Jeferson Ever Menacho Caso Características de Resistência Não Saturada de um Solo Coluvionar e um...

Jeferson Ever Menacho Caso

Características de Resistência Não Saturada de um Solo Coluvionar e um Solo Saprolítico de Tinguá, RJ

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio

Orientador: Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos

Rio de Janeiro

Abril de 2014

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PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1213252/CA


Características de Resistência Não Saturada de um Solo Coluvionar e um Solo Saprolítico de Tinguá, RJ

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos Orientador

Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Jr. Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof. Fernando Antônio Medeiros Marinho Universidade de São Paulo

Prof. Lucio Flavio de Souza Vilar Universidade Federal de Minas Gerais

Prof. José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro

Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 04 de abril de 2014.

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Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.


Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade Nacional de Engenharia - UNI em 2007. Principais áreas de interesse: Estabilidade de Taludes e Encostas, Geotecnia experimental com solos não saturados.

Ficha Catalográfica

CDD: 624

Menacho Caso, Jeferson Ever Características de resistência não saturada de um solo coluvionar e um solo saprolítico de Tinguá, RJ / Jeferson Ever Menacho Caso ; orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos. – 2014. 177 f. il. (color.) ; 30 cm Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2014. Inclui bibliografia 1. Engenharia civil – Teses. 2. Solo não saturado. 3. Cisalhamento direto com sucção controlada. 4. Solo residual jovem e coluvial. I. Campos, Tácio Mauro Pereira de. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.

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Ao meu Pai e minha Mãe por todo o apoio e amor incondicional A minha esposa e filhos por ser o motivo de superação cada dia

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Agradecimentos

A Deus!

Ao professor Tácio Mauro Pereira, por o conhecimento compartido e a amizade.

A meus Pais por todo o apoio.

A minha esposa e filhos por aguardar sempre meu retorno.

Aos meus amigos e colegas da PUC-Rio, em especial a meus amigos com que passe o maior tempo de convivência durante o dia e durante as noites de estudo.

Ao Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.

À CAPES pelo apoio financeiro.

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Resumo Caso, Jeferson Ever Menacho; de Campos, Tácio Mauro Pereira. Características de Resistência Não Saturada de um Solo Coluvionar e um Solo Saprolítico de Tinguá, RJ. Rio de Janeiro, 2014. 177p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Muitos dos movimentos de massa gravitacionais estão fortemente

associados a uma perda de sucção na resistência ao cisalhamento do solo,

decorrente de variações de umidade de origem natural (variações atmosféricas) ou

de origem artificial (atividade humana). Dentro deste contexto, no presente

trabalho analisou-se a influência da sucção na resistência ao cisalhamento,

determinaram-se as envoltórias de resistência ao cisalhamento na condição não

saturada e avaliou-se a influência de ciclos de umedecimento e secagem na

resistência dos solos. Dois tipos de solos da região de Tinguá/RJ foram

selecionados para estudo: um solo Residual Jovem e um Colúvio. Estes solos

foram submetidos a um programa experimental que consistiu da caracterização

granulométrica e mineralógica do material, seguido da obtenção da curva de

retenção de água pelo método do papel filtro. Os ensaios de resistência ao

cisalhamento envolveram ensaios de cisalhamento direto na condição saturada ou

inundada e, para a condição não saturada, utilizou-se o equipamento de

cisalhamento direto com sucção controlada (CDSC) da PUC-Rio, projetado por de

Campos (1988) e implementado por Fonseca (1991) e Delgado (1993). O

equipamento está baseado na técnica de translação de eixos. Para a determinação

da velocidade de cisalhamento na condição não saturada utilizou-se a metodologia

proposta por Ho & Fredlund (1982). A partir dos resultados obtidos foi possível

obter os parâmetros da envoltória do solo não saturado, Ø’, Øb, e c; e plotar a

superfície 3D da envoltória que relaciona a resistência do solo não saturado com a

tensão normal líquida e a sucção.

Palavras-chave

Solo não saturado; cisalhamento direto com sucção controlada; solo Residual Jovem e um Colúvio.

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Abstract

Caso, Jeferson Ever Menacho; Campos, Tácio Mauro Pereira (Advisor) Strength Characteristics of Unsaturated Colluvium and Saprolitc Soils from Tinguá, RJ. Rio de Janeiro, 2014. 177p. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Many of gravitational mass movements are strongly associated with a loss

of suction on shear strength of the soil due to moisture variations of natural origin

(atmospheric variations) or artificial sources (human activity). Within this context,

the present study examined the influence of suction on shear strength, determined

whether the envelopes of shear strength in unsaturated condition and evaluated the

influence of wetting and drying cycles in soil strength. Two types of soils in the

region of Tinguá / RJ were selected for study: A Young Residual soil and

colluvium. These soils were subjected to an experimental program that consisted

of particle size and mineralogical characterization of the material, followed by

obtaining the curve of water retention by the filter paper method. The shear

strength tests involved direct shear tests on saturated or flooded condition and to

unsaturated condition, we used the direct shear device with controlled suction

(CDSC) of PUC-Rio, designed by Field (1988) and implemented by Fonseca

(1991) and Delgado (1993). The device is based on the technique of translation of

the axes. For the determination of the shear rate in the unsaturated condition used

the methodology proposed by Ho & Fredlund (1982). From the results it was

possible to obtain the parameters of the envelope of unsaturated soil, Ø ', b, and c;

and plot the 3D surface of the envelope which relates the strength of unsaturated

soil with net normal stress and suction.

Keywords

Unsaturated Soil; shear direct with controlled suction; Colluvium and Saprolitc Soil.

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Sumário

1 Introdução 23

2 Revisão Bibliográfica 25

2.1. Origem dos Solos não saturados 25

2.2. Fases constituintes dos solos não saturados 26

2.3. Sucção 28

2.4. Curva de Retenção do solo não saturado 29

2.4.1. Fatores que influenciam a forma da curva de retenção 30

2.4.2. Métodos de obtenção da Curva de Retenção 34

2.5. Equação de Resistência ao Cisalhamento de solos não saturados 40

2.6. Principais equações para representar a curva de retenção 46

2.7. Modelos de Previsão da Resistencia de um solo não saturado 48

2.8. Estudos dos efeitos dos ciclos de umedecimento e secagem na resistência ao

cisalhamento do solo. 50

3 Equipamento, Rotinas de Ensaio e Programa de Ensaios. 52

3.1. Equipamento 52

3.1.1. Ensaio de Cisalhamento Direto Convencional 52

3.1.2. Ensaio de Cisalhamento Direto Com Sucção Controlada 53

3.1.3. Imposição de sucção com Dessecadores 60

3.1.4. Determinação da curva Característica 61

3.2. Rotinas de Ensaio 62

3.2.1. Ensaio de Cisalhamento Direto Convencional 62

3.2.2. Ensaio de Cisalhamento Direto Com Sucção Controlada 62

3.2.3. Imposição de sucção com Dessecadores 65

3.2.4. Determinação das curvas de Retenção 66

3.3. Programa de Ensaios 67

4 Área de Estudo e Amostragem 69

4.1. Área de Estudo 69

4.1.1. Meio Físico 69

4.1.2. Geologia 70

4.1.3. Aspectos Climáticos 71

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4.2. Amostragem 72

5 Caracterizações Física, Química e Mineralógica. 74

5.1. Características Físicas 74

5.1.1. Índices Físicos 74

5.1.2. Análise Granulométrica 74

5.1.3. Limites de Consistência 76

5.1.4. Classificação do Solo 77

5.1.5. Porosidade 77

5.2. Características Químicas 79

5.2.1. Análise Química Total 79

5.3. Características Mineralógicas 80

5.3.1. Análise Térmica Diferencial (ATD) 80

5.3.2. Difração de Raios-X 81

5.3.3. Microscopia Digital de Varredura 84

5.4. Curva de Retenção 86

6 Ensaios de Resistencia 91

6.1. Velocidade de cisalhamento 91

6.1.1. Tempo de Rotura para Ensaios saturados. 91

6.1.2. Tempo de Rotura para Ensaios não saturados. 92

6.2. Ensaios de Cisalhamento direto na condição submersa 97

6.3. Ensaios de Cisalhamento direto na condição não saturada 100

6.3.1. Ensaios com Tensão Normal Líquida Constante 103

6.3.2. Ensaios de Cisalhamento em Função da Tensão Normal Liquida 116

6.4. Ensaios de Cisalhamento direto com ciclos de umedecimento e secado. 123

6.4.1. Ciclo I 124

6.4.2. Ciclo II 132

7 Interpretação de Resultados 136

7.1. Critério de definição de ruptura utilizado 136

7.2. Compressibilidade dos Materiais 137

7.2.1. Amostras Submersas 137

7.2.2. Amostras Não-Saturadas 139

7.3. Resistência ao Cisalhamento 140

7.3.1. Resistência ao Cisalhamento na Condição Submersa 140

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7.3.2. Resistencia ao Cisalhamento na Condição Não saturada 142

7.3.3. Comparação dos Resultados Obtidos com Estimativas Indiretas da Resistencia ao

Cisalhamento Através de Formulações Simplificadas 151

7.3.4. Comparação dos Resultados Obtidos com outros materiais encontrados na literatura

152

7.3.5. Influência dos Ciclos de Umedecimento e Secagem na Resistencia ao Cisalhamento.

156

7.3.6. Secagem após a Saturação 156

7.3.7. Saturação após a secagem 158

8 Conclusões e sugestões 160

8.1. Conclusões 160

8.1.1. Caracterização física, química e mineralógica. 160

8.1.2. Compressibilidade 161

8.1.3. Resistencia ao cisalhamento 161

8.2. Sugestões 163

Referências Bibliográficas 164

Apêndice A Calibração dos instrumentos eletrônicos e saturação do disco cerâmico (DAVE)

171

A.1. Calibração dos instrumentos eletrônicos de medição. 171

A.2. Saturação do Disco Cerâmico de Alto Valor de Entrada de Ar (DAVE). 176

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Lista de Figuras

Figura 2.1 – Formação do solo não saturado no ciclo hidrológico. Lu and Likos (2004). ..... 26

Figura 2.2 – Elemento de solo não saturado com a fase gasosa continua. (adaptado de

Fredlund e Morgenstern, 1977). .................................................................................... 27

Figura 2.3 – Definição de Sucção Total e suas componentes através de uma membrana

semipermeável, Marinho (2000). ................................................................................... 29

Figura 2.4 – Curva de Retenção típica para um solo siltoso, segundo Fredlund e Xing

(1994). ........................................................................................................................... 29

Figura 2.5 – Influência do tipo de solo na curva de característica, Fredlund e Xing (1994). . 31

Figura 2.6 – Curvas de retenção para dois solos tropicais, Futai (2002). ............................. 32

Figura 2.7 – Curvas de retenção obtidas no trecho seco e trecho úmido da compactação,

Oliveira (2002). .............................................................................................................. 32

Figura 2.8 – Curvas características obtidas seguindo trajetórias de umedecimento e

secagem, Ng e Pang (2000). ......................................................................................... 33

Figura 2.9 – Curvas características obtidas para diferentes tensões liquidas, Ng e Pang

(2000). ........................................................................................................................... 34

Figura 2.10 – Aplicação de sucção por imposição da umidade relativa através dos

dessecadores, Soto (2004). ........................................................................................... 38

Figura 2.11 – Possíveis envoltórias de ruptura para um solo não saturado, adaptado de

Fredlund (2002). ............................................................................................................ 42

Figura 2.12 – Resultados obtidos a partir de ensaios de cisalhamento direto com sucção

controlada plotados nos planos vs. (σ-ua) e vs. (ua-uw), Escário e Sáez (1986). ...... 43

Figura 2.13 – Não linearidade da envoltória de resistência no plano vs. (ua-uw) Fredlund et

al. (1987). ....................................................................................................................... 44

Figura 2.14 – Relação entre curva característica e envoltória de resistência ao cisalhamento,

Fredlund ( 2002) ............................................................................................................ 45

Figura 2.15 – Envoltória de resistência no plano vs. (ua-uw) para diferentes solos, Rassam

e Cook (2002). ............................................................................................................... 45

Figura 2.16 – Determinação gráfica dos parâmetros necessários para calcular os valores de

a, n e m. Fredlund e Xing (1994). .................................................................................. 47

Figura 2.17 – Relação entre o parâmetro de ajuste (k) e o índice de plasticidade (IP)

(Vanapalli & Fredlund, 2000). ........................................................................................ 49

Figura 3.1 – Equipamento de Cisalhamento Direto Convencional da PUC-Rio. ................... 52

Figura 3.2 – Equipamento de Cisalhamento Direto com sucção controlada da PUC-Rio. ... 54

Figura 3.3 – Câmara de Pressão de Ar. ................................................................................ 55

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Figura 3.4 – Caixa de cisalhamento Bipartida. ...................................................................... 56

Figura 3.5 – Câmara de Ar comprimido com válvulas para pressão de água e ar. ............... 57

Figura 3.6 – Sistema de aplicação de carga vertical composto por um pendural e braço de

alavanca. ....................................................................................................................... 58

Figura 3.7 – Sistema de extração de bolhas de ar. ............................................................... 59

Figura 3.8 – Sistema de Aquisição de Dados. ....................................................................... 60

Figura 3.9 – Imposição da sucção através dos dessecadores. ............................................. 60

Figura 3.10 – Papel filtro tipo Whatman N°42 utilizado na determinação da curva de

retenção. ........................................................................................................................ 61

Figura 3.11 – Trechos de avaliação para detecção de vazamentos, Adaptado de Delgado

(1993). ........................................................................................................................... 63

Figura 4.1 – Localização da Área de Estudo ......................................................................... 70

Figura 4.2 – Localização dos dois pontos de amostragem dentro do plano geológico. ........ 70

Figura 4.3 - Talude escavado de leucognaisse, a foliação é caracterizada por bandamento

composicional. ............................................................................................................... 71

Figura 4.4 - Feldspato róseo e micas centimétricas característico localmente. .................. 71

Figura 4.5 - Classificação da Reserva Biológica do Tinguá quanto à temperatura e umidade

médias (Fonte: Plano de Manejo da Reserva Biológica do Tinguá). ............................. 72

Figura 4.6 – Talude de retirada da amostra do solo Colúvio (Campus Avançado da PUC-

Rio). ............................................................................................................................... 73

Figura 4.7 – Talude de retirada da amostra do solo Residual Jovem ( Reserva Biológica de

Tinguá). .......................................................................................................................... 73

Figura 5.1 – Curvas granulométricas do solo Colúvio realizado com hexamefosfato de sódio

e água como defloculante respectivamente. ................................................................. 75

Figura 5.2 – Curvas granulométricas do solo Residual Jovem realizado com hexamefosfato

de sódio e água como defloculante respectivamente. ................................................... 76

Figura 5.3 – Curvas de Distribuição de poros respeito ao tamanho dos poros. .................... 78

Figura 5.4 – Curvas de Distribuição Acumulado de poros ao tamanho dos poros. ............... 78

Figura 5.5 – Termograma do solo Residual Jovem. .............................................................. 80

Figura 5.6 – Termograma do solo Coluvio. ........................................................................... 81

Figura 5.7 – Difratograma do material retido na peneira #200 do solo Residual Jovem. ...... 82

Figura 5.8 – Difratograma do material retido na peneira #400 do solo Residual jovem. ....... 82

Figura 5.9 – Difratograma do material retido na peneira #200 do Colúvio. ........................... 83

Figura 5.10 – Difratograma do material retido na peneira #400 do Colúvio. ......................... 83

Figura 5.11 – Distribuição de poros (macroporos) na estrutura do solo Residual Jovem. .... 84

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Figura 5.12 – Presença de material cimentante (óxido de ferro) envolvendo os grãos de

quartzo e feldspato na estrutura do solo Residual Jovem. ............................................ 85

Figura 5.13 – Distribuição de poros na estrutura do solo Residual Jovem. .......................... 85

Figura 5.14 –Visualização dos macroporos e microporos na estrutura do Colúvio. .............. 86

Figura 5.15 – Curva de retenção seguindo uma trajetória de umedecimento – solo Colúvio.

....................................................................................................................................... 87

Figura 5.16 – Curva de retenção seguindo uma trajetória de secagem – solo Colúvio. ....... 87

Figura 5.17 – Curva de retenção – solo Residual Jovem. ..................................................... 88

Figura 5.18 – Curva de retenção em função da umidade Gravimétrica – Colúvio. ............... 88

Figura 5.19 – Curva de retenção em função da umidade Volumétrica – Colúvio. ................ 89

Figura 5.20 – Curva de retenção em função do grau de saturação – Colúvio. ..................... 89

Figura 5.21 – Curva de retenção em função da umidade Gravimétrica – Solo Residual

Jovem. ........................................................................................................................... 90

Figura 5.22 – Curva de retenção em função da umidade Volumétrica – Solo Residual Jovem.

....................................................................................................................................... 90

Figura 5.23 – Curva de retenção em função do Grau de Saturação – Solo Residual Jovem.

....................................................................................................................................... 90

Figura 6.1 – Coeficiente de Permeabilidade relativa versus sucção mátrica para o solo

Residual Jovem. ............................................................................................................ 94

Figura 6.2 – Previsão da função permeabilidade não saturada para o solo Residual Jovem.

....................................................................................................................................... 95

Figura 6.3 – Coeficiente de Permeabilidade relativa versus sucção mátrica para o Colúvio. 95

Figura 6.4 – Previsão da função permeabilidade não saturada para o solo o Colúvio. ....... 96

Figura 6.5 – Ensaio de cisalhamento Direto – curva tensão – deslocamento, do solo

Residual jovem. ............................................................................................................. 99

Figura 6.6 – Ensaio de cisalhamento Direto – curva tensão – deslocamento, do Colúvio. . 100

Figura 6.7 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que sai ou

entra no C.P em função do tempo de ensaio da série I – solo Residual Jovem. ........ 104

Figura 6.8 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica com

respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I – solo Residual

Jovem. ......................................................................................................................... 105


entra no C.P em função do tempo de ensaio da série I – Colúvio. .............................. 106

Figura 6.10 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica

com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I – Colúvio. ... 107

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entra no C.P em função do tempo de ensaio da série II – solo Residual Jovem. ....... 108


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II – solo Residual

Jovem. ......................................................................................................................... 109


entra no C.P em função do tempo de ensaio da série II – Colúvio. ............................. 110


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II – Colúvio. .. 111


entra no C.P em função do tempo de ensaio da série III – solo Residual Jovem. ...... 112


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III – solo Residual

Jovem. ......................................................................................................................... 113


entra no C.P em função do tempo de ensaio da série III – Colúvio. ............................ 114


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III – Colúvio. . 115


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do cisalhamento da série I – solo

Residual Jovem. .......................................................................................................... 117


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I – Colúvio. ... 118


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II – solo Residual

Jovem. ......................................................................................................................... 119


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II – Colúvio. .. 120


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III – solo Residual

Jovem. ......................................................................................................................... 121


com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III – Colúvio. . 122


com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.1 com ciclo e sem ciclo de

umedecimento e secagem no Colúvio. ........................................................................ 126

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umedecimento e secagem no solo Residual Jovem. ................................................... 129








com respeito ao deslocamento horizontal dos ensaios II.1, II.2 e II.3 comparadas com a

obtida da condição submersa no solo Colúvio. ........................................................... 134


com respeito ao deslocamento horizontal dos ensaios II.1, II.2 e II.3 comparadas com a

obtida da condição submersa no solo Residual Jovem. .............................................. 135

Figura 7.1 – Critério de definição dos pontos de ruptura. .................................................... 137

Figura 7.2 – Curva de compressibilidade em função da tensão normal na condição

submersa, para o solo Residual jovem. ....................................................................... 138


submersa, para o Colúvio. ........................................................................................... 138

Figura 7.4 – Variação do índice de vazios com a tensão normal líquida para o solo Residual

Jovem. ......................................................................................................................... 139

Figura 7.5 – Variação do índice de vazios com a tensão normal líquida para o Colúvio. ... 139

Figura 7.6 – Envoltória de resistência de amostras submersas do solo Residual .............. 141

Figura 7.7 – Envoltória de resistência de amostras submersas do Colúvio. ....................... 141

Figura 7.8 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante vs. sucção

mátrica do solo Residual jovem. .................................................................................. 144

Figura 7.9 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante vs. sucção

mátrica do Colúvio. ...................................................................................................... 145

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Figura 7.10 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante vs. Tensão

Normal Líquida do solo Residual jovem. ..................................................................... 145

Figura 7.11 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante vs. Tensão

Normal Líquida do solo Colúvio. .................................................................................. 146

Figura 7.12 – Variação da coesão aparente com relação à sucção mátrica para o solo

Residual jovem. ........................................................................................................... 147

Figura 7.13 – Variação da coesão aparente com relação à sucção mátrica para o solo

Colúvio. ........................................................................................................................ 147

Figura 7.14 – Variação de Ø’ e Øb com relação à sucção mátrica para o solo Residual

Jovem. ......................................................................................................................... 148

Figura 7.15 – Variação de Ø’ e Øb com relação à sucção mátrica para o Colúvio. ............ 148

Figura 7.16 – Envoltória Tridimensional de Resistência para o solo Residual jovem. ....... 149

Figura 7.17 – Envoltória Tridimensional de Resistência para o Colúvio. ........................... 150

Figura 7.18 – Comparação das envoltórias obtidas com as formulações propostas pelos

autores com a envoltória obtida experimentalmente para o solo Residual jovem. ...... 151

Figura 7.19 – Comparação das envoltórias obtidas com as formulações propostas pelos

autores com a envoltória obtida experimentalmente para o Colúvio. .......................... 151

Figura 7.20 – Comparação das envoltórias de resistência para todos os solos Coluvionares.

