Uso do ensaio de compressão diametral para determinação dos parâmetros de resistência de solos não saturados.

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1 Uso do ensaio de compressão diametral para determinação dos parâmetros de resistência de solos não saturados. Marcos Aires Albuquerque Santos, Yamile Valencia González e Márcio Muniz de Farias Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Civil, Brasília, Distrito Federal Gilson de F. N. Gitirana Jr., PhD. Universidade Federal de Goiás, Departamento de Engenharia Civil, Goiânia, Goiás. José Camapum de Carvalho, PhD. Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Civil, Brasília, Distrito Federal RESUMO: Este trabalho descreve o procedimento para a realização do ensaio de compressão diametral em amostras com variação de umidade e sucção matricial, para um solo de Brasília, caracterizado física e mecanicamente. A resistência à tração, obtida do ensaio de compressão diametral, e o ângulo de atrito φ, obtido de um ensaio de resistência ao cisalhamento ou triaxial, são utilizados de forma rápida e simples na determinação dos parâmetros de resistência (coesão total e φ b ), para um solo não saturado. PALAVRAS-CHAVE: compressão diametral, resistência ao cisalhamento, sucção, e solo não saturado. 1 INTRODUÇÃO O ensaio de compressão diametral, conhecido no exterior como ensaio brasileiro, foi desenvolvido pelo professor Fernando Luis Lobo B. Carneiro para determinação da resistência à tração de corpos de prova cilíndricos de concreto de cimento Portland. Inspirado neste trabalho pioneiro, o professor Icarahy da Silveira sugeriu a utilização do ensaio de compressão diametral em amostras compactadas de solo coesivo (Medina 1997). Para amostras de solo, este ensaio tem especial interesse na determinação de valores de coesão total para amostras com valores de umidade variando da condição saturada à seca. Ou seja, para avaliar a coesão total com a variação de sucção matricial (Valencia et al. 25). Neste trabalho, pretende-se oferecer uma alternativa simples e eficaz de medição dos parâmetros de resistência de solos não saturados a partir do ensaio de compressão diametral, em conjunto com a técnica de determinação da curva característica de retenção de água pelo método do papel filtro. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Caracterização do Material Ensaiado O solo em estudo é um solo típico da região do Distrito Federal. Este solo apresenta um alto grau de intemperismo e lixiviação no seu processo de formação o que conduziu a uma estrutura bastante porosa e metaestável, com altos índices de vazios e conseqüentemente com baixos pesos específicos (Camapum de Carvalho et al. 1996). Com o intuito de conhecer as propriedades do solo a ser ensaiado e fornecer dados adicionais para verificação dos resultados do ensaio de compressão diametral, foram realizados os seguintes ensaios: ensaios de caracterização (determinação da umidade, massa especifica dos grãos, granulometria das partículas), ensaio de determinação da curva de retenção de água, e ensaio triaxial convencional do tipo consolidado drenado (CD). Na Tabela 1 são apresentados os resultados dos ensaios de caracterização e os ensaios de resistência para o perfil de solo com a profundidade. Os resultados do ensaio de papel filtro são apresentados na Figura 1, cuja análise será comentada no próximo item. Nota-se que os valores de peso específico

2 natural, γ nat, não variam muito ao longo da profundidade, entre 12 e 15kPa. Os valores do índice de vazios são altos e diminuem com a profundidade. Quanto ao grau de saturação das camadas de solo observa-se que a amostra retirada a 2,4m de profundidade possui o grau de saturação em torno de 52%, enquanto o restante permanece acima dos 7%. Esses valores são justificados pela posição do nível de água, na cota 8,m. Os parâmetros de resistência apontam para um pequeno acréscimo de ângulo de atrito efetivo, φ', com a profundidade, permanecendo na faixa de 3. No entanto, não se pode dizer o mesmo do valor da coesão efetiva. Pode-se afirmar que para todos os níveis o valor da coesão não ultrapassa 1 kpa. Portanto, estas amostras revelam um comportamento de material granular. Isto é confirmado pelas curvas granulométricas (Figura 2) e pelos valores de limite de liquidez, w L e IP Ensaio de Papel Filtro para obtenção da Curva Característica. São apresentados neste item os resultados do ensaio de papel filtro para obtenção da curva característica. A curva característica do solo é uma representação da capacidade do solo de armazenar água em seus vazios, expressa por meio da relação entre sucção e o grau de saturação ou umidade (gravimétrica ou volumétrica). As principais características que influem na forma da curva característica são a textura, estrutura e a mineralogia da fração fina do solo (Oliveira 23). Grau de Saturação, Sr , Sucção matricial do solo, kpa Figura 1. Curva característica do material ensaiado. % Granulometria,1,1,1 1, 1, 1, Diâmetro (mm) Figura 2. Curvas granulométricas, sem defloculante. Para esta pesquisa utilizou-se a técnica do papel filtro a fim de medir a sucção matricial. As amostras foram retiradas dos blocos indeformados, utilizando-se discos de moldagem de PVC de 2mm de altura e 53mm de diâmetro, sendo a seguir submetidas à secagem prévia até a umidade higroscópica ao ar livre. Após a secagem, as mesmas eram umedecidas até as umidades desejadas. Após 15 dias, os papéis filtros eram removidos, um a um com uso de pinça e pesados em balança de precisão. Ao fim da pesagem dos papéis filtro, os mesmos eram levados à estufa por um período de 2 horas, a uma temperatura de 15 C, em seguida eram pesados novamente. 2,4m 5,m 7,7m 11,7m 2,4m 5,m 7,7m 11,7m Tabela 1. Propriedades do solo ensaiado. Amostra γ Triaxial Gs nat IP e w (%) Sr (%) w (m) (kn/m³) L (%) w P (%) (%) c (kpa) φ'( )

