UNIDADE 9 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

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1 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 164 UNIDADE 9 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS 9.1 Introdução Qualquer obra de engenharia que envolve conhecimentos geotécnicos deve necessariamente responder a pergunta, pode ocorrer a ruptura? Para respondê-la, deve-se equacionar diversas solicitações envolvidas na obra e verificar se o solo resiste a estas solicitaçãos, determinando-se a resistência ao cisalhamento mobilizada pelo solo. Portanto, qualquer ponto no interior de uma massa de solo é solicitado por forças devido ao peso proprio do solo e as forças externas aplicadas. Os esforços resistentes do solo são chamados de tensões, cuja intensidade é medida pela força por unidade de área. A ruptura de um solo, representada de maneira ideal, se produz por cisalhamento ao longo de uma superfície de ruptura, ocorre o deslizamento de uma parte do maciço sobre uma zona de apoio que permanece fixa. A lei de cisalhamento é a relação que une, no momento da ruptura e ao longo da superfícies de ruptura a tensão normal ou tensão de compressão () e a tensão tangencial ou tensão de cisalhamento (), conforme esta representado na Figura 9.1. N.T. N.A. P i P i N.T. T i N.A. N i T i N i Estabilidade de taludes em encostas naturais Estabilidade de taludes em barragens N.T. ATERRO Camada de solo compressível Su E ATUANTE RESISTENTE Aterro sobre solos moles Q Muros de arrimo, cortinas atirantadas e estruturas de contenção N.T. T i T i N i Capacidade de carga de fundações N i Figura Exemplos típicos da influência da resistência ao cisalhamento dos solos.

2 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 165 Qualquer problema de ruptura em Mecânica dos Solos envolve, portanto, uma superfície de ruptura, a qual poderá ser definida a priori como aquela onde, em todos os seus pontos, a tensão de cisalhamento atinge o valor limite da resistência ao cisalhamento do solo. A resistência ao cisalhamento de um solo em qualquer direção é a tensão de cisalhamento máxima que pode ser aplicada à estrutura do solo naquela direção. Quando este máximo é atingido, diz-se que o solo rompeu, tendo sido totalmente mobilizada a resistência do solo. Os problemas de resistência dos solos são usualmente analisados empregando-se os conceitos do "equilíbrio limite", o que implica considerar o instante de ruptura, quando as tensões atuantes igualam a resistência do solo, sem atentar para as deformações. Exemplos típicos onde a determinação da resistência ao cisalhamento do solo é que condiciona o projeto, são as análises de estabilidade de taludes (aterros e cortes), empuxos sobre muros de arrimo ou qualquer estrutura de contenção, capacidade de carga de sapatas e estacas. Na Figura 9.1, estão representados de forma esquematica estas solicitações citadas acima. O fator de segurança (F) contra a ruptura é calculado como a razão entre as forças estabilizadoras e as forças instabilizadoras: forças estabilizadoras F = forças instabilizadoras As forças estabilizadoras são função dos parâmetros de resistência do solo (coesão e ângulo de atrito interno). As forças que atuam ao longo da superfície de ruptura arbitrada devem resistir à força aplicada no elemento de fundação. Estas aplicações, e outras, serão vistas em detalhes nas disciplinas de Obras de Terra e Fundações Tensões no solo Os problemas de resistência dos solos são usualmente analisados empregando-se os conceitos do equilíbrio limite, o que implica considerar o instante de ruptura, quando as tensões atuantes igualam a resistência do solo, sem atentar para as deformações. Em qualquer ponto da massa do solo existem três planos ortogonais onde as tensões cisalhantes são nulas. Estes planos são chamados planos principais de tensões. Portanto, as tensões normais recebem o nome de tensões principais, onde a maior das tensões atuantes é chamada tensão principal maior ( 1 ), a menor é chamada tensão principal menor ( ), e a terceira é chamada tensão principal intermediária ( ). Em Mecânica dos Solos, normalmente, despreza-se a tensão principal intermediária ( ). Embora influencie na resistência ao cisalhamento dos solos, seus efeitos não são perfeitamente compreendidos. No perfil geotécnico da Figura 9., supondo k 0 < 1, temos: - v 0 = γ. z = 1 (tensão principal maior) - h 0 = k 0. v 0 = (tensão principal menor) z xy xz xy yx x = tensões normais (positiva compressão) = tensões cisalhantes (positiva sentido horário) y yz xz Figura 9. - Tensões em um ponto da massa de solo.

3 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 166 A maior parte dos problemas de Mecânica dos Solos permitem soluções considerando um estado de tensões no plano, isto é, trabalha-se com um estado plano de tensões ou estado duplo de tensões. Admitindo-se esta simplificação, trabalha-se somente com as tensões atuantes em duas dimensões. Mais especificamente procura-se o estado de tensões no plano que contêm as tensões principais 1 e. Conhecida a magnitude e direção de 1 e é possível encontrar as tensões normal e cisalhante em qualquer outra direção, conforme as equações desenvolvidas a seguir, como mostra a Figura 9.3. α 1 α α b (.A.sen α).sen α.a.sen α α (.A.sen α).cos α b α α 1 A.A 1.A.cos α α ( 1.A.cos α).cos α α α α.a.sen α A.sen α ( 1.A.cos α).sen α 1 A.cos α 1.A.cos α Figura 9.3 Determinação das tensões atuantes no plano. Forças na direção de α (tangencial ao plano bb) α. A = 1. A. cos α. sen α -. A. sen α. cos α α = ( 1 - ). cos α. sen α I.T. cos α. sen α = sen α ( ) 1 3 α = senα α máx. (α = 90º ou 180º) Forças na direção de α (normal ao plano bb) α. A = 1. A. cos α. cos α +. A. sen α. sen α α = 1. cos α +. sen α (1 + cos. α) I.T. cos α = e (1 cos. α) sen α = ( ) ( 1 3 ) α = + cos. α α máx. (α = 0º)

