Mecânica dos Solos TC 035

Transcrição

1 Mecânica dos Solos TC 035 Curso de Engenharia Civil 6º Semestre Vítor Pereira Faro Setembro 2015 Tensões totais, efetivas e neutras 1

2 Resistência ao cisalhamento Define-se como resistência ao cisalhamento do solo como a máxima pressão de cisalhamento que o solo pode suportar sem sofrer ruptura, ou a tensão de cisalhamento do solo no plano em que a ruptura ocorre no momento da ruptura. Em Mecânica dos Solos, a resistência ao cisalhamento envolve duas componentes: atrito e coesão. Atrito O atrito é função da interação entre duas superfícies na região de contato. A parcela da resistência devido ao atrito pode ser simplificadamente demonstrada pela analogia com o problema de deslizamento de um corpo sobre uma superfície plana horizontal A resistência ao deslizamento (τ) é proporcional à força normal aplicada (N), segundo a relação: T = N. f onde f é o coeficiente de atrito entre os dois materiais. Para solos, esta relação é escrita na forma: τ = σ. tg φ onde φ é o ângulo de atrito interno do solo, σ é a tensão normal e τ a tensão de cisalhamento. Nos materiais granulares deslizamento e rolamento 2

3 Coesão A resistência ao cisalhamento do solos é essencialmente devido ao atrito. Entretanto, a atração química entre partículas (potencial atrativo de natureza molecular e coloidal), principalmente, no caso de estruturas floculadas, e a cimentação de partículas (cimento natural, óxidos, hidróxidos e argilas) podem provocar a existência de uma coesão real. Segundo Vargas (1977), de uma forma intuitiva, a coesão é aquela resistência que a fração argilosa empresta ao solo, pelo qual ele se torna capaz de se manter coeso em forma de torrões ou blocos, ou pode ser cortado em formas diversas e manter esta forma. Os solos que têm essa propriedade chamam-se coesivos. Os solos não-coesivos, que são areias puras e pedregulhos, esborroam-se facilmente ao serem cortados ou escavados. Coesão típicos de solos finos Resistência de Solos Nos solos estão presentes os fenômenos de atrito e coesão, portanto, determina-se a resistência ao cisalhamento dos solos (τ), segundo a expressso: τ=c+σ.tgφous=c+σ.tgφ onde τ é a resistência ao cisalhamento do solo, "c" a coesão ou intercepto de coesão, "σ" a tensão normal vertical e "φ" o ângulo de atrito interno do solo. 3

4 Critérios de ruptura de Mohr-Coulomb Para determinar-se a resistência ao cisalhamento do solo (τ), são realizados ensaios com diferentes valores de σ3, elevando-se σ1 até a ruptura. Cada círculo de Mohr representa o estado de tensões na ruptura de cada ensaio. A linha que tangência estes círculos é definida como envoltória de ruptura de Mohr. A envoltória de Mohr é geralmente curva, embora com freqüência ela seja associada a uma reta. Esta simplificação deve-se a Coulomb, e permite o cálculo da conforme a expressão: τ = c + σ. tg φ. Quatro estados de tensões associados a um ponto Estado 1 - A amostra de solo está submetida a uma pressão hidrostática. O estado de tensão deste solo é representado pelo ponto σ3 e a tensão cisalhante é nula. 4

5 Estado 2 - O circulo de Mohr está inteiramente abaixo da envoltória. A tensão cisalhante(τα)noplanoderupturaémenorquearesistênciaaocisalhamento do solo (τ) para a mesma tensão normal. Não ocorre ruptura. Estado 3 - O círculo de Mohr tangência a envoltória de ruptura. Neste caso atingiu-se, em algum plano, a resistência ao cisalhamento do solo e ocorre a ruptura. Esta condição ocorre em um plano inclinado a um ângulo " critico" com o plano onde atua a tensão principal maior. 5

