LABORATÓRIO de MECÂNICA dos SOLOS - Noções de Compressibilidade - Ensaio de Adensamento

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ENGENHARIA CIVIL LABORATÓRIO de MECÂNICA dos SOLOS - Noções de Compressibilidade - Ensaio de Adensamento Christiane Wagner Mainardes Krainer

2 SUMÁRIO 1. Introdução 2. Compressibilidade 3. Teoria do Adensamento 4. Hipóteses de Terzaghi 5. Adensamento de Campo 6. Ensaio de Adensamento

3 1. Introdução As cargas de uma determinada estrutura são transmitidas ao solo gerando uma redistribuição dos estados de tensão em cada ponto do maciço, a qual irá provocar deformações em maior ou menor intensidade, em toda área nas proximidades do carregamento, que por sua vez, resultarão em recalques superficiais.

4 1. Introdução Define-se como compressão (diminuição) ou expansão (aumento): o processo pelo qual uma massa de solo, sob a ação de cargas, varia de volume mantendo sua forma. Os processos de compressão podem ocorrer por compactação (redução de volume devido ao ar contido nos vazios do solo) e pelo adensamento (redução do volume de água contido nos vazios do solo de acordo com o tempo).

5 2. Compressibilidade O solo é um sistema composto de grãos sólidos quais podem estar preenchidos por água e/ou ar. e vazios, os Quando se executa uma obra de engenharia, impõe-se no solo uma variação no estado de tensão que acarreta em deformações. Prof. Ilço Ribeiro Jr

6 2. Compressibilidade É a relação independente do tempo entre variação de volume e tensão efetiva. É a propriedade que os solos têm de serem suscetíveis à compressão quando lhes são aplicadas solicitações. Diferentemente de adensamento, que corresponde ao processo dependente do tempo de variação de volume do solo devido à drenagem da água dos poros.

7 2. Compressibilidade O solo é um sistema particulado composto de partículas sólidas e espaços vazios, os quais podem estar parcialmente ou totalmente preenchidos com água. Os decréscimos de volume (as deformações) dos solos podem ser atribuídos, de maneira genérica, a três causas principais: Compressão das partículas sólidas; Compressão dos espaços vazios do solo, com a consequente expulsão da água (no caso de solo saturado); Compressão da água (ou do fluido) existente nos vazios do solo.

8 2. Compressibilidade Calculam-se, portanto, as deformações volumétricas do solo a partir da variação do índice de vazios (função da variação das tensões efetivas). Esta variação somente ocorrerá por expulsão de água e/ou ar dos vazios (compressão) ou absorção de água para dentro dos vazios (expansão). Logo, para que o solo se deforme é necessário que haja um processo de fluxo em seu interior.

9 2. Compressibilidade A natureza das deformações pode ser subdividida em 3 categorias: deformações elásticas, plásticas ou viscosas. 1. As deformações elásticas estão associadas a variações volumétricas totalmente recuperadas após a remoção do carregamento. Estas deformações causam, em geral, pequenas variações no índice de vazios. Prof. Ilço Ribeiro Jr

10 2. Compressibilidade A natureza das deformações pode ser subdividida em 3 categorias: deformações elásticas, plásticas ou viscosas. 2. As deformações plásticas são aquelas que induzem a variações volumétricas permanentes; isto é, após o descarregamento o solo não recupera seu índice de vazios inicial. 3. As deformações viscosas, também denominada fluência, são àquelas associadas a variações volumétricas sob estado de tensões constante. Prof. Ilço Ribeiro Jr

11 2. Compressibilidade Essas deformações se devem a: deformação dos grãos individuais Elástica; compressão da água presente nos vazios (solo saturado) Adensamento Primário; variação do volume de vazios, devido ao deslocamento relativo entre partículas Adensamento Secundário. Define-se como Compressibilidade a relação entre a magnitude das deformações e a variação no estado de tensões imposta. Prof. Ilço Ribeiro Jr

12 3. Teoria do Adensamento Karl Von Terzaghi (Pai da Mecânica dos Solos) Camada Compressível Prof. Ilço Ribeiro Jr

