Mecânica dos Solos I (TEC00259) Compressibilidade e recalques elásticos nos solos. Prof. Manoel Isidro de Miranda Neto Eng.

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1 Mecânica dos Solos I (TEC00259) Compressibilidade e recalques elásticos nos solos Prof. Manoel Isidro de Miranda Neto Eng. Civil, DSc

2 Compressibilidade e recalques elásticos nos solos SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 2. CARREGAMENTOS 3. RECALQUES 4. PREVISÃO DE RECALQUES 5. EXERCÍCIOS

3 INTRODUÇÃO A possibilidade do solo mudar de volume quando sujeito a variações no seu estado de tensões efetivas induz a que estruturas fundadas sobre o solo possam apresentar deslocamentos que precisam ser conhecidos e avaliados.

4 As variações de volume são, em sua maioria, por rearranjo das partículas e, sobre esforços compressivos, entendese que normalmente haverá uma redução dos vazios do solo.

5 Os solos que sobre esforços compressivos apresentam grande variação de volume são ditos solos compressíveis. Normalmente, os solos compressíveis estão associados a solos argilosos de baixa consistência ou a solos grosseiros muito fofos.

6 Quando a redução de volume se dá de forma intencional visando modificar propriedades mecânicas do solo em decorrência da densificação do solo dizse que se está compactando o solo.

7 Quando, em decorrência de carregamento aplicado ao solo, a redução de volume se dá sem objetivar diretamente a modificação de propriedades mecânicas, embora mensurando e tomando partido desse comportamento, diz-se que houve compressão do solo.

8 CARREGAMENTOS Em relação à distribuição espacial temos: (a) os carregamentos finitos em que os acréscimos de tensões na massa de solo variam com a distância ou profundidade em relação a região de aplicação do carregamento; e (b) o carregamento infinito quando o acréscimo de tensão é uniforme na massa de solo, em distância e em profundidade.

9 Carregamento finito

10 Carregamento infinito

11 Carregamento no tempo Para solos saturados, em relação ao tempo ou à velocidade de dissipação do excesso de poropressão gerado pelo carregamento, temos: (a) carregamento não drenado, em que o acréscimo de tensão decorrente da sobrecarga aplicada (Ds) é suportado inicialmente pela água presente nos vazios do solo, implicando em aumento da poropressão na região carregada: u = u 0 + Ds. Esse excesso de poropressão vai sendo dissipado ao longo do tempo e o carregamento transferido para o esqueleto sólido do solo (grãos), aumentando a tensão efetiva na região carregada: s = s 0 + Ds.

12 Analogia do mecanismo de transferência de carga Fonte: notas de aula do Prof. Ian Martins (COPPE/UFRJ)

13 Carregamento não drenado Como exemplo de carregamento não drenado temos: Carregamentos rápidos em areias como impactos e sismos; Carregamentos em solos de baixa permeabilidade onde a velocidade do carregamento supera a velocidade de dissipação do excesso de poropressão gerado. Uma escavação, mesmo não sendo propriamente um carregamento ou um descarregamento, modifica o estado de tensão do solo e portanto também pode implicar em comportamento não drenado, dependendo da velocidade dessa modificação de estado de tensão e da facilidade com que ocorre o reequilíbrio da poropressão.

14 Carregamento drenado Para solos saturados, em relação ao tempo ou à velocidade de dissipação do excesso de poropressão gerado pelo carregamento, temos: (a) carregamento não drenado, em que o acréscimo de tensão decorrente da sobrecarga aplicada (Ds) é suportado inicialmente pela água... (b) carregamento drenado, em que o acréscimo de tensão decorrente da sobrecarga aplicada (Ds) é suportado quase que imediatamente pelo esqueleto sólido do solo (grãos), implicando em aumento da tensão efetiva na região carregada: s = s 0 + Ds.

15 Carregamento drenado Como exemplo de carregamento drenado temos o carregamento em solo cuja velocidade de imposição da sobrecarga é inferior à velocidade de dissipação do excesso de poropressão. Portanto, mesmo em solos com baixa permeabilidade, pode-se ter um carregamento drenado se a velocidade do carregamento for lenta o suficiente para ensejar dissipação do excesso de poropressão gerado por essa sobrecarga aplicada.

16 Comportamento do solo quanto aos carregamentos s linha tracejada laranja: comportamento drenado linha cheia vermelha: comportamento não drenado Aos carregamentos não drenados, os solos respondem apresentando maior rigidez, embora a carga de ruptura (Qult) seja menor que a Qult na condição drenada. e

17 Comportamento Carga x Deslocamento (recalque) q 1 q 2 Q (carregamento) linha tracejada laranja: comportamento drenado linha cheia vermelha: comportamento não drenado w (recalque)

18 RECALQUES É a quantidade de movimento vertical descendente (deslocamento) que uma estrutura pode ter em razão da deformação do solo. Quando o movimento é ascendente chama-se levantamento. Deformações elásticas ou plásticas das peças estruturais (deformações específicas) não são consideradas recalques, mesmo que provoquem deslocamentos verticais da estrutura.