4 Notas de Aula - Mecânica dos Solos Círculo de Mohr O estado de tensões em todos os planos passando por um ponto podem ser representados graficamente em um sistema de coordenadas em que as abcissas são as tensões normais () e as ordenadas são as tensões de cisalhamento (), conforme a Figura 9.4. O círculo de Mohr tem seu centro no eixo das abcissas. Desta forma, ele pode ser construído quando se conhecerem as duas tensões principais, ou as tensões normais e de cisalhamento em dois planos quaisquer. Conhecendo-se 1 e traça-se o círculo de Mohr. A inclinação (α) do plano principal maior (PPM), permite determinar o ponto P (pólo), traçando-se por 1 uma reta com esta inclinação. Procedimento idêntico pode ser utilizado traçando-se por uma paralela ao plano principal menor (ppm). A Figura 9.5 mostra como determinar o pólo e as tensões na ruptura. Qualquer linha reta traçado através do pólo ou origem dos planos (ponto P) intersecionará o circulo em um ponto que representa as tensões sobre um plano inclinado de mesma direção desta linha. α 1 b P α R O α 1 α b α α α α 1 Figura Representação do estado de tensões através do diagrama de Mohr. b α ppm b A resultante de e no plano bb é: OA = R = + ; e tem uma obliquicidade θ igual a tg θ = /. b P α 1 PPM ppm b PPM b α P ppm O A 1 b 1 PPM Figura Determinação do pólo e das tensões na ruptura através do círculo de Mohr.

5 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 168 Alguns exemplos de aplicação do circulo de Mohr estão apresentados a seguir: Exemplo 1: Dado o estado de tensões apresentado abaixo, determine as tensões que atuam no plano BB. Solução: traçe o circulo de Mohr e determine o pólo P (lembre-se que as tensões normais de compressão são positivas, bem como as tensões cisalhantes com direção no sentido anti-horário). Traçe uma linha paralela ao plano bb passando pelo pólo. O ponto (A) em que esta linha intercepta o circulo de Mohr corresponde às tensões atuantes no plano bb. 40 kn/m 0 kn/m b 30º (kn/m ) 10 PPM b 40 kn/m 0 kn/m 0 A ( α, α ) b P ppm 5 kn/m 8,7 α = 60º 40 kn/m A - 8,7 (kn/m ) b º 0 kn/m OBS: o ângulo α = 60º, é aquele formado entre o plano de cisalhamento (BB) e o plano PPM; Usando as equações: ( ) 1 3 (40 0) α = senα = sen10º = 10. 0,87 = - 8,7 kn/m (Giro horário) ( ) ( 1 3 ) (40+ 0) (40 0) α = + cos. α = + cos10º = (-0,5) = 5,0 kn/m Exemplo : Dado o estado de tensões da figura abaixo, determine as tensões no plano horizontal dd. 0 kn/m d 40 kn/m 60º d PPM ppm (kn/m 10 ) 8,7 d d A P 40 kn/m 0 kn/m 35 kn/m 8,7 α = 30º 0 kn/m 40 kn/m 0-10 B A ( α, α ) (kn/m )

6 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 169 Usando as equações: ( ) 1 3 (40 0) α = senα = sen60º = 10. 0,87 = 8,7 kn/m (Giro anti-horário) ( ) ( 1 3 ) (40+ 0) (40 0) α = + cos. α = + cos60º = ,5 = 35,0 kn/m Tensões totais, efetivas e neutras O principio básico introduzido por Terzaghi que em solos saturados a tensão efetiva é igual a diferença entre a tensão total e a tensão neutra : ' = - u. As tensões de cisalhamento em qualquer plano são independentes da poro-pressão, pois a água não transmite esforços de cisalhamento. As tensões de cisalhamento são devidas somente à diferença entre as tensões normais principais e esta diferença é a mesma, tanto quanto se consideram as tensões efetivas como as tensões totais, como se verifica pela fórmula proposta por Terzaghi. Os círculos de Mohr para os dois tipos de tensão tem, portanto, o mesmo diâmetro. Na Figura 9.6 esta representado o efeito da poro-pressão no círculo de Mohr. Tensão efetiva Tensão total 1 = 1 u 3 = u máx 1 = 3 u u ' máx ' = ' 1 3 máx = máx Figura Efeito da tensão neutra ou poro-pressão no círculo de Mohr. O círculo de tensões efetivas se situa deslocado para a esquerda em relação ao círculo de tensões totais de um valor igual à tensão neutra (u). Tal fato é decorrente da tensão neutra atuar hidrostaticamente (igual em todas as direções), reduzindo as tensões normais totais em todos os planos de igual valor. No caso de tensões neutras negativas, o deslocamento do círculo é para a direita. 9. Resistência ao cisalhamento dos solos 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.

7 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 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 (Figura 9.7). N T N φ R T Figura Atrito entre dois corpos no instante do deslizamento. A resistência ao deslizamento () 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: =. tg φ onde φ é o ângulo de atrito interno do solo, é a tensão normal e a tensão de cisalhamento. Nos materiais granulares (areias), constituídas de grãos isolados e independentes, o atrito é um misto de escorregamento (deslizamento) e de rolamento, afetado fundamentalmente pela entrosagem ou embricamento dos grãos. Tal fato não invalida a aplicação da equação anterior a materiais granulares. A Figura 9.8 mostra os tipos de movimentos de materiais granulares quanto submetidos a esforços cortantes. 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 e portanto, acarretam variação do ângulo de atrito φ, num 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.). Por exemplo, para uma mesma areia o ângulo de atrito desta areia no estado compacto é maior do que no estado fofo (φ densa > φ fofa). Figura Atrito entre materiais granulares.

