8/18/2019 Ensaios_Triaxiais
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MECÂNICA DOS SOLOS IIPrática
(Prof. Roberto L. Ferraz)
Assunto: Ensaios de laboratório para a determinação
da resistência ao cisalhamento de solos
- Ensaios triaxiais
- Adensado drenado (CD)
- Adensado não drenado (CU)
- Não adensado e não drenado (UU)
- Envoltórias de resistência
Câmaratransparente
de acrílico
Força axial aplicada
1 – Procedimento básico para a realização de ensaios de
compressão triaxial em solos
a) Coloca-se um corpo de
prova (CP) cilíndrico de solo
em uma câmara de acrílico e
envolve-se o mesmo por umamembrana de borracha.
b) A câmara é cheia com água,
por meio da qual aplica-se a
tensão confinante do ensaio
(c) gera no CPum estado
hidrostático de tensões.
c) A seguir, procede-se ao
carregamento axial do CP até
que se obtenha umacondição
de ruptura.
Sob este estado de tensões,
permite-se ou não o
adensamento do CP.
Na base se alumínio se encontram os
orifícios por onde se processam:
(a) injeção de água na câmara e aplicaçãoda pressão confinante;
(b) entrada ou saída de água CP (drenagem);(c) medição das pressões atuantes
(confinante (c) e neutra (u)).
Detalhes construtivos da célula triaxial utilizada nos ensaios
Orifícios que secomunicam com
a base do CP
Orifícios que secomunicam com
o topo do CP
Ponto para medidada pressão neutra
na base no CP
Orifícios para entrada esaída de água da câmara
Os registros na base da célula
permitem o total controle de
toda a água que entra ou sai
da célula, bem como do CP
Força axial
Pistão
Cilindro deacrílico
transparente
Entrada ousaída de ar
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Como não se dispõe de normas brasileiras para a real ização dos
ensaios triaxiais, estes geralmente são realizados tomando como
referência normas internacionais, dentre as quais citam-se:
ASTM D 4767 - 04 – Standard Test Method for Consolidated
Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils.
BS 1377 – 1: 1990 – Triaxial Compression Test
2 – Metodologia de ensaio
Para ensaios em corpos de prova na condição saturada, basicamente
as etapas consistem de:
- Preparação do corpo de prova
- Talhagem ou moldagem do corpo de prova
- Montagem na célula triaxial
- Saturação do corpo de prova
- Adensamento (realizado para alguns ensaios CD e CU)
- Carregamento axial - Na condição drenada (CD)
- Na condição não drenada (CU e UU)
O corpo-de-prova para oensaio é cilíndrico e possuirelação altura/diâmetro da
ordem de 2.
Podem ser obtidos a partir de:a) amostras indeformadas (blocos ou amostradores de parede fina);b) amostras compactadas;c) moldados diretamente na célula sobre sua base (ex.: CP’s de areias).
2.1 – Corpos de prova para os ensaios triaxiais
Amostrador Shelby
Solo compactado
Bloco parafinado
2.2 – Sequência de preparação do corpo-de-prova
b) Colocação doCP sobre a pedra porosa
da base da célula e envolvimento do
mesmo com a membrana de borracha
Corpo-de-prova sobre a
base da célula
Detalhe do dispositivo usado
para colocar a membrana no
corpo-de-prova
Colocação da membrana nocorpo-de-prova
a) Talhagem ou moldagem do
corpo de prova
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c) Con exão d o topo do CP a um a d as sa íd as
existentes na base da célula
Detalhe do conduto que faz a conexão do topo
do CP com uma das saídas na base da célula
2.3 – Montagem da célula triaxial
Colocação da câmara de
acrílico na base da célula
Célula montada, sendo
preenchida com água
Anéis de borracha para vedar
a entrada de água da célulano topo e base do CP
2.4 – Saturação do corpo-de-prova
Exemplos de processos para a saturação de corpos de prova:
a) Porpercolação de água através do CP aplicável a areias mas, noentanto, é pouco eficiente para solos argilosos
b) Por aplicação de contra-pressão no CP principal método desaturação de solos finos.
