Unidade 05 - RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS … · Faculdade de Engenharia –...

16
Faculdade de Engenharia NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS 121 Capítulo 5 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS Como visto neste curso, carregamentos externos aplicados na superfície, ou mesmo 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 da máxima tensão cisalhante que o solo suporte, podendo ocasionar a ruptura do material. O problema da determinação da resistência aos esforços cisalhantes 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. Define-se como resistência ao cisalhamento do solo a tensão cisalhante que ocorre no plano de ruptura no instante da ruptura. A Figura 5.1 mostra um exemplo de ruptura de uma massa de solo de uma encosta. Figura 5.1 Ruptura de massa de solo e sua movimentação sobre uma estrada Gerscovich (2010) ressalta que “a ruptura em si é caracterizada pela formação de uma superfície de cisalhamento contínua na massa de solo. Existe, portanto, uma camada de solo em torno da superfície de cisalhamento que perde suas características durante o processo de ruptura, formando assim a zona cisalhada, conforme mostrado na Figura 5.2. Inicialmente há a formação da zona cisalhada e, em seguida, desenvolve-se a superfície de cisalhamento. Figura 5.2 Zona fraca, zona cisalhada e superfície de cisalhamento (LEROUEIL, 2001)

Transcript of Unidade 05 - RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS … · Faculdade de Engenharia –...

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

121

Capítulo 5 – RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

Como visto neste curso, carregamentos externos aplicados na superfície, ou mesmo

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 da máxima

tensão cisalhante que o solo suporte, podendo ocasionar a ruptura do material.

O problema da determinação da resistência aos esforços cisalhantes 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.

Define-se como resistência ao cisalhamento do solo a tensão cisalhante que ocorre

no plano de ruptura no instante da ruptura. A Figura 5.1 mostra um exemplo de ruptura de

uma massa de solo de uma encosta.

Figura 5.1 – Ruptura de massa de solo e sua movimentação sobre uma estrada

Gerscovich (2010) ressalta que “a ruptura em si é caracterizada pela formação de

uma superfície de cisalhamento contínua na massa de solo. Existe, portanto, uma camada

de solo em torno da superfície de cisalhamento que perde suas características durante o

processo de ruptura, formando assim a zona cisalhada, conforme mostrado na Figura 5.2.

Inicialmente há a formação da zona cisalhada e, em seguida, desenvolve-se a superfície de

cisalhamento”.

Figura 5.2 – Zona fraca, zona cisalhada e superfície de cisalhamento (LEROUEIL, 2001)

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

122

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 r que é a máxima tensão que pode atuar no solo sem que

haja ruptura. Terzaghi (conhecido como o “pai” da Mecânica dos Solos) conseguiu

conceituar essa resistência como conseqüência imediata da pressão normal ao plano de

rutura correspondente a pressão grão a grão ou pressão efetiva. Isto é, anteriormente

considerava-se a pressão total o que não correspondia ao real fenômeno de

desenvolvimento de resistência interna, mas, na nova conceituação, amplamente

constatada, conclui-se que somente as pressões efetivas mobilizam resistência ao

cisalhamento, (por atrito de contato grão a grão) donde se escreve:

( ) tguctgcr −+=+= ,'

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

função essencial do seu teor de umidade, donde se escreve:

( )c f h=

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

simplesmente por r, sem o “apóstrofo”):

Em outras palavras, a expressão acima traduz a situação já afirmada de que os

parâmetros c e não são características simples dos materiais, mas, dependem,

essencialmente, das condições de ocorrência/utilização dos materiais. Como as condições

de utilização são variáveis, partiu-se para se sofisticar os ensaios de laboratório na tentativa

de criar as situações de ocorrência/utilização, procurando considerar o fato de a amostra ter

sido retirada do todo e, logicamente perdendo algumas características originais de

comportamento ao natural.

Da expressão matemática temos:

( )c f h tgi= =

tensão interna de resistência por atrito fictício ou proveniente do

entrosamento de suas partículas traduzida pela força de coesão (que

pode ser verdadeira 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.

( ) 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 , 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.

