Capítulo 3 - COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO DOS SOLOS

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1 Capítulo Introdução Compressibilidade é uma característica de todos os materiais de quando submetidos a forças externas (carregamentos) se deformarem. O que difere o solo dos outros materiais é que ele é um material natural, com uma estrutura interna o qual pode ser alterada, pelo carregamento, com deslocamento e/ou ruptura de partículas. Portanto, devido a estrutura própria do solo (multifásica), possuindo uma fase sólida (grãos), uma fase fluída (água) e uma fase gasosa (ar) confere-lhe um comportamento próprio, tensão-deformação, o qual pode depender do tempo. Define-se compressibilidade dos solos como sendo a diminuição do seu volume sob a ação de cargas aplicadas. Considere os exemplos de obras da Figura 3.1, que referem-se à construção de aterros de grande extensão (carga distribuída com extensão muito maior que a profundidade de subsolo). Ao executar os aterros há o lançamento de sobrecarga por sobre o subsolo de cada um dos perfis de solo. A questão que se apresenta é: Como se comportará estes solos quanto a deformação esperada? A Figura 3.2 ilustra a intensidade de carregamento para cada um dos casos. Exemplos de Obras Construção de aterro para extensão de pista Construção de aterro para implantação de via de aeroporto. H = 60m de acesso. H = 4m Imagens das obras Formação geológico-geotécnico dos subsolos Solo residual (Perfil de intemperismo) Solo sedimentar (aluvião argiloso) Figura 3.1 Exemplos de obras de aterros em Juiz de Fora-MG 61

2 Seções transversais típicas Sobrecargas aplicadas σ = γ. Z = = 1080 kn/m 2 σ = γ. Z = = 72 kn/m 2 Figura 3.2 Intensidade de carregamento para exemplos da figura 3.1 Sendo os solos compressíveis, característica de todos os materiais quando submetidos a carregamentos externos se deformarem, pergunta-se: Qual das situações apresentará maior RECALQUE (deformação)? Qual o condicionante que contribui significativamente para a ocorrência de recalque, como no caso dos exemplos? Os carregamentos externos, como por exemplo, da construção de um aterro, são transmitidas ao solo gerando uma redistribuição dos estados de tensão em cada ponto do maciço (acréscimos de tensão), a qual irá provocar deformações em maior ou menor intensidade. A compressibilidade depende do tipo de solo, por exemplo: a compressibilidade em areias (solos não-coesivos) devido a sua alta permeabilidade ocorrerá rapidamente, pois a água poderá drenar facilmente. Em contrapartida, nas argilas (solos coesivos) a saída de água é lenta devido à baixa permeabilidade, portanto, as variações volumétricas (deformações/recalques) dependem do tempo, até que se conduza o solo a um novo estado de equilíbrio, sob as cargas aplicadas. Essas variações volumétricas que ocorrem em solos finos saturados, ao longo do tempo, constituem o processo de adensamento (GURGEL, 2018). Definem-se então alguns conceitos importantes: Compressão (ou expansão): É o processo pelo qual uma massa de solo, sob a ação de cargas, varia de volume ( deforma ) mantendo sua forma. Os processos de compressão podem ocorrer por compactação (redução de volume devido ao ar contido nos vazios do solo) e pelo adensamento (redução do volume de água contido nos vazios do solo). Compressibilidade: Relação independente do tempo entre variação de volume (deformação) e tensão efetiva. É a propriedade que os solos têm de serem suscetíveis à compressão Adensamento: Processo dependente do tempo de variação de volume (deformação) do solo devido à drenagem da água dos poros 62