13 3. Teoria do Adensamento O Princípio das Tensões Efetivas estabelece que as variações de volume são devido tão somente a variações nas tensões efetivas. Supondo um elemento de solo saturado tem-se duas fases distintas: fase sólida -> esqueleto mineral e fase líquida -> água nos poros. Aplicando uma pressão de compressão sobre este elemento, a variação de volume decorrente se dá por redução nos vazios, visto que os grãos são relativamente incompressíveis. Prof. Cezar Bastos

14 3. Teoria do Adensamento A redução dos vazios implica no estabelecimento de um gradiente hidráulico determinante de um fluxo de dentro para fora do elemento -> drenagem. Sendo o fluxo governado pela Lei de Darcy verifica-se que este fluxo será tão mais rápido quanto mais permeável for o solo. Prof. Cezar Bastos

15 3. Teoria do Adensamento Logo, assim como a drenagem, a variação de volume se dá com o tempo e é governada por interações entre tensão total, efetiva, poropressão, permeabilidade e compressibilidade. Solos granulares (areias) -> a água flui facilmente devido a alta permeabilidade. O gradiente gerado é rapidamente dissipado. Prof. Cezar Bastos

16 3. Teoria do Adensamento Solos finos (solos argilosos) -> devido a baixa permeabilidade, a água encontra dificuldade de percolar. Logo, a água inicialmente absorve a pressão aplicada -> geração de excesso de poropressão. Este excesso de pressão neutra é dissipado lentamente com a drenagem do elemento. A medida que dissipa o excesso de poropressão na água, a pressão aplicada é transmitida aos contatos dos grãos representando acréscimo de tensão efetiva -> responsável pela variação volumétrica do elemento -> fenômeno de adensamento. Prof. Cezar Bastos

17 3. Teoria do Adensamento Processo de adensamento modelo mecânico de Terzaghi Sendo o solo saturado e as partículas de água e sólidos considerados incompressíveis, toda variação de volume deverá ocorrer em função da variação do índice de vazios. Esta variação somente ocorrerá por expulsão de água dos vazios (compressão) ou absorção de água para dentro dos vazios (expansão). Logo, para que o solo se deforme é necessário que haja um processo de fluxo de água em seu interior.

18 3. Teoria do Adensamento

19 3. Teoria do Adensamento Teoria do Adensamento Analogia Mecânica Ao aplicar um carregamento em um solo desenvolvem-se ao longo do tempo. saturado os recalques A teoria do adensamento trata de como os recalques evoluem com o tempo. Para entender o fenômeno do adensamento será utilizada a analogia mecânica de Terzaghi. Prof. Ilço Ribeiro Jr

20 3. Teoria do Adensamento Suponha um cilindro com pistão, dentro dele uma mola e na parte superior uma válvula. Se o cilindro estiver cheio d água e a válvula fechada, ao se aplicar uma carga sobre o pistão toda carga será transferida para a água. Isso ocorre porque a torneira esta fechada, portanto, não há variação de volume e consequentemente a mola não se deforma. Prof. Ilço Ribeiro Jr

21 3. Teoria do Adensamento Em um instante t = 0 a torneira será aberta e toda carga será suportada pela água. A medida em que o tempo passa a água vai sendo drenada e a carga suportada pela água vai sendo transferida para a mola. Ao final do processo toda carga é suportada pela mola e a drenagem para. 1 kn 1 kn 1 kn 1 kn A = 0,001m² 1 kn Tempo =100kPa u= 100kPa = 0kPa =100kPa u= 75kPa = 25kPa =100kPa u= 50kPa = 50kPa =100kPa u= 25kPa = 75kPa =100kPa u= 0kPa = 100kPa Prof. Ilço Ribeiro Jr

22 3. Teoria do Adensamento Pode-se fazer uma abstração e considerar que o solo é semelhante a mola e que a abertura da torneira seja proporcional a permeabilidade do solo. Prof. Ilço Ribeiro Jr