8 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 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. Utilizando a mesma analogia empregada no item anterior, suponha que a superfície de contato entre os corpos esteja colada, conforme esquema da Figura 9.9. Nesta situação quando N = 0, existe uma parcela da resistência ao cisalhamento entre as partículas que é indepente da força normal aplicada. Esta parcela é definida como coesão verdadeira. N 0 (Nula) T = c (coesão) T c Figura Resistência ao cisalhmanento devido à coesão. A coesão é uma característica típica de solos muito finos (siltes plásticos e argilas) e tem-se constatado que ela aumenta com: a quantidade de argila e atividade coloidal (Ac); relação de préadensamento; diminuição da umidade. 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 tensão capilar da água (pressão neutra negativa, ver item 7.19 capilaridade), que atrai as partículas. No caso da saturação do solo a coesão tende a zero. 9.3 Resistência dos solos Nos solos estão presentes os fenômenos de atrito e coesão, portanto, determina-se a resistência ao cisalhamento dos solos (), segundo a expressso: = c +. tg φ ou S = c +. tg φ onde é a resistência ao cisalhamento do solo, "c" a coesão ou intercepto de coesão, "" a tensão normal vertical e "φ" o ângulo de atrito interno do solo. A Figura 9.10 apresenta graficamente está expresssão. = c +. tg φ φ c Figura Representação gráfica da resistência ao cisalhamento dos solos

9 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 17 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. 9.4 Critérios de ruptura de Mohr-Coulomb O diagrama de Mohr, como definido anteriormente, apresenta o estado de tensões em torno de um ponto da massa de solo. Para determinar-se a resistência ao cisalhamento do solo (), são realizados ensaios com diferentes valores de, elevando-se 1 até a ruptura, conforme está representado na Figura 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: = c +. tg φ. Envoltória de Mohr 15 αr. αr Envoltória de Mohr α r Plano de falha α r 1 1 αr (kg/cm ) (kg/cm ) 1 Figura Envoltória de ruptura de Mohr. Para melhor compreensão do conceito de envoltória de ruptura, apresenta-se quatro estados de tensões associados a um ponto. 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 e a tensão cisalhante é nula. c = c +. tg φ = 1 φ

10 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 173 Estado - O circulo de Mohr está inteiramente abaixo da envoltória. A tensão cisalhante ( α ) no plano de ruptura é menor que a resistência ao cisalhamento do solo () para a mesma tensão normal. Não ocorre ruptura. 1 = c +. tg φ α 1 α < r α φ 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 "α critico" com o plano onde atua a tensão principal maior. 1 α 1 α = 45º + φ/ Plano de maior fraquesa para solos c = c +. tg φ α = S α α r α r 1 φ LIMITE DE RUPTURA 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. = c +. tg φ φ c Ensaios para determinação da resistência ao cisalhamento do solos Ensaio de cisalhamento direto O ensaio de cisalhamento direto é executado em uma caixa metálica bipartida (Figura 9.1.a), deslizando-se a metade superior do corpo de prova em relação à inferior. O corpo de prova é inicialmente comprimido pela forca normal N, seguindo-se a aplicação da forca cisalhante T.

11 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 174 Esta força impõe um deslocamento horizontal ( l) à amostra até a ruptura do corpo de prova (que ocorre ao longo do plano XX). Para cada tensão normal aplicada ( = N/A), obtém-se um valor de tensão cisalhante de ruptura ( = Tcis/A), permitindo o traçado da envoltória de resistência. A Figura 9.1.b apresenta a prensa de cisalhamento direto com suas principais partes. As curvas tensão cisalhante por deformação, variação de volume por deformação e a envoltória de resistência estão representadas na Figura 9.13, itens a, b e c, respectivamente. O ensaio de cisalhamento direto é sempre drenado, devendo ser executado lentamente para impedir o estabelecimento de pressões neutras nos poros da amostra. A relação entre altura e o diâmetro do corpo de prova deve ser pequena, possibilitando uma completa drenagem em menores espaços de tempo. A condicao drenada impllica a total dissipacao de poro-pressoes durante o cisalhamento. Nas areias, devido a alta permeabilidade isto é automático; em solos argilosos, é necessário reduzir a velocidade de deformação para aumentar o tempo de ensaio. O principal problema a ser apontado neste ensaio é a imposição de uma superfície de ruptura, principalmente em solos homogêneos. O solo não rompe segundo o plano de maior fraqueza, mas ao longo do plano horizontal XX. Este problema é mais complexo quando analisa-se a restrição de movimentos imposta às extremidades da amostra no plano de ruptura. Esta restrição provoca uma complexa heterogeneidade de tensões e deslocamentos no corpo de prova e uma conseqüente inclinação do plano de cisalhamento. Figura (a) Caixa metálica bipartida de cisalhamento direto, (b) prensa de cisalhamento direto com suas principais partes.

12 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 175 Neste ensaio, as tensões normal e de cisalhamento são conhecidas somente no plano de ruptura para determinar o estado de tensão do solo nos diferentes planos. As principais vantagens do ensaio são a simplicidade de operação, facilidade de moldagem das amostras, baixo custo e a possibilidade de realização de ensaios em grandes dimensões. c b c a l a b c (a) b V a a a b c εh (c) b c (b) Figura (a) Curvas tensão cisalhante por deformação, (b) curvas variação de volume por deformação, (c ) envoltória de resistência. O ensaio de cisalhamento direto pode, em principio, ser do tipo: ensaio rápido, ensaio adensado rápido e ensaio lento. Ensaio de cisalhamento direto rápido - esse se caracteriza pela aplicação simultânea inicial da tensão normal () constante e cisalhante () que deverá aumentar gradativamente até a ruptura do corpo de prova. Ensaio de cisalhamento direto adensado rápido - aplica-se a tensão normal () e após a estabilização das deformações verticais devido à essa tensão que será mantida constante sobre o corpo de prova, aplica-se a tensão cisalhante (), crescente até a ruptura. Ensaio de cisalhamento direto lento - a tensão normal () é aplicada e, após o adensamento da amostra, a tensão cisalhante () é aplicada, gradativamente, até a ruptura (permitindo dissipação das pressões neutras), com uma diferença fundamental dos ensaios rápido e adensado rápido, a velocidade de aplicação da tensão cisalhante () e/ou a velocidade de deformação do corpo de prova devem ser mínimas, da ordem de 10 mm/min.