( ) ( ) tguhfr −+='

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

123

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 de solos. Dentre os ensaios “in situ” mais empregados no Brasil

para determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento e de deformabilidade no

campo destacam-se o:

• Ensaio de palheta ou "Vane Shear Test";

• Ensaio de penetração estática do cone (CPT) ou "Deep sounding";

• Ensaio pressiométrico (câmara de pressão no furo de sondagem).

Os ensaios de CPT e “Vane Test” têm por objetivo a determinação da resistência ao

cisalhamento do solo, enquanto o ensaio “Pressiométrico” visa obter uma espécie de curva

de tensão-deformação para o solo investigado, conforme pode ser resumido na tabela 5.1.

Neste contexto de estudo da resistência dos solos, ressalta-se que o ensaio de campo

“SPT – Standard Penetration Test”, muito difundido e utilizado no país, não determina

diretamente os parâmetros de resistência de um solo (obtém o número de golpes para

perfurar determinado comprimento no furo – “30 cm” finais a cada metro...).

Tabela 5.1 – Principais ensaios de campo disponíveis e suas características

Tipo de Ensaio Tipo de Solo Principais características

que podem ser determinadas

Melhor

aplicável

Não

aplicável

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.

* Ensaio não determina “c” e/ou “φ”

Os ensaios de resistência ao cisalhamento executados no campo (“in situ”) são

estudados na parte prática do curso, sendo, contudo, apresentados aqui de forma

extremamente resumida.

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

124

Ensaio de penetração estática do cone – CPT.

O ensaio de penetração estática do cone, também conhecido como Deep Sounding,

foi desenvolvido na Holanda com o propósito de simular a cravação de estacas e está

normalizado pela ABNT através da norma NBR 3406.

O ensaio de CPT permite medidas quase contínuas da resistência de ponta e lateral

devido à cravação de um cone no solo, as quais, por relações permite 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. 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 deterioração 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 (Figura 5.3).

Os dados permitem obter, ainda, boas indicações das propriedades do solo, ângulo

de atrito interno de areias, e coesão e consistência das argilas.

Figura 5.3 – Resultado de um ensaio de penetração do cone – CPT

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 através da norma 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 de um momento torçor e acessórios para medida do momento e

das deformações. O equipamento está apresentado na figura 5.4. O diâmetro e a altura da

palheta devem manter uma relação constante 1:2 e, sendo os diâmetros mais usuais de 55,

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

125

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.

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. 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).

Figura 5.4 – Equipamento para ensaio de palheta no campo e em tamanho reduzido para

laboratório, do 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 ...2

1 2=

uB cDM 3

12

=

Onde: D = diâmetro do cilindro de ruptura; H = altura do cilindro de ruptura; Su =

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.

7

6

D

TSu

=

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

126

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.

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,

realizado previamente com grande cuidado para não modificar as características do solo.

O equipamento 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 a interpretação 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 com fidelidade e exatidão as condições possíveis de ocorrências.

Dentre os principais ensaios de laboratório 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-se a realização dos ensaios com a finalidade específica

de obter os parâmetros de resistência ao cisalhamento (“c” e “φ”).

Nos itens seguintes será apresentada uma descrição genérica-conceitual dos

ensaios, e uma análise sucinta referente à determinação de c e , deixando o detalhamento

da execução das operações dos ensaios para as aulas práticas, específicas do curso.

5.3 – Ensaio de compressão simples - uniaxial

Consiste em ensaiar corpos de provas em uma prensa aberta em que só se tem

condição de aplicar a pressão axial1, uma vez que, sendo a prensa aberta, não há

condição de aplicar pressões laterais, isto é, 3 = 0. Tem-se assim um só círculo de Mohr e

=0. Logo sua aplicação em solos se limita a solos puramente coesivos.

Os resultados desses ensaios são extremamente limitados na sua interpretação e

utilização prática em geotecnia. Podem ser utilizados para identificar a consistência das

argilas e, quando ensaiadas em amostras naturais e amolgadas, permite determinar a

sensibilidade das argilas (relação natural/amolgado).

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

127

A Figura 5.5 ilustra a realização do ensaio de compressão simples - aplicação de

carga em apenas um eixo – uniaxial, logo após o termino do rompimento do corpo de

prova (“CP”), onde se vê o mesmo já rompido – “cisalhado” (quando resultou em tensão

cisalhante máxima). O CP foi deixado na prensa até a ocorrência de uma deformação

excessiva (plano de ruptura ficou visível).

