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Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon Mecânica dos Solos II RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

Unidade 5 – RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

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

3 m Footing100 kPa

7

14

21 2

8 3

5 42

0 2 4 6 8 10 12

Elev

atio

n (m

etre

s)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Distribuição de tensões verticais devidas ao peso próprio e ao carregamento externo E = 5000 kPa

3 m Footing100 kPa

2

4

6

10

14

24

30

32

32

0 2 4 6 8 10 12

Elev

atio

n (m

etre

s)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Distribuição das máximas tensões cisalhantes ν = 0,334

Fig. 5. 01 - Aspecto das tensões que ocorrem no subsolo de um terreno carregado

101


Como visto, as tensões principais nos interessam particularmente para o estudo de resistência ao cisalhamento dos solos, uma vez que obtidos estes valores poderemos calcular as máximas tensões cisalhantes que irão atuar no projeto em estudo.

Para ilustrar, é mostrada na figura 5. 02, o estado de tensões atuantes em um ponto no interior da massa de solo, e também os valores e a direção em que atuam as tensões principais maior e menor, como estudado. Neste exemplo ilustrativo foi usado um software de análise de tensões, desenvolvido aplicando a técnica numérica do “Método dos Elementos Finitos” (M. E. F.). O ponto destacado (de no 760) situa-se à 2,0m de profundidade (cota 18) e à 1,5m de distância do eixo da carga de 6,0m aplicada, ou seja, o meio da faixa de 3,0m apresentada.

547548549550551552553554555556557558559560561562563

578 579 580 581 582 583 584 585 586

589590591592593594595596597598599600601602603604605

620 621 622 623 624 625 626 627 628

631632633634635636637638639640641642643644645646647

662 663 664 665 666 667 668 669 670

673674675676677678679680681682683684685686687688689

704 705 706 707 708 709 710 711 712

715716717718719720721722723724725726727728729730731

746 747 748 749 750 751 752 753 754

757758759760761762763764765766767768769770771772773

788 789 790 791 792 793 794 795 796

799800801802803804805806807808809810811812813814815

830 831 832 833 834 835 836 837 838

841842843844845846847848849850851852853854855856857

3 m Footing100 kPa

14

16

18

20

Effective Stress at Node 760

Normal0 10 20 30 40 50 60 70 80

Shea

r

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

sx

14.318

-14.811

10.805

76.756

sy

73.242

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

102


Como pode ser observado no traçado do círculo de Mohr, assim como se verifica o valor na figura 5. 01, a máxima tensão de cisalhamento atuante no ponto é da ordem de 32 kPa, correspondente a um σ1 de 76,76 kPa e σ3 de 10, 81 kPa. A questão que se coloca nesta análise é: Este nível de tensão de cisalhamento está aquém do valor correspondente à da resistência do material ? Este último valor, a ser obtido a partir do traçado da sua envoltória de resistência é que será estudado nesta unidade.

O problema da determinação da resistência aos esforços cortantes nos solos

constitui um dos pontos fundamentais de toda a mecânica dos solos. Uma avaliação correta deste conceito é um passo indispensável para qualquer análise da estabilidade das obras civis. 5.1 – Considerações preliminares sobre resistência ao cisalhamento

A capacidade dos solos em suportar cargas, depende de sua resistência ao cisalhamento, isto é, da tensão que é a máxima tensão que pode atuar no solo sem que haja ruptura.

τ r

Terzaghi (conhecido como o “pai” da Mecânica dos Solos) conseguiu conceituar

essa resistência como conseqüência imediata da pressão normal ao plano de rutura correspondente a pressão grão a grão ou pressão efetiva. Isto é, anteriormente considerava-se a pressão total o que não correspondia ao real fenômeno de desenvolvimento de resistência interna, mas, na nova conceituação, amplamente constatada, conclui-se que somente as pressões efetivas mobilizam resistência ao cisalhamento, (por atrito de contato grão a grão) donde escrevemos:

( ) ϕσϕστ tguctgcr −+=+= ,'

Hvorslev, ao analisar argilas saturadas, concluiu que nessa situação a coesão

(representada na equação por “c”) é função essencial do teor de umidade donde se escreve: ( )c f h=

Logo temos para a máxima tensão de cisalhamento (poderá ser representado

simplesmente por τr) : ( ) ( ) ϕσ tguhfr −+='

Em outras palavras, a expr

parâmetros c e ϕ não são caressencialmente, das condições de ode utilização são variáveis, partiu-sde criar as situações de ocorrência/sido retirada do todo e, logicamcomportamento ao natural.