..................................................................................................................................... 154

Figura 7.21 – Comparação das envoltórias de resistência para todos os solos residuais. . 154

Figura 7.22 – Comparação das Variações de Øb com a sucção para todos os solos

Coluvionares.................................................................................................................155


Residuais......................................................................................................................155

Figura 7.24 – Superposição dos pares de tensões do ciclo I na envoltória de resistência,

para uma tensão normal líquida de 120 kPa – Colúvio. .............................................. 156

Figura 7.25 – Superposição dos pares de tensões da série I na envoltória de resistência,

para uma tensão líquida de 120 kPa – solo Residual jovem. ...................................... 157

Figura 7.26 – Resistência ao cisalhamento após a saturação versus o nível de sucção

atingido antes da saturação, para uma tensão líquida de 120 kPa – Colúvio. ............ 158

Figura 7.27 – Resistência ao cisalhamento após da saturação versus o nível de sucção

atingido antes da saturação, para uma tensão líquida de 120 kPa – solo Residual

Jovem. ......................................................................................................................... 159

Figura A.1 – Sistema de aquisição de dados. ..................................................................... 171

Figura A.2 – Curva de calibração do transdutor de deslocamento: (a) vertical; (b) horizontal.

..................................................................................................................................... 173

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Figura A.3 – Curva de calibração do transdutor de pressão: (a) de ar; (b) de água. .......... 174

Figura A.4 – Curva de calibração da célula de carga: (a) horizontal; (b) vertical. ............... 175

Figura A.5 – Curva de calibração do medidor de variação volumétrico. ............................. 176

Figura A.6 – Curva de Volume percolado vs. Tempo de percolação. ................................. 177

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Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Técnicas utilizadas para a medição da sucção do solo, Fredlund e Rahardjo,(

1993); Marinho, (1997). ................................................................................................. 34

Tabela 2.2 – Tempos de equilíbrio necessários para medições de sucção total; Marinho

(1997) ............................................................................................................................ 35

Tabela 2.3 – Equações de calibração dos papeis filtro Schleider & Schuell No. 589. e

Whatman No 42, Feuerharmel (2007). ......................................................................... 36

Tabela 2.4 – Níveis de sucção total para diferentes concentrações de NaCl, Lu and Likos

(2004). ........................................................................................................................... 38

Tabela 2.5 – Principais equações de ajuste da Curva de Retenção. Adaptado de Oliveira

(2004). ........................................................................................................................... 46

Tabela 3.1 – Principais Características dos Equipamentos CDSC, adaptado de Fonseca

(1991). ........................................................................................................................... 53

Tabela 3.2 – Concentrações de soluto para as sucções desejadas. .................................... 65

Tabela 3.3 – Séries de ensaios de cisalhamento direto convencional, com sucção controlada

e com ciclos de umedecimento e secagem, respectivamente. ...................................... 67

Tabela 5.1 – Índices físicos das amostras indeformadas. ..................................................... 74

Tabela 5.2 – Resumo da granulometria de cada solo analisado. .......................................... 75

Tabela 5.3 – Limites de consistência e atividade da fracção argila. ...................................... 76

Tabela 5.4 – Classificação IUPAC (Diâmetro de Poros). ..................................................... 77

Tabela 5.5 – Análise Química Total ....................................................................................... 79

Tabela 6.1 – Velocidades de Cisalhamento para a condição Saturada do solo Coluvio. ..... 92

Tabela 6.2 – Velocidades de Cisalhamento para a condição Saturada do solo Residual

Jovem. ........................................................................................................................... 92

Tabela 6.3 Apresenta as velocidades calculadas para os ensaios de cisalhamento direto

com sucção controlada para o solo Residual Jovem. .................................................... 96


com sucção controlada para o Colúvio. ......................................................................... 97

Tabela 6.5 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio – solo

Residual Jovem. ............................................................................................................ 98

Tabela 6.6 – Índices Físicos no inicio, após do adensamento e no final do ensaio – Colúvio.

....................................................................................................................................... 98

Tabela 6.7 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio do solo

Residual Jovem. .......................................................................................................... 101

DBD


Tabela 6.8 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio do Colúvio.

..................................................................................................................................... 102

Tabela 6.9 – Série de Ensaios em função da Tensão Normal líquida aplicada. ................. 116

Tabela 6.10 – Ciclos de Umedecimento e Secagem para o Colúvio e solo Residual. ........ 123

Tabela 6.11 – Índices físicos ao longo do Ciclo I para o Colúvio. ....................................... 124

Tabela 6.12 – Índices físicos ao longo do Ciclo I para o Solo Residual Jovem. ................. 124

Tabela 6.9 – Índices físicos ao longo do Ciclo II para o Colúvio. ........................................ 132

Tabela 6.10 – Índices físicos ao longo do Ciclo II para o Solo Residual Jovem. ................ 132

Tabela 7.1 – Tensão cisalhante, tensão normal e deslocamento horizontal na ruptura para o

solo Residual jovem. .................................................................................................... 140

Tabela 7.2 – Tensão cisalhante, tensão normal e deslocamento horizontal na ruptura para o

Colúvio. ........................................................................................................................ 140

Tabela 7.3 – Tensão cisalhante, tensão normal líquida, sucção mátrica e deslocamento

horizontal na ruptura para o solo Residual Jovem. ...................................................... 142

Tabela 7.4 – Tensão cisalhante, tensão normal líquida, sucção mátrica e deslocamento

horizontal na ruptura para o solo Colúvio. ................................................................... 142

Tabela 7.5 – Equações de ajuste Hiperbólico para o solo Residual Jovem. ...................... 143

Tabela 7.6 – Equações de ajuste Hiperbólico para o Colúvio. ........................................... 143

Tabela 7.7 – Parâmetros de resistência no plano da Tensão normal líquida para o solo

Residual Jovem. .......................................................................................................... 146

Tabela 7.8 – Parâmetros de resistência no plano da Tensão normal líquida para o Colúvio.

..................................................................................................................................... 146

Tabela 7.9 – Resumo das características físicas dos 4 Colúvios considerados. ............... 152

Tabela 7.10 – Resumo das características físicas dos 3 Solos Residuais considerados. . 153

Tabela A.1 – Características dos instrumentos elétricos de medição. ................................ 172

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Lista de Símbolos

CDSC = cisalhamento direto com sucção controlada;

DAVE = disco cerâmico de alto valor de entrada de ar;

ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas;

SUCS = sistema unificado de classificação de solo;

ASTM = American Society for Testing and Materials;

= tensão normal;

r = tensão normal na ruptura;

’ = tensão efetiva;

c’, Ø’ = parâmetros efetivos de resistência do solo saturado;

c = coesão aparente do solo devido ao acréscimo de sucção mátrica;

= tensão cisalhante;

r = tensão cisalhante na ruptura;

= parâmetro que dependente do tipo e da estrutura do solo, do grau de saturação,

da seqüência de umedecimento e secagem, da história, do nível e da trajetória de

tensões;

Øb= parâmetro que quantifica o aumento na resistência devido a um aumento na

sucção matricial;

uw = pressão de água;

ua = pressão de ar;

(σ – ua) = tensão normal líquida;

(σ – ua)r = tensão normal líquida na ruptura;

(ua – uw) = sucção mátrica;

(ua – uw)r = sucção mátrica na ruptura;

# = diâmetro da abertura da malha da peneira;

Gs = densidade relativa dos grãos;

LC = limite de contração;

LL = limite de liquidez;

LP = limite de plasticidade;

IP = índice de plasticidade;

CH = argila de alta plasticidade, de acordo com a classificação do solo da SUCS;

o-ring = anel de borracha de vedação;

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top-cap = tampa metálica para distribuição uniforme da carga normal sobre toda a área da

amostra;

α = ângulo de inclinação constante da curva tensão-deslocamento;

δv = deslocamento vertical;

δh = deslocamento horizontal;

δhr = deslocamento horizontal na ruptura;

n = porosidade;

ρs = massa específica dos grãos de solo;

n = peso específico natural;

d = peso específico seco;

w = peso específico da água;

e = índice de vazios;

eo = índice de vazios inicial;

w = teor de umidade gravimétrico;

wreal = teor de umidade gravimétrico calculado a partir de secagem em estufa;

wcalc = teor de umidade gravimétrico calculado utilizando o sistema de medição de

variação volumétrica;

θ = teor de umidade volumétrico;

θs = teor de umidade volumétrico do solo saturado;

θr = teor de umidade volumétrico do solo correspondente a condição de saturação

residual;

S = grau de saturação;

a, b = parâmetros de ajuste da função hiperbólica;

k = parâmetro de ajuste;

ψ = sucηγo;

Θ = teor de umidade volumétrico normalizado;

Tf = tempo de ruptura;

Cv = coeficiente de adensamento relacionado ao ensaio;

U = grau médio de dissipação do excesso de poro-pressão (95%);

η = parâmetro referente a drenagem;

Cw = coeficiente de adensamento do solo não saturado relacionado com a fase

líquida;

Kw = coeficiente de permeabilidade do solo não saturado relacionado com a fase

líquida;

ρw = densidade da água;

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g = aceleração da gravidade;

mw = 2 inclinação da curva característica de sucção;

λ = fator de impedância;

Kd = coeficiente de permeabilidade do DAVE;

Ld = espessura do DAVE;

Kr(ψ ) = coeficiente de permeabilidade relativa em função da sucção;

Kw(ψ ) = coeficiente de permeabilidade não saturado em função da sucção;

Ks= coeficiente de permeabilidade saturado;

a, n, m = parâmetros de ajuste segundo a metodologia de Fredlund e Xing (1994).

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1 Introdução

O estudo e entendimento dos solos na condição não saturada tem se

tornado nas últimas décadas bastante importante, já que muitos dos movimentos

de massa gravitacionais estão fortemente associados a uma perda de sucção na

resistência ao cisalhamento do solo, decorrente de variações de umidade de

origem natural (variações atmosféricas) ou de origem artificial (atividade

humana).

Nos períodos de chuva, a água infiltra dentro solo tendendo a gerar

excessos de poropressões positivas, reduzindo o valor da sucção ou coesão

aparente e consequentemente de sua resistência. Entretanto, nos períodos de

estiagem, o solo é submetido a processos de secagem que fazem com que as

poropressões da água se tornem negativos e sofram ganhos de resistência,

decorrente de acréscimos da sucção.

Estes ciclos de umedecimento e secagem apresentam variações

volumétricas e de resistência no solo não saturado, decorrentes de mudanças na

sua estrutura.

Dentro deste contexto, o presente trabalho procura determinar as

envoltórias de resistência ao cisalhamento na condição não saturada e avaliar a

influência de ciclos de umedecimento e secagem na resistência dos solos.

Dois tipos de solos da região de Tinguá/RJ foram selecionados para

estudo: um solo residual jovem e um colúvio. Estes solos foram submetidos a um

programa experimental que consistiu da caracterização granulométrica e

mineralógica do material, seguido da obtenção da curva de retenção de água

pelo método do papel filtro. Os ensaios de resistência ao cisalhamento

envolveram ensaios de cisalhamento direto na condição submersa ou inundada

e, para a condição não saturada, utilizou-se o equipamento de cisalhamento

direto com sucção controlada (CDSC) da PUC-Rio, projetado por de Campos

(1988) e implementado por Fonseca (1991) e Delgado (1993). O equipamento

está baseado na técnica de translação de eixos.

Em suma, os objetivos específicos deste trabalho compreendem:

a) Determinar as curvas de retenção do solo Residual e do solo Colúvio

através do método do papel filtro.

DBD


24

b) Determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento na

condição submersa e não saturada para ambos os solos a partir da

definição da superfície 3D que representa a envoltória de resistência

ao cisalhamento de um solo não saturado.

c) Comparar as envoltórias obtidas com modelos existentes para

previsão da resistência ao cisalhamento, a partir da curva de retenção

e parâmetros de resistência na condição submersa.

d) Determinar as curvas de resistência ao cisalhamento após ciclos de

umedecimento e secagem; e compará-las com as curvas sem ciclos

de umedecimento e secagem.

O conteúdo desta tese está dividido em 8 capítulos, os quais são

descritos a seguir:

No capitulo 2 se faz uma revisão bibliográfica dos conceitos principais da

Mecânica de Solos Não Saturados, com ênfase em aspectos à resistência ao

cisalhamento não saturada.

O capitulo 3 apresenta uma descrição detalhada dos equipamentos

utilizados e as rotinas desenvolvidas, descrevendo o procedimento e sequência

seguida na execução dos ensaios, principalmente nos ensaios de cisalhamento

direto com sucção controlada.

No capitulo 4 descreve-se a área de estudo do ponto de vista físico e

geológico, além disso se faz uma breve descrição da amostragem.

No capitulo 5 são apresentados os resultados dos ensaios de

caracterização física, química e mineralógica, bem como as curvas de retenção

obtidas através do papel filtro.

O capitulo 6 apresenta os resultados dos ensaios de cisalhamento direto

na condição submersa, na condição não saturada e com ciclos de

umedecimento e secagem.

Já no capitulo 7 se faz uma analise e interpretação dos resultados

apresentados no capitulo anterior. É neste capitulo onde são determinados os

parâmetros e as envoltórias de resistência dos solos não saturados, além disso,

se apresentam as comparações mencionadas anteriormente.

Finalmente, no capitulo 8 as conclusões deste trabalho são

apresentadas, assim como sugestões para trabalhos futuros.

DBD


2 Revisão Bibliográfica

Os solos na condição não saturada foram ignorados por muitos anos nas

análises de projetos de engenharia civil e construção, devido a que a mecânica

de solos clássica considerava o solo só nas duas condições extremas, saturado

ou seco.

Ao longo dos últimos 50 anos surgiu a necessidade de uma teoria que

represente o solo em seu estado intermediário, ou seja, na condição não

saturada.

Essa necessidade tem-se tornado muito importante nas ultimas décadas,

uma vez que esses materiais são encontrados em todos os continentes,

particularmente nos países de clima árido e semiárido (mais de 60 % dos países

do mundo) e em regiões de clima tropical como Brasil.

No que se segue apresenta-se uma breve, limitada, revisão da literatura

envolvendo, essencialmente, aspectos de interesse ao presente trabalho.

2.1. Origem dos Solos não saturados

O tamanho e dimensão da zona de solo não saturado perto da superfície

são extremamente sensíveis a mudanças do clima local e regional. O clima é um

fator importante na formação dos solos não saturados, pelo fato de que a água

presente no solo é removida através de evaporação ou de evapotranspiração da

cobertura vegetal (Lu e Likos, 2004). Portanto, a parte do solo próxima à

superfície está constantemente exposta a um processo de dessaturação,

desenvolvendo pressões negativas de água (Fredlund e Rahardjo, 1993).

Alguns solos não saturados originam-se a partir da condição saturada,

como por exemplo, os solos do fundo de um lago, que por processos de

evaporação o nível de água foi diminuindo até a secagem do solo ali depositado.

Consequentemente, o valor da poropressão tem seu valor reduzido e se

torna negativo, em relação à pressão atmosférica sobre o nível de água.

Outro exemplo está relacionado com o crescimento da vegetação, que

produz uma pressão negativa na fase água gerada por evapotranspiração.

DBD


26

Além disso, Fredlund (1979) propõe mais um modo de dessaturação

associado ao desenvolvimento de pressões negativas dentro do solo, maiores

que as pressões de confinamento, chamado de fissuração. Com o decorrer do

tempo, o solo é sujeito a mudanças climáticas e ambientais (ciclos de

umedecimento e secagem), que produzem variações nos valores de

poropressão, gerando processos de colapso ou expansão na estrutura do solo.

A figura 2.1 mostra um diagrama esquemático da formação do solo não saturado

dentro do ciclo hidrológico.

Figura 2.1 – Formação do solo não saturado no ciclo hidrológico. Lu and Likos

(2004).

2.2. Fases constituintes dos solos não saturados

Comumente o solo não saturado é considerado como trifásico constituído

por uma fase sólida, líquida e gasosa.

Entretanto, Fredlund e Morgensterm (1977) propõem a interface ar-água

como uma quarta fase constituinte do solo, também chamada de membrana

contráctil, por apresentar propriedades diferentes dos materiais que as rodeiam e

superfícies de fronteira definidas que faz qualifica-la como um material

independente de uma mistura. (Figura 2.2)

Por outro lado, do ponto de vista peso-volume, pode-se considerar o solo

não saturado como um sistema trifásico, uma vez que o volume da membrana

contráctil é pequeno e seu peso é praticamente imperceptível.

DBD


27

Neste trabalho, o solo é considerado como um sistema trifásico,

constituído pelo esqueleto sólido, com seus poros preenchidos por água e ar.

Estas fases estão descritas abaixo.

Fase Sólida - Constituída pelas partículas sólidas, que compõem a

estrutura do solo. Estas partículas podem apresentar características diversas tais

como forma, tamanho, textura, composição, mineralogia, etc.

Fase Líquida - Constituída geralmente por água, a qual pode conter sais

dissolvidos que, por sua vez, podem afetar a formação da camada dupla de

argilominerais, influenciando as características de resistência e variação de

volume do solo. De uma forma clássica, a água do solo tem sido classificada em:

água capilar, que permanece no solo por ação das forças capilares e pode se

deslocar pela ação das mesmas; água adsorvida na partícula ou fazendo parte

da camada dupla, a qual não pode ser removida por ações hidrodinâmicas; e a

água gravitacional, a qual o solo pode perder em condições de drenagem livre

pela ação da gravidade. Pode-se considerar do ponto de vista hidrodinâmico,

que a água gravitacional e a capilar formam uma só unidade, denominada de

água livre.

Fase Gasosa – Formada geralmente por ar livre e vapor de água. No que

se refere ao ar, uma característica muito importante é sua compressibilidade. A

não continuidade desta fase no material pode invalidar as técnicas de ensaios

utilizadas (técnica de translação de eixos) para solos não saturados (Carrillo,

1993).

Figura 2.2 – Elemento de solo não saturado com a fase gasosa continua.

(adaptado de Fredlund e Morgenstern, 1977).

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28

2.3. Sucção

A sucção do solo também definida como sucção total tem duas

componentes. A primeira chamada de sucção matricial e a segunda sucção

osmótica. A sucção mátrica está relacionada ao arranjo das partículas do solo,

bem como com a capacidade das mesmas de reter água. A sucção osmótica é

decorrente da interação da água com o campo de forças exercido por

substâncias ou sais dissolvidos.

Aitchison (1965) define a sucção total como uma medida de pressão

negativa relativa à pressão de gás externa no solo com água, para o qual uma

quantidade de água deve estar sujeita ao equilíbrio por uma membrana

semipermeável com o solo com água.

Marinho (2000) apresentou uma definição da sucção total através de uma

membrana semipermeável que separa a água pura de um sistema constituído

pelo solo e água intersticial. A membrana é permeável à agua, mas não permite

a passagem dos solutos, logo pode existir uma diferença de concentração

química entre a água livre e a água do solo. A sucção mátrica é a diferença de

pressão através de uma membrana que separa o sistema solo/água intersticial

de uma solução idêntica à da água intersticial, mas sem o solo. Esta membrana

é permeável à solução, portanto não há diferença de concentração química de

um ponto a outro do poro fluido. A sucção osmótica é obtida pela diferença entre

as sucções total e mátrica, como é mostrado na figura 2.3.

A sucção mátrica é definida como a pressão negativa devido aos efeitos da

capilaridade e das forças de absorção. É referente à matriz do solo. A sucção

osmótica está associada à pressão parcial do vapor de água em equilíbrio com a

água livre (Lopes, 2006).

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29

Figura 2.3 – Definição de Sucção Total e suas componentes através de uma

membrana semipermeável, Marinho (2000).

2.4. Curva de Retenção do solo não saturado

A curva de retenção define a função que relaciona a quantidade de água

retida nos poros do solo com a energia que se precisa para tirar essa quantidade

de água. Esta quantidade de água é comumente referida à umidade gravimétrica

(w), umidade volumétrica (θw), ou grau de saturação (S).

Na figura 2.4 apresenta-se a curva de retenção para um solo siltoso

mostrando seus principais pontos característicos como, por exemplo: valor de

entrada de ar ψb (valor de sucção na qual a água começa a ser retirada dos

poros do solo), umidade residual θr (umidade associada ao valor de sucção

necessário para retirar água do solo) e a umidade correspondente à saturação

θs.

Figura 2.4 – Curva de Retenção típica para um solo siltoso, segundo Fredlund e

Xing (1994).

DBD


30

O valor de entrada de ar (sucção) é determinado através da intersecção da

reta horizontal que passa pela a umidade de saturação com a reta inclinada que

passa pelo ponto de inflexão. A umidade residual é obtida da mesma forma

intersectando a reta anterior inclinada com a reta que aproxima a curva para

valores altos de sucção, como mostrado na figura 2.4.

A curva pode ser obtida seguindo uma trajetória típica de secagem ou

umedecimento das amostras do solo. O processo da secagem consiste em uma

prévia saturação das amostras e posteriormente secagem ao ar, o que origina

uma diminuição da sua umidade e paralelamente um acréscimo da sucção.

No processo de umedecimento é o contrário, já que as amostras partem de

uma condição seca e posteriormente vão se umedecendo promovendo um

aumento da umidade, enquanto a sucção diminui. Quando ambas as curvas são

comparadas mostram um afastamento uma da outra, chamado de Histerese,

sendo que a curva obtida por processo de secagem para um mesmo valor de

sucção apresenta maiores valores de umidade volumétrica.