3 Para os exemplos das Figuras 3.1 e 3.2, apesar do aterro de extensão de pista gerar um carregamento externo de 1080 kn/m 2, muito maior que o da via de acesso, com 72 kn/m 2, este segundo caso apresentará um recalque muito maior que o primeiro. Trata-se de solo de fundação sedimentar argiloso, saturado, cuja compressibilidade é muito maior. Neste caso, o fechamento dos vazios ocorrerá por fluxo de água que ocorrerá ao longo do tempo, fenômeno típico de recalque por adensamento, a ser visto neste capítulo. No primeiro caso é esperada deformação principalmente por saída de ar dos poros, considerado como recalque inicial ou imediato. 3.2 Compressibilidade dos solos O solo é um sistema particulado composto de partículas sólidas e espaços vazios, os quais podem estar parcialmente ou totalmente preenchidos com água. Os decréscimos de volume (as deformações) dos solos podem ser atribuídos, de maneira genérica, a três causas principais: Compressão das partículas sólidas; Compressão dos espaços vazios do solo, com a conseqüente expulsão da água (no caso de solo saturado); Compressão da água (ou do fluido) existente nos vazios do solo. Para os níveis de tensões usuais aplicados na engenharia de solos, as deformações que ocorrem na água e grãos sólidos são desprezadas (pois, são incompressíveis). Calculam-se, portanto, as deformações volumétricas do solo a partir da variação do índice de vazios (função da variação das tensões efetivas). Em solos saturados (finos elevado índice de vazios), a variação de volume é devida à drenagem da água. Esta situação é verificada para o caso de ocorrência de argilas sedimentares em que se tem S 100%. Estes solos se formam pelo transporte da água típicos de regiões baixas topografia plana, em que o NA é elevado. No caso de solos de formação não sedimentar, (formados no mesmo local da rocha de origem) correspondente a situações de cotas mais elevadas, não se tem o NA elevado, frequentemente se encontram não saturados. Desta forma não se esperam adensamento destes solos, assim como em solos granulares que apresentam permeabilidade elevada, não sendo submetidos ao processo de drenagem lenta como no caso dos solos argilosos sujeitos ao efeito do adensamento. O fluxo (drenagem) da água no solo é governado pela lei de Darcy v = k.i a variação de volume não é imediata, sendo função da velocidade com que ocorre o fluxo. A compressibilidade de um solo irá depender do arranjo estrutural das partículas que o compõe e do grau em que estas são mantidas uma em contato com a outra. Variação de volume devido à variação das tensões efetivas No caso do carregamento confinado a deformação volumétrica corresponde à deformação específica vertical V h h 0 63

4 3.3 Ensaio de adensamento ou de compressão confinada (oedométrico) Dentre os parâmetros de compressibilidade que o engenheiro geotécnico necessita para a execução de projetos e o estudo do comportamento dos solos, destacam-se a pressão de pré-adensamento vm, o índice de compressão Cc, e o coeficiente de adensamento Cv. A obtenção desses parâmetros se dá a partir da realização de ensaios de compressibilidade do solo. O estudo de compressibilidade dos solos é normalmente efetuado utilizando-se o oedômetro, que foi desenvolvido por Terzaghi para o estudo das características de compressibilidade e da taxa de compressão do solo com o tempo. A Figura 3.3 apresenta o aspecto do recipiente do aparelho em que é colocada a amostra, utilizado nos ensaio de compressão confinada. A Figura 3.4 mostra a imagem de tubos shelby em câmara úmida (com amostra interna de argila mole) e do equipamento de adensamento. Figura 3.3 Oedômetro utilizado nos ensaios de compressão confinada (de adensamento) Figura 3.4 Imagens de tubos shelby em câmara úmida e do equipamento de adensamento 64