Da expressão matemática te

τ

essão acima traduz a situação já afirmada de que os acterísticas simples dos materiais, mas, dependem, corrência/utilização dos materiais. Como as condições e para se sofisticar os ensaios de laboratório na tentativa utilização, procurando considerar o fato da amostra ter ente perdendo algumas características originais de

mos:

103


( )c f h tgi= = σ ϕ tensão interna de resistência por atrito fictício ou proveniente do entrosamento de suas partículas traduzida pela força de coesão (que pode ser verdadeira e/ou aparente - em areias). Depende da ocorrência de água nos vazios e suas condições de arrumação estrutural. Em engenharia, só consideramos válida a coesão verdadeira.

( ) ϕσ tgu− tensão interna de resistência por atrito de contato grão a grão. Dependente da arrumação estrutural (maior ou menor contato grão a grão) e da ocorrência da pressão neutra que refletirá diretamente no valor de . σ ,

Os parâmetros c e ϕ, definidores da resistência interna ao cisalhamento dos solos

terão que ser determinados, na maioria dos casos, em laboratório nas condições mais desfavoráveis previstas para o período de utilização de cada projeto específico. Os ensaios buscarão representar o rompimento de uma seção em relação a uma outra contígua, medindo as tensões de rutura capazes de identificar, nas condições do projeto, sua resistência ao corte.

5.2 - Ensaios de resistência ao cisalhamento

5.2.1 - Ensaios de Campo Como a retirada de amostras indeformadas implica, apesar de todos os cuidados e

expedientes sofisticados, numa possível deformação da amostra, procura-se, mais modernamente, executar ensaios “in situ” capazes de traduzir as reais características de resistências das camadas. Dentre os ensaios “in situ” mais empregados no Brasil para determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento e de deformabilidade no campo destacam-se:

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

Além desses, no caso de fundações são executadas para provas de carga que,

traduzirão, especificamente, as resistências do solo frente às características do elemento estrutural na transmissão de carga.

O ensaio de CPT e “Vane test” têm por objetivo a determinação da resistência ao cisalhamento do solo, enquanto o ensaio pressiométrico visa estabelecer uma espécie de curva de tensão-deformação para o solo investigado, conforme pode ser visto na tabela a seguir. A seguir será detalhado cada um desses ensaios.

Ensaio de penetração estática do cone – CPT.

O ensaio de penetração estática do cone, também conhecido como deepsounding,

foi desenvolvido na Holanda com o propósito de simular a cravação de estacas e está normalizado pela ABNT através da norma NBR 3406.

104


Ensaios Disponíveis x Parâmetros obtidos

Tipo de Ensaio Tipo de Solo Principais características Melhor

Aplicável Não

Aplicável que podem ser determinadas

1 - Ensaio Padronizado de Penetração (SPT)*

Granulares

Avaliação qualitativa do estado de compacidade ou consistência.

Comparação qualitativa da estratigrafia do subsolo.

2 - Ensaio de Penetração Estática do

Cone (CPT)

Granulares

Avaliação contínua da compacidade e resistência de solos granulares.

Avaliação contínua de resistência não drenada de solos argilosos.

3 - Ensaio de Palheta Coesivos Granulares Resistência não drenada de solos argilosos.