19 O recalque pode causar: Desaprumo; Danos funcionais; Danos estruturais; e/ou Danos estéticos. Tipos de recalques

20 Tipos de recalques O recalque (w) pode ser: Absoluto; Relativo ou Diferencial; e Distorcional (rotacional absoluto ou relativo).

21 Recalques diferenciais Fonte: notas de aula do Prof. Ian Martins (COPPE/UFRJ)

22 Recalque final O recalque (w) decorre da aplicação de carga ao solo e se processa, em parte, imediatamente após o carregamento (w i ) e, em parte, com o decorrer do tempo (w t ). w = w i + w t.

23 Recalque imediato O recalque imediato ou instantâneo é geralmente considerado elástico (w e ), embora possa haver componentes plásticas (w p ) - deformações permanentes. w i = w e + w p.

24 Recalque no tempo O recalque no tempo se deve à variação de volume por fenômenos viscosos (w v ), também chamado de fluência, creep ou adensamento secundário; e por migração de água dos poros do solo e subsequente redução no índice de vazios do solo devido à redução do volume do solo (w a ), chamado simplesmente de adensamento. w t = w v + w a.

25 Recalque no tempo Em solos de drenagem rápida (areias ou solos argilosos não saturados) o recalque ocorre relativamente rápido, dependendo da premeabilidade do solo e também da distância das fronteiras drenantes e ainda do seu potencial de creep. Em areias o recalque no tempo pode ser de alguns minutos ou mesmo dias. Em argilas plásticas o recalque no tempo pode ser de até vários anos.

26 Gráfico recalque x tempo tempo w linha cheia vermelha: recalque imediato linha tracejada laranja: recalque no tempo

27 Resumo dos recalques w estrutura recalque plástico recalque elástico recalque por adensamento recalque por fluência

28 PREVISÃO DE RECALQUES No exercício da engenharia geotécnica a previsão de recalques é uma das tarefas mais difíceis e o resultado dos cálculos, por mais sofisticados que sejam, deve ser encarado como uma estimativa.

29 MÉTODOS DE PREVISÃO Métodos racionais um modelo teórico consistente (e. g. a teoria da elasticidade) é usado e os parâmetros de deformabilidade empregados na análise vêm de ensaios representativos em laboratório ou in situ.

30 MÉTODOS DE PREVISÃO Métodos semiempíricos utilizam modelos teóricos consistentes ou adaptações deles e os parâmetros de deformabilidade empregados nas análises vêm de correlações com ensaios in situ.

31 Método Racional w = I. Ds. B. (1-n 2 ) / E Onde: I fator de influência Ds carregamento B menor largura da fundação n coeficiente de Poisson do solo E módulo de elasticidade do solo.

32 Fator de Influência (I) FORMATO (L/B) RÍGIDA CENTRO FLEXÍVEL BORDA CIRCULAR 0,79 1,00 0,64 QUADRADO 0,86 1,11 0,56 L/B = 1,5 1,05 1,36 0,68 L/B = 2 1,17 1,52 0,75 L/B = 3 1,42 1,72 0,84 L/B = 5 1,66 2,10 1,05 L/B = 10 2,00 2,54 1,27 L/B = 50 3,00 3,57 1,80 L/B =100 3,40 4,00 2,00

33 Módulos de Elasticidade (E) típicos ESTADO DO SOLO Valores de E (MPa) DAS (2007) PINTO (2000) MUITO MOLE < 2,5 MOLE 1,8 a 3,5 2,5 a 5 ARGILA MÉDIA 5 a 10 RIJA 10 a 20 MUITO RIJA 20 a 40 DURA 6 a 14 > 40 AREIA AREIA DE GRÃOS FRÁGEIS, ANGULARES AREIA DE GRÃOS DUROS, ARREDONDADOS FOFA 10 a 28 COMPACTA 35 a 70 FOFA 15 COMPACTA 35 FOFA 55 COMPACTA 100

34 Coeficiente de Poisson (n) típicos ESTADO DO SOLO Valores de n DAS (2007) ARGILA MOLE 0,15 a 0,25 MÉDIA 0,2 a 0,5 FOFA 0,2 a 0,4 AREIA MEDIANAMENTE COMPACTA 0,25 a 0,4 COMPACTA 0,3 a 0,45 COM SILTE 0,2 a 0,4

35 Método Aprimorado (Mayne e Poulos, 1999)* w = I G.I F.I E. Ds. B e. (1-n 2 ) / E 0 Onde: I G fator de influência p/ variação de E com a profundidade I F fator de correção da rigidez da fundação I E fator de correção da profundidade de assentamento da fundação Ds carregamento B e - diâmetro equivalente de uma fundação retangular (B x L). B e = (4.B.L/p) 1/2 n coeficiente de Poisson do solo E 0 módulo de elasticidade do solo. (*) Os ábacos para determinação de I G, I F e I E podem ser encontrados em Das (2007).

36 EXERCÍCIOS Ver Fundamentos da Engenharia Geotécnica, Das (2007) cap. 10 p. 247 exemplo 10.1 e p. 250 exemplo 10.2