Consiste em elevar gradativamente apressão conf inante (c) e também a
pressão neutra no corpo de prova (contra-pressão) até atingir a saturação.
Saturação por contra-pressão
Contra-pressão Injeção de água no CPpor uma das linhas de drenagem
Linha de
Contra-pressão
É necessária para que durante o ensaio seja possível medir com precisãoa pressão neutra (u) e a variação de volume (V) ocorrida no CP.
A verificação da saturação é feita com base na seguinte observação:
“Em um solo saturado todo o acréscimo de pressão gera um
acréscimo de pressão neutra de igual valor, ou seja, u = ”
=∆
∆
3 = acréscimo de pressão confinante aplicado na câmara
u = variação de pressão neutra gerada após o acréscimo de 3
Quando B = 1,0
solo saturado
Princípio da saturação por
contra-pressão
Consiste, a partir doaumento da pressão neutra
(contra-pressão), em forçar adissolução das bolhas de ar existentes na água do solo.
Pontos deaplicação da
contra-pressão
(c)
Em alguns casos considera-se o CP saturado quando B ≥ 0,97
Definição do coeficiente de pressão neutra, B:
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Sequência básica de um processo de saturação por contra-pressão:
3 (kPa) 0
Contra_P
u (kPa)
u (kPa)
3 (kPa)
B
B = 0,98 (considerado saturado)
Passo 1
(3)
Pontos de aplicação da contra-pressãono co rpo-de-prova
e também para a medição da pressão neutra atuante (u)
Passo 2 Passo 3 Passo 2 Passo 3 Passo 2 Passo 3 Passo 2 Passo 3 Passo 2 Passo 3 Passo 2
1 – Antes de aplicar a pressão confinante 3,
medir a pressão neutra inicial no CP (ui);
2 – Aumentar 3, medir a pressão neutra f inal
gerada (uf ), calcular
u, 3 e o parâmetro B;
3 – Se B < 1, aumentar a contra-pressão (u) até
um pouco abaixo d a 3 atuante ( 10 kPa
abaixo), aguardar a estabilização e mediru (ui);4 – Repet ir os passos 2 e 3 atéB 1.
- 3 5,5
8,5
50
0,17
50
40
39 57
18
50
0,36
100
90
88 153
65
100
0,65
200
190
190 276
86
100
0,86
300
290
290 385
95
100
0,95
400
390
390 488
98
100
0,98
500
1a letra Refere-se à condição de adensamento do CP
C = Consolidated (Adensado)U = Unconsolidated (Não adensado)
2a letra Condição de drenagem durante o cisalhamento
D = Drained (Drenado)U = Undrained (Não drenado)
2.5 - Ensaios triaxiais convencionais
Quanto às condições de adensamento no inicio do ensaio e dedrenagem do CP durante o carregamento, existem três tipos básicosde ensaios triaxiais, que são geralmente identificados por 2 letras:
Ensaios: Ensaio CD (Consolidated Drained)
Ensaio CU (Consolidated Undrained)
Ensaio UU (Unconsolidated Undrained)
Após a saturação, deve-se seguir a metodologia correspondente aotipo de ensaio triaxial a ser realizado.
c
cc
(Adensamento)Saída de água
permitida
Aplicação de c
(compressãoisotrópica)
u 0
u > 0
Etapa 1: Aplica-se a pressão confinante eespera-se que o CP se adense, ou seja,
que o excesso de pressão neutra gerado se
dissipe (u 0).
Etapa 2: procede-se aocarregamento axial do CP
lentamente, de forma a permitir asaída da água sem gerar excesso
de pressão neutra (u 0).