4 - Ensaio Pressiométrico

Granulares

Coeficiente de empuxo no repouso; compressibilidade e resistência ao

cisalhamento. * Sem interesse direto na determinação dos parâmetros de resistência

O ensaio de CPT permite medidas quase contínuas da resistência de ponta e lateral devido à cravação de um penetrômetro no solo, as quais por relações, permitem identificar o tipo de solo, destacando a uniformidade e continuidade das camadas. Permite, também, determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento e a capacidade de carga dos materiais investigados. É um ensaio de custo relativamente baixo, rápido de ser executado, sendo portanto, indicado para a prospecção de grandes áreas. Apresenta como desvantagens a não obtenção de amostras para inspeção visual, a não penetração em camadas muito densas e com a presença de pedregulhos e matacões, as quais podem tornar os resultados extremamente variáveis e causar problemas operacionais como deflexão das hastes e estragos na ponteira.

O equipamento para execução do ensaio CPT consta de um cone de aço, móvel, com um ângulo no vértice de 600 e área transversal de 10 cm2.

O ensaio consiste em cravar o cone solidário a uma haste e medir o esforço necessário à penetração. São feitas medidas de resistência de ponta e total.

Os dados permitem obter, ainda, boas indicações das propriedades do solo, ângulo de atrito interno de areias, e coesão e consistência das argilas.

Ensaio de palheta – “Vane test”.

O “Vane test” foi desenvolvido na Suécia, com o objetivo de medir a resistência ao

cisalhamento não drenada de solos coesivos moles saturados. Hoje o ensaio é normalizado no Brasil pela ABNT (NBR 10905).

O equipamento para realização do ensaio é constituído de uma palheta de aço, formada por quatro aletas finas retangulares, hastes, tubos de revestimentos, mesa, dispositivo de aplicação do momento torçor e acessórios para medida do momento e das deformações. O equipamento está apresentado na figura 5. 04. O diâmetro e a altura da palheta devem manter uma relação constante 1:2 e, sendo os diâmetros mais usuais de 55,

105


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

Figura 5. 03 – Resultado de um ensaio de penetração contínua – CPT.

O ensaio consiste em cravar a palheta e em medir o torque necessário para cisalhar

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

Para o cálculo da resistência não drenada da argila deve-se adotar as seguintes hipóteses:

• Drenagem impedida: ensaio rápido; • Ausência de amolgamento do solo, em virtude do processo de cravação da

palheta; • Coincidência de superfície de ruptura com a geratriz do cilindro, formado pela

rotação da palheta; • Uniformidade da distribuição de tensões, ao longo de toda a superfície de

ruptura, quando o torque atingir o seu valor máximo; • Solo isotrópico.

106


Figura 5. 04 – Equipamento para ensaio de palheta – vane test, de campo e em tamanho reduzido para laboratório – este do LaEsp – Laboratório de Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos da UFJF.

No instante da ruptura o torque máximo (T) aplicado se iguala à resistência ao

cisalhamento da argila, representadas pelos momentos resistentes do topo e da base do cilindro de ruptura e pelo momento resistente desenvolvido, ao longo de sua superfície lateral, dado pela expressão:

T = ML + 2MB Onde: T = torque máximo aplicado à palheta; ML=momento resistente

desenvolvido ao longo da superfície lateral de ruptura; MB=momento resistente desenvolvido no topo e na base do cilindro de ruptura, dados por:

uL cHDM ..21 2π=

uB cDM 3

12π

=

Onde: D = diâmetro do cilindro de ruptura; H = altura do cilindro de ruptura; Cu = resistência não drenada da argila. Substituindo as duas últimas equações na anterior e fazendo-se H = 2D, tem-se o valor da coesão não drenada da argila, expresso pela fórmula:

3.

76

DTcu π

=

Ensaio pressiométrico

Este ensaio é usado para determinação “in situ” principalmente do módulo de

elasticidade (e da resistência ao cisalhamento de solos e rochas), sendo desenvolvido na França por Menard.

107


O ensaio pressiométrico consiste em efetuar uma prova de carga horizontal no terreno, graças a uma sonda que se introduz por um furo de sondagem de mesmo diâmetro e realizado previamente com grande cuidado para não modificar-se as características do solo.

O equipamento destinado a execução do ensaio, chamado pressiométrico, é constituído por três partes: sonda, unidade de controle de medida pressão-volume e tubulações de conexão. A sonda pressiométrica é constituída por uma célula central ou de medida e duas células extremas, chamadas de células guardas, cuja finalidade é estabelecer um campo de tensões radiais em torno da célula de medida.