Segundo Hillel (1971) o comportamento histérico da curva característica é

atribuído à geometria dos poros, ao aprisionamento de ar nos vazios do solo e

ao efeito do ângulo de molhamento em processos de drenagem e de

umedecimento.

2.4.1. Fatores que influenciam a forma da curva de retenção

Vários autores têm pesquisado sobre os fatores que determinam a

posição, inclinação e forma da curva de retenção, entre eles Tinjum et al. (1997),

Vanapalli et al.(1999) e Gerscovich (2001) que demostraram vários fatores, tais

como: tipo de solo (representado pelo tamanho de grãos e composição

mineralógica), arranjo estrutural, teor de umidade inicial, história de tensões,

índice de vazios, histerese, entre outros, Os itens a seguir descrevem os

principais fatores:

DBD


31

2.4.1.1.Tipo de solo

Segundo Fredlund e Xing (1994), o teor de umidade aumenta com a

plasticidade do solo como é mostrado na figura 2.5 para três solos típicos (areia,

silte e argila). Valores mais baixos de sucção estão associados às forças

capilares enquanto que os valores mais altos de sucção estão principalmente

relacionados aos mecanismos de absorção que são influenciados pela

composição mineralógica.

Pedregulhos ou areias, solos de granulometria grossa, apresentam largos

poros interconectados e uma rápida variação no grau de saturação com a

sucção (curva mais íngreme). O início do estágio residual da não saturação

nesses solos é bem definido. Os solos com maior teor de finos, como as argilas,

tendem a apresentar uma curva mais suave e, consequentemente, uma maior

capacidade de armazenar água. Já os solos siltosos apresentam um

comportamento intermediário, ficando normalmente entre as duas primeiras

curvas. Na figura 2.5 percebe-se que quanto maior o teor de finos, maior o valor

de entrada de ar e umidade residual.

Figura 2.5 – Influência do tipo de solo na curva de característica, Fredlund e Xing

(1994).

Segundo Futai (2002), os solos tropicais podem apresentar

comportamento diferente ao mencionado anteriormente. Como por exemplo, um

solo laterítico, mesmo sendo mais argiloso que outro solo saprolítico, pode ter

um valor de entrada de ar maior.

DBD


32

Figura 2.6 – Curvas de retenção para dois solos tropicais, Futai (2002).

2.4.1.2. Arranjo Estrutural

Lambe (1958) identificou dois tipos de disposição das partículas: estrutura

floculada, onde o contato entre partículas se localiza nas arestas enquanto que

na estrutura dispersa se posiciona paralelamente uma com outra.

No caso dos solos compactados, a compactação no trecho seco gera uma

estrutura floculada enquanto que no trecho úmido, a estrutura é dispersa.

Oliveira (2004) seguindo a mesma metodologia que foi utilizada por

Vanapalli em ensaios anteriores, mostrou a influência da estrutura do solo

compactado na forma da curva de característica, sendo que a curva obtida no

trecho seco da compactação apresentou menor capacidade de retenção de agua

que a curva obtida no trecho úmido.

Figura 2.7 – Curvas de retenção obtidas no trecho seco e trecho úmido da

compactação, Oliveira (2002).

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33

2.4.1.3. Histerese

A curva de retenção pode ser determinada seguindo uma trajetória de

umedecimento ou uma de secagem, dependendo da umidade inicial do solo.

Porém estas curvas apresentam formas diferentes estando afastadas uma da

outra, como é mostrado na figura 2.8.

Dineen e Ridley (1999) notaram que na trajetória de secagem a sucção

está associada ao poro maior, devido a que o poro maior encontra-se preenchido

com água, enquanto que no umedecimento a sucção está associada ao poro

menor, já que o interior fica preenchido de ar.

Figura 2.8 – Curvas características obtidas seguindo trajetórias de umedecimento

e secagem, Ng e Pang (2000).

2.4.1.4.História de Tensões

Feuerharmel (2007) mediante ensaios realizados em uma placa de

pressão e com amostras naturais carregadas a diferentes níveis de tensões

líquidas observou que quanto maior é a tensão vertical, maior é o valor de

entrada de ar, mas a taxa de dessaturação é menor como são apresentados na

figura 2.9.

Huang (1994), citado em Barbour (1998), observou em ensaios similares

que a tensão de pré-adensamento influência a curva característica para baixos

valores de sucção e que para sucções maiores, o comportamento das três

curvas torna-se semelhante (para altas sucções, o adensamento não afeta a

estrutura dos poros). Quanto maior a tensão de pré-adensamento, mais elevado

DBD


34

é o valor de entrada de ar, pois as amostras submetidas a uma tensão maior

apresentam poros menores e dessaturam mais lentamente.

Figura 2.9 – Curvas características obtidas para diferentes tensões liquidas, Ng e

Pang (2000).

2.4.2. Métodos de obtenção da Curva de Retenção

Atualmente, diferentes instrumentos de medição da sucção do solo e

posterior obtenção da curva de retenção estão disponíveis, tanto para campo

como no laboratório. Estes instrumentos, baseados em diferentes técnicas,

podem ser divididos em duas categorias segundo Kumar et al. (2002).

O método direto baseia-se no principio da medição direta da energia da

poropressão (sucção) e o método indireto é baseado em correlações com outras

propriedades do solo. Os métodos mais utilizados são apresentados tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Técnicas utilizadas para a medição da sucção do solo, Fredlund e

Rahardjo,( 1993); Marinho, (1997).

DBD


35

Neste capitulo só se descreverá as técnicas utilizadas na obtenção das

curvas características dos solos estudados. Detalhes sobre as outras técnicas

apresentadas na tabela 2.1 podem ser encontradas em Fredlund e Rahardjo

(1993).

2.4.2.1.Papel Filtro

A técnica do papel filtro é uma das técnicas mais usadas, provavelmente

pela sua facilidade de uso em laboratório, além da ampla faixa de medição de

sucções que possui e pelo baixo custo. Esta técnica está baseada no princípio

de que dois materiais porosos com um determinado teor de umidade, postos em

contato, realizam uma troca de água até alcançarem uma condição de equilíbrio.

Nesse ponto de equilíbrio, o valor de teor de umidade é diferente, porém

possuem a mesma sucção. Seguindo este princípio, o papel filtro é posto em

contato com as amostras de solo até chegar ao ponto de equilíbrio, ponto onde a

sucção do solo será a mesma que do papel filtro.

Cabe ressaltar que se o papel filtro é posto em contato direto com a

amostra, tem-se a medição da sucção matricial, mas se o papel filtro não tem

contato com o solo, ou seja, a troca de agua é por vapor, mede-se a sucção

total.

Para obter a sucção osmótica, de acordo com Ridley (1995), o único

método que fornece resultados satisfatórios é o do papel filtro, sendo que sucção

osmótica é dada pela diferença das medições da sucção total e da sucção

mátrica.

Um ponto importante deste método é o tempo que se requer para chegar

ao ponto de equilíbrio e assegurar a completa equalização do sistema papel filtro

– solo: Segundo Marinho (1997) para medições de sucção mátrica o tempo

mínimo de equalização é de 7 dias. No caso de medições de sucção total,

Marinho (1994) na tabela 2.2, define tempos de equilíbrio necessários

dependendo do nível de sucção total que se deseja medir.

Tabela 2.2 – Tempos de equilíbrio necessários para medições de sucção total; Marinho

(1997)

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36

A sucção atingida no ponto de equilíbrio é determinada a partir do teor de

umidade do papel filtro mediante uma curva de calibração, a qual pode ser

estimada mediante outros métodos como placa de pressão ou placa de sucção

(técnica de translação de eixos) e dessecadores (controle da umidade relativa).

Na literatura, diversos autores determinaram equações de calibração para

vários tipos de papel filtro, entre os mais utilizados são papel filtro Schleider &

Schuell No. 589 e Whatman No 42; este último foi utilizado no presente trabalho

junto com a equação proposta por Chandler e Gutierrez (1986).

A tabela 2.3 apresentam algumas destas equações propostas para ambos

os papéis mencionados.

Tabela 2.3 – Equações de calibração dos papeis filtro Schleider & Schuell No. 589. e

Whatman No 42, Feuerharmel (2007).

2.4.2.2.Translação de Eixos

Devido a que a pressão de ar é a atmosférica, a máxima sucção que se

poderia medir diretamente seria no máximo 1 atm, pois a água cavita dentro de

sistemas de medição para pressões negativas abaixo deste valor. Hilf (1956)

desenvolveu a técnica de translação de eixos a qual consiste em elevar as

pressões negativas da água contida nos poros do solo a valores positivos,

através da aplicação de pressões de ar, de tal forma que a diferença ua-uw, que é

a sucção do solo a que estaria submetido, fique sempre maior que a pressão

atmosférica (e.g Carrillo, 1993).

DBD


37

Cabe ressaltar que esta técnica não só permite a medição da sucção,

como também o controle da mesma, como foi utilizado nos ensaios de

cisalhamento direto com sucção controlada do presente trabalho.

A validade desta técnica já foi verificada em vários trabalhos anteriores

como, por exemplo: Bishop e Blight (1963); Bocking e Fredlund (1980). Porém

foram apresentadas algumas limitações, como:

- Bocking e Fredlund (1980) sugerem que a técnica é valida em solos onde

a fase de ar é interconectada.

- Segundo Zhan (2003) devido a que a técnica elimina em laboratório a

possibilidade de ocorrência da cavitação, impossibilita a análise da mesma no

comportamento do solo em campo.

- Além disso, Feuerharmel (2007) recomenda a incorporação de

equipamentos auxiliares que permitam transportar ou aprisionar bolhas de ar

difuso, que eventualmente poderiam vir do disco DAVE.

2.4.2.3.Controle da sucção por imposição da Umidade Relativa

Esta técnica, baseada nas leis termodinâmicas como a energia livre de

Gibbs, determina a sucção total através da pressão parcial de vapor de água em

equilíbrio com a água do solo. O controle da sucção total se dá por meio da

utilização de soluções salinas saturadas ou em determinadas concentrações.

A relação da pressão relativa da água e a sucção total esta definida

mediante a seguinte equação 2.1:

Onde:

ua ,uw : pressão do ar e da água respectivamente.

R : constante de gases perfeitos (8,3143 Jmol K-1).

T : temperatura absoluta (293 °K)

M : massa molar da água ( 18,016 gmol’1)

g. : aceleração gravitacional (9,81 ms-2)

P/Po : umidade relativa, relação entre a pressão parcial de

vapor (P), e a pressão de vapor de saturação (Po).

DBD


38

Conforme mostrado na figura 2.10, esta técnica é aplicada comumente em

recipientes chamados Dessecadores, os quais contém uma solução aquosa

(neste caso foi NaCl pureza 99%). De acordo com a solução e concentração,

uma sucção é imposta dentro do dessecador. As amostras colocadas dentro do

dessecador começam a ter uma troca de água por transferências de vapor entre

a solução e a amostra, até atingir o ponto de equilíbrio e obter a sucção

desejada.

Figura 2.10 – Aplicação de sucção por imposição da umidade relativa através dos

dessecadores, Soto (2004).

Entre as principais desvantagens do método têm-se as seguintes: (a)

susceptível a mudanças de temperatura, o que requer um controle rigoroso; (b)

limitações para sucções abaixo de 1000 kPa; (c) o tempo de equalização pode

chegar a ser muito demorado (Blight, 1966).

Tabela 2.4 – Níveis de sucção total para diferentes concentrações de NaCl, Lu

and Likos (2004).

DBD


39

2.4.2.4.Porosimetria por injeção de Mercúrio

Trabalhos anteriores como Romero et al. (1999), Aung et al. (2001), Simms

e Yanful (2002) e Moncada (2008) utilizaram o ensaio de porosimetria de

mercúrio na previsão da curva de retenção.

De acordo com Moncada (2008), o ensaio de porosimetria é baseado nas

leis da capilaridade que governam a intrusão do fluido. No caso da água, é

governado pela equação de Laplace, no caso do mercúrio, pela equação de

Washburn. Ambas as equações consideram os poros como cilindros e

expressam o diâmetro como uma função da pressão aplicada, do ângulo de

contato e da tensão superficial do fluido.

O procedimento se assemelha a uma curva de secagem, devido a que o

mercúrio, por ser um fluido não molhante, entra no solo (seco, ou seja, saturado

de ar) e começa a expulsar o ar como se fosse a água na secagem.

Considerando a água como fluido molhante, é possível relacionar a sucção

com os diâmetros dos poros na equação 2.2 a partir da equação de Laplace:

Onde:

Θw : ângulo de contato (180°)

Tw : Tensão superficial (72,75 x 10-3 N/m)

D : Diâmetro dos poros

ua - uw : sucção do solo

No caso do mercúrio onde é considerado como fluido não molhante, pode-

se relacionar a pressão de injeção com os diâmetros de poros a partir de

equação de Washburn:

Onde:

Θnw : ângulo de contato (130°)

Tnw : Tensão superficial (485 x 10-3 N/m)

D : Diâmetro dos poros.

P : pressão da injeção do mercúrio no solo.

Igualando as duas equações anteriores, tem-se:

DBD


40

A partir desta equação é possível calcular a sucção equivalente a cada

pressão de mercúrio aplicada. O grau de saturação equivalente é calculado

como:

Sr = 1 – Srnw

Srnw = n/no

Onde:

n : Porosidade com mercúrio

no : Porosidade total

Sr : Grau de Saturação relativo

No presente trabalho comparou-se a previsão de retenção baseada na

injeção de mercúrio com a curva de retenção obtida experimentalmente com

papel filtro visando a aplicabilidade da técnica.

2.5. Equação de Resistência ao Cisalhamento de solos não saturados

Bishop (1959), na procura de um novo princípio de tensões efetivas que

englobasse os solos não saturados reformulou o princípio proposto por Terzaghi

para solos saturados, levando em consideração o aporte que representava a

sucção, o qual é definido por um parâmetro multiplicado pela sucção, como é

mostrado na equação 2.4.

Onde:

σ-ua : Tensão Normal líquida.

ua-uw : sucção mátrica.

: parâmetro de Bishop.

DBD


41

Bishop et al. (1960) a partir de seu princípio de tensões efetivas para solos

não saturados, estendeu o critério de ruptura de Mohr-Coulomb conseguindo

definir uma das primeiras equações de resistência para solos não saturados,

(equação 2.5).

Onde:

σ-ua : Tensão Normal líquida.

uw-ua : sucção mátrica.

: parâmetro de Bishop.

Ø´ : ângulo de atrito.

com o parâmetro variando de 0, para solos secos, até 1, para solos

completamente saturados.

O uso deste parâmetro de Bishop apresentou inconvenientes devido a que

experimentalmente não representava adequadamente o comportamento da

deformação volumétrica do solo não saturado.

Segundo Matyas e Radhakrishna (1968), o comportamento do solo não

saturado deveria ser avaliado através das variáveis de estado independentes.

Fredlund et al. (1973) propuseram a resistência ao cisalhamento dos solos

não saturados utilizando combinações com as variáveis de estado.

A primeira, utilizando as variáveis (-uw) e (ua-uw), apresentou o

inconveniente de que para uma mudança da poropressão mudavam as duas

variáveis deixando de ser uma independente da outra.

A segunda combinação foi utilizando as variáveis (-ua) e (ua-uw),

apresentando mais vantagens como a mudança só de uma variável quando

muda a poropressão, e quando a sucção é anulada torna-se na equação de

Terzaghi de tensões efetivas.

Baseado nisto, Fredlund et al. (1978) desenvolveram uma equação para a

determinação da resistência ao cisalhamento de solos não saturados, tendo em

vista o conceito de variáveis de tensão. Esta nova proposta tirou as dificuldades

de determinação experimental do parâmetro , ver equação 2.6.

DBD


42

Onde:

Øb : ângulo que indica a razão de acréscimo de resistência com

relação ao aumento da sucção mátrica

Plotando-se num gráfico tridimensional a tensão cisalhante versus as duas

variáveis de tensão, ou seja, vs. (σ-ua) e vs. (ua-uw), a superfície resultante

poderia ser planar ou não planar dependendo do tipo de solo, do intervalo de

sucção e da trajetória de tensões a que o solo tenha sido submetido (e.g,

Abramento e Carvalho, 1989).

Figura 2.11 – Possíveis envoltórias de ruptura para um solo não saturado,

adaptado de Fredlund (2002).

Inicialmente a envoltória idealizada por Fredlund et al. (1978) assume uma

superfície de ruptura planar, porém autores como Escário e Sáez (1986, 1987),

Fredlund e Rajhardo (1993), Abramento (1988), Carrillo (1993), Soares (2005) e

Lopes (2006), obtiveram que o aumento da resistência com o aumento da

sucção não é necessariamente constante (não linear), diferentemente da

resistência com relação a tensão normal líquida a qual apresenta um

comportamento mais linear, como é mostrado na figura 2.12.

DBD


43

Figura 2.12 – Resultados obtidos a partir de ensaios de cisalhamento direto com

sucção controlada plotados nos planos vs. (σ-ua) e vs. (ua-uw), Escário e Sáez (1986).

Fredlund et al. (1987) explicaram a variação no ângulo Øb considerando o

volume do poro no qual a pressão na água age. Para baixas sucções, o solo

permanece saturado e todo o poro é preenchido por água. Neste caso, os efeitos

da pressão na água e da tensão normal total na resistência são caraterizados

pelo mesmo ângulo de atrito Ø’ e, portanto, um aumento na sucção matricial

produz o mesmo aumento na resistência ao cisalhamento do que um aumento

na tensão normal líquida. Com o aumento da sucção matricial, a água é drenada

do solo e quando o valor de entrada de ar é atingido, o ar começa retirar a água

nos poros. Nesta fase, um acréscimo adicional na sucção matricial demostra não

ser tão efetivo quanto um aumento na tensão normal líquida em aumentar a

resistência ao cisalhamento do solo, indicando uma redução no ângulo Øb para

um valor menor que Ø’ (ver figura 2.13).

DBD


44

Figura 2.13 – Não linearidade da envoltória de resistência no plano vs. (ua-uw)

Fredlund et al. (1987).

Além disso, Vanapalli et al. (1996); Fredlund e Vanapalli (2002) definiram

uma relação entre a taxa com que a resistência ao cisalhamento varia e a área

do menisco de água em contato com as partículas do solo. Este fato é refletido

na curva característica como se mostra na figura 2.14, onde se mostra a

variação da resistência ao cisalhamento ao longo da trajetória de secagem na

curva de retenção.

DBD


45

Figura 2.14 – Relação entre curva característica e envoltória de resistência ao

cisalhamento, Fredlund ( 2002)

Da figura 2.15, nota-se que a resistência ao cisalhamento aumenta

linearmente com a sucção até atingir o valor de entrada de ar do solo. Após esse

valor, começa a diminuir o acréscimo tornando-se a curva não linear.

Portanto, segundo esta proposta, a não linearidade também dependerá do

valor de entrada de ar do solo, que por sua vez depende do tipo de solo.

Figura 2.15 – Envoltória de resistência no plano vs. (ua-uw) para diferentes

solos, Rassam e Cook (2002).

DBD


46

2.6. Principais equações para representar a curva de retenção

Os valores experimentais da curva de retenção podem ser ajustados

através de diversas equações. A tabela 2.5 apresenta as equações mais

utilizadas na literatura.

Tabela 2.5 – Principais equações de ajuste da Curva de Retenção. Adaptado de

Oliveira (2004).

Autores Ano Equação Parâmetros

Brooks e Corey 1964

Ψb: Valor da entrada e ar.

Ψ: sucção Matricial.

λ: Parâmetro obtido

graficamente.

Van Genunchtem 1980


α,m e n: Parâmetro de ajuste.

Fredlung e Xing 1994


a,m e n: Parâmetro de ajuste.

θs:Umidade volumétrica de

saturação.

No presente trabalho utilizou-se a equação de ajuste de Fredlund e Xing (1994)

para o ajuste da curva de retenção e previsão da permeabilidade não saturada,

ambas necessárias para a determinação da velocidade de cisalhamento na

condição não saturada.

A equação proposta por Fredlund e Xing (1994) é afetada por um fator de

correção C(ψ), o qual pode ser determinado pela equação 2.7.

Além disso, os valores dos parâmetros de ajuste podem ser obtidos através das

equações 2.8 á 2.12.

DBD


47

Os valores de ψi,θi, θs, ψr e ψp são obtidas graficamente como indicado na figura

2.16.

Figura 2.16 – Determinação gráfica dos parâmetros necessários para calcular os valores

de a, n e m. Fredlund e Xing (1994).

DBD


48

2.7. Modelos de Previsão da Resistencia de um solo não saturado

Muitos procedimentos têm sido propostos nos últimos 20 anos para

estimar a resistência ao cisalhamento do solo não saturado.

Esses procedimentos usam a curva característica como ferramenta direta

ou indireta junto com os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo

saturado, c’ e Ø’, para estimar a função da resistência do solo não saturado.

Entre os mais relevantes tem-se: Lytton (1996), Oberg & Sallfors (1997), Khallili

and Khabbaz(1998), Vanapalli and Fredlund (1996), Vanapalli et al. (1996). A

seguir apresentam-se quatro das principais formulações utilizadas na avaliação

da resistência do solo não saturado.

Lytton (1996) utilizou a equação proposta por Bishop (1959), onde

substituiu o parâmetro pelo teor de umidade volumétrico (θ) para a obtenção

da resistência ao cisalhamento do solo na condição não saturada(equação 7.6).