13 Notas de Aula - Mecânica dos Solos Ensaio Triaxial É considerado o ensaio padrão em Mecânica dos Solos, as principais referências estão em BISHOP e HENKEL (196). O ensaio triaxial, cujo esquema é apresentado na Figura 9.14, é o mais comum e versátil ensaio para a determinação da resistência ao cisalhamento do solo. O equipamento consiste basicamente de uma câmara cilíndrica transparente e resistente assentada sobre uma base de aluminio, no interior da qual e colocado um corpo de prova (Figura 9.15) cilíndrico revestido por uma membrana de borracha impermeável sob um pedestal, atraves do qual há uma ligação com a base da célula. Entre o pedestal e amostra utiliza-se uma pedra porosa para facilitar a drenagem. A câmara é preenchida com água, cuja finalidade e transmitir pressão à amostra. O ensaio triaxial é executado em duas etapas distintas: (a) aplicação da tensão confinante ( c ), e (b) aplicação da tensão desviadora ( d ). c c + d c c c c c (a) adensamento c + d (b) cisalhamento Inicialmente, o corpo de prova é submetido a uma tensão confinante ( c ) igualmente distribuída em toda a superfície do corpo de prova (solicitação isotrópica de tensão). A seguir, aplica-se um incremento de tensão desviadora ( d ), através de um pistão metálico, até a ruptura da amostra (solicitação axi-simétrica de tensão, = 1 ou = ). Como não existem tensões de cisalhamento na superfície do corpo de prova, as tensões axiais ( c + d ) e de confinamento ( c ), são respectivamente as tensões principais maior " 1 " e menor " ". O incremento de tensão d = 1 - é chamado tensão desviadora. Cada uma das fases do ensaio pode ser realizada permitindo-se ou não a drenagem do corpo de prova. No caso de uma solicitação não drenada é possível medir-se as pressões neutras que se desenvolvem no interior da amostra, através de um equipamento adequado colocado no canal de drenagem (trandutor de pressão). A Figura 9.16 apresenta o dispositivo para medição da pressão neutra, variação de volume e aplicação de contra-pressão em corpos de prova. A drenagem é controlada através da válvula, que é o único caminho possível de entrada e saída de água, fechando-a, o ensaio é realizado em condições não drenadas. Há interresse no controle de poro-pressões, que são medidas pelo transdutor de pressão. Trata-se de um instrumento que possui um diafragma muito sensível a variações de pressões na água, produzindo um sinal elétrico proporcional, que é medido por instrumentos eletrônicos digitais. Quando o ensaio é realizado em condições drenadas, deseja-se medir u (variação de poropressão) do corpo de prova para conhecer as deformações volumétricas. Isso pode ser feito facilmente em materiais saturados, bastanto observar, através da bureta graduada, a quantidade de água que sai ou entra no corpo de prova.

14 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 177 Figura Seção de uma câmara triaxial típica (segundo Bishop e Henkel, 196). Figura Corpo de prova cilindrico de uma argila pré-adensada após a ruptura em um ensaio triaxial.

15 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 178 Figura Medições na base do corpo de prova durante o ensaio triaxial: poro-pressões, variação de volume e aplicação de contra-pressão (Ortigão, 1993). 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) Neste ensaio há permanente drenagem do corpo de prova. Aplica-se a tensão confinante (c) e espera-se o corpo de prova adensar (4 a 48 horas). A seguir, a tensão axial (d) é aplicada lentamente, permitindo a dissipação do excesso de pressão neutra (u) gerada pelo carregamento (até uma semana). Desta maneira a pressão neutra durante o carregamento permanece nula e as tensões totais medidas são às tensões efetivas. Com o objetivo de ilustrar o ensaio CD, a Figura 9.17 apresenta algumas curvas características de cada etapa. Na fase de adensamento, são apresentadas as curvas tensão confinante, pressão neutra e variação de volume por tempo. Na fase de cisalhamento, são apresentadas as curvas tensão desviadora, pressão neutra e variação volumétrica por deformação axial (εa). Sendo "εa" a razão entre a variação de altura da amostra (εh) e sua altura inicial (hi). Ensaio adensado não drenado (CU) - consolidated undrained, ou ensaio R (rapid - rápido - pré-adensado) Aplica-se a tensão de confinamento permitindo-se a drenagem do corpo de prova (adensamento), até a completa dissipação do excesso de pressão neutra gerada pela aplicação da tensão confinante. Fecham-se os registros do canal de drenagem e aplica-se a tensão axial (desviadora) até a ruptura, medindo-se as pressões neutras geradas pelo carregamento (o teor de umidade permanece constante na fase de cisalhamento). As pressões medidas são as tensões totais (), e com a obtenção da pressão neutra (u), determina-se as tensões efetivas pela expressão: ' = u. Ensaio não adensado não drenado (UU) - unconsolidated undrained, ou ensaio Q (quick - rápido) Neste ensaio aplica-se a tensão confinante e o carregamento axial até a ruptura do corpo de prova sem permitir qualquer drenagem. O teor de umidade permanece constante e pode-se medir as pressões neutras (tensões totais e efetivas).

16 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 179 c = d t εa u u t εa c = 3 V t εa V Figura Curvas típicas do ensaio adensado, drenado. t Os ensaios CD, CU e UU têm finalidades específicas, abordadas mais adiante. Nas areias, cujo comportamento in situ é quase sempre drenado, é utilizado o tipo CD. Os ensaios não drenados nesse material visam simular casos de solicitação transiente, como os terremotos. Nas argilas são realizados os três tipos, dependendo da situação que se quer analisar. O ensaio de cisalhamento direto, como deve ser conduzido em condições drenadas, deverá ser sempre CD.