Figura 5.5 – Ensaio de compressão simples: amostra após ruptura

A velocidade de aplicação da carga na prensa é controlada e padronizada.

Como no ensaio não se tem condição de aplicar 3, mesmo realizando no mínimo

três ensaios para definir sua resistência, esperam-se valores aproximados para o mesmo

material, ensaiados nas mesmas condições.

Isto resulta no traçado de um só círculo (Figura 5.6), e a direção do traçado da linha

de envoltória de resistência será a horizontal (linha que tangencia “todos os círculos”).

Figura 5.6 – Envoltória de resistência de ensaio de compressão simples

Os parâmetros de resistência obtidos no ensaio são:

A

P=1 Sendo = 0, temos para a “coesão”:

1

122

= = =c c r

Os dados da interpretação do ensaio podem ser visto na Figura 5.7. Então conclui-

se que o ensaio só é aplicável em solos puramente coesivos, onde = 0 .

Em função de seus resultados pode-se obter a sua classificação (Tabela 5.2) quanto

a sua consistência, em se tratando de ocorrência de solo argiloso (predominância de

“finos”), onde o valor “Rc” é dado como “resistência à compressão simples” do solo.

P = Carga na ruptura medida na prensa

A = Área do corpo de prova (conhecida)

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

128

Figura 5.7 – Interpretação do ensaio de compressão simples

Tabela 5.2 – Faixa de resistência à compressão simples, função da consistência das argilas

Argilas Faixa valor Rc Obs: Muito mole Rc < 2,5 t/m2 (25 kPa) 1 kPa = 1 kN/m2

Mole 2,5 < Rc < 5,0 t/m2 1 t/m2 = 10 kPa 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 (400 kPa)

Em face da limitação deste ensaio tem-se dois outros 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.

No ensaio, a amostra (corpo de prova) de solo a ser ensaiada é colocada em uma

caixa bipartida – metade de sua altura fica na parte inferior da caixa e a outra metade fica

na parte superior. Esta caixa bipartida será a responsável por permitir o deslocamento da

sua parte superior em relação a inferior, levendo o solo à ruptura, que ocorrerá diretamente

no plano que ocorre entre as partes da caixa, ou seja, na sua “meia altura”.

O ensaio é realizado aplicando-se previamente uma tensão normal (s)

perpendicular ao plano principal da amostra (onde haverá a ruptura) e uma força T no

sentido paralelo ao plano de cisalhamento da amostra, o que implicará na atuação de uma

tensão cisalhante (t), que será responsável pela ruptura, como mostra a Figura 5.8.

Figura 5.8 – Ensaio de cisalhamento direto: tensões atuantes e amostra após ruptura

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

129

A força vertical N, aplica-se inicialmente na amostra é definida a partir do nível de

tensões esperado para o solo em serviço, nível de tensão que vai atuar no campo ou em

caso de uma obra. Portanto, este valor é adotado. Já a força tangencial T é aplicada ao anel

que contém a parte superior do corpo de prova, provocando seu deslocamento, por ação do

equipamento que uma vêz ligado irá movimentar-se segundo uma velocidade constante

(valores baixo), fazendo aumentar a força T atuante no plano do solo. Faz-se necessário

então, medir a evolução da força suportada pelo solo, ao longo do ensaio.

As imagens apresentadas na Figura 5.9 mostram: (a) a moldagem de um CP (corpo

de prova - seção quadrada) para ser ensaiado, (b) o equipamento de cisalhamento direto do

Laboratório de Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos (LaEsp) da UFJF e (c) a caixa de

cisalhamento da amostra, em detalhe.

(a)

(b)

(c)

Figura 5.9 – (a) Detalhe de um CP sendo talhado em um bloco de amostra indeformado,

(b) Aspecto do equipamento durante a realização de um ensaio, (c) Detalhe da caixa de

cisalhamento com o extensômetro para medição da deformação vertical do CP.