Oberg & Sallfors (1997), de maneira similar, propuseram uma equação,

(equação 7.7) substituindo naquela equação o parâmetro pelo grau de

saturação, na tentativa de estimar a resistência ao cisalhamento de solos não

argilosos como as areias ou siltes.

Khallili and Khabbaz (1998), reexaminaram a equação de Bishop e

forneceram uma relação entre o parâmetro e uma razão de sucção definida

como a sucção dividida pelo valor de entrada de ar .

O parâmetro exponencial de ajuste é considerado -0,55, o qual está

baseado em dados experimentais de 13 solos.

A equação 7.8 apresenta a previsão definida por estes autores.

DBD


49

Onde:

= , razão de sucção.

Vanapalli and Fredlund (1996), propuseram uma função não linear para

estimar a resistência do solo não saturado usando completamente a curva

característica na faixa de 0 até 1,000,000 kPa e o parâmetro de ajuste k como é

mostrada na equação 7.9.

Onde:

k=parâmetro de ajuste

Θ=teor de umidade volumétrico normalizado Θ=θ/θs.

Vanapalli and Fredlund (2000), propuseram uma relação entre o parâmetro

de ajuste k, e o índice de plasticidade obtida através de uma série de dados

experimentais de diversos autores. A relação é apresentada na figura 7.18.

Figura 2.17 – Relação entre o parâmetro de ajuste (k) e o índice de plasticidade

(IP) (Vanapalli & Fredlund, 2000).

Por último, Vanapalli et al. (1996) propõem a equação 7.9 com o fim de

poder determinar a resistência dos solos não saturados sem usar o parâmetro de

ajuste k, só levando em conta parâmetros de umidade volumétrica da curva

característica:

DBD


50

Onde:

θs=teor de umidade volumétrico do solo saturado.

θr=teor de umidade volumétrico residual.

2.8. Estudos dos efeitos dos ciclos de umedecimento e secagem na resistência ao cisalhamento do solo.

Utomo (1980) encontrou que devido aos processos de umedecimento e

secagem, o solo está submetido constamente a tensões que fazem com que o

solo dilate e contraia. Além disso, influencia a formação de agregados novos que

incialmente poderiam se encontrar desagregados. A sua vez, verificou que nos

grãos maiores as trincas ocorrem mais facilmente que nos grãos menores em

consequência na queda na resistência e mais significativa nos grãos maiores

que nos grãos menores.

Com o objetivo de dar resposta à diferença que se tinha entre a resistência

obtida no campo e no laboratório, Rogers e Wrigth (1986) estudaram argilas

altamente plásticas mediante ensaios de cisalhamento direto e triaxiais visando

avaliar a influencia do umedecimento e secagem no campo.

Os resultados mostraram uma diminuição da resistência ao cisalhamento

refletida principalmente pela diminuição do intercepto coesivo. Além disso, foi

notado que não tem muita influência o numero de ciclos a que foram expostas as

amostras, já que a maior mudança observou-se no primeiro ciclo.

Rajaram e Erbaoh (1999) concluíram que um ciclo de umedecimento e

secagem é suficiente para alterar as propriedades mecânicas numa argila,

mudando a coesão, ângulo de atrito e tamanho dos agregados, com a

estabilidade mecânica do agregado diminuindo em decorrência das tensões da

secagem.

Cafaro e Coteccha (2001), avaliando material argiloso do sul da Itália por

meio de microscopia eletrônica, sugerem a secagem como sendo o principal

processo de desgaste, possivelmente associado à oxidação das argilas.

DBD


51

A secagem pode ser também responsável pela união entre partículas de

argilas, formando grãos mais grossos (grumos).

Os resultados dos ensaios evidenciaram que os ciclos de umedecimento e

secagem geraram uma contração progressiva nas argilas, modificando sua

estrutura.

Analises dos processos do intemperismo reproduzido por ciclos de

umedecimento e secagem realizados por Gulla e Mandaglio (2006) levaram até

as seguintes conclusões:

Os efeitos dos ciclos de umedecimento e secagem geram mudanças na

estrutura natural e a união dos agregados.

Resultados obtidos em ensaios edométricos mostraram que a estrutura se

torna instável e a união é mais fraca. Nos ensaios de resistência, os picos

obtidos diminuíram e, por sua vez, as curvas tensão deslocamento mostraram

um comportamento de um material mais frágil.

Tse e Ng (2008) estudaram amostras remoldadas de solo residual da

cidade de Hong Kong. Essas amostras foram cisalhadas com CDSC, tentando

avaliar a influencia da histerese da resistência ao cisalhamento decorrente da

histerese da curva características do solo.

Os resultados obtidos mostraram que a resistência na trajetória de

secagem é maior que a obtida na trajetória de umedecimento.

Guan e Rahardjo (2010), baseados em ensaios triaxiais com amostras de

areia e caulim verificaram o encontrado por Tse e Ng. Além disso, observaram

que a areia-caulim sob a trajetória de secagem se comporta como normalmente

adensada, enquanto que sob a trajetória de umedecimento se comporta como

pré-adensada.

DBD


3 Equipamento, Rotinas de Ensaio e Programa de Ensaios.

3.1. Equipamento

3.1.1. Ensaio de Cisalhamento Direto Convencional

Os ensaios de cisalhamento direto na condição submersa ou inundada

foram desenvolvidos no equipamento de cisalhamento direto; o qual é composto

de uma prensa convencional da marca Wykeham Farrance Int. (tipo deformação

controlada).

O sistema de medição está conformado por um anel de carga que mede a

carga horizontal, transdutor de deslocamento vertical e horizontal. A carga

vertical é imposta e medida através de pesos colocados em um pendural com

alavanca. A figura 3.1 apresenta o equipamento de cisalhamento direto utilizado

para a obtenção dos parâmetros de resistência ao cisalhamento das amostras

submersas.

Figura 3.1 – Equipamento de Cisalhamento Direto Convencional da PUC-Rio.

DBD


53

3.1.2. Ensaio de Cisalhamento Direto Com Sucção Controlada

O programa principal de ensaios nas amostras submetidas a diferentes

níveis de sucção foi desenvolvido com o equipamento de cisalhamento direto

com sucção controlada da PUC-Rio, sendo abreviado por CDSC. O equipamento

foi projetado por de Campos (1988), desenvolvido por Fonseca (1991) e

modificado por Carrillo (1993). Equipamentos similares a este encontrados na

literatura foram citados por Fonseca (1991). Ver tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Principais Características dos Equipamentos CDSC, adaptado de

Fonseca (1991).

Características do

Equipamento

Escario

(1980)

Gan e

Fredlund

(1988)

Escario (1986)

PUC-Rio

Fonseca

(1991)

Tamanho da amostra (mm) (50 x 50 x22) (50 x 50 x22) (50 x 50 x22) (100x100x21, 8)

Elemento Drenante *

DAVE

ou MSP (at

1500 kPa)

DAVE (até 500

kPa)

DAVE ou MSP

(até 1500 kPa)

DAVE (até 300

kPa)

Fluido Usado na Câmara de

Compressão Nitrogênio Ar comprimido Nitrogênio Ar comprimido

Uso da Técnica de

Translação de Eixos Sim Sim Sim Sim

Medida de Volume de água Não Sim Não Sim

Parte de Caixa que desloca Superior Inferior Superior Inferior

Forma de Transmissão da

Carga Vertical Pistão Pistão

Câmara de

nitrogênio Célula de carga

Medida dos Deslocamentos

Vertical e Horizontal Mecânica Eléctrica Mecânica Eléctrica

Uso de Prensa Convencional Não Sim Sim Sim

Caixa de Cisalhamento

Constitui Anel Moldador Não Não Não Sim

Manutenção da Separação

das Duas Caixas Durante o

Cisalhamento

Não Não Não Sim

Dave-disco Cerâmico de Alto Valor de entrada de Ar

MSP - Membrana Semi- Permeável

DBD


54

O equipamento é uma modificação do equipamento de cisalhamento direto

convencional e está composto por: uma câmara de pressão de ar, caixa de

cisalhamento bipartida no interior dela, disco de alto valor de entrada de ar,

sistema de aplicação de pressões, sistema de extração de bolhas de ar, sistema

de aplicação de carregamento vertical e sistema de medição e aquisição de

dados. Ver figura 3.2.

Figura 3.2 – Equipamento de Cisalhamento Direto com sucção controlada da

PUC-Rio.

A seguir se descreve mais detalhadamente os componentes do

equipamento:

3.1.2.1.Câmara de pressão de Ar

A câmara de pressão de ar é uma câmara de forma cilíndrica feita de aço

de 210 mm de altura, 250 mm de diâmetro e uma espessura de 15 mm; a base e

a tampa são feitos com duralumínio. A câmara foi construída para poder suportar

pressões de até 1000 kPa.

A tampa da câmara está fixada ao corpo através de 8 parafusos, os quais

permitem a vedação total da câmara. Além disso, a tampa possui um orifício por

onde atravessa a célula de carga que se encarga de medir e transmitir a carga

vertical. Este orifício é vedado através de um anel de borracha (o ring).

No interior da câmara localiza-se a célula de carga horizontal, encargada

de medir a força cisalhante ao longo do cisalhamento da amostra, a caixa de

cisalhamento bipartida, onde é introduzida a amostra, o disco espaçador

DBD


55

encargado de separar as partes superior e inferior da caixa cisalhamento,

evitando todo atrito ao longo do cisalhamento, e a haste encostada sobre a face

esquerda da caixa de cisalhamento que faz a união com o motor que fornece a

carga horizontal.

No exterior da câmara se encontra o transdutor de pressão de ar

encargado de medir a pressão do ar no interior da câmara e que envolve a

amostra, o transdutor de deslocamento vertical, que está encostado na célula de

carga vertical, o transdutor de deslocamento horizontal que está conectado à

caixa de cisalhamento através de uma haste que atravessa a câmara por um

furo. Na figura 3.3 apresenta-se uma secção transversal da caixa de

cisalhamento.

Figura 3.3 – Câmara de Pressão de Ar.

3.1.2.2.Caixa de Cisalhamento

A caixa de cisalhamento possui nas partes superior e inferior um rasgo

concêntrico de secção quadrada de 100 mm de lado. Além disso, esta está feita

de duralumínio e tem forma circular que se encontra unida pela base a um

reservatório de água fechado por um disco cerâmico de alto valor de entrada de

ar (DAVE) que foi colado pelas bordas.

DBD


56

O DAVE é um disco cerâmico poroso que possui a propriedade de permitir

a passagem da água, mas não do ar, tem uma espessura de 7,3 mm, 146 mm

de diâmetro e valor de pressão de borbulhamento de 300 kPa ( limite máximo de

aplicação de sucção). Na figura 3.4 mostra-se uma foto da caixa de

cisalhamento.

Figura 3.4 – Caixa de cisalhamento Bipartida.

3.1.2.3.Sistema de aplicação de pressões

As pressões de ar e de água são aplicadas através das válvulas

localizadas no painel de ar comprimido. No caso da pressão de ar é aplicada

diretamente abrindo a válvula correspondente à linha que vai até a câmara. No

entanto, a pressão de água é enviada através de um recipiente que serve de

interface de ar – água. O painel possui duas válvulas, um manômetro tipo relógio

com resolução de 7 kPa. Cabe ressaltar que as pressões aplicadas são

finalmente ajustadas com os valores medidos nos transdutores de ar e água. Ver

figura 3.5.

DBD


57

Figura 3.5 – Câmara de Ar comprimido com válvulas para pressão de água e ar.

3.1.2.4.Sistema de aplicação de carregamento vertical

Do mesmo modo que se faz a aplicação do carregamento vertical no

equipamento de cisalhamento direto convencional, faz-se aqui, utilizando pesos

colocados em um pendural com alavanca. O pendural transmite a carga

diretamente à célula de carga vertical, que por sua vez aplica a carga ao “top-

cap” que está acima da amostra. Com o objetivo de eliminar variações na carga

vertical produto da movimentação da caixa durante o cisalhamento, Delgado

(1993), colocou uma união tipo universal na ponta da célula, conseguindo reduzir

estas variações.

Além disso, foram colocadas duas hastes paralelas à célula de carga com

o objetivo de fixá-la, ficando sempre em contato com a amostra e evitando um

deslocamento para cima decorrente da diferença de pressão de ar na célula de

carga. Ver figura 3.6.

DBD


58

Figura 3.6 – Sistema de aplicação de carga vertical composto por um pendural e

braço de alavanca.

3.1.2.5.Sistema de extração de bolhas de ar

O sistema de extração de bolhas de ar, implementado por Carrillo (1993),

tem por objetivo tirar as bolhas de ar difuso através do disco (DAVE) e poder

corrigir o volume que entrou ou saiu da amostra.

Este sistema consiste em gerar um fluxo contínuo de água no trecho copo

coletor - reservatório localizado abaixo do DAVE. O ar contido na água passa

pelo copo e fica retido, retornando ao reservatório só água pura. Ver figura 3.7.

DBD


59

Figura 3.7 – Sistema de extração de bolhas de ar.

3.1.2.6.Sistema de Aquisição de dados

Este sistema esteve conformado para realizar a aquisição de dados dos

transdutores de pressão de ar e água, dos transdutores de deslocamento

horizontal e vertical, das células de carga vertical e horizontal, e do medidor de

variação de volume. As calibrações destes instrumentos estão apresentadas no

anexo A do presente trabalho. Ver figura 3.8.

DBD


60

Figura 3.8 – Sistema de Aquisição de Dados.

3.1.3. Imposição de sucção com Dessecadores

O equipamento utilizado para a imposição da sucção através da umidade

relativa foram os dessecadores contendo uma solução de NaCl de 99% de

pureza, diluída em água deionizada. Ver figura 3.9.

Figura 3.9 – Imposição da sucção através dos dessecadores.

DBD


61

3.1.4. Determinação da curva Característica

No caso na determinação da sucção através da técnica de papel filtro

utilizou-se papel filtro tipo Whatman N°42 cortado no mesmo diâmetro das

amostras (anéis), (ver figura 3.10).

A curva de calibração utilizada para correlacionar a umidade com a sucção

medida foi a proposta por Chandler et al. (1992) ver equação 3.1 e 3.2. Para a

pesagem dos papéis filtro utilizou-se uma balança digital de 4 casas decimais.

Umidade >47%:

Umidade <47%:

Figura 3.10 – Papel filtro tipo Whatman N°42 utilizado na determinação da

curva de retenção.

DBD


62

3.2. Rotinas de Ensaio

3.2.1. Ensaio de Cisalhamento Direto Convencional

A execução do ensaio foi desenvolvida de acordo com a norma ASTM

(3080), nas condições submersa e drenada.

A velocidade de cisalhamento adotada foi de 0.182mm/min, calculada a

partir da curva de adensamento, como foi proposto por Bishop e Henkel (1962).

As amostras foram cisalhadas até um deslocamento máximo de 15 mm.

3.2.2. Ensaio de Cisalhamento Direto Com Sucção Controlada

A primeira etapa, antes de começar com o desenvolvimento dos ensaios,

foi a realização da calibração dos instrumentos de medição que foram utilizados

para a aquisição de dados. Além disso, foi necessária a calibração do braço de

alavanca para a aplicação da carga vertical.

Continuou-se com a saturação das linhas de pressão de água por

percolação, retirando todas as bolhas de ar oclusas no sistema, seguidamente

saturou-se o disco de alto valor de entrada de ar (DAVE).

Cabe ressaltar que este processo foi efetuado antes do inicio de cada

ensaio.

Para a saturação do DAVE, cobriu-se o disco primeiramente com uma

camada de água, logo após, foi imposta uma pressão de ar dentro da câmara

fechada que gera um gradiente por diferença de cargas. A água atravessa a

pedra porosa ocupando os vazios dela e expulsando o ar ocluso. Da mesma

forma, o reservatório que fica em baixo do DAVE é cheio totalmente com água,

assegurando uma fase contínua dentro da câmara.

Com ajuda do medidor de variação de volume, foi registrado o fluxo

através do DAVE, onde se considerou a finalização da saturação uma vez que o

gráfico de volume de água que sai do sistema versus o tempo ficasse constante

(uma reta). No anexo é apresentada toda a informação relacionada com o

processo de saturação do DAVE.

Após de ter as linhas saturadas e o DAVE saturado, verificou-se a eventual

existência de pontos de vazamento. Conforme (Delgado 1993), foi aplicada uma

pressão de água superior ao admissível entre trechos isolados.

DBD


63

Numa eventual existência de vazamento o medidor de variação de volume

registraria uma variação no volume de água. Na figura 3.11, apresentam-se os

trechos que foram isolados para a avalição de vazamentos.

Pressãode ar

Reservatóriode àgua

Pressãode ar

Amostra

1

2

3

4

5 6

7

8

9

10

Figura 3.11 – Trechos de avaliação para detecção de vazamentos, Adaptado de

Delgado (1993).

Os corpos de prova foram obtidos com moldes tipo anel biselado

quadrado, com lados medindo 100 mm e altura. 21,6 mm, a partir de blocos de

indeformados.

Em alguns corpos de prova, a equalização de sucção iniciou-se fora da

câmara de compressão, em um dessecador com uma solução salina. Para se

Tre

cho

Vál

vula

s

aber

tas

Vál

vula

s

Fec

had

as

1 - 2 - 2

1 - 3 2 3

1 - 4 2, 3 4, 5

1 - 5 2, 3 4, 5

1 - 6 2, 3, 5 4, 6

1 - 7 2, 3, 4 5, 6, 7

1 - 8 2, 3, 4, 7 5, 6, 8, 9, 10

1 - 9 2, 3, 4, 7, 8 5, 6, 9, 10

DBD


64

atingir determinado nível de sucção desejado, o tempo de equalização foi de 10

dias dentro do dessecador.

Na etapa da montagem do ensaio, primeiramente foi colocada a caixa de

cisalhamento acima do DAVE, com prévia retirada da camada de água.

Recomenda-se retirar tal camada com papel toalha com o fim de diminuir o

tempo de equalização, como foi verificado por Soares (2005). Assim, antes de

transferir a amostra para a caixa de cisalhamento, retirou-se a parte superior da

caixa e ajustaram-se os LSCDTs e o medidor de variação volumétrica,

colocando-os em suas marcas zero. Como foi mencionado anteriormente, antes

de cada ensaio foi necessário verificar a existência de bolhas de ar no sistema

de aplicação de pressão, eliminando-as quando fora necessário.

Após a colocação da caixa de cisalhamento, um papel filtro úmido era

colocado dentro dela, sobre o DAVE. Seguidamente era introduzida a amostra.

Sobre a amostra, foi colocado um papel filtro e a pedra porosa grossa, que é

responsável pela distribuição uniforme da pressão de ar. Ressalta-se que tanto o

papel filtro quanto a pedra porosa acima do corpo de prova estavam secos. Em

seguida colocou-se o “cap” metálico superior.

Foram retirados os parafusos que unem as duas metades da caixa de

cisalhamento. Com o auxílio de um disco espaçador e dois extensômetros,

levantou-se a parte superior da caixa de 0,5 mm. Daí retirou-se os

extensômetros e fechou-se a câmara de compressão, atentando-se em encaixar

a união universal da célula de carga vertical corretamente sobre o top-cap.

Os níveis de água da interface ar/água e do copo de coleta eram

verificados, ajustando-os às suas respectivas marcas zero, sendo que a pressão

de água a ser usada no ensaio estava sendo aplicada, deixando a amostra

isolada, fechando as válvulas que dão acesso à base do equipamento. Isto feito,

a pressão de ar na câmara de compressão era aplicada e as válvulas para a

aplicação da pressão de água eram abertas, gerando a sucção desejada.

A partir daqui se iniciou a fase de equalização. Esta era atingida no ponto

onde a variação de volume registrada permanecera constante, ou seja, a água

da amostra não saia nem entrava na amostra. Após atingida a equalização,

colocou-se os pesos, iniciando nesta etapa o adensamento da amostra. O

adensamento era considerado finalizado uma vez que o medidor de variação de

volume não registrasse mais variação.

Antes de iniciar a fase de cisalhamento, utilizava-se a bomba de extração

de ar a fim de se retirar as possíveis bolhas de ar existentes, e quantificava-se o

volume extraído. Vale destacar que tal volume sempre foi desprezível (da ordem

DBD


65

de 0,1cm³). Logo em seguida, a amostra foi cisalhada com velocidade constante

e igual a 0,00975 mm/min em ambos os solos, a velocidade escolhida foi menor

que as calculadas conforme procedimento proposto por Ho e Fredlund (1982).

Esta velocidade foi necessária para poder conseguir um ensaio drenado. Os

cálculos da velocidade estão apresentados no apêndice B. Os ensaios de

cisalhamento chegaram até um deslocamento horizontal de 10 mm. Atingido o

deslocamento, retirava-se a carga vertical, a pressão de água e a pressão de ar,

obedecendo à ordem inversa de aplicação. Ao final do ensaio, determinava-se a

umidade final do corpo de prova.

3.2.3. Imposição de sucção com Dessecadores

Os corpos de prova os quais foram sujeitos a uma imposição de sucção

pela técnica da umidade relativa foram colocados nos dessecadores junto com

uma solução de água destilada e NaCl numa proporção (peso de soluto por

volume de solvente). Para se atingir determinada pressão de vapor no interior do

dessecador equivalente ao nível de sucção, depois de colocado o corpo de

prova aplicou-se vácuo dentro do dessecador. O Cloreto de Sódio usado nas

soluções é denominado, por seu fabricante, NaCl P.A com 99,9% de pureza. O

vapor formado tende a entrar em equilíbrio com o solo e induz a sucção

desejada. Com a equação 3.1 (Marinho, 1994) foi possível determinar a

concentração de soluto. Na Tabela 3.1 encontram-se as sucções e

concentrações de soluto usadas neste trabalho.