Após a instalação da sonda na posição de ensaio, as células guardas são infladas com gás carbônico, a uma pressão igual a da célula central. Na célula central é injetada água sob pressão, com o objetivo de produzir uma pressão radial nas paredes do furo. Em seguida, são feitas medidas de variação de volume em tempos padronizados, 15, 30 e 60 segundos após a aplicação da pressão do estágio. O ensaio é finalizado quando o volume de água injetada atingir 700 a 750 cm³.

Com as interpretações dos resultados de pares de valores (pressão x ∆ volume) obtidos no ensaio, se determina o módulo pressiométrico entre outros valores de pressão.

5.2.2 - Ensaios de laboratório São diversos os tipos de ensaios de laboratório que buscam, com maior grau de

sofisticação, representar as condições, com fidelidade e exatidão, possíveis de ocorrências, dentre as principais temos:

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

Dependendo da importância da obra a realizar, das características dos solos e das

condições de ocorrência justifica a realização de ensaios com a finalidade específica de obter os parâmetros de resistência ao cisalhamento ( c e ) ϕ

Faremos nos itens seguintes (itens 5. 4, 5.5 e 5. 6) uma descrição conceitual dos

ensaios, e uma análise referente a determinação de c e ϕ, deixando o detalhamento dos mesmos para as aulas práticas específicas. As descrições serão genéricas e sucintas. 5.3 – Ensaio de compressão simples

Este ensaio consiste em se ensaiar os corpos de provas em uma prensa aberta em

que só se tem condição de aplicar a pressão axial , uma vez que, sendo a prensa aberta não há condição de aplicar pressões laterais, isto é, 0. Tem-se assim um só círculo e

=0. Logo só é aplicável a solos puramente coesivos.

σ1σ3 =

ϕOs valores desses ensaios são extremamente limitados na sua interpretação e

utilização prática em geotecnia.aplicados para identificar as consistências das argilas e,

108


quando ensaiadas em amostras naturais e amolgadas nos dão condição de determinar a sensibilidade das argilas.

A foto da figura 5.5 abaixo ilustra o ensaio após sua execução, onde se vê a prensa

de compressão simples em que temos um corpo de prova que mesmo após o cisalhamento (quando resultou em tensão cisalhante máxima) foi levado a uma deformação excessiva.

Como no ensaio não se tem condição de aplicar σ3, o gráfico resultante será:

ϕ = 0, t

Figura 5.5 – Foto da prensa utilizada nos ensaio de compreno ensaio de compressão simples

Análise do ensaio de compressão simples com o corComo no ensaio temos um só círculo, precisamos

linha de rutura. Logo, conclui-se que a condição exighorizontal, isto é, o ensaio só é aplicável em solos purame

Os dados da interpretação do gráfico finais podem s

Figura 5.6 – Interpretação do gráfico final do ensaio

109

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

AP

=1σ

σ1
emos: σ1 22
= ∴ = =c c r

ssão simples e gráfico resultante

po de prova rompido , de uma direção para traçar a

ível é que se tenha a direção nte coesivos, onde . ϕ = 0

er visto na figura 5.6:

de compressão simples


Em função de seus resultados temos uma classificação válida para qualquer ocorrência de estrutura de argila (ligante) onde o valor Rc é dado como resistência à compressão simples.

Tabela 5.1 – Dados de resistência à compressão simples

Argilas Faixa valor Rc Obs: Muito mole Rc < 2,5 t/m2 1 kPa = 1 kN/m2

Mole 2,5 < Rc < 5,0 t/m2 1 t/m2 = 10 kPa (kN/m2) Média 5,0 < Rc < 10,0 t/m2 1 kg/cm2 = 10 t/m2 Rija 10,0 < Rc < 20,0 t/m2 1 kg/cm2 = 100 kPa

Muito rija 20,0 < Rc < 40,0 t/m2 1 t/m2 = 0,1 kg/cm2 Dura Rc > 40,0 t/m2

Face a limitação deste ensaio temos dois tipos de ensaios costumeiramente

empregados para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos: o ensaio de cisalhamento direto e o ensaio de compressão triaxial 5.4 – Ensaio de cisalhamento direto

O ensaio de cisalhamento direto é o mais antigo procedimento para a determinação

da resistência ao cisalhamento e se baseia diretamente no critério de Mohr-Coulomb. Aplica-se uma tensão normal num plano e verifica-se a tensão cisalhante que provoca a ruptura.

