LABORATÓRIO de MECÂNICA dos SOLOS - Noções de Resistência à Compressão - Ensaio de Compressão Simples e Diametral

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ENGENHARIA CIVIL LABORATÓRIO de MECÂNICA dos SOLOS - Noções de Resistência à Compressão - Ensaio de Compressão Simples e Diametral Christiane Wagner Mainardes Krainer

2 SUMÁRIO 1. Introdução 2. Compressão Axial e Triaxial 3. Ensaio de Compressão Simples 4. Ensaio de Compressão Diametral

3 1. Introdução Um dos aspectos de maior interesse da engenharia geotécnica -> determinação das deformações devido a carregamentos verticais na superfície do terreno => cálculo de recalques. Tipos de deformações Deformações rápidas -> observadas em solos arenosos e solos argilosos não saturados Deformações lentas -> observadas em solos argilosos saturados => aplicação da Teoria do Adensamento Formas de análise Cálculo de recalques pela Teoria da Elasticidade Cálculo de recalques pela compressibilidade oedométrica Prof. Cezar Bastos

4 2. Compressão Axial e Triaxial Recalques pela Teoria da Elasticidade Ensaios de compressão axial e triaxial Aplicação de carga vertical em corpo de prova cilíndrico: com confinamento (ensaio de compressão triaxial) ou sem confinamento (ensaio de compressão axial ou compressão simples) Medições: deformações axiais ( a ) deformações radiais ( r ) Prof. Cezar Bastos

5 2. Compressão Axial e Triaxial Prof. Cezar Bastos

6 2. Compressão Axial e Triaxial Parâmetros de deformabilidade Embora o solo apresente deformações não recuperáveis após certo nível de tensões (material não-elástico) e apresente relação tensãodeformação não constante (material não-linear) é frequente a hipótese de comportamento elástico linear para os solos. Prof. Cezar Bastos

7 2. Compressão Axial e Triaxial Definição de módulo de elasticidade (E) e coeficiente de Poisson ( ) É incorreta a definição de parâmetros únicos de deformabilidade para os solos -> p.ex. E varia com o nível de tensões de confinamento e de tensão axial. Nos casos correntes admitem-se valores constantes para intervalos de tensões específicos. Prof. Cezar Bastos

8 2. Compressão Axial e Triaxial Ordem de grandeza de valores para o módulo de elasticidade: Prof. Cezar Bastos

9 2. Compressão Axial e Triaxial Cálculo dos recalques pela Teoria da Elasticidade A Teoria da Elasticidade, empregada no cálculo de tensões no interior do solo devido a carregamentos externos na superfície do terreno, também pode ser utilizadas no cálculo dos recalques. Os recalques na superfície de uma área carregada: onde: 0 = tensão uniformemente distribuída na superfície E e = parâmetros de deformabilidade B = largura (ou diâmetro) do carregamento I = coeficiente f(forma da superfície carregada e da aplicação das pressões - elemento rígido ou flexível) Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

10 2. Compressão Axial e Triaxial Valores para o coeficiente de forma (I): Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

11 O ensaio de compressão simples é o método mais simples e rápido para determinar a resistência ao cisalhamento de solos coesivos e somente deste tipo de solo. O ensaio fornece o valor da coesão (resistência não drenada) de campo do solo, denominada cu, para isso deve ser feito com amostra indeformada e conservando sua umidade natural. Pode ainda ser usado para amostras de solos compactados.

12 Objetivo: O ensaio determina a resistência à compressão simples sem confinamento lateral, que é o valor da pressão correspondente à carga que rompe um cilindro de solo submetido à um carregamento axial. A resistência a compressão é o valor da carga máxima de ruptura do material ou o valor da pressão correspondente à carga na qual ocorre deformação específica do cilindro de 20%, naqueles casos em que a curva tensão x deformação axial não apresenta pico.

13 A resistência ao cisalhamento não drenada, ou cu, é a metade da resistência à compressão simples. O valor medido de resistência neste ensaio é para a condição não drenada, pois o ensaio é realizado tão rapidamente que não há perda de umidade para o meio ambiente. O ensaio de compressão simples pode ser executado de duas maneiras: Por deformação controlada: controla-se a velocidade de deformação do corpo de prova e mede-se a carga aplicada correspondente; Por carga controlada: controla-se a carga aplicada ao corpo de prova e mede-se a deformação correspondente.