(3.1)

Onde m é a molaridade do soluto, isto é, a proporção entre sal e água pura

usada em uma solução, em mol/L.

Tabela 3.2 – Concentrações de soluto para as sucções desejadas.

Sucção (kPa) Molaridade (mol/g) Concentração (g/L) 60 0.0131 0.77

120 0.0263 1.54

200 0.0437 2.55

Peso molar de NaCl = 58,44 g/mol

Os corpos de prova foram utilizados nos ensaios após atingir a sucção

desejada, ou seja, cumprir o tempo de equalização que foi no mínimo de 10 dias.

DBD


66

3.2.4. Determinação das curvas de Retenção

Foram confeccionados 10 corpos de prova com anéis circulares para cada

curva de retenção de ambos os solos, obtendo-se o respectivo teor de umidade

de campo. Após a moldagem, cada anel era embalado com filme de PVC e

papel alumínio, para evitar qualquer perda de umidade.

Após a determinação da umidade inicial de cada corpo de prova, era

estimada a quantidade de água a ser adicionada ou retirada de cada corpo de

prova, levando-se em consideração uma faixa de teor de umidade entre o valor

residual e o de saturação. Dessa forma, se teria pontos suficientes para a

determinação da curva característica. Com o objetivo de representar a histerese

do material seguiu-se trajetórias de umedecimento e secagem, a partir de um

ponto seco e saturado, respectivamente.

Para obter a curva de umedecimento adicionou-se água pesando

continuamente até conseguir o peso desejado. Quando se fez necessário

diminuir a umidade do solo, o mesmo foi realizado deixando o corpo de prova

secando ao ar. Após isso, os anéis foram embrulhados com filme de PVC e

papel alumínio, para logo ser colocados em uma caixa de isopor fechada por 48

horas para que a umidade se distribuísse uniformemente por todo solo dentro do

anel. Passado esse tempo, foram colocados os papéis-filtro em contato com o

solo no topo e na base de cada anel, para iniciar o processo de equalização e

medir a sucção do anel.

Novamente, os anéis eram embalados com filme de PVC e papel alumínio

e colocados na caixa de isopor, permanecendo ali por 10 dias, para que

ocorresse a equalização das sucções nos diversos anéis.

O passo seguinte era a pesagem dos papéis-filtro úmidos. Esta foi feita

durante 3 min, em intervalos de 10 s, nos 2 primeiros minutos, e 15 s no minuto

final em uma balança de resolução de 0,0001 g. Finalmente os papéis foram

levados à estufa para a secagem com temperatura entre 100 e 110º C por no

mínimo 2 horas (Marinho 1997). Os corpos de prova secos também foram

pesados. Com esses dados determinou-se a umidade dos papéis filtro, a sucção

correspondente e o teor de umidade do solo, posteriormente plotou-se os pontos

obtidos num gráfico umidade versus sucção.

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67

3.3. Programa de Ensaios

Para cada solo investigado, o programa principal de ensaios foi composto

por 3 ensaios de cisalhamento direto convencionais, 9 ensaios de cisalhamento

direto com sucção controlada e 6 ensaios de cisalhamento direto com ciclos de

umedecimento e secagem. Os níveis de sucção utilizados em todos os ensaios

com sucção controlada foram de 60 kPa, 120 kPa e 200 kPa. As tensões

normais líquidas foram de 40 kPa, 80 kPa e 120 kPa. Os ciclos de

umedecimento e secagem foram executados na forma mostrada na tabela 3.3.

Cabe mencionar que a justificativa para escolha das tensões normais foi

pelo fato que a pesquisa envolve escorregamentos em camadas superficiais do

solo. Enquanto que os níveis de sucção adotados foram escolhidos com o fim de

ter pontos suficientes e separados para poder definir a envoltória além de ter

como limite máximo o valor de entrada de ar do DAVE (300 kPa).

Tabela 3.3 – Séries de ensaios de cisalhamento direto convencional, com sucção

controlada e com ciclos de umedecimento e secagem, respectivamente.

Série Ensaio Tensão Normal

(kPa)

I (CD

CONVENCIONAL)

CD 1 40

CD 2 80

CD 3 120

Série Ensaio Tensão Normal Líquida (kPa)

Sucção Mátrica (kPa)

I (CDSC)

CDSC 1 40 60

CDSC 2 40 120

CDSC 3 40 200

II (CDSC)

CDSC 4 80 60

CDSC 5 80 120

CDSC 6 80 200

III (CDSC)

CDSC 7 120 60

CDSC 8 120 120

CDSC 9 120 200

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68

Ciclo Ensaio Trajetória dos Ciclos de

Umedecimento e Secagem

I

(CDSC)

I.1 s=60→s=0→s=60

I.2 s=60→s=0→s=120

I.3 s=60→s=0→s=200

II

(CDSC)

II.1 s=60→s=0→s=60→s=0

II.2 s=60→s=0→s=120→s=0

II.3 s=60→s=0→s=200→s=0

DBD


4 Área de Estudo e Amostragem

4.1. Área de Estudo

Escolheu-se dos tipos de solo para o desenvolvimento desta pesquisa. O

primeiro consiste em um solo residual Jovem, enquanto que o segundo é um

solo Colúvionar. As amostras destes solos foram obtidas de dois pontos

localizados em Tinguá, município de Nova Iguaçu – Rio de Janeiro. A escolha da

área de estudo e a amostragem foram parte de estudos de avalição do projeto

Tinguá, em desenvolvimento no Núcleo de Geotécnia Ambiental da PUC-Rio.

4.1.1. Meio Físico

A Reserva Biológica do Tinguá, localizada na porção centro sul do Estado

do Rio de Janeiro, é uma Unidade de Conservação (UC) de proteção integral

altamente restritiva em termos de uso e se constitui num relevante fragmento da

Floresta Atlântica.

Esta reserva ocupa uma área de 26.260 (ha) com 150 km de perímetro, e

abrange quatro municípios: Nova Iguaçu; Duque de Caxias; Petrópolis; e Miguel

Pereira. A maior porção, bem como a sede da Unidade localiza-se em Nova

Iguaçu. A figura 4.1 mostra a localização da área de estudo.

DBD


70

Figura 4.1 – Localização da Área de Estudo

4.1.2. Geologia

Amaral (2012) identificou quatro unidades litológicas que abrangem a

região do Maciço de Tinguá, as quais são: o Biotita Gnaisse (Migmatito) e o

Granito Foliado (Granito Gnaisse), ambos da Unidade Rio Negro; o

Leucognaisse, do Batólito Serra dos Órgãos, e as alcalinas. A figura 4.1 mostra a

localização física dos dois pontos de amostragem dentro da unidade geológica

Batólito Serra dos órgãos, a qual é descrita a seguir.

Figura 4.2 – Localização dos dois pontos de amostragem dentro do plano

geológico.

DBD


71

4.1.2.1.Leucognaisse – Unidade Batólito Serra dos Órgãos

O Leucognaisse mostrado nas Figuras 4.2 e 4.3 ocorrem na porção norte e

sul da área mapeada, com os principais afloramentos na Estrada de Jacuíba,

Serra e Macacu, sempre sob a forma de porções de um corpo descontínuo

distribuído na direção nordeste e noroeste. Com grãos finos a médios, e

composto por quartzo e feldspato e pouca biotita, possui arranjo equigranular.

Nas boas exposições a foliação é nítida, assim como as zonas de cisalhamento

com foliação subvertical, nos quais se destacam os minerais pretos opacos

(provavelmente óxido de manganês) e o material de preenchimento esverdeado

nas microfissuras. Quando alterados apresentam coloração amarelada,

resultado da alteração dos feldspatos. Aflora, geralmente, no alto das serras,

lajedo em drenagens, encosta de morros e blocos rolados.

Figura 4.3 - Talude escavado de

leucognaisse, a foliação é caracterizada

por bandamento composicional.

Figura 4.4 - Feldspato róseo e

micas centimétricas característico

localmente.

4.1.3. Aspectos Climáticos

O clima da região de Tinguá, segundo Köppen, é do tipo Cwb,

correspondente ao Clima Tropical de Altitude, possuindo verões amenos e

chuvas típicas da estação, ou seja, de grande intensidade, porém com baixa

duração, sendo que nos pontos mais altos a estação seca é pouco pronunciada.

Uma classificação da umidade e temperatura média da região foi proposta pelo

INPE em parceria com a Fundação S.O.S. Mata Atlântica e pode ser vista na

figura 4.4, onde é nítida a maior participação territorial dos municípios de Nova

Iguaçú e Duque de Caxias na formação da Reserva Biológica do Tinguá.

DBD


72

Á temperatura média anual de toda a região varia de 13ºC a 23ºC e a

pluviosidade média varia de 1500 mm a 2600 mm, com distribuição heterogênea

entre as estações, sendo o verão e a primavera as estações mais chuvosas em

detrimento do inverno e outono, que por sua vez, possuem as menores medias

de precipitação.

Figura 4.5 - Classificação da Reserva Biológica do Tinguá quanto à temperatura e

umidade médias (Fonte: Plano de Manejo da Reserva Biológica do Tinguá).

4.2. Amostragem

A amostragem consistiu em retirada de blocos de aproximadamente

30x30x30 cm coletados do pé do talude em ambos os casos.

As amostras coletadas do campus avançado da PUC-Rio foram definidas

de acordo com os ensaios de caracterização como Colúvio, enquanto que as

amostras coletadas de Tinguá foram denominadas como Solo Residual Jovem.

Os taludes correspondentes aos locais de amostragem podem ser

observados nas figuras 4.6 e 4.7.

DBD


73

Figura 4.6 – Talude de retirada da amostra do solo Colúvio (Campus Avançado da

PUC-Rio).

Figura 4.7 – Talude de retirada da amostra do solo Residual Jovem ( Reserva

Biológica de Tinguá).

DBD


5 Caracterizações Física, Química e Mineralógica.

Neste capitulo são apresentados os ensaios realizados nas amostras dos

solos descritos no capitulo anterior, necessários para sua caracterização física,

mineralógica e química.

5.1. Características Físicas

5.1.1. Índices Físicos

Para a caracterização física dos solos estudados foram feitos ensaios de

granulometria, através do peneiramento e sedimentação, densidade relativa dos

grãos (Gs), limites de liquidez e plasticidade. Os índices físicos obtidos de

amostras de solo indeformado estão apresentados na tabela 5.1.

Tabela 5.1 – Índices físicos das amostras indeformadas.

Amostra Valor Gs n (g/cm3) d(g/cm3) wreal(%) e S(%)

Residual Jovem

Máx. - 1.63 1.28 27.85 1.30 0.66

Min. - 1.48 1.20 22.01 1.15 0.48

Méd. 2.76 1.55 1.25 23.74 1.20 0.55

Coluvio

Máx. - 1.66 1.35 23.38 1.19 0.62

Min. - 1.49 1.21 22.21 0.97 0.50

Méd. 2.66 1.59 1.30 22.83 1.06 0.58

5.1.2. Análise Granulométrica

Os ensaios de granulometria foram realizados seguindo a norma da ABNT,

NBR7181. A tabela 5.2 apresenta as porcentagens de cada fracção de material

para ambos os solos. Além disso, a figura 5.1 mostra a curva granulométrica

obtida por peneiramento e sedimentação.

DBD


75

Na fase de sedimentação, utilizou-se dois defloculantes distintos:

hexametafosfato de sódio (H) e água (A).

Tabela 5.2 – Resumo da granulometria de cada solo analisado.

Distribuição granulométrica (%)

Solo Areia Finos

Grossa Média Fina Total Silte Argila Total

Residual

Jovem -H 4,6 31,5 27,4 63,5 29,8 6,6 36,4

Residual

Jovem-A 4,6 30,5 29,4 64,5 31,0 4,5 35,5

Colúvio -H 24,6 14,2 7,7 46,5 10,1 40,5 50,6

Colúvio-A 24,6 27,3 29 80,9 16,0 0,1 16,1

Figura 5.1 – Curvas granulométricas do solo Colúvio realizado com hexamefosfato

de sódio e água como defloculante respectivamente.

DBD


76

Figura 5.2 – Curvas granulométricas do solo Residual Jovem realizado com

hexamefosfato de sódio e água como defloculante respectivamente.

5.1.3. Limites de Consistência

A determinação dos limites de consistência foi realizada segundo as

normas NBR6459 e NBR7180 da ABNT. A tabela 5.3 apresenta os valores dos

limites de liquidez, plasticidade e índice de plasticidade. Além disso, foi calculado

com a expressão de Skempton 5.1 o índice de atividade das argilas:

Atividade = IP (5.1) %<2μm

A fração argila com índice de atividade menor que 0,75 é considerada

inativa, entre 1,25 e 0,75. a atividade é normal, maior que 1,25, ativa.

O solo residual jovem deste estudo não apresentou limites de consistência,

tanto para a fração passante na peneira 40, como para a fração passante na

200.

Tabela 5.3 – Limites de consistência e atividade da fracção argila.

Solo LL (%) LP(%) IP(%) Ia Coluvio 64,5 35,9 28,6 0,71

Residual Jovem --- --- --- ---

DBD


77

Segundo os índices apresentados o Colúvio apresenta uma baixa atividade

na fração argila.

5.1.4. Classificação do Solo

Através da caracterização física, o Colúvio é classificado, segundo o

sistema SUCS, como uma argila de alta plasticidade (CH); enquanto que o solo

residual jovem é classificado como areia com finos (SC).

5.1.5. Porosidade

A porosidade e a distribuição dos tamanhos dos poros foram determinadas

mediante a porosimetria de mercúrio.

O ensaio de porosimetria de mercúrio fornece o tamanho e a distribuição

dos poros. O volume de mercúrio que penetra nos poros é definido diretamente

como uma função da pressão aplicada, com auxílio da equação de Wahburn que

supõe os poros de forma cilíndrica. A diferença de volume em cada ciclo é

chamada de volume de poros livre.

Conforme a classificação proposta por IUPAC (Internacional Union Pure

and Applied Chemistry), ver tabela 5.4, foi possível, através da curva de

distribuição de poros, obter as parcelas de microporos, mesoporos e

macroporos.

Tabela 5.4 – Classificação IUPAC (Diâmetro de Poros).

Classificação Microporos

(μm) Mesoporos

(μm) Macroporos

(μm)

IUPAC Ø < 0,2 0,2 < Ø < 0,5 Ø > 0,5

No primeiro caso, o solo Residual apresenta uma concentração de poros

dentro da faixa de macroporos mostrando uma leve homogeneidade, porém no

caso do Colúvio, apresenta um comportamento bimodal, ou seja, concentração

DBD


78

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 1000.000

Dis

trib

uiç

ão in

crem

enta

l do

s d

iâm

etro

s d

os

po

ros

(cm

³/g

)

Diâmetro dos poros (m)

Residual jovem

Coluvio

Mic

ropo

ros

Mac

ropo

ros

Mes

orop

oros

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 1000.000

Vo

lum

e in

jeta

do

acu

mu

lad

o (

cm³/

g)

Diâmetro dos poros (m)

Residual Jovem

Coluvio

de poros na faixa de microporos e macroporos, isto se verá refletido na curva

característica.

Os resultados obtidos tanto para o solo Residual Jovem como para o

Colúvio são apresentados na figura 5.3 e figura 5.4.

Figura 5.3 – Curvas de Distribuição de poros

respeito ao tamanho dos poros.

Figura 5.4 – Curvas de Distribuição Acumulado de poros ao tamanho dos poros.

DBD


79

5.2. Características Químicas

5.2.1. Análise Química Total

As amostras de solo foram submetidas a análise química total com o

objetivo de avaliar os principais elementos que compõem a matriz do solo. A

Tabela 5.5 apresenta o resumo dos elementos encontrados em cada solo.

Tabela 5.5 – Análise Química Total

Componentes Residual

Jovem Colúvio

Al2O3 32,88 40,92

SiO2 40,19 33,41

P2O5 0,37 0,15

K2O 0,47 0,28

TiO2 1,19 1,01

MnO 0,15 -

Fe2O3 10,67 6,72

MgO 0,72 -

ZrO2 0,021 0,01

Perda ao fogo 6,39 12,75

Traços S, Ca Ca, Cr, Mn

Segundo Antunes (2013), os teores de alumina (Al2O3) e sílica (SiO2),

indicam um avançado estado de laterização em ambos os solos, produto da

lixiviação destes componentes.

DBD


80

5.3. Características Mineralógicas

5.3.1. Análise Térmica Diferencial (ATD)

A técnica da análise térmica esta baseado no suposto que a água que

preenche os capilares na argila apresenta um pico endotérmico. A Gibsita perde

água de constituição acerca de 350°C, o que é representado por um pico

endotérmico no termograma, da mesma forma acontece na caulinita para uma

temperatura aproximada de 600 °C.

Portanto, como é mostrado nas figuras 5.5 e 5.6, os picos observados

correspondem a uma fração argilosa constituída por Caulinita no caso do solo

Residual jovem enquanto que para o Coluvio está constituído basicamente por

Gibsita e Caulinita.

Figura 5.5 – Termograma do solo Residual Jovem.

Caulinita

DBD


81

Figura 5.6 – Termograma do solo Coluvio.

5.3.2. Difração de Raios-X

Através da difração de Raios-X, foi realizada a análise para se determinar

os minerais constituintes dos solos em estudo. Foram analisadas as frações

correspondentes ao material retido nas peneiras #200 e #400.

Nos difratogramas que apresentam picos estreitos, simétricos e bem

definidos são caracterizados os minerais com estrutura cristalina bem definida,

podendo indicar ainda uma maior porcentagem deste mineral na amostra.

Os resultados obtidos acusam a presença de caulinita, gibsita e quartzo

em todos os materiais, sendo que a caulinita se apresenta com picos bem

definidos no solo Residual Jovem. Para a fração retida na peneira #400 deste

material, o quartzo se apresenta com um pico bem definido com a mesma

intensidade da caulinita.

A Gibsita se apresenta com uma melhor definição no Colúvio, indicando

um maior grau de intemperismo deste material. Observaram-se também

pequenos picos de quartzo não muito bem definidos no Colúvio.

As figuras 5.7, 5.8, 5.9 e 5.10 apresentam os difratogramas com os

respectivos minerais identificados no solo Residual e Colúvio, respectivamente.

Caulinita

Gibsita

DBD


82

Figura 5.7 – Difratograma do material retido na peneira #200 do solo Residual

Jovem.

Figura 5.8 – Difratograma do material retido na peneira #400 do solo Residual

jovem.

DBD


83

Figura 5.9 – Difratograma do material retido na peneira #200 do Colúvio.

Figura 5.10 – Difratograma do material retido na peneira #400 do Colúvio.

DBD


84

5.3.3. Microscopia Digital de Varredura

As análises de microscopia eletrônica de varredura foram realizadas no

Laboratório de Microscopia do Departamento de Ciências dos Materiais e

Metalurgia da PUC-Rio (DCMM).

Através desta técnica, conseguiu-se uma descrição da morfologia dos

argilominerais, a distribuição dos poros e uma identificação dos componentes

químicos do solo, além de uma possível presença de cimentação no solo, como

se apresentam nas figuras 5.11 e 5.12.

Figura 5.11 – Distribuição de poros (macroporos) na estrutura do solo Residual

Jovem.

Macroporos

DBD


85

Figura 5.12 – Presença de material cimentante (óxido de ferro) envolvendo os

grãos de quartzo e feldspato na estrutura do solo Residual Jovem.

As análises fotográficas no solo Residual Jovem mostram uma distribuição

de poros quase homogênea, assim como também material cimentante

envolvendo os grãos de quartzo e feldspato fazendo uma união pelas arestas

tipo ponte entre os grãos.

Figura 5.13 – Distribuição de poros na estrutura do solo Residual Jovem.

Macroporos

Material

cimentante

Macroporos

DBD


86

Figura 5.14 –Visualização dos macroporos e microporos na estrutura do Colúvio.

No caso do solo Colúvio, as análises mostram uma distribuição de poros

mais diferenciada, dando origem a uma distribuição bimodal, o que se viu

refletida no ensaio de porosimetria de mercúrio.

5.4. Curva de Retenção

As curvas de retenção dos materiais estudados foram determinadas

através do método do papel filtro. O procedimento utilizado na determinação da

sucção mátrica do solo para diferentes umidades está descrito no Capítulo 3.

Utilizaram-se também dados obtidos a partir dos resultados de porosimetria.

Finalmente para a conformação das curvas características, os dados

experimentais obtidos com o papel filtro foram ajustados com o modelo de

Fredlund e Xing (1994), o qual foi descrito no capítulo 2.

Para representar a histerese da curva de retenção, foi necessário

determinar uma curva seguindo uma trajetória de secagem e outra seguindo

uma trajetória de umedecimento. Apresentam-se estas curvas nas figuras 5.15 e

5.16 para o solo Colúvio, e 5.17 e 5.18 para o solo Residual Jovem.

Microporos

Micro-agregados

DBD


87

Figura 5.15 – Curva de retenção seguindo uma trajetória de umedecimento – solo

Colúvio.

Figura 5.16 – Curva de retenção seguindo uma trajetória de secagem – solo

Colúvio.

DBD


88

Figura 5.17 – Curva de retenção – solo Residual Jovem.

A partir dos resultados dos ensaios de porosimetria de mercúrio foi

possível determinar a curva de retenção, conforme descrito no capitulo 2. As

curvas obtidas foram comparadas com aquelas obtidas experimentalmente pelo

método do papel filtro, as quais são apresentadas nas figuras 5.19 à 5.23.

