30/04/2012. Controle de Obras Mecânica dos solos. Resistência ao cisalhamento das areias e argilas. Prof. Ilço Ribeiro Jr. Solicitações Drenadas

Transcrição

1 Controle de Obras Mecânica dos solos Resistência ao cisalhamento das areias e argilas 1 Solicitações Drenadas Areias 2 1

2 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. 3 Como as areias são materiais muito permeáveis, o excesso de poro-pressão (Δu) 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. 4 2

3 Para o estudo com areias, utilizam-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. 5 Para o estudo com areias, utilizam-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. 6 3

4 7 Para a areia fofa, a tensão desviadora cresce com a deformação axial, e a amostra apresenta contínua 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, e também pode ser representada pela variação do índice de vazios com a deformação axial. 8 4

5 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 crítico (ecrít). Cisalhando-se uma amostra com o índice de vazios igual ao crítico, não há variação de volume 9 O índice de vazios crítico é obtido por ensaios triaxiais com a tensão confinante (σc) constante sobre corpos de prova com diferentes índices de vazios iniciais, medindo-se as variações de volume no carregamento axial (tensão desvio - Δσd). 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. 10 5

6 11 A experiência tem demonstrado que a envoltória de resistência de areias fofas é praticamente uma reta passando pela origem. 12 6

7 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. 13 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 (e0) da amostra, que se for fofa apresentará maior valor de e0 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. 14 7

8 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), sugerida por Meyerhof (1956). 15 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 conseqüentemente maior o ângulo de atrito). 16 8

9 Em geral a água tem pouca influência. Areias saturadas apresentam ângulo de atrito inferiores as areias secas em aproximadamente 1 a 2º

10 Solicitações Drenadas Argilas 19 Veremos agora 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

11 Inicialmente aplica-se a tensão confinante, provocando um acréscimo de poro-pressão Δu na amostra. Com a válvula de drenagem aberta permite-se a consolidação e a dissipação de Δu. Na maioria dos casos, a duração desta fase é tipicamente de 24 a 48 horas. Ao final da consolidação o volume da amostra terá variado e as poropressões serão nulas. Mantendo-se as válvulas de drenagem abertas, inicia-se a aplicação da tensão desvio (σ1 - σ3) 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. 21 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

12 Um dos fatores que governa as características de resistência de argilas saturadas é a história de tensões da argila. Se a tensão efetiva atual (σ'vo) é a máxima tensão a que o solo já esteve submetido, este solo é chamado normalmente adensado (NA). 23 Se, a tensão efetiva em algum momento do passado (σ'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 préadensamento - em inglês "over consolidation ratio (OCR = σ'vm / σ'v0). Sendo assim, uma argila normalmente adensada possue OCR = 1; e uma argila préadensada possui um valor de OCR superior à unidade

13 O resultado de ensaios para dois corpos de prova adensados para a mesma tensão confinante, sendo um normalmente adensado e outro pré-adensado, está apresentado no slide seguinte. Analisando-se as curvas tensão por deformação, verifica-se que o pré-adensamento aumenta a resistência ao cisalhamento dos solos e diminui sua compressibilidade

14 As curvas de variação volumétrica indicam que o solo normalmente adensado diminui de volume na fase de cisalhamento, portanto de umidade. O solo préadensado 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

15 O solo do gráfico anterior foi adensado na natureza sob uma tensão σ'v0, sendo ensaiado a tensões confinantes maiores e menores que σ'v0. A resistência ao cisalhamento deve ser calculada segundo as formulações usadas para solos préadensados ou normalmente adensados, dependendo do nível de tensões em que se esteja trabalhando. 29 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