5 O ensaio de compressão oedométrica (também referido como ensaio de compressão confinada ou ensaio de adensamento) é o mais antigo e mais conhecido para a determinação de parâmetros de compressibilidade do solo. O ensaio consiste na compressão de uma amostra de solo, compactada ou indeformada, pela aplicação de valores crescentes de tensão vertical, sob a condição de deformação radial nula. As condições de contorno estão apresentadas na Figura 3.5. Figura 3.5 Condições de contorno do ensaio de compressão confinada O ensaio é realizado mantendo a amostra saturada (se for o caso) e utilizando duas pedras porosas (uma no topo e uma na base) de modo a acelerar a velocidade dos recalques na amostra e, conseqüentemente, diminuir o tempo de ensaio. Durante cada carregamento, são efetuadas leituras dos deslocamentos verticais do topo da amostra e do tempo. Procedimento do ensaio (resumido) NBR MB 3336 (ABNT) Solo Determinação de Adensamento Unidirecional Saturação da amostra (se for o caso) Aplicação do carregamento Leituras, geralmente efetuadas em uma progressão geométrica do tempo (15s, 30s, 1min, 2min, 4min, 8min,... 24hs), dos deslocamentos verticais do topo da amostra através de um extensômetro Plotar gráficos com as leituras efetuadas da variação da altura ou recalque versus tensões aplicadas A partir da interpretação dos gráficos, decidir se um novo carregamento deve ser aplicado. Repetem-se os processos anteriores. Última fase: descarregamento da amostra. Seqüências usuais de cargas (em kpa) : 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640, etc em geral são aplicados de 5 a 8 carregamentos podendo chegar a quase 2 semanas de ensaio 3.4 Interpretação dos resultados de um ensaio de compressão confinada Existem diversos modos de se representar os resultados do ensaio de adensamento. A taxa de deformação do solo no início do ensaio é bem veloz, mas como o decorrer do ensaio ela decresce. Depois de transcorrido o tempo necessário para que as leituras se tornem constantes, os resultados de cada estágio são colocados em um gráfico, em função do logaritmo do tempo. A curva de compressão do solo é normalmente representada em função do índice de vazios versus o logaritmo da tensão vertical. A deformação final (recalque) pode ser calculada em termos de índice de vazios, a partir do ilustrado na Figura 3.6, como: 65

6 O recalque é, portanto, o resultado do produto da variação do índice de vazios e da altura de sólidos (Hs). Como Hs é constante, este valor pode se estabelecido em função das condições iniciais da camada, conforme demonstrado na Figura 3.6. Figura 3.6 Subdivisão de fases de um solo e cálculo do recalque (GERSCOVICH, 2008) Sendo V h h 0 então V 1 e e O valor do índice de vazios ao final de cada estágio de carregamento pode ser obtido considerando-se a hipótese de carregamento confinado, a partir da relação da deformação volumétrica com o índice de vazios: h Logo: e f e0. 1 e0 h0 Onde: e f índice de vazios ao final do estágio de carregamento atual h variação da altura do corpo de prova (acumulada) ao final do estágio h 0 altura inicial do corpo de prova (antes do início do ensaio) e 0 índice de vazios inicial do corpo de prova (antes do início do ensaio) O índice de vazios inicial do corpo de prova ( e 0 ) pode ser obtido a partir da relação: e 0 = - 1 = peso específico das partículas sólidas s o s o = peso específico seco na condição inicial Para a condição inicial da amostra, pode-se calcular o grau de saturação ( S o ) a partir da relação: S 0 = h i h i = teor de umidade na condição inicial e 0 e 0 = índice de vazios inicial da argila 66

7 Resultados do Ensaio Os gráficos da Figura 3.7 mostram a representação dos resultados do ensaio de compressão confinada. Figura 3.7 Representação dos resultados em termos de índice de vazios x tensão vertical O valor da tensão a qual separa os trechos de recompressão e compressão virgem do solo na curva de compressão do solo é normalmente denominado de tensão de préadensamento, e representa, conceitualmente, o maior valor de tensão já sofrido pelo solo em campo (no resultado mostrado na curva acima, se aproxima de 100 kpa). Corresponde ao início do trecho virgem de compressão (em que se tem o comportamento linear do índice de vazios com o log da tensão vertical aplicada). Interpretação dos Resultados Para o melhor entendimento de alguns conceitos do ensaio de compressão confinada, analisaremos o exemplo dos gráficos da Figura 3.8 (resultados de ensaio oedométrico realizado em uma argila normalmente adensada, com um descarregamento no meio do ensaio e com tensão de carregamento inicial kpa - acima dos valores correspondentes ao trecho não virgem), plotados no gráfico em escala semi-log (nota-se que os resultados podem ser aproximados por dois trechos lineares) e no gráfico das tensões em escala não logarítmica. Figura 3.8 Resultado do ensaio de adensamento de uma argila normalmente adensada 67