17 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 180 A seguir apresenta-se esquematicamente a distribuição de tensões nos ensaios triaxiais: d 1 = + d 1 = + d u = 0 + u = 0 = 3 3 u = 0 ; 3 = u = 0 3 = d 1 = + d 1 = + d 1ª ETAPA ª ETAPA TENSÕES TOTAIS TENSÕES EFETIVAS (a) ensaio adensado, drenado (CD) - lento (S) d 1 = + d 1 = + d u 1 u = 0 + u = 3 ; 1 u 1 3 = u 1 u 3 = u 1 d 1 = + d 1 = + d u 1 1ª ETAPA ª ETAPA TENSÕES TOTAIS TENSÕES EFETIVAS (b) ensaio adensado, não-drenado (CU) - rápido pré-adensado (R) d 1 = + d 1 = + d u u 1 + = ; u = u1+u 3 = u u u d 1 = + d 1 = + d - u 1ª ETAPA ª ETAPA TENSÕES TOTAIS TENSÕES EFETIVAS (c) ensaio não-adensado, não-drenado (UU) - rápido (Q) Ensaio de compressão simples É um caso especial do ensaio triaxial, onde a tensão confinante é nula ( c = = 0). Este ensaio é utilizado para determinar a resistência não drenada de solos argilosos (Su ou Cu). A tensão

18 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 181 confinante é nula, e o valor da tensão que provoca a ruptura do corpo de prova é denominado de resistência à compressão simples (RCS). A Figura 9.18 apresenta o dispositivo onde é realizado o ensaio, bem como a curva obtida de tensão cisalhante (carga / área da amostra) por deformação axial (εa). Em solos puramente coesivos a coesão (Su) é igual a metade da resistência à compressão simples obtida do diagrama de Mohr, conforme esta representado na Figura Pressão - P (g/cm ) 50 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO R = máx. = 138 g/cm COESÃO = c = R/ = 69 g/cm 0 0,0 1,0,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Deformação específica - ε (%) (a) (b) Figura (a) Prensa de compressão simples, (b) curva tensão cisalhante por deformação axial. ( ) máx. = = máx. = RCS 1 Figura Diagrama de Mohr aplicado ao ensaio de compressão simples. máx.

19 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 18 Terzaghi e Peck (1948), correlacionaram o número de golpes obtido no ensaio SPT (ensaio de penetração estática) com a resistência à compressão simples de argilas saturadas. Os resultados estão indicados na Tabela 9.1. Consistência da argila (IC) N SPT RCS (kgf/cm ) Muito mole < < 0,5 Mole 3-4 0,5-0,50 Média 5-8 0,50-1,00 Rija ,00 -,00 Muito rija 16-30,00-4,00 Dura > 30 > 4,00 Tabela Correlação empírica entre consistência de argilas, número de golpes obtidos em sondagens de percussão e resistência à compressão simples. Através do ensaio de compressão simples em argilas pode-se definir a sua sensibilidade, isto é, a maior ou menor perda de resistência de uma argila, que ocorre pelo amolgamento (perda da estrutura). A sensibilidade (St) é definida como a relação entre a resistência à compressão simples no estado indeformado e a resistência à compressão simples no estado amolgado. Esta propriedade já foi vista no item amolgamento 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. A Figura 9.0 mostra o aparelho de vane test. O momento resistente máximo gerado, se deve a área lateral e as áreas da base, como se apresenta a seguir: M RL M RB d = π d h Su M RL = 1 π d h Su d d = π Su M RB = 1 π d Su M = M + M MÀX. RL RB M MÀX. = 1 π d h Su π d S Su = π d M MÀX. ( h + d ) 6 É freqüente que h = d = 4r, o que conduz: 6 M Su = 7 π d MÀX. 3

20 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 183 Algumas hipóteses devem ser feitas, a fim de que o valor medido possa representar a resistência ao cisalhamento rápida não drenada do solo (Su): - drenagem impedida; - ausência de amolgamento do solo, quando da operação de cravação do equipamento; - coincidência da superfície de ruptura com a geratriz do cilindro, formado pela rotação da palheta; - uniformidade da distribuição de tensão, ao longo de toda a superfície de ruptura, quando o torque atingir o seu valor máximo; - isotropia do solo. O ensaio de palheta in situ pode ser realizado em poços de investigação e em sondagens, ou pode ser cravado diretamente no solo até a profundidade a ser ensaiada. O vane test fornece resultados bem próximos dos reais, mas em argilas médias e duras ocorre perturbação causada pela cravação do aparelho afetando a estrutura do solo e fornecendo resultados não confiáveis. E um ensaio típico para argilas moles. Figura Aparelho de vane test (Ensaio de palheta)

21 Notas de Aula - Mecânica dos Solos Resistência ao cisalhamento das areias e argilas Solicitações drenadas Areias O objetivo do ensaio de laboratório é estudar o comportamento do solo em condições similares aquelas encontradas no campo e obter parâmetros que possam descrever este comportamento. Como as areias são materiais muito permeáveis, o excesso de poro-pressão ( u) gerado por um carregamento é facilmente dissipado. Por este motivo, a resistência ao cisalhamento das areias é geralmente investigada por meio de ensaios adensados drenados (CD). Exceto no caso de carregamentos transientes ou cíclicos, como os terremotos, em que pode haver acréscimos de pressão neutra ou poro-pressão e liquefação de areias finas e fofas (Anexo II). Para este estudo, utiliza-se dois corpos de prova com diferentes índices de vazios, sendo um no estado fofo e outro no estado compacto.no estado fofo, para ocorrer o deslizamento entre partículas deve-se vencer apenas o atrito entre os grãos. No estado compacto, o entrosamento entre as partículas levará a um esforço adicional para provocar um deslizamento, sendo necessário um aumento de volume para que este possa ocorrer. Resultados de ensaios realizados em corpos de prova de areia com diferentes compacidades, durante a fase de cisalhamento, são apresentados na Figura 9.1. (kpa) Pico FOFA e 0 = 0,834 Pico DENSA e 0 = 0,605 S = 00 kpa (a) V(%) e 0 = 0,605 e 0 = 0,834 (b) 0 0,9 ÍNDICE DE VAZIOS 0,8 0,7 e 0 = 0,834 e 0 = 0,605 ESTADO CRÍTICO (c) 0, ε 1 (%) Figura Curvas típicas obtidas em ensaios adensados drenados (CD): (a) curvas tensão desvio por deformação axial, (b) curvas variação de volume por deformação axial, (c) curvas índice de vazios por deformação axial.