14 NORMAS A norma deste ensaio é a DNER IE ou a NBR 12770/1992. Resistência a compressão é o valor da pressão correspondente à carga que rompe um corpo de prova cilíndrico de solo submetido a carregamento axial. Quando não se atinge uma carga máxima de ruptura, é o valor da pressão correspondente a carga na qual ocorre deformação específica do corpo de prova de 20%. Deformação específica: e a relação entre o decréscimo de altura que sofre o corpo de prova pela aplicação de carga e sua altura inicial. Área corrigida é a área média que o corpo de prova apresenta após a aplicação de uma carga e consequente deformação, supondo-se não ocorrer alteração de seu volume.

15 Corresponde a um ensaio de compressão axial sem confinamento ( c = 0). Esquema do ensaio: Prof. Cezar Bastos

16 Ensaio sob tensão controlada -> medidas as deformações para acréscimos estabelecidos de carga; Ensaio sob deformação controlada -> medida a carga para acréscimos estabelecidos de deformação (a velocidade constante). Ruptura - valor de ruptura : -identificado pela redução na tensão para uma mesma velocidade de deformação; -assumido para um valor de deformação específica limite (p.ex. = 20%) Prof. Cezar Bastos

17 Por este ensaio é obtido o valor de 1 de ruptura para 3 = 0: O ensaio se limita a determinação da coesão na condição = 0: Prof. Cezar Bastos

18 EQUIPAMENTOS Máquina de compressão simples; Serra de arrame ou faca; Talhador de amostras; Berço de amostras; Paquímetro; Cronômetro; Balança; Cápsulas; Dissecador; Estufa; Extrator de amostras; Extensômetro; Anel dinamométrico; Prensa. * Para solos compactados pode-se usar molde de 5 por 10 cm, soquete e amostra preparada na umidade desejada ou então prepara-se a amostras usando o equipamento do ensaio de compactação e então procede-se a redução para as dimensões de 5x10 cm utilizando-se o talhador de amostras.

19 PROCEDIMENTO a) Preparação da amostra: 1. O corpo de prova para o ensaio de compressão simples pode ser obtido de uma amostra indeformada de solo contida no tubo Shelby ou bloco de amostra, ou pode-se ainda obtê-lo por compactação. 2. Retira-se uma porção da amostra em questão com dimensões maiores que as requeridas para o corpo de prova. Leva-se a amostra para o talhador, onde reduzse para o diâmetro desejado com auxílio da serra de arrame fino ou faca. Em seguida coloca-se no berço de amostras que tenha a altura e o diâmetro requeridos para o ensaio, cortando-se paralelamente as suas extremidades. Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

20 PROCEDIMENTO a) Preparação da amostra: 3. Deve-se tomar as medidas da altura e diâmetro finais do corpo de prova, sendo que o diâmetro deve ser a média entre as medidas das extremidades e do centro e a altura a média de pelo menos duas medidas. A relação entre altura e diâmetro deve estar entre 2 e 3. b) Execução do ensaio: 4. Coloca-se o corpo de prova na máquina de compressão coincidindo o seu eixo com o centro da placa de carregamento. 5. Zera-se os extensômetros (do anel dinamométrico e das deformações) e iniciar o carregamento. Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

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22 PROCEDIMENTO b) Execução do ensaio: 6. Aplica-se a velocidade de cisalhamento escolhida para a ruptura através da manivela da prensa. A velocidade deve ser tal que permita que o cisalhamento se realize sem perda de umidade, ou seja, não drenado. Além disso, o tempo total do ensaio deve ser aproximadamente 10 minutos. Geralmente a velocidade é fixada em 1% da altura da amostra por minuto, o que resulta num valor de 0.5 a 2%/minuto. 7. Anotar os valores acusados nos dois extensômetros (de carga e de deformação) até que se verifique a ruptura do corpo de prova, caracterizada pela queda no valor lido no extensômetro do anel dinamométrico. Para o caso de não haver queda no valor do anel dinamométrico, a ruptura deverá ser considerada como sendo correspondente a uma deformação específica de 20. Para uma melhor definição do gráfico de tensão axial x deformação, no início do ensaio deverão ser feitas leituras com maior frequência. Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

23 PROCEDIMENTO b) Execução do ensaio: 8. Faz-se na folha de ensaio um croquis do corpo de prova após a ruptura. 9. Quando o corpo de prova não for aproveitado para execução de outros ensaios, colocar o mesmo em cápsula, pesar e secar em estufa a fim de determinar a umidade. Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