6 Estado 4 - Este círculo de Mohr é impossível de ser obtido, pois antes de atingirse este estado de tensões já estaria ocorrendo ruptura em vários planos, isto é, existiria planos onde as tensões cisalhantes seriam superiores à resistência ao cisalhamento do solo. Ensaios para determinação da resistência ao cisalhamento do solos Ensaio de cisalhamento direto 6

7 Ensaio de cisalhamento direto 7

8 Célula bipartida; 2 Fundo metálico removível; 3 e 5 Pedras porosas; 4 e 6 Placa metálica perfurada com canais; 7 Tampa de compressão da carga no rmal com esfera de aço; 8 Vazador (5,05 x 5,05 x 2,00 cm) contendo a amostra; 9 e 10 Cápsulas contendo amostras de solo; 11 Martelo de madeira; 12 - Tarugo de madeira; 8

9 Vantagens do Ensaio de Cisalhamento Direto - Simplicidade - Facilidade de moldagem das amostras -Custo - Determinação atrito solo/material - Facilidade para realização de ensaios em areias -Possibilidade de reversão da caixa de cisalhamento resistência ao cisalhamento residual O ensaio de cisalhamento direto pode, em principio, ser do tipo: ensaio rápido, ensaio adensado rápido e ensaio lento. Ring Shear - resistência ao cisalhamento residual 9

10 Ensaio Triaxial É considerado o ensaio padrão em Mecânica dos Solos, as principais referências estão em BISHOP e HENKEL (1962) Triaxial tradicional Carregamento deviatórico Célula triaxial Água O-ring Solo Membrana de borracha Pedra porosa Célula de pressão Medição de u Variação de volume 10

11 Ensaio Triaxial esquema r F = Força deviatórica r r : tensão radial a a = Tensão axial r F A 11

12 Tensões no ensaio triaxial q= a - r : tensão de desvio p= ( a +2 r )/3: tensão média (isotrópica) t=( a - r )/2 : raio do círculo de Mohr s=( a + r )/2 : centro do círculo de Mohr Deformações no ensaio triaxial Deformação axial a Deformação volumétrica v = a +2 r = V/V 0 Deformação deviatórica s =2/3( a - r ) 12

13 Comportamento triaxial clássico 1ª Fase: adensamento / consolidação Aumento da pressão de água na célula r =0 a = r s= r t=0 Círculo de Mohr Comportamento triaxial clássico 2ª Fase: corte Aumento da força deviatórica, com a manutenção da pressão na câmara F r a r =cte a Círculo de Mohr 13

14 Comportamento triaxial clássico Círculos de Mohr Comportamento triaxial clássico Alternativa: 1.Determinar a recta definida pelos pares de s e t 2. Converter os valores em c e (s,t) a Círculos de Mohr sen =tg c =a/cos 14

15 Existem três formas clássicas de se realizar o ensaio triaxial, conforme as condições de drenagem permitidas em cada etapa do ensaio. Ensaio adensado drenado (CD) consolidated drained, ou ensaio S (Slow lento) Ensaio mais utilizado nos casos de areia 15

16 Ensaio de compressão simples É um caso especial do ensaio triaxial, onde a tensão confinante é nula (σc = σ3 = 0). Este ensaio é utilizado para determinar a resistência não drenada de solos argilosos (Su ou Cu). A tensão confinante é nula, e o valor da tensão que provoca a ruptura do corpo de prova é denominado de resistência à compressão simples (RCS). 16

17 - Sensibilidade fator de amolgamento obtido através da RCS Ensaio de palheta ou vane test Com este ensaio determina-se a resistência ao cisalhamento não drenada (Su ou Cu) de argilas "in situ". O ensaio consiste na cravação de uma palheta, e em medir o torque necessário para cisalhar o solo, segundo uma superfície cilíndrica de ruptura, que se desenvolve ao redor da palheta, quando se aplica ao aparelho uma velocidade constante e igual a 6 graus por minuto. 17

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19 ARGILAS Razão de Pré-Adensamento 19