22 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 185 Para a areia fofa, a tensão desviadora cresce com a deformação axial, e a amostra apresenta continua diminuição de volume. A areia compacta atinge um valor máximo de tensão desviadora, chamada de tensão de pico, para menores valores de deformação axial. Deformando-se o corpo de prova após a ruptura, a curva atinge um valor constante de tensão, denominado tensão residual. Neste grau de compacidade, devido ao entrosamento entre partículas, o cisalhamento ocorre com aumento de volume do corpo de prova. Este comportamento é chamado de dilatância. A variação de volume do corpo de prova (compressão ou dilatância) também pode ser representada pela variação do índice de vazios com a deformação axial, conforme a Figura 9.1.b. Nestes ensaios, o índice de vazios aumenta ou diminui conforme a compacidade da areia. Para grandes deformações, entretanto, o índice de vazios da areia no estado fofo e no estado compacto tende a um mesmo valor, denominado de índice de vazios critico (e crit ). Cisalhando-se uma amostra com o índice de vazios igual ao critico, não ha variação de volume. Segundo Casagrande a determinação do índice de vazios crítico é obtido por ensaios triaxiais com a tensão confinante ( c ) constante sobre corpos de prova com diferentes índices de vazios iniciais, medindo-se as variações de volume no carregamento axial (tensão desvio - d ). Colocando-se em gráfico as variações de volume, obtém-se por interpolação o índice de vazios crítico, que é aquele para o qual não houve variação de volume total (Figura 9.). V (+) compressão V areia compacta V ( ) redução areia fofa e c Figura 9. - Gráfico variação de volume por índice de vazios. A envoltória de resistência para areias fofas e compactas, obtida a partir dos máximos valores de tensão desviadora está representada na Figura 9.3. A experiência tem demonstrado que a envoltória de resistência de areias fofas é praticamente uma reta passando pela origem. A resistência ao cisalhamento pode ser expressa na forma: = '. tg φ' φ compacta φ fofa Figura Envoltória de resistência para areias fofas e compactas.

23 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 186 Para areias compactas, a envoltória é curva, mas, para fins práticos, é possível substituí-la por uma reta, adotando-se o ângulo de atrito médio para o nível de tensões envolvido em um problema prático. O ângulo de atrito de solos granulares, ou seja, a sua resistência é influenciada por diversos fatores. O fator que mais influencia no valor de φ é a compacidade do solo. O entrosamento entre os grãos pode ser caracterizado pela compacidade ou pelo índice de vazios inicial (e 0 ) da amostra, que se for fofa apresentará maior valor de e 0 que o de uma areia compacta ou densa. As parcelas de atrito devidas ao deslizamento e ao rolamento dependem da forma e rugosidade das partículas que são propriedades intrínsecas do material ensaiado. A dilatância, ao contrário, depende da compacidade, que é função do estado em que o material está no momento - fofo ou denso. A compacidade de solos granulares pode ser determinada pela expressão já vista anteriormente: ( e GC = ( e máx máx e e nat mín ) ) onde GC é o grau de compacidade e e o índice de vazios. Na prática busca-se correlacionar os resultados do numero de golpes obtidos nos ensaio de penetração estática SPT com a compacidade em solos granulares (areias), como a Tabela 9., sugerida por Meyerhof (1956). Compacidade NSPT Ângulo de atrito - φ ( ) Fofa 4 < 30 Pouco compacta Medianamente compacta Compacta Muito compactada > 50 > 45 Tabela 9. - Correlação entre compacidade de solos granulares, o número de golpes obtidos em sondagens de percussão e o ângulo de atrito interno. Outros fatores influenciam na resistência das areias, como o tamanho das partículas (areias grossas possuem um ângulo de atrito maior que areias finas), a forma dos grãos (areias com grãos angulares apresentam maior resistência que aquelas que possuem grãos de forma regular), distribuição granulométrica (quanto mais bem distribuídas granulometricamente as areias melhor o entrosamento existente e consequentemente maior o ângulo de atrito). A Tabela 9.3 e a Figura 9.4 apresentam a influência destas propriedades nos valores do ângulo de atrito interno do solo. Em geral a água tem pouca influência. Areias saturadas apresentam ângulo de atrito inferiores as areias secas em aproximadamente 1 a º. Ângulo de atrito - φ ( ) Compacidade Fofa Compacta Areias bem grãos angulares graduadas grãos arredondados Areias mal grãos angulares 3 4 graduadas grãos arredondados 8 35 Tabela Valores típicos do ângulo de atrito interno de areias.

24 Notas de Aula - Mecânica dos Solos pedregulho Ângulo de atrito interno - f ( º ) pedregulho arenoso cascalho areia areia areia Porosidade inicial (%) Figura Influência da compacidade no ângulo de atrito interno dos solos Argilas Neste item, estuda-se a resistência ao cisalhamento das argilas solicitadas sob condições drenadas. Isto significa que todo o excesso de poro-pressão gerado por um carregamento é dissipado pelo livre movimento de água nos vazios do solo. O ensaio CD (consolidado drenado) representa este tipo de solicitação. Inicialmente aplica-se a tensão confinante, provocando um acréscimo de poro-pressão u na amostra. Con a válvula de drenagem aberta permite-se a consolidação e a dissipação de u. Na maioria dos casos, a duração desta fase é tipicamente de 4 a 48 horas. Ao final da consolidação o volume da amostra terá variado e as poro-pressões serão nulas. Mantendo-se as válvulas de drenagem abertas, inicia-se a aplicação da tensão desvio ( 1 - ) de forma controlada para que as poro-pressões também sejam nulas. Sendo as argilas normalmente pouco permeáveis, a água percola lentamente pelos vazios do solo, e o ensaio é muito demorado. Os ensaios CD em argilas simulam problemas de engenharia analisados a longo prazo, como fundações, escavações, aterros, etc. Em análises a longo prazo, os parâmetros de resistência serão função das tensões efetivas finais obtidas após a completa dissipação do excesso de poro-pressão gerado pelo carregamento. Um dos fatores que governa as características de resistência de argilas saturadas é a história de tensões da argila. Se a tensão efetiva atual (' vo ) é a máxima tensão a que o solo já esteve submetido, este solo é chamado normalmente adensado (NA). Se, por outro lado, a tensão efetiva em algum momento do passado ('vm) foi maior que a tensão efetiva atual, a argila é chamada de pré-adensada (PA). O máximo valor de tensão efetiva passada dividida pelo valor de tensão efetiva presente é definido como razão de pré-adensamento - em inglês "over consolidation ratio (OCR = ' vm / ' v0 ). Sendo assim, uma argila normalmente adensada possue OCR = 1; e uma argila préadensada possui um valor de OCR superior à unidade.