Figura 5.18 – Curva de retenção em função da umidade Gravimétrica – Colúvio.

DBD


89

Figura 5.19 – Curva de retenção em função da umidade Volumétrica – Colúvio.

Figura 5.20 – Curva de retenção em função do grau de saturação – Colúvio.

DBD


90

Figura 5.21 – Curva de retenção em função da umidade Gravimétrica – Solo

Residual Jovem.

Figura 5.22 – Curva de retenção em função da umidade Volumétrica – Solo

Residual Jovem.

Figura 5.23 – Curva de retenção em função do Grau de Saturação – Solo Residual

Jovem.

DBD


6 Ensaios de Resistencia

Prévio, ao inicio da execução dos ensaios de resistência, foi necessário a

determinação das velocidades ao qual seriam cisalhadas as amostras avaliadas,

tanto para a condição saturada como para a condição não saturada.

A utilização de uma adequada velocidade de cisalhamento assegurará o

comportamento drenado das amostras ao longo dos ensaios.

A continuação nos seguintes itens apresentam-se os procedimentos e

cálculos feitos para a determinação de estas velocidades e consequentemente o

inicio da execução dos ensaios de resistência.

6.1. Velocidade de cisalhamento

6.1.1. Tempo de Rotura para Ensaios saturados.

Dado que o ensaio de cisalhamento direto é drenado, é necessário cisalhar

o corpo de prova com uma velocidade adequada e suficientemente pequena

para garantir a dissipação de qualquer excesso de poropressão.

Gibson e Henkel (1954) formularam um método teórico para determinação

aproximada do tempo de ruptura para ensaios drenados em amostras saturadas

e submersas (equação 6.1).

Onde:

Tf: Tempo de ruptura;

Hd: Altura de drenagem do corpo de prova;

Cv: Coeficiente de adensamento;

U: Grau meio de dissipação de poropressão (95%).

DBD


92

Tabela 6.1 – Velocidades de Cisalhamento para a condição Saturada do solo

Coluvio.

Ensaio t90

(min) tf

(min) V estimada(mm/min)

CD01 0.417 5.292 0.944

CD02 0.15 1.905 2.625

CD03 0.15 1.905 2.624

Tabela 6.2 – Velocidades de Cisalhamento para a condição Saturada do solo

Residual Jovem.

Ensaio t90

(min) tf

(min) V estimada (mm/min)

CD01 0.816 10.372 0.482

CD02 0.240 3.056 1.636

CD03 0.15 1.905 2.624

As velocidades calculadas para ambos os solos foram maiores que a

mínima considerada para este tipo de ensaios, por tanto adoptou-se a

velocidade de 0.127 mm/min com um tempo de ruptura de 2 horas e o

deslocamento de 15 mm.

6.1.2. Tempo de Rotura para Ensaios não saturados.

Ho e Fredlund (1982) propuseram uma metodologia para o calculo do

tempo de ruptura para ensaios de cisalhamento em condições não saturadas.

Onde:

Tf: Tempo de ruptura;

Hd: Altura de drenagem do corpo de prova;

Cv: Coeficiente de adensamento;

U: Grau meio de dissipação de poropressão (95%).

ɳ: 0,75/(1+3/λ) para drenagem simples;

: , coeficiente de adensamento do solo não saturado.

Kw: coeficiente de permeabilidade do solo não saturado relacionado

com a fase líquida.

DBD


93

ρw: densidade da água (1 g/cm3)

g: aceleração da gravidade (9.81 m/s2)

mw: inclinação da curva características (θ vs. sucção mátrica).

λ: , fator de impedância;

Kd: coeficiente de permeabilidade do DAVE;

d: comprimento de drenagem (d=2H);

Ld: espessura do DAVE;

H: metade da espessura da amostra;

U: grau médio de dissipação do excesso de poropressão.

Entre os cálculos prévios á determinação do tempo de ruptura foi

necessário estimar a permeabilidade não saturada, para isso foi utilizado o

procedimento proposto por fredlund e Xing (1994), onde a partir dos parâmetros

de ajuste da curva característica é determinada a função permeabilidade não

saturada.

Para o calculo da permeabilidade não saturada Fredlund e Xing (1994)

propuseram as seguintes equações. (6.3, 6.4, 6.5, 6.6).

Onde:

Kr (ψ): Coeficiente de permeabilidade relativa em função da sucção.

Kw (ψ): Coeficiente de permeabilidade não saturada em função da

sucção.

Ks: Coeficiente de permeabilidade saturado.

Sendo:

a=ln(ψaev), limite inferior de integração.

b=ln (1000000), limite superior de integração.

DBD


94

O intervalo (a,b) é dividido em N subintervalos de mesmo tamanho onde ∆y

é comprimento desse subintervalo, logo:

a=y1< y2<.... yN< yN+1=b

yi=ponto médio do intervalo (yi, yi+1)

(6.5)

(6.6)

Figura 6.1 – Coeficiente de Permeabilidade relativa versus sucção mátrica para o

solo Residual Jovem.

DBD


95

Figura 6.2 – Previsão da função permeabilidade não saturada para o solo Residual

Jovem.

Figura 6.3 – Coeficiente de Permeabilidade relativa versus sucção mátrica para o

Colúvio.

DBD


96

Figura 6.4 – Previsão da função permeabilidade não saturada para o solo o

Colúvio.


com sucção controlada para o solo Residual Jovem.

(ua-uw) (kPa)

Ld (m)

d (m)

Kw (m/s)

Kd (m/s)

m2w

(kPa-1) λ

60 0.0073 0.0213 5.38E-08 7.80E-11 9.04E-05 4.23E-03

120 0.0073 0.0213 1.54E-08 7.80E-11 9.04E-05 1.48E-02

200 0.0073 0.0213 2.82E-09 7.80E-11 9.04E-05 8.08E-02

(ua-uw) (kPa)

η Cvw(m2/s) tf(s) tf(min)

Velocidade para δh=5

mm (mm/min)


mm (mm/min)

60 1.06E-03 6.06E-05 35403.70 590.06 0.008 0.01695

120 3.69E-03 1.73E-05 35528.42 592.14 0.008 0.01689

200 1.97E-02 3.18E-06 36306.24 605.10 0.008 0.01653

DBD


97


com sucção controlada para o Colúvio.

(ua-uw) (kpa)

Ld (m)

d (m)

Kw (m/s)

Kd (m/s)

m2w

(kPa-1) λ

60 0.0073 0.0213 3.33E-09 7.80E-11 1.37E-04 6.83E-02

120 0.0073 0.0213 3.33E-09 7.80E-11 1.37E-04 6.83E-02

200 0.0073 0.0213 3.33E-09 7.80E-11 1.37E-04 6.83E-02

(ua-uw) (kpa)

η Cvw(m2/s) tf(s) tf(min)


mm (mm/min)


mm (mm/min)

60 1.67E-02 2.48E-06 54729.2 912.15 0.0055 0.01096

120 1.67E-02 2.48E-06 54729.2 912.15 0.0055 0.01096

200 1.67E-02 2.48E-06 54729.2 912.15 0.0055 0.01096

A velocidade de cisalhamento adotada para um deslocamento de 10 mm,

para ambos os solos, foi de 0.00975 mm/min.

6.2. Ensaios de Cisalhamento direto na condição submersa

Depois de calculadas as velocidades de cisalhamento para ambas

condições foram executados os ensaios de cisalhamento. No presente item são

apresentados os resultados obtidos a partir de uma série de 3 ensaios de

cisalhamento direto convencional na condição submersa.

As tabelas 6.5 e 6.6 detalham os índices físicos obtidos e calculados das

amostras no inicio, após o adensamento e no final do ensaio.

DBD


98

Tabela 6.5 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio –


Tabela 6.6 – Índices Físicos no inicio, após do adensamento e no final do ensaio –

Colúvio.

Série Ensaio Tensão Normal (kPa)

Índices físicos iniciais Após o

adensamento Final

n( g/cm3) d(g/cm3) wreal(%) e s(%) e ∆e/(1+eo) w(%)

I

CD 1 40,00 1,64 1,28 27,84 1,07 0,69 1,00 0,04 39,82

CD 2 80,00 1,61 1,26 27,85 1,11 0,67 1,00 0,05 43,69

CD 3 120,00 1,60 1,22 31,27 1,18 0,70 0,96 0,10 40,19

As figuras 6.5 e 6.6 apresentam as curvas tensão vs. deslocamento

horizontal e deslocamento vertical vs. deslocamento horizontal, do solo Residual

Jovem e do Coluvio respectivamente. Notou-se, nas curvas obtidas um

enrijecimento dos dois solos ao longo da fase de cisalhamento, eles não

apresentam picos de resistência; além disso, ambos os solos se comprimiram

durante o ensaio.

Série Ensaio Tensão Normal (kPa)

Índices físicos iniciais Após o

adensamento Final

n (g/cm3) d(g/cm3) wreal(%) e s(%) e ∆e/(1+eo) w(%)

I

CD 1 40,00 1,60 1,24 28,48 1,22 0,65 1,17 0,02 48,70

CD 2 80,00 1,61 1,26 27,85 1,19 0,65 1,08 0,05 43,69

CD 3 120,00 1,59 1,21 31,27 1,27 0,68 1,10 0,08 44,45

DBD


99

Figura 6.5 – Ensaio de cisalhamento Direto – curva tensão – deslocamento, do

solo Residual jovem.

DBD


100

Figura 6.6 – Ensaio de cisalhamento Direto – curva tensão – deslocamento, do

Colúvio.

6.3. Ensaios de Cisalhamento direto na condição não saturada

Apresentam-se os resultados dos ensaios de cisalhamento direto

realizados no equipamento de cisalhamento direto com sucção controlada da

PUC-Rio. Foram executados 9 ensaios divididos em 3 séries em função das

tensões normais e sucção mátrica aplicadas, para os dois solos estudados. As

tabelas 6.7 e 6.8 mostram os índices físicos dos corpos de prova no inicio, após

o adensamento e no final do cisalhamento.

DBD


101

Tabela 6.7 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio do solo Residual Jovem.

Final

n (g/cm3) d(g/cm3) wcampo(%) e s(%) e ∆e/(1+eo) w(%)

CDSC 1 40.00 60.00 1.48 1.20 23.32 1.30 0.50 1.18 0.053 27.55

CDSC 2 40.00 120.00 1.54 1.25 23.32 1.21 0.53 1.03 0.080 24.15

CDSC 3 40.00 200.00 1.52 1.23 23.32 1.24 0.52 1.09 0.068 22.09

CDSC 4 80.00 60.00 1.48 1.21 22.01 1.28 0.48 1.14 0.062 28.55

CDSC 5 80.00 120.00 1.54 1.26 22.01 1.19 0.51 0.98 0.097 24.99

CDSC 6 80.00 200.00 1.56 1.28 22.01 1.16 0.52 1.00 0.075 21.09

CDSC 7 120.00 60.00 1.57 1.28 22.01 1.15 0.53 0.99 0.073 28.29

CDSC 8 120.00 120.00 1.63 1.28 27.85 1.16 0.66 0.95 0.099 25.92

CDSC 9 120.00 200.00 1.63 1.28 27.85 1.16 0.66 0.96 0.094 22.78

I

II

III

Sucção Matrica

(kpa)

Tensão Normal Liquida (kpa)

EnsaioSerie Após o adensamentoIndices físicos iniciais

DBD


102

Tabela 6.8 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio do Colúvio.

final

n (g/cm3) d(g/cm3) wcampo(%) e s(%) e ∆e/(1+eo) w(%)

CDSC 1 40 60 1.60 1.30 23.31 1.05 0.59 0.87 0.086 28.03

CDSC 2 40 120 1.54 1.25 22.98 1.12 0.54 0.97 0.070 26.00

CDSC 3 40 200 1.64 1.33 23.38 1.01 0.62 0.83 0.087 24.86

CDSC 4 80 60 1.54 1.25 22.75 1.12 0.54 1.03 0.045 26.54

CDSC 5 80 120 1.49 1.21 22.61 1.19 0.50 1.08 0.051 25.79

CDSC 6 80 200 1.64 1.34 22.21 0.98 0.60 0.91 0.038 24.60

CDSC 7 120 60 1.59 1.30 22.30 1.05 0.57 0.92 0.063 26.78

CDSC 8 120 120 1.63 1.32 23.38 1.01 0.62 0.83 0.091 27.62

CDSC 9 120 200 1.66 1.35 22.51 0.97 0.62 0.78 0.093 26.48

I

II

III

Indices físicos iniciasSucção Matrica

(kpa)

Tensão Normal Liquida (kpa)

EnsaioSerieApós o adensamento

DBD


103

6.3.1. Ensaios com Tensão Normal Líquida Constante

Neste item apresentam-se primeiramente as curvas de deslocamento

vertical e variação volumétrica de água que sai ou entra no C.P em função do

tempo de ensaio das 3 series antes mencionadas correspondentes à fase de

equalização e adensamento respectivamente. Notou-se que para os dois solos o

tempo necessário para a equalização foi maior que para o adensamento.

Seguidamente se mostra as curvas tensão cisalhante, deslocamento

vertical e variação de volume de água que sai ou entra na amostra em função do

deslocamento horizontal. Nestas curvas observou-se que quanto maior a

sucção, maior é a resistência ao cisalhamento. Este mesmo comportamento de

enrijecimento do material com relação aos acréscimos de sucção foi refletido nas

curvas de variação de volume, observando-se que quanto maior é a sucção

aplicada, menor é a contração do solo.

6.3.1.1. Série I

A série 1 é composta de 3 ensaios, os quais foram executados mantendo

uma tensão normal líquida (σn – ua) de 40 kPa, enquanto que a sucção mátrica

(ua – uw) foi variada para os valores de 60, 120 e 200 kPa.

A figura 6.7 apresenta as curvas correspondentes às fases de equalização

e adensamento para o solo Residual Jovem.

A figura 6.8 mostra as curvas correspondentes à fase de cisalhamento

para o solo Residual Jovem.

A figura 6.9 apresenta as curvas correspondentes às fases de equalização

e adensamento, para o Colúvio.


para o Colúvio.

DBD


104

Figura 6.7 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que

sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série I – solo Residual Jovem.

DBD


105

Figura 6.8 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação

volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I – solo

Residual Jovem.

DBD


106


sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série I – Colúvio.

DBD


107


volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I –

Colúvio.

DBD


108

6.3.1.2. Série II




A figura 6.11 apresenta as curvas correspondentes às fases de

equalização e adensamento, para o solo Residual Jovem.

A figura 6.12 mostra a curva correspondente à fase de cisalhamento para o



equalização e adensamento, para o solo Colúvio.

A figura 6.14 mostra a curva correspondente à fase de cisalhamento para o

Colúvio.


sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série II – solo Residual Jovem.

DBD


109


volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II –


DBD


110


sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série II – Colúvio.

DBD


111



Colúvio.

DBD


112

6.3.1.3. Série III





equalização e adensamento, para o solo residual jovem.


para o solo Residual Jovem.


equalização e adensamento, para o Colúvio.


para o Colúvio.


sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série III – solo Residual Jovem.

DBD


113


volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III –


DBD


114


sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série III – Colúvio.

DBD


115



Colúvio.

DBD


116

6.3.2. Ensaios de Cisalhamento em Função da Tensão Normal Liquida

Com o objetivo de observar o comportamento da resistência ao

cisalhamento com relação à tensão normal líquida foram reagrupadas as séries

de ensaios antes apresentados mantendo agora a sucção mátrica constante e

variando a tensão normal líquida. A tabela 6.9 mostra as novas séries de ensaios

que foram aplicadas para o solo Residual Jovem e para o Colúvio. Além disso,

as curvas tensão cisalhante versus descolamento horizontal, correspondentes a

estas novas séries, são apresentadas nas figuras 6.19 à 6.24.

Tabela 6.9 – Série de Ensaios em função da Tensão Normal líquida aplicada.

Série Ensaio Sucção Mátrica (kPa)

Tensão Normal

Líquida (kPa)

I

CDSC 1 60 40

CDSC 2 60 80

CDSC 3 60 120

II

CDSC 4 120 40

CDSC 5 120 80

CDSC 6 120 120

III

CDSC 7 200 40

CDSC 8 200 80

CDSC 9 200 120

DBD


117


volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do cisalhamento da série I

– solo Residual Jovem.

DBD


118


volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I –

Colúvio.

DBD


119




DBD


120



Colúvio.

DBD


121




DBD


122



Colúvio.

DBD


123

6.4. Ensaios de Cisalhamento direto com ciclos de umedecimento e secado.

Para avaliar efeitos de ciclos de umedecimento e secagem nos materiais

estudados, foi necessário definir níveis de sucção que seriam atingidos em cada

ciclo.

A tabela 6.10 descreve os níveis de sucção a que foram levadas todas as

amostras em cada ciclo durante a fase de equalização, antes de serem

cisalhadas.

Os ensaios I.1, I.2 e I.3 que englobam o ciclo I, representam o efeito da

secagem que sofre o material após ter sido saturado. Os níveis de sucção

iniciais para todos os ensaios deste ciclo foram 60 kPa e as sucções finais

atingidas após a saturação foram 60, 120 e 200 kPa.

Já os ensaios II.1, II.2 e II.3, que englobam o ciclo II representam o re-

umedecimento do material após re-secagem. Da mesma forma que no ciclo I,

as sucções de partida foram 60 kPa, enquanto que as sucções finais atingidas

foram 0 em todos os ensaios.

Tabela 6.10 – Ciclos de Umedecimento e Secagem para o Colúvio e solo

Residual.

Ciclo Ensaio Trajetória

I

I.1 S=60→s=0→s=60

I.2 S=60→s=0→s=120

I.3 S=60→s=0→s=200

II

II.1 S=60→s=0→s=60→s=0

II.2 S=60→s=0→s=120→s=0

II.3 S=60→s=0→s=200→s=0

DBD


124

6.4.1. Ciclo I

Na tabela 6.11 e 6.12, são apresentados os índices físicos inicias dos

corpos de prova, após o adensamento e no final do cisalhamento, dos materiais

ensaiados. Pode-se observar que, para ambos os solos, a umidade final dos

corpos de prova, após o cisalhamento, reflete o nível de sucção atingido durante

o ensaio.

Tabela 6.11 – Índices físicos ao longo do Ciclo I para o Colúvio.

Ciclo Ensaio Índices físicos iniciais Final

n (g/cm3) d(g/cm3) Wcampo(%) eo s(%) w(%)

I

I.1 1.56 1.20 30.19 1.22 0.66 27.46

I.2 1.63 1.25 30.61 1.13 0.72 25.15

I.3 1.66 1.29 29.14 1.07 0.73 26.62

Tabela 6.12 – Índices físicos ao longo do Ciclo I para o Solo Residual Jovem.

Série Ensaio Índices físicos iniciais Final

n (g/cm3) d(g/cm3) Wcampo(%) e s(%) w(%)

I

I.1 1.59 1.24 28.40 1.23 0.64 34.04

I.2 1.59 1.23 29.42 1.25 0.65 31.56

I.3 1.55 1.21 27.84 1.28 0.60 29.26

As figuras 6.25 a 6.30 apresentam as curvas de tensão cisalhante versus

deslocamento horizontal obtidas a partir dos ensaios I.1, I.2 e I.3 para o Colúvio

e Residual Jovem respectivamente, comparadas com as curvas obtidas dos

ensaios de resistência sem ciclos de umedecimento e secagem.

No caso do Colúvio as curvas tensão cisalhante versus deslocamento

horizontal apresentam uma ligeira diminuição de resistência com respeito à

resistência obtida sem ciclo de umedecimento e secagem. A curva da figura

6.22, no ensaio I.2 apresenta, porém, um comportamento contrário, já que a

resistência mostrada é ligeiramente maior que a obtida sem ciclos de


DBD


125

Nas curvas de deslocamento vertical versus deslocamento horizontal,

apresentadas nas figuras 6.21 a 6.23, observou-se um menor deslocamento

vertical com relação às curvas obtidas sem ciclos de umedecimento e secagem.

Para o solo Residual Jovem, da mesma forma que no Colúvio, as curvas

tensão cisalhante versus deslocamento horizontal apresentam uma ligeira

diminuição de resistência com respeito à resistência obtida sem ciclo de


As curvas de deslocamento vertical versus deslocamento horizontal

apresentadas as figuras 6.24 à 6.26 não mostram um claro comportamento da

diminuição do deslocamento vertical como foi visto no Colúvio, já que para níveis

de sucção de 60 e 120 kPa as curvas com ciclos de umedecimento e secagem

apresentam um maior deslocamento com respeito à curva obtida sem ciclos de


DBD


126


volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.1 com ciclo e sem ciclo

de umedecimento e secagem no Colúvio.

DBD


127




DBD


128




DBD


129



de umedecimento e secagem no solo Residual Jovem.

DBD


130




DBD


131




DBD


132

6.4.2. Ciclo II

Nas tabelas 6.9 e 6.10, são apresentados os índices físicos iniciais dos corpos

de prova, após o adensamento e no final do cisalhamento, dos materiais

ensaiados.

Cabe ressaltar que os valores de umidade final após o cisalhamento mostrados

na tabela 6.9 e 6.10 para ambos os solos, não apresenta uma boa correlação

com o nível de sucção a que foram ensaiadas as amostras, sendo que o valor da

umidade na condição saturada (sucção 0 kPa) apresenta valores mais altos.

Este aspecto será discutido no capítulo de interpretação de resultados.

Tabela 6.13 – Índices físicos ao longo do Ciclo II para o Colúvio.

