Controle de Obras Mecânica dos solos

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1 Controle de Obras Mecânica dos solos Resistência ao cisalhamento dos solos 1 Como foi já foi visto... A ruptura dos solos ocorre por cisalhamento, raramente os solos rompem por tração. A resistência ao cisalhamento define a carga de ruptura das fundações superficiais, escorregamentos de taludes. A resistência ao cisalhamento dos solos depende de dois parâmetros: atrito e coesão. 2 1

2 Atrito 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 F T N 3 Atrito 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. 4 2

3 Atrito Enquanto no atrito simples de escorregamento entre os sólidos o ângulo de atrito φ é praticamente constante, o mesmo não ocorre com os materiais granulares, em que as forças atuantes, modificando sua compacidade, mudam o ângulo de atrito φ, para um mesmo solo. Portanto, o ângulo de atrito interno do solo depende do tipo de material, e para um mesmo material, depende de diversos fatores (densidade, rugosidade, forma, etc.). 5 Atrito Ex.: para uma mesma areia o ângulo de atrito no estado compacto é maior do que no estado fofo (φ densa > φ fofa). 6 3

4 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. 7 Coesão 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. 8 4

5 Coesão Suponha que a superfície de contato entre os corpos, na Figura abaixo esteja colada. Na situação quando N = 0, existe uma parcela da resistência ao cisalhamento entre as partículas que é independente da força normal aplicada. Esta parcela é definida como coesão verdadeira. 9 Coesão A coesão é uma característica típica de solos muito finos. A coesão aumenta com: a quantidade de argila; relação de pré-adensamento; diminuição da umidade ou aumento da sucção. A coesão verdadeira ou real definida anteriormente deve ser distinguida de coesão aparente. Esta última é a parcela da resistência ao cisalhamento de solos úmidos (parcialmente saturados), devido à sucção, que atrai as partículas. No caso da saturação do solo a coesão tende a zero. 10 5

6 Resistência dos solos 11 Resistência dos solos Determina-se a resistência ao cisalhamento dos solos (τ), levando em consideração a parcela referente ao atrito e a coesão. 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. 12 6

7 Como princípio geral, deve ser fixado que o fenômeno de cisalhamento é basicamente um fenômeno de atrito e que, portanto, a resistência ao cisalhamento dos solos depende, predominantemente, da tensão normal ao plano de cisalhamento. 13 Critérios de Ruptura de Mohr-Coulomb 14 7

8 O diagrama de Mohr, apresenta o estado de tensões em torno de um ponto da massa de solo. A resistência ao cisalhamento do solo (τ), é determinada realizando ensaios com diferentes valores de σ3, levandose σ1 até a ruptura. 15 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 resistência ao cisalhamento do solo conforme a expressão já definida anteriormente: 16 8

9 Para melhor compreensão do conceito de envoltória de ruptura, apresenta-se quatro estados de tensões associados a um ponto. 17 Estado 1 A amostra de solo está submetida a uma pressão hidrostática (igual em todos as direções). O estado de tensão deste solo é representado pelo ponto σ3 e a tensão cisalhante é nula. 18 9

10 Estado 2 O circulo de Mohr está inteiramente abaixo da envoltória. A tensão cisalhante (τα) no plano de ruptura é menor que a resistência ao cisalhamento do solo (τ) para a mesma tensão normal. Não ocorre ruptura. 19 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 "α critico" com o plano onde atua a tensão principal maior

11 Estado 4 Este círculo de Mohr é impossível de ser obtido, pois antes de atingir-se 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