25 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 188 O resultado de ensaios para dois corpos de prova adensados para a mesma tensão confinante, sendo um normalmente adensado e outro pré-adensado, esta apresentado na Figura 9.5. Analisando-se as curvas tensão por deformação, verifica-se que o pré-adensamento aumenta a resistência ao cisalhamento dos solos e diminui sua compressibilidade. d = 1 PA (a) NA εa V /V PA dilatância (b) εa compressão NA Figura Resultados de ensaios triaxiais adensados drenados em argilas: (a) curvas tensão desvio por deformação axial, (b) curvas variação volumétrica por deformação axial. As curvas de variação volumétrica indicam que o solo normalmente adensado diminui de volume na fase de cisalhamento, portanto de umidade. O solo pré-adensado apresenta uma ligeira diminuição de volume no início do carregamento, seguindo de uma aumento de volume, e portanto de umidade. O comportamento tensão-deformação, variação volumétrica das argilas normalmente adensadas e pré-adensadas, apenas para fixação dos conceitos, é semelhante ao comportamento das areias fofas e densas respectivamente. A Figura 9.6 apresenta a envoltória de resistência típica da argila. Para argilas normalmente adensadas, a envoltória de resistência e uma reta passando pela origem, calculando-se a resistência ao cisalhamento segundo a expressão: =. tg φ Para argilas pré-adensadas, a envoltória é curva, podendo ser substituída por uma reta na solução de problemas práticos, utilizando-se a expressão: = c +. tg φ c = coesão ou intercepto coesivo efetivo φ = ângulo de atrito efetivo

26 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 189 OCR > 1,0 OCR = 1,0 NA φ c PA S = =. tg φ (NA) S = = c +. tg φ (PA) c = intercepto coesivo v0 = vm Figura Envoltória de resistência da argila para solicitação drenada. Na figura apresentada anteriormente, o solo foi adensado na natureza sob uma tensão ' v0, sendo ensaiado a tensões confinantes maiores e menores que ' v0. A resistência ao cisalhamento deve ser calculada segundo as formulações usadas para solos pré-adensados ou normalmente adensados, dependendo do nível de tensões em que se esteja trabalhando. Em argilas normalmente adensadas (NA) o ângulo de atrito efetivo é muito variável, não existindo boas correlações, mas verifica-se que o ângulo de atrito tende a ser menor quanto mais plástico e o solo. A Tabela 9.4 apresenta os valores de φ em função do IP (índice de plasticidade), coletados por Kenney (1959), com solos de diferentes regiões, e os valores obtidos pelo IPT em solos da cidade de São Paulo. Ângulo de atrito - φ ( º ) IP ( % ) Kenney IPT - SP Tabela Correlação entre o ângulo de atrito interno efetivo e o índice de plasticidade em argilas normalmente adensadas Solicitações não-drenadas Quando um carregamento é aplicado em uma massa de solo saturada, ocorrem variações de tensões totais nas vizinhanças do local de aplicação da carga. Estas variações de tensões totais geram excessos de poro-pressão. Para solos de alta permeabilidade, como no caso das areias, a drenagem ocorre rapidamente, dissipando o excesso de poro-pressão tão logo o carregamento é aplicado. Para solos de baixa permeabilidade, como no caso de argilas, é comum que quase nenhuma dissipação ocorra durante a aplicação da carga. Esta situação caracteriza uma solicitação não drenada. Em carregamentos não drenados, tudo se passa como se a aplicação da carga fosse instantânea, não havendo variação de volume devido à drenagem de um elemento genérico da massa do solo. (Ver anexo I). Em obras de duração relativamente curta (aterros contruídos rapidamente, escavações, aterros de barragens homogêneas, etc.) com drenagem impedida, caracteriza uma solicitação representada pelos ensaios adensados não drenados (CU) e por ensaios não adensados não drenados (UU).

27 Notas de Aula - Mecânica dos Solos Solos adensados não drenados (Ensaio CU - cisalhamento em condições não drenadas) A análise de um problema de estabilidade pode ser feito tanto em termos de tensões totais, como em tensões efetivas. As solicitações não drenadas são típicas de solos argilosos. Portanto, o estudo do comportamento dos solos argilosos é realizado utilizando amostras normalmente adensadas (NA) e pré-adensadas (PA) Argilas normalmente adensadas (NA) (OCR = 1,0) Conforme discutido nos ensaios drenados (CD), um carregamento axial provoca a redução de volume do corpo de prova, com conseqüente percolação de água para fora da amostra. Impedindose a drenagem, é razoável esperar que surjam poro-pressões positivas devido à tendência da amostra de reduzir de volume. Uma amostra de argila saturada cisalhada em condições não drenadas deforma-se sem variação de volume, devido à incompressibilidade dos materiais que compõem a amostra (água e grãos). Na Figura 9.7 apresenta-se as curvas típicas do ensaio CU em solos normalmente adensados. d = 1 u (+) εa εa V Sem drenagem Figura Curvas típicas do ensaio CU para solos normalmente adensados. εa Suponha dois ensaios CU adensados para diferentes valores de. Os círculos de Mohr na ruptura, tanto em termos de tensões totais como em termos de tensões efetivas, estão representados na Figura 9.8. Observações práticas indicam que as envoltórias são retas passando pela origem com coeficientes angulares tg φ e tg φ para tensões totais e efetivas respectivamente. Para uma mesma argila, com um dado OCR, existe uma relação única de resistência ao cisalhamento, independente do tipo de carregamento e condições de drenagem. Assim, a envoltória de resistência em termos de tensões efetivas de um ensaio CU e igual a envoltória de resistência de um ensaio CD, ou seja, φ CU = φ CD. O excesso de poro-pressão gerado por um carregamento não drenado, para argilas normalmente adensadas, é positivo. A dissipação desta poro-pressão aumenta a resistência ao cisalhamento do solo (note que φ > φ). Neste caso, uma obra estável a curto prazo aumenta sua segurança com o tempo.