Para o ensaio, um corpo de prova do solo é colocado parcialmente numa caixa de cisalhamento, ficando com sua metade superior dentro de um anel, como se mostra esquematicamente na figura 5. 7a, publicada por PINTO (2000).

7

Aplica-se inicialmente uma força vertical N.Uma força tangencial T é aplicada ao anel que contém aparte superior do corpo de prova, provocando seudeslocamento, ou um deslocamento é provocado,medindo-se a força suportada pelo solo. As forças T eN, divididas pela área da seção transversal do corpode prova, indicam as tensões σ e τ que nele estãoocorrendo. A tensão τ pode ser representada em funçãodo deslocamento no sentido do cisalhamento, como semostra na Figura 5. 7b, onde se identificam a tensão deruptura, τmax, e a tensão residual, que o corpo de provaainda sustenta, após ultrapassada a situação de ruptura,τres. O deslocamento vertical durante o ensaio também eregistrado, indicando se houve diminuição ou aumentode volume durante o cisalhamento.

Realizando-se ensaios com diversas tensões

normais, obtém-se a envoltória de resistência, como apresentado na Unidade 04.

110
Figura 5.


O ensaio é muito prático, porém o ensaio não permite a determinação de parâmetros de deformabilidade do solo e o controle de condições de drenagem é difícil, pois não há como impedi-la, assim não permite a obtenção dos valores da pressão neutra.

Ensaios em areias são feitos sempre de forma a que as pressões neutras se dissipem,

e os resultados são considerados em termos de tensões efetivas. No caso de argilas, pode-se realizar ensaios drenados, que são lentos, ou não drenados. Neste caso, os carregamentos devem ser muito rápidos, para impossibilitar a saída de água.

Pelas restrições acima, o ensaio de cisalhamento direto é considerado menos

interessante que o ensaio de compressão triaxial. Entretanto, pela sua simplicidade, ele é muito útil quando se deseja medir simplesmente a resistência, e, principalmente, quando se deseja conhecer a resistência residual.

O sentido do deslocamento da parte superior do corpo de prova pode se inverter até

que a tensão cisalhante se estabilize num valor aproximadamente constante (residual). Neste ensaio consegue-se provocar um deslocamento relativo de uma parte do solo sobre a outra muito maior do que se pode atingir em ensaios de compressão triaxial.

Durante muitos anos o ensaio de cisalhamento direto foi, praticamente o único para

determinação da resistência dos solos devido a sua simplicidade. A necessidade de maiores sofisticações para representar as ocorrências de campo, tem sido, em muitos casos, substituídos pelos ensaios de compressão triaxial.

O ensaio de cisalhamento direto

Como abordado, o ensaio consiste, em uma caixa bi-partida onde colocamos a amostra, fixamos a parte inferior e movimentamos a superior no sentido de se fazer o corte da amostra, medindo o esforço necessário para tal. A tampa da parte superior é falsa, isto é, sobre ela pode-se aplicar a carga vertical P distribuída em sua área A.

Na Figura 5. 8 vemos o esquema completo com a amostra em condição de ensaio, onde se nota que pode-se executa-lo com drenagem, pelas pedras porosas, ou sem drenagem (com a ressalva de que é impossível impermeabilizar totalmente o sistema). As saídas de drenagens são para melhorar o processo da garantia desse expediente e não para medir a pressão neutra, pois, isso não será possível.

Figura 5.8 – Esquema do ensaio de cisalhamento direto

111


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

Foto 1 – Detalhe de um CP sendo talhado em um bloco de amostra indeformado Foto 2 – Aspecto do equipamento durante a realização de um ensaio Foto 3 – Detalhe da caixa de cisalhamento com o extensômetro para medição da

deformação vertical do CP durante o ensaio.