1) Ensaio CD (Consolidated Drained Adensado Drenado)
c
cc
Saída de águapermitida
(Registro aberto)
Carregamentolento
u 0
Tensão desviadora(Aplicada pelo pistão
da célula)
(com drenagem)
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2) Ensaio CU (Consolidated Undrained
Adensado não drenado)
Etapa 1: Aplica-se a pressão confinante eespera-se que o CP se adense, ou seja,
que o excesso de pressão neutra gerado sedissipe (u 0).
c
cc
(Adensamento)Saída de água
permitida
Aplicação de c
(compressãoisotrópica)
u 0
u > 0
Etapa 2: procede-se aocarregamento axial do CP, sempermitir a drenagem (saída de
água) gera excesso depressão neutra (u > 0).
c
cc
Sem drenagem daágua
(Registro fechado)
Carregamento
u > 0
Tensão desviadora(Aplicada pelo pistão
da célula)
3) Ensaio UU (Unconsolidated Undrained
Não adensado e não drenado)
Etapa 1: Aplica-se a pressão confinantesem permitir que o CP se adense, ou
seja, mantém-se o registro de drenagemfechado.
c
cc
Não é permitidoo adensamento
Aplicação de c
(Compressãoisotrópica)
u > 0
(Registro fechado)
Etapa 2: procede-se aocarregamento axial do CP, sempermitir a drenagem (saída de
água) gera excesso depressão neutra (u > 0).
c
c
c
Sem drenagemda água
Carregamento
u > 0
Tensão desviadora(Aplicada pelo pistão
da célula)
(Registro fechado)
2.5.1 – Adensamento do corpo-de-prova
Ensaios CD e CU Proceder ao adensamento do corpo deprova antes de iniciar a fase de compressão.
Passo 2: Deixar o corpo de
prova se adensar sob
a tensão confinante
escolhida (’3).
(3)
Saída de água do corpo-de-
prova devido ao adensamento
Passo 1: Ajustar 3 e u, de
forma a obter o estado
de tensões efetivas
exigido para o ensaio:
’3 = 3 - u
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2.5.2 – Compressão axial do corpo de prova
Esta fase será realizada de acordo com a condição de
drenagem escolhida para o ensaio.
c = 3
cc = 3
Saída de água(Drenagem)
Carregamento 1
u 0
c = 3
cc
Sem drenagemda água
Carregamento 1
u > 0
Ensaio CD Permitidaa drenagem do CP durante
todo o carregamento
Ensaios CU e UU Nãoserá permitida a drenagem do
CP durante o carregamento
Registros durante o carregamento (a diversos intervalos de tempo):
a) acréscimo de tensão axial 1 (tensão desviadora);b) deformação vert ical do CP(h);c) Variação devolume (V) e pressão neutra gerada (u).
A tensão devida aocarregamento axialé denominada“acréscimo de
tensão axial” (1)ou “tensão
desviadora” (d),
1 = 1 + 3
1 = 1 - 3
Exemplos de curvas de tensão desviadora (1)versus deformação axial (a)
a (%) = ( h/H0).100
c1 = 100 kPa
c2 = 200 kPa
c3 = 600 kPa
h = variação de altura do CPH0 = altura inicial do CP
3 – Resultados típicos de ensaios triaxiais
Geralmente são apresentados gráfico da tensão desviadora em função
da deformação axial (vertical) específica (a):
Plano de
ruptura
r Plano
horizontal
Plano deruptura
r Plano
horizontal
1
a (%)
31 1max1
32
33
1max2
1max3
31
32 33
1max1 1max2 1max3
Envoltória de resistência de Mohr ou de Mohr-Coulomb
pode ser obtida a partir dos círculos de Mohr traçados
Pontos de máximo 1 das
curvas “tensão desviadoraversus deformação axial”
situação de ruptura ...
Envoltóriade Mohr
Envoltória de
Mohr-Coulomb
... Para cada CP pode
ser traçado um círculo deMohr com os pares devalores (3 , 1max).
1max = 3 + 1max
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31 32 33
1max1
1max2 1max3
4 – Parâmetros das envoltórias de resistência ao
cisalhamento (Critério de Mohr-Coulomb)
Parâmetros: c = intercepto de coesão = ângulo de atrito interno
4.1 - Envoltória de resistência a partir dos círculos de Mohr
Envoltória de
Mohr-Coulomb
Para cada corpo de prova
ensaiado tem-se:
CP 1 confinante = 31
1max1 = 31 + 1max_1
CP 2 confinante = 32
1max2 = 32 + 1max_2
CP 3 confinante = 33
1max3 = 33 + 1max3
c
Formas de obtenção:
a) Diretamente, a partir dos círculos de Mohr na condição de ruptura.