Ciclo Ensaio Índices físicos iniciais Final

n (g/cm3) d(g/cm3) Wcampo(%) eo s(%) w(%)

II

II.1 1.70 1.31 30.19 1.03 0.78 30.93

II.2 1.64 1.26 30.61 1.12 0.73 29.82

II.3 1.61 1.24 29.71 1.14 0.69 30.99

Tabela 6.14 – Índices físicos ao longo do Ciclo II para o Solo Residual Jovem.

Série Ensaio Índices físicos iniciais Final

n (g/cm3) d(g/cm3) Wcampo(%) e s(%) w(%)

II

II.1 1.57 1.18 32.97 1.34 0.68 39.51

II.2 1.59 1.19 33.68 1.32 0.70 40.59

II.3 1.51 1.11 35.50 1.48 0.66 38.50

As figuras 6.31 e 6.32 apresentam as curvas de tensão cisalhante versus

deslocamento horizontal obtidas a partir dos ensaios II.1, II.2 e II.3 comparadas

com a curva obtida sem ciclos de umedecimento e secagem (condição

submersa), para o Colúvio e o Residual Jovem.

Das curvas de resistência obtidas para o solo Colúvio (figura 6.31),

percebe-se que só fazendo uma comparação entre as curvas com ciclos de

umedecimento e secagem, o valor da sucção atingido não apresenta uma clara

influência na resistência. Por exemplo, na comparação entre as curvas obtidas, a

DBD


133

maior resistência é observada para um nível de sucção atingido de120 kPa,

seguido de 60 kPa e finalmente 200 kPa.

Ao comparar as curvas com e sem ciclo de umedecimento e secagem, é

possível observar um incremento de resistência com o ciclo, fato contrário ao

suposto provável (diminuição de resistência ao cisalhamento do solo devido a

um ciclo de secagem e umedecimento).

Já nas curvas deslocamento vertical versus deslocamento horizontal,

observou-se uma clara influência da sucção atingida na fase de secagem, onde

quanto menor a sucção atingida, menor é a compressão do material.

No caso do solo Residual Jovem (figura 6.32) percebe-se que na

comparação entre as curvas com ciclos de umedecimento e secagem, o valor da

sucção atingido na secagem do solo tem uma ligeira influência nos valores de

tensão cisalhante. Sendo assim, quanto maior é a sucção atingida na secagem,

ligeiramente maior é a resistência ao cisalhamento. Porém, na comparação com

a curva obtida sem ciclo de umedecimento e secagem verificou-se o mesmo

acontecido com o Colúvio.

Contrariando o mostrado no Colúvio nas curvas deslocamento vertical

versus deslocamento horizontal, a variação de volume do solo residual jovem

não é claramente influenciada pela sucção atingida na fase de secagem.

DBD


134


volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal dos ensaios II.1, II.2 e II.3

comparadas com a obtida da condição submersa no solo Colúvio.

DBD


135


volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal dos ensaios II.1, II.2 e II.3

comparadas com a obtida da condição submersa no solo Residual Jovem.

DBD


7 Interpretação de Resultados

Neste capitulo primeiramente é apresentado o critério que foi adotado para

a definição do ponto de ruptura, na análise dos resultados apresentados no

capitulo anterior.

Em seguida são avaliados os resultados obtidos a partir da fase de

adensamento, com o objetivo de determinar uma possível influência da sucção

na compressibilidade dos materiais estudados.

Posteriormente, é analisada a resistência considerando a influência da

sucção através dos resultados obtidos nas séries de ensaios de cisalhamento

com sucção controlada, apresentando-se as envoltórias de resistência. Além

disso, são determinados os parâmetros associados a estas envoltórias e como

estes são influenciados pela sucção mátrica. São apresentadas, também, as

equações que descrevem o comportamento não saturado de ambos os solos.

Finalmente as envoltórias obtidas são comparadas com aquelas obtidas

depois dos ciclos de umedecimento e secagem, visando verificação da sua

influência na resistência dos solos estudados.

7.1. Critério de definição de ruptura utilizado

Devido a um acréscimo da resistência com o incremento do deslocamento

horizontal, como foi confirmado nos resultados obtidos dos ensaios, de Campos

e Carrillo (1995) estabeleceram como ponto de ruptura, o ponto em que a curva

tensão – deslocamento atinge uma inclinação constante. Definidos os pontos em

cada curva para a condição saturada e não saturada, traçaram-se as envoltórias

de resistência. Como é mostrado na figura 7.1.

DBD


137

Ponto de Ruptura

Ponto de Ruptura

Ten

são

Cis

alha

nte

(kP

a)

Deslocamento Horizontal (mm)

Figura 7.1 – Critério de definição dos pontos de ruptura.

7.2. Compressibilidade dos Materiais

7.2.1. Amostras Submersas

Visando representar a compressibilidade do material, na condição

submersa, foi plotada a variação do índice de vazios dos corpos de prova que

foram obtidos no final da fase de adensamento versus a tensão normal aplicada.

Como são mostrados nas figuras 7.2 e 7.3, ambos os solos apresentam

um acréscimo da variação dos índices de vazios conforme aumenta a tensão

normal líquida.

DBD


138

10 100 1000

n (kPa)

0.4

0.3

0.2

0.1

0

e/

(1+

e0)


submersa, para o solo Residual jovem.

10 100 1000

n (kPa)

0.4

0.3

0.2

0.1

0

e

/(1+

e 0)


submersa, para o Colúvio.

DBD


139

7.2.2. Amostras Não-Saturadas

No caso das amostras na condição não saturada, avaliou-se uma possível

influência da sucção na compressibilidade dos materiais estudados. Para isso foi

plotado a variação dos índices de vazios versus a tensão normal líquida, para

cada uma das séries executadas, nos dois solos, como se apresenta nas figuras

7.4 e 7.5.

10 100 1000

Tensão normal líquida (kPa)

0.15

0.1

0.05

0

e/(

1+e

0)

sucção 60 kPa

sucção 120 kPa

sucção 200 kPa

Figura 7.4 – Variação do índice de vazios com a tensão normal líquida para o solo

Residual Jovem.

10 100 1000

Tensão Normal líquida (kPa)

0.2

0.15

0.1

0.05

0

e

/(1

+e 0

)

sucção 60 kPa

sucção 120 kPa

sucção 200 kPa

Figura 7.5 – Variação do índice de vazios com a tensão normal líquida para o

Colúvio.

DBD


140

A partir dos gráficos, percebe-se que o Residual Jovem apresenta uma

clara influência da tensão líquida na sua compressibilidade, notando um ligeiro

acréscimo na variação dos índices de vazios com um aumento da tensão

normal.

Porém, para o Colúvio, este comportamento não é bem definido,

mostrando assim uma diminuição e posterior acréscimo na variação dos índices

de vazios com um aumento da tensão normal.

7.3. Resistência ao Cisalhamento

7.3.1. Resistência ao Cisalhamento na Condição Submersa

Baseado no critério de ruptura descrito anteriormente é apresentado nas

tabelas 7.1 e 7.2 os pares de tensões obtidos no momento da ruptura.

Série Ensaio Ƭr (kPa) (σ)r

(kPa) δhr(mm)

I

CD1 18,54 42,78 6,50

CD2 59,75 87,69 8,77

CD3 79,36 128,77 6,82

Tabela 7.1 – Tensão cisalhante, tensão normal e deslocamento horizontal na

ruptura para o solo Residual jovem.

Tabela 7.2 – Tensão cisalhante, tensão normal e deslocamento horizontal na

ruptura para o Colúvio.

Com os pontos encontrados foram traçadas as envoltórias de resistência e,

a partir de um ajuste linear foram obtidos os parâmetros de resistência. Como é

apresentado nas figuras 7.6 e 7.7 para ambos os solos.

Série Ensaio Ƭr (kPa) (σ)r

(kPa) δhr(mm)

I

CD 1 27,62 42,37 5,60

CD 2 42,22 87,10 7,00

CD 3 79,16 128,57 6,67

DBD


141

y = 0,6226xR² = 0,9519

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150Ten

são

Cis

alh

ante

(kN

/m²)

Tensão Normal (kN/m²)

C'=0

Ø'=32

Figura 7.6 – Envoltória de resistência de amostras submersas do solo Residual

Jovem.

Figura 7.7 – Envoltória de resistência de amostras submersas do Colúvio.

Analisando as envoltórias obtidas, pode-se observar que o solo Residual

Jovem e o Colúvio apresentam o mesmo intercepto coesivo c’, mas com

diferentes ângulos de atrito Ø’, sendo que o solo Residual Jovem tem o maior

ângulo de atrito Ø’ = 32°. Tal aspecto é compatível com o fato deste material

apresentar menor teor de finos.

c’= 0

Ø’=30°

DBD


142

Portanto, é o solo Residual Jovem que apresenta a maior resistência na

condição submersa.

7.3.2. Resistencia ao Cisalhamento na Condição Não saturada

As tabelas 7.3 e 7.4 apresentam os pares de tensão cisalhante (Ƭr) e

tensão normal líquida (σr-ua), obtidos nos pontos de ruptura no solo Residual

Jovem e Colúvio respectivamente, para os ensaios na condição não saturada.

Série Ensaio



Ƭr (kPa) (σ-ua)r

(kPa) δhr

(mm)

I

CDSC 1 40 60 91,27 41,79 4,28

CDSC 2 40 120 106,65 82,22 4,72

CDSC 3 40 200 123,51 127,05 5,70

II

CDSC 4 80 60 151,86 41,98 2,72

CDSC 5 80 120 169,73 82,47 3,00

CDSC 6 80 200 190,51 125,76 4,47

III

CDSC 7 120 60 181,16 42,25 6,70

CDSC 8 120 120 212,50 83,21 4,58

CDSC 9 120 200 238,83 127,70 5,71

Tabela 7.3 – Tensão cisalhante, tensão normal líquida, sucção mátrica e

deslocamento horizontal na ruptura para o solo Residual Jovem.

Série Ensaio



Ƭr (kPa) (σ-ua)r

(kPa) δhr(mm)

I

CDSC 1 40 60 100,90 41,32 3,20

CDSC 2 40 120 153,89 41,50 3,61

CDSC 3 40 200 186,93 41,94 5,24

II

CDSC 4 80 60 119,20 84,45 5,28

CDSC 5 80 120 185,05 84,43 5,25

CDSC 6 80 200 229,31 85,13 5,70

III

CDSC 7 120 60 152,84 125,47 4,89

CDSC 8 120 120 229,10 126,23 4,94

CDSC 9 120 200 247,17 125,57 4,43

Tabela 7.4 – Tensão cisalhante, tensão normal líquida, sucção mátrica e

deslocamento horizontal na ruptura para o solo Colúvio.

DBD


143

Com os pontos obtidos plotaram-se as envoltórias de resistência com

relação à sucção (ua – uw) de cada série descrita, para o solo Residual Jovem e

o Colúvio respectivamente as quais são apresentadas nas figuras 7.8 e 7.9.

Analisando as envoltórias foi possível observar que em todos os solos a

relação entre a resistência ao cisalhamento na condição não saturada e a

sucção mátrica é não linear. Para descrever melhor este comportamento, os

pontos experimentais foram ajustados a uma função hiperbólica expressa na

equação 7.1. Inicialmente proposta por Orencio Monje.

As tabelas 7.5 e 7.6 apresentam as equações utilizadas para o ajuste

hiperbólico.

Tabela 7.5 – Equações de ajuste Hiperbólico para o solo Residual Jovem.

Tensão Normal

Líquida (kPa) Função Hiperbólica R2

60 =18,54+(ua-uw)/((0,577+0,0031(ua-uw)) 0,994

120 =59,75+(ua-uw)/((1,011+0,0014(ua-uw)) 0,990

200 =79,36+(ua-uw)/((1,077+0,0008(ua-uw)) 0,989

Tabela 7.6 – Equações de ajuste Hiperbólico para o Colúvio.

Tensão Normal Líquida (kPa)

Função Hiperbólica R2

60 =27,62+(ua-uw)/((0,591+0,0033(ua-uw)) 0,998

120 =42,22+(ua-uw)/((0,599+0,00229(ua-uw)) 0,997

200 =79,16+(ua-uw)/((0,519+0,0031(ua-uw)) 0,977

Cabe ressaltar que no caso do solo Residual jovem notou-se uma perda da

não linearidade com o aumento da tensão normal líquida, ou seja, as envoltórias

foram se tornando mais lineares conforme a tensão normal líquida incrementava.

DBD


144

Onde:

(μa-μw) = sucção mátrica

Ƭ = tensão cisalhante para um determinado valor de sucção

Ƭo = tensão cisalhante na condição submersa.

a, b = parâmetros da função hiperbólica (obtidos por mínimos quadrados)

0 50 100 150 200 250 300

sucção (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

ante

(k

Pa)

tensão liquida 40 kPa

tensao liquida 80 kPa


ajuste 40 kPa

ajuste 80 kPa

ajuste 120 kPa

Figura 7.8 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante

vs. sucção mátrica do solo Residual jovem.

0 50 100 150 200 250 300

Sucção (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

ante

(k

Pa)

tensão liquida 40 kPa



ajuste 40 kPa

ajuste 80 kPa

ajuste 120 kPa

DBD


145


vs. sucção mátrica do Colúvio.

Além de apresentar um claro acréscimo de resistência ao cisalhamento

com o aumento da sucção em todos os solos, percebeu-se que o ângulo Øb

apresenta valores maiores que Ø´ para sucções abaixo de 200 kPa, o que difere

da literatura e observações feitas por Escario & Sáez (1986) e Fredlund et al.

(1987), os quais propõem que para sucções baixas o valor de Øb deve ser

próximo a Ø’. Valores de Øb maiores foram observados em trabalhos realizados

por Teixeira & Vilar (1997), Soares (2005) e Lopes (2006).

São apresentadas nas figuras 7.10 e 7.11 as envoltórias de resistência em

função da tensão líquida (σ – ua).

0 50 100 150 200

tensão liquida (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

ante

(k

Pa)

sucçao 0 kPa

sucçao 60 kPa

sucçao 120 kPa

sucçao 200 kPa

ajuste linear


vs. Tensão Normal Líquida do solo Residual jovem.

0 50 100 150 200

tensão liquida (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

ante

(kP

a)

sucçao 0 kPa

sucçao 60 kPa

sucçao 120 kPa

sucçao 200 kPa

ajuste linear

DBD


146


vs. Tensão Normal Líquida do solo Colúvio.

Das envoltórias mostradas, verifica-se que a resistência ao cisalhamento

na condição não saturada aumenta tanto com o acréscimo de sucção quanto

com o acréscimo da tensão normal líquida.

As tabelas 7.7 e 7.8 apresentam os parâmetros da envoltória obtidos no

plano da tensão cisalhante versus tensão normal líquida.

Tabela 7.7 – Parâmetros de resistência no plano da Tensão normal líquida para o


(ua – uw)

(kPa)

Caparente

(kPa) Ø’(°) R2

0 0,0 32,0 0,952

60 75,5 20,7 1,000

120 132,2 24,8 0,999

200 154,0 34,0 0,994

Tabela 7.8 – Parâmetros de resistência no plano da Tensão normal líquida para o

Colúvio.

(μa – μw)

(kPa)

Caparente

(kPa) Ø’(°) R2

0 0.0 30,0 0,9297

60 72,8 31,6 0,966

120 114,8 41,5 0,988

200 160,2 35,9 0,930

O ganho de resistência na envoltória tensão cisalhante vs. tensão normal

líquida para diferentes níveis de sucção pode ser representado pelo incremento

da coesão aparente. As figuras 7.12 e 7.13 apresentam este incremento com

relação à sucção mátrica, e seu ajuste a uma função hiperbólica é descrito pelas

equações 7.2 e 7.3 para os dois materiais estudados.

DBD


147

0 50 100 150 200 250 300

sucção mátrica (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Co

esão

ap

are

nte

(kP

a)

coesãoaparente

ajuste

Figura 7.12 – Variação da coesão aparente com relação à sucção mátrica para o

solo Residual jovem.

0 50 100 150 200 250 300


0

50

100

150

200

250

300

Co

esão

ap

aren

te (

kPa)

coesãoaparente

ajuste

Figura 7.13 – Variação da coesão aparente com relação à sucção mátrica para o

solo Colúvio.

DBD


148

As figuras 7.14 e 7.15 mostram a influência da sucção mátrica no ângulo

de atrito Ø’ e o ângulo Øb. Analisando estas figuras, percebe-se que a influência

da sucção mátrica no ângulo de atrito não é bem definida pelo fato que os

pontos obtidos encontram-se dispersos. Por outro lado no caso do ângulo Øb,

ambos os solos mostram claramente uma diminuição deste com o aumento da

sucção mátrica. Porém cabe ressaltar que esta diminuição no solo residual é

mais pronunciada que no Colúvio. Este mesmo comportamento foi encontrado

nos materiais avaliados por Carrillo (1993), Soares (2004) e Lopes (2006).

0 50 100 150 200 250


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Ø',

Øb

(°)

Øb

Ø'

Figura 7.14 – Variação de Ø’ e Øb com relação à sucção mátrica para o solo

Residual Jovem.

0 50 100 150 200 250


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Ø',

Øb

(°)

Øb

Ø'

Figura 7.15 – Variação de Ø’ e Øb com relação à sucção mátrica para o Colúvio.

DBD


149

Finalmente as equações 7.4 e 7.5 definem a envoltória de resistência em

função das duas variáveis de estado, sucção mátrica (ua – uw) e tensão normal

líquida (σ – ua). Considerando um ângulo de atrito médio de 27,9° e 34,8° na

equação para o solo Residual jovem e Colúvio, respectivamente; plotaram-se as

envoltórias tridimensionais apresentada nas figuras 7.16 e 7.17.

Figura 7.16 – Envoltória Tridimensional de Resistência para o solo Residual

jovem.

DBD


150

Figura 7.17 – Envoltória Tridimensional de Resistência para o Colúvio.

DBD


151

7.3.3. Comparação dos Resultados Obtidos com Estimativas Indiretas da Resistencia ao Cisalhamento Através de Formulações Simplificadas

As figuras 7.18 e 7.19 mostram a comparação entre a envoltória obtida

experimentalmente neste trabalho e as envoltórias obtidas através das quatro

formulações descritas no capitulo 2 para os dois solos estudados.

0 50 100 150 200 250 300

sucção (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

ante

(k

Pa)

Dados Exp. (120kPa)

Lytton (1996)

Oberg and Sallfors(1997)

Khallili and Khabbaz (1998)

Vanapalliand Fredlund (1996)

Vanapalli(1996)

Figura 7.18 – Comparação das envoltórias obtidas com as formulações propostas

pelos autores com a envoltória obtida experimentalmente para o solo Residual jovem.

0 50 100 150 200 250 300

Sucção (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

ante

(k

Pa)

Dados Exp.(120kPa)

Lytton(1996)

Oberg and Sallfors(1997)

Khallili and Khabbaz(1998)

Vanapalli and Fredlund (1996)

Vanapalli(1996)

Figura 7.19 – Comparação das envoltórias obtidas com as formulações propostas

pelos autores com a envoltória obtida experimentalmente para o Colúvio.

DBD


152

Analisando as curvas, percebe-se claramente que as cinco formulações

forneceram estimativas de resistência ao cisalhamento muito mais baixas que as

obtidas experimentalmente, sendo as respostas muito conservadoras.

Isto era de se esperar já que todas as formulações têm como consideração

que o parâmetro Øb é sempre menor ou no máximo igual a Ø’.

O mesmo resultado foi verificado por Soares (2005) e Lopes (2006).

7.3.4. Comparação dos Resultados Obtidos com outros materiais encontrados na literatura

Como forma de avaliar os resultados obtidos, foi realizada uma

comparação com resultados obtidos a partir de ensaios de cisalhamento direto

com sucção controlada realizados em materiais de características similares em

amostras indeformadas.

Para fins de comparação, foi utilizado resultados de publicações

anteriores, com ensaios realizados em solos Residuais e Coluvios.

Esses dados foram retirados dos trabalhos de Delgado (1993), Soares

(2005) e Lopes (2006). As tabelas 7.9 e 7.10 apresentam de forma resumida as

características físicas dos materiais escolhidos para a comparação.

Solo Areia (%) Silte

(%) Argila

(%) LL (%)

LP (%)

IP (%) Gs e Grossa Media Fina

Coluvio PUC

(Soares, 2005)

9,2 16,3 14,6 5,5 53,5 54,0 27,8 26,2 2,73 0,90-0,96

Coluvio Amarelo

V.Chinesa (Carrillo,

1993)

13,7 19,4 17,1 4,7 43,9 47,2 21,3 25,9 2,77 1,14-1,26

Coluvio Vermelho V.Chinesa (Carrillo,

1993)

16,5 12,8 15,1 6,0 42,8 62,0 43,4 18,6 2,75 1,02-1,10

Coluvio Tinguá

24,6 14,2 7,7 10,1 40,5 64,5 35,9 28,6 2,66 0,97-1,19

Tabela 7.9 – Resumo das características físicas dos 4 Colúvios considerados.

DBD


153

Dos quatro Colúvios, todos de forma geral apresentam características

similares, exceto o Colúvio Vermelho da Vista Chinesa que apresenta um baixo

índice de plasticidade com relação aos outros, mas se espera que essa

diferença não seja significativa.

Tabela 7.10 – Resumo das características físicas dos 3 Solos Residuais considerados.

Dos três solos residuais escolhidos, o solo Residual de Belo Horizonte

apresenta a menor fração de areia na granulometria, e o Residual da vista

chinesa possui um maior conteúdo da fração argila com relação aos outros

materiais.