3 Para a determinação dos valores de sucção foram utilizadas as equações 1 e 2, propostas por Chandler et al. (1991). Para w > 47% sucção =1 Para w 47% sucção =1 (6,5-2,48 log w) (4,84-,62 log w) (1) (2) onde: w = umidade relativa da amostra. Desta forma foram obtidas as curvas características apresentadas na Figura 1. Podese observar que para as profundidades de 5,m e 7,7m o comportamento e o formato das curvas características são semelhantes. Já para as profundidades de 2,4m e 11,7m há comportamentos diferenciados, principalmente para a profundidade de 2,4m, onde o valor de entrada de ar é bem menor que para os demais. Estes resultados podem ser explicados pelas diferentes características mineralógicas e de intemperização. Para o ajuste das curvas características bimodais foram usadas as proposições de Gitirana Jr. & Fredlund (24) que basicamente usam coordenadas dos pontos de inflexão para ajustá-las através de hipérboles. 2.2 Ensaio de Compressão Diametral. O objetivo deste ensaio é a obtenção dos valores do parâmetro de resistência para solos não saturados em diferentes umidades. Pretende-se obter a variação dos valores do intercepto coesivo relacionado com a variação de sucção. Para isso é necessário seguir algumas etapas propostas no fluxograma a seguir, representado na Figura 3, descrevendo o procedimento para o cálculo da coesão total Procedimentos do Ensaio de Compressão Diametral. Para a execução do ensaio de compressão diametral são usados os mesmos corpos de prova utilizados na determinação da curva de retenção de água. O ensaio consiste das seguintes etapas: Figura 3. Fluxograma Para cálculo de coesão total. 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. A Figura 4 apresenta os componentes deste ensaio.

4 Haste Célula de carga carga na ruptura; D = diâmetro do corpo de prova; H = altura do corpo de prova Resultado da Coesão total. Figura 4. Representação do ensaio de compressão diametral Análise numérica do estado de tensões na amostra no momento da ruptura. A partir de dados obtidos, como carga de ruptura e deslocamento vertical na ruptura, foi possível simular o ensaio com um programa que usa o método dos elementos finitos e obter a distribuição das tensões de compressão e tração. As condições reais do ensaio foram impostas gerando soluções analíticas mais reais que as propostas por Medina (1997), já que este considerou a aplicação de uma carga pontual teórica, enquanto que o ensaio de compressão diametral utiliza carregamento distribuído de acordo com as dimensões dos frisos. As equações a seguir (Eqs. 3 e 4), obtidas por meio de análises numéricas (Santos 26), fornecem os valores de tensão, admitindo o carregamento distribuído. σ t = Friso superior 1,6 F π D H 5,5 F σ y = π D H Contato Rotulado Friso inferior Amostra (3) (4) onde:σ t = resistência à tração estática; F = Após a conclusão da etapa anterior de obtenção das tensões de compressão e tração, foi utilizada a equação 5, para a obtenção da coesão total. (5) c q f p cosφ = f tanφ ( σ σ ) 3 q = 1 f onde: c = coesão total; f ; 2 σ + σ p f = ( 1 3 u ) 2 a f e φ = ângulo de atrito efetivo. As tensões de compressão e tração são respectivamente as tensões principais σ 1 e σ 3. Esta formulação foi deduzida utilizando o critério de ruptura de Mohr-Coulomb, conforme proposto por Fredlund & Rahardjo (1993). A partir desta formulação percebe-se a necessidade da definição dos valores de tensão de tração e de compressão, como também o valor do ângulo de atrito efetivo do solo, que pode ser obtido ou pelo ensaio de cisalhamento direto inundado ou pelo ensaio triaxial. Desta forma, pode-se calcular os valores das coesões para diversos valores de sucção e de grau de saturação. 3 RESULTADOS DOS ENSAIOS A partir dos procedimentos sugeridos foram realizados ensaios para 4 camadas de solo, nas profundidades de 2,4m, 5,m, 7,7m e 11,7m. Tendo em vista que durante os ensaios de compressão diametral houve pouca perda de umidade, devido à velocidade do ensaio, podese admitir que o grau de saturação obtido no ensaio de papel filtro foi o mesmo usado em cada amostra para o ensaio de compressão diametral. A Figura 5 apresenta a relação coesão total e sucção. Esta relação permite a obtenção do