b) Indiretamente, a partir da envoltória às trajetórias de tensões
3 1max
Círculo detensões totais
4.2 - Envoltória em termos de tensões totais ou de tensões efetivas
Supondo que para um determinado corpo de prova sejam conhecidos
os seguintes valores na condição de ruptura:
Confinante = 3 Tensão desvio máxima = 1max Pressão neutra = uf
As envoltóriasde resistência podem serobtidas em termos de tensões
totais ou de tensões efetivas (Nesse caso interessa conhecer ’3 e’1max de cada CP)
Círculo de Mohr em termos
de tensões totais:
Tensão principal menor = 3
Tensão principal maior máxima:1max = 3 + 1max
Círculo de Mohr em termos
de tensões efetivas:
Principal menor = ’3 = 3 - uf
Tensão principal maior máxima:’1max = 1max - uf
’3 ’1max
uf uf
Círculo detensões efetivas
5 – Ensaio de cisalhamento direto versus ensaio triaxial
5.1 Vantagens e desvantagens do ensaio de cisalhamento direto
a) Cisalhamento direto – Vantagens:
• simplicidade e facilidade na moldagem dos corpos de prova;
• simplicidade e praticidade na execução do ensaio;• rapidez, principalmente com solos permeáveis;
• permite grandes deformações por reversão da caixa de cisalhamento;
• pode ser realizado na condição inundada;
• permite estudar planos preferenciais de ruptura.
b) Cisalhamento direto- Desvantagens
• o plano de ruptura é imposto (horizontal) pode não ser o demenor
resistência;
• não permiteo controle e nemmediçãodas poropressões geradas;
• torna-se muito lento em solos de baixa permeabilidade;• estado de tensões é complexo: há rotação das tensões durante o
cisalhamento.
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Antes de iniciar o
cisalhamento, o
plano horizontal é o
plano principal maior
Início do ensaio
0 = 0
Rotação das tensões principais no ensaio de cisalhamento direto:
Planos principais Não existem tensões de cisalhamento ( 0 e = 0)
Plano principal maior onde atua a maior tensão normal (1)
Plano principal menor onde atua a menor tensão normal (3)
Durante o ensaio
0 ≠ 0
Durante o cisalhamento do
CP, o plano horizontal não é
mais plano principal ( 0)
No ensaio de cisalhamentodireto, somente são conhecidas as tensões
em um único plano (horizontal).
Portanto, não é possível o traçado de círcu los de Mohr
referentes a estados de tensões nos CP’s durante o ensaio.
a) São os mais versáteis para determinar as propriedades tensão-deformação
e a resistência ao cisalhamento dos solos em laboratór io , uma vez que
podem ser adaptados à diversas condições especiais.
c) Permite o controle da drenagem em qualquer fase do ensaio.
b) O corpo-de-prova é cilíndrico, podendo ser utilizado amostras shelby.
e) O plano de ruptura não é imposto, podendo ocorrer em qualquer posição.
f) Não existe rotação das tensões principais.
5.2 Vantagens e desvantagens do ensaio triaxial
Fase 1:Compressão
isotrópica
d = 1 - 3
Fase 2:Carregamento
axial do CP
d (ou 1) = tensão desviadora
Nos ensaios de compressão:
Horizontal = plano principal maior Vertical = plano principal menor
a) O equipamento é mais sofisticado, não sendo portanto tão simples deoperar quanto o do cisalhamento direto.
c) Não uniformidade de tensão, deformação, pressão neutra e variaçãode volume ao longo do corpo-de-prova devido à existência decontraste entre contornos rígidos (bases) e flexíveis (membrana) e aoatrito corpo-de-prova/bases rígidas.
Dentre as desvantagens do ensaio triaxial citam-se:
b) Necessidade de acessórios especiais para aplicação de pressão e paramedição das pressões neutras e variações de volume ocorridasdurante as diversas fases dos ensaios.
c) O estado de tensões no corpo-de-prova pode ser acompanhado durante
todo ensaio.
Em qualquer instante doensaio são conhecidas asposições dos planos onde
atuam 1 e 3, bem como osvalores destas tensões.
1
1
33
3 1