23 3. Teoria do Adensamento Cristiane S. Schmitz

24 3. Teoria do Adensamento O processo de adensamento - modelo mecânico de Terzaghi Adensamento -> fenômeno pelo qual os recalques decorrentes da variação volumétrica dos solos sob carga se dão a medida que a água nos poros é expulsa e portanto são diferidos no tempo. O estudo do adensamento nos solos é realizado para depósitos de baixa permeabilidade e de moderada a elevada compressibilidade (constituídos de argilas e solos argilosos). Analogia mecânica de Terzaghi (sistema pistão/água/mola) Prof. Cezar Bastos

25 3. Teoria do Adensamento Analogia mecânica de Terzaghi (sistema pistão/água/mola) pistão h= u/ w válvula h 0 =u 0 / w mola Prof. Cezar Bastos

26 3. Teoria do Adensamento O solo saturado é representado por uma mola dentro de um pistão cheio de água, cujo êmbolo apresenta um pequeno orifício dotado de uma válvula, que permite fechar e abrir a saída d água. Analogia: carga no pistão -> carregamento vertical; cilindro -> confinamento do solo; água no cilindro -> água nos vazios do solo e mola -> esqueleto mineral (estrutura formada pelos grãos). O grau de abertura da válvula representa a permeabilidade, enquanto a rigidez da mola a compressibilidade do solo. Antes da aplicação da carga tem-se: Prof. Cezar Bastos

27 3. Teoria do Adensamento Aplicada uma pressão vertical ( ) no pistão, com a válvula fechada a mola não se deforma, sendo a água considerada incompressível em relação a Mola -> toda a carga aplicada é transmitida para a água gerando pressão na água igual a tensão total aplicada. A tensão transmitida para a mola é nula -> no solo : o excesso de poropressão gerado é igual ao acréscimo de tensão total e o acréscimo de tensão efetiva inicial devido ao carregamento externo é nulo. Prof. Cezar Bastos

28 3. Teoria do Adensamento Com a abertura da válvula, a medida que a água drena do cilindro pelo gradiente estabelecido, a tensão total aplicada é lentamente transferida para a mola -> no solo: o excesso de poropressão inicial é dissipado na mesma proporção que ocorre acréscimo de tensão efetiva. A Teoria do Adensamento, desenvolvida por Terzaghi, equaciona a forma com que ocorre esta transferência de carga da poropressão para a tensão efetiva atuante no esqueleto mineral do solo, com a consequente redução de volume. Prof. Cezar Bastos

29 3. Teoria do Adensamento Em um tempo infinito tem-se a total dissipação da pressão na água e a mola recebe toda a pressão aplicada -> no solo: o excesso de poropressão gerado cai a zero e o acréscimo de tensão efetiva se iguala ao acréscimo de tensão total. t u = 0 = Considerando o cilindro com área unitária, com a compressão da mola, o pistão desce de e o volume no interior varia de V: V = V w = - Comportamento em termos de tensões e deformações conforme o modelo: tensões Prof. Cezar Bastos

30 3. Teoria do Adensamento Comportamento em termos de tensões e deformações conforme o modelo: Prof. Cezar Bastos

31 3. Teoria do Adensamento Ao se aplicar uma carga ( ) sobre o pistão ou êmbolo, no instante imediatamente seguinte, a mola não se deforma, pois não ocorreu saída de água, e a água é muito menos compressível que a mola. Neste caso, toda a carga aplicada está sendo suportada pela água (sobre-pressão neutra, u =u 0 + ), que procurará a sair do êmbolo, pois o exterior está com pressão inferior (atmosférica).

32 3. Teoria do Adensamento A medida que a água sai, a mola se deforma, pois parcialmente as cargas são transmitidas da água para a mola. Este processo é denominada de dissipação da sobre-pressão neutra. Enquanto a água estiver em carga (sobre-pressão) continuará a sair e a mola a se deformar, suportando cargas cada vez maiores. O processo continua até que toda a carga esteja sendo suportada pela mola, e a resistência desta seja igual a carga aplicada, cessando a saída da água, ou seja, ocorreu dissipação total de sobre-pressão neutra.