As forças T e N, divididas pela área da seção transversal do corpo de prova,

indicam as tensões e que nele estão ocorrendo. A tensão pode ser representada em

função do deslocamento no sentido do cisalhamento, como se mostra na Figura 5.10, onde

se identificam a tensão de ruptura, max, de pico, e a tensão residual, que o corpo de prova

ainda sustenta, após ultrapassada a situação de ruptura, res.

O deslocamento vertical durante o ensaio também é registrado, indicando se houve

diminuição ou aumento de volume durante o cisalhamento.

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

130

Figura 5.10 – Comportamento tensão x deslocamento (horizontal) e de deslocamento vertical

Ao aplicar a tensão normal sobre o corpo de prova espera-se uma deformação

vertical no sentido da haver uma diminuição da sua altura. Como pode ser observado,

contudo, durante o cisalhamento o sentido do deslocamento vertical do corpo de prova

pode se inverter até que a tensão cisalhante se estabilize num valor aproximadamente

constante (residual). Observa-se também que neste ensaio consegue-se provocar um

deslocamento relativo (horizontal) de uma parte do solo sobre a outra muito maior do que

se pode atingir em ensaios de compressão triaxial.

Realizando-se ensaios com diversas tensões normais, em no mínimo três corpos de

prova, pode-se obter a envoltória de resistência ao cisalhamento do solo, plotando-se

diretamente em um gráfico cartesiano “ x ” os pontos referentes às respectivas tensões

(adotadas) e (medidas), que serão posteriormente interpolados graficamente por uma

reta, a fim de definir a envoltória de Morh-Coulomb pretendida. (Figura 5.11).

Figura 5.11 – Interpolação dos pontos de ruptura para obtenção da envoltória de Mohr-Coulomb

Cisalhamento direto: ensaio x controle da drenagem

Este ensaio é muito prático, porém, não permite a determinação de parâmetros de

deformabilidade do solo e a obtenção dos valores da pressão neutra durante a realização

do ensaio. O controle das condições de drenagem é difícil no ensaio, pois não há como

impedi-la.

Na Figura 5.12 observa-se o esquema do equipamento com a amostra em condição

de ensaio. Nota-se que ele pode ser executado com drenagem, pela presença de pedras

porosas (parte superior e inferior), 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 no ensaio de cisalhamento direto.

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

131

Figura 5.12 – Esquema do ensaio de cisalhamento direto: drenagem da amostra

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 suas restrições, 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.

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, substituída pelos ensaios de compressão triaxial.

Comportamento Tensão x Deformação dos Solos

As curvas de ruptura (tensão x deformação) típicas obtidas nos ensaios de resistência

têm uma das formas mostradas na Figura 5.13.

Na rutura frágil depois de atingir a R, a resistência cai acentuadamente ao se

aumentar a deformação. Obtem-se para o valor máximo o que se denomina de resistência

de “pico”. Na rutura plástica o esforço máximo é mantido com a continuidade da

deformação. Pode-se obter assim a chamada resistência “residual”.

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.

Figura 5.13 – Aspecto das curvas tensão x deformação dos solos

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

132

A Tabela 5.3, em arquivo Excel, apresenta um resumo dos dados de um dos ensaios

de cisalhamento direto, com tensão normal = 17,2 kPa (como se vê na 10a coluna),

sinalizado no gráfico como v =17) e de valores calculados ao longo da execução do

ensaio, para o posterior traçado da sua envoltória de resistência.

Tabela 5.3 – Trecho de planilha com dados e valores calculados de um ensaio de cisalhamento.

Observa-se que nesse ensaio a área da seção crítica varia durante a aplicação do

esforço tangencial. Portanto, para sua real determinação deve-se ter um processo

continuado de sua correção.

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.

A Figura 5.15 ilustra resultados de ensaio de outro material, também como exemplo

para ilustração. Neste, são submetidos os corpos de prova a sete diferentes tensões

normais. Observam-se valores de resistência de “pico”, principalmente para os níveis

maiores de tensão.

A Figura 5.14 apresenta, como

exemplo, as curvas de quatro ensaios de

cisalhamento direto, para um mesmo

material, sob diferentes valores de

(parte da planilha de ensaio do CP01, está

apresentada na Tabela 5.3). Observa-se

que em se tratando de uma amostra de

argila, esta tem “baixa” consistência

(mole ou média), tendo em vista o

aspecto das curvas apresentadas. Nota-se

que o valor da resistência, valor de

máximo, não é “pronunciado” (não há

“pico”).