28 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 191 tensões efetivas φ φ tensões totais 1 1 u Figura Envoltória de resistência do ensaio CU para solos normalmente adensados Argilas pré-adensadas (PA) (OCR > 1,0) As argilas pré-adensadas, ensaiadas com drenagem (CD), apresentam após pequena redução de volume (compressão), uma dilatação, ou seja, uma absorção de água pela amostra. Portanto, em carregamentos não drenados é razoável esperar que surjam poro-pressões negativas, devido a tendência de aumento de volume do corpo de prova. Curvas típicas do ensaio CU para solos préadensados estão representados na Figura 9.9. A Figura 9.30 apresenta as envoltórias de resistência, em termos de tensões totais e efetivas, para solos PA. Em carregamentos sem drenagem surgem poro-pressões menores do que as argilas NA, e sendo elevada a razão de pré-adensamento (OCR), até poro-pressões negativas podem ocorrer. d = 1 - OCR = 8,0 OCR =,0 OCR = 1,0 u (+) OCR = 1,0 OCR =,0 εa εa ( ) OCR = 8,0 (a) (b) V (c) εa Figura Curvas típicas do ensaio CU para solos pré-adensados: (a) tensão desviadora por deformação axial, (b) pressão neutra por deformação axial, (c) variação de volume por deformação axial.

29 Notas de Aula - Mecânica dos Solos 19 A envoltória em termos de tensões efetivas é praticamente igual à obtida em ensaios CD. A envoltória de resistência em termos de tensões totais se afasta de uma reta passando pela origem, representativa dos solos NA, sendo a resistência expressa, para solução de problemas práticos, pela reta que melhor se ajusta aos resultados, segundo a expressão: = c +. tg φ e em termos de tensões efetivas, segundo a expressão: = c +. tg φ Deve-se observar que, para solos PA, o excesso de poro-pressão gerado por um carregamento é negativo, e portanto < (este comportamento é mais visível para altos valores de OCR - solos fortemente pré-adensados). Consequentemente, a resistência ao cisalhamento do solo tende a diminuir com o tempo e em análises a longo prazo a estabilidade da obra diminui (este caso é crítico em escavações em argila saturada fortemente pré-adensada). Observando a Figura 9.30, para baixas tensões confinantes (elevadas razões de préadensamento - OCR) a poro-pressão na ruptura é negativa e o círculo de tensões totais se localiza à esquerda do circulo de tensões efetivas e para altas temsões confinantes (baixos OCR) a poropressão na ruptura é positiva e o círculo de tensões totais se localiza a direita do círculo de tensões efetivas, a coesão total (c) é maior do que a coesão efetiva (c ) e o ângulo de atrito interno total (φ) é menor que o ângulo de atrito interno efetivo (φ ). Solos levemente pré-adensados exibem um comportamento intermediário entre solos NA e fortemente PA. altos OCR baixos OCR φ (tensões efetivas) φ (tensões totais) c c u < 0 u > 0 Figura Envoltória de resistência do ensaio CU para solos pré-adensados. Observação: Influência da tendência à dilatação nas poro-pressões. A razão pela qual u pode ser positivo ou negativo está na tendência à dilatação ou à contração da amostra. Em uma argila PA saturada, que no ensaio CD apresenta dilatação volumétrica no cisalhamento, quando o material for submetido a um ensaio não drenado CU, as partículas tenderão a se afastar; entretanto, como as válvulas estão fechadas, não pode ocorrer qualquer dilatação e, com isto, a água será tensionada e a poro-pressão diminuirá. Com um material saturado que tende a se contrair durante o cisalhamento ocorre o inverso; as poro-pressões tendem aumentar, como acontece com uma argila NA. Resumindo, quando a tendência à variação volumétrica no cisalhamento não drenado é de dilatação, u diminui; quando a tendência é de compressão, u aumenta.

30 Notas de Aula - Mecânica dos Solos Solos não drenados (ensaio UU) É um método simplificado para se verificar o comportamento de solos de baixa permeabilidade e saturado (argilas), quando submetidos a uma solicitação quase instantânea, através de tensões totais denominado método φ = 0 (SKEMPTON, 1948). O ensaio UU (não drenado não adensado) é realizado sem permitir a drenagem em qualquer estágio do carregamento (fase de adensamento e cisalhamento). Portanto, determina-se a resistência ao cisalhamento não-drenado (Su ou Cu), mantendo-se inalteradas as condições de campo do solo no ínicio do ensaio (índice de vazios e teor de umidade). Em solicitações não drenadas, as tensões efetivas em uma amostra saturada permanecem constantes após a aplicação da tensão confinante, independente do seu valor, pois qualquer aumento na tensão confinante resulta em igual acréscimo de poro-pressão. Conforme a formulação de Skempton (ver anexo I): u = B ( + A ( 1 - ) para uma solicitação isotrópica ( d = 0) e em solos saturados B é igual a 1,0, a expressão acima resume-se à forma: u = Como as tensões efetivas são indepentendes da tensão confinante, uma bateria de ensaios realizados a diferentes valores de tensão confinante ( c ) resultam nos mesmos valores de tensão desviadora na ruptura. Os resultados expressos em termos de tensões totais são apresentados na Figura 9.31, sendo a envoltória de resistência horizontal (envoltória fictícia), isto e, φu = 0 e a resistência ao cisalhamento, S = Su. Este conceito será amplamente utilizado na disciplina de Obras de Terra, para análise de estabilidade de aterros sobre solos moles. φ u = 0 (envoltória fictícia) Su = Cu 1 Figura Envoltória de resistência obtida no ensaio UU. Sendo as tensões efetivas independentes da tensão confinante, em solos saturados, os círculos de ruptura em termos de tensões efetivas de uma serie de ensaios se confundem em um único circulo. Desta forma, não é possível definir a envoltória de ruptura em termos de tensões efetivas de um solo saturado por meios de ensaios UU. 9.7 Aplicações dos ensaios de cisalhamento na prática O objetivo dos ensaios é estudar o comportamento do solo em condições similares aquelas encontradas no campo, sendo a escolha do tipo de solicitação, drenada ou não drenada, função do tipo do solo, das condições de drenagem, da determinação da condição critica.