33 3. Teoria do Adensamento Nos solos, seja em campo ou em laboratório (solo contido no anel de ensaio edométrico), ocorre algo semelhante. Quando um acréscimo de pressão é aplicado, a água nos vazios suporta toda esta pressão. A pressão neutra aumenta de um valor igual ao acréscimo de pressão aplicada, enquanto a tensão efetiva não se altera (u = u 0 + u; = 0 + e = 0, sendo neste estágio u = ). A este aumento de pressão neutra ( u) dá-se o nome de sobre-pressão neutra, parcela da pressão neutra acima da pré-existente. Neste instante não há deformações, pois apenas variações de tensões efetivas provocam deformações no solo.

34 3. Teoria do Adensamento Estando a água em carga (sobre-pressão neutra), para que se estabelece o equilíbrio com o meio externo, ocorre percolação desta, em direção as áreas mais permeáveis (areias - campo, pedras porosas ensaio). A saída da água indica que está havendo redução do índice de vazios, ou seja, deformação do solo. Consequentemente, parte da pressão aplicada está passando a ser suportada pelos sólidos do solo, logo, está havendo aumento de tensão efetiva.

35 3. Teoria do Adensamento A soma entre o aumento de tensão efetiva e a sobre-pressão neutra é igual a carga aplicada. O processo análogo ao mecânico, continua até que toda a pressão aplicada tenha sido convertida em acréscimo de tensão efetiva e toda a sobre-pressão neutra tenha sido dissipada. A maneira como ocorre esta transferência de sobre-pressão neutra para a estrutura sólida do solo, com a conseqüente redução de volume, constitui a teoria do adensamento de Terzaghi.

36 3. Teoria do Adensamento

37 4. Hipóteses de Terzaghi Para estabelecer esta teoria de adensamento, Terzaghi considera as seguintes hipóteses simplificadoras para o solo: 1. O solo é totalmente saturado; 2. A compressão é unidimensional; 3. O fluxo de água é unidimensional; 4. O solo é homogêneo; 5. As partículas sólidas e a água são praticamente incompressíveis perante a compressibilidade do solo;

38 4. Hipóteses de Terzaghi Para estabelecer esta teoria de adensamento, Terzaghi considera as seguintes hipóteses simplificadoras para o solo: 6. O solo pode ser estudado como elementos infinitesimais, apesar de ser constituído de partículas e de vazios; 7. O fluxo é governado pela Lei de Darcy; 8. As propriedades do solo não variam no processo de adensamento; 9. O índice de vazios varia linearmente com o aumento da tensão efetiva durante o processo de adensamento.

39 4. Hipóteses de Terzaghi Comentários sobre as hipóteses de Terzaghi As hipóteses 1, 2 e 3 indicam que a teoria se restringe ao caso de compressão edométrica, com fluxo unidimensional, e a solos saturados. As hipóteses 4 a 7 são aceitáveis. Todavia, as hipóteses 8 e 9, merecem atenção. Hipótese 8 a rigor as propriedades do solo variam com o processo de adensamento, tais como a permeabilidade e a compressibilidade. Entretanto, o resultado final da variação de cada um dos parâmetros envolvidos não é muito significativo, pois seus efeitos se compensam.

40 4. Hipóteses de Terzaghi Comentários sobre as hipóteses de Terzaghi Hipótese 9 é uma aproximação da realidade, pois o índice de vazios varia não linearmente com a tensão efetiva. Ocorre uma variação linear, para tensões acima da tensão de pré-adensamento, mas com a tensão efetiva na escala logaritmo. Esta hipótese foi introduzida para se ter uma solução matemática do problema. Para pequenos acréscimos de tensão a consideração de linearidade não se afasta muito da realidade. A hipótese 9 permite que se associe o aumento da tensão efetiva, e a correspondente dissipação de sobre-pressão neutra, com o desenvolvimento dos recalques de maneira simples, por meio de um parâmetro fundamental no desenvolvimento da teoria, que é o grau de adensamento.

41 5. Adensamento no Campo CONDIÇÕES DE CAMPO QUE INFLUEM NO ADENSAMENTO Deformações e o fluxo não unidirecionais. A hipótese de compressão edométrica se adequa na prática a carregamentos de grande extensão em área. Entretanto, em muitos outros casos, como fundações, aterros rodoviários, etc., tem-se carregamentos de limitadas dimensões, com deformações laterais decorrentes. Por outro lado, a teoria não considera fluxo lateral, que ocorre desde carregamentos de largura finita, com maior rapidez na dissipação das poropressões e consequentimente dos recalques, devido ao coeficiente de permeabilidade horizontal ser maior que o vertical.