Figura 5. 9 – Aspecto das curvas tensão x deformação

Curvas tensão x deformação As curvas de ruptura (tensão x deformação)

obtidas nos ensaios de resistência têm uma dasformas mostrada na Figura 5. 9. Na rutura frágildepois de atingir a τR, a resistência caiacentuadamente ao se aumentar a deformação. Narutura plástica o esforço máximo é mantido coma continuidade da deformação. Pode-se obter assima chamada resistência “residual”.

112


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

114

42

17

27

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Ten

são

cisa

lhan

te -

τ (k

Pa)

σv (kPa)

27114

17

42

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 5 10 15Deslocamento horizontal (mm)

Des

loca

men

to v

ertic

al

(mm

)

σv (kPa)

Figura 5. 11 – Curvas tensão x deformação

A figura 5. 10 ao lado, apresenta,como exemplo, as curvas de um ensaiode cisalhamento direto (parte da planilhade ensaio do CP01, abaixo). Observa-seque se trata de uma amostra de argila, ede baixa consistência (mole ou média)tendo em vista o aspecto das curvasapresentadas. Nota-se que o valor daresistência (valor máximo) não épronunciada.

Os dados obtidos a partir dos

gráficos da figura 5. 10, por exemplo,correspondentes às tensões no plano derutura, que somados a várias outrasamostras ensaiadas da mesma estrutura,nos darão vários outros pares de tensãoque, possibilitam o traçado da envoltóriade resistência do solo e a obtenção dosparâmetros c e ϕ (figura 5.11).

Planilha de Resultados Folha: 01 de 03Leitura Leitura Anel de Desloc. Desloc. Área Força Tensão Tensão Índice Extens. Extens. Carga Horiz. Vert. Corrig. Cisalh. Fcis/Fn Cisalh. Vert. deHoriz. Vert. (mm) (mm) (cm²) (N) (kPa) (kPa) Vazios

0 1208,0 100,0 0,000 0,000 103,23 31,01 0,000 0,0 17,2 1,4638 1207,8 114,0 0,175 0,000 103,05 66,83 0,376 6,5 17,2 1,463

10 1207,5 115,0 0,224 0,001 103,00 69,38 0,391 6,7 17,2 1,46320 1204,2 118,0 0,472 0,008 102,75 77,06 0,434 7,5 17,3 1,463

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

113


O ensaio de cisalhamento direto só dá valores confiáveis para o caso de rutura plástica, pois, no outro caso a curva estará defasada do real. No caso da rutura plástica os esforços são iguais em toda seção de rompimento, enquanto na outra há diferenciação entre a periferia e o centro da amostra).

Observa-se que nesse ensaio a área da seção crítica varia durante a aplicação do esforço tangencial. Portanto, para sua real determinação deveríamos ter um processo continuado de correção.

Os ensaios de Cisalhamento Direto poderão ser referidos como: Teste rápido: Executado sem as pedras porosas que seriam substituídas por placas

metálicas. Nota-se que todos os ensaios compreendem a aplicação de σ no plano de rutura e a medição de τ na rutura (nesse mesmo plano). Nesse tipo de ensaio, a resistência ao cisalhamento é medida imediatamente após a aplicação da tensão normal, não havendo tempo para consolidação do solo e nem dissipação da pressão neutra (u) que ocorrerá na amostra. A força de cisalhamento é aplicada rapidamente até romper a amostra e a água não terá condição de ser drenada. Como desenvolverá pressão neutra, a tensão efetiva será a menor possível. O tempo do ensaio é de ± 5 minutos.

Teste com consolidação rápida:

Executado com as pedras porosas e as válvulas abertas na aplicação de σ e fechadas na obtenção de τ. O ensaio é similar ao anterior, mas permitindo a drenagem durante a aplicação da tensão normal ao plano de cisalhamento. A resistência ao cisalhamento τr, é medida após a aplicação de σ nas condições consideradas. O tempo do ensaio é de ± 3 minutos (sendo variável em função da permeabilidade da amostra).