Nas figuras 7.20 e 7.21 são apresentadas as envoltórias de resistência

com relação à sucção para os quatro solos residuais e quatro solos Coluvio

escolhidos, respectivamente. Todas as envoltórias foram obtidas considerando

uma tensão normal líquida (σ - ua), em torno de 50 kPa.

Analisando as figuras 7.20 e 7.21, para a tensão normal líquida escolhida,

todos os materiais apresentam um comportamento não linear e um acréscimo do

ângulo Øb significativo na faixa de sucções de 0 a 150 kPa.

Das figuras 7.22 e 7.23 observou-se que para todos os materiais, o ângulo

Øb diminui com o aumento da sucção.

Solo Areia (%) Silte (%) Argila (%) LL (%)

LP (%)

IP (%)

Gs

Residual Belo Horizonte

(Bernadete, 2006).

8,0 81,0 10,60 49,10 30,60 18,5 2,80

Residual da vista Chinesa

Vermelho (Carrillo, 1993).

60,0 6,46 24,42 50,65 32,21 18,44 2,79

Residual de Tinguá, RJ.

63,5 29,8 6,6 -- -- -- 2,76

DBD


154

0 50 100 150 200 250 300

Sucção (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

ante

(kP

a)Coluvio, Tinguá

Coluvio Amarelo, Vista Chinesa

Coluvio Vermelho, Vista Chinesa

Coluvio, PUC

Figura 7.20 – Comparação das envoltórias de resistência para todos os solos

Coluvionares.

0 50 100 150 200 250 300

sucção (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Ten

são

cis

alh

an

te (

kPa)

Residual, Tinguá

Residual, B. Horizonte

Residual, V. Chinesa

Figura 7.21 – Comparação das envoltórias de resistência para todos os solos

residuais.

DBD


155

0 50 100 150 200 250


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Øb

(°)

Coluvio, Tinguá

Coluvio Amarelo, V.Chinesa

Coluvio Vermelho, V.Chinesa

Coluvio, PUC


Coluvionares.

0 50 100 150 200 250


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Øb

(°)

Residual,Tinguá

Residual, B. Horizonte

Residual, V.Chinesa


Residuais.

DBD


156

7.3.5. Influência dos Ciclos de Umedecimento e Secagem na Resistencia ao Cisalhamento.

Baseados nos resultados apresentados no capítulo anterior apresenta-se

neste item uma discussão da influência ou não dos processos de umedecimento

e secagem na resistência dos solos estudados.

7.3.6. Secagem após a Saturação

Os ensaios do ciclo I tentaram simular o efeito da secagem após a

saturação na resistência ao cisalhamento, em ambos os solos.

Aplicando o critério de resistência já definido anteriormente, foram

retiradas das curvas tensão vs. deslocamento horizontal, correspondentes ao

ciclo II, o par de tensões na ruptura. Posteriormente, plotaram-se estes pontos

na envoltória de resistência e foram comparados com aqueles obtidos sem

ciclagem, para uma tensão normal líquida de 120 kPa, como é mostrado nas

figuras 7.24 e 7.25.

0 50 100 150 200 250 300

Sucção (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

ante

(k

Pa) sem ciclo(120kPa)

com ciclo(120 kPa)

Figura 7.24 – Superposição dos pares de tensões do ciclo I na envoltória de

resistência, para uma tensão normal líquida de 120 kPa – Colúvio.

DBD


157

0 50 100 150 200 250 300

sucção (kPa)

0

50

100

150

200

250

300

Ten

são

cis

alh

an

te (

kPa)

sem ciclo (120 kPa)

com ciclo(120 kPa)

Figura 7.25 – Superposição dos pares de tensões da série I na envoltória de

resistência, para uma tensão líquida de 120 kPa – solo Residual jovem.

Da figura 7.24 percebe-se que, para os níveis de sucção 120 e 200 kPa a

influência é positiva sendo que os valores de resistência submetidos aos ciclos

de umedecimento e secagem estão acima dos obtidos sem ciclos. Exceto no

nível de sucção de 60 kPa, a influência torna-se negativa já que que o valor de

resistência com ciclo é ligeiramente abaixo dos obtidos sem ciclos.

No caso do solo Residual jovem (figura 7.25) notou-se que, para todos os

níveis de sucção a influência é negativa sendo que os valores de resistência

submetidos aos ciclos de umedecimento e secagem são menores que os obtidos

sem ciclos.

Portanto, para o Colúvio, a secagem após da saturação não apresenta

uma clara influência na resistência ao cisalhamento devido à dispersão de

dados; enquanto que no solo Residual jovem a influência é negativa gerando

uma queda na resistência ao cisalhamento, mesmo que para o nível de sucção

de 120 kPa essa influência seja pouco significativa.

DBD


158

7.3.7. Saturação após a secagem

Os ensaios do ciclo II representam a saturação que sofre o solo após a

secagem.

Nesse sentido, o objetivo desta série de ensaios foi avaliar a influência do

processo de saturação após a secagem e também a influência do nível de

sucção que foi atingido durante o processo de secagem, na resistência ao

cisalhamento. Como primeira análise plotaram-se as tensões cisalhantes obtidas

dos ensaios com ciclos versus o nível de sucção atingido antes da saturação.

Além disso, plotou-se no mesmo gráfico a tensão cisalhante corresponde à

sucção zero (sem ciclos) do ensaio na condição submersa, (ver figura 7.26 e

7.27).

0 50 100 150 200 250

Nivel de Sucção atingidaantes da saturação (kPa)

0

50

100

150

200

250

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(k

Pa) Resistencia após

a saturação (com ciclo)

Resistencia Submersa (sem ciclo)

Figura 7.26 – Resistência ao cisalhamento após a saturação versus o nível de

sucção atingido antes da saturação, para uma tensão líquida de 120 kPa – Colúvio.

DBD


159

0 50 100 150 200 250

Nivel de Sucção atingidaantes da saturação (kPa)

0

50

100

150

200

250

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(k

Pa) Resistencia após

a saturação (com ciclo)

Resistencia Submersa(sem ciclo)

Figura 7.27 – Resistência ao cisalhamento após da saturação versus o nível de

sucção atingido antes da saturação, para uma tensão líquida de 120 kPa – solo Residual

Jovem.

A análise da figura 7.26 mostra que, os valores da resistência com ciclos

de umedecimento e secagem são mais elevados que a resistência obtida na

condição submersa, mesmo que teoricamente a resistência foi obtida no mesmo

nível de sucção (μa – μw) = 0, para ambos os casos. Uma resposta a este fato

pode ser que a saturação por meio da técnica de translação de eixos não esteja

sendo atingida. Consequentemente, o corpo de prova estaria a uma sucção

diferente de zero (ua – uw) ≠ 0.

Com relação à influência do nível de sucção atingido antes da saturação, o

valor da resistência correspondente ao nível de sucção de 120 kPa é

ligeiramente maior comparado aos outros.

Da mesma forma que no caso do Colúvio, apresenta-se no solo Residual

jovem (figura 7.27), ou seja, os valores de resistência com ciclagem são maiores

que os obtidos na condição submersa. O fato pode ser explicado da mesma

forma que no caso do solo Colúvio.

A influência do nível de sucção atingido antes da saturação no solo

Residual jovem foi similar ao obtido no solo Colúvio onde o valor da resistência

correspondente ao nível de sucção de 120 kPa é ligeiramente maior comparado

aos outros. Em ambos os casos, o Coluvio e o residual jovem não apresentaram

variações volumétricas.

DBD


8 Conclusões e sugestões

8.1. Conclusões

8.1.1. Caracterização física, química e mineralógica.

Os resultados dos ensaios de granulometria mostram que a fração

predominante para o solo Residual jovem é a areia enquanto que para o Colúvio

é Argila.

Segundo os ensaios de limites de consistência, o Colúvio apresenta uma

baixa atividade da fração argila.

Com respeito à distribuição dos poros nos solos, o Colúvio apresenta uma

distribuição bimodal mostrando uma concentração de poros na faixa de

microporos e macroporos. O solo Residual jovem apresenta uma concentração

de poros na faixa de macroporos.

As análises químicas totais refletem o estado avançado de intemperismo

em ambos os solos, pelos altos teores de alumina (Al2O3) e sílica (SiO2)

encontrados.

Os termogramas obtidos do solo Residual Jovem e Colúvio mostram que a

fração argila encontra-se constituída por Caulinita e Gibsita com Caulinita,

respectivamente.

As análises das imagens obtidas através da microscopia eletrônica de

varredura (MEV) verificaram o mostrado pela porosimetria de mercúrio com

respeito à presença de macroporos e microporos no Colúvio. Além de identificar

a presença de material cimentante envolvendo os grãos maiores no solo

Residual jovem.

A curva de retenção do Colúvio apresenta comportamento bimodal, ou

seja, possui 2 pontos de inflexão. O solo Residual jovem apenas um ponto de

inflexão. As equações propostas por Fredlund e Xing (1994) forneceram um

ajuste adequado para os dados experimentais das curvas de retenção bimodal e

unimodal.

DBD


161

A previsão da curva característica a partir da porosimetria de mercúrio

forneceu uma boa estimativa com relação à forma, mas não com a posição como

foi mostrado nas figuras 5.19 à 5.23.

8.1.2. Compressibilidade

Analisando as amostras não saturadas, observou-se para o solo Residual

jovem um pequeno incremento na variação do índice de vazios com aumento da

tensão normal líquida; enquanto que para o Colúvio esta influência não é bem

definida pelo fato da dispersão na variação do índice de vazios.

8.1.3. Resistencia ao cisalhamento

Os resultados experimentais permitiram concluir que a resistência ao

cisalhamento não saturado versus sucção mátrica apresenta um comportamento

não linear para ambos os solos. No caso do solo residual jovem, esta não

linearidade se tornou linear para as tensões normais líquidas de 80 e 120 kPa.

Este fato pode ser explicado pela presença de uma fraca cimentação tipo ponte

envolvendo os grãos na estrutura do solo residual jovem, sendo que para as

tensões normais liquidas de 80 e 120 kPa estas ligações são rompidas e, como

consequência, a envoltória se torna linear.

A resistência ao cisalhamento não saturada versus tensão normal líquida

mostrou-se linear para os níveis de tensão normal líquida aplicados. Notou-se

nestas envoltórias uma leve variação dos ângulos de atrito com a sucção, mas

sem mostrar um comportamento definido.

O comportamento de todas as envoltórias de resistência com respeito à

sucção foram bem representados por uma função hiperbólica da forma:

O valor médio de Ø’, para sucções de 0 a 200 kPa e tensões líquidas

maiores que 40 kPa, é de 28.7° (solo Residual jovem) e 34.9°. (Colúvio).

No caso do ângulo Øb, o valor elevado encontrado para baixas sucções

(menores que 30 kPa), em ambos os solos, possivelmente está associado a uma

dessaturação rápida a partir do valor de entrada de ar 10 kPa (para o solo

Residual jovem) e 5 kPa (para o Colúvio). Este fato foi verificado também nos

materiais avaliados por Soares (2005) e Lopes (2006).

DBD


162

Foram bem representadas as envoltórias de resistência para o solo não

saturado através das envoltórias tridimensionais apresentadas na figura 7.16 e

7.17. Constatou-se que o valor de Øb é influenciado pelo incremento da sucção

em ambos os solos, sendo que o valor de Øb diminui com o aumento da sucção

mátrica. Porém o ângulo Ø’ não mostrou uma clara influência, pelo fato de que

os pontos obtidos encontram-se dispersos.

Dos métodos de previsão de resistência ao cisalhamento de solos não

saturados nenhum apresentou resultado satisfatório comparado com os dados

experimentais. Tal fato pode ser explicado devido a que todas as formulações

consideram que o valor de Øb é no máximo Ø’, mas como foi constatado nos

resultados experimentais, o valor de Øb para baixas sucções é maior que Ø’.

Da comparação dos resultados obtidos com outros materiais encontrados

na literatura observou-se que todos os materiais de modo geral apresentam o

mesmo comportamento não linear. Nesse sentido, encontrou-se que todas as

envoltórias de resistência apresentaram valores de Øb elevados para baixas

sucções. Embora se tenha calculado a velocidade adequada para o ensaios de

cisalhamento, este valor também poderia ser um fator importante para a

obtenção de estes valores contraditórios com a literatura.

A partir dos resultados obtidos dos ensaios com ciclos de umedecimento e

secagem, pôde-se concluir que a secagem após a saturação no solo Residual

jovem mostra uma diminuição na resistência ao cisalhamento enquanto que no

Colúvio não se pôde apreciar devido à dispersão de dados. Uma explicação a

este fato poderia ser o observado por autores como Utomo (1980) e Cafaro e

Coteccha (2001) que concluíram que o principal processo de intemperismo é a

secagem e esta gera uma queda na resistência com mais facilidade em

materiais com grãos maiores, como é o caso do solo Residual comparado com o

Colúvio. Porém, apesar de que o solo Residual jovem apresente uma queda na

resistência, a influência da secagem após da saturação não pode ser confirmada

já que este fato poderia ser também decorrente da diferencia entre os blocos de

solo utilizados para os ensaios com ciclos e sem ciclos.

Finalmente, através da saturação após a secagem, observou-se que a

resistência com ciclos é significativamente maior que a resistência sem ciclo em

ambos os solos. Esta significativa diferença pode ser explicada devido a que o

processo de saturação pela técnica de translação de eixos não esteja sendo

atingida.

DBD


163

Com respeito à influência do nível de sucção atingida na secagem não foi

encontrada uma clara influência na resistência ao cisalhamento em ambos os

solos, sendo que para o nível de sucção de 120 kPa observou-se um ligeiro

acréscimo quando comparado com os outros, mas não forneceu uma tendência

clara com respeito à sucção atingida.

8.2. Sugestões

Como sugestões para futuras pesquisas no equipamento de CDSC,

aponta-se uma modificação na aplicação da carga vertical, especificamente na

união tipo universal localizada na base da célula de carga vertical, a fim de

diminuir a variação da carga durante o cisalhamento.

Além disso, seria interessante a substituição do DAVE de 300 kPa

(pressão de borbulhamento), atualmente montado no equipamento por um de

500 kPa com o fim de poder realizar ensaios com sucções maiores às que

foram executadas no presente trabalho e poder definir com mais clareza a não

linearidade da envoltória de resistência, em especial para o caso do solo

Residual Jovem.

Dado que a velocidade de cisalhamento nas amostras em condição não

saturada pode ter uma influencia nos resultados obtidos, sugere-se executar

uma serie de ensaios com diferentes velocidades a fim de determinar sua

influencia nos valores de resistência obtidos.

De forma geral, sugere-se formular novos modelos para previsão da

resistência ao cisalhamento não saturado que sejam capazes de reproduzir o

comportamento de solos não saturados com características distintas da maioria

dos materiais utilizados nos modelos de previsão, como é o caso do solo

Residual jovem e Colúvio estudados no presente trabalho.

Para posteriores estudos dos efeitos do ciclo de umedecimento e

secagem, realizar análise de microscopia ambiental a fim de constatar as

mudanças na estrutura do solo decorrente da saturação e secagem. E, também,

realizar mais de um ciclo de umedecimento e secagem para verificar a influência

do número de ciclos na resistência do solo.

DBD


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VANAPALLI, D. G.; FREDLUND, D. G.; PUFAHL, D. E. & CLIFTON, A. W.,

Model for the Prediction of Shear Strength with Respect to Soil Suction,

Canadian Geotechnical Journal, 33, 379-392, 1996.

DBD


170

VANAPALLI, S. K. & FREDLUND, D. G., Comparison of Different Procedures

to Predict Unsaturated Soil Shear Strength, ASTM Proceedings, Unsaturated

Soils, Geo-Denver, 2000.

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Structure and Stress History on the Soil-Water Characteristics of a Compacted

Till, Geotechnique, 49, 143-159, 1999.

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Between the Soil Water Characteristic Curve and the Shear Strength of a

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VANAPALLI, S. K.; SILLERS, W. S. & FREDLUND, M. D., The Meaning and

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VANAPALLI, S. K.; WRIGHT, A. & FREDLUND, D. G., Shear Strength of Two

Unsaturated Silty Soils Over the Suction Range From 0 to 1,000,000Kpa, 53rd

Canadian Geotechnical Conference, Montreal, October 15-18, 1161-1168, 2000.

VILLAR, L. F. S. & DE CAMPOS, T. M. P., Obtenção de Uma Curva

Característica de Sucção Pelo Uso Combinado de Técnicas Diversas, Anais do

4º Simpósio Brasileiro de Solos Não Saturados, 337-353, Porto Alegre, 2001.

VILLAR, L. F. S., Estudo do Adensamento e Ressecamento de Resíduos de

Mineração e Processamento de Bauxita, Tese de Doutorado, DEC, PUC-Rio,


DBD


Apêndice A Calibração dos instrumentos eletrônicos e saturação do disco cerâmico (DAVE)

A.1. Calibração dos instrumentos eletrônicos de medição.

Como foi descrito anteriormente no capitulo 3 o sistema de aquisição de

dados do equipamento CDSC esteve conformado por dois transdutores de

pressão, dois transdutores de deslocamento, duas células de carga e um

medidor de variação de volumétrica. Antes de dar inicio à execução dos ensaios

foi necessário calibrar todos os instrumentos a fim de obter a curva de calibração

de grandezas físicas versus grandezas elétricas.

Para a aquisição de dados dos ensaios realizados foi utilizado um sistema

de aquisição de dados da marca DATAQ Instruments modelo DI710 Serew

Terminal Access. Os dados foram armazenados no computador com auxilio do

programa DATAQ Instruments Hardware Device Manager. Para excitação

elétrica dos instrumentos utilizou-se uma fonte de tensão regulada de 10 v.

Figura A.1 – Sistema de aquisição de dados.

DBD


172

Instrumento Capacidade Sensibilidade Ganho Resolução Referência

Célula de Carga

Vertical 10 KN 0,400 mV/V.KN 250 0,0024 mm

Wikeham

Farrance

Célula de Carga

Horizontal 25 KN 0,081 mV/V.KN 500 0,0061 mm

Wikeham

Farrance

Transdutor de

Pressão de ar 1000 Kpa 0,010 mV/V.KPa 100 0,2464 kPa Druck Limited

Transdutor de

Pressão de água 1000 Kpa 0,010 mV/V.KPa 100 0,2464 kPa Druck Limited

Medidor de variação

de volumétrica

(MVV)

14 cm3 2,995 mV/V.KPa 1 0,0068 cm3

BELOFRAM

com LSCDT

(WF)

Transdutor de

deslocamento

horizontal

25,80 mm 1,393 mV/V.KN 1 0,0127 mm LSCDT (WF)

Transdutor de

deslocamento vertical 13,90 mm 1,393 mV/V.KN 1 0,0072 mm LSCDT (WF)

Tabela A.1 – Características dos instrumentos elétricos de medição.

Para a calibração dos transdutores de deslocamento (LSCDT) horizontal e

vertical utilizou-se um micrometro de precisão, onde eram impostos

deslocamentos de 1,27mm até o final do curso dos transdutores. Na figura A.2

são apresentadas as curvas de calibração ajustadas a uma função linear para o

transdutor de deslocamento vertical e para o de deslocamento horizontal.

Para a calibração dos transdutores de pressão de água e ar foi utilizado o

equipamento de pressão Budenberg, através do qual foram aplicados valores

conhecidos de pressão. Na figura A.4 são apresentadas as curvas de calibração

ajustadas a uma função linear para o transdutor de pressão de água e para o ar.

As células de carga horizontal e vertical foram calibradas através da

aplicação de pesos conhecidos com o uso do pendural e o braço de alavanca no

mesmo equipamento. Na figura A.3 são apresentadas as curvas de calibração

ajustadas a uma função linear da célula de carga horizontal e da vertical.

O medidor de variação volumétrica (MVV) foi calibrado com o uso da

bureta graduada com precisão 0,01 cm3, onde eram registradas as variações de

volume decorrentes do fluxo gerado. Na figura A.5 é apresentada a curva de

calibração ajustada a uma função linear.

DBD


173

(a)

(b)

Figura A.2 – Curva de calibração do transdutor de deslocamento: (a) vertical; (b)

horizontal.

DBD


174

(a)

(b)

Figura A.3 – Curva de calibração do transdutor de pressão: (a) de ar; (b) de água.

DBD


175

(a)

(b)

Figura A.4 – Curva de calibração da célula de carga: (a) horizontal; (b) vertical.

DBD


176

Figura A.5 – Curva de calibração do medidor de variação volumétrico.

A.2. Saturação do Disco Cerâmico de Alto Valor de Entrada de Ar (DAVE).

Tal como foi descrito no capitulo 3 para saturar o disco colocou-se uma

camada de água até cobrir à pedra. Depois disso, fechou-se a câmara e aplicou-

se uma gradiente através de uma aplicação de pressão dentro da câmara, a fim

de gerar um fluxo que passe através da pedra até saturá-la completamente.

Com ajuda do MVV verificou-se que a variação volumétrica torna-se

constante ao longo do tempo, quando o disco estiver saturado. A figura A.6

apresenta a curva de volume percolado versus o tempo de percolação.

DBD


177

Figura A.6 – Curva de Volume percolado vs. Tempo de percolação.

Q= 0.0031 cm3/s

i= 2262

A= 0.0176 m2

k= 7.80E-09 cm/s

k= 7.80E-11 m/s

A partir dos resultados obtidos da curva de volume percolado, a gradiente

aplicada e a área do DAVE calculou-se o valor do coeficiente de permeabilidade

saturado do DAVE k=7,80 x 10-9 cm/s.

DBD


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