5 b parâmetro φ, que representa a taxa de acréscimo de resistência ao cisalhamento com o aumento de sucção. Devido à não linearidade dos resultados, o parâmetro φ b não pode ser considerado constante. Os resultados apresentados indicam uma tendência em que, inicialmente, para um pequeno aumento de sucção há um grande aumento de resistência para a amostra de solo. A partir de um determinado valor de sucção matricial, o aumento de sucção não contribui significativamente para o aumento de resistência ao cisalhamento. Portanto, são verificados dois trechos com inclinações distintas. A única exceção foi para a profundidade de 7,7m, onde se observou uma única reta. Buscando um melhor entendimento quanto a esta tendência, mostra-se nas Figuras 6 e 7 os trechos de variação de coesão para faixas inferiores e superiores de sucção matricial, considerando apenas a profundidade de 11,7m. No primeiro trecho (Figura 6), observa-se que a taxa de ganho de resistência ao cisalhamento com a sucção matricial, φ b1, corresponde a 19, até um valor limite de sucção matricial de aproximadamente 6 kpa. A partir deste valor é iniciado o segundo trecho (Figura 7), onde se nota que para um grande aumento de sucção matricial há pouco ganho de b2 resistência. Observou-se um valor de φ equivalente a,13. São apresentados na Figura 7 valores de coesão obtidos em ensaio de compressão não confinada para 11,7m (CPS). A partir dos dados de tensão calculados no ensaio e utilizando a equação 5, obtiveram-se os valores apresentados. Os resultados apresentados estão próximos dos obtidos com a compressão diametral. A compressão não confinada requer um excessivo tempo de equilíbrio para medição da sucção. É importante ressaltar que o baixo valor de b2 φ não significa que o solo não possa apresentar acréscimos significativos de resistência ao cisalhamento. Poderão ser observados acréscimos consideráveis se o solo estiver sendo submetido a secagem, como ocorre com o solo superficial durante estações secas. Valores elevados de sucção, como os apresentados na Figura 7, são comuns. Coesão ( kpa) Sucção (kpa) 2,4m 5,m 7,7m 11,7m Figura 5. Acréscimo de coesão devido aumento de sucção. Coesão(kPa) y =,368x + 4,5 CPS Sucção (kpa) Figura 6. Acréscimo de coesão devido ao aumento inicial de sucção y =,23x + 24, Sucção (kp a) 11,7 m CPS Figura 7. Acréscimo de coesão devido a grande aumento de sucção. 3.1 Resumo dos resultados O resumo dos resultados de acréscimo de resistência para o solo estudado é apresentado b1 na Tabela 2. Observa-se um valor de φ maior b2 que o de φ, exceto para a profundidade de 7,7m.

6 Tabela 1. Acréscimo de resistência para os trechos 1 e 2. Profundidade (m) φ b1 ( ) φ b2 ( ) 2,4 11,6 5, 16,3 7,7,4,4 11,7 19,13 4. CONCLUSÕES Tendo em vista os dados apresentados conclui-se que o ensaio de compressão diametral é de grande valia para obtenção de valores de acréscimo de resistência para solos devido à variação de sucção. Os resultados são muito semelhantes aos obtidos em ensaios de compressão não confinada e os interceptos coesivos para sucção matricial nula são semelhantes aos valores obtidos em ensaios triaxiais saturados, CD. Deve-se observar os procedimentos de ensaio de forma a minimizar imperfeições, além de atentar para o procedimento correto para o cálculo da coesão utilizando as equações 3 e 4 para cada amostra ensaiada. Embora se tenha apresentado neste trabalho uma metodologia para correta avaliação dos valores de coesão para solos não saturados, estes ensaios foram realizados para uma quantidade limitada de amostras de solo do Distrito Federal. É necessário dar continuidade a estes estudos a fim de consolidar o método para uma maior gama de dados. Oliveira, D.(23). Análise da interação solo atmosfera durante a Secagem para a Argila Porosa de Brasília. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós- Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, 168 p. Valencia, Y. G., M rquez, M. A., Carvalho, J. C. Y Villarraga, M. R. (25). La meteorización y los mecanismos de inestabilidad de taludes naturales en suelos residuales metamórficos. IV Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas, Vol. I, Salvador-Bahia, p REFERÊNCIAS Camapum de Carvalho et. al.(1996). Proposta de uma nova metodologia para ensaio de sedimentação. 3º Reunião anual de pavimentação, ABPv, Salvador, Ba, 2: Chandler, R.J.& Gutierrez, C.I. (1991). The Filter-Paper Method for Suction Measurement Geotechnique, vol.36, n.2 pp Fredlund, D.G. & Rahardjo, H. (1993). Soil Mechanics for Unsaturated Soil. John Wiley & Sons, Inc. New York, USA, 571p. Gitirana Jr., G.F.N., & Fredlund, D.G. (24). Soil-water characteristic curve equation with independent proprieties. Jornal of Geotechnical and Geoenvarionmental Engineering, 13(2): Santos, M.A.A.(26).Dissertação de Mestrado (em preparação). Medina, J. (1997). Mecânica dos Pavimentos. UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, 38 p.