Teste com consolidação lenta:

Executado com as pedras porosas e as válvulas abertas. A consolidação se dará lentamente, anulando-se a pressão neutra completamente, isto é, permitindo a dissipação da poro-pressão tanto na aplicação de σ, que é feita por partes, quanto na obtenção de τ que vai sendo executado em estágios sucessivos até o rompimento do corpo de prova. O tempo requerido para que haja toda a drenagem e não ocorra pressão neutra dependerá da permeabilidade da amostra e pode levar de 4 a 6 semanas.

Esse ensaio caracteriza claramente que a resistência ao cisalhamento dos solos é a

propriedade que os solos possuem de resistirem ao deslizamento de uma seção em relação à outra contígua.

Observações sobre pré-adensamento

Como visto, adensamento é a diminuição de volume do solo sob ação de uma pressão. Sua ocorrência é maior nos solos argilosos, pois são compressíveis, e em menor escala nos solos arenosos quando fofos. A condição de pré-adensamento é a situação em que a camada compressível tenha, em épocas geológicas anteriores, sofrido pressões muito maiores do que as que suportam atualmente, isto é, a natureza adensou a camada.

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Uma estrutura de solo pré-adensado, implica em problemas na determinação de sua resistência, pois, quando em processo de cisalhamento, este solo tende a se expandir e, assim, está sujeita a absorção de água que estará gerando uma pressão neutra (u), e logicamente, diminuindo a pressão efetiva (σ’) e o valor da determinação de τr. Se, por acaso não houver possibilidade de absorção de água quando solicitada ao cisalhamento, sua tendência de expandir acarretará aumento da resistência do solo. Assim, nas argilas pré-adensadas, havendo possibilidade de drenagem, sua resistência será maior do que na situação em que não seja possível esse expediente.

Nas argilas normalmente adensadas, passa-se exatamente o contrário, ou seja: Diminuem o volume quando solicitadas ao cisalhamento; Apresentam pressão neutra positiva. Teremos, como decorrência, aumento de (pressão efetiva) quando drenada, uma

vez que ocorrerá a dissipação da pressão neutra u . σ ,

Fatores que influenciam os resultados dos ensaios

• Areias – Compacidade, forma das partículas e distribuição granulométrica,

(ocorrência da pressão neutra). • Argilas – Estado de adensamento do solo, sensibilidade de sua estrutura, condições

de drenagem e velocidade de aplicação das cargas e a ocorrência de pressão neutra. Em função desses fatores e também das solicitações de campo, temos vários tipos

de ensaios que buscam essas representações (solicitações previstas na obra).

Tensões principais

A análise do estado de tensões durante o carregamento, entretanto, é bastante complexa. O plano horizontal, antes da aplicação das tensões cisalhantes, é o plano principal maior. Com a aplicação das forças T, ocorre rotação dos planos principais.

Uma das desvantagens do ensaio de cisalhamento direto é a impossibilidade de se

conhecer os esforços que atuam em planos diferentes daquele de rutura, com um único ensaio. Somente depois de traçada a envoltória será possível determinar o círculo de Morh referente á condição de equilíbrio incipiente e determinar as tensões principais associada, uma vez que o círculo tangencia a linha de rutura nesse ponto determinado, cujos valores das tensões principais obtém-se pelo processo abaixo, conforme exemplo da figura 5. 14.

Processo: • Ressalta-se o ponto T na envoltória (σ e τ), referente a um corpo de prova; • Tira-se uma perpendicular a envoltória de rutura); • Por T determina-se r e traça-se o círculo (pelo ponto O’); • Traçado o círculo pelo ponto T tiramos uma paralela ao plano em que atuam os

espaços, no caso horizontal e determinamos o ponto P sobre o círculo; • Unindo-se P a A e B temos as direções dos planos principais que estão detalhados

na seção desenhada abaixo do gráfico do ensaio; Tendo-se o círculo traçado podemos tirar, também, os valores de σ1 e σ3 (para o

exemplo da figura 5. 14, têm-se respectivamente, 8,1 t/m2 e 1,7 t/m2).

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