Os dados obtidos a partir dos

quatro gráficos da Figura 5.14,

correspondentes às tensões no plano de

rutura, permite determinar os pares de

tensão que, possibilitam o traçado da

envoltória de resistência do solo e a

obtenção dos parâmetros c e (Figura

5.11).

114

42

17

27

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Ten

são c

isalh

an

te -

(

kP

a)

v (kPa)

27

114

17

42

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 5 10 15

Deslocamento horizontal (mm)

Des

loca

men

to v

erti

cal (m

m)

v (kPa)

Figura 5.14 – Curvas tensão x deformação

Planilha de Resultados Folha: 01 de 03

Leitura Leitura Anel de Desloc. Desloc. Área Força Tensão Tensão Índice

Extens. Extens. Carga Horiz. Vert. Corrig. Cisalh. Fcis/Fn Cisalh. Vert. de

Horiz. 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 1,463

8 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 1,463

20 1204,2 118,0 0,472 0,008 102,75 77,06 0,434 7,5 17,3 1,463

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

133

Figura 5.15 – Exemplo de curvas tensão x deformação de um solo submetido ao cisalhamento

O ensaio de cisalhamento direto só dá valores confiáveis para o caso de rutura

plástica. No caso da rutura plástica os esforços são iguais em toda seção de rompimento,

enquanto na ruptura frágil há diferenciação entre a periferia e o centro da amostra.

Fatores que influenciam os resultados dos ensaios

- Areias: Compacidade, forma das partículas e distribuição granulométrica.

- 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.

Observações sobre pré-adensamento

Como visto, adensamento é a diminuição de volume do solo sob ação de uma

tensão. Sua ocorrência é maior nos solos argilosos, pois são compressíveis, e em menor

escala nos solos arenosos. 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.

- Uma estrutura de solo pré-adensado, implica em problemas na determinação de sua

resistência, pois, quando em processo de cisalhamento, o solo tende a se expandir

e, assim, estará sujeito a absorção de água que poderá gerar pressão neutra (u), e

logicamente, diminuir a pressão efetiva (’) e o valor de r. Se, por acaso não

houver possibilidade de absorção de água, 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.

Tem-se, como decorrência, um aumento de σ’ (pressão efetiva) quando drenada,

uma vez que ocorrerá a dissipação da pressão neutra u .

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

134

Tensões principais

A análise do estado de tensões durante o carregamento é bastante complexa no

ensaio de cisalhamento direto. O plano horizontal, antes da aplicação das tensões

cisalhantes, é o plano principal maior. Com a aplicação das forças cisalhantes, ocorre

rotação dos planos principais.

Uma das desvantagens deste ensaio 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 (de tensão cisalhante), cujos

valores das tensões principais obtêm-se pelo traçado posterior, do correspondente círculo.

5.5 – Ensaio de compressão triaxial

Esses ensaios são os mais utilizados na atualidade, por sua condição de

aparelhagem. São mais refinadas, capazes de garantir uma impermeabilização total da

amostra, o controle absoluto da drenagem e a medição do valor da pressão neutra.

O Professor Carlos de Souza Pinto (PINTO, 2006) descreve muito bem o

procedimento básico do ensaio triaxial, a saber:

O ensaio de compressão triaxial convencional consiste na aplicação de um estado

hidrostático de tensões e de um carregamento axial sobre um corpo de prova cilíndrico do

solo. Para isto, o corpo de prova é colocado dentro de uma câmara de ensaio, cujo esquema

é mostrado na Figura 5.16, e é envolto por uma membrana de borracha. A câmara é cheia

de água, à qual se aplica uma pressão, que é chamada pressão confinante ou pressão de

confinamento do ensaio.

A pressão confinante atua em todas as direções, inclusive na direção vertical. O

corpo de prova fica sob um estado hidrostático de tensões.

Figura 5.16 - Corpo de prova dentro da câmara de ensaio

O carregamento axial é feito por

meio da aplicação de uma força

crescente no pistão que penetra na

câmara, caso em que o ensaio é

chamado de ensaio de deformação

controlada (sob velocidade de

deslocamento constante da

prensa).