42 5. Adensamento no Campo Presença de lentes arenosas Em campo, também deve-se observar a existência de lentes de drenagem entre a camada a ser adensada, como por exemplo, a existência de lentes de areia entre camadas de argila. Quanto maior a quantidade de lentes, menor será a Hd que é a espessura entre as lentes de areia, consequentimente, menor será o tempo de recalque, pois este é f(h 2 ). Não é preciso que elas sejam espessas, e sim que elas se prolonguem para o exterior da projeção da área carregadas. d Lentes drenantes

43 6. Ensaio de Adensamento Tem como objetivo simular a compressão em um solo sujeito a um carregamento externo. O ensaio destina-se a medir as propriedades de compressibilidade dos solos em compressão edométrica (deformações laterais impedidas). Quando associado a avaliação da compressibilidade, tem-se a quantificação da velocidade processo de adensamento, denominado de ensaio de adensamento. do Solos permeáveis e/ou não saturados avaliação da compressibilidade; Solos pouco permeáveis e saturados além da compressibilidade, faz a avaliação do adensamento.

44 6. Ensaio de Adensamento O método requer que um elemento de solo, mantido lateralmente confinado, em um anel que impede qualquer deformação lateral, seja axialmente carregado em incrementos, com pressão mantida constante em cada incremento, até que todo o excesso de pressão na água dos poros tenha sido dissipado. Este simula o comportamento do solo quando o mesmo é comprimido pela ação de uma carga de grande área, em relação à espessura da camada, como por exemplo, um aterro de grande extensão sobre finas camadas de argila.

45 6. Ensaio de Adensamento Pela sua simplicidade os parâmetros obtidos também são empregados em situações de carregamento de áreas limitadas, como sapatas, admitindo-se que as deformações sejam somente verticais.

46 6. Ensaio de Adensamento Procedimento É normatizado pela ABNT-NBR 12007/90. A aparelhagem é constituída de um sistema de aplicação de carga (prensa de adensamento ou oedômetro) e da célula de adensamento. A prensa permite a aplicação e manutenção das cargas verticais especificadas, ao longo do período necessário de tempo. A célula de adensamento para conter o é um dispositivo apropriado corpo de prova que deve proporcionar meio para aplicação de cargas verticais, medida da variação da altura do corpo de prova e sua eventual submersão.

47 6. Ensaio de Adensamento O conjunto consiste de uma base rígida, um anel para conter o corpo de prova (anel fixo ou flutuante), pedras porosas e um cabeçote rígido de carregamento.

48 6. Ensaio de Adensamento As dimensões do anel devem ser de tal forma que a sua altura seja muito inferior ao diâmetro (D 50 a 120 mm e H 19 a 32 mm), caracterizando as condições edométricas. O procedimento para execução do ensaio é iniciado com a colocação da célula de adensamento no sistema de carga. São aplicadas cargas de forma incremental. Os incrementos costumam ser o dobro do incremento do estágio anterior (Valores comuns: 6,25, 12,5, 25, 50, 100, 200, 400, 800 e 1600 kpa).

49 6. Ensaio de Adensamento Cada estágio de carga é aplicado após cessadas as deformações do anterior. Para argilas saturas (mantém-se cada pressão, em média, pelo período de tempo de 24 horas), sendo o tempo reduzido de acordo com as condições de cada tipo de solo, observada a não deformabilidade (variação de altura da amostra) do solo ensaiado com a carga aplicada. Para cada um dos estágios de pressão, faz-se leituras no extensômetro da altura ou variação de altura do corpo de prova, imediatamente antes do carregamento (tempo zero) e, a seguir, nos intervalos de tempo 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8, 15, 30 min; 1, 2, 4, 8, e 24h. As deformações são geralmente relacionadas a variação do índice de vazios.

50 6. Ensaio de Adensamento Completadas as leituras correspondentes ao máximo carregamento empregado, efetua-se o descarregamento do corpo de prova em estágio, fazendo leituras no extensômetro. Alguns solos expandem quando descarregados (montimorolonitas).