índice

Carga

Horiz. (mm)

Vert. (mm)

Corrig. (cm²)

Cisalh. (N)

Fcis/Fn

Cisalh. (kPa)

Vert. (kPa)

de Vazios

100,0 114,0 115,0 118,0

0,000 0,175 0,224 0,472

0,000 0,000 0,001 0,008

103,23 103,05 103,00 102,75

31,01 66,83 69,38 77,06

0,000 0,376 0,391 0,434

0,0 6,5 6,7 7,5

17,2 17,2 17,2 17,3

1,463 1,463 1,463 1,463

Figura 5. 12 – Interpolação dos pontos de ruptura para obtenção da reta de Mohr-Coulomb 113


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O ensaio de cisalhamento direto só dá valores confiáveis para o caso de rutura plástica, pois, no outro caso a curva estará defasada do real. No caso da rutura plástica os esforços são iguais em toda seção de rompimento, enquanto na outra há diferenciação entre a periferia e o centro da amostra). Observa-se que nesse ensaio a área da seção crítica varia durante a aplicação do esforço tangencial. Portanto, para sua real determinação deveríamos ter um processo continuado de correção. Os ensaios de Cisalhamento Direto poderão ser referidos como: Teste rápido: Executado sem as pedras porosas que seriam substituídas por placas metálicas. Nota-se que todos os ensaios compreendem a aplicação de σ no plano de rutura e a medição de τ na rutura (nesse mesmo plano). Nesse tipo de ensaio, a resistência ao cisalhamento é medida imediatamente após a aplicação da tensão normal, não havendo tempo para consolidação do solo e nem dissipação da pressão neutra (u) que ocorrerá na amostra. A força de cisalhamento é aplicada rapidamente até romper a amostra e a água não terá condição de ser drenada. Como desenvolverá pressão neutra, a tensão efetiva será a menor possível. O tempo do ensaio é de ± 5 minutos. Teste com Executado com as pedras porosas e as válvulas abertas na aplicação de σ e consolidação fechadas na obtenção de τ. O ensaio é similar ao anterior, mas permitindo a rápida: drenagem durante a aplicação da tensão normal ao plano de cisalhamento. A resistência ao cisalhamento τr, é medida após a aplicação de σ nas condições consideradas. O tempo do ensaio é de ± 3 minutos (sendo variável em função da permeabilidade da amostra). Executado com as pedras porosas e as válvulas abertas. A consolidação se Teste com consolidação dará lentamente, anulando-se a pressão neutra completamente, isto é, lenta: permitindo a dissipação da poro-pressão tanto na aplicação de σ, que é feita por partes, quanto na obtenção de τ que vai sendo executado em estágios sucessivos até o rompimento do corpo de prova. O tempo requerido para que haja toda a drenagem e não ocorra pressão neutra dependerá da permeabilidade da amostra e pode levar de 4 a 6 semanas. Esse ensaio caracteriza claramente que a resistência ao cisalhamento dos solos é a propriedade que os solos possuem de resistirem ao deslizamento de uma seção em relação à outra contígua. Observações sobre pré-adensamento Como visto, adensamento é a diminuição de volume do solo sob ação de uma pressão. Sua ocorrência é maior nos solos argilosos, pois são compressíveis, e em menor escala nos solos arenosos quando fofos. A condição de pré-adensamento é a situação em que a camada compressível tenha, em épocas geológicas anteriores, sofrido pressões muito maiores do que as que suportam atualmente, isto é, a natureza adensou a camada.

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Uma estrutura de solo pré-adensado, implica em problemas na determinação de sua resistência, pois, quando em processo de cisalhamento, este solo tende a se expandir e, assim, está sujeita a absorção de água que estará gerando uma pressão neutra (u), e logicamente, diminuindo a pressão efetiva (σ’) e o valor da determinação de τr. Se, por acaso não houver possibilidade de absorção de água quando solicitada ao cisalhamento, sua tendência de expandir acarretará aumento da resistência do solo. Assim, nas argilas pré-adensadas, havendo possibilidade de drenagem, sua resistência será maior do que na situação em que não seja possível esse expediente. Nas argilas normalmente adensadas, passa-se exatamente o contrário, ou seja: Diminuem o volume quando solicitadas ao cisalhamento; Apresentam pressão neutra positiva. Teremos, como decorrência, aumento de σ , (pressão efetiva) quando drenada, uma vez que ocorrerá a dissipação da pressão neutra u . Fatores que influenciam os resultados dos ensaios Areias – Compacidade, forma das partículas e distribuição granulométrica, (ocorrência da pressão neutra). Argilas – Estado de adensamento do solo, sensibilidade de sua estrutura, condições • de drenagem e velocidade de aplicação das cargas e a ocorrência de pressão neutra. Em função desses fatores e também das solicitações de campo, temos vários tipos de ensaios que buscam essas representações (solicitações previstas na obra). •

Tensões principais A análise do estado de tensões durante o carregamento, entretanto, é bastante complexa. O plano horizontal, antes da aplicação das tensões cisalhantes, é o plano principal maior. Com a aplicação das forças T, ocorre rotação dos planos principais. Uma das desvantagens do ensaio de cisalhamento direto é a impossibilidade de se conhecer os esforços que atuam em planos diferentes daquele de rutura, com um único ensaio. Somente depois de traçada a envoltória será possível determinar o círculo de Morh referente á condição de equilíbrio incipiente e determinar as tensões principais associada, uma vez que o círculo tangencia a linha de rutura nesse ponto determinado, cujos valores das tensões principais obtém-se pelo processo abaixo, conforme exemplo da figura 5. 14. Processo: • Ressalta-se o ponto T na envoltória (σ e τ), referente a um corpo de prova; Tira-se uma perpendicular a envoltória de rutura); • Por T determina-se r e traça-se o círculo (pelo ponto O’); • Traçado o círculo pelo ponto T tiramos uma paralela ao plano em que atuam os • espaços, no caso horizontal e determinamos o ponto P sobre o círculo; Unindo-se P a A e B temos as direções dos planos principais que estão detalhados • na seção desenhada abaixo do gráfico do ensaio; Tendo-se o círculo traçado podemos tirar, também, os valores de σ1 e σ3 (para o exemplo da figura 5. 14, têm-se respectivamente, 8,1 t/m2 e 1,7 t/m2). 115

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