A carga é medida por meio de um

anel dinamométrico externo, ou

por uma célula de carga

intercalada no pistão. Este

procedimento tem a vantagem de

medir a carga efetivamente

aplicada no corpo de prova,

eliminando o efeito do atrito do

pistão na passagem para a câmara.

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

135

Como não existem tensões de cisalhamento nas bases e nas geratrizes do corpo de

prova, os planos horizontais e verticais são os planos principais. Se o ensaio é de

carregamento, o plano horizontal é o plano principal maior e o plano vertical, o plano

principal menor, onde atua a pressão confinante. A tensão devida ao carregamento axial é

denominada acréscimo de tensão axial ou tensão desviadora σd, sendo σd = (1 - 3).

Durante o carregamento medem-se, a diversos intervalos de tempo, o acréscimo de

tensão axial que está atuando e o deslocamento vertical do corpo de prova (∆v). A

correspondente deformação específica vertical é obtida dividindo o deslocamento pela

altura inicial do corpo de prova, a medida em que evolui as tensões desviadoras, o que

permite traçar a curva tensão x deformação para o ensaio (Figura 5.17), bem como podem

ser plotadas ouros gráficos, como o de variações de volume ou de pressão neutra.

Figura 5.17 - Exemplo de curvas “tensão desviadora x deformação axial”

As tensões desviadoras representadas em gráfico, em função da deformação

específica, evidencia o valor máximo que corresponde à ruptura, a partir do qual fica

definido o círculo de Mohr correspondente a esta situação de ruptura. Círculos de Mohr de

ensaios feitos em outros corpos de prova permitem a determinação da envoltória de

resistência conforme o critério de Mohr, como na Figura 5.18, ou ainda pode-se obter a

envoltória de Mohr-Coulomb. Observa-se que, para o traçado da envoltória de resistência

faz-se se necessário determinar o correspondente valor de σ1, sendo: 1 = σd + 3. A Figura

5.18 ilustra em destaque o crescimento de σ1 durante o ensaio (“círculos traçejados”), para

o corpo de prova com nível intermediário de tensão entre os três ensaios realizados.

Figura 5. 18 - Traçado dos círculos de Mohr correspondentes a realização de três ensaios triaxiais

Amostra de argila (identificada no campo

como CU6), coletada em poço à 4,00 m de

profundidade, em Igrejinha, Juiz de

Fora/MG.

Para os três corpos de prova ensaiados

foram utilizadas (adotadas) as tensões de

confinamento de 100, 200 e 600 kPa.

Faculdade de Engenharia – NuGeo/Núcleo de Geotecnia Prof. M. Marangon

Mecânica dos Solos II - Edição 2018 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

136

Os ensaios triaxiais apresentam condições de reproduzir em laboratório, com

relativa precisão, as condições que os solos estarão sujeitos no projeto e serão solicitados

nas obras. A Figura 5.19 apresenta o equipamento triaxial do LaEsp – Laboratório de

Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos, da UFJF.

Figura 5.19 – Conjunto de equipamentos para ensaio de compressão triaxial, da UFJF

Considerações sobre o ensaio

Neste capítulo são abordados em linhas gerais os conceitos fundamentais

relacionados à realização do ensaio triaxial (Figura 5.20), sendo, contudo, visto no curso de

prática o detalhamento e os aspéctos operacionais da realização do mesmo.

(a) (b)

(c)

(d)

Figura 5.20 – (a) Moldagem de um CP de areia sobre a própria base interna da câmara;

(b) Montagem na câmara triaxial, ainda fora da prensa de compressão, após montagem do CP na

base; (c) Aspecto da câmara montada na prensa, preenchida com água e sob pressão, durante a

realização do ensaio; (d) Registro de um corpo de prova rompido, em que se observa o plano de

cisalhamento do material ensaiado, no caso um solo argiloso compactado

Consta basicamente de:

. Prensa de compressão;

. Unidade de controle de pressões;

. Compressor;

. Reservatório de água desgazificada;

. Microcomputador (monitoramento e

aquisição de dados automática)