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25 CALCULOS 1. Determinação da umidade Onde: h é o teor de umidade (%) Ph é o peso do solo úmido (g) Ps é o peso do solo seco (g) Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

26 CALCULOS 2. Determinação da deformação específica Onde: ε é a deformação específica H é o decréscimo de altura do corpo de prova (mm) H0 é a altura inicial do corpo de prova (mm) 3.Determinação da área corrigida Onde: A é a área corrigida (cm²) A0 é a área inicial do corpo de prova (cm²) ε é a deformação específica Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

27 CALCULOS 4.Pressão exercida sobre o corpo de prova Onde: p é a pressão (kgf/cm²) P é a carga aplicada (kgf) A é a área corrigida (cm²) C é a carga do anel dinamométrico (kgf) PN é o peso do nivelador (kgf) A determinação da carga C faz-se através da Curva de Calibração do Anel Dinamométrico da Prensa, em que as deflexões correspondentes são relacionadas comas carga transmitidas por ele. Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

28 RESULTADOS Traça-se o gráfico marcando-se no eixo das abscissas as deformações especificas do corpo de prova, e no eixo das ordenadas as pressões (tensões). A ordenada máxima (pmáx) da curva obtida corresponde á Resistência à Compressão (R ) do solo ensaiado. R = pmáx Quando ocorre ruptura plástica e no há pico definido na curva do corpo de prova, a resistência a compressão é a ordenada correspondente a deformação especifica de 20% (R = p20% ). Considerando-se a execução do ensaio em condições não drenadas, ou seja, φ = 0 (ângulo de atrito nulo), a Resistência ao Cisalhamento (cu ) será dada por: Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

29 RESULTADOS Caso o ângulo de atrito possuir um valor maior que zero, o φ pode ser calculado com base no angulo α que a superfície de ruptura do corpo de prova forma com a horizontal: Por sua vez, a coesão pode ser estimada mediante a construção do Círculo de Mohr. Para tanto, adota-se como σ1 o valor de R e σ3 é tomado igual a zero (pressão atmosférica). A partir da origem, traça-se uma reta inclinada de α com o eixo das abscissas pela intersecção dessa reta com o círculo de Mohr traça-se uma tangente até o eixo das tensões tangenciais, definindo-se um novo ponto de intersecção. A ordenada correspondente a esse ponto representa o valor da coesão. Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

30 RESULTADOS A ordenada correspondente a esse ponto representa o valor da coesão. Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

31 RESULTADOS A coesão pode também ser estimada analiticamente pela equação: Deve-se observar que imperfeições na execução do ensaio muitas vezes acarretam valores de α irreais. Quando isso ocorre. O procedimento descrito acima não pode ser empregado, pois obviamente os resultados obtidos seriam inconsistentes. O ângulo de atrito e a coesão, devem então ser avaliados com a execução de novos ensaios de compressão simples ou, por exemplo, com o ensaio de cisalhamento direto. Prof. Francisco Alves da Silva Júnior

32 4. Ensaio de Compressão Diametral Objetivo É a obtenção dos valores do parâmetro de resistência para solos não saturados em diferentes umidades. Obter a variação dos valores do intercepto coesivo relacionado com a variação de sucção. Procedimentos do Ensaio de Compressão Diametral. O ensaio consiste das seguintes etapas: Faria et al.

33 4. Ensaio de Compressão Diametral Faria et al. Moraes et al.

34 4. Ensaio de Compressão Diametral Procedimentos do Ensaio de Compressão Diametral. Mede-se as alturas e os diâmetros dos corpos de prova com um paquímetro e adota-se as respectivas médias aritméticas das leituras; Colocam-se frisos curvos metálicos. O primeiro é colocado na base, entre o pistão da prensa e o corpo de prova na posição horizontal. O outro friso é colocado no topo, entre a célula de carga e o corpo de prova. Deve ser observado se não há excentricidade durante a aplicação de carga. A prensa é ajustada até que seja obtida uma pequena compressão que prenda o corpo de prova na posição. Aplica-se a carga progressivamente, fazendo leitura de carga e deslocamento, até que se observe a ruptura com a separação das duas metades do corpo de prova, ao longo do plano diametral; Anota-se a carga de ruptura, F, e o deslocamento vertical na ruptura Faria et al.

35 4. Ensaio de Compressão Diametral Faria et al.